《4-電磁波的傳播與GPS衛(wèi)星的信號(hào)解析》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《4-電磁波的傳播與GPS衛(wèi)星的信號(hào)解析（46頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,教學(xué)內(nèi)容：電磁波傳播的根本概念，大氣層對(duì)電磁波傳播的影響，GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào)，GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電。,學(xué)問(wèn)目標(biāo)：了解電磁波的根本概念和其參數(shù)的構(gòu)成；了解大氣環(huán)境對(duì)電磁波傳播的主要影響因素和其相應(yīng)的減弱影響的措施；把握碼的相關(guān)概念、碼的構(gòu)成及其相應(yīng)的特性；把握GPS導(dǎo)航電文的格式及其內(nèi)容。,學(xué)習(xí)情境4 電磁波的傳播與GPS衛(wèi)星的信號(hào),一、電磁涉及其參數(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,子情境1 電磁波傳播的根本概念,假設(shè)設(shè)電磁波的波長(zhǎng)為，相位常數(shù)為k，則有關(guān)系式：,電磁

2、波在真空中的傳播速度為c,二、電磁波的傳播速度與大氣折射,折射率n,折射數(shù),群波的傳播速度為群速Vg,通過(guò)大氣層的電磁波頻率f，則相應(yīng)的折射率,表4-1給出了常用波段的劃分方法及其表示符號(hào),電磁波的頻譜,圖4-1 電磁波的頻,子情境2 大氣層對(duì)電磁波傳播的影響,一、大氣的構(gòu)造及性質(zhì),1.大氣構(gòu)造概況,眾所周知，地球的外表包圍著一層很厚的大氣，大氣的總質(zhì)量約為3.91018kg，大約是地球總質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。由于地球吸引力的作用，引起大氣的質(zhì)量在垂直方向分布極不均勻，主要集中在大氣層的底部，其中75的質(zhì)量分布在10km以下，而90以上的質(zhì)量分布在30 km以下。,圖4-2 大氣層的分類(lèi),2.對(duì)流

3、層的性質(zhì),對(duì)流層，指從地面對(duì)上約40km范圍內(nèi)的大氣底層。整個(gè)大氣層質(zhì)量的99，幾乎都集中在該大氣層中。對(duì)流層與地面接觸，并從地面得到輻射熱能，其溫度一般隨高度的上升而降低，平均每上升1km降低約6.5。而在水平方向南北方向，溫度差每100km一般不會(huì)超過(guò)1。,有少量電子，對(duì)電磁波的傳播幾乎沒(méi)有影響。電磁波的傳播速度與頻率無(wú)關(guān)。,大氣中含有水滴、塵埃等雜質(zhì)，對(duì)電磁波的傳播具有很大的影響。,圖4-3 折射數(shù)N0隨高度的變化,為了說(shuō)明高度角的變化對(duì)對(duì)流層折射的影響，現(xiàn)將電磁波傳播路徑的差值隨高度角的變化狀況列于表4-2。,3.電離層的性質(zhì),電離層是高度位于501 000km的大氣層。由于原子氧吸取

4、了太陽(yáng)紫外線的能量，故該大氣層的溫度，隨高度的上升而快速上升。,含高密度的帶電粒子：與大氣輻射強(qiáng)度、大氣密度、高度、太陽(yáng)黑子活動(dòng)相關(guān)。,當(dāng)電磁波穿過(guò)電離層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，所以大氣對(duì)電磁波的傳播屬于彌散性介質(zhì)。,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)10,16,/m,2,最低年份近于零。58，69，80，91，02年最高。,對(duì)流層與電離層比較,對(duì)流層電離層,H越大，t越低H越大，t越高,與氣象有關(guān)與氣象無(wú)關(guān),與

5、,f,無(wú)關(guān)與,f,有關(guān),n,1,n,1,二、對(duì)流層的影響和改正,對(duì)于頻率小于30GHz的電磁波傳播為非彌散性介質(zhì),由于對(duì)流層折射的影響，在天頂方向，可使電磁波的傳播路徑差2.3m，高度角為10時(shí)可達(dá)20m。,3、對(duì)流層影響,與電磁波頻率無(wú)關(guān)，1完善大氣折射改正模型；,2作為未知數(shù)求解；,3盡可能充分地把握觀測(cè)站四周地區(qū)的實(shí)時(shí)氣象資料；,4用水汽輻射計(jì)計(jì)算大氣濕重量的改正項(xiàng)。,水汽輻射計(jì),三、電離層的影響和改正,電離層中，電磁波的折射率1,折射率與大氣電子密度成反比，與通過(guò)的電磁波頻率的平方成正比。,對(duì)于確定的電磁波頻率來(lái)說(shuō)，電子密度與輻射強(qiáng)度、季節(jié)、時(shí)間、地理位置、太陽(yáng)黑子的活動(dòng)強(qiáng)度等有關(guān)。,

6、圖4-4 太陽(yáng)黑子數(shù)的預(yù)報(bào)值,當(dāng)電磁波的傳播方向偏離天頂方向時(shí)，電子總量會(huì)明顯地增加。假設(shè)在傾角為hs的方向上，電子總數(shù)設(shè)為Nh，則有近似式：,據(jù)實(shí)際資料分析可得，對(duì)于GPS來(lái)說(shuō)，由于電離層折射引起的電磁波傳播路徑的距離差，延天頂方向，最大可達(dá)50m，延水平方向最大可達(dá)150m。,當(dāng)電磁波的頻率不同時(shí)，電離層對(duì)傳播路線的影響見(jiàn)表4-3。,1.利用兩種不同的頻率進(jìn)展觀測(cè),表4-4列出了經(jīng)不同雙頻觀測(cè)改正后，仍可能含有的電離層折射影響的殘差,2.兩觀測(cè)站同步觀測(cè)量求差,3.電離層改正模型,圖4-7 電離層改正模型,偽距測(cè)量值與載波相位測(cè)量值的電離層折射改正大小一樣，符號(hào)相反。因而有人建議用載波相位

7、測(cè)量觀測(cè)值來(lái)改正偽距測(cè)量中的電離層折射。方法很簡(jiǎn)潔，只需將同一觀測(cè)時(shí)刻的載波相位測(cè)量觀測(cè)值和偽距測(cè)量觀測(cè)值取中數(shù)即可消退電離層折射的影響，這種方法被稱(chēng)為半和改正法。但這會(huì)引入一個(gè)整周未知數(shù)N，造成諸多不便，因而未被廣泛承受。,留意不能反過(guò)來(lái)利用偽距觀測(cè)值來(lái)求改正載波相位觀測(cè)值中的電離層折射。,4.半和改正法,子情境3 GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼信號(hào),1、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。,2、碼的概念及其產(chǎn)生,1碼的根本概念,碼表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合,碼元一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)碼元。,編碼

8、用二進(jìn)制數(shù)表示信息的過(guò)程。,信息量某種事物有2r種類(lèi)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。,模二加法：,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消失的概率相等1/2，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)將隨即序列Ut平移k個(gè)碼元，平移后與平移前兩序列一樣碼元個(gè)數(shù)A，相異個(gè)數(shù)B，A-B/A+B叫自相關(guān)系數(shù)，用Rt表示。,自相關(guān)性好原碼與復(fù)制碼對(duì)齊Rt=

9、1，不對(duì)齊0。,自相關(guān)系數(shù)：,11101001110100,11101001110100,Rt=(3-4)/7=-1/7。,11101001110100,11101001110101,R(t)=(3-4)/7=-1/7,3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)消失的二進(jìn)制碼。,產(chǎn)生：多級(jí)反響移位存放器P38；也可用程序產(chǎn)生。,碼的產(chǎn)生,四級(jí)移位存放器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的特性,碼序列：,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：1，不對(duì)齊：-1/15。,r級(jí)移位存放器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼的特性,碼元寬度：0=1/fc

10、；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,1C/A碼,兩個(gè)10級(jí)移位存放器產(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：299792458m/s9.775210-9=2.93m。,2P碼,4個(gè)12級(jí)移位存放器，每個(gè)移位存放器產(chǎn)生的

11、偽隨機(jī)碼的碼長(zhǎng)為：212-1=4095bit，,設(shè)4個(gè)碼為：A，B，C，D；將其組合成簡(jiǎn)單的復(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。,1、接收機(jī)接收衛(wèi)星放射的測(cè)距碼并產(chǎn)生一樣的復(fù)制碼；,2、接收碼比復(fù)制碼滯后一段時(shí)間；,3、時(shí)延器將復(fù)制碼延后向后移位，直到與接收碼對(duì)齊為止，記錄延后時(shí)間，即為電磁波在星站間傳播所用時(shí)間。,復(fù)

12、制碼,接收碼,4*、冷啟動(dòng)，接收碼(來(lái)自某衛(wèi)星與50多個(gè)復(fù)制碼接收機(jī)產(chǎn)生一一比較，兩者一樣叫鎖定。,熱啟動(dòng)，冷啟動(dòng)后有記憶，以后啟動(dòng)不必一一比較。,四、接收機(jī)的根本原理,數(shù)據(jù)接收,五、衛(wèi)星信號(hào)的構(gòu)成,、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 轉(zhuǎn)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)展載波相位測(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：1.5754

13、2GHz。,波長(zhǎng)：299792458/1.5754210,9,=19.03cm。,測(cè)距精度：19.03cm/100=1.9mm。,L2 頻率：1.22760GHz。,波長(zhǎng)：299792458/1.2276010,9,=24.42cm。,測(cè)距精度：24.42cm/100=2.4mm。,子情境4 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文,一、導(dǎo)航電文及其格式,圖4-19 導(dǎo)航電文格式,二、導(dǎo)航電文的內(nèi)容,圖4-20 一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容,1.遙測(cè)碼 TLW,主要是說(shuō)明注入數(shù)據(jù)是否牢靠,2.轉(zhuǎn)換碼 HOW,用C/A碼捕獲P碼用,圖4-21 Z計(jì)數(shù),3.數(shù)據(jù)塊I,衛(wèi)星鐘改正參數(shù),參考?xì)v元 t,oe,鐘數(shù)據(jù)齡期AODC 現(xiàn)時(shí)

14、星期編號(hào)WN,4.數(shù)據(jù)塊,GPS實(shí)時(shí)定位的根本數(shù)據(jù),5.數(shù)據(jù)塊,GPS衛(wèi)星概略星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)的信息,用戶搜到一顆衛(wèi)星后，可從中獲得其他全部衛(wèi)星的概略位置、衛(wèi)星鐘概略改正數(shù)及工作狀態(tài)等信息,年11月9日 2時(shí)0秒,1997,課堂小結(jié),碼元，碼元寬度，隨機(jī)碼，偽隨機(jī)碼及其特性。,接收機(jī)的根本原理。,C/A碼、P碼的測(cè)距精度2.93、0.293。,星歷和歷書(shū)的異同。,載波L1、L2的測(cè)距精度1.9mm、2.4mm。,學(xué)習(xí)情境4 學(xué)問(wèn)技能訓(xùn)練,1、概念,電離層、對(duì)流層、碼、碼元、碼元寬度、偽隨機(jī)碼、噪聲碼、復(fù)制碼、接收碼、自相關(guān)系數(shù)、歷書(shū)、調(diào)制、解調(diào)。,2、原理,1電離層和對(duì)流層各有何特性？對(duì)電磁波傳播有何影響？如何減弱其影響？,2C/A碼與P碼的碼長(zhǎng)、碼元寬度、測(cè)尺長(zhǎng)度及測(cè)時(shí)和測(cè)距精度。,