卫星导航(合并版)

1、GPSGPS全球定位系统全球定位系统原理与方法原理与方法q工作原理工作原理 卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载星不断向地面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电信号来实了某些特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。现定位测量的定位系统。卫星导航（卫星导航（Satellite navigation）3 车辆导航管理车辆导航管理 对航空器的定位及导航对航空器的定位及导航 车辆导航车辆导航 配备配备 GPS 的巡警的巡警 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation）引：今后GPS的应用，将只受人

2、类想象力的制约。4lGPS全球定位系统lGLONASS全球定位系统lGALILEO全球定位系统l北斗导航定位系统卫星导航（卫星导航（Satellite navigation）5GPS全球定位系统全球定位系统l拥有者：美国l发展简史：1973年开始研制，1993年12月达到初始运行能力，1995年4月达到全运行能力。l卫星组成：初始为21颗星，覆盖不良；90年代中期扩展为24颗星，覆盖全球；一直处于不断完善和更新重，截至2008年12月，在轨31颗星。卫星导航（卫星导航（Satellite navigation）6GLONASS全球定位系统l拥有者 l俄罗斯 l发展简史 l由前苏联从80年代初开

3、始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。l苏联1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星l1996年1月18日，24颗卫星正常工作运行。 l卫星组成l根据俄罗斯联邦太空署信息中心提供的数据（2012年10月10日），目前有24颗卫星正常工作、3颗维修中、3颗备用、1颗测试中。卫星导航（卫星导航（Satellite navigation）7伽利略（伽利略（GALILEO）全球定位系统）全球定位系统l拥有者：欧盟 l发展简史 1999年2月10日欧盟委员会宣布要发展下一代GNSS。 1997年7月至2000年底完成了伽利略系统的定义工作，包括系统的任务需求、空

4、间段和地面段各种设备的技术性能指标。l伽利略计划按如下三个阶段实现l20012005年为研究开发与在轨验证阶段；l20062007年为星座部署阶段；l2008年后为投入使用阶段。（目前进度比预计延迟五年）l卫星组成 lGALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。 卫星导航（卫星导航（Satellite navigation）q拥有者 中国 q发展简史 1994年我国正式批准了北斗卫星导航系统的研制，其工程代号为“北斗一号”，2000年成功发射了两颗北斗一号静止轨道卫星。2004年8月31日，我国拥有完全自主知识产权的“北斗二号”卫星导

5、航系统立项，预计在2020年左右形成覆盖全球的卫星导航系统。q卫星组成北斗二号卫星导航系统空间段计划由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，30颗非静止轨道卫星由27颗中轨卫星和3颗倾斜同步卫星组成。北斗卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统卫星导航（卫星导航（Satellite navigation）主要内容主要内容l第一部分第一部分 GPS系统的组成系统的组成l第二部分第二部分 GPS定位原理和方法定位原理和方法GPS系统信号结构系统信号结构GPS系统定位原理系统定位原理GPS系统误差特性及误差方程系统误差特性及误差方程Slide 10GPSGPS什么是GPS?uGPSNavigati

6、on Satellite Timing And Ranging Global Positioning Systemu简称GPSu定义：其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统 ，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。Slide 11GPS系统的特点u全球性连续覆盖，全天候工作全球性连续覆盖，全天候工作u定位精度高，观测时间短定位精度高，观测时间短u功能多，用途广功能多，用途广 美国军方声称随时都有可能改变美国军方声称随时都有可能改变GPS政策；政策； GPS无法实现水下导航，且战时易受干扰无法实现水下导航，且战时易受干扰。Slide 121 GPS

7、定位系统的组成 GPS定位技术是利用高空中的定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，GPS定位系统是由以下三个部分组成：定位系统是由以下三个部分组成：l 空间部分空间部分(GPS卫星星座卫星星座)l 地面控制部分地面控制部分 (地面监控系统地面监控系统)l 用户设备部分用户设备部分 (GPS信号接收信号接收机机)Slide 13uGPS系统的空间部分由系统的空间部分由GPS卫星组成，

8、称为卫星卫星组成，称为卫星星座。星座。u卫星星座的分布设置要保证地球上任何地点，任卫星星座的分布设置要保证地球上任何地点，任何时刻至少可以同时观测到四颗卫星。何时刻至少可以同时观测到四颗卫星。1.1 GPS的空间部分可见卫星出没轨迹图可见卫星出没轨迹图GPSGPS星座星座Slide 14u铯原子钟铯原子钟u计算机计算机u2 2块块7 7m m2 2的太阳能翼板的太阳能翼板u无线电收发两用机无线电收发两用机u姿态控制和太阳能板指姿态控制和太阳能板指向系统向系统GPSGPS卫星卫星Slide 15GPSGPS卫星的基本功能卫星的基本功能n 接收和存储由地面监控站发来的信息；接收和存储由地面监控站发

9、来的信息；n 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理；进行处理；n 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。通过星载的原子钟提供精密的时间标准。n 向用户发送定位信息；向用户发送定位信息；n 接收并执行监控站的控制指令，通过推进器接收并执行监控站的控制指令，通过推进器调整卫星姿态或启用备用卫星。调整卫星姿态或启用备用卫星。1.2 GPS的地面监控部分的地面监控部分 l地面监控部分 （Ground Segment）l组成l主控站：1个l监测站：5个l注入站：3个GPS卫星注入站监测站主控站Slide 171.2 1.2 GPSGPS地面监控部分地面监控部

10、分l 主控站主控站 根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各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、卫星时钟差和大气修正参数，并将数卫星的星历、卫星时钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站；据传送到注入站；给定全球定位系统时间基准；给定全球定位系统时间基准；监控卫星状态，向卫星提供控制指令；监控卫星状态，向卫星提供控制指令； 卫星维护与异常情况的处理卫星维护与异常情况的处理( (启用备用卫星代替失启用备用卫星代替失效工作卫星效工作卫星) )。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。Slide 18l 注入站：注入站： 主要任务是在主控站的控制下

11、，将主控站推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。制指令等，注入到相应卫星的存储系统。地点：地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）和卡瓦加兰（太平洋）1.2 1.2 GPSGPS地面监控部分地面监控部分Slide 19监测站：自动对卫星进行持续不断的跟踪测量，并将自动监测站：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、气象信息和时间标准等信息，进行简采集的伪距观测量、气象信息和时间标准等信息

12、，进行简单处理然后存储并传送到主控站。单处理然后存储并传送到主控站。科罗拉多科罗拉多卡瓦加兰卡瓦加兰狄哥狄哥伽西亚伽西亚阿松森岛阿松森岛夏威夷夏威夷1.2 1.2 GPSGPS地面监控部分地面监控部分Slide 201.3 GPS用户设备部分用户设备部分GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收主要功能是接收GPS卫星发射的信号，卫星发射的信号，并进行处理，获取导航并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。电文和必要的观测量。微处理器显示装置存储器电源主要内容主要内容l第一部分 GPS系统的组成

13、l第二部分 GPS定位原理和方法GPS系统信号结构系统信号结构GPS系统定位原理GPS系统误差特性及误差方程2.1 GPS系统信号结构系统信号结构l载波（载波（Carrier）:L1, L2l测距码（测距码（Ranging Code）: -C/A码（目前只被调制在码（目前只被调制在L1上）上） -P码（被分别调至在码（被分别调至在L1和和L2上）上）l卫星（导航）电文（卫星（导航）电文（Message）基本频率基本频率10.23MHzL1载波载波1575.42MHzL2载波载波1227.60MHzC/A码码1.023MHzP码码10.23MHzP码码10.23MHz数据码数据码50BPS数据码

14、数据码50BPS 154 120 10 204600 GPS卫星的基准频率卫星的基准频率 f0l由卫星上的原子钟直接产生l频率为10.23MHzl卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频Slide 24码码:在现代数字通信中，广泛使用二进制数及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特或码为信息量的度量单位。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s，或记为BPS。码码Slide 25随机噪声码随机噪声码：假设一组码序列，对某一时刻来说，码码元是元是0或或1完全是随机的，但出现

15、的概率均为完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用。伪随机噪声码伪随机噪声码（Pseudo Random NoisePRN）简称伪随机码或伪码：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。GPS卫星所采用的两种测距码，即卫星所采用的两种测距码，即C/A码和码和P码均属于码均属于伪随机码。伪随机码。伪随机噪声码伪随机噪声码dttxtxTpTp 021)()(1)(dttxtxTpTp 011)()(1)(

16、相关性表征了两个信号间的相似程度( )11( )()pLmmmpaaL 10,2,( )10(1,2,)pppppTTnTjTjnL 或或Lp表示周期内码元数相关性相关性(表征两个信号的相似程度表征两个信号的相似程度)信号的互相关性信号的自相关性载波载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波，它有几个参数，幅度、频率、相位幅度、频率、相位。一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽，否则会发生混叠，使传输信号失真。载波载波在无线电通信中，为有效地传播信息，一般将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，此时频率较低的信号称为调制信号。信号调制信号调制，就是一个数学运算。我们把一个携带信息的信号

17、去改变载波的某一个或几个参数，信号就这么调制到载波上了。载波就是一个正弦波，已调制波就不同了，它已经携带了调制信号的信息。信号调制信号调制l载波调制：调相、调频、调幅调频调频FM调幅调幅AM调相调相PM注：其它调制方式注：其它调制方式GPS卫星的伪随机码是利用调相技术调制到载波上的。2.1.1 载波载波l作用作用搭载其它调制信号测距 测多普勒频移l类型类型L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cml特点特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频

18、率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）L119.03c mL224.42c m2.1.2 测距码测距码l作用测距l类型C/A码P码l性质为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1Slide 32C/A码（Coarse/Acquisition code） 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，周期1ms，1个周期共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.

19、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（293.05m），假设两序列的码元对齐误差为码元宽度的1/101/100，则相应的测距误差为29.32.93m。由于精度低，又称粗码。 Slide 33P码(Precise code) P码是卫星的精测码精测码，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，周期7天， 1周期含码元数：6187104000000；由于P码的码元宽度为C/A码的1/10（ 29.30m ），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

20、/A码的1/10，故P码称为精码。Slide 34GPS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、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、大气折射改正和由气折射改正和由C/AC/A码捕获码捕获P P码等导航信息码等导航信息。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。2.1.3 GPS卫星导航电文卫星导航电文Slide 35lGPS卫星天线发射的信号，是将导航电文D(t)

21、经过两级调制后的信号。（1）第一级调制是将低频D(t)码分别调制高频C/A码和P码（导航电文信号与测距码模2和运算）（2）第二级调制是将一级调制的组合码再分别调制在两个载波频率（L1和L2）上。（载波调制）2.4 GPS卫星信号的调制卫星信号的调制卫星信号的调制：第一级调制卫星信号的调制：第一级调制卫星信号的调制：第二级调制卫星信号的调制：第二级调制GPS卫星的伪随机码是利用调相技术调制到载波上的。卫星信号的调制卫星信号的调制在L1载波上，调制了C/A码和P码，且采用正交方式进行调制； 在L2载波上，只调制了P码。这里的C/A码和P码已实现了对数据码的扩频。主要内容主要内容l第一部分 GPS系

22、统的组成l第二部分 GPS定位原理和方法GPS系统信号结构GPS系统定位原理系统定位原理GPS系统误差特性及误差方程l卫星定位的必要条件卫星在坐标系内的精确位置用户相对于卫星的某种观测值l定位方法，根据观测值的不同可以分为测距定位（测码伪距观测量）测距定位（测码伪距观测量）测角定位（测相伪距观测量）测速定位（多普勒频移观测量）2.2 GPS系统定位原理系统定位原理已知卫星的位置如何测量出站星距离2.2 GPS系统定位原理系统定位原理222)()()(kjkjkjjkzZyYxXR测距定位基本原理l所谓测码伪距观测量，实际上是测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码和P码）到达用户接收机天线的电

23、波传播时间，因此，这种方法也称为时间延迟测量。l距离测定的基本思路GPS到用户的观测距离，由于各种误差源的影响，并非真实的反应卫星到用户的几何距离，而是含有误差，这种带有误差的GPS量测距离，称为伪距伪距。信号传播时间ctc测码伪距观测量测码伪距观测量tttxtxRsd)()()()()(ttt调整本地码延迟，使相关输出达到最大值，此时(0,1,2,)nT n nTt 则当测得本地码延迟后，即可得 cRc tn 是所测定的距离观测值， R为卫星信号传播的真实距离，代表伪随机码的波长，n为整周模糊度，可以消除。l用户在接收机里复制了与卫星发射的测距码结构完全相同的码信号，通过接收机中的时间延迟器，使复制的测距码进行相移，使其在码元上与卫星发射的测距码对齐，即进行相关处理。当相关系数为时，所需的相移量就是卫星发射的信号到达接收机所需的传播时间。测距定位基本原理测距码测距原理测距码测距原理l信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：信号传播时间的测定信号传播时间的测定()jjkkkkcctRc t222)()()(kjkjkjjkzZyYxXR11