卫星导航系统概述

卫星导航系统卫星导航系统卫星导航系统概述(主要介绍GPS)GPS卫星定位原理GPS系统误差卫星导航系统GPS卫星定位系统GLONASS卫星导航系统欧洲新一代卫星导航系统——GLAILEO北斗卫星导航系统GPSWOULDHAVESAVEDHIM!!!纲要GPS介绍GPS系统产生GPS系统组成GPS系统定位原理GPS信号组成GPS系统特点美国政府的GPS政策GPS的定义1．定义全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）,是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。GPS系统产生进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高人类逐渐发明/发现了许多新的定位方法：–惯性导航技术（InertialNavigation）–地基电子导航系统（Ground-basedRadionavigationSystem）（其中最著名的有LoranC/D、Omega、VOR/DMETacan等）–空基电子导航系统（Space-basedRadionavigationSystem）•空基电子导航系统统称为卫星电子导航系统–第一代卫星电子导航系统的代表是海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）。也称“子午仪（Transit）卫星系统”。–第二代卫星导航定位系统-授时与测距导航系统/全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositionSystem-NAVSTAR/GPS），简称全球定位系统（GPS）。GPS方案之一•起初的GPS方案由24颗卫星组成，这些卫星分布在互成120°的三个轨道平面上，每个轨道平面分布8颗卫星，这样的卫星布局可保证在地球上的任何位置都能同时观测到6～9颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高系统的抗干扰能力和保密能力，采用了直接序列扩频技术（DS-SS），整个系统相当于一个码分多址系统（CDMA）。GPS方案之二•1978年，在第二方案中系统的卫星数由24颗减少到18颗，并调整了卫星的布局，18颗卫星分布在互成60°的6个轨道平面上，每个轨道平面分布3颗卫星，这样的配置基本能够保证在地球上任何位置均能同时观测到至少4颗卫星。•在1990年对第二方案进行了修改，最终方案是由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成整个系统，6个轨道平面的每个平面上分布4颗卫星，这样的配置使同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。•从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20年，耗资300亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划。•共发射39颗卫星（BlockI15颗，BlockII24颗）保证在世界任何地方至少同时看到4颗卫星。•GPS系统能提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务。GPS系统组成GPS系统由三部分组成1、空间星座部分2、地面控制部分3、用户设备部分GPS的空间星座部分GPS卫星星座平面投影GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置GPS地面监控部分主控站：1个（美国科罗拉多州法尔孔空军基地）监测站：5个（夏威夷、主控站及三个注入站）注入站：3个（阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）、卡瓦加兰（太平洋））通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站KwajaleinAtollUSSpaceCommandHawaiiAscensionIs.DiegoGarciaCapeCanaveral注入站主控站监测站主控站管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。监测站接收卫星数据，采集气象信息,实时监测卫星,并将收集到的数据传送给主控站。注入站将导航电文注入GPS卫星。用户设备•GPS接收机的基本结构GPS接收机结构①天线：包括接收天线和前置放大器。对天线的性能要求有：高增益、低噪声系数、大的动态范围、灵敏度高、抗干扰性能强。②信号处理单元：接收信号并处理，计算需要的信息；主要有硬件和软件组成③显示单元：根据采集到的信息，计算和显示三维坐标和速度；④存储单元：用于存储输入的各种数据;⑤电源：提供接收机需要的电能。GPS接收机工作流程（1）对天线接收到的信号进行捕获；（2）跟踪卫星信号以保证连续测距；（3）解调导航电文，进行定位解算。GPS导航接收机必须具备码的捕获、码的锁定与测距、电文解调和定位计算的功能。其中的计算功能是由接收机内的微处理器（CPU）和部分存储器及相关软件来完成的。接收机分类（用途）车载型——用于车辆导航定位；航海型——用于船舶导航定位；航空型——用于飞机导航定位;星载型——用于卫星导航定位;测地型——用于大地测量。接收机分类（载波频率）单频接收机：单频接收机只能接收L1载波信号，不能消除电离层误差;双频接收机：双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号。利用不同频率对电离层延迟的差别，可以消除电离层延迟的影响。单频接收机双频接收机GPS系统定位原理GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。GPS卫星信号GPS信号包括三种信号分量：载波、测距码和数据码(导航电文)。GPS使用L波段(22cm),配有两种载波：L1：FL1=154*10.23mHz=1575.42mHz,波长λ=19.03cmL2:FL2=120*10.23mHz=1227.60mHz,波长λ=24.42cm目的:a)测量出或消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。b)该波段的通道带宽分配比较容易测距码C/A码(粗距码)码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上；码长很短，可以在一秒钟搜索一千次，所以C/A码除了用于捕获卫星信号和提供伪距观测量外，还可以过渡到捕获P码。C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的P码（PreciseCode）由两个伪随机码相乘构成；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上。特点：抗干扰能力强，保密性好导航电文（D码）导航电文包括计算卫星位置的有关数据（卫星星历）、系统时间、卫星钟参数、C/A码到P码的转换字及卫星工作状态。卫星向用户提供，用户将其应用于导航解算。这些数据是以二进制码的形式发送给用户的，故卫星电文又称为数据码，或称之为D码。•电文的基本单位是长达1500bit的一个主帧，广播速率为50bit/s。每一主帧又分为五个子帧，每个子帧长度为6s，第1，2，3子帧各有10个字码，每个字码为30bit，第4，5子帧信息量大，各有25个页面，于是、子帧1、2、3和子帧4、5的每一页，均构成一个（主）帧。实际上完整的导航电文总共有25帧，共有37500bit，需要750s才能播完。GPS卫星电文的基本内容子帧1子帧2子帧3标识码（如GPS星期序号等）、星钟数据龄期（AODC）、卫星时钟改正数等子帧4子帧5GPS卫星星历（轨道参数等）第25~32颗GPS卫星的历书、UTC和电离层改正参数、第25~32颗GPS卫星的健康状况第1~24颗GPS卫星的历书和健康状况美国政府的GPS政策•SPS与PPS–SPS–标准定位服务•使用C/A码，民用•2DRMS水平=100m•2DRMS垂直=150-170m•2DRMS时间=340ns–PPS–精密定位服务•可使用P码，军用•2DRMS水平=22m•2DRMS垂直=27.7m•2DRMS时间=200ns美国政府的GPS政策•SA技术（1990.3.25~2000.5.1）–SelectiveAvailability–选择可用性–人为降低普通用户的测量精度。方法:•ε技术：降低星历精度（加入随机变化）•δ技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）•AS技术（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing–反电子欺骗P码加密，P+WYGPS系统特点主要特点是：•①全球地面连续覆盖。•②功能多、精度高。•③实时定位速度快。•④抗干扰性能好、保密性强。GLONASS卫星导航系统GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem开发者俄罗斯（前苏联）系统构成卫星星座地面控制部分用户设备GLONASSsatellite•GLONASS与GPS的比较卫星导航定位系统——GLONASS卫星运行状况–从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。–由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。–到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能卫星导航定位系统——Galileo伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统。Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。卫星导航定位系统——Galileo•2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。•这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。•伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80º和140º的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5º的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统•“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。北斗1代卫星导航系统组成图卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统•用户终端分为:定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统•与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。•与GPS、GLONASS、Ga