1卫星导航的发展及GPS概述

GPS系统原理与应用桂林电子科技大学信息与通信学院通信工程教研室课程说明教材：《GPS定位技术及其应用》李明峰等国防工业出版社参考：《GPS原理与应用》ElliottD.Kaplan，电子工业出版社《GPS导航原理与应用》王惠南科学出版社答疑：周三下午3:00～5:002410卫星导航的发展及GPS概述全球定位系统（GPS）——NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalpositioningSystem（NAVSTARGPS）——导航卫星定时测距全球定位系统用途:为全球陆、海、空各类军民载体提供全天候、24小时连续、高精度的三维位置三维速度精密时间服务。前期导航定位历史早期：指南针、罗盘近代非电类导航：陀螺仪、惯性导航系统无线电导航系统罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。多普勒系统：利用多普勒频移原理，通过测量其频移得到测量参数。缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。卫星导航定位系统发展历史•1957年10月4日前苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星；•美国科学家利用多普勒频移原理于1967年7月建成了卫星导航定位系统TRANSIT（子午卫星系统）；•美国国防部从1973年开始筹建GPS，整个GPS系统于1994年3月全部建成。GPS系统是20世纪空间技术上最重大的成就一，它是继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一庞大的空间计划。海军导航卫星系统（又称NNSS）1958年底美国海军武器实验室委托霍布金斯大学应用物理实验室研究美国军用舰艇导航服务的卫星系统。1964年1月用于北极星核潜艇的导航定位研制成功。1967年7月，经美国政府批准，对其广播星历解密，提供民用。缺点：1.卫星数少，卫星运行的高度低。2.运行周期长。3.观测时间长。GPS的发展简史——方案论证阶段1973年12月，美国国防部批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。GPS的发展简史——全面研制和试验阶段从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。GPS的发展简史——实用组网阶段1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。1995年7月17日，GPS达到FOC–完全运行能力（FullOperationalCapability）。GPS系统的组成控制部分1个主控站5个监控站空间部分导航卫星:导航信息卫星时和卫星钟24颗卫星20200Km用户设备部分接受卫星信号`1.空间部分赤道5524颗卫星分布在互为55度交角的6个轨道平面上，每个轨道面上布有4颗卫星卫星高约20200Km•12小时绕轨道一周–可见时间为4-5小时•设计寿命为7.5年•卫星种类区分–Block1(一代),Block2,2A(二代),Block2R，2F(三代)GPS卫星24颗卫星(21+3)6个轨道平面55º轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)12小时(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗2.控制部分主控站负责收集由监控站传来的卫星跟踪数据并计算卫星星历和时间参数5个监控站负责对卫星伪距数据的观测，这一卫星跟踪监测网用于确定卫星广播星历及卫星钟模式地面控制站负责向卫星注入信号55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion)迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)用户设备部分用户设备部分-GPS信号接收机及相关设备（三角架、测尺（杆）、数据后处理软件）GPS系统的功能及特点基本功能：定位、定航迹、定姿态、定时授时GPS作为一种导航定位系统，以其高精度、全天候、高效率、多功能、易操作、应用广等特点著称。定位精度高全球全天候定位功能多，应用广泛美国的GPS政策(1)提供不同的用户服务方式(2)实施SA（选择可用性）政策(3)实施AS（精码加密）政策精密定位服务PPS（PrecisePositioningService）标准定位服务SPS(StandardPositioningService)不同的用户服务方式SPS–标准定位服务使用C/A码，民用水平=100m垂直=150-170m时间=340nsPPS–精密定位服务可使用P码，军用水平=22m垂直=27.7m时间=200nsSA----SelectiveAvailability（选择可用性）SPS定位服务中加干扰技术-技术-技术干扰卫星星历引入高频抖动实施SA政策：水平定位100米，垂直定位150米（2000年5月前）SA政策AS--Anti-Spoofing(精码P码加密)反电子欺骗PWYAS政策建立独立的GPS卫星测轨系统建立独立的卫星定位系统GLONASSGALILEOBD-2开发组合接收机和组合系统GPS/GLONASSGPS/INS发展差分GPS定位技术载波相位测量相对定位技术反限制性政策的措施GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。GLONASS系统从理论上有24颗卫星，实际上目前只有8颗。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。GLONASSGLONASSconstellationGLONASSsatelliteP24GLONASSGLONASS与GPS的比较参数GLONASSNAVSTARGPS系统中的卫星数21＋321＋3轨道平面数36轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz系统组成：①卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）。卫星的轨道倾角i=56°；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km。②地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。③定位原理：与GPS相同。④定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。计划实施：①1994年开始进入方案论证阶段；②2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；③2008年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入使用；GALILEOtheGalileosatelliteconstellationaltitude~23616kmSMA29993.707kminclination56degrees•period14hours4min•groundtrackrepeatabout10daysGGALILEOALILEODATADATA27+3satellitesinthreeMediumEarthOrbits(MEO)Walker27/3/1ConstellationGALILEO北斗1代卫星导航系统组成图BD-1“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。BD-2为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD–2）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。P33GPS现代化1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。GPS现代化军事部分1．增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。2．在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），要与民用码分开。M码要有更好的抗破译的保密和安全性能。3．军事用户的接受设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能。4．创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。GPS现代化民用部分1．改善民用导航和定位的精度；2．扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性；3．提高导航的安全性（Integrity），如增强信号功率，增加导航信号和频道；4．保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；5．注意和现有的和将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容。GPS现代化GPS现代化第一阶段•发射12颗改进型的BLOCKⅡR型卫星。GPS现代化第二阶段•发射6颗GPSBLOCKⅡF（“ⅡFLite”）。GPS现代化计划的第三阶段•发射GPSBLOCKⅢ型卫星，在2003年前完成代号为GPSⅢ的GPS完全现代化计划设计工作。GPS用途GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹配备GPS的士兵美国海军核潜艇GPS用途GPS在交通运输业中的应用航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水车辆导航管理对航空器的定位及导航车辆导航配备GPS的巡警