第4章-卫星导航(4-7)

4.4全球定位系统（GPS）•20世纪60年代初期，随着卫星技术的发展和对未来战争的考虑，美国政府机构包括军方、国家航空航天局(NASA)和交通部(DOT)都对发展用于定位的卫星系统产生了兴趣。•美国政府认为未来的最佳导航系统应当具有全球覆盖能力，能够全天候、实时为高动态平台提供高精度、高安全性的导航定位服务。•子午仪于1964年投入运行后，主要用于静点定位及船舰等低动态用户。子午仪不适合高动态作战用户的缺陷，使得:•约翰霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员对子午仪系统的改进建议。•海军研究实验室星载高稳定时钟的试验•空军621B系统的概念研究,星座布局和伪距技术，•霍夫曼空军基地和白沙导弹试验场利用地面伪卫星试验。•1969年，国防部长办公室(OSD)建立了国防导航卫星系统(DNSS)计划。1973最终由GPS联合计划办公室(JPO)制订了NAVSTARGPS计划，简称为GPS。•目前，GPS已经可以为全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度、时间信息，满足了当初提出的最佳定位系统的标准。•卫星星座由安排在6个轨道平面上的24颗卫星组成，每个平面上4颗。•卫星上载有高精度的原子频标，并且与地面的GPS系统时进行同步。•卫星采用码分多址(CDMA)技术,在两个频率上广播测距码和导航数据，其中一个频率在L1波段，中心频点为1575.42MHz，另一频率在L2波段，中心频点为1227.60MHz。4.4.1系统组成•GPS卫星导航系统主要由三部分组成：空间部分、地面测控部分、用户终端。•一、空间部分•空间部分是由广播导航信号的多颗卫星组成的星座。•卫星运行在距地球表面以上约20230km的近圆轨道，运行周期约11小时58分钟。•目前的星座和所用的卫星数目是从早期的相对赤道面倾角为63。的3个轨道平面上的24颗卫星（每个轨道上8颗）星座演变而来的。•后来由于国防预算紧缩，曾将空间部分星座卫星数目减少为18颗，轨道平面改为6个，每一个轨道面上运行3颗卫星•但这个方案最终被否决了，因为它确实不能提供满意的24h全球覆盖。•1986年，计划的卫星数目增加到21颗，即在原来18颗卫星星座基础上增加了3颗在轨备用卫星。•目前，该星座由24颗工作卫星组成，均匀分布在6个倾角为55。的轨道面上，每个轨道有4颗卫星。此外，还有4颗备份卫星在轨运行，共28颗卫星。•GPS系统可全天为全球任何地方提供4～8颗仰角在15。以上的同时可观测卫星。如果将遮蔽仰角降到10。，有时则最多可观测到10颗卫星。若将遮蔽仰角进一步下降到5。最多可同时见到12颗卫星。二、地面测控部分•地面测控部分由1个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成•主要任务是：•跟踪所有的卫星以进行轨道和时钟测定，•预测修正模型参数，•卫星时间同步•为卫星加载数据电文等。•1．主控站•主控站早期位于加州范登堡空军基地，现迁到位于科罗拉多州斯普林斯福尔肯(Falcon)空军基地的空间联合工作中心(CSOC)。•CSOC从各监测站收集跟踪数据，•计算卫星的轨道和钟参数，•并将这些结果送到3个地面控制站中，以便向卫星加载数据,•卫星控制和系统工作也是主控站的责任。•2．监测站•5个监测站分别设在：夏威夷、科罗拉多斯普林斯、阿森松岛(南大西洋)、迭戈加西亚岛(印度洋)和夸贾林环礁(北太平洋马绍尔)群岛。•监测站均配有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星伪距的接收机。•所测伪距每1.5s更新一次，利用电离层和气象数据，每15min进行一次数据平滑，然后发送给主控站。•3．地面控制站•地面控制站有时也称作地面天线(GA)，它们分别与设在阿森松、迭戈加西亚和夸贾林的监测站。•由主控站传来的卫星星历和钟参数以S波段射频链上行注入到各个卫星。•以前，上行注入是每天3次，现在则每天一次或两次。•如果某地面站发生故障，各卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度却会逐渐降低。4.4.2信号结构与导航电文•一、卫星信号•用于导航的卫星星历等参数都是以调制信息的的形式广播给用户的。•卫星上有日稳定度约为10-13的铯原子钟，产生f0=10.23MHz的基准频率。•卫星载波信号工作在L波段，为了校正电离层折射引入的附加传播时延，系统采用双频体制，分别为L1和L2，它们与基准频率f0关系为：•L1=154*f0=1575.42MHz•L2=120*f0=1227.60MHz•卫星向用户广播的导航信号主要包括：•①卫星星历及星钟校正参数；•②测距时间标记；•③大气附加延迟校正参数（主要是电离层）；•④其他与导航有关的信息。•采用不归零二进制编码形式。数据符号位速率为50Hz。•GPS系统采用了直序扩频通信，主要是为了•实现高抗干扰能力的保密通信,•进行卫星识别（CDMA技术），•完成精密的单程码测距。•信息经二进制编码后与伪码(C／A码和P码)通过模2和进行扩频，再将扩频后的码对载频进行二进制相移键控(BPSK)后发射给用户。•卫星扩频码采用两种伪随机码：C／A码和P码。•C／A码率为f0／10=1.023M；P码码率为f0=10.23M；•在反电子欺骗AS接通时，密钥码W（码率为0.5115M）主要用来将P码加密成Y码(W+P=Y)。•导航信号(数据)或导航电文的编码需1500bit(位)，以50Hz的速率在30s内传输完毕。•L1和L2载波均被P码调制信息，C／A码只调制在载波L1上，其相位与P码正交(即移相90。)。•如设P码、C／A码和导航电文的二进制状态序列分别用P(t)、C／A(t)和D(t)表示，则调制载波表示为：)*cos()(*)(*)()*sin()(*)(/*)*cos(*)(*)(*)(22211111ttDtPEtLttDtACEttDtPEtL二、导航电文•卫星广播给用户的导航电文包括：•卫星时钟信息、卫星轨道信息、卫星健康状况及各种校正数据•主要用来计算卫星位置和时间。•总电文由1500位组成，分为5个子帧,每个子帧10个字，每个字30bit(位),发射时间为0.6s。•导航电文的结构如表所示：•遥测字TLM的头8位是同步头，其余是向地面站发送的遥测信息、奇偶校验等。•同步头为子帧中的编码脉冲的解调提供一个时间起点，编码脉冲以此为起点，顺序按位拼装，即可译出正确的导航信息。•同步头的起点也是一个时间标记点，带有传播时延的信息。•同步起点对应的时间包含在前一子帧的转换字(HOW)的Z计数中。•HOW字的前17位是Z计数，实质是子帧计数，记录的是子帧的数目。•每周六的午夜零时作为第1个子帧的起点。经过此点，子帧(Z)计数加1。•一个星期共有100800个子帧，计满这个数时，便重新开始。•因为每个子帧的时间是6s，所以，子帧计数实际上计的是时间，只要将子帧计数器的内容乘以6，这样得到的时间就是下一子帧的起始时间。•子帧识别指明该子帧是五个子帧中的那一个子帧。•同步标志指明导航信号中的子帧是否与伪码同步，若不同步，就不能进行C／A码到P码的转换。•HOW字之所以叫转换字，是因为它的主要作用是在测距时实现由粗测距码(C／A码)到精测距码(P码)的转换。•数据块I包含有卫星时钟校正参量a1,a2,a3，时钟基准时间toe，时钟校正参量的老化度ADOC。•数据I块还含有大气校正参量α(4),β(4)和两个载频在卫星发射设备中的群延时差。•前两个数据是为单频用户准备的，因单频用户不能用双频法修正电离层附加延迟，只能靠模型来修正，供单频用户在修正测距数据时用。•数据块Ⅱ中含有卫星星历(ephemeris)或轨道参数。•星历中各参数的符号和意义列于下表。•数据块Ⅲ中含有24颗卫星的信息，有历书(almanac)的基准时间，粗略的星历和卫星钟修正量，卫星识别和卫星健康状态等。•由于每颗卫星的数据需占用一个子帧，所以24颗星需24个子帧才能把数据送完，•全部24颗卫星的历书以25帧为一周期，第二十五帧标注工作卫星的健康状况，共计需12.5min。•由于第4、5子帧的各页可以通过每颗卫星广播，所以用户只需收到一颗卫星的信号，就可以粗略地知道其他卫星的情况。•卫星健康状态字告诉用户该星是否正常，而卫星识别则是指明用户跟踪的卫星的伪随机码编号。4.4.3美国的GPS政策•GPS系统最初主要是为军方设计的，同时兼顾民用和商用。•国防部研制GPS的最初目的如下：•①用于武器的精密投放。•②防止军用导航系统种类大量增加。•美国军方明确宣布：•P码只供美国及其盟国军事和特殊用户使用•C／A码无差别地供世界民用用户使用。•GPS的最初试验结果表明，P码接收机的水平定位精度为10m(50％)，•但出人意料的是，C／A码接收机的定位精度也达到了20m(50％)。因此，美国军方十分担心敌方利用C／A码对美国国家的安全构成威胁。•为此，美军方决定在GPS卫星上(从BLOCK-Ⅱ开始)增加选择可用性措施，简称SA，人为降低C／A码定位精度。•SA是一种通过抖动星钟(δ-过程)和扰动星历数据(ε-过程)达到降低C／A码标准定位服务精度的人为措施。•卫星钟影响测距精度，星历数据影响卫星位置精度，两者都是用户获得高精度定位的决定性因素。•美国国防部(DOD)规定的在SA情况下的SPS精度为：•水平位置精度100m(2DRMS)，垂直位置精度156m(2σ)•测速精度0.3m／s(2σ)，定时精度340ns(2σ)。•δ过程：人为地在GPS卫星的基准信号（10.23M）上引入一个抖动的变化•由于基准信号是所有卫星信号（载波、伪码、电文码）的振荡源，所以对测距精度有直接的影响。•ε-过程：人为地降低卫星广播星历的精度，导致卫星位置坐标计算不出精确的结果。•卫星位置误差会直接影响用户机定位误差。下图给出了有SA和没有SA时的径向轨道误差。•由图可见，在有SA时，卫星轨道的径向偏差的幅度在50～150m之间。•然而，实施SA并不能阻止民用用户逐渐掌握和使用P码，因此美国军方又出台了所谓A-S（anti-spoofing）措施，即反欺骗措施。•将P码通过W码加密为Y码，•避免了敌方用复制或用发射类似于P码的信号的方法，对美国的P码GPS接收机进行欺骗干扰的可能性，•同时又使敌方设计的P码接收机再不能直接定位。1994年1月31日，A-S已经永久性的接通•限制政策损害了民用用户的利益，降低了对GPS的信任，妨碍了GPS应用的推广，这和美国的经济利益是不相符合的。•同时，卫星导航技术在国际范围内取得了明显的进展，使美国的政策受到了巨大的挑战。•民用和国际组织开发了各种差分系统•不但可以完全消除SA措施的影响•获得比PPS更高的精度•改善卫星导航服务的完善性•1995年底，俄罗斯的卫星导航系统GLONASS的卫星星座布署完备。•虽然它本质上是一种军事系统，然而民用服务中没有类似于SA的措施，精度比GPSSPS高，•打破了美国垄断卫星导航的局面，迫使GPS处于竞争状态。•与此同时，西欧考虑到自己的利益，已决定建设民用的卫星导航系统GNSS2，给美国想垄断卫星导航的政策当头一棒。•由于上述种种原因，美国不得不改变其GPS政策。•1998年3月30日，美国副总统宣布：在计划发射的GPSBlockⅡF卫星上加发第二个民用信号，从而使民用用户可以对电离层延迟进行双频校正，改善导航定位精度和可靠性。•2000年5月1日宣布取消SA措施。•进入二十一世纪之后，美国开始实施GPS现代化计划，即“导航战”计划和“GPSIII卫星计划”。•主要是增加民用频率，增加信号强度、改进导航电文，改善导航定位精度，提高可靠性和强化抗干扰能力等4.5GLONASS卫导系统•苏联是最早发射人造卫星的国家。•随着美国GPS计划的开展，原苏联看到了卫星导航的存在的巨大潜力和对其构成的军事威胁。•20世纪70年代中期由应用力学科学生产公司启动了苏联建立其独立卫导系统的计划。•1982年10月12日发射第一颗导航卫星。•最初，GLONASS的研制主要也是为满足军事需要，同时兼顾民用。•在1988召开的国际民航组织(ICAO)未来空中航行系统(FANS)专门委员会会议