1、全球定位系统全球定位系统(GPS)(GPS) 全球定位系统(GPS)*全球定位系统(Global Positioning System )： 全称为定时与测距的导航卫星系统，它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，使在地球上任何地方的用户，都能计算出他们所处的方位，以构成全球定位系统。 发展： 1973年11月美国国防部授权研制； 1973年1979年，方案论证和初步设计阶段； 1979年1984年，全面研制和试验阶段； 1989年1993年，实用组网阶段； 1993年2月23日GPS星座完成； 1995年全面投入使用GPS在民航的应用：*航路导航终端非精密进近终端精密进近一、GPS的组成*(一
2、)空间GPS卫星(二)地面控制站组(三)用户设备(一)空间GPS卫星1、卫星配置：6424，轨道倾角55 高 度：20230KM2、卫星组成：无线电收发机、天线、 原子钟、计算机等3、工作频率：L11575.42MHZ L21227.60MHZ4、两种码：C/A码和P码5、铯和銣原子钟：精度为10141012秒(二)地面控制站组1、1个主控站2、5个监测站3、3个注入站 地面控制站组框图 监测站的作用： 对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据，并采集当地的气象等数据，数据处理机处理收集到的数据，定时将处理后的数据送往主控站。 主控站的作用： 采集数据，编辑导航电文，诊断功能，调整卫星轨道。
3、 注入站的作用： 将主控站发送来的卫星星历和钟差信息注入到卫星的存储器中。(三)用户GPS接收机1GPS导航仪分类 按载体分按用途分按通道数分：单通道、多通道按静动态分：静态精密测量型、实时动态测量型按码分：C/A码接收机、P码接收机按接收载频分：单频和双频接收机汽车导航仪 具备笔记本PC的基本功能，可以方便地驳接网络、发送传真和数据通信；并且内置GPS接收器，提供GPS天线接口，装载定位导航软件，利用接收到的GPS卫星信号为车辆提供全天候、全时域位置信息，并可以在屏幕上显示当时车辆运行情况。 用户可以预先自定义行进路线、路旁标记和航路点，保存预先设定的路线或已走过的路线，以便再次查询。通过查
4、询电子地图，用户能了解某地区的地理环境和交通状况，增加对未来旅途的预测，当发现了一些原地图中没有的道路，可以通过“记录新路”来更新地图。 GPS手持机 陆用型： 一般没有内置地图，主要利用航路点记录，选择相应航路点可自动生成路线。空用型： 提供全球空域图和地域图，灵敏度极高，适用于在高速行进的飞机中定位；海用型： 内置全球海图，超大屏幕，提供可固定在船体上的配套支架和天线。 2GPS接收机的基本组成 天线单元：由天线和前置放大器组成，天线有定向天线、偶极子天线、微带天线、螺旋天线等。接收单元：信号通道、存储器、处理器等显示控制单元：电源： 3GPS接收机性能指标：并行通道 消费类GPS设备有2
5、5条并行通道接收卫星信号；GPS接收器大多数是12并行通道型 ；。 定位时间： 对于12通道接收器，如果你在最后 一次定位位置的附近，冷启动时的定位 时间一般为35分钟，热启动时为15 30秒，而对于2通道接收器，冷启动时大 多超过15 分钟，热启动时为25分钟。 定位精度： 无SA，大多数GPS接收器的水平位置 定位精度在20m30m左右； 有SA，水平精度在100m之内的概率是 95%，高度在300m之内的概率是95%。 L1（t）=ACC(t)D(t)sin(2f1t+c)+APP(t)D(t)cos(2f1t+p1)L2(t)=ApP(t)D(t)cos(2f2t+p2) 式中， P（
6、t）,C(t)-P码和C/A码； AC，Ap-振幅； D（t）-导航数据码。 信号由L波段的载频进行双相调制（或称移相键控BPSK）。卫星上由稳定的钟频5.115MHz经倍频产生的两个载波L1和L2频率为f1=1575.42MHz=15410.23MHzf2=1227.6MHz=12010.23MHz 使用两个载频，是为了对电离层产生的附加延时进行双频校正。 C/A码和P码是两个伪随机噪声（PRN）序列。C/A码为粗测/捕获码，仅调制在L1载波上，码周期短（1ms），码率低（1.03MHz），码长小（1023bit），不同结构的码类较少，因而抗干扰性和保密性较差，测距精度较低。但对其搜索所需时
7、间少（约82s），因而用它做搜捕码，以便快速捕捉卫星信号。P码为精密码，调制在L1和L2载波上，码周期长（7天），码率高（10.23MHz），码长大（6187104106bit），码类多，因此用做精测距、抗干扰及保密的军用码。* 导航数据码D（t）采用不归零的二进制码，每个二进制码位宽度20ms，码率50b/s。 数据码脉冲D（t）,称为基带信号。二进制码位宽度T=20ms，因此，基带信号的带宽。先调制到PRN码（P码和C/A码）上，然后对L波段的载频L1和L2进行双相调制（BPSK）。由于对载波信号采用了BPSK扩频调制技术，使其频带变宽，P码和C/A码的频带宽度分别为20.46MHz和2.
8、046MHz。 由于GPS信号采用扩频技术，使卫星发射的输出功率分配在较宽的频带上，到达地面的C/A码的功率谱密度为-160dBW, P码的功率谱密度为-163dBW,信号完全淹没在环境噪声（-136dBW）中,减小了信号被检测和被窃听的可能性。同时要求，要对信号进行解扩，必须在接收机中设置同样结构的伪码作伪码跟踪，利用伪码优良的相关特性及可复制性，对扩频信号进行相关接收。三、GPS的工作原理*空间定位：要实现精确定位，要解决两个问题：其一是要确知卫星的准确位置；其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离。 确知卫星的准确位置：*将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接
9、收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。 准确测定卫星至地面的距离：*距离速度时间(D=vt)速度光速30万公里(R=Ctr)测量时间?(一)三星定位原理 * R=Ctr同时对三颗卫星测量，则： R1=Ctr1 R2=Ctr2 R3=Ctr3 由R1、R2、R3得到三个位置面，联立求解，舍去不合理值，用户的位置便可以确定。问题的提出： 如果卫星时钟和用户时钟有钟差t，这时测得的延时应为tr，而对应的距离为R，并不是真正电波传播的延时tr及卫星和用户之间的距离R。距离R称为伪距： R=C tr=C trC t=R C t出现钟差的原因： 卫星采用原子钟，用户采用石英钟。采用三星定位
10、时，方程组为： 可见，该方程有X、Y、Z和 t四个未知数，四个未知数需四个独立方程。由数学方法知道，四个未知数需四个独立方程。即： 求解方程组，便得到用户精确位置。 (三)卫星定位的步骤*1、以卫星作为时空基准点；2、测量出定位参数时间，建立位置面 或导航定位方程；3、求解用户位置 基本过程 导航电文公布卫星轨道参数 计算卫星的直角坐标 接收机测定用户到四颗卫星的伪距 计算四元方程组求 用户直角坐标 用户直角坐标转换为用户地理坐标四、卫星信号观测方程（一）测码伪距观测方程（二）测相伪距观测方程 测相伪距观测，是一种不需要获取P码信息的情况下取得精确观测的技术途径。由于GPS信号载波频率高，波长
11、短，如果能精确获取卫星到接收机之间载波信号与本振参考信号的相位差，就可以精确进行测量，其精度可以达到厘米、甚至毫米级的测量精度。 与测码伪距测量相比而言，测相伪距测量的主要好处在于接收机误差较小，在静态相对定位时，经过长时间的观测和数据后处理，定位误差一般小于110mm。而且在多径影响较小的环境下，多径造成的误差通常小于0.25，载波相位测量的误差明显要比伪距小许多。但是，就目前的研究成果来看，要在高动态的情况下，实时快速解算整周模糊和周跳的算法和技术还不成熟,目前该项技术还在进一步研究之中。在LAAS系统中，计划采用相位平滑伪距差分技术，以获取在高动态情况下，实时定位精度小于1米的定位结果，
12、为飞机提供精密进近服务。 三、GPS的误差*(一)GPS误差的主要表现 测距误差。(二)引起GPS测距误差的因素 主要包括与卫星有关的误差、信号传播误差及观测和接收设备引起的误差。(三)GPS误差的种类 1、时钟误差 2、星历误差 3、电离层延时误差(是电波相位传播速度变化产生的附加延时误差，采用双频校正法校正) 4、对流层延时误差(是GPS信号在对流层传播时速度发生变化引起的附加延时误差，采用气象模型进近修正) 5、几何误差 6、设备误差五、GPS的信号特征*1、能进行准确的伪距测量，且无多值性；2、能进行准确的多普勒测量，以便提取速度信息；3、能提供双频测量，以测量出电离层延时量；4、能提
13、供足够的数据信道来发射卫星星历、时钟修正信息以及其他必要信息：5、能提供两种信号，C/A码和P码；6、具有较强的抗干扰能力。六、GPS的特点*(一)GPS的优点 1、具有全球、全天候、连续导航能力； (能提供连续、适时的三维空间坐标、速度 和精密时间，并具有良好的抗干扰能力) 2、具有高精度；(10米；3cm/s；1020ns) 3、满足各类用户；(导航、交通管理、探测 搜索、农业、森林防火等) 4、连续输出，更新率高；(每秒一次) 5、用户设备简单，购置费低(二)GPS的缺点*1、GPS卫星工作于L波段，电波入水能力 差，不能用于潜艇导航； 2、GPS完好性和报警能力不足，对卫星 的一些软故
14、障要在很长时间后才能发 出故障状态信息； 3、整个系统的维护费用太高； 4、GPS在某些地区的连续服务性不足。七、衡量GPS的性能参数* 1、定位精度 2、完好性：是指卫星信号故障或引起误差的事件能及时检测出来并及时报警的能力。 3、可用性：指在卫星的全球覆盖、连续工作下使所有区域的飞机在各飞行阶段一开始就能收到四颗以上的卫星信号，能求出定位解概率，一般要求大于0.99999。 4、连续服务性 单靠GPS星座本身是不能满足完好性可用性和连续服务性的要求。八、美国早期的GPS政策1、SA政策控制非授权用户得到高精度而采用的方法。通过和两种技术实现 ：扰乱卫星星历数据，将卫星传播的GPS卫星轨道参
15、数的精度降低，从而使定位精度下降。 ：对卫星的基准信号(10.23MHz)加以改变，人为引入一个伪随机抖动信号，周期几分钟，从而使所有的派生信号(载波、伪噪声、数据码)都出现高频抖动，载波抖动造成测速误差，而伪距时钟抖动造成测距误差。2、AS政策反电子欺骗手段针对非授权用户的P码接收机GPS通过加密手段将P码转换成Y码信号，非授权用户无法接收频率的信号，不能进行双频电离层修正，从而降低用户的定位精度。九、GPS的现代化应用GPS现代化计划中的军事部分GPS现代化计划中的民用部分GPS现代化计划中的军事部分 1、增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。2、在GPS信号频道上，增加新的
16、军用码（M码），要与民用码分开。M码要有更好的抗破译的保密和安全性能。3、军事用户的接收设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能。4、创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。GPS现代化计划中的民用部分 1、改善民用导航和定位的精度；2、扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性；3、提高导航的安全性，如增强信号功率，增加导航信号和频道；4、保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；5、注意和现有的和将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容。 美方拟采取的措施：在一年一度评估的基础上，决定是否将SA信号强度降为零；在L2频道上增加第二民用码，即CA码；增加L5民用频率，这
17、有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。GPS现代化计划的进程安排现代化计划的进程安排 GPS现代化第一阶段现代化第一阶段 发射12颗改进型的GPS BLOCK R型卫星，它们具有一些新的功能。 既能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；R型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。 GPS现代化第二阶段现代化第二阶段 发射6颗GPS BLOCK F。GPS BLOCK F型卫星除了有上面提到的GPS BLOCK R型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频
18、道。GPS F型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗 F型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以F卫星运行，共计24+3颗。 GPS现代化计划的第三阶段现代化计划的第三阶段 发射的GPS BLOCK 型卫星，在2003年前完成代号为GPS 的 GPS完全现代化计划设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPS 型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPS 的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPS 计划，取代目前的GPS 。 全球卫星导航系统(GLONASS)一
19、、GLONASS系统的发展：第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空；共发射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星；截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行俄政府计划用4年时间将其更新为Glonass-M系统二、GLONASS系统的组成：1、 GLONASS 卫星 星座：83配置，11小时15分，64.8 高度：19100KM 载波：L1=1,602+0.5625k(MHz) L2=1,246+0.4375k(MHz)，k=124为 每颗卫星的频率编号 工作方式：采用频分多址(FDMA) 无线电通道：军用高精密通道(
20、CHA) 民用的标准精密通道(CSA) 2、 GLONASS地面站 一个系统控制中心，一个指令跟踪站3、用户设备 输出：位置、速度、时间三、GPS与GLONASS系统的比较：全球卫星导航系统(GNSS) 全球导航卫星系统GNSS是一个全球性的位置和时间测定系统，当前GNSS有两大系统： 美国的全球定位系统(GPS) 俄罗斯的全球轨道导航卫星系统 (GLONASS)GNSS的发展：ICAO的GNSS五步体制进程欧洲策略GNSS分两步走国际移动卫星组织(INMARSAT)的四步发展计划我国民航采用GNSS的分阶段目标ICAO的GNSS五步体制进程：1、利用GPS或GLONAS (1995年前)2、
21、利用GPS加GLONAS (1996年开始)3、利用GPS加/或GLONAS加INMARSAT-3静止卫星导航重叠 (1997年开始)4、再加发民间导航卫星 (2000年以后)5、组成民间GNSS星座 (2010年左右)欧洲策略GNSS分两步走：1、欧洲的共同策略 GNSS1和GNSS22、欧洲静止卫星导航重叠服务(EGNOS) 利用静止卫星(GEO)扩展到静止卫星广播区域内的区域增强服务(RAAS)3、远期GNSS国际移动卫星组织(INMARSAT)的四步发展计划：1、INMARSAT静止卫星导航重叠(IGO)计划2、 INMARSATP的中轨道(ICO)通信/导航双用途卫星计划3、国际卫星
22、导航服务(ISNS)我国民航采用GNSS的分阶段目标：1、在航路、终端区和非精密进近作为补充导航手段使用；2、在I类精密进近作为补充导航手段使用；3、在航路、终端和非精密进近作为单一导航使用；4、 I类精密进近作为单一导航手段使用。 在所有飞行阶段都能利用GNSS作为单一导航手段使用的条件下，可以撤销全部陆基导航设施。卫星导航的增强应用空间增强地面增强机载增强卫星导航的地面增强广域增强系统(WAAS)本地增强系统(LAAS)实例：中国民航的措施RAIM+GAIM广域增强系统(WAAS)美国联邦航空局(FAA)的WAAS计划日本运输省的WAAS计划澳大利亚民航局的WAAS计划印度的WAAS计划欧
23、洲三联体的RAAS计划 (欧洲联盟EU、欧洲空间局ESA、欧洲安全航行组织EUROCONTROL)本地增强系统(LAAS)伪卫星技术差分技术 差分GPS(一)、差分GPS(DGPS)的工作原理 在地面已知位置设置一个地面站，地面站由一个GPS差分接收机和一个差分发射机组成。差分接收机接收卫星信号，监测GPS误差，并按规定的时间间隔把修正信息发送给用户，用户用修正信息校正自己的测量数据或位置数据(二)差分设备的组成1、地面设备 GPS接收机 数据处理中心 数据传输设备2、机载设备 GPS接收机 校正数据接收机 飞行管理系统(二)实现差分GPS的方法1、位置修正法 2、伪距修正法(三)、差分GPS
24、修正的误差 DGPS可以完全消除共有误差(包括时钟误差星历误差、电离层附加延时误差和电离层附加延时误差等)，但用户设备的固有误差不能消除。DGPS的主要误差源是噪声和多路径干扰误差。组合导航：*无线电-惯性导航系统卫星导航-惯导系统1、GPS和INS组合导航的优点： (1)、改善系统精度 (2)、提高了抗干扰能力 (3)、解决了GPS动态应用采样频率低的问题 (4)、降低了对INS的要求 (5)、系统用途更广2、GPS/INS组合方式 (1)、松散组合 (2)、紧密组合 (3)、深度组合美国联邦航空局(FAA)的WAAS计划组成： 两个主控站 上行注入站 24个基准站返回日本运输省的WAAS计
25、划在多功能运输卫星(MTSAT)的基础上，部署一个日本国土和近海的WAAS。组成：两个主控站和上行注入站，56个基准站。在MTSAT上搭载导航转发器实现WAAS电文广播。MTSAT1于1999年发射， MTSAT2将于2004年发射。返回澳大利亚民航局的WAAS计划澳大利亚新西兰大洋洲海域的WAAS。组成：两个主控站和两个导航站，十个基准站。首先利用INMARSAT的印度洋卫星作WAAS电文广播，将来利用澳大利亚自己的AUSAT卫星。返回印度的WAAS计划提出建立八个监测台发展WAAS的两步计划。首先做到能提供完好性监测和提高可用性；19982000年提高精度到满足I类精密进近着陆用，并和国际
26、联网。返回欧洲三联体的RAAS计划欧洲全球导航重叠系统(EGNOS)计划，它是GNSS1计划的一部分。组成：覆盖欧洲、西亚、非洲大陆，以及大西洋印度洋地区的地面监测和差分台网(RAAS)及静止卫星导航重叠。与美国WAAS计划相似，两者一起形成全球最大的两个WAAS系统。返回思考题：1、GPS的组成？其具体各部分怎样？2、GPS如何工作？3、GPS有何特点？4、GPS的误差表现在哪方面？主要误差有哪些？5、衡量GPS的性能参数有哪些？6、卫星导航的增强手段有哪些？地面增强有哪些？7、何为差分？有哪些方法可以实现？发展：第一阶段：19731979，方案论证、理论研究和总体设计； （GPS的构思来源
27、于1958年的海军导航卫星系统，该系统于1964年建成供美军方使用，1967年投入民用，共6颗极地轨道卫星组成）第二阶段：19791984，全面研制和实验阶段，发射了7颗Block1实验卫星 ；第三阶段：19891993，实用组网阶段。三个阶段共投资300多亿美圆。 返回GPS卫星的发展：BLOCKI：1978年到1985年共发射11颗BLOCKI卫星，轨道倾角63，卫星高度20183KM，设计寿命4.5年；BLOCKII：1989年到1990年共发射9颗，轨道倾角55，卫星储存数据及自治能力两星期；BLOCKIIA： 1990年到1994年共发射15颗，轨道倾角55，卫星高度20230KM，
28、卫星上具有通信能力，并有反光镜，有利于地面激光跟踪；BLOCKIIR：采用氢原子钟，提高数据通信能力，卫星轨道调整能力和自治能力更强。返回 一个主控站：在美国科罗拉多州的斯平士（Colorade Spings）的联合空间执行中心 三个注入站：位于大西洋的阿松森岛Ascension、印度洋的Diego Garcia,太平洋的Kwajalein。采用S波段向卫星发射注入主控站送来的导航电文。在主控站和三个注入站分别各设有一个，另外在夏威夷有一个。 返回 卡西欧手表式GPS 返回返回卫星配置：6424，轨道倾角55高 度：20230KM返回卫星组成：无线电收发机、天线、原子钟、计算机等返回返回(Xi,Yi,Zi,Ti)(X,Y,Z)Ri返回返回返回返回返回电离层延时误差的消除：传播速度变化和传播路径曲折影响的结果；校正：双频校正法 A/f2 L2L1A（1/fL221/fL12）A/ fL12 (fL1/fL2)21)L1 (fL1/fL2)21)返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回北京主控站监测站昆明监测站乌鲁木齐监测站哈尔滨监测站拉萨监测站广州监测站公用电话交换网返回返回返回返回大大降低不能降低返回返回
