GPS系统多普勒频移估算的研究.doc

GPS系统多普勒频移估算的研究 信号与信息处理 张骞丹,田红心 (西安电子科技大学综合业务国家重点实验室,陕西西安710071) 摘 要 在GPS导航定位系统中,多普勒频率偏移直接影响接收机性能。为了克服多普勒频率偏移的影响,提高接收机的GPS信号捕获速度,对多普勒频移估计算法进行了研究。推导了导航卫星运行参数的数学模型,给出多普勒频移估算的数学模型,对导航卫星运行参数及多普勒频移特性进行了MATLAB仿真。结果表明,卫星与接收机之间的相对位置对信号的多普勒频移特性有着较强的影响。仿真结果可以为多普勒频移的估计和补偿提供先验信息。 关键词 全球定位系统;广播星历;多普勒频移;仿真 中图分类号 TP96711 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2007)04-0021-03 ResearchonDopplerFrequency-shiftEstimationofGPS ZHANGQian-dan,TIANHong-xin (NationalKeyLaboratoryonISN,XidianUniversity,Xi.anShanxi710071,China) Abstract Inthesatellitenavigationandpositioningsystem,Dopplerfrequency-shiftisthekeyproblemsthatdegradetheperformanceofsatellitereceiver.ToovercometheinfluenceofDopplerfrequency-shiftandimprovethespeedofGPSsignalacquisition,thepaperfirststudiesthealgorithmofDopplerfrequency-shiftestimation,andthendeducesthemathematicmodelsofsatellitemovementparemetersandDopplerfrequency-shiftestimation.Finally,thealgorithmmodelsaresimulatedinMATLABsimulationenvironment.TheresultshowstherelativepositionbetweenthesatelliteandthereceiverhasarelativelystrongeffectonthecharacteristicofDopplerfrequency-shiftwhichcanbeusedforestimationandcompensationofDopplerfrequency-shift. Keywords GPS;broadcastephemeris;Dopplerfrequency-shift;simulation 0 引言 GPS导航定位卫星处于与地球赤道面成一个固定夹角的近圆轨道面上,对于地面接收机而言,它们之间的径向运动总是存在的,从而产生多普勒频移。多普勒频移是影响卫星导航定位接收机性能的关键因素之一,对伪码捕获和载波锁定速度有很大影响。因此,准确的估计多普勒频移对GPS信号接收极为重要。 地球质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP);X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点;Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系。由于地球坐标系包括直角坐标系和大地坐标系,它定义了一个平均地球椭球、一个地球重力模型以及与其他大地参考系之间的变换参数。WGS-84椭球是一个定位在地心的旋转等位椭球。112 广播星历参数 计算卫星位置需要知道卫星的广播星历,星历是导航定位卫星发射的包含用户轨道信息的导航电文,用户接收机接收到导航电文,经过解码便可获得所需要的卫星星历。有关的星历参数介绍如下,这些参数将反映在导航电文中。 开普勒轨道参数:包括卫星轨道长半轴的平方根a,卫星轨道偏心率e,参数时刻toe的轨道倾角i0,参考时刻toe的升交点赤经80,近地角距X和参 1 卫星的位置和速度 估算多普勒偏移值需要知道卫星的运动状态以及接收机的位置等信息,下面首先讨论卫星位置和速度的计算。 111 WGS-84大地坐标系 WGS-84大地坐标系是GPS卫星的参考系,它提供了GPS中所使用的标准地球模型。GPS卫星广播星历以WGS-84坐标系为依据建立。 WGS-84大地坐标系的几何意义是:原点位于 考时刻toe的平近点角M0。 轨道摄动参数:包括卫星平近地点角速度