lesson2 第一章 卫星导航定位技术概述(2)

1、卫星导航定位理论与方法卫星导航定位理论与方法授课教师：王 菊北京理工大学雷达技术研究所 王 菊第一章第一章 卫星导航定位技术概述卫星导航定位技术概述本节主要内容本节主要内容: : p GPSGPS系统介绍系统介绍p GLONASSGLONASS系统介绍系统介绍p GALILEOGALILEO系统介绍系统介绍北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统GPS系统系统p GPSGPS是美国的是美国的NAVSTAR GPS NAVSTAR GPS 系统，即系统，即NAVigation NAVigation Satellite Timing and Ranging / Global Positi

2、oning SystemSatellite Timing and Ranging / Global Positioning System的缩写，意为利用卫星导航进行测时和测距，以构成的缩写，意为利用卫星导航进行测时和测距，以构成全球卫星定位系统。全球卫星定位系统。p 它是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和它是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统GPS系统系统p自自19731973年美国军方开始年美国军方开始GPSGPS的研究工作到的研究工作到1

3、9931993年系统建成，工程历时年系统建成，工程历时2020年，耗资年，耗资300300亿美元，亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。第三项庞大空间计划。p它从根本上解决了导航和定位问题，在军事和它从根本上解决了导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用。工农业等领域得到了广泛的应用。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统GPS系统系统o GPSGPS由三个独立的部分组成：由三个独立的部分组成：n空间部分：空间部分：2121颗工作卫星，颗工作卫星，3 3颗备用卫星。颗备用卫星。 24 24 颗卫星分布

4、在颗卫星分布在6 6个倾角为个倾角为5555的轨道上绕地球运行，高度约为的轨道上绕地球运行，高度约为20200km20200km。卫星。卫星的运行周期约为的运行周期约为12 12 恒星时，每颗恒星时，每颗GPS GPS 工作卫星都发出用于导工作卫星都发出用于导航定位的信号，航定位的信号，GPS GPS 用户利用这些信号来进行工作。目前可用用户利用这些信号来进行工作。目前可用的卫星通常有的卫星通常有2828颗。颗。n地面控制系统：地面控制系统：1 1个主控站，个主控站，3 3个注入站，个注入站，5 5个监测站。个监测站。n 用户设备部分：接收用户设备部分：接收GPSGPS卫星发射信号，以获得必要

5、的导航和卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPSGPS接收机硬接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。件一般由主机、天线和电源组成。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统GPS系统系统-空间部分空间部分北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统GPS系统系统-地面控制系统地面控制系统o 主控站位于美国克罗拉多（主控站位于美国克罗拉多（Colorado Colorado ）的法尔孔）的法尔孔Falcon Falcon 空军基地。空军基地。o 其作用是根据各监控站对

6、其作用是根据各监控站对GPS GPS 的观测数据，计算出卫的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去。同时它还对卫星进行控制，注入站注入到卫星中去。同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星。星替代失效的工作卫星。o 主控站也具有监控站的功能。主控站也具有监控站的功能。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统GPS系统系统-地面控制系统地面控制系统o 五个监控站。除了主控站外其它四个分别位于五个监控站。

7、除了主控站外其它四个分别位于夏威夏威夷夷(Hawaii)(Hawaii)、 阿松森群岛阿松森群岛(Ascencion)(Ascencion)、 迭哥伽西亚迭哥伽西亚(Diego Garcia)(Diego Garcia)、 卡瓦加兰卡瓦加兰(Kwajalein)(Kwajalein)。 其作用是接收其作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。卫星信号、监测卫星的工作状态。o 三个注入站。分别位于三个注入站。分别位于阿松森群岛阿松森群岛、 迭哥伽西亚迭哥伽西亚、卡瓦加兰卡瓦加兰。 其作用是将主控站计算出的卫星星历和其作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。卫星钟的改正数等注

8、入到卫星中去。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统GPS系统系统-用户部分用户部分o GPS GPS 的用户部分由的用户部分由GPS GPS 接收机、数据处理软件及相接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机等组成。应的用户设备如计算机等组成。o 作用是接收作用是接收GPS GPS 卫星所发出的信号，利用这些信号卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。进行导航定位等工作。o GPSGPS接收机分类接收机分类n导航型导航型n测量型测量型n授时型授时型n单频单频 L1L1n双频双频 L1 L2L1 L2北京理工大学雷达技术研究所 王 菊G

9、NSS系统系统 GPS GPS系统发展历程系统发展历程GPSGPS实施计划共分三个阶段：实施计划共分三个阶段：o 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从19731973年到年到19791979年，共发射了年，共发射了4 4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。地面跟踪网。o 第二阶段为全面研制和试验阶段。从第二阶段为全面研制和试验阶段。从19791979年到年到19841984年，年，又陆续发射了又陆续发射了7 7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，实验表明，GPSGPS定位精

10、度远远超过设计标准。定位精度远远超过设计标准。o 第三阶段为实用组网阶段。第三阶段为实用组网阶段。19891989年年2 2月月4 4日第一颗日第一颗GPSGPS工工作卫星发射成功，表明作卫星发射成功，表明GPSGPS系统进入工程建设阶段。系统进入工程建设阶段。19931993年底年底GPSGPS网即（网即（21+321+3）GPSGPS星座建成，之后根据计星座建成，之后根据计划更换失效的卫星。划更换失效的卫星。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS GPS系统发展历程系统发展历程o 目前，二十多颗目前，二十多颗GPSGPS卫星覆盖全球，每颗卫星均在卫星覆盖全球，每颗卫星均

11、在不间断地向地球播发卫星信号。不间断地向地球播发卫星信号。o 在地球上任何一点，均可连续地同步观测至少在地球上任何一点，均可连续地同步观测至少4 4颗颗( (最多最多1111颗颗)GPS)GPS卫星，从而保障了全球、全天候的连卫星，从而保障了全球、全天候的连续地三维定位。续地三维定位。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS GPS的现代化的现代化 o 19991999年美国政府提出年美国政府提出GPSGPS现代化计划，目标有两个：现代化计划，目标有两个：n 一是加强一是加强GPSGPS对美军现代化战争的保证作用；对美军现代化战争的保证作用；n 二是保持二是保持GPSGPS在

12、全球军用民用领域的主导地位。在全球军用民用领域的主导地位。o GPS GPS 现代化进程大体分为三个阶段。现代化进程大体分为三个阶段。n 第一阶段计划发射第一阶段计划发射12 12 颗改进型的颗改进型的GPS BLOCKR GPS BLOCKR 型卫星。型卫星。u 发射功率增加；发射功率增加；u 在在L2L2频点上也能发射频点上也能发射C C码；码；u 在在L1L1和和L2L2上发射上发射P(Y)P(Y)码的同时，还加载新的军码（码的同时，还加载新的军码（MM码，具有码，具有更强的抗干扰能力）。更强的抗干扰能力）。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS GPS的现代化的现代

13、化 n第二阶段计划发射第二阶段计划发射6 6 颗颗GPS BLOCKF GPS BLOCKF 型卫星型卫星u 增加发射增加发射MM码的功率；码的功率；u 增加增加L5L5频点民用信号的发射（主要用于民用航空领域）；频点民用信号的发射（主要用于民用航空领域）； u 2010 2010 年年GPS GPS 星座中至少有星座中至少有18 18 颗颗GPS F GPS F 型卫星以保证型卫星以保证MM码的全球覆盖；码的全球覆盖；计划到计划到2020 2020 年星座应全部以年星座应全部以GPS F GPS F 卫星运行，在轨卫星运行，在轨GPS F GPS F 卫星至少卫星至少24 + 324 + 3

14、颗。颗。n第三阶段发射第三阶段发射GPS BLOCKGPS BLOCK型卫星型卫星u 具有交叉互联的指挥和控制结构可通过一个地面站对全部卫星进行数具有交叉互联的指挥和控制结构可通过一个地面站对全部卫星进行数据更新，不必等到每个卫星出现在地面天线的视野内再更新，从而降据更新，不必等到每个卫星出现在地面天线的视野内再更新，从而降低低GPSGPS信号的易损性；信号的易损性；u 在在2010 2010 年发射年发射GPS GPS 的第一颗试验卫星，计划用近的第一颗试验卫星，计划用近20 20 年时间完成年时间完成GPS GPS 彻底取代目前的彻底取代目前的GPS GPS 。北京理工大学雷达技术研究所

15、王 菊GNSS系统系统 GPS GPS的现代化的现代化北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS GPS的现代化的现代化北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GPSGPS民用信号的发展趋势民用信号的发展趋势o 第一代第一代 C/Ao 第二代第二代 C/A + L2Co 第三代第三代 C/A + L2C + L5o 第四代第四代 L2C + L5 + L1C北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GPSGPS民用信号图示：民用信号图示：第一代民用信号第一代民用信号o 利用利用Block II/IIA/IIRBlock II/IIA/IIR卫星发射，是在卫星发射，是在L1L1载波载波上发射的

16、单频上发射的单频C/AC/A码码o 利用利用Block IIR-MBlock IIR-M卫星发射，它不仅包含了第一代卫星发射，它不仅包含了第一代民用信号，而且还在民用信号，而且还在L2L2载波上增加了载波上增加了L2C L2C 信号信号 第二代民用信号第二代民用信号o 利用利用Block IIFBlock IIF卫星发射，它在第二代民用信号的卫星发射，它在第二代民用信号的基础上，增加了基础上，增加了L5L5载波，用于发射载波，用于发射L5L5民用信号民用信号第三代民用信号第三代民用信号北京理工大学雷达技术研究所 王 菊第四代民用信号第四代民用信号-L1C-L1Co利用利用Block IIIBl

17、ock III卫星发射，在第三代民用信号的基础上，对卫星发射，在第三代民用信号的基础上，对L1L1载波中的民载波中的民用信号进行了改进，用新的用信号进行了改进，用新的L1CL1C代替了代替了L1L1上原有的民用信号上原有的民用信号o信息和载波的频谱分离，使得跟踪门限减低，并且避免了半周相位模糊信息和载波的频谱分离，使得跟踪门限减低，并且避免了半周相位模糊度度()()；o采用前向纠错编码，改善了信息解调的难度；采用前向纠错编码，改善了信息解调的难度；o加长了随机序列码的码长加长了随机序列码的码长, ,减少了窄带干扰和邻星干扰减少了窄带干扰和邻星干扰, ,解决了信息时间解决了信息时间模糊的问题模糊

18、的问题( (不需要加入同步码不需要加入同步码) )；o采用了新的信号结构（采用了新的信号结构（CNAV-2CNAV-2），可以实现快速的信号的捕获，能够），可以实现快速的信号的捕获，能够在很低的跟踪门限下实现信号的解调；在很低的跟踪门限下实现信号的解调；o降低了瞬时障碍引起的短时信号隐蔽的影响；降低了瞬时障碍引起的短时信号隐蔽的影响；o电文信息和导频信息的长度一致，可以保证用户接收到的所有信号功率电文信息和导频信息的长度一致，可以保证用户接收到的所有信号功率都是有效的都是有效的( (和和L5L5的信号一样的信号一样) )；o波形采用波形采用BOC(1 ,1)BOC(1 ,1)。北京理工大学雷达

19、技术研究所 王 菊GNSS系统系统GPS星座星座北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS GPS系统的特点系统的特点1、全球，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维全球，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。2 2、定位精度高：单机定位精度优于、定位精度高：单机定位精度优于1010米，采用差分定位，米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。精度可达厘米级和毫米级。3 3、功能多，应用广：随着人们对、功能多，应用广：随着人们对GPSGPS认识的加深，认识的加深，GPSGPS不不仅在测量，导航

20、，测速，测时等方面得到更广泛的应仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。用，而且其应用领域不断扩大。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS GPS定位误差定位误差o 在在GPSGPS定位过程中，存在三部分误差。定位过程中，存在三部分误差。n 一部分是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星一部分是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；n 第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；播延迟误差；n

21、 第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。声、通道延迟、多径效应等。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS GPS定位误差定位误差o 利用差分技术第一部分误差可完全消除；利用差分技术第一部分误差可完全消除；o 第二部分误差大部分可以消除；第二部分误差大部分可以消除；o 第三部分误差则无法消除，只能靠提高第三部分误差则无法消除，只能靠提高GPSGPS接收接收机本身的技术指标机本身的技术指标 。载波相位和差分定位技术。载波相位和差分定位技术的应用使测量定位精度可以达到毫米级精度。的应用使测量定位精度可

22、以达到毫米级精度。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统差分差分GPSGPS定位技术定位技术o 差分技术很早就被人们所应用，目的在于消除公共项，差分技术很早就被人们所应用，目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。包括公共误差和公共参数。o 差分差分GPSGPS技术：使用一台技术：使用一台GPSGPS基准接收机和一台用户接收基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源去公共的误差源电离层和对流层效应，并能将卫星钟电离层和对流层效应，并能将卫星钟误差和星历误差消除。误差和星历误差消除。北京理工

23、大学雷达技术研究所 王 菊北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS GPS导航电文格式导航电文格式ocontinuous stream of data transmitted at 50 bits per second 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS导航电文内容o星上时间和同步信号星上时间和同步信号satellite time and synchronization signalso精确的轨道数据精确的轨道数据(星历星历)precise orbital data (ephemeris)o时间修正信息时间修正信息time correction inf

24、ormation to determine the correct exact satellite timeo全部卫星历书全部卫星历书approximate orbital data for all satellites (almanac)o计算信号传输时间的修正信号计算信号传输时间的修正信号correction signals to calculate signal transit timeo电离层数据电离层数据data of the ionosphereo卫星健康状态卫星健康状态information about satellite s health北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNS

25、S系统系统 GPS系统服务系统服务o 标准定位服务（标准定位服务（SPSSPS）和精密定位服务（）和精密定位服务（PPSPPS）北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GPS系统系统SA政策政策o 选择可用（选择可用（Selective AvailabilitySelective Availability，SASA）政策对）政策对SPSSPS服服务实施干扰务实施干扰o 技术技术n加入高频抖动使加入高频抖动使C/AC/A码波长不稳定。码波长不稳定。n将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度。将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度。o SASA政策政策199119

26、91年年7 7月月1 1日实施，因影响美国商业利益，日实施，因影响美国商业利益，于于20002000年年5 5月月2 2日取消。日取消。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSSGNSS系统系统 GPS GPS系统系统SASA政策政策北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSSGNSS系统系统 GPS GPS系统系统ASAS技术技术o 反电子欺骗技术（反电子欺骗技术（Anti-spoofingAnti-spoofing，A-SA-S）n尽管尽管P P码的码长是一个非常惊人的天文数字（码长为码的码长是一个非常惊人的天文数字（码长为2.352.351014bit1014bit），但美国军方还是担心一

27、旦），但美国军方还是担心一旦P P码被破译，在码被破译，在战时敌方会利用战时敌方会利用P P码调制一个错误的导航信息，诱骗特许用码调制一个错误的导航信息，诱骗特许用户的户的GPSGPS接收机错误锁定信号，从而错误导航。接收机错误锁定信号，从而错误导航。n为了防止这种电子欺骗，美国军方引入机密码（为了防止这种电子欺骗，美国军方引入机密码（WW码），并码），并通过通过P P码与码与WW码的模二相加转换为码的模二相加转换为Y Y码，即对码，即对P P码实施加密保码实施加密保护：护：北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统GLONASS系统系统 o GLONASSGLONASS是是GLOba

28、l NAvigation Satellite System(GLObal NAvigation Satellite System(全球导航全球导航卫星系统卫星系统) )的字头缩写，是继的字头缩写，是继GPSGPS之后又一个全天候、高之后又一个全天候、高精度的卫星导航定位系统。精度的卫星导航定位系统。o GLONASS GLONASS 在工作原理、系统组成和服务内容上和在工作原理、系统组成和服务内容上和GPS GPS 十分相似。是前苏联从十分相似。是前苏联从8080年代初开始建设的卫星定位系年代初开始建设的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分统，也由卫星星座、地面监测控制站

29、和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。组成。现在由俄罗斯空间局管理。o 俄罗斯从俄罗斯从2001 2001 年起开始逐渐改善和提高该系统，决定启年起开始逐渐改善和提高该系统，决定启动动GLONASS GLONASS 的现代化的现代化 。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GLONASS系统系统o 整体结构类似于整体结构类似于GPSGPS系统，其主要不同之处在于系统，其主要不同之处在于星座星座设计设计、信号载波频率信号载波频率和和卫星识别方法卫星识别方法的设计不同。的设计不同。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GLONASS系统系统o 空间星座部分空间星

30、座部分n 24颗工作星颗工作星+备份星备份星n 均匀分布在均匀分布在3个近圆形个近圆形轨道面上，轨道倾角轨道面上，轨道倾角64.8n 每个轨道面每个轨道面8颗卫星颗卫星n 轨道高度轨道高度19390kmn 运行周期运行周期11h15min44sec北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GLONASS系统系统 o 与美国的与美国的GPSGPS系统不同的是系统不同的是GLONASSGLONASS系统采用频分多址系统采用频分多址(FDMA)(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPSGPS是码是码分多址（分多址（CDMACDMA），根据调制码来

31、区分卫星）。），根据调制码来区分卫星）。n 每颗每颗GLONASSGLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1602+0.5625k(MHz) L1=1602+0.5625k(MHz) 和和 L2=1246+0.4375k(MHz)L2=1246+0.4375k(MHz)，其中其中k=1k=12424为每颗卫星的频率编号。为每颗卫星的频率编号。n 而所有而所有GPSGPS卫星的载波的频率相同，均为卫星的载波的频率相同，均为L1=1575.42MHzL1=1575.42MHz L2=1227.6MHzL2=1227.6MHz。北京理工大学雷达技术研究所 王

32、菊GNSS系统系统 GLONASS系统系统 o GLONASSGLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：码：S S码和码和P P码。码。o GLONASSGLONASS系统从理论上有系统从理论上有2424颗卫星，但由于卫星颗卫星，但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题，一直未布齐。使用寿命和资金紧张等问题，一直未布齐。 o GLONASSGLONASS系统单点定位精度水平方向为系统单点定位精度水平方向为16m16m，垂直，垂直方向为方向为25m25m。北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统 GLONASS系统系统GLONASS系统实施计划系统

33、实施计划北京理工大学雷达技术研究所 王 菊北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统伽俐略系统伽俐略系统o 伽利略系统的最终目标是建立一个独立的、性能优于伽利略系统的最终目标是建立一个独立的、性能优于GPSGPS并与并与GPSGPS、GLONASSGLONASS具有兼容性的民用全球卫星具有兼容性的民用全球卫星导航定位系统。导航定位系统。o 欧洲建立伽利略系统是其在导航定位方面实现独立自欧洲建立伽利略系统是其在导航定位方面实现独立自主不可缺少的一环，该系统的建立不仅可以推动欧洲主不可缺少的一环，该系统的建立不仅可以推动欧洲经济的发展，还会使欧洲在政治和战略上取得有利地经济的发展，还会使欧

34、洲在政治和战略上取得有利地位。位。o 伽利略系统还能够和伽利略系统还能够和GPSGPS、GLONASS GLONASS 相互合作和竞相互合作和竞争，会使用户得到更稳定的信号和更优质的服务。争，会使用户得到更稳定的信号和更优质的服务。 北京理工大学雷达技术研究所 王 菊GNSS系统系统伽俐略系统伽俐略系统o系统组成：系统组成：n卫星星座：由卫星星座：由3 3个独立的圆形轨道，个独立的圆形轨道，3030颗颗GNSSGNSS卫星组成（卫星组成（2727颗颗工作卫星，工作卫星，3 3颗备用卫星）颗备用卫星） 。o 卫星的轨道倾角卫星的轨道倾角i =56i =56；o 卫星的公转周期卫星的公转周期T=14h23m14ST=14h23m14S恒星时；恒星时；o 轨道高度轨道高度H=23616km H=23616km 。n地面系统：在欧