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卫星定位导航原理实验

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实验一实时卫星位置解算及结果分析

一、实验原理

实时卫星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中占有重要的位置。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。

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。后续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。关于各种实时误差的

消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子（DOP）的计算将在后续实验中陆续接触，这

里不再赘述。

卫星的额定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ω和平均的切向速度v为：

s

ω=2π/(11*3600+58*60+2.05)≈0.0001458rad/s(1.1)

v=rs*ω≈26560km*0.0001458≈3874m/s(1.2)

s

因此，卫星是在高速运动中的，根据GPS时间的不同以及卫星星历的不同（每颗卫星的

星历两小时更新一次）可以解算出卫星的实时位置。本实验同时给出了根据当前星历推算出

的卫星在11小时58分钟后的预测位置，以此来验证卫星的额定轨道周期。

本实验另一个重要的实验内容是对卫星进行相隔时间为1s的多点测量（本实验给出了

三点），根据多个点的测量值，可以估计Doppler频移。

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±5KHz左右的频率偏移，这就给前端相关器进行频域

搜索，捕获卫星信号带来了困难。如果能够事先估计出大概的Doppler频偏，就会大大减小

相关器捕获卫星信号的难度，缩短捕获卫星信号的时间，进而缩短接收机的启动时间。GPS

接收机的启动时间是衡量接收机性能好坏的重要参数之一，而卫星信号的快速捕获，缩短接

收机的启动时间也是目前GNSS业界的热点问题。

本实验中Doppler频移的预测与后续《可视卫星位置预测》实验是紧密联系的，可视卫

星位置预测中也包括对Doppler频移的预测。本实验将给出根据卫星位置和本地接收机的初

始位置预测Doppler频移的方法。

有了卫星位置和本地接收机的初始位置，就可以根据空间两点间的距离公式，得出卫星

距接收机的距离d。记录同一卫星在短时间t内经过的两点的空间坐标S1和S2，就可以分

别得到这两点距接收机的距离d和d。只要相隔时间t取的较小（本实验取t=1s），|d-d|/t

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