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1、Harbin Institute of Technology卫星定位导航原理与应用实验报告电子与信息工程学院院系:班 级:姓名:指导教师: 报告时间:实验一实时卫星位置解算及结果分析一、实验目的（1）理解实时卫星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中所起的作用及为 完成卫星位置解算所需的条件；（2）了解GPS时间的含义、周期，卫星的额定轨道周期以及星历的构成、周期 及应用条件；（3）了解Doppler频移的成因、作用以及根据已知条件预测Doppler频移的方 法；（4）了解Doppler频移的变化范围及其与卫星仰角之间的关系；（5）能够根据实验数据编写求解Doppler频移的相关程序。二、实
2、验原理卫星位置的解算是接收机导航解算（即解出本地接收机的纬度、经度、高度的 三维位置）的基础。需要同时解算出至少四颗卫星的实时位置，才能最终确定接 收机的三维位置。（1）解算思路：对某一颗卫星进行实时位置的解算需要已知这颗卫星的星历和 GPS时间。而星历和GPS时间包含在速率为50比特/秒的导航电文中。导航电 文与测距码（C/A码）共同调制L1载频后，由卫星发出。本地接收机相关接收 到卫星发送的数据后，将导航电文解码得到导航数据。导航解算单元根据导航数 据中提供的相应参数进行卫星位置解算、各种实时误差的消除、本地接收机位置 解算以及定位精度因子（DOP）的计算等工作。（2）理论基础：卫星的额定
3、轨道周期是半个恒星日，或者说11小时58分钟2.05 秒；各轨道接近于圆形，轨道半径（即从地球质心到卫星的额定距离）大约为 26560km。由此可得卫星的平均角速度3和平均的切向速度v为：s3 =2n /（11*3600+58*60+2.05）0.0001458 rad/s（1.1）v 二 r xw u 26560km*0.0001458 = 3874m/s（1.2）s s由于卫星与接收机有相对的径向运动，因此会产生Doppler效应，而出现频率 偏移。Doppler频移的直接表现是接收机接收到的卫星信号不恰好在L1（1575.42MHz）频率点上，而是在L1频率上叠加了一个最大值为土 5KH
4、z左右 的频率偏移，这个预测带来了困难。（3）Doppler频移的预测方法：设本地接收机的初始位置为R （x，y，z ），记录的卫星两点空间坐标为r r rS1 （x，y，z ）、S2 （x，y，z ），相隔时间为t，卫星与接收机平均相对径向1 1 1 2 2 2运动速度为v，光速为c，Doppler频移为f，则Doppler频移预测的具体公 dd式如下所示：(1.3)(1.4)(1.5)1.6)di =（ x - x ）2 + （ y - y 匕 + （ z - z ）2 1/2-1r1r1r -d2 =（ x - x）2 +（ y - y）2 +（ z - z）2 1/2_2r2r2r _
5、d1 - d2 Iv = Ldtf = v *1575.42 MHz / cdd（4）Doppler频移与卫星仰角的关系：Doppler频移随卫星仰角的增大而减小。 当卫星的仰角为90度（即卫星在接收机正上方的天顶上）时,理论上Doppler频 移为零。三、实验内容及步骤（1）运行主程序以取得目前可视卫星的实时导航数据（如GPS时间、各颗卫 星的星历等）；（2）运行本实验程序，步骤1中截取的所有GPS时间就会出现在“选择GPS时 刻”列表框的下拉菜单中，任意选择一个GPS时刻；（3）在“所选时刻可视卫星星历”列表框中，就会出现所选时刻天空中所有可 视卫星当前发出的星历信息，可以在教师讲解的基础
6、上了解星历的构成、周期， 并对星历信息中比较重要的参数做相应的记录；（4）在“选择卫星号”列表框的下拉菜单中，就会出现所选时刻天空中所有可 视卫星的序号，选择一个序号；（5）在“卫星位置信息”列表框中会出现所选卫星在所选的GPS时间所对应 的仰角以及其在ECEF坐标系下的三维坐标，在附表中记录其值；（6）在“卫星位置信息”列表框中同时会出现所选卫星在所选的GPS时间加一 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，这些数据用于求解Doppler频移，根据附表记 录其值；（7）在“卫星位置信息”列表框中还会出现根据卫星在所选GPS时间发
7、送的星 历推算出的这颗卫星在11小时58分后的ECEF坐标系下的大致位置，用以验 证卫星的额定轨道周期。根据附表记录其值；（8）同时“所选卫星在ECEF坐标系下的星座图”中，会出现该卫星在ECEF坐 标系中的大致位置，便于直观理解所求数据；（9）根据步骤六记录的数据，在Turbo C环境下自己编程实现对于Doppler频 移的求解，将所得数据记录在附表中；（10）重复步骤四到步骤九，记录并解算出所选时刻天空中所有可视卫星的相关 数据，按附表格式将所得数据记录下来；（11）重复步骤二到步骤十，在同一时间段中至少选三个不同的GPS时刻记录 并解算相应数据，比较并分析不同时刻同一卫星的仰角、ECEF
8、坐标系下的坐标 以及Doppler频移的差异；（12）重复步骤二到步骤十一，至少选择三个不同时间段的数据进行记录、求解、 分析。四、实验数据分析GPS时间可视卫 星序号ECEF坐标仰角Doppler 频移 (Hz)1925092X=8469853.12568439.5864231986.586347Y=20131456.245896Z=17125864.145256192510X=8565032.49581239.5426391986.591203Y=19744722.842134Z=16038165.832871192511X=8563528.33867539.5625841986.5887
9、65Y=19743789.125641Z=16040231.9973211925096X=-7412419.83158771.913776367.843231Y=13770547.600255Z=21181418.143728192510X=-7410117.81772771.913764367.844312Y=13772078.755053Z=21181200.627777192511X=-7414721.94628471.913754367.812547Y=13769016.553719Z=21181635.1971481925099X=-9184607.98650765.46418417
10、23.608276Y=22650866.257750Z=9599339.788937192510X=-9184817.17511965.4641231723.604567Y=22649566.043725Z=9602169.710332192511X=-9185026.40001365.4641701723.607654Y=22648265.482061Z=9604999.420320五、源程序#include vstdio.hmain()float xr,yr,zr;float xl,yl,zl;float x2,y2,z2;float t;float c=299800000;float d
11、1=0,d2=0,vd=0;float fd;printf(please input 接收机初始位置:n); scanf(%f %f %f, &xr,&yr,&zr);printf(please input 卫星时刻 1 位置:n); scanf(%f %f %f, &x1, &y1,&z1);printf(please input 卫星时刻 2 位置:n); scanf(%f %f %f, &x2，& y2,&z2);printf(please input 时间 t:n);scanf(%f ，&t);d1=sqrt(x1-xr)*(x1-xr)+(y1-yr)*(y1-yr)+(z1-zr)
12、*(z1-zr); d2=sqrt(x2-xr)*(x2-xr)+(y2-yr)*(y2-yr)+(z2-zr)*(z2-zr);vd=fabs(d1-d2)/t;fd=vd*1575420000/c;printf(Dopplar is %f:n,fd);六、思考题1. 对同一时刻不同仰角卫星的doppler频移进行比较，根据实际数据得出卫星 仰角与doppler频移之间的关系。答：比较2号卫星和6号卫星在367852GPS时的Dopller频移,名称仰角Doppler卫星 139.5864231986.586347卫星 271.913776367.843231由上表可得，对同一时刻不同仰角卫
13、星，仰角越小，Doppler频移越大。可见卫星仰角与doppler频移之间呈反比关系。2.比较并分析不同时刻同一卫星的仰角、ECEF坐标系下的坐标以及doppler频 移的差异。答以卫星9为例分析：1925099X=-9184607.98650765.4641841723.603276Y=22650866.257750Z=9599339.788937192510X=-9184817.17511965.4641231723.604567Y=22649566.043725Z=9602169.710332结论：由上表分析得出：9号卫星的仰角随时间增加而减小，Doppler频移增大, 此时，坐ECEF
14、标系下的坐标x轴减小，y轴增大，z轴减小。3. 由接收机在ECEF坐标系下的初始位置坐标及同一卫星不同时刻在ECEF坐标 系下的位置坐标得出的卫星到接收机之间的不同距离分析卫星的运动趋势。答：由2题分析可知：9号卫星的doppler频移随时间的增大而增大，可分析 其运动趋势应该是由天顶向地平面移动。此结论可由这颗卫星在不同时刻到接收 机的距离变化得到验证。4. 比较当前时刻卫星在ECEF坐标系下的位置坐标及由当前星历推算出的这颗 卫星在11小时58分后的ECEF坐标系下的大致位置坐标，思考为什么两个坐标只是大致位置相同而不是绝对一致? 答：分析GPS时间可视卫星 序号ECEF坐标仰角19250
15、99X=-9184607.98650765.464184Y=22650866.257750Z=9599339.788937预测这颗卫.星在11小时58分后的ECEF坐标系下的大致位置Tow： 410932X=-9190930.472510Y=22648594.748083Z=9598657.037808可能的原因有二：(1) 由于卫星在11小时58分后的ECEF坐标系下的大致位置坐标是通过当前的 星历推算出来的，而星历的寿命是两个小时，所以大约12小时后的星历与当前时刻的星历在参数上有误差，从而引起预测位置坐标上的误差。(2) 由于卫星的运动周期为半个恒星日，而不恰好为11小时58分，所以时间上 的误差也导致了预测位置上的误差。TOJ
