空中领航教学课件：11_2全球导航卫星系统

1、11.2 全球导航卫星系统(GNSS) 一、 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：航路导航终端非精密进近终端精密进近GPS的组成(一)空间GP

2、S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、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个注入站图6.11 地面控制站组框图 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，编辑导航电文，诊断功能，调整卫星。 注入站的作用： 将主控

3、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 1.汽车导航仪 用户可以预先自定义行进路线、路旁标记和航路点，保存预先设定的路线或已走过的路线，以便再次查询。通过查询电子地图，用户能了解某地区的地理环境和交通状况，增加对未来旅途的预测，当发现了一些原地图中没有的道路，可以通过“记录新路”来更新地图。 2.GPS手持机 陆用型： 一般没有内置地图，主要利用航路点记录，选择相应航路点可自动生成路线。空用型： 提供全球空域图和地域图，灵敏度极高，适用于在高速行进的飞机中定位；海用型： 内置全球海图，超大屏幕，提供可固定在船体上的配套支架和天

4、线。GPS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 ，一般12通道接收器不需要外置天线，除非你是在封闭的空间中，如船舱、车厢中。 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。 定位精度： 无SA，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%。 GPS的工作原理空间定位：要实现精确定位，

5、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：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，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

6、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

7、标转换为用户地理坐标GPS计算的参数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。1、测距误差（） 卫星：星历误差、星钟误差 传播：电离层传播延迟、对流层传播延迟 接收机：多路径传播、噪声、软件2、定位误差 图 定位误差xDOP DOP种类：GDOP、PDOP、HDOP、VDOP及TDOP3、水平误差量级（1 ，HDOP2.0) 无SA民用10.2m 有SA民用41.1m 军用6.6m返回差分GPS一、原理二、实现方法 位置差分和伪距差分三、增强系统 本地增强系统LAAS：200Km以内， 广域

8、增强系统WAAS 实例：中国民航的措施RAIM+GAIM四、差分GPS能消除的误差 公共部分：卫星、传播 返回GPS的应用一、独立导航系统二、FMS的传感器返回GNSS概述GNSS的组成：GPS+GLONASS+INMARSAT3等一、 GLONASS 卫星 星座：83配置 载波：L11.6GHz、L21.2GHz二、 GLONASS地面站 一个系统控制中心，一个指令跟踪站三、用户设备 输出：位置、速度、时间四、GPS/GLONASS向GNSS过渡 五个步骤2010年，形成GNSS星座，作为全球单一 导航手段。返回GPS与GLONASS对比GPS与INS的组合一、优点 优势互补：精度 抗干扰能

9、力 GPS动态应用 降低对INS的要求（速度）二、组合的方式 松散组合、紧密组合、深度组合返回返回返回返回大大降低不能降低返回编排飞行计划返回返回返回返回返回北京主控站监测站昆明监测站乌鲁木齐监测站哈尔滨监测站拉萨监测站广州监测站公用电话交换网返回返回返回返回(三)GPS误差的种类 1、时钟误差 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

10、供连续、适时的三维空间坐标、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。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

11、时报警的能力。 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。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L2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 B

12、LOCK 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2003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20

13、08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 。 全球卫星导航系统(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；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Glonass-M系统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） 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

14、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

15、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

16、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。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

17、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(

18、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航设施。美国联邦航空局(FAA)的WAAS计划组成： 两个主控站 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