北斗卫星定位系统工作原理
北斗卫星定位系统 是全球卫星定位系统的一种,他工 作的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间 的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位 置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录 的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录 卫星信号传播到用户所经历的时间, 再将其乘以光速得到 (由 于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的 真实距离,而是伪距(PR):当北斗卫星行为系统的卫星正 常工作时,会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码 (简 称伪码)发射导航电文。北斗卫星定位系统使用的伪码一共 有两种,分别是民用的 C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频 率 1.023MHz, 重复周期一毫秒,码间距 1 微秒,相当于 30 0m ; P 码频率
10.23MHz ,重复周期 266.4 天,码间距 0. 1 微秒, 相当于 30m 。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的, 保 密性能更佳。 导航
电文包括卫星星历、 工作状况、 时钟改正、 电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中 解调制出来,以 50b/s 调制在载频上发射的。 导航电文每个 主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s 。前三帧各 10 个字码;每三 十秒重复一次,每小时更新一次。后两帧共
15000b 。导航 电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3
数据块, 其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提 取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与 用户的距
离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星 发射电文时所处位置, 用户在 WGS-84 大地坐标系中的位置 速度等信息便可得知。可见北斗卫星定位系统卫星部分的作 用就是不断地发射导航电文。然而,由于用户接受机使用的 时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维 坐标x、y、z夕卜,还要引进一个△ t即卫星与接收机之间的时 间差作为未知数,然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。 所以如果想知道接收机所处的位置, 至少要能接收到 4 个卫 星的信号。 工作原理 1
北斗卫星定位系统接收机可接收到可用于授时的准确 至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略 位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星 历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以 及北斗卫星定位系统信息,如卫星状况等。
北斗卫星定位系统接收机对码的量测就可得到卫星到 接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误 差,故称为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距,精 度约为20米左右,对P码测得的伪距称为 P码伪距,精度 约为 2 米左右。
北斗卫星定位系统接收机对收到的卫星信号,进行解码 或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢 复载波。严格而
言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是 收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本 机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻 量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值, 但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道 的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只 能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫 米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有 一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级 的定位 精度也只能采用相位观测值。
按定位方式,北斗卫星定位系统定位分为单点定位和相 对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测 数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可 用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据 两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置 的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地 测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。