第2章-GNSS概述

——定义、系统组成、性能指标1一、GNSS定义二、GNSS系统组成三、GNSS性能指标23卫星导航定位系统是以人造地球卫星作为导航台的星基无线电导航系统，为全球陆、海、空、天的各类军民载体提供全天候的、高精度的位置、速度和时间信息。也称为天基定位、导航和授时（PNT）系统。全球导航卫星系统简称是GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）。4GNSS是泛指所有的卫星导航系统，包括（1）全球的。如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统.（2）区域的。日本的准天顶卫星系统（QZSS），印度区域导航卫星系统（IRNSS）。（3）相关的增强系统。如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等。56GPS31颗在轨工作全球可用GLONASS28颗在轨运行，其中5颗处于测试或维修状态全球可用GALILEO计划30颗，发射10颗试验阶段BeiDou/COMPASS计划35颗，已发射22颗区域可用。以上数据截止2016年4月22日78卫星导航系统主要由三部分组成：◦空间段：在空中绕地球飞行的人造卫星群◦地面测控段：主控站、监控站、注入站等◦用户段：用户导航终端，导航接收机等9GNSS系统组成10维持非常精密的时间基准，通常载有多个原子钟；知道自己的正确轨道和位置，以提供导航的空间基准；连续不断地在多个频段上向用户发射信号；接收并存储由地面监控部分发来的导航信息；接收并执行从地面监控部分发射的控制指令；可以通过推进器调整自身的运行姿态；卫星之间可能会有星间链路。11核心功能辅助功能卫星轨道：MEO、GEO、IGSO卫星组成：无线电收发装置、原子钟、计算机、太阳能板、推进系统。卫星的区分：CDMA、FDMA等。GPS、Galileo、BDS采用CDMA；GLONASS采用FDMA。工作频段：L、S、C12负责整个卫星导航系统的平稳运行，包括主控站、监控站和注入站。主控站：GNSS的核心，协调整个系统运作。监控站：组成卫星跟踪网，对卫星的轨道进行测量并预测卫星的位置。注入站：将导航电文和控制命令播发给卫星，供卫星在相当长的一段时间内播发。对于主动式导航系统来说，地面控制中心和用户之间可以通过卫星进行中继数据交换与通信。1314实现卫星导航信号的接收、测量及解算。具体功能：◦搜索、接收、跟踪GNSS卫星发射的导航信号；◦主动式导航方式下用户设备只需要进行信号回复，由主控站进行导航解算；◦被动式导航方式下用户设备还需要利用卫星信号进行测量，并利用电文中的星历完成导航处理功能，进而求解接收机本身的位置、速度和时间信息；接收机类型：◦（1）服务类型：军用、商用、民用◦（2）信号类型：多频接收机、多模接收机所有GNSS都免费公开了民用信号的接口控制文件（ICD）1516被动式导航（也称无源导航）◦导航信号或信息从空间段GNSS卫星传递给用户段设备；◦接收机只是被动接收信号。◦用户数量无限，用户轻便、隐蔽性好，定位迅速。典型系统：GPS、GLONASS、Galileo、BD2-RNSS主动式导航（也称有源导航）◦在卫星和用户设备之间双向传递信号：用户设备需要接收来自地面控制中心通过卫星转发过来的信号，用户设备也需要向卫星发射应答信号。◦用户设备无法独立完成距离测量和定位，需要借助地面测控站来完成。典型系统：BD1，BD2-RDSS（RadioDeterminationSatelliteService）171、GNSS系统性能准确性完好性连续性有效性2、多个GNSS之间的相互影响兼容性互操作性3、GNSS接收机性能首次定位所需时间（TTFF）灵敏度城市峡谷中的导航性能其他：多频多模特性、抗干扰、价格、芯片尺寸大小功耗等18准确性：衡量定位结果与目标的真实位置之间的接近程度。可见卫星数目越多，精度衰减因子（DOP）值就越小，定位也越准确。多模：多种GNSS系统联合，可以增加可见卫星数，从而提高定位准确度。多频：利用多个频率信号，单个用户可以消除电离层延时误差，从而提高定位准确度；在相对定位时，可以消除载波相位的整周期模糊。1920完好性：指定位系统在出现故障时能真实、及时警告用户，以免用户被误导。地面监控部分、空间星座、及其增强系统均配置有完好性监测。GNSS信号和导航电文可以迅速将完好性信息反馈给用户。利用更多的GNSS卫星，接收机可以利用冗余测量值，执行接收机自主完好性监测，排除错误值，提高定位结果的可靠性。GNSS信号微弱，易受干扰。多微弱呢？21GPS卫星的L1载波上的C/A码发射功率为26.8W，在到达卫星仰角为5°的地面接收功率为-160.07dBW。求接收机在290K环境温度下，接收到的L1C/A信号的载噪比C/N0，并求接收机在带宽为2.046MHz时的信噪比SNR。22噪声功率要比信号高出近100倍！23连续性：是指系统在一段时间内能连续地同时满足所规定的准确性和完好性要求的概率。例如：飞机从开始降落到安全着陆这整段时间内，GNSS必须连续不断向其提供定位导航服务，以保证飞机完成这一关键操作过程。有效性：是指定位系统能同时满足准确性、完好性和连续性要求的时间百分比。连续性和有效性与GNSS空间星座及其卫星信号的覆盖率有关。24兼容性（Compatibility）：是指各个GNSS不论单独运行还是联合运行，均不会干扰其他GNSS的信号或运行，不会影响战时导航性能。互操作性（Interoperability）：是指多个GNSS联合起来所能提供的性能比其中任何一个GNSS单独运行提供的性能要好。25首次定位所需时间（TTFF，TimetoFirstFix）是指接收机启动后获得第一个定位结果所需的时间。不同的启动（冷启动、温启动、热启动）情形，不同的信号状况下接收机的平均TTFF都是不同的。用户希望接收机无论在什么情况下，都具有较短的TTFF值。26灵敏度：衡量接收机能够捕获到多弱的GNSS信号，这个指标决定接收机在室内、丛林等弱信号环境下能否完成定位。27城市人口密度大，正是需要GNSS的地方，然而……（1）在城市峡谷中，GNSS信号被高楼遮挡，使得可见卫星数目减少，导致接收机在某些定位历元期间不能实现定位。（2）城市中有大量建筑物，GNSS信号容易受到建筑物表面反射的几率很大，多径现象很严重，这会导致接收机定位误差偏大。因此，GNSS接收机在城市峡谷中的性能尤其重要。28多频、多模特性抗干扰性能价格芯片尺寸大小、功耗29GNSS定义GNSS系统组成GNSS性能指标30