实时卫星位置解算和多普勒频移计算

实验01 实时卫星位置解算和多普勒频移计算

一、目的

1．理解实时卫星位置解算在GPS 接收机导航位置解算过程中的作用及完成卫星位置解算所需的条件。

2．了解卫星导航电文的格式、主要内容及各部分作用。了解星历的内容、周期。

3．了解多普勒频移产生的原因、作用及根据已知条件预测多普勒频移的方法。

二、内容

运行NewStar150 程序，获取可视卫星的实时导航数据（包括 GPS 时间、各卫星的星历等），分析星历的构成、周期，根据卫星的星历，推算出该卫星在 11 小时58 分后的ECEF 坐标系下的大致位置，验证卫星的额定轨道周期。根据实验数据编程求解多普勒频移。

三、知识准备

GPS 实时卫星位置解算方法，导航电文的格式和主要内容，星历表的构成。多普勒频移计算方法。

四、实习过程

1．运行NewStar150 程序，如图 1 所示获取当前可视卫星的星历信息，并作记录；

2．分析星历的构成和周期；

3．如图2 所示，选择GPS 时刻和卫星号，在“卫星位置信息”列表框中会出现所选卫星在所选的GPS 时刻对应的仰角、ECEF 坐标系下的三维坐标、所选时刻加一秒和加两秒后的GPS 时间所对应的ECEF 坐标系下的三维坐标以及接收机在ECEF 坐标系下的初始位置坐标，根据这些数据求解多普勒频移；

4．根据卫星在所选GPS 时间发送的星历推算出这颗卫星在 11 小时58 分后的ECEF 坐标系下的大致位置，验证卫星的额定轨道周期；

实验02 GPS接收机单点定位实验

一、目的

1．掌握GPS 接收机单点定位原理；

2．理解将接收机和卫星钟差作为一个参量进行定位解算的原因和目的；

3．理解钟差对于多普勒频移求解产生的影响；

4．能够根据实验数据编写单点定位解算的相关程序。

二、内容

运行NewStar150 程序，同时观测4 颗可视卫星的实时导航数据（包括GPS 时间、各卫星的星历等），实时传输误差、伪距等，建立接收机位置解算方程，解出接收机位置和钟差。

三、资料准备

GPS 接收机位置解算方法，接收机和卫星钟差产生的原因、对信号搜索和定位精度的的影响。

四、实习过程

1．运行NewStar150 程序获取求解接收机位置所需的实时参数，包括可视卫星的实时导航数据（包括GPS 时间、各卫星的星历等），实时传输误差、伪距等；

2．如图1 所示，在可视卫星为4 颗以上时，记录每一颗卫星在ECEF 坐标系下的坐标、GPS 时间以及每一颗卫星相应的伪距、电离层延迟、对流层误差等实时数据，根据单点定位求解公式编程求解接收机位置；

3．点击“计算所选时刻接收机位置”键进行本地接收机位置解算，如图2 所示。将解算的位置与手动编程求解位置进行比较，以验证手动求解位置方法的正确性。

4．选取三个时刻的数据进行记录，重复上述过程，分析接收机钟差的不确定性和变化范围。

图1

图2

实验03 实时传输误差计算及信噪比与卫星仰角关系

一、目的

1．了解GPS 测量过程中三种主要误差来源：与卫星有关的误差，信号实时传输误差，接收设备有关的误差；

2．理解信号实时传输过程中的电离层延迟、对流层误差的来源、特性、计算方法以及消除或减弱的手段；

3．总结卫星信号信噪比与卫星仰角的关系；

二、内容

熟练掌握GPS 测量过程中的主要误差来源，理解理解信号实时传输过程中的电离层延迟、对流层误差的来源、特性、计算方法以及消除或减弱的手段，通过实验来验证理论分析的正确性。

一般认为，卫星仰角越低传输误差越大，信噪比越低（这是一个趋势，不排除特殊情况出现），通过测量卫星信号的信噪比和各可视卫星的仰角，直观观测各种可能发生的情况，总结信噪比与卫星仰角的关系。

三、资料准备

GPS 系统误差来源，信号传输误差的来源、特性、计算方法以及消除或减弱的手段，信噪比和仰角之间的关系。

四、实习过程

1．运行本实验程序，在可视卫星达到4 颗以上时，在程序界面的实时卫星分布图中会出现本时刻所有可视卫星位置，同时在其左面的卫星仰角列表框中会出现本时刻所有可视卫星的仰角，如图 1 所示。

2．如图2 所示，点击“显示本段时刻可视卫星相关参数曲线”，可以观察到一段记录时刻的电离层延迟、对流层误差以及信噪比随时间变化的曲线，并在程序界面右侧显示不同颜色曲线所对应的卫星序号。

3．根据不同时间段电离层延迟、对流层误差随时间变化的曲线，大致得出此两项误差随时间变化规律，并大致估计此两项误差的误差范围。

4．记录不同时刻天空中可视卫星的仰角及信噪比，比较并得出卫星信号信噪比与卫星仰角的关系。

实验04 几何定位因子的实时计算和分析

一、目的

1．理解几何精度因子在整个GPS 接收机导航解算过程中所起的作用及解算几何精度因子的必要性；

2．了解GDOP、VDOP、PDOP、HDOP、TDOP 等不同几何精度因子的计算过程及所起的作用；

3．理解DOP 值与卫星几何分布的关系，包括DOP 值较小或较大时卫星的几何分布情况；

4．了解不同应用场合对DOP 门限值的要求

二、内容

熟练掌握高程几何精度因子VDOP、空间三维位置几何精度因子PDOP、二维水平位置几何精度因子HDOP、接收机钟差几何精度因子TDOP、总几何精度因子GDOP 的计算方法，根据观测卫星位置计算当前位置的几何精度因子，与观测到的几何精度因子进行比较。

三、资料准备

几何精度因子的计算过程及所起的作用，与卫星几何分布的关系。

四、实习过程

1．运行本实验程序，在可视卫星达到4 颗以上时，在程序界面的实时卫星分布图中会出现本时刻所有可视卫星位置，同时在右面的相应位置会出现本时刻的各个DOP 值，如图 1 所示。

2．记录不同时刻的DOP 值，比较不同时刻（如相隔 30 秒）DOP 值的变化情况，尤其是可视卫星个数发生变化的时刻，初步总结DOP 值与卫星几何分布的关系。

3．如图2 所示，点击“定量分析”，进入对DOP 值的准确分析阶段，此时程序界面内的卫星分布图上会出现4 颗卫星，同时会出现每颗卫星的方位角和仰角，在右面的相应位置会出现卫星在这种分布情况下的DOP 值。