民航导航系统-4.6全球定位系统(GPS)

1、全球定位系统(GPS)什么是全球定位系统? Global Positioning System 全球定位系统(GPS)全球定位系统(Global Positioning System )： 全称为定时与测距的导航卫星系统，它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，使在地球上任何地方的用户，都能计算出他们所处的方位，以构成全球定位系统。 发展： 1973年11月美国国防部授权研制； 1973年1979年，方案论证和初步设计阶段； 1979年1984年，全面研制和试验阶段； 1989年1993年，实用组网阶段； 1993年2月23日GPS星座完成； 1995年全面投入使用GPS在民航的应用：航路导航终

2、端非精密进近终端精密进近一、GPS的组成(一)空间GPS卫星(二)地面控制站组(三)用户设备(一)空间GPS卫星1、卫星配置：6424，轨道倾角55 高 度：20230KM2、卫星组成：无线电收发机、天线、 原子钟、计算机等3、工作频率：L11575.42MHZ L21227.60MHZ4、两种码：C/A码和P码5、工作方式：CDMA6、铯原子钟：GPS时(二)地面控制站组1、1个主控站2、5个监测站3、3个注入站 监测站的作用： 对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据，并采集当地的气象等数据，数据处理机处理收集到的数据，定时将处理后的数据送往主控站。 主控站的作用： 采集数据，编辑导航电

3、文，诊断功能，调整卫星。 注入站的作用： 将主控站发送来的卫星星历和钟差信息注入到卫星的存储器中。(三)用户GPS接收机GPS用户设备 卡西欧手表式GPS 1GPS导航仪分类 按载体分按用途分按通道数分：单通道、多通道按静动态分：静态精密测量型、实时动态测量型按码分：C/A码接收机、P码接收机2GPS接收机的基本组成 天线单元：由天线和前置放大器组成，天线有定向天线、偶极子天线、微带天线、螺旋天线等。接收单元：信号通道、存储器、处理器等显示控制单元：电源： 3GPS接收机性能指标：并行通道： 消费类GPS设备有25条并行通道接收卫星信号；GPS接收器大多数是12并行通道型 ；定位精度： 无SA

4、，大多数GPS接收器的水平位置 定位精度在20m30m左右； 有SA，水平精度在100m之内的概率是 95%，高度在300m之内的概率是95%。 定位时间： 对于12通道接收器，如果你在最后 一次定位位置的附近，冷启动时的定位 时间一般为35分钟，热启动时为15 30秒，而对于2通道接收器，冷启动时大 多超过15分钟，热启动时为25分钟。 二、GPS的工作原理空间定位：要实现精确定位，要解决两个问题：其一是要确知卫星的准确位置；其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离。 确知卫星的准确位置：卫星星历将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，

5、就可确知卫星的准确位置。 准确测定卫星至地面的距离：距离速度时间(D=vt)速度光速30万公里(R=Ctr)测量时间?(一)三星定位原理 R=Ctr同时对三颗卫星测量，则： R1=Ctr1 R2=Ctr2 R3=Ctr3 由R1、R2、R3得到三个位置面，联立求解，舍去不合理值，用户的位置便可以确定。问题的提出： 如果卫星时钟和用户时钟有钟差t，这时测得的延时应为tr，而对应的距离为R，并不是真正电波传播的延时tr及卫星和用户之间的距离R。距离R称为伪距： R=C tr=C trC t=R C t出现钟差的原因： 卫星采用原子钟，用户采用石英钟。(二)四星定位原理采用三星定位时，方程组为： 可

6、见，该方程有X、Y、Z和 t四个未知数，四个未知数需四个独立方程。由数学方法知道，四个未知数需四个独立方程。即： 求解方程组，便得到用户精确位置。 (三)卫星定位的步骤1、以卫星作为时空基准点；2、测量出定位参数时间，建立位置面 或导航定位方程；3、求解用户位置 基本过程 导航电文公布卫星轨道参数 计算卫星的直角坐标 接收机测定用户到四颗卫星的伪距 计算四元方程组求 用户直角坐标 用户直角坐标转换为用户地理坐标三、GPS的误差(一)GPS误差的主要表现 测距误差。(二)引起GPS测距误差的因素 主要包括与卫星有关的误差、信号传播误差及观测和接收设备引起的误差。(三)GPS误差的种类 1、时钟误

7、差 2、星历误差 3、电离层延时误差(是电波相位传播速度变化产生的附加延时误差，采用双频校正法校正) 4、对流层延时误差(是GPS信号在对流层传播时速度发生变化引起的附加延时误差，采用气象模型进近修正) 5、几何误差 6、设备误差四、GPS的信号特征1、能进行准确的伪距测量，且无多值性；2、能进行准确的多普勒测量，以便提取速度信息；3、能提供双频测量，以测量出电离层延时量；4、能提供足够的数据信道来发射卫星星历、时钟修正信息以及其他必要信息：5、能提供两种信号，C/A码和P码；6、具有较强的抗干扰能力。五、GPS的特点(一)GPS的优点 1、具有全球、全天候、连续导航能力； (能提供连续、适时

8、的三维空间坐标、速度 和精密时间，并具有良好的抗干扰能力) 2、具有高精度；(10米；3cm/s；1020ns) 3、满足各类用户；(导航、交通管理、探测 搜索、农业、森林防火等) 4、连续输出，更新率高；(每秒一次) 5、用户设备简单，购置费低(二)GPS的缺点1、GPS卫星工作于L波段，电波入水能力 差，不能用于潜艇导航； 2、GPS完好性和报警能力不足，对卫星 的一些软故障要在很长时间后才能发 出故障状态信息； 3、整个系统的维护费用太高； 4、GPS在某些地区的连续服务性不足。六、衡量GPS的性能参数 1、定位精度 2、完好性：是指卫星信号故障或引起误差的事件能及时检测出来并及时报警的

9、能力。 3、可用性：指在卫星的全球覆盖、连续工 作下使所有区域的飞机在各飞行阶段一开始就能收到四颗以上的卫星信号，能求出定位解概率，一般要求大于0.99999。 4、连续服务性 单靠GPS星座本身是不能满足完好性可用性和连续服务性的要求。七、美国早期的GPS政策1、SA政策控制非授权用户得到高精度而采用的方法。通过和两种技术实现 ：扰乱卫星星历数据，将卫星传播的GPS卫星轨道参数的精度降低，从而使定位精度下降。 ：对卫星的基准信号(10.23MHz)加以改变，人为引入一个伪随机抖动信号，周期几分钟，从而使所有的派生信号(载波、伪噪声、数据码)都出现高频抖动，载波抖动造成测速误差，而伪距时钟抖动

10、造成测距误差。2、AS政策反电子欺骗手段针对非授权用户的P码接收机GPS通过加密手段将P码转换成Y码信号，非授权用户无法接收频率的信号，不能进行双频电离层修正，从而降低用户的定位精度。八、GPS的现代化应用GPS现代化计划中的军事部分GGPS现代化计划中的民用部分GPS现代化计划中的军事部分 1、增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。2、在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），要与民用码分开。M码要有更好的抗破译的保密和安全性能。3、军事用户的接受设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能。4、创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。GPS现代化计划中

11、的民用部分 1、改善民用导航和定位的精度；2、扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性；3、提高导航的安全性，如增强信号功率，增加导航信号和频道；4、保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；5、注意和现有的和将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容。 美方拟采取的措施：在一年一度评估的基础上，决定是否将SA信号强度降为零；在L2频道上增加第二民用码，即CA码；增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。GPS现代化计划的进程安排 GPS现代化第一阶段 发射12颗改进型的GPS BLOCK R型卫星，它们具有一些新的功能。 既能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L

12、2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；R型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。 GPS现代化第二阶段 发射6颗GPS BLOCK F。GPS BLOCK F型卫星除了有上面提到的GPS BLOCK R型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。GPS F型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗 F型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以F卫星运行，共计24+3颗。 GPS现代化计划的第三阶段 发射的GPS BLOCK 型卫星，在2

13、003年前完成代号为GPS 的 GPS完全现代化计划设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPS 型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPS 的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPS 计划，取代目前的GPS 。 全球轨道导航卫星系统(GLONASS)一、GLONASS系统的发展：第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空，比GPS晚9年；共发射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星；截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行俄政府计划用4年时间将其更新为G

14、lonass-M系统二、GLONASS系统的组成：1、 GLONASS 卫星 星座：83配置，11小时15分，64.8 高度：19100KM 载波：L1=1,602+0.5625k(MHz) L2=1,246+0.4375k(MHz)，k=124为 每颗卫星的频率编号 原子钟：铯原子钟 工作方式：采用频分多址(FDMA) 无线电通道：军用高精密通道(CHA) 民用的标准精密通道(CSA) 2、 GLONASS地面站 一个系统控制中心，一个指令跟踪站3、用户设备 输出：位置、速度、时间三、GPS与GLONASS系统的比较：北斗卫星导航系统一、系统组成 空间卫星： 两颗地球同步轨道卫星（GEO）

15、地面控制中心站： 所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。北斗用户终端： 接收地面中心站经卫星转发的测距信号。二、工作原理 当下列条件满足时，可以通过适当的数学运算确定出目标位置：1）已知目标所处位置的大地纬度；2）已知目标位置的大地高程，及其在某一给定时刻位于赤道平面的南侧或北侧；3）目标处于匀速运动状态，且已知其起始位置；4）目标处于匀变速运动状态，且已知其初始位置的坐标分量； 5）可以建立起目标的运动学/动力学模型，并可确定其初态。、 在双星定位系统中，结合数字地面高程，满足条

16、件2），并已知目标在赤道平面北侧，具体的定位过程是：首先由中心发出信号，分别经两颗卫星反射传至接收部分，再由接收部分反射两颗卫星分别传回中心站，中心站计算出两种途径所需时间t1，t2，再经过计算即可完成定位，计算过程如下： ct1=2（r1+R1）(1)ct2=2（r2+R2）(2)其中： 由于卫星1、卫星2是地球同步卫星，所以两颗卫星和中心站的地心坐标都是已知的而根据数字地面高程，接收部分的高程也是可知的，因此，（1）、（2）中R1、R2是已知的，C 是光速，这样就只剩下两个未知数r1、r2，可以通过两个方程解出。其中，只有x、y两个未知数。至此，就可能确定接收机的二维位置，定位精度在20米

17、左右。三、北斗卫星导航系统三大功能快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。北斗导航系统定位精度20米，定位可以在1秒之内完成。简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息。 精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。全球卫星导航系统(GNSS) 全球导航卫星系统GNSS是一个全球性的位置和时间测定系统，当前GNSS有两大系统： 美国的全球定位系统(GP

18、S) 俄罗斯的全球轨道导航卫星系统 (GLONASS)GNSS的发展：ICAO的GNSS五步体制进程欧洲策略GNSS分两步走国际移动卫星组织(INMARSAT)的四步发展计划我国民航采用GNSS的分阶段目标ICAO的GNSS五步体制进程：1、利用GPS或GLONAS (1995年前)2、利用GPS加GLONAS (1996年开始)3、利用GPS加/或GLONAS加INMARSAT-3静止卫星导航重叠 (1997年开始)4、再加发民间导航卫星 (2000年以后)5、组成民间GNSS星座 (2010年左右)欧洲策略GNSS分两步走：1、欧洲的共同策略 GNSS1和GNSS22、欧洲静止卫星导航重叠

19、服务(EGNOS) 利用静止卫星(GEO)扩展到静止卫星广播区域内的区域增强服务(RAAS)3、远期GNSS国际移动卫星组织(INMARSAT)的四步发展计划：1、INMARSAT静止卫星导航重叠(IGO)计划2、 INMARSATP的中轨道(ICO)通信/导航双用途卫星计划3、国际卫星导航服务(ISNS)我国民航采用GNSS的分阶段目标：1、在航路、终端区和非精密进近作为补充导航手段使用；2、在I类精密进近作为补充导航手段使用；3、在航路、终端和非精密进近作为单一导航使用；4、 I类精密进近作为单一导航手段使用。 在所有飞行阶段都能利用GNSS作为单一导航手段使用的条件下，可以撤销全部陆基导

20、航设施。卫星导航的增强应用空间增强地面增强机载增强卫星导航的地面增强广域增强系统(WAAS) 提供卫星实际星历与广播星历之间的矢量差。本地增强系统(LAAS)实例：中国民航的措施RAIM+GAIM广域增强系统(WAAS)美国联邦航空局(FAA)的WAAS计划日本运输省的WAAS计划澳大利亚民航局的WAAS计划印度的WAAS计划欧洲三联体的RAAS计划 (欧洲联盟EU、欧洲空间局ESA、欧洲安全航行组织EUROCONTROL)本地增强系统(LAAS)伪卫星技术差分技术 差分GPS(一)、差分GPS(DGPS)的工作原理 在地面已知位置设置一个地面站，地面站由一个GPS差分接收机和一个差分发射机组

21、成。差分接收机接收卫星信号，监测GPS误差，并按规定的时间间隔把修正信息发送给用户，用户用修正信息校正自己的测量数据或位置数据(二)差分设备的组成1、地面设备 GPS接收机 数据处理中心 数据传输设备2、机载设备 GPS接收机 校正数据接收机 飞行管理系统(二)实现差分GPS的方法1、位置修正法 用户接收机与基准站接收机必须使用同一星组。2、伪距修正法 应用广泛。海用DGPS系统发展和应用较快： 美国海岸警卫队的DGPS系统(三)、差分GPS修正的误差 DGPS可以完全消除共有误差(包括时钟误差星历误差、电离层附加延时误差和电离层附加延时误差等)，但用户设备的固有误差不能消除。DGPS的主要误

22、差源是噪声和多路径干扰误差。GLONASS的增强应用：广域差分系统(WADS) 15002000KM以内提供510米位置精度区域差分系统(RADS) 500KM内提供310米位置精度本地差分系统(LADS) 40KM内获得0.11米的位置精度组合导航：无线电-惯性导航系统卫星导航-惯导系统1、GPS和INS组合导航的优点： (1)、改善系统精度 (2)、提高了抗干扰能力 (3)、解决了GPS动态应用采样频率低的问题 (4)、降低了对INS的要求 (5)、系统用途更广2、GPS/INS组合方式 (1)、松散组合 (2)、紧密组合 (3)、深度组合美国联邦航空局(FAA)的WAAS计划组成： 两个

23、主控站 上行注入站 24个基准站返回日本运输省的WAAS计划在多功能运输卫星(MTSAT)的基础上，部署一个日本国土和近海的WAAS。组成：两个主控站和上行注入站，56个基准站。在MTSAT上搭载导航转发器实现WAAS电文广播。MTSAT1于1999年发射， MTSAT2将于2004年发射。返回澳大利亚民航局的WAAS计划澳大利亚新西兰大洋洲海域的WAAS。组成：两个主控站和两个导航站，十个基准站。首先利用INMARSAT的印度洋卫星作WAAS电文广播，将来利用澳大利亚自己的AUSAT卫星。返回印度的WAAS计划提出建立八个监测台发展WAAS的两步计划。首先做到能提供完好性监测和提高可用性；1

24、9982000年提高精度到满足I类精密进近着陆用，并和国际联网。返回欧洲三联体的RAAS计划欧洲全球导航重叠系统(EGNOS)计划，它是GNSS1计划的一部分。组成：覆盖欧洲、西亚、非洲大陆，以及大西洋印度洋地区的地面监测和差分台网(RAAS)及静止卫星导航重叠。与美国WAAS计划相似，两者一起形成全球最大的两个WAAS系统。返回思考题：1、GPS的组成？其具体各部分怎样？2、GPS如何工作？3、GPS有何特点？4、GPS的误差表现在哪方面？主要误差有哪些？5、衡量GPS的性能参数有哪些？6、卫星导航的增强手段有哪些？地面增强有哪些？7、何为差分？有哪些方法可以实现？发展：第一阶段：19731

25、979，方案论证、理论研究和总体设计； （GPS的构思来源于1958年的海军导航卫星系统，该系统于1964年建成供美军方使用，1967年投入民用，共6颗极地轨道卫星组成）第二阶段：19791984，全面研制和实验阶段，发射了7颗Block1实验卫星 ；第三阶段：19891993，实用组网阶段。三个阶段共投资300多亿美圆。 返回GPS卫星的发展：BLOCKI：1978年到1985年共发射11颗BLOCKI卫星，轨道倾角63，卫星高度20183KM，设计寿命4.5年；BLOCKII：1989年到1990年共发射9颗，轨道倾角55，卫星储存数据及自治能力两星期；BLOCKIIA： 1990年到1994年共发射15颗，轨道倾角55，卫星高度20230KM，卫星上具有通信能力，并有反