衛(wèi)星導(dǎo)航(合并版)解讀課件

1、衛(wèi)星導(dǎo)航(合并版)解讀衛(wèi)星導(dǎo)航(合并版)解讀工作原理 衛(wèi)星定位系統(tǒng)都是利用在空間飛行的衛(wèi)星不斷向地面廣播發(fā)送某種頻率并加載了某些特殊定位信息的無(wú)線電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位測(cè)量的定位系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）工作原理 衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation3 車(chē)輛導(dǎo)航管理 對(duì)航空器的定位及導(dǎo)航 車(chē)輛導(dǎo)航 配備GPS的巡警 衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）引：今后GPS的應(yīng)用，將只受人類(lèi)想象力的制約。5 車(chē)輛導(dǎo)航管理 對(duì)航空器的定位及導(dǎo)航 車(chē)輛導(dǎo)航4GPS全球定位系統(tǒng)GLONASS全球定位系統(tǒng)GALILEO全球定位系統(tǒng)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航

2、（Satellite navigation）6GPS全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navig5GPS全球定位系統(tǒng)擁有者：美國(guó)發(fā)展簡(jiǎn)史：1973年開(kāi)始研制，1993年12月達(dá)到初始運(yùn)行能力，1995年4月達(dá)到全運(yùn)行能力。衛(wèi)星組成：初始為21顆星，覆蓋不良；90年代中期擴(kuò)展為24顆星，覆蓋全球；一直處于不斷完善和更新重，截至2008年12月，在軌31顆星。衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）7GPS全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navig6GLONASS全球定位系統(tǒng)擁有者 俄羅斯 發(fā)展簡(jiǎn)史 由前蘇聯(lián)從80年代初開(kāi)始建設(shè)的與美國(guó)GPS系統(tǒng)相類(lèi)似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，

3、現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。蘇聯(lián)1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星1996年1月18日，24顆衛(wèi)星正常工作運(yùn)行。 衛(wèi)星組成根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦太空署信息中心提供的數(shù)據(jù)（2012年10月10日），目前有24顆衛(wèi)星正常工作、3顆維修中、3顆備用、1顆測(cè)試中。衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）8GLONASS全球定位系統(tǒng)擁有者 衛(wèi)星導(dǎo)航（Satelli7伽利略（GALILEO）全球定位系統(tǒng)擁有者：歐盟 發(fā)展簡(jiǎn)史 1999年2月10日歐盟委員會(huì)宣布要發(fā)展下一代GNSS。 1997年7月至2000年底完成了伽利略系統(tǒng)的定義工作，包括系統(tǒng)的任務(wù)需求、空間段和地面段各種設(shè)備的技術(shù)性能

4、指標(biāo)。伽利略計(jì)劃按如下三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)20012005年為研究開(kāi)發(fā)與在軌驗(yàn)證階段；20062007年為星座部署階段；2008年后為投入使用階段。（目前進(jìn)度比預(yù)計(jì)延遲五年）衛(wèi)星組成 GALILEO系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。每個(gè)軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。 衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）9伽利略（GALILEO）全球定位系統(tǒng)擁有者：歐盟 衛(wèi)星導(dǎo)航擁有者 中國(guó) 發(fā)展簡(jiǎn)史 1994年我國(guó)正式批準(zhǔn)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制，其工程代號(hào)為“北斗一號(hào)”，2000年成功發(fā)射了兩顆北斗一號(hào)靜止軌道衛(wèi)星。2004年8月31日，我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“北斗二號(hào)”衛(wèi)

5、星導(dǎo)航系統(tǒng)立項(xiàng)，預(yù)計(jì)在2020年左右形成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星組成北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段計(jì)劃由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，30顆非靜止軌道衛(wèi)星由27顆中軌衛(wèi)星和3顆傾斜同步衛(wèi)星組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）擁有者 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite n主要內(nèi)容第一部分 GPS系統(tǒng)的組成第二部分 GPS定位原理和方法GPS系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)GPS系統(tǒng)定位原理GPS系統(tǒng)誤差特性及誤差方程主要內(nèi)容Slide 10GPS什么是GPS?GPSNavigation Satellite Timing And Ranging G

6、lobal Positioning System簡(jiǎn)稱(chēng)GPS定義：其意為“導(dǎo)航星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)”，或簡(jiǎn)稱(chēng)全球定位系統(tǒng) ，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。Slide 12GPS什么是GPS?Slide 11GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作定位精度高，觀測(cè)時(shí)間短功能多，用途廣美國(guó)軍方聲稱(chēng)隨時(shí)都有可能改變GPS政策；GPS無(wú)法實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航，且戰(zhàn)時(shí)易受干擾。Slide 13GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作Slide 121 GPS定位系統(tǒng)的組成 GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的載頻無(wú)線電測(cè)距信號(hào)，由地面上用戶接收機(jī)實(shí)

7、時(shí)地連續(xù)接收，并計(jì)算出接收機(jī)天線所在的位置。因此，GPS定位系統(tǒng)是由以下三個(gè)部分組成：空間部分(GPS衛(wèi)星星座)地面控制部分 (地面監(jiān)控系統(tǒng))用戶設(shè)備部分 (GPS信號(hào)接收機(jī))Slide 141 GPS定位系統(tǒng)的組成 GPSlide 13GPS系統(tǒng)的空間部分由GPS衛(wèi)星組成，稱(chēng)為衛(wèi)星星座。衛(wèi)星星座的分布設(shè)置要保證地球上任何地點(diǎn)，任何時(shí)刻至少可以同時(shí)觀測(cè)到四顆衛(wèi)星。1.1 GPS的空間部分可見(jiàn)衛(wèi)星出沒(méi)軌跡圖GPS星座Slide 15GPS系統(tǒng)的空間部分由GPS衛(wèi)星組成，稱(chēng)為衛(wèi)Slide 14銫原子鐘計(jì)算機(jī)2塊7m2的太陽(yáng)能翼板無(wú)線電收發(fā)兩用機(jī)姿態(tài)控制和太陽(yáng)能板指向系統(tǒng)GPS衛(wèi)星Slide 16銫

8、原子鐘GPS衛(wèi)星Slide 15GPS衛(wèi)星的基本功能接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的信息；利用衛(wèi)星上的微處理機(jī)，對(duì)部分必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；通過(guò)星載的原子鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。向用戶發(fā)送定位信息；接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令，通過(guò)推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)或啟用備用衛(wèi)星。Slide 17GPS衛(wèi)星的基本功能接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)1.2 GPS的地面監(jiān)控部分 地面監(jiān)控部分 （Ground Segment）組成主控站：1個(gè)監(jiān)測(cè)站：5個(gè)注入站：3個(gè)1.2 GPS的地面監(jiān)控部分 地面監(jiān)控部分 （Ground Slide 171.2 GPS地面監(jiān)控部分 主控站 根據(jù)本站和其它監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)

9、星時(shí)鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站；給定全球定位系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)；監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星提供控制指令； 衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理(啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星)。地點(diǎn)：美國(guó)科羅拉多州法爾孔空軍基地。Slide 191.2 GPS地面監(jiān)控部分 主控站 Slide 18 注入站： 主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)。地點(diǎn)：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）1.2 GPS地面監(jiān)控部分Slide 20 注入站：1.2 GPS地面監(jiān)控部分Slide 19監(jiān)測(cè)站：自動(dòng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)不斷的跟蹤測(cè)量

10、，并將自動(dòng)采集的偽距觀測(cè)量、氣象信息和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)等信息，進(jìn)行簡(jiǎn)單處理然后存儲(chǔ)并傳送到主控站。科羅拉多卡瓦加蘭狄哥伽西亞阿松森島夏威夷1.2 GPS地面監(jiān)控部分Slide 21監(jiān)測(cè)站：自動(dòng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)不斷的跟蹤測(cè)量，并Slide 201.3 GPS用戶設(shè)備部分GPS用戶設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)及其天線、微處理機(jī)及其終端設(shè)備以及電源等。其中接收機(jī)和天線是核心部分，習(xí)慣上統(tǒng)稱(chēng)為GPS接收機(jī)。主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行處理，獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測(cè)量。微處理器顯示裝置存儲(chǔ)器電源Slide 221.3 GPS用戶設(shè)備部分GPS用戶設(shè)備主要主要內(nèi)容第一部分 GPS系統(tǒng)的組成第二部分 GPS

11、定位原理和方法GPS系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)GPS系統(tǒng)定位原理GPS系統(tǒng)誤差特性及誤差方程主要內(nèi)容2.1 GPS系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)載波（Carrier）:L1, L2測(cè)距碼（Ranging Code）: -C/A碼（目前只被調(diào)制在L1上） -P碼（被分別調(diào)至在L1和L2上）衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文（Message）基本頻率10.23MHzL1載波1575.42MHzL2載波1227.60MHzC/A碼1.023MHzP碼10.23MHzP碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50BPS數(shù)據(jù)碼50BPS15412010204600 2.1 GPS系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)載波（Carrier）:L1, LGPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率 f0由衛(wèi)星上的原子鐘直

12、接產(chǎn)生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號(hào)的所有成分均是該基準(zhǔn)頻率的倍頻或分頻GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率 f0由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生Slide 24碼:在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)及其組合，來(lái)表示各種信息。表達(dá)不同信息的二進(jìn)制數(shù)及其組合，稱(chēng)為碼。一位二進(jìn)制數(shù)叫一個(gè)碼元或一比特。比特或碼為信息量的度量單位。在二進(jìn)制數(shù)字化信息的傳輸中，每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)稱(chēng)為數(shù)碼率，表示數(shù)字化信息的傳輸速度，單位為bit/s，或記為BPS。碼Slide 26碼:在現(xiàn)代數(shù)字通信中，廣泛使用二進(jìn)制數(shù)及其組Slide 25隨機(jī)噪聲碼：假設(shè)一組碼序列，對(duì)某一時(shí)刻來(lái)說(shuō)，碼元是0或1完全是隨機(jī)的，但出現(xiàn)的概率均為1/2。這種碼元幅度

13、的取值完全無(wú)規(guī)律的碼序列，稱(chēng)為隨機(jī)碼序列（或隨機(jī)噪聲碼序列）。盡管隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)性，但卻是一種非周期序列，不服從任何編碼規(guī)則，實(shí)際中無(wú)法復(fù)制和利用。偽隨機(jī)噪聲碼（Pseudo Random NoisePRN）簡(jiǎn)稱(chēng)偽隨機(jī)碼或偽碼：具有隨機(jī)碼的良好自相關(guān)性，又具有某種確定的編碼規(guī)則，是周期性的，容易復(fù)制。GPS衛(wèi)星所采用的兩種測(cè)距碼，即C/A碼和P碼均屬于偽隨機(jī)碼。偽隨機(jī)噪聲碼Slide 27隨機(jī)噪聲碼：假設(shè)一組碼序列，對(duì)某一時(shí)刻來(lái)說(shuō)，相關(guān)性表征了兩個(gè)信號(hào)間的相似程度Lp表示周期內(nèi)碼元數(shù)相關(guān)性(表征兩個(gè)信號(hào)的相似程度)信號(hào)的互相關(guān)性信號(hào)的自相關(guān)性相關(guān)性表征了兩個(gè)信號(hào)間的相似程度Lp表示周期

14、內(nèi)碼元數(shù)相關(guān)性(載波是指被調(diào)制以傳輸信號(hào)的波形，一般為正弦波，它有幾個(gè)參數(shù)，幅度、頻率、相位。一般要求正弦載波的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)的帶寬，否則會(huì)發(fā)生混疊，使傳輸信號(hào)失真。載波載波是指被調(diào)制以傳輸信號(hào)的波形，一般為正弦波，它有幾個(gè)參數(shù)，在無(wú)線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低的信號(hào)加載到頻率較高的載波上，此時(shí)頻率較低的信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。信號(hào)調(diào)制，就是一個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算。我們把一個(gè)攜帶信息的信號(hào)去改變載波的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，信號(hào)就這么調(diào)制到載波上了。載波就是一個(gè)正弦波，已調(diào)制波就不同了，它已經(jīng)攜帶了調(diào)制信號(hào)的信息。信號(hào)調(diào)制在無(wú)線電通信中，為有效地傳播信息，一般將頻率較低的信號(hào)加載到載波調(diào)制：調(diào)

15、相、調(diào)頻、調(diào)幅調(diào)頻FM調(diào)幅AM調(diào)相PM注：其它調(diào)制方式GPS衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼是利用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的。載波調(diào)制：調(diào)相、調(diào)頻、調(diào)幅調(diào)頻FM調(diào)幅AM調(diào)相PM注：其它調(diào)2.1.1 載波作用搭載其它調(diào)制信號(hào)測(cè)距 測(cè)多普勒頻移類(lèi)型L1 頻率： 154f0 = 1575.43MHz；波長(zhǎng)：19.03cmL2 頻率： 120f0 = 1227.60MHz；波長(zhǎng)：24.42cm特點(diǎn)所選擇的頻率有利于測(cè)定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號(hào)所受的電離層折射影響選擇兩個(gè)頻率可以較好地消除信號(hào)的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號(hào)的頻率有關(guān)）2.1.1 載波作用2.1.2 測(cè)距碼作用測(cè)距類(lèi)型C/A碼P碼性質(zhì)為偽隨

16、機(jī)噪聲碼（PRN Pseudo Random Noise）不同的碼（包括未對(duì)齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對(duì)齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為12.1.2 測(cè)距碼作用Slide 32C/A碼（Coarse/Acquisition code） C/A碼：是用于粗測(cè)距和捕獲GPS衛(wèi)星信號(hào)的偽隨機(jī)碼。它是由兩個(gè)10級(jí)反饋移位寄存器組合而產(chǎn)生。 C/A碼的碼長(zhǎng)短，周期1ms，1個(gè)周期共1023個(gè)碼元，若以每秒50碼元的速度搜索，只需20.5s，易于捕獲，所以C/A碼通常也稱(chēng)捕獲碼。 C/A碼的碼元寬度大（293.05m），假設(shè)兩序列的碼元對(duì)齊誤差為碼元寬度的1/101/100，則相應(yīng)的測(cè)

17、距誤差為29.32.93m。由于精度低，又稱(chēng)粗碼。 Slide 34C/A碼（Coarse/AcquisitioSlide 33P碼(Precise code) P碼是衛(wèi)星的精測(cè)碼，碼率為10.23MHz，產(chǎn)生的原理與C/A碼相似，但更復(fù)雜。發(fā)生電路采用的是兩組各由12級(jí)反饋移位寄存器構(gòu)成。 P碼的周期長(zhǎng)，周期7天， 1周期含碼元數(shù)：6187104000000；由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10（ 29.30m ），若取碼元對(duì)齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的距離誤差為0.29m，僅為C/A碼的1/10，故P碼稱(chēng)為精碼。Slide 35P碼(Precise code) P碼是衛(wèi)星Sl

18、ide 34GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。導(dǎo)航電文包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息。導(dǎo)航電文又稱(chēng)為數(shù)據(jù)碼（或D碼）。導(dǎo)航電文也是二進(jìn)制碼，依規(guī)定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時(shí)間30s。2.1.3 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文Slide 36GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的Slide 35GPS衛(wèi)星天線發(fā)射的信號(hào)，是將導(dǎo)航電文D(t)經(jīng)過(guò)兩級(jí)調(diào)制后的信號(hào)。（1）第一級(jí)調(diào)制是將低頻D(t)碼分別調(diào)制高頻C/A碼和P碼（導(dǎo)航電文信號(hào)與測(cè)距

19、碼模2和運(yùn)算）（2）第二級(jí)調(diào)制是將一級(jí)調(diào)制的組合碼再分別調(diào)制在兩個(gè)載波頻率（L1和L2）上。（載波調(diào)制）2.4 GPS衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制Slide 37GPS衛(wèi)星天線發(fā)射的信號(hào)，是將導(dǎo)航電文D(t衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制：第一級(jí)調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制：第一級(jí)調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制：第二級(jí)調(diào)制GPS衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼是利用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的。衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制：第二級(jí)調(diào)制GPS衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼是利用調(diào)相技術(shù)衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制在L1載波上，調(diào)制了C/A碼和P碼，且采用正交方式進(jìn)行調(diào)制； 在L2載波上，只調(diào)制了P碼。這里的C/A碼和P碼已實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)碼的擴(kuò)頻。衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制在L1載波上，調(diào)制了C/A碼和P碼，且采用正交主要內(nèi)容第一

20、部分 GPS系統(tǒng)的組成第二部分 GPS定位原理和方法GPS系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)GPS系統(tǒng)定位原理GPS系統(tǒng)誤差特性及誤差方程主要內(nèi)容衛(wèi)星定位的必要條件衛(wèi)星在坐標(biāo)系內(nèi)的精確位置用戶相對(duì)于衛(wèi)星的某種觀測(cè)值定位方法，根據(jù)觀測(cè)值的不同可以分為測(cè)距定位（測(cè)碼偽距觀測(cè)量）測(cè)角定位（測(cè)相偽距觀測(cè)量）測(cè)速定位（多普勒頻移觀測(cè)量）2.2 GPS系統(tǒng)定位原理衛(wèi)星定位的必要條件2.2 GPS系統(tǒng)定位原理已知衛(wèi)星的位置如何測(cè)量出站星距離？2.2 GPS系統(tǒng)定位原理已知衛(wèi)星的位置？2.2 GPS系統(tǒng)定位原理測(cè)距定位基本原理所謂測(cè)碼偽距觀測(cè)量，實(shí)際上是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)（C/A碼和P碼）到達(dá)用戶接收機(jī)天線的電波傳播時(shí)間，因此，這種方法也稱(chēng)為時(shí)間延遲測(cè)量。距離測(cè)定的基本思路GPS到用戶的觀測(cè)距離，由于各種誤差源的影響，并非真實(shí)的反應(yīng)衛(wèi)星到用戶的幾何距離，而是含有誤差，這種帶有誤差的GPS量測(cè)距離，稱(chēng)為偽距。信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)距定位基本原理所謂測(cè)碼偽距觀測(cè)量，實(shí)際上是測(cè)量GP