《现代通信系统新技术》课件第4章卫星导航与定位.pptx

1、第四章第四章 卫星导航与定位卫星导航与定位4.1 GPS概述概述4.2 GPS的定位的定位原理原理4.3 GPS信号信号接收机接收机4.4 GPS现代化现代化4.5 GLONASS系统系统4.6 Galileo系统系统4.7 北斗卫星北斗卫星系统系统4.8 卫星导航定位系统的应用卫星导航定位系统的应用4.1 GPS概述概述4.1.1 GPS的基本概念的基本概念 全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是美国从20世纪70年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。该系统利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空

2、进行全方位实时三维导航与定位的能力。GPS为民用导航、测速、时间比和大地测量、工程勘测、地壳勘测等众多领域开辟了广阔的应用前景，它已成为当今世界上最实用也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。GPS的应用特点应用特点是用途广泛(可在海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、动态观测、设备安装、传递时间、速度测量等方面得到广泛应用)、自动化程度高、观测速度快、定位精度高及经济效益高。GPS定位技术比常规手段具有明显的优势。它是一种被动系统，可为无限多个用户使用，且信用度和抗干扰能力强，因此必然会取代常规测量手段。GPS定位技术的精度不仅已能与另外两种精密空间定位技术卫星激光测距(SLR)和甚

3、长基线干涉(VLB)测量系统相媲美，而且由于GPS接收机轻巧方便、价格较低、时空密集度高，因此更能显示出GPS定位技术优越的特点和更广泛的应用前途。4.1.2 GPS的组成及作用的组成及作用 GPS包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。1GPS工作卫星及其星座工作卫星及其星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3)GPS卫星。如图所示，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55，各个轨道平面之间相距60，每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90，每个轨道平面上的卫星比其西边相邻轨道平面上的相应卫

4、星超前30。当地球相对恒星自转一周时，在两万千米高空的GPS卫星则绕地球运行两周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少见到4颗，最多可以见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了解观测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，有可能不能测得精确的定位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验

5、卫星的基本相同。其编号方法有：按发射先后次序编号、按PRN(卫星所采用的伪随机噪声码)的不同编码、NASA编码(美航空航天局对GPS卫星的编号)、国际编号(第一部分为该星发射年代，第二部分表示该年中发射卫星的序号，字母A表示发射的有效负荷)、按轨道位置顺序编号等。在GPS系统中，GPS卫星的作用如下。(1)用L波段的两个无线载波(19 cm和24 cm波)接连不断地向广大用户发送导航定位信号。每个载波用导航信息D(t)和伪随机码(PRN)测距信号来进行双相调制。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A码(又叫S码)，精密测距码(用于精密定位)叫P码。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工

6、作情况。(2)在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站使用S波段(10 cm波段)发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路适时地发送给广大用户。(3)接收地面主控站通过注入站发送调度命令到卫星，并适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。GPS卫星的核心部件核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机，而GPS定位成功的关键关键在于高稳定度的频率标准高稳定度的频率标准。这种高稳定度的频率标准由高度精确的时钟提供，因为10-9 s的时间误差将会引起30 cm的站星距误差，所以每个GPS工作星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟(其频

7、率稳定度优于10-14)。GPS卫星虽然会发送几种不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号(其频率为10.23 GHz)，所以只需要启用一台原子钟，其余则作为备用。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转发给用户设备。2地面监控系统地面监控系统 对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。其中，星的位置是依据卫星发射的星历(描述卫星运动及其轨道的参数)算得的，而每颗GPS卫星所播发的星历又是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制；地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GP

8、S时询系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，再通过导航电文发给用户设备。监控站监控站是无人值守的数据采集中心，其位置经精密测定。它的主要设备包括1台双频接收机、1台高精度原子钟、1台电子计算机和若干台环境数据传感器。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站主控站设在美国本土科罗拉多，其任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，然后编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，并将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星；另外

9、，也负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入站给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。三个注入站分别设在大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭哥伽西亚和太平洋的卡瓦加兰，任务是将主控站发来的导航电文注入相应卫星的存储器中，每天注入三次，每次注入14天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。每个监测站每6分钟均用GPS信号接收机对每颗可见卫星进行一次伪距测量和积分多普勒观测、采集气象要素等数据；在主控站的遥控下监测站还会自动采集定

10、轨数据并进行各项更正，然后每15分钟平滑一次观测数据，并依次推算出每2分钟间隔的观测值，最后将数据发送给主控站。主控站是整个系统的核心，它为系统提供高精度稳定的时空框架，具体作用如下：(1)采集数据、推算编制导航电文采集数据、推算编制导航电文。主控站通过大型电子计算机采集监测站的伪距测量值和积分多普勒观测值、气象参数、卫星时钟、卫星工作状态参数、各监测站工作状态参数等所有观测资料，然后根据采集的数据推算各卫星的星历、卫星钟差改正数、状态数据以及大气改正数，并按一定的格式编辑成导航电文，传送到注入站。(2)确定确定GPS系统时间系统时间。由于每个GPS的监测站和各个卫星上都有自己的原子钟，且它们

11、与主控站的时间并不同步，存在时间偏移，因此GPS应以主控站的原子钟为基准，测出其他星钟和监测站站钟对于基准钟的钟差，并将这些钟差信息编辑到导航电文中，传送到注入站后再转发至各卫星。(3)负责协调和管理所有地面监测站和注入站系统，并且根据观测到的卫星轨道参数以及卫星姿态参数来管理卫星管理卫星。当发现出现失常卫星时，主控站启用备用卫星取代失效卫星，以保证整个系统的正常工作。注入站主要装有1台C波段天线、1台C波段发射机和1台计算机，其主要任务是将主控站传送来的卫星星历、钟差信息和其他控制指令注入卫星的存储器中，使卫星的广播信号获得更高的精度，以满足用户的需要。监测站装有双频GPS接收机和高精度铯钟

12、。在主控站的直接控制下，监测站自动对卫星进行持续不断的跟踪测量，并将自动采集的伪距观测量、气象数据、时间标准等进行处理，然后存储和传送到主控站。3GPS信号接收机信号接收机 GPS信号接收机的任务是：捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，并解译出GPS所发送的导航电文和实时地计算出监测站的三维位置，甚至计算出三维速度和时间。静态定位时，接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，并高精度地测量GPS信号的传播时间，然后利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在

13、位置的三维坐标。而动态定位则是指用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰、空中的飞机、行走的车辆等)，载体上的GPS相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。接收机硬件、机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分，如图4-3所示。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件。观测时，将天线单元安置在监测站上，接收单元置于监测站附近的适当地方，再用电缆将两者连接成一个整机。也有的接收机将天线单元和接收单元制作成一个

14、整体，观测时将其安置在监测站点上。GPS接收机一般用蓄电池作电源，同时采用机内、机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时可进行不中断连续观测。在使用机外电池的过程中，机内电池自动充电；关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。4.1.3 GPS的信号的信号 GPS用户通过接收机设备接收卫星播发的信号，以确定接收机的位置、时间改正数以及解算卫星到接收机之间的距离。GPS卫星所发播的信号包括载波信号(L1和L2)、测距信号(包括C/A码和P码)和导航信号(或称D码)。而所有的这些信号分量，都是在同一个基本频率f0=10.23 MHz的控制下产生的。GPS取L波段的两种不同频率

15、的电磁波为载波，分别为L1载波和L2载波。在L1载波上，调制有C/A码和P码的数据码，频率为f1=1575.42 MHz，波长为1=19.03 cm；载波L2上只调制了P码，频率f2=1227.60 MHz，波长2=24.42 cm。L1载波上的GPS信号为 L2载波上的GPS信号为其中，Ap为P码的信号幅度；Pi(t)为1状态时的P码；Di(t)为1状态时的数据码；Ac为C/A码的信号幅度；Ci(t)为1状态时的C/A码；1、2分别为载波L1和L2的角频率；1、1为载波L1和L2的初始相位。GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素：适应多用户系统要求；满足实时定位要求；满足高精度定位需要

16、；满足军事保密要求。1C/A码码 伪随机序列为一种具有特殊反馈电路的移位寄存器序列，称为最长线性移位寄存器。GPS使用C/A码、P码、Y码三种伪随机码。其中，Y码是对P码加密后的伪随机码，其数据码是保密的。GPS的C/A码属于伪随机噪声码的一种，称作果尔德码，简称Gold码。其序列长度为1023位，频率为1.023 MHz，码周期为1 ms。C/A码是通过两个10位的移位寄存器G1和G2产生的，即由G1的直接输出和G2的延迟输出异或得到。G1和G2都是由1.023 MHz时钟驱动的10级最长线性序列产生的周期等于210-1=1023比特的M序列，描述G1的多项式为G1=1+x3+x10；描述G2的多项式为G2=1+x2+x3+x6+x8+x9+x10，其框图如图4-5所示。2P码码 P码产生的原理与C/A码的相似，但更复杂。GPS发射的P码，是用4个12位移位寄存器的伪随机序列产生的，码率为10.23 Mb/s，长Nu2.351014比特，码元宽tu=1/f0=0.097 752 s，相应的距离为29.3 m，周期为266.41天，约为38个星期。由于P码的周期很长，因此实用时一般被分