无线定位系统原理与应用课件

无线定位系统

原理与应用主要内容GPS（GlobalPositioningSystem）GLONASS（GLObal

NAvigationSatelliteSystem）Galileo

北斗双星导航定位系统GSM移动定位系统2GPS概述全球卫星定位系统（简称GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20余年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科，取得了好的经济效益和社会效益。

3GPS定位原理图3GPS定位原理S1S2S3S4D1D2D3PD45GPS定位系统的组成GPS定位系统是由三个部分组成：（1）GPS卫星星座（空间部分）（2）地面监控系统（地面控制部分）（3）GPS信号接收机（用户设备部分）。6GPS卫星星座组成共24颗卫星，其中3颗备用分布在6个轨道面上图1—GPS卫星星座7铯原子钟微处理器2块7m2的太阳能翼板无线电收发两用机导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）姿态控制和太阳能板指向系统GPS卫星9卫星配有4台频率相当稳定的原子钟（2台铯钟，2台铷钟），产生频率为10.23MHz的基准钟频信号。分别转化为GPS卫星三种信号分量：载波、测距码和数据码。基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600GPS卫星信号

10GPS卫星所采用的两种测距码，即粗测距(C/A)码和精测距（P码或Y码），均属于伪随机码。GPS卫星信号的测距码11C/A码的生成13P码P码是卫星的精测码，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，267天重复一次。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，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/A码的1/10，故P码称为精码。根据美国国防部规定，P码是专为军用的。14GPS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、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C/A码捕获P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。GPS卫星导航电文15

导航电文的结构TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWHOW数据块—2星历表TLWHOW数据块—2星历表继续TLWHOW数据块—3卫星历书等TLWHOW数据块—3卫星历书等子帧1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧3子帧4子帧5子帧217导航电文内容1、遥测码（TLW—TelemetryWORD）位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。遥测码的第1～8比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第9～22比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息。第23和第24比特是连接码；第25～30比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。18导航电文内容2、转换码（HOW—HandOverWord）

紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时只能星期六24时，P码字码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获到P码。19导航电文内容4、第二数据块

第二数据块包括第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类：

a、开普勒六参数。b、轨道摄动九参数。C、时间二参数21导航电文内容5、第三数据块

第三数据块包括第4和第5子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。221接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。2利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。3通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4向用户发送定位信息。5在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。GPS卫星的基本功能23控制站的分布夏威夷卡瓦加兰狄哥

伽西亚阿松森岛科罗拉多25GPS地面监控部分1、监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。对可见GPS卫星每6分钟进行一次伪距测量和多普勒积分观测、采集气象要素等数据，每15分钟平滑一次观测数据，由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。26接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数据处理机L1L2S波段GPS卫星GPS卫星地面监控系统流程图29GPS接收机组成GPS接收机的主要结构组成：•天线（带前置放大器）•信号处理器：用于信号识别与处理•微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算•用户信息传输：包括操作板、显示板等•精密震荡器：产生标准频率•电源30GPS接收机的结构如图所示天线前置放大器信号处理器微处理器导航计算机震荡器用户信息传输数据存储器外部传输电源31GPS接收机类型（1）按工作原理划分：•码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。•平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机。•混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。32GPS接收机类型（2）根据接收机信号通道类型划分：•多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。•序贯通道接收机：只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大于20ms），对卫星信号的跟踪是不连续的。•多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较短（小于20ms），可保持对卫星信号的连续跟踪。33GPS接收机类型（3）根据所接收的卫星信号频率划分：•单频接收机（L1）：只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20km的短基线精密定位。•双频接收机（L1+L2）：同时接受L1、L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。这种分法较为常见。34GPS接收机类型（4）按接收机用途划分：•导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。•测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。•授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。35GPS接收机天线天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。36GPS接收机天线基本类型37GPS接收机DSNPLEICAGARMIN

TRIMBLEASHTECHJAVAD38SPS与PPSSPS–标准定位服务，使用C/A码，民用PPS–精密定位服务，可使用P码，军用SA（已于2000年5月1日取消）SelectiveAvailability–选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。方法ε技术：轨道加扰（长周期，慢变化）δ技术：星钟加扰（高频抖动，短周期，快变化）AS–Anti-Spoofing反电子欺骗–P码加密，P+W->Y美国政府的GPS政策39GLONASS类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为8颗。40Galileo背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场

GLONASS、GPS均由军方控制欧盟：要建立国际民间控制的、欧盟自己的民用导航系统特点：可共享的、独立于GPS的、适于海陆空的导航系统阶段：1999年，欧洲提出了建立“伽利略”导航卫星系统的计划。

（一）2000年前，可行性评估或定义（二）2001~2005，开发和检测（三）2006~2007，部署（四）2008，商业运行41GPS、GLONASS和Galileo系统参数比较参数GPSGLONASSGalileo在轨卫星数24+324+330+3轨道平面数6（间隔60°）3（间隔120°）3（间隔120°）轨道倾角55°64.8°56°轨道高度20200km19100km23616km轨道周期11h58min11h16min14h04min星历数据表示方法卫星轨道的开普勒参数卫星在地心坐标系统运动的9个参数——卫星寿命3~5年7~8年15~20年卫星信号分隔法码分（CDMA）频分（FDMA）码分（CDMA）载波L11575.42MHz1602.5625~1615.5MHz1561.098~1589.742MHz载波L21227.60MHz1246.4375~1256.5MHz1202.025~1278.750MHz参考系WGS-84PZ-90GTRF时间系统UTC(USNO)UTC（SU）GST42欧盟为何重视伽利略计划打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。

权威部门预计：伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元伽利略计划将为欧盟创造１５万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有１００亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就可在２００８年至２０２０年将获得１５０亿欧元收入欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务。

43Galileo系统的结构和组成

未来的Galileo系统是一个独立的，又与GPS兼容的全球导航系统，要求系统结构应尽量满足以下几个条件：1）适应用户及市场需要；2）开发和运行成本最小；3）系统本身固有风险最小；4）与其它系统（主要是GPS）具有互操作性。基于以上考虑，Galileo系统主要由4部分组成：1）全球设施部分；2）区域设施部分；3）当地设施部分；4）用户接收机及终端。

44Galileo系统的结构和组成1、全球设施部分控制中心GCC：坐落在欧洲的两个Galileo控制中心是系统地面监控的核心，其主要功能是控制星座、保证卫星原子钟的同步、完好性信号的处理、监控卫星及由他们提供的服务、数据处理；上行链路站GVS：分布于全球的上行链路站主要是用来传输往返于卫星的数据，每个上行链路站GVS包含一个进行卫星管理的TT&C站和一个任务上行站MVS。TT&C上行链路通过S波段发射，MVS通过C波段发射；监测站GSS网络：分布在全球范围的GSS网络接收卫星导航信息SIS，并且检测卫星导航信号的质量，以及气象和其他所要求的环境信息。这些站将收到的信息通过通信网GCN中继传输给控制中心GCC；全球通信网络GCN：利用地面和VSAT卫星链路，把所有地面站和地面设施连接起来。45

2、区域设施部分区域部分是Galileo系统有机的组成部分，主要由对系统完好性实施监测的监测站IMS网络和数个进行完好性数据可以直接由该区的地面站上传至对应的Galileo卫星；另外，该部分还可以通过地球同步卫星为GPS和GLONASS系统提供相应的差分信息。Galileo系统的结构和组成46

3、当地设施部分根据当地的特殊需要提供特别的精确性和完好性信息，以及当地差分信息。当地设施部分主要包括：1）提供本地差分修正信号的本地精确导航设备，用户可用这些信号修正星历和种差，以及补偿对流层、电离层延迟误差；2）提供本地差分信号的本地高精度导航设备，使用户可利用载波模糊度解修正每颗卫星的有效距离，用于修正星历和种差、补偿对流层、电离层延迟误差；3）使用单项或双向通讯方式来协助用户确定在复杂环境下位置的本地辅助设备；4）提供本地辅助的“伪卫星”的本地增强可用性导航设备。Galileo系统的结构和组成47

4、用户接收及终端Galileo用户接收机及终端，其基本功能是在用户段实现Galileo系统所提供的各种卫星无线导航服务，包括直接接收Galileo的SIS信号；拥有与区域和当地设施部分提供服务的接口；与其他定位导航系统（如GPS）及通讯系统互操作等功能。Galileo系统的结构和组成48Galileo系统的信号

2002年9月，STF（Galileo信号特别工作组）公布了新的频率结构和信号设计方案。低L波段：1164-1215MHz上的E5a、E5b信号，该频段的信号包含了与公共免费以及生命安全服务有关的导航信号；中L波段：1260-1300MHz上的E6信号，包含的是公共授权和商业加密导航信号；高L波段：1559-1591MHz的E2-L1-E1的信号，主要包含公共授权、有关生命安全的导航服务信号；L6频段：1544-1544.2MHz是搜寻救援服务信号的下行频段。49Galileo导航系统的优越性从系统概念设计开始就非常注意系统的完备性、最大限度地保证系统的可用性，并及时地制定用户提供系统的完备性信息，使用户在使用过程中能够及时了解系统的状态和性能；Galileo系统实现了全球完好性监控，当系统信号出现问题时，系统将向用户提供及时的警告，有效地保证了整个系统的导航性能；Galileo在信号无线电频谱的选取上采取一定的技术手段，并进行了特殊处理，以提高信号的抗干扰性。50

Galileo系统的数据率更高、波段更宽、具有更出色的电离层建模技术；Galileo将提供更加完善的导航定位服务以及更高的定位精度，可为地面用户提供误差不超过1m的定位服务，定位精度按免费信号、加密且需交费信号、极密切需特许润可的信号依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使使用免费信号定位精度也达6m。Galileo的另外一个特点是在系统设计和整个建设过程中充分考虑系统与GPS系统的兼容性以及信息的共享性，能够与各卫星导航系统协同工作。Galileo导航系统的优越性51北斗双星导航定位系统双星导航定位系统的组成:

卫星星座：由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）。轨道倾角i=0°；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km。地面系统：一个中心站，负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。52双星导航定位系统的技术特点：服务区域：70°-145°E；5°-55°N用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。定位精度：平面精度±20m；垂直精度±10m北斗双星导航定位系统53卫星1☆星下点1星下点2☆

定位圆1定位圆2地面中心站卫星2图5——北斗一号定位原理北斗双星导航定位系统54北斗双星导航定位系统

地面中心站通过2颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程——进而让卫星转告用户。55定位系统功能：快速定位、实施导航、简短通信、精密授时。系统优缺点：

双星导航定位系统的最大优点是系统简单投资少，而最大缺点是他只能实施局域定位，接收发射机功率大且笨重还会暴露用户目标，在战时这是兵家最忌讳的事情。北斗双星导航定位系统56GSM移动定位系统

LBS（LocationBasedService）