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

       北斗卫星定位系统是一种全球卫星定位系统。其工作的基本原理是测量已知位置的卫星与用户接收机之间的距离,然后通过综合多颗卫星的数据就可以知道接收机的具体位置。为了达到这个目的,卫星的位置可以根据星上时钟记录的时间在卫星星历中找到。用户到卫星的距离是通过记录卫星信号传播到用户所花费的时间,再乘以光速(由于大气中电离层的干扰,这个距离不是用户到卫星的真实距离,而是伪随机距离(PR):北斗卫星行为系统的卫星正常工作时,会不断发射由1和0的二进制符号组成的伪随机码(简称伪随机码)的导航报文。北斗卫星定位系统使用的伪码有两种,民用C/A码和军用P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期1毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30 m,Y码是在P码的基础上形成的,具有更好的安全性能。导航信息包括卫星星历、工作条件、时钟校正、电离层延迟校正、大气折射校正等信息。它从卫星信号中解调出来,并以50b/s调制在载波频率上传输。导航信息的每个主帧包含5个子帧,每个帧长6s。前三帧各有10个字符;30秒重复一次,每小时更新一次。最后两帧总共15000b。导航报文的内容主要包括遥测码、转换码、数据块1、2、3,其中星历数据最为重要。当用户收到导航信息后,通过提取卫星时间并与自己的时钟进行比较,就可以知道卫星与用户之间的距离。然后,利用导航电文中的卫星星历数据,就可以计算出发送电文时卫星的位置,就可以知道用户在WGS-84大地坐标系中的位置和速度。由此可见,北斗卫星定位系统的卫星部分的作用是不断传递导航信息。但是由于用户接收机使用的时钟不能总是与星载时钟同步,所以除了用户的三维坐标x,y,z外,引入一个δ t,即卫星与接收机的时差,作为一个未知数,然后用四个方程求解这四个未知数。因此,如果你想知道接收器在哪里,你必须能够从至少四颗卫星接收信号。

工作原理

       北斗卫星定位系统接收机可以接收精确到纳秒量级的时间信息,用于时间服务。预测星历,用于预测未来几个月内卫星的大致位置;用来计算定位所需卫星坐标的广播星历,精度在几米到几十米(每颗卫星不同,随时变化);以及北斗卫星定位系统信息,比如卫星状态。
通过测量北斗卫星定位系统接收机的码可以得到卫星到接收机的距离,由于包含了接收机卫星时钟误差和大气传播误差,称为伪距。0A码测得的伪距称为UA码伪距,精度约20米,P码测得的伪距称为P码伪距,精度约2米。

       北斗卫星定位系统接收机对接收到的卫星信号进行解码或使用其他技术去除载波上调制的信息,然后就可以恢复载波。严格来说,载波相位应该称为载波拍频相位,它是接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振产生的信号相位之差。一般来说,相位变化值可以通过在接收机时钟确定的历元时间测量并跟踪卫星信号来记录。但观测开始时接收机和卫星振荡器的初始相位值是未知的,初始历元的相位整数也是未知的,即整个周期模糊度只能作为数据处理中的一个参数来求解。相位观测精度高达毫米,但前提是要解决全周模糊。因此,相位观测只能在相对定位中有连续观测时使用,只有相位观测才能达到比米更好的定位精度。

       北斗卫星定位系统按照定位方式可分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位是根据接收机的观测数据确定接收机位置的一种方法。它只能使用伪距观测,可用于车辆和船舶的粗略导航和定位。相对定位(差分定位)是根据两个以上接收机的观测数据确定观测点之间相对位置的方法。它既可以使用伪距观测,也可以使用相位观测。大地测量或工程测量应使用相位观测进行相对定位。

       在北斗卫星定位系统中,包含了卫星与接收机之间的时钟误差、大气传播延迟、多径效应等误差,这些误差在定位计算中也会受到卫星广播星历误差的影响。大多数常见的误差在相对定位中是偏移或减弱的,因此定位精度会大大提高。双频接收机根据对两个频率的观测,可以抵消大气中电离层误差的主要部分。当精度较高,接收机之间距离较远(大气中有明显差异)时,应选择双频接收机。

理论工作模型

       北斗卫星定位系统的基本原理是根据作为已知起始数据的高速运动卫星的瞬时位置和空间距离后方交会的方法确定待测点的位置。如图所示,假设北斗卫星定位系统接收机放置在时间t的待测地面点上,就可以测出北斗卫星定位系统信号的到达时间△t,加上接收机接收到的卫星星历等其他数据就可以确定下面四个方程:

北斗卫星定位系统的基本原理是根据

         在上述四个方程中,待测点的坐标x,y,z,Vto为未知参数,其中di=c△ti (i=1,2,3,4)。Di (i=1,2,3,4)是卫星1,卫星2,卫星3,卫星4到接收机的距离。△ti (i=1,2,3,4)是卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的信号到达接收机所需的时间。c是GPS信号的传播速度(即光速)。四个方程中每个参数的含义如下:x,y,z是待测点坐标的空间直角坐标。Xi、yi和zi (i=1、2、3和4)是卫星1、卫星2、卫星3和卫星4在时间t的空间直角坐标,可以从卫星导航信息中获得。Vt i (i=1,2,3,4)是卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的卫星时钟的时钟差,由卫星星历提供。Vto是接收机的时钟差。待测点的坐标x、y、z和接收机的时钟差Vto可由上述四个方程求解。

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