卫星导航系统信号的多普勒特性分析

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1、万方数据文章编号：1001—2486(2003)05—0048—04卫星导航系统信号的多普勒特性分析‘许晓勇，王飞雪，庄钊文(国防科技大学电子科学与工程学院，湖南长沙410073)摘要：在卫星导航定位系统中，多普勒频率偏移是影响接收机性能的关键因素之一。通过对地面卫星信号覆盖区内的多普勒频率偏移及不确定性范围的计算，给出了卫星导航系统信号的多普勒频率偏移与接收机位置之间的关系。对多酱勒不确定范围做了定量分析，提出了压缩多普勒不确定范围的方法。关键词：多普勒；接收机；卫星定位；全球定位系统中图分类号：TN9671文献标识码：ATheAnalysisofD

2、opplerPerformanceoftheSatelliteNavigationSignalXUXiao-yong，WANGFei-xue，ZHUANGZhao-werl(CoUege0fElectronleScienceandEn百neering，NationalUnivofDefenseTec}mology，Changsha410073，China)Abstract：Inthesatellitenavigationandpositioningsystem，Dopplershiftison8oftilekeyproblemsthatmaydegra

3、detheperformanceofthesatellitereceiver．BycalculatingtheDopplershiftanditsuncertaintyintirei口丑lcoveringal'ea，therelationbetweenDopPlershiftandtheposidonofthereeA!iverisobtained．QuantitativeanalysisofDoppleruncertaintyrangeisderivedAmethodforcompressingDopplertmcertaintyispresente

4、dKeywords：Doppler；receiver；sateIIitepositioning；GPS在GPS等卫星导航定位系统中⋯，卫星处于与地球赤道面有一个固定夹角的近圆轨道面上，对于地面上一固定点处的接收机而言，它们之间的径向运动总是存在的，从而产生了多普勒频率偏移。多普勒频率偏移是影响卫星导航定位接收机性能的关键因素之一，尤其影响伪码捕获速度和载波锁定速度。一般需要对该多普勒偏移值进行估计并作补偿，补偿之后使多普勒不确定范围变小。多普勒偏移值的估计需要事先获知卫星的运动状态以及接收机的位置等信息。在卫星导航定位系统中，这些信息比较容易获得，它可

5、由接收机中存储的星历信息以及先前的定位结果估计得到。只要距离上一次定位时问不长，在这期间接收机也没有较大移动，则由此估计得到的多普勒值一般是比较精确的。但是，如果卫星星历数据是过去几周内接收的，接收机位置误差在几十到几百千米．这时估计得到的多普勒值存在一定的误差，其误差范围就有不确定性。在一般的应用中，由位置的不确定性而造成的多普勒不确定范围在整个频率不确定范围中不是主要因素，因此相关的研究很少，也缺乏定量分析。但是在一些特定场合，如接收机的本地频率稳定度很高，同时接收机静止或可对其运动作精确估计，此时前面提到的多普勒不确定范围可能成为影响信号捕获的瓶

6、颈。因此有必要对卫星信号覆盖区内的多普勒值及其不确定范围特性进行研究。1多普勒频率偏移及不确定性的计算本文感兴趣的是地面上卫星信号覆盖区内各点的多普勒分布特性，因此需首先确立覆盖区内各点的表示方法。虽然覆盖区内的点是三维空问中的点，但由于这些点被限制在球面上，因而只有两个自由度，故可建立三维坐标到二维坐标的一个映射。在建立这种映射关系之前，先做一些近似处理，我们假定·收稿日期：2003—04—05基金项目：国家部委预研基金项目资助(106010303)作者筒介：许晓勇(197卜一)，男，博士生。型皇{蚕

7、盛釜盛遒鼎一盘一塑万方数据许晓勇，等：卫星导航系

8、统信号的多普勤特性分析导航系统的卫星轨道为圆形(一般卫星轨道的离一O率lg：lh

9、{暂JJ,)，地球是一个正球体，数值计算表明这些近似并不影响所得结论的正确性。卫星导航定位系统中常用的坐标系是地心地球固连(ECEF)坐标系”】，根据卫星历书可获得当前卫星在该坐标系下的位置和速度表示式。在图1中，令卫星与地球中心连线在球面的交点为吖(称为星下点)。对于覆盖区内的任意一点P，它到埘点的球面距离记为p，弧线MP与卫星速度在当地水平面投影的球面夹角记为r(从卫星方向看，角度按逆时针方向增大)，则参数(P，；)可惟一表征覆盖内的任意一点。图中地球半径为凰，卫星轨

10、道半径即卫星到地心的距离为r，卫星速度矢量v与矢量s尸的夹角记为妒。根据解析几何知识可计算得到