Lecture-17-GNSS系统进展及其新技术

第十七讲GNSS系统新进展及新技术张小红武汉大学测绘学院GPS定位原理及其应用一、GNSS概述„GNSS‰具有全球导航定位能力的卫星导航定位系统称为全球卫星导航系统，英文全称为GlobalNavigationSatelliteSystem，简称为GNSS。„现有全球卫星导航定位系统‰GPS‰GLONASS‰GALILEO‰中国北斗(COMPASS)1GPS‡GPS系统的概念构思和分析测试阶段（1973-1979）‡GPS系统发展建设阶段（1980-1989）‡GPS系统建成并进入完全运作能力阶段(1990-1999)9发射了多颗BlockII和BlockIIA卫星91993年实现24颗在轨卫星的满星座运行，达到初始操作能力（IOC）91995年实现完全操作能力(FOC)，即完全实现了军用目的的精密定位服务(PPS)，定位精度为10米。‡GPS现代化计划更新阶段（2000-2030）2GLONASS‡由前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS的整体结构类似于GPS系统，其主要不同之处在于星座设计和信号载波频率和卫星识别方法的设计不同。GLONASS1982-2007GLONASS-M2003-2013GLONASS-K2007-2022GLONASS-KM2015-…2GLONASS„欧洲自主的、独立的全球卫星定位导航系统„系统星座„GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，轨道高度为23616千米，轨道倾角56度。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。4中国北斗一号‡1994年，国家批准建设了我国第一代卫星导航定位系统。‡先后成功发射了3颗“北斗一号”导航试验卫星，在此基础上建成了中国“北斗一号”导航试验系统92000年10月31日（设计寿命8年）92000年12月21日92003年05月25日‡前两颗卫星构成了独特的“双星有源定位”系统，第三颗“北斗一号”是导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗一号”工作星组成了中国完整的第一代卫星导航定位系统4中国北斗一号‡北斗导航试验系统(北斗一号)是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统‡北斗导航试验系统是主动式双向测距二维导航,地面中心控制系统解算提供供用户三维定位数据9用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，军事上相当不利9设备需包含发射机，体积、重量、价格和功耗方面处于不利的地位二、GNSS系统升级、更新‡GPS现代化计划‡GLONASS更新‡北斗二代（CNSS)‡Galileo1GPS现代化计划‡保护（Protection）9采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰，增加GPS军用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS的军用无线电信号的强度。‡阻止(Prevention)9阻止敌方利用GPS的军用信号。设计新的GPS卫星型号（ⅡF），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频道L1、L2、L5(1.17645GHz)和军用频道L3、L4分开。‡维持/改善(Preservation)9改善GPS定位和导航的精度，在GPSⅡF卫星中增加两个新的民用频道，即在L2中增加CA码（2005年），另增L5民用频道（2007年）1GPS现代化计划GPS现代化实施之前2005年发射BlockIIR-ML2增加C/A码2006年发射BlockIIF增加L5,M码BlockIIA/IIRBlockIIIBlockIIR-M,IIFIncreasingSystemCapabilitiesŠIncreasingDefense/CivilBenefitGPSSatelliteModernization•BasicGPS•StdService(36m/77m/40nshorizontal/vertical/time)•Singlefrequency(L1)•Coarseacquisition(C/A)codenavigation•PreciseService(3.7m/5.3m)•Twofrequencies(L1&L2)•P-codenavigationIIR-M:IIA/IIRcapabilitiesplus•2ndcivilsignal(L2C)•Earthcoveragemilitarycode•Basicanti-jampower(+7dB)IIF:IIR-Mcapabilityplus•3rdcivilsignal(L5)Evolutionaryacquisition:•Increasedanti-jampower(+20dB)•Increasedaccuracy(1.2m/4.8m)•SatelliteCrosslinks•Controlledintegrity•Backwardcompatibility•Increasedsecurity•Assuredavailability•Systemsurvivability2GLONASS系统新进展GLONASSDeploymentProgram.HistoryandProgress.910121412121216262216131211891114141820202224240369121518212427301987198819891990199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005200620072008200920102011SatelliteinconstellationGLONASS-MFlightTest(7yearslife-time)GLONASS-KFlightTest(10yearslife-time)PlannedGLONASSdeploymentprogramaccordingtotheFederalProgramGLONASSInitialOperationCapability(12SV,3yearlife-time.DecreeofthePrsidentof29.09.93№658рпс).由于克服了卫星的寿命短的难题，在2011年实现24颗星座的部署2GLONASS系统新进展‡GLONASS系统星座现状GLONASSconstellationstatus,27.10.2011Totalsatellitesinconstellation27SCOperational23SCIncommissioningphase1SCInmaintenance2SCSpares1SCIndecommissioningphase-3北斗二代卫星导航定位系统‡北斗二代卫星导航系统(CompassNavigationSatelliteSystem,CNSS)9中国北斗导航系统空间段计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务•geostationaryorbit(GEO)•inclined(55°)geosynchronousorbit(IGSO)•andacircular21,500kmmediumearthorbit(MEO)3北斗二代卫星导航定位系统‡2007年4月14日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星(ＣＯＭＰＡＳＳ－Ｍ1)送入太空。该卫星是中国北斗导航系统（ＣＯＭＰＡＳＳ）建设计划的一颗卫星，飞行在高度为21500千米的中圆轨道‡followedbyCompass-G2in2009.‡Fivemoresatelliteswerelaunchedin2010,‡andfourandfivesatelliteshavebeenscheduledtobelaunchedin2011and2012respectively.3北斗二代卫星导航定位系统‡2011年4月10日，我国成功将第八颗北斗导航卫星送入预定轨道，这颗卫星与2010年发射的5颗导航卫星共同组成“3+3”基本系统(即3颗GEO卫星加上3颗IGSO卫星)‡经一段时间在轨验证和系统联调后，基本具备向我国大部分地区提供初始服务条件‡2011年7月27日，将第九颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，这是系统组网的第四颗倾斜地球同步轨道卫星‡2011年12月2日，将第十颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。这是系统组网的第五颗倾斜地球同步轨道卫星‡2012年2月25日，中国将第十一颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道，这是一颗地球静止轨道卫星Public NameLaunch DateLaunch CetreLaunch VehicleOrbitBeidou1Beidou1A31 Oct 00XichangCZ‐3AGEO 80°EBeidou1B21 Dec 00XichangCZ‐3AGEO 140°EBeidou1C25 May 03XichangCZ‐3AGEO 110.5°EBeidou1D2 Feb 07XichangCZ‐3AGEO 58.75°EBeidou2 (CNSS)Compass‐M114 Apr 07XichangCZ‐3AMEO ~21,500kmCompass‐G215 Apr 09XichangCZ‐3CGEO (failed)Compass‐G117 Jan 10XichangCZ‐3CGEO 144.5°ECompass‐G32 June 10XichangCZ‐3CGEO 84.7°ECompass‐IGSO11 Aug 10XichangCZ‐3AGSO, 55°incl.Compass‐G41 Nov 10XichangCZ‐3CGEO 160°ECompass‐IGSO218 Dec 10XichangCZ‐3AGSO, 55°incl.Compass‐IGSO310 Apr 11XichangCZ‐3AGSO, 55°incl.Compass‐IGSO427 July 11XichangCZ‐3AGSO, 55°incl.3北斗二代卫星导航定位系统‡aglobalnavigationsatelliteconstellationconsistingoffiveGEOsatellites(58.75°E,80°E,110.5°E,and140°E)and30IGSOandMEOsatelliteswillbedeployedby2020.‡Thenetworkwillbeabletoprovidea5maccuracy2Dpositioningmeasurement(or8maccuracy3Dmeasurement)forglobalusers,withimprovedsecurityandtextmessagingcapacity.3北斗二代卫星导航定位系统北斗某段时间的可用性情况3北斗二代卫星导航定位系统024681012141618202224-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.08hourmeterGPS+COMPASSdEdNdU024681012141618202224-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.08hourmeterGPSdEdNdUrms(dE)=0.006mrms(dN)=0.005mrms(dU)=0.009mrms(dE)=0.007mrms(dN)=0.007mrms(dU)=0.015m短基线相对精密动态定位结果比较4GALILEO系统建设动态‡ESA’sfirsttwonavigationsatellites,GIOVE-Aand–B,werelaunchedin2005and2008respectively.‡On21October2011camethefirsttwooffouroperationalsatellitesdesignedtovalidatetheGali