衛(wèi)星導(dǎo)航及空管201006

衛(wèi)星導(dǎo)航與空管民航局空管局廣州2010.6.101衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述2衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用內(nèi)容3PBN路線圖衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述一個(gè)世界范圍的定位和定時(shí)系統(tǒng)，包含：

一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星星座機(jī)載接收機(jī)系統(tǒng)完好性監(jiān)視必要的時(shí)候需要增強(qiáng)以支持所需的導(dǎo)航性能。ICAO國際民航公約附件十GNSSSARPs衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述GNSS元素：GalileoABASGNSS星座增強(qiáng)系統(tǒng)機(jī)載接收機(jī)GLONASSGPSSBASGBASRAIM、AAIMWAAS、EGNOSGRASLAASCompassGPSGlobalPositioningSystem軍方建設(shè)，DOT、DOD、DOA和NASA共管全球、全天候覆蓋，應(yīng)用廣泛。GPS介紹GPS介紹從1973年到1995年，GPS系統(tǒng)的建立經(jīng)歷了近22年，耗資超過100億美元，它是繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃后的第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃。共發(fā)射39顆衛(wèi)星（BlockI15顆，BlockII24顆）保證在世界任何地方至少同時(shí)看到4顆衛(wèi)星。GPS系統(tǒng)能提供實(shí)時(shí)、連續(xù)、全天候的導(dǎo)航定位及授時(shí)服務(wù)?？臻g部分：

提供星歷和時(shí)間信息

發(fā)射偽距和載波信號(hào)

提供其它輔助信息用戶部分：

接收并測定衛(wèi)星信號(hào)

記錄原始數(shù)據(jù)

得到導(dǎo)航定位信息地面控制部分：

解算中心控制參數(shù)

實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步

跟蹤衛(wèi)星并進(jìn)行定軌GPS系統(tǒng)組成24顆衛(wèi)星（21+3）6個(gè)軌道平面20200km軌道高度（地面高度）12小時(shí)（恒星時(shí)）軌道周期1575.42MHz（19.05cm）1227.60MHz（24.45cm）GPS空間部分GPS衛(wèi)星作用：接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測距碼、載波）發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙相調(diào)制載波上的測距碼和導(dǎo)航電文）接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設(shè)備太陽能電池板原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）信號(hào)生成與發(fā)射裝置類型試驗(yàn)衛(wèi)星：BlockⅠ工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡ：存儲(chǔ)星歷能力為14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲(chǔ)星歷能力為180天，SV35和SV36帶有激光反射棱鏡BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛(wèi)星,增設(shè)第三民用頻率GPS衛(wèi)星GPS的地面監(jiān)控部分主控站：1個(gè)（美國科羅拉多州法爾孔空軍基地）監(jiān)測站：5個(gè)（夏威夷、主控站及三個(gè)注入站）注入站：3個(gè)（阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）、卡瓦加蘭（太平洋）11HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)

每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(hào)（基準(zhǔn)頻率?）兩種載波（L1和L2）兩種碼信號(hào)（C/A碼和P碼）一組導(dǎo)航電文（信息碼，D碼）基準(zhǔn)頻率10.23MHZ

L11575.42MHZC/A碼

1.023MHZP?碼10.23MHZL21227.60MHZ15412050比特/S衛(wèi)星信息電文（D碼）GPS衛(wèi)星信號(hào)載波作用搭載其它調(diào)制信號(hào)測距測定多普勒頻移類型目前L1–頻率：154f0=1575.42MHz；波長：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm現(xiàn)代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm測距碼類型目前C/A碼（Coarse/AcquisitionCode）–粗碼/捕獲碼；碼率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含碼元數(shù)：1023；僅被調(diào)制在L1上P（Y）碼（PreciseCode）–精碼；碼率：10.23MHz；周期：7天；1周期含碼元數(shù)：6187104000000；被調(diào)制在L1和L2上現(xiàn)代化后在L2上調(diào)制C/A碼在L1和L2增加調(diào)制M碼GPS定位原理單點(diǎn)定位解可以理解為一個(gè)后方交會(huì)問題衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運(yùn)動(dòng)的控制點(diǎn)，觀測值為測站至衛(wèi)星的偽距（由時(shí)延值推算得到）由于接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算四個(gè)未知參數(shù)：精度

,經(jīng)度

,高程h,鐘差t美國政府的GPS政策SA技術(shù)（1990.3.25~2000.5.1）SelectiveAvailability–選擇可用性人為降低普通用戶的測量精度。方法:ε技術(shù)：降低星歷精度（加入隨機(jī)變化）δ技術(shù)：衛(wèi)星鐘加高頻抖動(dòng) （短周期，快變化）AS技術(shù)（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing–反電子欺騙P碼加密16GPS現(xiàn)代化1999年1月25日，美國副總統(tǒng)戈?duì)栃迹瑢⒊赓Y40億美元，進(jìn)行GPS現(xiàn)代化。GPS現(xiàn)代化實(shí)質(zhì)是要加強(qiáng)GPS對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的支撐和保持全球民用導(dǎo)航領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)地位。GPS現(xiàn)代化GPS現(xiàn)代化第一階段發(fā)射12顆改進(jìn)型的BLOCKⅡR型衛(wèi)星。GPS現(xiàn)代化第二階段發(fā)射6顆GPSBLOCKⅡF（“ⅡFLite”）。GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的第三階段發(fā)射GPSBLOCKⅢ型衛(wèi)星，在2003年前完成代號(hào)為GPSⅢ的GPS完全現(xiàn)代化計(jì)劃設(shè)計(jì)工作。(1)2000年5月1日零點(diǎn)開始將SA信號(hào)強(qiáng)度降為零，停止SA的播放。將使民用實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航的精度提高3～5倍。(2)在L2頻道上增加第二民用碼,即CA碼。這樣用戶就可以有更好的多余觀測,以提高定位精度,并有利于電離層的修正。(3)增加L5民用頻率。這有利于提高民用實(shí)時(shí)定位的精度和導(dǎo)航的安全性。GPS現(xiàn)代化11BlockIIA12BlockIIR7BlockIIR-MTransmittingnewsecondcivilsignal1GPSIIR-Minon-orbittesting3additionalsatellitesinresidualstatusNextlaunch:IIFscheduled21May2010GlobalGPScivilserviceperformancecommitmentmetcontinuouslysinceDecember199330OperationalSatellites

(BaselineConstellation:24)20GPS現(xiàn)代化BlockIIA/IIRBlockIIIBlockIIR-M,IIFBackwardcompatibility4thcivilsignal(L1C)IncreasedaccuracyIncreasedanti-jampowerAssuredavailabilityNavigationsuretyControlledintegrityIncreasedsecuritySystemsurvivabilityIIR-M:IIA/IIRcapabilitiesplus2ndcivilsignal(L2C)M-Code(L1M&L2M)IIF:IIR-Mcapabilityplus3rdcivilsignal(L5)Anti-jamflexpowerBasicGPSStandardServiceSinglefrequency(L1)Coarseacquisition(C/A)codenavigationPreciseServiceP-Code(L1Y&L2Y)P-CodenavigationIncreasingSystemCapabilitieswIncreasingDefense/CivilBenefitGPS現(xiàn)代化第二民用信號(hào)“L2C”為商業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)通過改正電離層延遲來達(dá)到高精度全運(yùn)行能力:24顆衛(wèi)星~2016第三民用信號(hào)“L5”為滿足生命安全需求而設(shè)計(jì)在被保護(hù)的航空電信頻段內(nèi)第一顆:2010;24顆衛(wèi)星~2018GPS現(xiàn)代化GPS現(xiàn)代化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述GLONASS：GLObalNAvigationSatelliteSystem前蘇聯(lián)建設(shè)，現(xiàn)屬于俄羅斯；性能與GPS相當(dāng)；系統(tǒng)包含24顆衛(wèi)星；全球覆蓋。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述Galileo：歐盟共建，“民用”系統(tǒng)；設(shè)計(jì)性能優(yōu)于GPS；30顆衛(wèi)星（27顆運(yùn)行，3顆備用）；全球覆蓋；與GPS相容；2013年提供全系統(tǒng)運(yùn)行能力。北斗（Compass）二代2012年前，建成覆蓋我國及周邊地區(qū)、印度洋、西太平洋地區(qū)的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)12顆星、30個(gè)地面站。實(shí)現(xiàn)定位精度10米；測速精度0.2m/s；單向授時(shí)精度50ns；2020年前，建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球系統(tǒng)30+5顆衛(wèi)星組成，功能與區(qū)域系統(tǒng)相同，主要區(qū)別在于系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)擴(kuò)大、定位精度提高以及系統(tǒng)抗干擾與自主生存能力提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

衛(wèi)星到用戶位置點(diǎn)的距離表示：R’=R+C?t其中，R’是偽距。GPS誤差與信號(hào)傳播有關(guān)的：電離層對流層多路徑與衛(wèi)星有關(guān)的：時(shí)鐘漂移衛(wèi)星幾何分布星歷誤差人為誤差與接收機(jī)有關(guān)的：時(shí)鐘誤差電路延遲計(jì)算誤差信號(hào)處理方法GPS誤差源電離層延遲誤差分析與對策電離層及其作用電離層是指地球上空距地面高度在50公里到1000公里之間的大氣層，電離層中的氣體分子由于受到太陽射線輻射，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離形成大量的自由電子和正離子。電離作用產(chǎn)生的自由電子作為GPS信號(hào)的傳輸媒介，GPS信號(hào)在其中的傳輸速度是頻率的函數(shù)。電離層的特性呈晝夜變化，通常是在正午時(shí)具有最大延遲，而到午夜時(shí)達(dá)到最小。另外太陽活動(dòng)也會(huì)影響到這些變化。電離層延遲誤差校正解決對策對單頻接收器可以通過使用一個(gè)衛(wèi)星電離層傳輸模型來減少這種電離層偽距測量值的誤差，。帶有差分運(yùn)算的電離層誤差可以通過許多應(yīng)用程序消除，當(dāng)基站和移動(dòng)站之間的距離足夠近時(shí)，電離層誤差之間就具有很高的相關(guān)性。當(dāng)基站和移動(dòng)站之間的距離是25千米時(shí)，無建模的差分電離層誤差一般為10到20厘米，而當(dāng)距離增大到100千米時(shí)，誤差會(huì)高達(dá)1米以上，使用電離層傳輸模型還可將誤差減少百分之二十五到百分之五十。

對流層傳輸誤差分析與對策對流層：對流層是高度為40千米以下的大氣底層，它是由干燥氣體和水蒸氣組成的，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜，信號(hào)在對流層中傳輸時(shí)由于折射會(huì)導(dǎo)致傳輸路徑的增長，信號(hào)延遲量主要取決于傳輸路徑上的空氣的折射指數(shù)，一般在天頂方向處為2.5米，在較低的衛(wèi)星仰角時(shí)可以達(dá)到10米到15米。與電離層不同的是對流層的路徑延遲對于代碼和載波信號(hào)分量是相同的。另外我們不能用和偽距測量值來估計(jì)這種延遲，但是通過建模降低這種誤差。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述GNSS性能等級(jí)運(yùn)行階段精度（95%）告警限完好性風(fēng)險(xiǎn)告警時(shí)間連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)可用性水平垂直水平垂直航路3.7kmN/A3.7kmN/A10-7/小時(shí)5分10-4~10-8/小時(shí)0.99~0.99999終端區(qū)0.74kmN/A1.85kmN/A10-7/小時(shí)15秒10-4~10-8/小時(shí)0.99~0.99999非精密進(jìn)近220mN/A556mN/A10-7/小時(shí)10秒10-4~10-8/小時(shí)0.99~0.99999APVI16m20m556m50m2×10-7每次進(jìn)近10秒8×10-6/15秒0.99~0.99999APVII16m8m40m20m2×10-7每次進(jìn)近6秒8×10-6/15秒0.99~0.99999CATI16m6~4m40m15-10m2×10-7每次進(jìn)近6秒8×10-6/15秒0.99~0.99999GBAS系統(tǒng)GBAS地基增強(qiáng)系統(tǒng)優(yōu)勢：CATI,II&III精密進(jìn)近能力；曲線進(jìn)近；多跑道覆蓋；飛機(jī)場面導(dǎo)航。MDTTransmitterMonitorPowerAmpPowerSuppliesPrimaryEquipmentShelterReferenceReceiverAndAntennaVDBATCUScreens(upto10)Optional3VDBReferenceReceiverAndAntennaReferenceReceiverAndAntennaReferenceReceiverAndAntennaGBAS系統(tǒng)38ReferenceStations3MasterStations4GroundEarthStationsGeostationarySatelliteLinks2OperationalControlCenters4F398°W35WAAS系統(tǒng)（SBAS）WAAS系統(tǒng)（SBAS）WAAS系統(tǒng)（SBAS）WAAS系統(tǒng)（SBAS）WAAS系統(tǒng)（SBAS）EGNOS系統(tǒng)（SBAS）EGNOS：Galileo系統(tǒng)的先期；提供增強(qiáng)的GPS和GLONASS校正；提供5m精度，當(dāng)信號(hào)錯(cuò)誤或中斷時(shí)向用戶提供告警（6s）；EGNOS組成：主控中心，MCC導(dǎo)航地面站，NLES測距和完好性監(jiān)測站，RIMSEGNOS系統(tǒng)（SBAS）GRAS系統(tǒng)GRASGround-basedRegionalAugmentationSystem:澳大利亞GPS增強(qiáng)系統(tǒng)；建設(shè)目標(biāo)：完成飛機(jī)的非精密進(jìn)近提高GPS的完好性，使之上升為主用系統(tǒng)。2006年，ICAO批準(zhǔn)GRASSARPs生效GRAS系統(tǒng)GRAS系統(tǒng)組成框圖1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述2衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用內(nèi)容3PBN路線圖衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用地基增強(qiáng)系統(tǒng)參考站處理中心數(shù)據(jù)電臺(tái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分校正完好性完好性地基區(qū)域完好性監(jiān)視系統(tǒng)地基監(jiān)視網(wǎng)主控中心發(fā)布站RAIM預(yù)測RNP/RNAV地基區(qū)域完好性監(jiān)測系統(tǒng)（GRIMS）解決GPS衛(wèi)星監(jiān)測自主性的問題，播發(fā)衛(wèi)星完好性信息空管局組織數(shù)據(jù)公司、中電集團(tuán)20所開發(fā)2006年1月建成完好性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，利用ACARS數(shù)據(jù)鏈上傳至航空器2008年1月建成北京-太原-西安VDB站點(diǎn)，解決完好性信息播發(fā)通道并進(jìn)行跑車試驗(yàn)結(jié)構(gòu)與工作原理地基區(qū)域完好性監(jiān)測系統(tǒng)（GRIMS）星基導(dǎo)航系統(tǒng)不同于陸基導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星故障影響的區(qū)域不能實(shí)時(shí)直觀獲得性能降級(jí)的位置不固定飛行員/ATC需要知道GPS不可用的具體時(shí)間和地點(diǎn)RAIM預(yù)測：對機(jī)載接收機(jī)在特定時(shí)間和地點(diǎn)能夠否監(jiān)測GPS完好性進(jìn)行預(yù)測空管局組織數(shù)據(jù)公司、中電集團(tuán)20所開發(fā)了RAIM預(yù)測系統(tǒng)，將提供免費(fèi)服務(wù)將應(yīng)用于成都拉薩通信監(jiān)視項(xiàng)目、成都/九寨自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視項(xiàng)目RAIM預(yù)測系統(tǒng)RAIM預(yù)測系統(tǒng)產(chǎn)生的背景RAIM預(yù)測系統(tǒng)區(qū)域預(yù)測航路預(yù)測終端區(qū)機(jī)場預(yù)測提供全國范圍的RAIM預(yù)測提供特定航路的RAIM預(yù)測提供特定機(jī)場的終端區(qū)RAIM預(yù)測RAIM預(yù)測系統(tǒng)目前空管局開發(fā)的RAIM預(yù)測系統(tǒng)功能組成系統(tǒng)框圖RAIM預(yù)測系統(tǒng)RAIM預(yù)測客戶端軟件網(wǎng)站形式發(fā)布的RAIM預(yù)測結(jié)果RAIM預(yù)測網(wǎng)頁RAIM預(yù)測可以由ANSP（導(dǎo)航設(shè)備服務(wù)提供者）、航空電子制造商、其他實(shí)體或是機(jī)載接收機(jī)來提供。FAARAIM預(yù)測系統(tǒng)(),主要為中小航空公司和公眾服務(wù)，大型的航空公司開發(fā)專用的RAIM預(yù)測系統(tǒng)。RAIM預(yù)測系統(tǒng)不為服務(wù)提供保證，只是評估預(yù)期的能力是否達(dá)到所需導(dǎo)航性能。RAIM預(yù)測的角色和責(zé)任2009-4-2854林芝GBAS試驗(yàn)系統(tǒng)空管局組織數(shù)據(jù)公司、中電20所開發(fā)基于GPS的精密進(jìn)近引導(dǎo)系統(tǒng)滿足一類精密進(jìn)近需求于2009年5月-8月進(jìn)行飛行測試試驗(yàn)搭載了多模式接收機(jī)的車載試驗(yàn)平臺(tái)使用民航甚高頻導(dǎo)航數(shù)據(jù)鏈于2008年1月完成了首次跑車試驗(yàn)于2007年11月完成了地面系統(tǒng)安裝系統(tǒng)設(shè)備組成VDBRR2RR1RR3RR4天線數(shù)據(jù)處理單元林芝GBAS試驗(yàn)系統(tǒng)RR1RR2RR3RR4林芝GBAS試驗(yàn)系統(tǒng)參考接收機(jī)布局RTK的輸出結(jié)果作為飛行的真實(shí)航跡，經(jīng)測試，系統(tǒng)精度和完好性滿足設(shè)計(jì)要求，VDB覆蓋情況及信號(hào)還需加強(qiáng)林芝GBAS試驗(yàn)差分改正結(jié)果1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述2衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用內(nèi)容3PBN路線圖/dev/fbs/xjsyy

近期（2009－2012）航路根據(jù)空中運(yùn)輸需求、監(jiān)視和通信能力、管制員工作負(fù)荷以及機(jī)隊(duì)設(shè)備配備情況，在部分海洋和西部地區(qū)航路，有選擇地應(yīng)用RNAV-10和RNP-4導(dǎo)航規(guī)范。對于部分繁忙航路，根據(jù)通信和監(jiān)視覆蓋情況，有選擇地應(yīng)用RNAV-2、RNAV-5導(dǎo)航規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)較小的航路間隔，提高空域利用率。依照PBN導(dǎo)航規(guī)范重新調(diào)整已有的RNAV/RNP航路。近期（2009－2012）終端區(qū)在有雷達(dá)覆蓋的終端區(qū)，利用GNSS和陸基導(dǎo)航設(shè)施，應(yīng)用RNAV-1導(dǎo)航規(guī)范。首先從國際機(jī)場和繁忙機(jī)場開始實(shí)施，允許PBN和傳統(tǒng)運(yùn)行并存。到2012年，全國30%的機(jī)場終端區(qū)實(shí)施RNAV運(yùn)行，全部國際機(jī)場實(shí)施RNAV。在部分無雷達(dá)覆蓋或無適當(dāng)?shù)孛鎸?dǎo)航設(shè)施的機(jī)場終端區(qū)，有選擇地使用GNSS導(dǎo)航實(shí)施基本RNP-1標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)離場程序。近期（2009－2012）進(jìn)近所有新建機(jī)場以及部分已有機(jī)場將使用基于GNSS的RNPAPCH程序。配套實(shí)施基于Baro-VNA