2.GPS定位原理-緒論-概述---緒論補(bǔ)充-孫希延

1、GPS系統(tǒng)原理與應(yīng)用系統(tǒng)原理與應(yīng)用 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)引起人們關(guān)注是從衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)引起人們關(guān)注是從1991年海灣戰(zhàn)爭后開年海灣戰(zhàn)爭后開始的，美國在海灣戰(zhàn)爭中的一個(gè)始的，美國在海灣戰(zhàn)爭中的一個(gè)“撒手锏撒手锏”就是就是GPS。隨著隨著GPS向民用開放，它所蘊(yùn)藏的巨大商機(jī)被發(fā)掘出向民用開放，它所蘊(yùn)藏的巨大商機(jī)被發(fā)掘出來。成為繼來。成為繼通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的IT第三個(gè)新的增長點(diǎn)第三個(gè)新的增長點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是國家綜合國力的重要組成部分衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是國家綜合國力的重要組成部分。正因。正因?yàn)檫@樣，美國、俄羅斯、歐盟都不惜投入巨資建設(shè)衛(wèi)為這樣，美國、俄羅斯、歐盟都不惜投入巨資建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。星導(dǎo)

2、航系統(tǒng)。中國的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用近年來發(fā)展迅速，但是絕大中國的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用近年來發(fā)展迅速，但是絕大多數(shù)應(yīng)用都是建立在美國的多數(shù)應(yīng)用都是建立在美國的GPS之上。如果一旦發(fā)生之上。如果一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，美國關(guān)閉我們的應(yīng)用，后果不堪設(shè)想。作為中戰(zhàn)爭，美國關(guān)閉我們的應(yīng)用，后果不堪設(shè)想。作為中國這樣的大國，必須有自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國這樣的大國，必須有自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1.4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) “雙星定位雙星定位”原理的提出：原理的提出： v作為一個(gè)大國，我國同樣也有高精度定位的要求，但是我國底子薄經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力不足，早期很難投入很多資金建設(shè)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。1983年我國陳方允院士和美國普林斯頓大學(xué)Gerard

3、K.Oneil博士同時(shí)提出了“雙星定位”原理。與GPS系統(tǒng)相比，基于雙星定位的導(dǎo)航系統(tǒng)可以2顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航能力，所需衛(wèi)星數(shù)量比GPS少得多，雖然在性能上無法和GPS星座相比，但對(duì)于無力進(jìn)行巨額投資的我國卻是不錯(cuò)的選擇。一一 北斗一號(hào)北斗一號(hào)v雙星快速定位系統(tǒng) ，v突出持點(diǎn)是構(gòu)成系統(tǒng)的空間衛(wèi)星數(shù)目少、用戶終端設(shè)備簡單、一切復(fù)雜性均集中于地面中心處理站。v工作原理：由兩顆地球靜止衛(wèi)星(800E和1400E)、一顆在軌備份衛(wèi)星(110.50E)、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機(jī)等部分組成。v定位精度為水平精度定位精度為水平精度100米米(1)，設(shè)立標(biāo)校站之后為，設(shè)立標(biāo)校站之后為20米米(類似差分狀

4、態(tài)類似差分狀態(tài))。工作頻率：。工作頻率：2491.75MHz。系統(tǒng)能。系統(tǒng)能容納的最大用戶數(shù)為每小時(shí)容納的最大用戶數(shù)為每小時(shí)540000戶。戶。v標(biāo)志著我國成為繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和前蘇聯(lián)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)后，在世界上第三個(gè)建立了完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。 北斗一代定位需要終端主動(dòng)發(fā)出定位信號(hào) “北斗一號(hào)” 與GPS系統(tǒng)比較 區(qū)別區(qū)別北斗一號(hào)北斗一號(hào)GPS覆蓋范圍我國本土的區(qū)域：東經(jīng)約70一140，北緯5一55 全球 衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性 赤道平面上設(shè)置2顆同步星，衛(wèi)星的赤道角距約60 6個(gè)軌道平面上設(shè)置24顆衛(wèi)星 ，赤道傾角55 定位原理主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航 被

5、動(dòng)式偽碼單向測(cè)距三維導(dǎo)航。 定位精度三維定位精度約幾十米，授時(shí)精度約100ns。 P碼定位精度為6m ，C/A碼 為12m，授時(shí)精度日前約20ns 用戶容量用戶設(shè)備容量是有限的 用戶設(shè)備容量是無限的生存能力 完全依賴于中心控制系統(tǒng)發(fā)展星際橫向數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，即使中心控制中心被毀，也可以獨(dú)立運(yùn)行 實(shí)時(shí)性對(duì)于告訴運(yùn)動(dòng)體，加大了定位誤差單向測(cè)距，定位誤差較小 北斗一代的缺陷北斗一代的缺陷 1、覆蓋范圍也不過是初步具備了我國周邊地區(qū)的定位能力，與GPS的全球定位相差甚遠(yuǎn)。2、定位精度低，定位精度最高20米，而GPS可以到10米以內(nèi)。3、由于采用衛(wèi)星無線電測(cè)定體制(RDSS)，用戶終端機(jī)工作時(shí)要發(fā)送無線電信

6、號(hào)，會(huì)被敵方無線電偵測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，不適合軍用。4、無法在高速移動(dòng)平臺(tái)上使用，這限制了它在航空和陸地運(yùn)輸上的應(yīng)用。 當(dāng)然，北斗一代也有些GPS所沒有的優(yōu)點(diǎn)。例如，具備簡短的報(bào)文通信功能，具備雙向數(shù)字報(bào)文通信能力，單次最多傳單次最多傳送送60個(gè)漢字的信息個(gè)漢字的信息。此外北斗一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)從原理上說，多路徑效應(yīng)存在都不影響定位精度，受地貌影響不明顯等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)有GPS林下無信號(hào)的尷尬。但是由于導(dǎo)航系統(tǒng)基本由于導(dǎo)航系統(tǒng)基本的定位授時(shí)性能上的差距，北斗一代作為導(dǎo)航定位系統(tǒng)是無的定位授時(shí)性能上的差距，北斗一代作為導(dǎo)航定位系統(tǒng)是無法與法與GPS在市場(chǎng)上競爭的。在市場(chǎng)上競爭的。 解放軍裝備了一部分北斗手持機(jī)

7、(上圖)，相比連手機(jī)都可接收信號(hào)的GPS(下圖)，兩方差距甚大。2007年年2月月3日，北斗一代第四顆衛(wèi)星發(fā)射成功，不過此時(shí)，日，北斗一代第四顆衛(wèi)星發(fā)射成功，不過此時(shí)，北斗一代已經(jīng)改名為北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，原來的北斗二代北斗一代已經(jīng)改名為北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，原來的北斗二代則稱為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，英文名為則稱為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，英文名為Compass 。第四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星不僅作為早期三顆衛(wèi)星的備份，同時(shí)還將進(jìn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)。以北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我國開始逐步實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，首先滿足中國及其周邊地區(qū)的導(dǎo)航定位需求，并進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)和測(cè)試，逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星

8、導(dǎo)航定位系統(tǒng)。二二 第二代北斗定位系統(tǒng)第二代北斗定位系統(tǒng)北斗二代需要的衛(wèi)星數(shù)量足足要比GPS多出11顆。北斗二代需要發(fā)射北斗二代需要發(fā)射35顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星 按照規(guī)劃，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將有5顆靜止軌顆靜止軌道衛(wèi)星和道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，采用東方紅顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，采用東方紅3號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)。號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)。30顆非靜止軌道衛(wèi)星又細(xì)分為27顆中軌道(MEO)衛(wèi)星和3顆傾斜同步(IGSO)衛(wèi)星組成，27顆MEO衛(wèi)星平均分布在傾角55度的三個(gè)平面上，軌道高度21500公里。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位，測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定

9、位精度為10米，授時(shí)精度為50納秒，測(cè)速精度為0.2米/秒。授權(quán)服務(wù)則是軍事用途的馬甲，將向授權(quán)用戶提供更安全與更高精度的定位，測(cè)速，授時(shí)服務(wù)，外加繼承自北斗試驗(yàn)系統(tǒng)的通信服務(wù)功能。外加繼承自北斗試驗(yàn)系統(tǒng)的通信服務(wù)功能。 央視曝光北斗衛(wèi)星上的激光發(fā)射器，其技術(shù)已達(dá)世界先進(jìn)。BD2特點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)于現(xiàn)有的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)于現(xiàn)有的GPS 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本定位是由27顆MEO衛(wèi)星完成的，通過三個(gè)55傾角的軌道平面?zhèn)€部署9顆衛(wèi)星，定位精度可以達(dá)到10米以內(nèi)，理論上可以達(dá)到水平和垂直方向7.5米精度，北斗系統(tǒng)盡管是GPS系統(tǒng)的仿制品，但根據(jù)2007年年MEO-1衛(wèi)星發(fā)射衛(wèi)星發(fā)射后國外技術(shù)人員對(duì)信號(hào)的測(cè)

10、定，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位后國外技術(shù)人員對(duì)信號(hào)的測(cè)定，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在系統(tǒng)在B1頻段比頻段比GPS高高7個(gè)個(gè)dB，充分體現(xiàn)了后發(fā)優(yōu)，充分體現(xiàn)了后發(fā)優(yōu)勢(shì)勢(shì)，在新的GPS III系統(tǒng)部署前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能要優(yōu)秀得多。 中國及周邊地區(qū)導(dǎo)航精度提升中國及周邊地區(qū)導(dǎo)航精度提升 5顆靜止軌道衛(wèi)星不僅提供RNSS服務(wù)，還繼承了試驗(yàn)系統(tǒng)的RDSS信號(hào)鏈路，仍保留了短報(bào)文通信功能。為了提高定位精度滿足航空I類精密進(jìn)近(CAT-1)的要求，我國采用GEO衛(wèi)星進(jìn)行了精度增強(qiáng)，5顆GEO衛(wèi)星完全可以滿足我國及其周邊地區(qū)的CAT-1精度要求，達(dá)到垂直定位4.47.7米的性能，在高密度可見星區(qū)可以滿足國土資源

11、調(diào)查的無基站水平1米實(shí)時(shí)定位精度要求，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后實(shí)現(xiàn)這些性能的話，北斗的性能將超越現(xiàn)有的GPSII系統(tǒng)，甚至超過一些GPS區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)增強(qiáng)后的性能。國產(chǎn)雷石6滑翔炸彈采用GPS制導(dǎo)，急需北斗來進(jìn)行替換。 高緯度地區(qū)導(dǎo)航精度提升高緯度地區(qū)導(dǎo)航精度提升 為了滿足高緯度地區(qū)進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)工作的需為了滿足高緯度地區(qū)進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)工作的需求，增設(shè)了求，增設(shè)了3顆顆IGSO軌道衛(wèi)星。軌道衛(wèi)星。IGSO衛(wèi)星高度和靜止軌道衛(wèi)星相同，但是傾角不為0，因此軌道中心在赤道設(shè)定的經(jīng)度上，星下點(diǎn)南北來回運(yùn)動(dòng)在地面上劃出很明顯的8字形軌跡。IGSO軌道衛(wèi)星克服了GEO衛(wèi)星在高緯度地區(qū)仰角過低的問題，可以對(duì)高緯度

12、地區(qū)進(jìn)行有效的信號(hào)增強(qiáng)。3顆IGSO衛(wèi)星軌道最北到北緯55，可對(duì)我國領(lǐng)土范圍內(nèi)進(jìn)行有效的精度增強(qiáng)。1.5 伽利略計(jì)劃伽利略計(jì)劃1) “伽利略計(jì)劃伽利略計(jì)劃”是指在是指在25000公里高空部署公里高空部署30顆人造顆人造衛(wèi)星，以更加準(zhǔn)確地判斷飛機(jī)和船舶等交通工具的衛(wèi)星，以更加準(zhǔn)確地判斷飛機(jī)和船舶等交通工具的位置。位置。2008年投入使用后，可以大幅提高預(yù)防災(zāi)難年投入使用后，可以大幅提高預(yù)防災(zāi)難和安全管理的水平。和安全管理的水平。 2) 總投資總投資35億歐元的伽利略計(jì)劃是歐洲自主的、獨(dú)立億歐元的伽利略計(jì)劃是歐洲自主的、獨(dú)立的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前世界上正在運(yùn)營的的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前世

13、界上正在運(yùn)營的全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(GPS)由美國研發(fā)并控制。由美國研發(fā)并控制。3) 伽利略系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)30顆導(dǎo)航衛(wèi)星和相顆導(dǎo)航衛(wèi)星和相 關(guān)地面設(shè)備將在關(guān)地面設(shè)備將在2008年部署完成，該系統(tǒng)確定地面目標(biāo)位置的誤差僅為年部署完成，該系統(tǒng)確定地面目標(biāo)位置的誤差僅為1米，而米，而GPS提供的非軍用信號(hào)的誤差達(dá)提供的非軍用信號(hào)的誤差達(dá)10米。米。4) 中國是第一個(gè)參與伽利略計(jì)劃中國是第一個(gè)參與伽利略計(jì)劃的非歐盟國家，的非歐盟國家，2006年年7月月28日與伽利略聯(lián)合執(zhí)行體簽署了三個(gè)應(yīng)日與伽利略聯(lián)合執(zhí)行體簽署了三個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目合同承諾提供用項(xiàng)目合同承諾提供2億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。中方已億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

14、中方已投入投入7000萬歐元用于技術(shù)開發(fā)，其余萬歐元用于技術(shù)開發(fā)，其余13億歐元億歐元用于空間和地面設(shè)備的部署。用于空間和地面設(shè)備的部署。5) 韓國也加入了伽利略計(jì)劃，這樣就能擺脫單純依靠韓國也加入了伽利略計(jì)劃，這樣就能擺脫單純依靠美國全球定位系統(tǒng)美國全球定位系統(tǒng)(GPS)的局面的局面 6) 據(jù)歐盟的預(yù)測(cè)，伽利略系統(tǒng)在據(jù)歐盟的預(yù)測(cè)，伽利略系統(tǒng)在2020年前將會(huì)帶來年前將會(huì)帶來數(shù)百億歐元的收入和數(shù)萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。據(jù)國內(nèi)專家數(shù)百億歐元的收入和數(shù)萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。據(jù)國內(nèi)專家估計(jì)，中國衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益到估計(jì)，中國衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益到2020年可達(dá)年可達(dá)2600億元人民幣。億元人民幣。一 G

15、alileo 星座Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個(gè)軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為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”系統(tǒng)衛(wèi)星模擬圖系統(tǒng)衛(wèi)星模擬圖 GIOVE A GIOVE B the GIOVE SatelliteGalileo 試驗(yàn)衛(wèi)星vGIOVE的主要目標(biāo)的主要目標(biāo): 頻率信號(hào)測(cè)試；頻率信號(hào)測(cè)試； 驗(yàn)證一些關(guān)鍵技術(shù)（比如銣原子鐘、氫原子鐘）；驗(yàn)證一些關(guān)鍵技術(shù)（比如銣原子鐘、氫原子鐘）； 軌道環(huán)境特征測(cè)試；軌道環(huán)境特征測(cè)試； 并行并行2或或3通道信號(hào)傳輸測(cè)試。通道信號(hào)傳輸測(cè)試。2022年5月

17、4日22二 Galileo信號(hào) 每顆每顆Galileo衛(wèi)星發(fā)送衛(wèi)星發(fā)送6種導(dǎo)航定位信號(hào)：種導(dǎo)航定位信號(hào)：L1F，L1P，E6C，E6P，E5A和和E5B，可以提供，可以提供4類服務(wù)：類服務(wù)：v（1）公開服務(wù)（）公開服務(wù)（open service）。提供定位、導(dǎo)航和）。提供定位、導(dǎo)航和定時(shí)服務(wù)。這種服務(wù)面向大眾導(dǎo)航定位應(yīng)用領(lǐng)域，將與定時(shí)服務(wù)。這種服務(wù)面向大眾導(dǎo)航定位應(yīng)用領(lǐng)域，將與GPS競爭（也是和競爭（也是和GPS兼容的），是免費(fèi)的。這種服兼容的），是免費(fèi)的。這種服務(wù)的定位精度水平方向約為務(wù)的定位精度水平方向約為4米，垂直方向約為米，垂直方向約為8米，可米，可獲得性為獲得性為99.5%，但是沒有

18、完備性信息可用。，但是沒有完備性信息可用。GPS 現(xiàn)現(xiàn)代化后，代化后，GPS和和Galileo 雙系統(tǒng)的定位垂直精度可以提雙系統(tǒng)的定位垂直精度可以提高到高到4.5米，在有高遮擋的條件下可見性也大幅度提高。米，在有高遮擋的條件下可見性也大幅度提高。使用的頻段有使用的頻段有E5A，E5B，L1。v（2）生命安全服務(wù)（）生命安全服務(wù)（Safety of life service,SOL）。）。依據(jù)航空、航海和鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，為該三大領(lǐng)域依據(jù)航空、航海和鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，為該三大領(lǐng)域的廣大用戶，提供完全可靠的人身安全服務(wù)保障。的廣大用戶，提供完全可靠的人身安全服務(wù)保障。v（3）商業(yè)服務(wù)（）商業(yè)服務(wù)（