2.GPS定位原理-绪论-概述---绪论补充-孙希延

1、GPS系统原理与应用系统原理与应用 卫星导航技术引起人们关注是从卫星导航技术引起人们关注是从1991年海湾战争后开年海湾战争后开始的，美国在海湾战争中的一个始的，美国在海湾战争中的一个“撒手锏撒手锏”就是就是GPS。随着随着GPS向民用开放，它所蕴藏的巨大商机被发掘出向民用开放，它所蕴藏的巨大商机被发掘出来。成为继来。成为继通信、互联网之后的通信、互联网之后的IT第三个新的增长点第三个新的增长点。卫星导航技术是国家综合国力的重要组成部分卫星导航技术是国家综合国力的重要组成部分。正因。正因为这样，美国、俄罗斯、欧盟都不惜投入巨资建设卫为这样，美国、俄罗斯、欧盟都不惜投入巨资建设卫星导航系统。星导

2、航系统。中国的卫星导航应用近年来发展迅速，但是绝大中国的卫星导航应用近年来发展迅速，但是绝大多数应用都是建立在美国的多数应用都是建立在美国的GPS之上。如果一旦发生之上。如果一旦发生战争，美国关闭我们的应用，后果不堪设想。作为中战争，美国关闭我们的应用，后果不堪设想。作为中国这样的大国，必须有自主的卫星导航系统国这样的大国，必须有自主的卫星导航系统。1.4 北斗卫星导航系统 “双星定位双星定位”原理的提出：原理的提出： v作为一个大国，我国同样也有高精度定位的要求，但是我国底子薄经济技术实力不足，早期很难投入很多资金建设卫星定位导航系统。1983年我国陈方允院士和美国普林斯顿大学Gerard

3、K.Oneil博士同时提出了“双星定位”原理。与GPS系统相比，基于双星定位的导航系统可以2颗卫星实现导航能力，所需卫星数量比GPS少得多，虽然在性能上无法和GPS星座相比，但对于无力进行巨额投资的我国却是不错的选择。一一 北斗一号北斗一号v双星快速定位系统 ，v突出持点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。v工作原理：由两颗地球静止卫星(800E和1400E)、一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。v定位精度为水平精度定位精度为水平精度100米米(1)，设立标校站之后为，设立标校站之后为20米米(类似差分状

4、态类似差分状态)。工作频率：。工作频率：2491.75MHz。系统能。系统能容纳的最大用户数为每小时容纳的最大用户数为每小时540000户。户。v标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家。 北斗一代定位需要终端主动发出定位信号 “北斗一号” 与GPS系统比较 区别区别北斗一号北斗一号GPS覆盖范围我国本土的区域：东经约70一140，北纬5一55 全球 卫星数量和轨道特性 赤道平面上设置2颗同步星，卫星的赤道角距约60 6个轨道平面上设置24颗卫星 ，赤道倾角55 定位原理主动式双向测距二维导航 被

5、动式伪码单向测距三维导航。 定位精度三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。 P码定位精度为6m ，C/A码 为12m，授时精度日前约20ns 用户容量用户设备容量是有限的 用户设备容量是无限的生存能力 完全依赖于中心控制系统发展星际横向数据链技术，即使中心控制中心被毁，也可以独立运行 实时性对于告诉运动体，加大了定位误差单向测距，定位误差较小 北斗一代的缺陷北斗一代的缺陷 1、覆盖范围也不过是初步具备了我国周边地区的定位能力，与GPS的全球定位相差甚远。2、定位精度低，定位精度最高20米，而GPS可以到10米以内。3、由于采用卫星无线电测定体制(RDSS)，用户终端机工作时要发送无线电信

6、号，会被敌方无线电侦测设备发现，不适合军用。4、无法在高速移动平台上使用，这限制了它在航空和陆地运输上的应用。 当然，北斗一代也有些GPS所没有的优点。例如，具备简短的报文通信功能，具备双向数字报文通信能力，单次最多传单次最多传送送60个汉字的信息个汉字的信息。此外北斗一代导航定位系统从原理上说，多路径效应存在都不影响定位精度，受地貌影响不明显等优点，不会有GPS林下无信号的尴尬。但是由于导航系统基本由于导航系统基本的定位授时性能上的差距，北斗一代作为导航定位系统是无的定位授时性能上的差距，北斗一代作为导航定位系统是无法与法与GPS在市场上竞争的。在市场上竞争的。 解放军装备了一部分北斗手持机

7、(上图)，相比连手机都可接收信号的GPS(下图)，两方差距甚大。2007年年2月月3日，北斗一代第四颗卫星发射成功，不过此时，日，北斗一代第四颗卫星发射成功，不过此时，北斗一代已经改名为北斗导航试验系统，原来的北斗二代北斗一代已经改名为北斗导航试验系统，原来的北斗二代则称为北斗卫星导航定位系统，英文名为则称为北斗卫星导航定位系统，英文名为Compass 。第四颗北斗导航试验卫星不仅作为早期三颗卫星的备份，同时还将进行北斗卫星导航定位系统的相关试验。以北斗导航试验系统为基础，我国开始逐步实施北斗卫星导航系统的建设，首先满足中国及其周边地区的导航定位需求，并进行系统的组网和测试，逐步扩展为全球卫星

8、导航定位系统。二二 第二代北斗定位系统第二代北斗定位系统北斗二代需要的卫星数量足足要比GPS多出11颗。北斗二代需要发射北斗二代需要发射35颗卫星颗卫星 按照规划，北斗卫星导航定位系统将有北斗卫星导航定位系统将有5颗静止轨颗静止轨道卫星和道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，采用东方红颗非静止轨道卫星组成，采用东方红3号卫星平台。号卫星平台。30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里。 北斗卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供定位，测速和授时服务，定

9、位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务则是军事用途的马甲，将向授权用户提供更安全与更高精度的定位，测速，授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。 央视曝光北斗卫星上的激光发射器，其技术已达世界先进。BD2特点卫星信号强于现有的卫星信号强于现有的GPS 北斗卫星导航定位系统的基本定位是由27颗MEO卫星完成的，通过三个55倾角的轨道平面个部署9颗卫星，定位精度可以达到10米以内，理论上可以达到水平和垂直方向7.5米精度，北斗系统尽管是GPS系统的仿制品，但根据2007年年MEO-1卫星发射卫星发射后国外技术人员对信号的测

10、定，北斗卫星导航定位后国外技术人员对信号的测定，北斗卫星导航定位系统在系统在B1频段比频段比GPS高高7个个dB，充分体现了后发优，充分体现了后发优势势，在新的GPS III系统部署前，北斗卫星导航定位系统的性能要优秀得多。 中国及周边地区导航精度提升中国及周边地区导航精度提升 5颗静止轨道卫星不仅提供RNSS服务，还继承了试验系统的RDSS信号链路，仍保留了短报文通信功能。为了提高定位精度满足航空I类精密进近(CAT-1)的要求，我国采用GEO卫星进行了精度增强，5颗GEO卫星完全可以满足我国及其周边地区的CAT-1精度要求，达到垂直定位4.47.7米的性能，在高密度可见星区可以满足国土资源

11、调查的无基站水平1米实时定位精度要求，在北斗卫星导航系统建成后实现这些性能的话，北斗的性能将超越现有的GPSII系统，甚至超过一些GPS区域增强系统增强后的性能。国产雷石6滑翔炸弹采用GPS制导，急需北斗来进行替换。 高纬度地区导航精度提升高纬度地区导航精度提升 为了满足高纬度地区进行信号增强工作的需为了满足高纬度地区进行信号增强工作的需求，增设了求，增设了3颗颗IGSO轨道卫星。轨道卫星。IGSO卫星高度和静止轨道卫星相同，但是倾角不为0，因此轨道中心在赤道设定的经度上，星下点南北来回运动在地面上划出很明显的8字形轨迹。IGSO轨道卫星克服了GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题，可以对高纬度

12、地区进行有效的信号增强。3颗IGSO卫星轨道最北到北纬55，可对我国领土范围内进行有效的精度增强。1.5 伽利略计划伽利略计划1) “伽利略计划伽利略计划”是指在是指在25000公里高空部署公里高空部署30颗人造颗人造卫星，以更加准确地判断飞机和船舶等交通工具的卫星，以更加准确地判断飞机和船舶等交通工具的位置。位置。2008年投入使用后，可以大幅提高预防灾难年投入使用后，可以大幅提高预防灾难和安全管理的水平。和安全管理的水平。 2) 总投资总投资35亿欧元的伽利略计划是欧洲自主的、独立亿欧元的伽利略计划是欧洲自主的、独立的民用全球卫星导航系统。目前世界上正在运营的的民用全球卫星导航系统。目前世

13、界上正在运营的全球定位系统全球定位系统(GPS)由美国研发并控制。由美国研发并控制。3) 伽利略系统伽利略系统30颗导航卫星和相颗导航卫星和相 关地面设备将在关地面设备将在2008年部署完成，该系统确定地面目标位置的误差仅为年部署完成，该系统确定地面目标位置的误差仅为1米，而米，而GPS提供的非军用信号的误差达提供的非军用信号的误差达10米。米。4) 中国是第一个参与伽利略计划中国是第一个参与伽利略计划的非欧盟国家，的非欧盟国家，2006年年7月月28日与伽利略联合执行体签署了三个应日与伽利略联合执行体签署了三个应用项目合同承诺提供用项目合同承诺提供2亿欧元的研发经费。中方已亿欧元的研发经费。

14、中方已投入投入7000万欧元用于技术开发，其余万欧元用于技术开发，其余13亿欧元亿欧元用于空间和地面设备的部署。用于空间和地面设备的部署。5) 韩国也加入了伽利略计划，这样就能摆脱单纯依靠韩国也加入了伽利略计划，这样就能摆脱单纯依靠美国全球定位系统美国全球定位系统(GPS)的局面的局面 6) 据欧盟的预测，伽利略系统在据欧盟的预测，伽利略系统在2020年前将会带来年前将会带来数百亿欧元的收入和数万个就业机会。据国内专家数百亿欧元的收入和数万个就业机会。据国内专家估计，中国卫星导航应用产业的经济效益到估计，中国卫星导航应用产业的经济效益到2020年可达年可达2600亿元人民币。亿元人民币。一 G

15、alileo 星座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56the Galileo satellite constellation altitude 23616 kmSMA 29993.707 kminclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG G G GA A L LI IL LE E O OA A L LI IL LE E O OD D A A T TA AD D A A T TA

16、A27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)Walker 27/3/1ConstellationGalileo 星座2022年5月4日20“伽利略伽利略”系统卫星模拟图系统卫星模拟图 GIOVE A GIOVE B the GIOVE SatelliteGalileo 试验卫星vGIOVE的主要目标的主要目标: 频率信号测试；频率信号测试； 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）； 轨道环境特征测试；轨道环境特征测试； 并行并行2或或3通道信号传输测试。通道信号传输测试。2022年5月

17、4日22二 Galileo信号 每颗每颗Galileo卫星发送卫星发送6种导航定位信号：种导航定位信号：L1F，L1P，E6C，E6P，E5A和和E5B，可以提供，可以提供4类服务：类服务：v（1）公开服务（）公开服务（open service）。提供定位、导航和）。提供定位、导航和定时服务。这种服务面向大众导航定位应用领域，将与定时服务。这种服务面向大众导航定位应用领域，将与GPS竞争（也是和竞争（也是和GPS兼容的），是免费的。这种服兼容的），是免费的。这种服务的定位精度水平方向约为务的定位精度水平方向约为4米，垂直方向约为米，垂直方向约为8米，可米，可获得性为获得性为99.5%，但是没有

18、完备性信息可用。，但是没有完备性信息可用。GPS 现现代化后，代化后，GPS和和Galileo 双系统的定位垂直精度可以提双系统的定位垂直精度可以提高到高到4.5米，在有高遮挡的条件下可见性也大幅度提高。米，在有高遮挡的条件下可见性也大幅度提高。使用的频段有使用的频段有E5A，E5B，L1。v（2）生命安全服务（）生命安全服务（Safety of life service,SOL）。）。依据航空、航海和铁路运输的安全要求，为该三大领域依据航空、航海和铁路运输的安全要求，为该三大领域的广大用户，提供完全可靠的人身安全服务保障。的广大用户，提供完全可靠的人身安全服务保障。v（3）商业服务（）商业服务（