无线定位系统原理与应用.ppt

无线定位系统原理与应用 Slide2 主要内容 GPS GlobalPositioningSystem GLONASS GLObalNAvigationSatelliteSystem Galileo北斗双星导航定位系统GSM移动定位系统 Slide3 GPS概述 全球卫星定位系统 简称GPS 是美国从本世纪70年代开始研制 历时20余年 耗资200亿美元 于1994年全面建成 全球卫星定位系统以全天候 高精度 自动化 高效益等特点 成功地应用于大地测量 工程测量 航空摄影 运载工具导航和管制 地壳运动测量 工程变形测量 资源勘察 地球动力学等多种学科 取得了好的经济效益和社会效益 Slide4 GPS概述 三个阶段 1974 1978年 方案论证1979 1987年 系统论证1988 1993年 试验生产总投资200亿美元 Block 型实验卫星Block 型和Block A型工作卫星Block R和Block 型改善型工作卫星 Slide5 GPS定位原理 Slide6 GPS定位系统的组成 GPS定位系统是由三个部分组成 1 GPS卫星星座 空间部分 2 地面监控系统 地面控制部分 3 GPS信号接收机 用户设备部分 Slide7 GPS卫星星座组成 共24颗卫星 其中3颗备用分布在6个轨道面上 Slide8 轨道面相对地球赤道面的倾角为55度各轨道平面升交点赤经相差60度相邻轨道上卫星的升交距角相差30度轨道平均高度约20200km运行周期11h58m GPS卫星星座组成 Slide9 铯原子钟微处理器2块7m2的太阳能翼板无线电收发两用机导航荷载 接收数据 发射测距和导航数据 姿态控制和太阳能板指向系统 GPS卫星 Slide10 卫星配有4台频率相当稳定的原子钟 2台铯钟 2台铷钟 产生频率为10 23MHz的基准钟频信号 分别转化为GPS卫星三种信号分量 载波 测距码和数据码 GPS卫星信号 Slide11 GPS卫星所采用的两种测距码 即粗测距 C A 码和精测距 P码或Y码 均属于伪随机码 GPS卫星信号的测距码 Slide12 C A码 C A码 是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码 它是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生 C A码的码长短 共1023个码元 若以每秒50码元的速度搜索 只需20 5s 易于捕获 所以C A码通常也称捕获码 C A码的码元宽度大 假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的1 10 1 100 则相应的测距误差为29 3 2 93m 由于精度低 又称粗码 现代科学技术的发展 使得测距分辨率大大提高 一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到0 1米 Slide13 C A码的生成 Slide14 P码 P码是卫星的精测码 码率为10 23MHZ 产生的原理与C A码相似 但更复杂 发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成 P码的周期长 267天重复一次 P码的捕获一般是先捕获C A码 再根据导航电文信息 捕获P码 由于P码的码元宽度为C A码的1 10 若取码元对齐精度仍为码元宽度的1 100 则相应的距离误差为0 29m 仅为C A码的1 10 故P码称为精码 根据美国国防部规定 P码是专为军用的 Slide15 GPS卫星的导航电文 是用户用来定位和导航的数据基础 导航电文包含有关卫星的星历 卫星工作状态 时间系统 卫星钟运行状态 轨道摄动改正 大气折射改正和由C A码捕获P码等导航信息 导航电文又称为数据码 或D码 导航电文也是二进制码 依规定格式组成 按帧向外播送 每帧电文含有1500比特 播送速度50bit s 每帧播送时间30s GPS卫星导航电文 Slide16 GPS导航电文格式 1 2 3 4 5 30s 6s 0 02s 0 6s 子帧4 5各含25页 一个子帧 一个字码 一个主帧 一个页面 Slide17 导航电文的结构 子帧1 一个子帧6s长 10个字 每字30比特 1帧30s1500比特 子帧3 子帧4 子帧5 子帧2 Slide18 导航电文内容 1 遥测码 TLW TelemetryWORD 位于个子帧的开头 作为捕获导航电文的前导 遥测码的第1 8比特是同步码 使用户便于解释导航电文 第9 22比特为遥测电文 其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息 诊断信息和其它信息 第23和第24比特是连接码 第25 30比特为奇偶校验码 它用于发现和纠正错误 Slide19 导航电文内容 2 转换码 HOW HandOverWord 紧接各子帧的遥测码 主要向用户提供用于捕获P码的Z记数 所谓Z记数是从星期日零时只能星期六24时 P码字码X1的周期 1 5秒 的重复数 因此 当知道了Z计数 便能较快地捕获到P码 Slide20 导航电文内容 3 第一数据块第一数据块位于第1子帧的第3 10字码 它的主要内容包括 a 时延差改正Tgd 就是载波L1 L2的电离层时延差 b 数据龄期AODC 是时钟改正数的外推时间间隔 它指明卫星时钟改正数的置信度 C 星期序号WN 表示从1980年1月6日子夜零点 UTC 起算的星期数 即GPS星期数 d 卫星时钟改正 GPS时间和UTC时间之间存在的差值 Slide21 导航电文内容 4 第二数据块第二数据块包括第2和第3子帧 其内容表示GPS卫星的星历 描述卫星的运行及其轨道的参数 包括下列三类 a 开普勒六参数 b 轨道摄动九参数 C 时间二参数 Slide22 导航电文内容 5 第三数据块第三数据块包括第4和第5子帧 其内容包括了所有GPS卫星的历书数据 当接收机捕获到某颗GPS卫星后 根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历 时钟改正 卫星改正 卫星工作状态等数据 用户可以选择工作正常和位置适当的卫星 并且较快地捕获到所选择的卫星 Slide23 1接收和存储由地面监控站发来的导航信息 接收并执行监控站的控制指令 2利用卫星上的微处理机 对部分必要的数据进行处理 3通过星载的原子钟提供精密的时间标准 4向用户发送定位信息 5在地面监控站的指令下 通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星 GPS卫星的基本功能 Slide24 GPS地面监控部分 GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成 其中包括卫星监测站 5个 主控站 1个 和注入站 3个 地面监控部分的主要任务是 1 监视每颗卫星的运动 2 确定GPS时间系统 3 跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态 4 向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据 Slide25 控制站的分布 Slide26 GPS地面监控部分 1 监测站 是主控站直接控制下的数据自动采集中心 对可见GPS卫星每6分钟进行一次伪距测量和多普勒积分观测 采集气象要素等数据 每15分钟平滑一次观测数据 由计算机进行初步处理 存储并传输到主控站 以确定卫星轨道 Slide27 GPS地面监控部分 2 主控站除协调和管理地面监控系统外 主要任务 1 根据本站和其它监测站的观测资料 推算编制各卫星的星历 卫星钟差和大气修正参数 并将数据传送到注入站 2 提供全球定位系统的时间基准 各监测站和GPS卫星的原子钟 均应与主控站的原子钟同步 测出其间的钟差 将钟差信息编入导航电文 送入注入站 3 调整偏离轨道的卫星 使之沿预定轨道运行 4 启用备用卫星代替失效工作卫星 Slide28 GPS地面监控部分 3 注入站 主要设备为1台直径3 6m的天线 1台S波段发射机和1台计算机 主要任务是在主控站的控制下 将主控站推算和编制的卫星星历 钟差 导航电文和其它控制指令等 注入到相应卫星的存储系统 并监测注入信息的正确性 整个GPS系统的地面监控部分 除主控站外均无人值守 Slide29 地面监控系统流程图 Slide30 GPS接收机组成 GPS接收机的主要结构组成 天线 带前置放大器 信号处理器 用于信号识别与处理 微处理器 用于接收机的控制 数据采集和导航计算 用户信息传输 包括操作板 显示板等 精密震荡器 产生标准频率 电源 Slide31 GPS接收机的结构如图所示 Slide32 GPS接收机类型 1 按工作原理划分 码相关型接收机 能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码 利用的是C A码或P码 条件是掌握测距码结构 也称有码接收机 平方型接收机 利用载波信号的平方技术去掉调制码 获得载波相位测量所必需的载波信号 该机只利用卫星信号 无需解码 不必掌握测距码结构 称无码接收机 混合型接收机 综合利用了码相关技术和平方技术的优点 同时获得码相位和精密载波相位观测量 目前广泛使用 Slide33 GPS接收机类型 2 根据接收机信号通道类型划分 多通道接收机 具有多个卫星信号通道 每个通道只连续跟踪一个卫星信号 也称连续跟踪型接收机 序贯通道接收机 只有1 2个信号通道 为了跟踪多个卫星 在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测 依次量测一个循环所需时间较长 大于20ms 对卫星信号的跟踪是不连续的 多路复用通道接收机 与序贯通道接收机相似 也只有1 2个信号通道 在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测 依次量测一个循环所需时间较短 小于20ms 可保持对卫星信号的连续跟踪 Slide34 GPS接收机类型 3 根据所接收的卫星信号频率划分 单频接收机 L1 只接收调制的L1信号 虽然可利用导航电文提供的参数 对观测量进行电离层影响修正 但由于修正模型尚不完善 精度较差 主要用于小于20km的短基线精密定位 双频接收机 L1 L2 同时接受L1 L2两种信号 利用双频技术 可消除或减弱电离层折射对观测量的影响 定位精度较高 这种分法较为常见 Slide35 GPS接收机类型 4 按接收机用途划分 导航型 用于确定船舶 车辆 飞机等运载体的实时位置和速度 保障按预定路线航行或选择最佳路线 采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位 精度低 结构简单 价格便宜 应用广泛 测量型接收机 采用载波相位观测量进行相对定位 精度高 观测数据可测后处理或实时处理 RTK 需配备功能完善的数据处理软件 与导航型相比 结构复杂 价格昂贵 授时型接收机 主要用于天文台或地面监控站 进行时频同步测定 Slide36 GPS接收机天线 天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流 并经前置放大器进行频率变换 以便对信号进行跟踪 处理和量测 Slide37 GPS接收机天线基本类型 Slide38 GPS接收机 DSNPLEICAGARMIN TRIMBLEASHTECHJAVAD Slide39 SPS与PPSSPS 标准定位服务 使用C A码 民用PPS 精密定位服务 可使用P码 军用SA 已于2000年5月1日取消 SelectiveAvailability 选择可用性 人为降低普通用户的测量精度 方法 技术 轨道加扰 长周期 慢变化 技术 星钟加扰 高频抖动 短周期 快变化 AS Anti Spoofing反电子欺骗 P码加密 P W Y 美国政府的GPS政策 Slide40 GLONASS 类似于GPS 是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星1996年1月18日 完成24颗卫星的布局 卫星具备完全工作能力由于经济原因 现在天空上的GLONASS卫星仅为8颗 Slide41 Galileo 背景 GLONASS在轨卫星缺失 GPS独霸市场GLONASS GPS均由军方控制欧盟 要建立国际民间控制的 欧盟自己的民用导航系统特点 可共享的 独立于GPS的 适于海陆空的导航系统阶段 1999年 欧洲提出了建立 伽利略 导航卫星系统的计划 一 2000年前 可行性评估或定义 二 2001 2005 开发和检测 三 2006 2007 部署 四 2008 商业运行 Slide42 GPS GLONASS和Galileo系统参数比较 Slide43 欧盟为何重视伽利略计划 打破美国在这方面的垄断地位 为欧盟赢得可观的市场份额 权威部门预计 伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元伽利略计划将为欧盟创造 万个高技术含量的就业岗位 每年经济收益有 亿欧元之多 仅出售航空和航海终端设备一项就可在 年至 年将获得 亿欧元收入欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务 Slide44 Galileo系统的结构和组成 未来的Galileo系统是一个独立的 又与GPS兼容的全球导航系统 要求系统结构应尽量满足以下几个条件 1 适应用户及市场需要 2 开发和运行成本最小 3 系统本身固有风险最小 4 与其它系统 主要是GPS 具有互操作性 基于以上考虑 Galileo系统主要由4部分组成 1 全球设施部分 2 区域设施部分 3 当地设施部分 4 用户接收机及终端 Slide45 Galileo系统的结构和组成 1 全球设施部分控制中心GCC 坐落在欧洲的两个Galileo控制中心是系统地面监控的核心 其主要功能是控制星座 保证卫星原子钟的同步 完好性信号的处理 监控卫星及由他们提供的服务 数据处理 上行链路站GVS 分布于全球的上行链路站主要是用来传输往返于卫星的数据 每个上行链路站GVS包含一个进行卫星管理的TT C站和一个任务上行站MVS TT C上行链路通过S波段发射 MVS通过C波段发射 监测站GSS网络 分布在全球范围的GSS网络接收卫星导航信息SIS 并且检测卫星导航信号的质量 以及气象和其他所要求的环境信息 这些站将收到的信息通过通信网GCN中继传输给控制中心GCC 全球通信网络GCN 利用地面和VSAT卫星链路 把所有地面站和地面设施连接起来 Slide46 2 区域设施部分区域部分是Galileo系统有机的组成部分 主要由对系统完好性实施监测的监测站IMS网络和数个进行完好性数据可以直接由该区的地面站上传至对应的Galileo卫星 另外 该部分还可以通过地球同步卫星为GPS和GLONASS系统提供相应的差分信息 Galileo系统的结构和组成 Slide47 3 当地设施部分根据当地的特殊需要提供特别的精确性和完好性信息 以及当地差分信息 当地设施部分主要包括 1 提供本地差分修正信号的本地精确导航设备 用户可用这些信号修正星历和种差 以及补偿对流层 电离层延迟误差 2 提供本地差分信号的本地高精度导航设备 使用户可利用载波模糊度解修正每颗卫星的有效距离 用于修正星历和种差 补偿对流层 电离层延迟误差 3 使用单项或双向通讯方式来协助用户确定在复杂环境下位置的本地辅助设备 4 提供本地辅助的 伪卫星 的本地增强可用性导航设备 Galileo系统的结构和组成 Slide48 4 用户接收及终端Galileo用户接收机及终端 其基本功能是在用户段实现Galileo系统所提供的各种卫星无线导航服务 包括直接接收Galileo的SIS信号 拥有与区域和当地设施部分提供服务的接口 与其他定位导航系统 如GPS 及通讯系统互操作等功能 Galileo系统的结构和组成 Slide49 Galileo系统的信号 2002年9月 STF Galileo信号特别工作组 公布了新的频率结构和信号设计方案 低L波段 1164 1215MHz上的E5a E5b信号 该频段的信号包含了与公共免费以及生命安全服务有关的导航信号 中L波段 1260 1300MHz上的E6信号 包含的是公共授权和商业加密导航信号 高L波段 1559 1591MHz的E2 L1 E1的信号 主要包含公共授权 有关生命安全的导航服务信号 L6频段 1544 1544 2MHz是搜寻救援服务信号的下行频段 Slide50 Galileo导航系统的优越性 从系统概念设计开始就非常注意系统的完备性 最大限度地保证系统的可用性 并及时地制定用户提供系统的完备性信息 使用户在使用过程中能够及时了解系统的状态和性能 Galileo系统实现了全球完好性监控 当系统信号出现问题时 系统将向用户提供及时的警告 有效地保证了整个系统的导航性能 Galileo在信号无线电频谱的选取上采取一定的技术手段 并进行了特殊处理 以提高信号的抗干扰性 Slide51 Galileo系统的数据率更高 波段更宽 具有更出色的电离层建模技术 Galileo将提供更加完善的导航定位服务以及更高的定位精度 可为地面用户提供误差不超过1m的定位服务 定位精度按免费信号 加密且需交费信号 极密切需特许润可的信号依次提高 最高精度比GPS高10倍 即使使用免费信号定位精度也达6m Galileo的另外一个特点是在系统设计和整个建设过程中充分考虑系统与GPS系统的兼容性以及信息的共享性 能够与各卫星导航系统协同工作 Galileo导航系统的优越性 Slide52 北斗双星导航定位系统 双星导航定位系统的组成 卫星星座 由3颗同步静止卫星组成 其中1颗在轨备用 轨道倾角i 0 公转周期T 24h恒星时 轨道高度H 36000km 地面系统 一个中心站 负责系统测控 定位信号的发射与接收 用户坐标的解算与发布 双向授时等 Slide53 双星导航定位系统的技术特点 服务区域 70 145 E 5 55 N用户设备 定位收发机的瞬间发射功率较大 定位精度 平面精度 20m 垂直精度 10m 北斗双星导航定位系统 Slide54 北斗双星导航定位系统 Slide55 北斗双星导航定位系统 地面中心站通过2颗同步静止定位卫星传送测距问询信号 如果用户需要定位则马上回复应答信号 地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离 这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球 而两个定位球又和地面交出两个定位圆 用户必定位于两个定位圆相交的两个点上 这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的 地面中心站求出用户坐标后 再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程 进而让卫星转告用户 Slide56 定位系统功能 快速定位 实施导航 简短通信 精密授时 系统优缺点 双星导航定位系