電磁波傳播及GPS衛(wèi)星信號(hào)

1、第四章 電磁波傳播與GPS衛(wèi)星信號(hào)第一節(jié) 電磁波的基本知識(shí)1、參數(shù) 周期T、頻率f、速度v、波長(zhǎng)、相位及其相互關(guān)系：T=1/ f ， =T.v， =2 ft。2、電磁波普 1）全普與窗口 2）衛(wèi)星大地測(cè)量常用普衛(wèi)星定位常用波普第二節(jié) 大氣層對(duì)電磁波傳播的影響一、大氣結(jié)構(gòu)及性質(zhì) 對(duì)流層：40km以下，冷熱、雨雪風(fēng)、水蒸氣。屬非彌散介質(zhì)。 電離層：70km以上，空氣分子以帶電粒子的形式存在，屬?gòu)浬⒔橘|(zhì)，對(duì)電磁波傳播影響顯著，折射率主要取決于帶電子數(shù)的多少和電磁波頻率的高低。 折射數(shù)N0=(n-1)106。電離層對(duì)不同頻率電磁波折射二、電離層影響及對(duì)策 1、電離層影響： dion=-c40.28N/

2、f 2 N斷面為1m2傳播路徑上的電子數(shù)總合。 若N=51017，而f 1=1.57542GHz, f 2=1.22760GHz dion 1=8.11m， dion2=-13.36m。 2、對(duì)策： 1）雙頻觀測(cè)； 2）利用電離層模型改正（是否改正取決于數(shù)據(jù)處理軟件）； 3）同步觀測(cè)求差（相對(duì)定位或差分定位）。 4） 載波相位觀測(cè)與碼相位觀測(cè)取平均。 3、影響帶電離子密度的因素 電離層高度，200400km時(shí)密度最大； 地方時(shí)，白天是晚上的5倍，地方時(shí)11時(shí)最大； 季節(jié)，夏天是冬天的4倍； 測(cè)站緯度，赤道最高，南北極最低； 年份，太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期為11年，最高年份可達(dá)1016/m2,最低年份近

3、于零。58，69，80，91，02年最高。三、對(duì)流層影響及對(duì)策 與電磁波頻率無(wú)關(guān)，與傳播路徑上的大氣狀況、大氣壓、溫度、高程、高度角等有關(guān)。 減弱措施： 1）模型改正； 2）作為未知數(shù)求解； 3）同步觀測(cè)值求差； 4）用水汽輻射計(jì)求路徑折射率。第三節(jié) GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)一、GPS衛(wèi)星信號(hào)概述 載波信號(hào)： L1 1.57542GHz。 L2 1.22760GHz 。 測(cè)距碼信號(hào)：C/A碼，P碼。 數(shù)據(jù)碼信號(hào)：導(dǎo)航電文。二、碼的概念及其產(chǎn)生 1） 碼的基本概念 碼表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合。（波形與序列見(jiàn)下一幻燈片。） 碼元一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)碼元。 編碼用二進(jìn)制數(shù)表示信息的過(guò)程。 信息量某

4、種事物有2r種類型，可用r位二進(jìn)制數(shù)表示，即含有r比特的信息量。 信息的傳輸速度單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。 碼元寬度傳輸一個(gè)碼元所用時(shí)間。 碼元、信息的傳播速度、碼元寬度三概念應(yīng)牢固掌握符號(hào)與波形模二加法：110 , 101 , 000 , 011 二進(jìn)制碼的模二加法等價(jià)于電位的乘法。 碼序列將r比特的二進(jìn)制數(shù)看作是由0、1組成的序列。2）隨機(jī)碼在一個(gè)碼序列中，0和1出現(xiàn)的概率相等，而某一碼元是0或是1卻是隨機(jī)的，事先無(wú)法確定的，這樣的碼序列叫隨機(jī)碼。 隨機(jī)碼特點(diǎn)：非周期性序列；自相關(guān)性好；無(wú)法復(fù)制。 自相關(guān)性用自相關(guān)系數(shù)表示， 自相關(guān)系數(shù)將U（t）平移k個(gè)碼元，平移后與平移前兩序列相同碼元個(gè)數(shù)

5、A，相異個(gè)數(shù)B，（A-B）/（A+B）叫自相關(guān)系數(shù)，用R（t）表示。 自相關(guān)性好原碼與復(fù)制碼對(duì)齊R（t）=1，不對(duì)齊0。自相關(guān)系數(shù)：自相關(guān)系數(shù)：11101001110100 11101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/7。11101001110100 11101001110101R(t)=(3-4)/7=-1/73）噪聲碼 信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于噪聲強(qiáng)度的信號(hào)碼。 優(yōu)點(diǎn)：耗能少；隱蔽性好。4）偽隨機(jī)噪聲碼及其產(chǎn)生 偽隨機(jī)碼有良好的自相關(guān)性且按周期重復(fù)出現(xiàn)的二進(jìn)制碼。 產(chǎn)生：多級(jí)反饋移位寄存器；也可用程序產(chǎn)生。 111100010011010111100010011010碼的產(chǎn)生輸出+4

6、321鐘沖置1脈沖狀態(tài)號(hào) 各級(jí)狀態(tài)1，2，3，4 輸出 1 1 1 1 1 1 周日子夜零時(shí)置1脈 沖與鐘沖1同時(shí)作用 2 0 1 1 1 1 鐘沖2 3 0 0 1 1 1 鐘沖3 4 0 0 0 1 1 鐘沖4 5 1 0 0 0 0 鐘沖5 6 0 1 0 0 0 鐘沖6 7 0 0 1 0 0 8 1 0 0 1 1 9 1 1 0 0 0 10 0 1 1 0 0四級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的特性碼序列：111100010011010111100010011010鐘頻：fc ； 碼元寬度：0=1/ fc ； 碼長(zhǎng)：Nu=24-1=15bit；周期：T=0. Nu ；自相關(guān)系數(shù)：對(duì)齊：

7、1，不對(duì)齊：-1/15。 r級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的特性碼元寬度：0=1/ fc ； 碼長(zhǎng)：Nu=2r-1；周期：T=0. Nu ； 自相關(guān)系數(shù)：對(duì)齊：1，不對(duì)齊：-1/(2r-1)。三、GPS的測(cè)距碼1）C/A碼 兩個(gè)10級(jí)移位寄存器產(chǎn)生兩個(gè)偽隨機(jī)碼G1、G2。 G2平移11023碼元，得1023個(gè)新碼，與G1模二相加。不同衛(wèi)星用不同碼。 鐘頻：1.023MHz； 碼元寬度：0.97752s， 碼長(zhǎng)：210-1= 1023bit， 周期： 0.97752s 1023=1ms， 測(cè)尺長(zhǎng)度，300km， 測(cè)時(shí)精度： 0.97752s /100=0.0097752s， 測(cè)距精度：2997924

8、58m/s9.775210-9=2.93m。2）P碼 4個(gè)12級(jí)移位寄存器，每個(gè)移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的碼長(zhǎng)為：212-1=4095bit， 設(shè)4個(gè)碼為：A，B，C，D；將其組合成復(fù)雜的復(fù)合碼，如：ADDBACAADCBA等。 鐘頻：10.23MHz； 碼元寬度：0.097752s， 碼長(zhǎng)：2.351014bit， 周期： 0.097752s2.351014= 267天 測(cè)時(shí)精度： 0.097752s/100=9.775210-10s， 測(cè)距精度：2997924589.775210-10=0.293m。第四節(jié) GPSGPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文 1、遙測(cè)碼：主要是說(shuō)明注入數(shù)據(jù)是否可靠。2、轉(zhuǎn)換碼：用

9、C/A碼捕獲P碼用。3、傳輸參數(shù)：定位精度，9不能導(dǎo)航。4、電離層改正。5、鐘差改正。6、星歷，各衛(wèi)星播發(fā)的自已的位置參數(shù)，文件類型為E文件，用于定位。7、歷書，各衛(wèi)星播發(fā)的所有衛(wèi)星的概略位置參數(shù)，文件名以 al 開(kāi)頭，用于估算可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)。（G:教學(xué)數(shù)據(jù)課堂實(shí)習(xí)ASHTECH）8、衛(wèi)星健康及其它。如何評(píng)價(jià)胰腺癌化療的療效 GPSGPS衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制與解調(diào) 、調(diào)制 調(diào)制就是在載波上加上信號(hào)碼，方法是用調(diào)相技術(shù)將信號(hào)調(diào)制到載波上。 二進(jìn)制碼（電位） 1 (-1) 0(1) 載波相位 改變180 不變2、解調(diào) 解調(diào)就是去掉二進(jìn)制碼，只留下載波。方法有兩種： 1）復(fù)制碼與信號(hào)碼對(duì)齊時(shí)相乘（電位相乘，二進(jìn)制數(shù)模二相加） 2）平方解調(diào)（電位平方） 解調(diào)后得載波，用載波可進(jìn)行載波相位測(cè)量（原理是測(cè)出載波由衛(wèi)星傳播到接收機(jī)產(chǎn)生的載波相位延遲）。3、載波精度 L1 頻率：1.57542GHz。 波長(zhǎng)：299792458/1.57542109=19.03cm。 測(cè)距精度：19.03cm/100=1.9mm。 L2 頻率：1.22760GHz。 波長(zhǎng)：299792458/1.22760109=24.42cm。 測(cè)距精度：24.42cm/100=2.4mm。第六節(jié) 接收機(jī)的基本原理1、接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼并產(chǎn)生相同的復(fù)制