第4章-GNSS系统概述

——四大全球卫星导航系统概述1一、GPS系统二、GLONASS系统三、伽利略系统四、北斗系统2美国GPS欧盟伽利略俄罗斯GLONASS中国北斗3一、全球定位系统（GPS）1、GPS的演进与发展2、系统组成3、信号结构4、导航电文5、美国的GPS政策4世界上第一个成功运行卫星导航系统：美国海军导航卫星系统(NNSS)，亦称子午仪(Transit)系统。1964年投入使用。该系统基于多普勒频移原理实现定位，不能连续定位，且定位时间长，精度低。70年代，与苏联军备竞赛（冷战）升级，美军需要在全球范围内连续、实时、精确导航。GPS正是在这种背景下应运而生的。1973年4月，美国DOD批准研究创建全球定位系统（GPS）。5美国海军是卫星导航试验的先驱◦首先从原理上改进子午仪系统，提出了用伪码测距来代替多普勒测速的构想。海军在NOVA卫星上试验了伪码测距技术。◦1967年、1969年和1974年相继发射了3颗中高度蒂麻森(TIMATION)卫星，用铯原子钟代替石英钟获得成功，又于1977年发射了两颗导航技术卫星NTS-2和NTS-3(GPS系统的第一颗卫星)。◦GPS系统时的标准是美国海军天文台的铯原子频标组。6第一阶段：可行性研究（1973-1978）◦利用安装在地面的信号发射器代替卫星，通过大量实验证实GPS接收机能够精确定位；◦并发射GPS试验卫星。第二阶段：系统试验研究，部分可用（1979-1984）◦特许用户获得全球二维定位功能。第三阶段：应用研究，密集发射，全球可用（1985-1995）◦建成完整星座；◦全球民用免费；◦进入全面运行能力（FOC，FullOperationalCapability）状态。78BLOCKIBLOCKIIBLOCKIIA9GPS设计有两种工作能力：◦初始工作能力(IOC,Initialoperatingcapability)和军用完全工作能力(FOC,FinalOperatingCapability)。◦1993年，当星座已布满24颗GPS卫星时，美国国防部正式宣布GPS具有IOC能力。◦1995年，在24颗工作卫星在指定的轨道正常运行，而且经过海湾军事实践证实后，美国国防部宣布系统具有了FOC能力。GPS是冷战的产物，历经20年，耗资100亿美元，是继人类登月和发明航天飞机后在空间领域的又一个重大成就。10背景◦信息技术进步◦军事对GPS性能要求更高◦民间和商业用户不断增长的应用需求◦来自GLONASS、Galileo、北斗等系统的竞争目的◦保护美国及其盟国对GPS的军事应用◦阻止敌对方使用GPS◦保持民用GPS导航的和平利用11重点：开发高性能的新型导航信号（1）军用方面：增加发射M型军用信号，具有更好的保密、安全、抗干扰性能；卫星具有更高速率和更为精确指向的星间链路；具有高功率点波束发射天线。（2）民用方面：提高导航定位的准确性、完好性、连续性、有效性，兼容其他GNSS。取消SA政策，增加L2C、L5C和L1C三个民用信号，增加信号发射功率。12研发新一代军用GPS接收机，提高GPS的抗干扰能力。增强或视情关闭GPS发射信号，以防止GPS信号战时受干扰或被他国利用。改善地面设备。更新GPS地面测控设备，增加地面测控站的数量；用新的数字接收机和计算机来更新专用的GPS监测站和有关的地面天线；采用新的算法和软件，提高测控系统的数据处理与传输能力等。13GPSBLOCKIIRGPSBLOCKIIMGPSBLOCKIIFGPSBLOCKIII14实施GPSⅢ计划GPSⅢ将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道和静止轨道卫星组成。GPSⅢ全部卫星在轨运行将在2015-2020年实现。与现有GPS相比，GPSⅢ具备如下特点：信号发射功率将提高100倍信号抗干扰能力提高1000倍以上授时精度将达到1纳秒定位精度提高到0.2-0.5米15第一阶段：增加播发民用L2C和M码信号，其中L2C在2016年全面运行。第二阶段：增加播发L5C信号，2020年全面运行。第三阶段：增加播发L1C信号。16GPS系统主要由三部分组成：空间部分、地面测控部分、用户终端。17空间部分是由广播导航信号的多颗卫星组成的星座。GPS星座由24颗工作卫星组成。实际在轨卫星数在30颗左右。GPS卫星分布在6个倾角为55°的轨道面上，每个轨道有4颗卫星。GPS卫星属于地球中轨（MEO）卫星，卫星轨道平均高度约20200km，运行周期约11小时58分钟，即半个恒星日。卫星信号从20200km的高空发出后，大约需要70ms时间到达地面。A、空间部分18GPS每颗卫星向地球中心发射信号，其信号波束主要集中在45°角度范围内。地面上任意一点、任何时间都有足够多的卫星，供接收机使用。GPS系统可全天为全球任何地方提供4～8颗仰角在15。以上的同时可观测卫星。如果将遮蔽仰角降到10。，有时则昀多可观测到10颗卫星。若将遮蔽仰角进一步下降到5。昀多可同时见到12颗卫星。考虑了卫星的容错性能，如果某一个轨道面上的一颗卫星发生故障而失效，GPS星座可以保证接收机正常解算。19GPS空间部分20地面测控部分由1个主控站，5个全球监测站和4个地面控制站（注入站）组成。主要任务是：◦跟踪所有的卫星以进行轨道和时钟测定；◦预测修正模型参数；◦卫星时间同步；◦为卫星加载导航数据电文等。2122GPS地面测控基地的分布情况a．主控站主控站早期位于加州范登堡空军基地，现迁到位于科罗拉多州斯普林斯福尔肯(Falcon)空军基地的空间联合工作中心(CSOC)。◦CSOC从各监测站收集跟踪数据，◦计算卫星的轨道和时钟参数；◦并将这些结果送到3个地面控制站中，以便向卫星加载数据；◦卫星控制和系统工作也是主控站的责任。23b．监测站5个监测站分别设在：夏威夷、科罗拉多斯普林斯、阿森松岛(南大西洋)、迭戈加西亚岛(印度洋)和夸贾林环礁(北太平洋马绍尔)群岛。◦监测站均配有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星伪距的接收机。◦所测伪距每1.5s更新一次，利用电离层和气象数据，每15min进行一次数据平滑，然后发送给主控站。24c．地面控制站(注入站)地面控制站有时也称作地面天线(GA)，它们分别与设在阿森松、迭戈加西亚和夸贾林的监测站。◦由主控站传来的卫星星历和钟参数通过S波段射频链上行注入到各个卫星。◦以前上行注入是每天3次，现在则每天一次或两次。◦如果某地面站发生故障，各卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度却会逐渐降低。25GPS信号的三个信号层次：载波、伪码、数据码26GPS空间星座部分与用户设备部分之间的信号接口包括：L1、L2、L5三个射频链路◦L1=154*f0=1575.42MHz◦L2=120*f0=1227.60MHz◦L5=115*f0=1176.45MHz其中，基准频率f0=10.23MHz，由卫星上的铯或铷原子钟产生，日稳定度约为10-13L1、L2、L5信号全部采用右旋圆极化（RHCP）。2728GPS现代化后将播发以下八个信号：四个民用信号◦(1)传统L1C/A(Coarse/Acquisitioncode)◦(2)L2C◦(3)L5C◦(4)L1C四个军用信号◦传统L1P(Y)◦传统L2P(Y)◦L1M◦L2M29GPS是一个码分多址（CDMA）的直接序列扩频通信系统：◦实现高抗干扰能力的保密通信；◦进行卫星识别（CDMA技术）；◦完成精密的单程伪码测距。信息经二进制编码后与伪码(C/A码和P码)通过模2加运算，进行扩频，再将扩频后的码对载频进行二进制相移键控(BPSK)后发射给用户。30卫星扩频码采用两种伪随机码：C/A码和P码。◦C/A码率为f0／10=1.023Mcps；◦P码码率为f0=10.23Mcps；◦在反电子欺骗A-S执行时，密钥码W（码率为0.5115M）主要用来将P码加密成Y码(W+P=Y)。31主要用来计算卫星位置和时间。卫星向用户广播的导航电文数据码主要包括：①卫星星历（轨道参数）及星钟校正参数；②测距时间标记；③大气附加延迟校正参数（主要是电离层）；④其他与导航有关的信息，包括系统健康信息等。四类导航电文：NAV、CNAV、CNAV-2，MNAV32传统L1C/A携带的NAV电文33GPS的两类定位服务标准定位服务（SPS）面向民用。目前在一个载波L1上提供精度较低的C/A码信号。精密定位服务（PPS）面向美国军事部门和经过美国政府特许的用户。目前，在L1和L2两个载波频率上调制了高精度的P(Y)码。34军用优先原则（1）L2波段上不播发C/A码信号，避免民用使用双频；（2）军用P(Y)码的码宽比C/A码窄10倍，定位精度高。抗恶意欺骗干扰措施（A-S措施，Anti-Spoofing）军用使用超长周期的P码，并进行加密（Y码）。选择可用性政策（SA政策，SelectiveAvailability）在卫星基准时钟上人为引入一个高频抖动，或修改卫星星历参数，故意降低C/A码定位精度。1990年启用，2000年取消。选择失效（SD）技术当国家安全受到威胁时，使用陆基干扰源干扰民用GPS，来中断某一地区的民用定位服务，但军方和盟友依然可用GPS。35GPS系统昀初主要是为军方设计的，同时兼顾民用和商用。国防部研制GPS的昀初目的：◦①用于武器的精密投放。◦②统一标准，防止军用导航系统种类大量增加。美国军方明确宣布：◦P码只供美国及其盟国军事和特殊用户使用◦C/A码无差别地供世界民用用户使用。36GPS的昀初试验结果表明，P码接收机的水平定位精度为10m(50％概率)但出人意料的是，C/A码接收机的定位精度也达到了20米(50％概率)。因此，美国军方十分担心敌方利用C/A码对美国国家的安全构成威胁。为此，美军方决定在GPS卫星上(从BLOCK-Ⅱ开始)增加选择可用性措施，简称SA，人为降低C/A码定位精度。37SA是一种通过抖动星钟(δ-过程)和扰动星历数据(ε-过程)达到降低C/A码标准定位服务精度的人为措施。◦卫星钟影响时间（测距）精度，星历数据影响卫星位置精度，两者都是用户获得高精度定位的决定性因素。美国国防部(DOD)规定的在SA情况下的SPS精度为：◦水平位置精度100m(2σ)，垂直位置精度156m(2σ)◦测速精度0.3m/s(2σ)◦定时精度340ns(2σ)。38SA政策δ过程：人为的在GPS卫星的基准信号（10.23MHz）上引入一个抖动的变化由于基准信号是所有卫星信号（载波、伪码、电文数据码）的振荡源，所以对测距精度有直接的影响。39ε-过程：人为的降低卫星广播星历的精度，导致卫星位置坐标计算不出精确的结果。卫星位置误差会直接影响用户机定位误差。下图给出了有SA和没有SA时的径向轨道误差。由图可见，在有SA时，卫星轨道的径向偏差的幅度在50～150m之间。40然而，实施SA并不能阻止民用用户逐渐掌握和使用P码，因此美国军方又出台了所谓A-S（anti-spoofing）措施，即反欺骗措施。◦将P码通过W码加密为Y码；◦避免了敌方用复制或发射P码信号，对美国的P码GPS接收机进行欺骗干扰的可能性；◦同时又使敌方设计的P码接收机再不能直接定位。1994年1月31日，A-S已经永久性的接通。41（1）限制政策损害了民用用户的利益，降低了对GPS的信任，妨碍了GPS应用的推广，这和美国的经济利益是不相符合的。（2）民用和国际组织开发了各种差分系统◦不但可以完全消除SA措施的影响◦获得比PPS更高的精度◦改善卫星导航服务的完善性42（3）俄罗斯的卫星导航系统GLONASS的卫星星座布署完备。（1995年底）◦虽然它本质上是一种军事系统，然而民用服务中没有类似于SA的措施，精度比GPSC/A高；◦打破了美国垄断卫星导航的局面，迫使GPS处于竞争状态。（4）欧洲考虑到自己的利益，已决定建设民用的G