第5章移动卫星通信系统课件.ppt

1、1 1第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统第5章 移动卫星通信系统 5.1 移动卫星通信系统概述5.2移动卫星通信系统的网络结构 5.3 国际移动卫星通信系统(INMARSAT)5.4 静止轨道区域移动卫星通信系统 5.5低轨道移动卫星通信系统 5.6 卫星导航定位系统习题2 2第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统概况一点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容整体概述概况三点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容概况二点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容3 3第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统移动卫星通信(MSS)又称为卫星移动

2、通信，是指利用卫星转接实现移动用户间或移动用户与固定用户间的相互通信。5.1 移动卫星通信系统概述4 4第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统移动卫星通信系统以VSAT和地面蜂窝移动通信为基础，结合空间卫星多波束技术、星载处理技术、计算机和微电子技术的综合运用，是更高级的智能化新型通信网，能将通信终端延伸到地球的每个角落，实现“世界漫游”，从而使电信业产生质的变化。因此，它可以看成是陆地移动通信系统的延伸和扩展。5 5第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统从“移动”角度来看，MSS有三种情形：第一种为卫星不动(同步轨道卫星)，终端动；第二种为卫星动(非同步轨道卫星)，终端不

3、动；第三种为卫星动(非同步轨道卫星)，终端也动。由于MSS充分发挥了卫星通信的优势和特点，它不仅可以向人口密集的城市和交通沿线提供移动通信，也可以向人口稀少的地区提供移动通信。尤其是对正在运动中的汽车、火车、飞机和轮船，以及个人进行通信更具有特殊意义。其业务范围包括单向和双向无线传信、话音、数据、定位等。6 6第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统发展过程 第一代卫星移动通信系统：模拟信号技术 1976年，由3颗静止卫星构成的MARISAT系统成为第1个提供海事移动通信服务的卫星系统（舰载地球站40W发射功率，天线直径1.2米）1982年，Inmarsat-A成为第1

4、个海事卫星移动电话系统第二代卫星移动通信系统：数字传输技术 1988年，Inmarsat-C成为第1个陆地卫星移动数据通信系统 1993年，Inmarsat-M和澳大利亚的Mobilesat成为第1个数字陆地卫星移动电话系统支持公文包大小的终端 1996年，Inmarsat-3可支持便携式的膝上型电话终端第三代卫星移动通信系统：手持终端 1998年，铱（Iridium）系统成为首个支持手持终端的全球低轨卫星移动通信系统 2003年以后，集成了卫星通信子系统的全球移动通信系统（UMTS/IMT-2000）7 7第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星与地面移动通信系统的比较 卫星移动

5、通信系统地面移动通信系统易于快速实现大范围的完全覆盖覆盖范围随地面基础设施的建设而持续增长全球通用多标准，难以全球通用频率利用率低频率利用率高（蜂窝小区小）遮蔽效应使得通信链路恶化提供足够的链路余量以补偿信号衰落适合于低人口密度、有限业务量的农村环境适用于该人口密度、大业务量的城市环境8 8第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构卫星移动通信系统的基本网络结构9 9第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续1ETSI(欧洲电信标准协会)建议的卫星个人通信网络结构 10 10第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动

6、通信系统网络结构 续2ETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（a）中，空间段采用透明转发器，系统依赖于地面网络来连接信关站，卫星没有建立星际链路的能力，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止轨道卫星两跳的传输延时加上信关站间的地面网络传输延时。全球星系统采用该结构方案为移动用户提供服务。11 11第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续3ETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（b）同样没有采用星际链路，使用静止轨道卫星提供信关站之间的连接。静止卫星的使用减少了系统对地面网络的依赖，但会带来数据的长距离传输。该结构中，移动用户间的呼叫传输延时至少等于非静止

7、轨道卫星两跳的传输延时加上静止轨道卫星一跳的传输延时。12 12第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续4ETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（c）使用了星际链路来实现相同轨道结构的卫星进行互连。系统仍然需要信关站来完成一些网络功能，但对其的依赖性已经下降。移动用户间的呼叫传输延时是变化的，依赖于在卫星和星际链路构成的空中骨干网络路由选择。铱系统采用该结构方案为移动用户提供服务。13 13第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续5ETSI建议的卫星个人通信网络结构 结构（d）中使用了双层卫星网络构建的混合星座结构。非静

8、止轨道卫星使用星际链路进行互连，使用轨间链路（IOL：Inter-Orbit Links）与静止轨道数据中继卫星互连。移动用户间的呼叫传输延时等于两个非静止轨道卫星半跳的延时加上非静止轨道卫星到静止轨道卫星的一跳的延时。在该结构中，为保证非静止轨道卫星的全球性互连，需要至少3颗静止轨道中继卫星。14 14第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续6系统空间段 空间段提供网络用户与信关站之间的连接；空间段由1个或多个卫星星座构成，每个星座又涉及到一系列轨道参数和独立的卫星参数；空间段轨道参数通常根据指定覆盖区规定的服务质量（QoS）要求，在系统设计的最初阶段便确

9、定；空间段的设计可采用多种方法，取决于轨道类型和星上有效载荷所采用的技术。15 15第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续7系统地面段 通常包括：信关站（也称为固定地球站FES）、网络控制中心（NCC）和卫星控制中心（SCC）用户信息管理系统（CIMS）是负责维护信关站配置数据，完成系统计费、生成用户账单并记录呼叫详情的数据库系统，与信关站、网络控制中心和卫星控制中心协同工作 可以将网络控制中心、卫星控制中心和用户信息管理系统合在一起称为控制段 16 16第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续8系统地面段信关站 信关站

10、通过本地交换提供系统卫星网络（空间段）到地面现有核心网络（如公用电话交换网PSTN和公用地面移动网络PLMN）的固定接入点 卫星移动通信系统与地面移动网络（如GSM和CDMA网络）的集成带来了一些附加的问题，必须在信关站中解决 17 17第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续9系统地面段网络控制中心 又称为网络管理站（NMS），与用户信息管理系统CIMS相连，协同完成卫星资源的管理、网络管理和控制相关的逻辑功能，按照功能又可以划分为网络管理功能组和呼叫控制功能组。网络管理功能组的主要任务包括：管理呼叫通信流的整体概况；系统资源管理和网络同步；运行和维护（O

11、AM）功能；站内信令链路管理；拥塞控制；提供对用户终端试运行的支持 呼叫控制功能组的主要任务包括：公共信道信令功能；移动呼叫发起端的信关站选择；定义信关站的配置 18 18第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续10系统地面段卫星控制中心 负责监视卫星星座的性能，控制卫星的轨道位置。与卫星有效载荷相关的特殊呼叫控制功能也能够由卫星控制中心来完成，按照功能又可以划分为卫星控制功能组和呼叫控制功能组 卫星控制功能组的主要任务包括：产生和分发星历；产生和传送对卫星有效载荷和公用舱的命令；接收和处理遥测信息；传输波束指向命令；产生和传送变轨操作命令；执行距离校正 呼

12、叫控制功能组完成移动用户到移动用户呼叫的实时交换19 19第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统卫星移动通信系统网络结构 续11系统用户段 用户段由各种用户终端组成；主要分为两个主要的类别：移动（Mobile）终端 和便携（Portable）终端 2020第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统5.1.1 移动卫星通信系统的分类移动卫星通信系统按用途可分为：海事移动卫星系统(MMSS)、航空移动卫星系统(AMSS)和陆地移动卫星系统(LMSS)。MMSS主要用于改善海上救援工作，提高船舶使用的效率和管理水平，增强海上通信业务和无线定位能力；AMSS主要用于飞机和地面之间为机组

13、人员和乘客提高话音和数据通信；LMSS则主要是利用卫星为陆地上行驶的车辆和行人提供移动通信服务。21 21第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统移动卫星通信系统按卫星运行轨道(椭圆轨道、圆轨道)和高度(高、中、低)大致可以分为：大椭圆轨道(HEO)、同步静止轨道(GEO)、中轨道(MEO)和低轨道(LEO)等四种通信系统。2222第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统最早的GEO移动卫星系统，是利用美国通信卫星公司(COMSAT)的Marisat卫星进行卫星通信的，它是一个军用卫星通信系统。20世纪70年代中期为了增强海上船只的安全保障，国际电信联盟决定将L频段中的1535

14、1542.5 MHz和1636.31644 MHz分配给海事卫星通信业务，这样Marisat中的部分能力就提供给远洋船只使用了。5.2 国际移动卫星通信系统(INMARSAT)2323第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统5.2.2 INMARSAT系统的构成1.提供海事移动卫星业务的INMARSAT系统提供海事移动卫星业务的INMARSAT系统主要由船站、岸站、网络协调站、卫星和网络控制中心等部分组成，如图5-1所示。其中卫星与船站之间的链路采用L频段，卫星与岸站之间是C或L双频段工作，传送话音信号时用C频段，L频段用于用户电报、数据和分配信道。2424第第5 5章章 移动卫星通信

15、系统移动卫星通信系统图5-1 提供海事移动卫星业务的INMARSAT系统组成2525第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2.提供陆地移动卫星业务的INMARSAT系统INMARSAT标准A、B、C、D、D/D、M和mini-M系统都有可以提供陆地使用的移动地球站。2626第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统图5-2 INMARSAT标准M系统的组成2727第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统3.提供航空移动卫星业务的INMARSAT系统INMARSAT航空卫星通信系统主要提供飞机与地球站之间的地对空通信业务，该系统主要由卫星、航空地球站和机载站(AES)三部

16、分组成。如图5-3所示。卫星与航空地球站之间采用C频段，卫星与机载站(AES)之间采用L频段。航空地球站是卫星与地面公众通信网的接口，它是陆地地球站的改装型。机载站是设在飞机上的移动地球站。INMARSAT航空卫星通信系统的信道分为P、R、T和C信道，P、R和T信道主要用于数据传输，C信道可传输话音、数据、传真等。2828第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统图5-3 INMARSAT航空卫星通信系统2929第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统区域性移动卫星通信业务主要由静止轨道(GEO)移动通信卫星来承担。未来GEO移动通信卫星将采用1216 m口径天线，能生成2003

17、00个点波束，使EIRP和G/T值大大提高，转发器采用矩阵功率放大器技术，广泛采用星上处理技术，从而实现手持式终端通信，话路达1600路左右。5.3 静止轨道区域移动卫星通信系统3030第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统GEO区域移动卫星通信系统只需一颗卫星(最多再需一颗备份星)。因此，无论从建网周期、发射费用，还是从整个系统造价上都比中、低轨道全球移动卫星通信系统小得多。目前已经提供商用或拟议中的GEO区域移动卫星通信系统有MSAT、Mobilesat、PRODAT、(ACeS)和Thuraya等。31 31第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统5.3.1 北美移动卫

18、星通信系统MSAT1.系统组成北美移动卫星通信系统(MSAT)是世界上第一个区域性移动卫星通信系统。1983年加拿大通信部(TMI)和美国移动卫星公司(AMSC)达成协议，联合开发北美地区的卫星业务，TMI和AMSC负责该系统实施和运营的两个卫星，TMI公司的为MSAT-1，AMSC公司的为MSAT-2。他们均采用美国休斯公司最先进的HS-601卫星平台和加拿大斯派尔公司的有效载荷，两星互为备份。MAST系统由卫星、关口站、基站、中心控制站以及移动站组成，如图5-6所示。3232第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统图5-6 MSAT系统组成3333第第5 5章章 移动卫星通信系统移

19、动卫星通信系统5.3.2 亚洲蜂窝系统ACeS1.概述GEO卫星蜂窝系统的目标通常有两个：为有限的区域提供服务和支持手持机通信。建立区域性移动卫星通信对于发展中国家具有特殊意义，不仅可为该地区提供移动通信业务，而且可以用低成本的固定终端来满足广大稀业务地区的基本通信需求。如果要在这些地区建立地面通信网，这样的基础设施所需要的投资大、周期长，而且由于业务密度低，在经济上也是不可取的。3434第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2.ACeS系统的组成ACeS系统是一个由印度尼西亚等国建立起来的覆盖东亚、东南亚和南亚的区域卫星移动通信系统。它的覆盖面积超过了1100万平方英里，覆盖区国家

20、的总人口约为30亿，能够向亚洲地区的用户提供双模(卫星-GSM900)的话音、传真、低速数据、因特网服务以及全球漫游等业务。ACeS系统包括静止轨道卫星、卫星控制设备(SCF)、1个网络控制中心(NCC)、3个信关站和用户终端等部分。它采用了先进而成熟的关键技术，如提供高的卫星EIRP值，星上处理和交换功能，网络控制和管理等。3535第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统图5-7 ACeS系统地面段示意图3636第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统5.4.1 概述LEO移动卫星通信系统是20世纪80年代后期提出的，其基本思路是利用多个低轨道卫星构成卫星星座，组成全球(或区

21、域)移动通信系统。它不同于GEO卫星通信系统，其卫星距地面的高度一般在5001500 km，绕地球一周的时间大约是100 min，重量一般不超过500 kg。其主要特点如下：5.4 低轨道移动卫星通信系统3737第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统目前提出LEO卫星方案的大公司有8家。其中最有代表性的LEO系统主要有铱(Iridium)系统、全球星(Globalstar)系统、白羊(Arics)系统、低轨卫星(Leo-Set)系统、柯斯卡(Coscon)系统、卫星通信网络(Teledesic)系统等。下面主要介绍铱系统和全球星系统。3838第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通

22、信系统5.4.2 铱系统1.系统概述铱系统是由美国摩托罗拉公司(Motorola)于1987年提出的一种LEO移动卫星通信系统，它与现有通信网结合，可实现全球数字化个人通信。其设计思想与静止轨道移动卫星通信不同。后者采用成本昂贵的大型同步卫星，而铱系统则使用小型的(2.3 m1.2 m)相对简单的智能化卫星，这种卫星可由多种商业化的运载装置进行发射。由于轨道很低(约为同步卫星高度的1/47)，必须用许多颗卫星来覆盖全球。3939第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统因此铱系统的主体是由77颗小型卫星互联而成的网络。这些卫星组成星状星座在780 km的地球上空围绕7个极地轨道运行。所有

23、卫星都向同一方向运转，正向运转越过北极再运行到南极。由于77颗卫星围绕地球飞行，其形状类似铱原子的77个电子绕原子核运动，故该系统取名为铱系统。4040第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统该系统后来进行了改进，将星座改为66颗卫星围绕6个极地圆轨道运行，但仍用原名称。每个轨道平面分布11颗在轨运行卫星及1颗备用卫星，轨道倾角为86.4，轨道高度为780 km。另一个改进就是把原单颗卫星的37点波束增加到了48个波束，使系统能把通信容量集中在通信业务需求量大的地方，也可以根据用户对话音或寻呼业务的特殊需求重新分配信道。此外，新的波束图还能减少干扰。铱系统卫星有星上处理器和星上交换，并

24、且采用星际链路(星际链路是铱系统有别于其它移动卫星通信系统的一大特点)，因而系统的性能极为先进，但同时也增加了系统的复杂性，提高了系统的投资费用。41 41第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统铱系统市场主要定位于商务旅行者、海事用户、航空用户、紧急援助、边远地区。铱系统设计的漫游方案除了解决卫星网与地面蜂窝网的漫游外，还解决地面蜂窝网间的跨协议漫游，这是铱系统有别于其它移动卫星通信系统的又一特点。铱系统除了提供话音业务外，还提供传真、数据、定位、寻呼等业务。目前，美国国防部是其最大的用户。4242第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2.系统组成铱系统主要由卫星星座、地面

25、控制设施、关口站(提供与陆地公共电话网接口的地球站)、用户终端等部分组成。如图5-8(a)所示。4343第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统图5-8 铱系统(a)铱系统组成；(b)点波束覆盖的结构；(c)铱星结构4444第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统1)空间段如上所述，铱系统空间段是由包括66颗低轨道智能小型卫星组成的星座。这66颗卫星联网组成可交换的数字通信系统。每颗卫星重量为689 km，可提供48个点波束，图5-8(b)所示为48个点波束覆盖的结构，图5-8(c)所示为铱星结构，其寿命为5年，采用三轴稳定。每颗卫星把星间交叉链路作为联网的手段，包括链接同一轨

26、道平面内相邻两颗卫星的前视和后视链路，另外还有多达四条轨道平面之间的链路。4545第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统星间链路使用Ka频段，频率为23.1823.38 GHz。星间链路波束决不会射向地面。卫星与地球站之间的链路也采用Ka频段，上行为29.129.3 GHz，下行为19.419.6 GHz。Ka频段关口站可支持每颗卫星与多个关口站同时通信。卫星与用户终端的链路采用L频段，频率为16161626.5 MHz，发射和接收以TDMA方式分别在小区之间和发收之间进行。4646第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2)用户段铱系统用户段包括地面用户终端，能提供话音、低

27、速数据、全球寻呼等业务。4747第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统3)地面段铱系统地面段包括地面关口站、地面控制中心、网络控制中心。关口站负责与地面公共网或专网的接口；网络控制中心负责整个卫星网的网络管理等；控制中心包括遥控、遥测站，负责卫星的姿态控制、轨道控制等。4848第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统4)公共网段铱系统公共网段包括与各种地面网的关口站，完成铱系统用户与地面网用户的互联。4949第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统3.基本工作原理铱系统采用FDMA/TDMA混合多址结构，系统将10.5 MHz的L频段按照FDMA方式分成240条信道，

28、每个信道再利用TDMA方式支持4个用户连接。铱系统利用每颗卫星的多点波束将地球的覆盖区分为若干个蜂窝小区，每颗铱星利用相控阵天线，产生48个点波束，因此每颗卫星的覆盖区为48个蜂窝小区。蜂窝的频率分配采用12小区复用方式，因此每个小区的可用频率数为20个。铱系统具有星间路由寻址功能，相当于将地面蜂窝系统的基站搬到天上。如果是铱系统内用户之间的通信，则可以完全通过铱系统而不与地面公共网有任何联系；5050第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统如果是铱系统用户与地面网用户之间的通信，则要通过系统内的关口站进行通信。铱系统允许用户在全球漫游，因此每个用户都有其归属的关口站(HLR)。该关口

29、站除处理呼叫建立、呼叫定位和计费外，还必须维护用户资料，如用户当前位置等。51 51第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统铱系统空间段 铱系统是目前唯一使用了系统内ISL的卫星移动通信系统 5252第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统5.4.3 全球星系统1.系统概述全球星(Globalstalr)系统是由美国Loral宇航局和Qualcomm公司共同组建的LQSS(Loral Qualcomm Satellite Service)股份公司于1991年6月3日向美国联邦通信委员会(FCC)提出的一种LEO移动卫星通信系统。Globalstar系统采用的结构和技术与铱系统不

30、同，它不是一个自成体系的系统，而是作为地面蜂窝移动通信系统和其它移动通信系统的延伸和补充。其设计思想是将地面基站“搬移”到卫星上，与地面系统兼容。5353第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统即与多个独立的公共网或专用网可以同时运行，允许网间互通。其成本比铱系统低，该系统采用具有双向功率控制的扩频码分多址技术，没有星间链路和星上处理，技术难度也小一些。Globalstar系统于1999年11月22日完成了由48颗星组成的卫星星座，2000年1月6日在美国正式开始提供卫星电话业务，2000年2月8日又发射了4颗在轨备份星。如今美国用户可以使用其电话与6大洲的100余国家的用户通话。20

31、02年7月17日又建成了第二代星座。5454第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2.系统组成Globalstar系统由卫星星座，关口站(GW)，网络控制中心(NCC)，卫星运作控制中心(SOCC)，遥测、跟踪和指令站(TT&C)组成，如图5-9所示。5555第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统图5-9 Globalstar系统组成5656第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统全球星系统卫星瞬时的分布和对地覆盖情况 5757第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)即全球导航卫星系统

32、，它是所有在轨工作的卫星导航定位系统的总称。目前，GNSS主要包揽全球定位系统(GPS)、全球导航卫星系统(GLONASS)、北斗卫星导航系统、广域增强系统(WASS)、欧洲静地卫星导航重叠系统(EGNOS)、星载多普勒无线电定轨定位系统(DORIS)、精确距离及其变率测量系统(PRARE)、准天顶卫星系统(QZSS)、静地卫星增强系统(GAGANGPS)，5.6 卫星导航定位系统5858第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统以及正在建设的卫星导航定位系统(Galileo)、卫星导航定位系统(Compass)和印度区域导航卫星系统(IRNSS)。本节专门介绍美国的全球定位系统(GPS

33、)。5959第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统5.6.1 概述在卫星导航定位系统出现之前，远程导航与定位主要使用无线导航系统。最早人们采用的是长波信号，波长长达26 km。因为长波信号可以轻易地被电离层反射，因此美国的Omega(奥米伽)系统用了8个发射器就把信号覆盖了全球。不过因为信号波长比较长，定位精度受到很大影响，其定位精度只有6 km。为此，只有提高无线电信号频率，把波长减小到2.6 km。Loran(罗兰)系统把定位精度提高到450 m了，但全球只有10%的面积被信号覆盖。6060第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统最早的卫星导航定位系统是美国的子午仪系统(

34、Transit)，又称为多普勒卫星导航定位系统，于1958年研制成功，1964年正式投入使用。它是根据美国科学家在对原苏联1957年发射的第一颗人造地球卫星的跟踪研究中发现的多普勒频移现象，并利用这一原理而建成的，这在军事和民用方面取得了极大的成功，也是导航定位史上的一次飞跃。但由于卫星数目较小(56颗)，运行高度较低(平均1000 km)，从地面站观测到卫星的时间间隔较长(平均1.5 h)，因而它无法提供连续的实时三维导航，而且由于信号载波频率低，轨道精度难以提高，使得定位精度较低。61 61第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统为此，美国从1973年开始筹建全球定位系统(GPS，

35、GlobalPositioningSystem)，在经过了方案论证、系统试验阶段后，于1989年开始发射正式工作卫星，历时20年耗资200亿美元，于1994年全面建成GPS系统，并投入使用。该系统主要由空间部分(21颗卫星和3颗备份星，均匀分布在6轨道面，高度为20000 km，周期为12h)、控制部分(1个主站、3个注入站和5个监测站)和用户部分组成，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。随着GPS系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始深入人们的日常生活。6262第第5 5章章 移动卫星通信系统移动

36、卫星通信系统（五）GPS导航系统系统结构空间段：由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成特定星座，高度20200km（截至2006年7月工作卫星总数已达29颗，有效载荷包括原子钟和导航电文存储器等6363第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统GPS系统的实时导航定位精度很高。美国在1991年7月1日实行了所谓的SA政策，即降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动(使伪距和相位的量测精度降低)。后又实行了A-S政策，将调制在两个载波上的伪随机噪声码P码(精码)改变为保密型的Y码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响。但美国

37、为了获得更大的商业利益，这些政策于2000年5月2日被取消。6464第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统GPS系统具有的主要特点是：第一，全球、全天候工作，能为用户提供连续实时的三维位置、三维速度和精密时间，且不受天气的影响；第二，定位精度高，单机定位精度优于10 m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级；第三，功能多、应用广，不仅在测量、导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且应用领域在不断扩大。6565第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统5.6.2 GPS定位方法GPS定位的实质是根据GPS接收机与其所观测到的卫星之间的距离和观测卫星的空间位置来求取接收机的空间

38、位置，而这些又是根据GPS卫星发出的导航电文计算出的包括位置、伪距、载波相位和星历等原始观测量，通过计算来完成的。根据计算GPS卫星到接收机距离的方法，大体可以分为伪距测量定位和载波相位测量定位两种基本定位方法。6666第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统系统工作原理测距信号结构基本定位原理伪随机码测距信号结构基本定位方法和数学模型1.伪随机码测距定位观测量的获取：扩频伪随机信号滑动相关接收码本地码6868第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统1.伪距测量定位若测量到3颗卫星的“距离”，联立3个距离方程则可求得用户的三维位置。由于接收机的本机钟对星载原子钟存在偏差，因此“

39、距离”不是卫星到接收机的真实距离，人们称之为伪距。为此，可以再测量一个到第4颗卫星的伪距，联立4个伪距离方程就可消除这个固定偏差求得用户的三维位置。6969第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统选取以地心为原点的直角坐标系，即WGS-84大地坐标系，根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图5-11所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间Dt，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下4个方程式：7070第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统(5-1)4042/1242

40、4243032/12323232022/12222221012/1212121)()()()()()()()()()()()()()()()(dVVczzyyxxdVVczzyyxxdVVczzyyxxdVVczzyyxxtttttttt71 71第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统图5-11 伪距测量定位示意图7272第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统其中，x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标，为未知参数；xi、yi、zi(i=1、2、3、4)为卫星在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得；Vti(i=1、2、3、4)为卫星的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vt0

41、为接收机的钟差，为未知参数；di=cDti(i=1、2、3、4)，di(i=1、2、3、4)为卫星到接收机之间的距离，Dti(i=1、2、3、4)为卫星的信号到达接收机所经历的时间；c为GPS信号的传播速度(即光速)。由以上4个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vt0。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。这是伪距测量定位原理。7373第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2.载波相位测量定位载波相位测量是测定GPS载波信号在传播路程上的相位变化值，以确定信

42、号传播的距离。若卫星Sj发射一载波信号，在时刻t的相位为jj(t)，该信号经下行传播到接收机k处，其相位为jk，则可计算出卫星到接收机间的距离为d=l(jjjk)=l(N0Dj)(5-2)式中，N0为载波相位jjjk的(t时刻)整周数部分；Dj是不足一周的小数部分；l为载波波长。7474第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统3.GPS定位方法分类GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：7575第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统1)根据定位所采用的观测值(1)伪距定位：由于所测距离总含有一个固

43、定的用户钟偏差，即为伪距，因此伪距法由此得来。伪距法所采用的观测值为GPS伪距观测值，既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位，一般用于车船等的概略导航定位；其缺点是观测值精度低，一般情况下P码伪距测量精度为0.2 m，C/A码伪距精度在2 m左右。7676第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统(2)载波相位定位：所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即载波L1(1575.42 MHz)、载波L2(1227.60 MHz)或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般

44、情况下可达1 mm或2 mm；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。7777第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2)根据定位的模式(1)绝对定位：又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于实时导航和精度要求不高的应用中。(2)相对定位：又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，相位观测量常用于大地测量或工程测量等领域。7878第第5 5章章 移动卫星通信

45、系统移动卫星通信系统3)根据获取定位结果的时间(1)实时定位：即根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。(2)非实时定位：又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位的方法。7979第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统4)根据定位时接收机的运动状态(1)动态定位：在进行GPS定位时，若接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的，则在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间变化的变量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。(2)静态定位：在进行GPS定位时，若接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的，则在数据处理时，将接

46、收机天线的位置作为一个不随时间变化的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式是多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时到数十小时不等。8080第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统4.GPS定位误差在GPS定位过程中，主要存在着三部分误差。第一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分是不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分是各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。81 81第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统5.6.3 GPS系统的组成

47、GPS系统包括三大部分：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。1.空间部分1)GPS卫星星座GPS由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(213)GPS星座，如图5-12所示。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55，各个轨道平面之间相距60。8282第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统图5-12 GPS卫星星座8383第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2)GPS卫星GPS卫星的作用：发送用于导航定位的信号，或用于其它特殊用途，如通讯、监测核暴等。GPS卫星主要设备为原子钟(2台铯钟、2台铷钟)、信号生成与发射装置。8484第第5 5章章

48、 移动卫星通信系统移动卫星通信系统3)GPS信号用于导航定位的GPS信号由载波(L1和L2)、导航电文和测距码(C/A码、P码、Y码)三部分组成。GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42 MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23 MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03 cm和24.42 cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有C/A码、P码、Y码和导航信息。8585第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统C/A码：又称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1.023 MHz的伪随机噪声码(P

49、RN码)，其码长为1023位，序列持续时间为1 ms，码间距1s，相当于300 m。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间距离的一种主要信号。P码：又称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10.23 MHz的伪随机噪声码，其码间距为0.1s，相当于30 m。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。Y码：是P码的加密型。8686第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统导航信息：被调制在L1载波上，其信号频率为50 Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数

50、和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置。导航信息也被称为广播星历(预报星历)，它是一种卫星星历，另外还有一种精密星历(后处理星历)。8787第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统导航电文：是用户用来定位和导航的数据基础。它包含卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层延迟改正、大气折射改正以及C/A码、P码等导航信息。8888第第5 5章章 移动卫星通信系统移动卫星通信系统2.地面控制部分GPS的地面控制部分(地面监测系统)的作用是监测和控制卫星运行，编算卫星星历，形成导航电文，保持系统时间，它由1个主控站、3个注入站和5个跟踪站组成，如图