6卫星技术课件_导航修改 2

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1、卫星技术,导航卫星,世界导航卫星系统,美国 GPS （Global Positioning System） 俄罗斯 GLONASS (GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)欧洲 “伽利略”（GALILEO）计划中国 北斗导航系统,世界导航卫星系统,GPS Overview,GPS（Global Positioning System） 即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统目的 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间：1973年完全建成时间：1994年GPS 由空间部分、地面控制部分和用户部分所组

2、成,GPS 系统的组成,空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪码和载波信号 提供其它辅助信息,地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨,用户部分： 接收卫星信号 获取距离、时间信息 记录处理数据 提供导航定位信息,GPS的空间部分,GPS卫星星座,21(工作卫星)+3(活动的备用卫星),6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55,保证在24小时，（在仰角15以上）能够同时观测到4至8颗卫星,medium Earth orbit,12小时（恒星时）轨道周期,GPS的空间部分,GPS卫星主要功能生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（调制在载波上

3、的测距码和导航电文）接收、存储导航电文接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯等。,GPS的空间部分,GPS卫星主要设备信号生成与发射装置原子钟（2台铯钟、2台铷钟）微处理机太阳能电池板,GPS的空间部分,GPS的地面监控部分,监测站：5个,注入站：3个,主控站:1个,GPS的地面监控部分,地面监控部分主控站：收集监测数据编发导航电文监控系统状态监测站：对卫星进行跟踪观测记录距离、时间、气象数据将数据传送到主控站,注入站：在卫星飞越上空时向卫星注入导航电文向卫星注入指令等,GPS用户部分,GPS信号接收机,手持型GPS机,车载型GPS机,大地测量型GPS接收机,GPS用户部分,GPS信号

4、接收机,导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备,GPS卫星信号构成,GPS卫星信号结构,GPS卫星信号,GPS卫星信号结构,每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率f0）两种载波 L1 L2 两种码信号 C/A码 （目前只被调制在L1上） P码 （被分别调制在L1和L2上）一组导航电文（信息码，D码）,GPS卫星信号,GPS卫星信号结构,GPS卫星信号的频率基准频率 f010.23MHz卫星信号的所有成分均是该频率的倍频或分频（整数倍或整数分之一倍）,GPS卫星信号,卫星（导航）电文（D码） 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息测距码伪随机噪声码（PRN P

5、seudo Random Noise）可复制。利用卫星发射的测距码和接收机复制的测距码进行比对，可确定卫星信号从卫星到目标的时间，从而确定卫星到目标的距离。,GPS卫星信号,测距码C/A码（Coarse/Acquisition Code） 粗码/捕获码；码长N=2101=1023bit码率f1.023Mbit/s码元宽度t0 1/f 0.97752 s 其波长为293.05m,由于C/A码码长较小，故易于捕获，（若以50bit/s的速度搜索，只需20.5秒便可），而且P码的捕获也需依靠C/A码的捕获，故称C/A码为捕获码。由于C/A码的码元宽度较大，当两组码元对齐误差为码元宽度的1/1001/

6、10时，引起GPS卫星至接收机的测距误差为2.9329.3m，精度较低，称C/A码为粗码。,GPS卫星信号,测距码P（Y）码（Precise Code） 精码码长N=6.1871041012 bit码率f10.23Mbit/s码元宽度t01/f 0.097752 s 其波长为29.305m,P码的测距误差为0.2932.93m（为C/A码的1/10），精度较高，称为精码,GPS卫星信号,载波作用搭载其它调制信号测距类型,载波波长远小于测距码码元长度（C/A码为293.1m，P码为29.31m，因此由载波测定卫星至目标间的距离更为精确。（目前，GPS接收机测定相位差的精度可以达到1/1001/1

7、000，对应于L1与L2的波长，则测距精度可以达到cm，mm级别。）,GPS测量定位,GPS测量定位,GPS测量定位原理,设GPS卫星Si在空间坐标系的坐标为（xi，yi，zi），（i1，2，3 n; n4)在目标点上安置GPS接收机，测得目标至可以收到信号卫星的距离为Di，则可列出数学方程组为：,解上述方程组，便可求得目标在空间坐标系中的坐标（x，y，z）,由于目标至可以收到信号卫星的距离需同时测得，要实现同步必须具有统一的时间基准，因此除了x,y,z外，还有时间t，共4个未知数，所以需测4颗以上卫星。,GPS测量定位,距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定,获得传播时间也就意味着接

8、收机获得了当前的GPS时间，因此，接收机可以利用GPS实现时间同步,GPS测量定位,测距原理,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值 =ct , 该值称为伪距，以伪距作基本观测量来求定点位的方法就称为伪距法定位,GPS测量定位,伪距法定位,为了解决定位问题，将伪距表示为卫星至接收机之间的实际距离表示为,设卫星钟的瞬时读数为 时发出信号，其正确的标准时刻为 ；该信号到达接收机的时间为 ，其正确的标准时刻为 。伪距测量中测得的时延为,若发射时刻卫星钟的钟差 ，接收时刻接

9、收机钟的钟差为 ，则有,从上两式可以得到实际距离 和伪距 之间的关系式为,伪距法定位,式中 是测距码从卫星到接收机的实际传播时间。再加上电离层折射改正 和对流层折射改正 ，此时卫星至接收机的实际距离为,GPS测量定位,将卫星和接收机的代入时延公式后，得到,伪距法定位,GPS测量定位,如果已知卫星的钟差和接收机的钟差，又可精确求得电离层折射改正和对流层折射改正，那么测定了伪距，就可求得实际距离。实际距离与卫星坐标（xi、yi、zi）和接收机坐标（x、y、z）之间又有下列关系：,式中的卫星坐标可以根据收到的卫星电文求得，所以上式中只包含有三个坐标未知数。这就是说，如果对三颗卫星同时进行伪距测量，就

10、可以求出接收机的位置。,伪距法定位,GPS测量定位,在实际应用中，我们将接收机的钟差 也视作未知数。因为要想知道精确的钟差，必须使用稳定度极高的原子钟，这在数目有限的卫星上可以办到；但在GPS接收机上都安装原子钟是不现实的。解决这一问题的办法，就是把接收机的钟差 也当作一个未知数来处理，为此就要求至少要同时测定四颗卫星的伪距，以便同时解出四个未知数：x，y，z， 。这样，伪距定位法的数学模型为,式中各符号的脚注i 表示观测的四颗（或以上）卫星的序号；第i颗卫星发射信号瞬间的钟差可以根据卫星导航电文中的时钟改正参数计算出来。当方程式的个数大于4时，可用最小二乘法求解接收机的坐标和时钟。,GPS测

11、量定位,卫星坐标的计算,导航电文中的星历参数,参考时刻的平近点角平均运行速度差轨道偏心率轨道长半轴的方根参考时刻的升交点赤经参考时刻的轨道倾角近地点角距升交点赤经变率轨道倾角升交距角的调和改正项振幅卫星地心距的调和改正项振幅轨道倾角的调和改正项振幅星历参数的参考历元星历数据的龄期,GPS测量定位,卫星坐标的计算,（xi，yi，zi）,根据导航电文中的星历参数可以计算卫星在协议地球坐标系中的空间直角坐标,GPS测量定位,载波相位测量原理,信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得

12、比伪距（C/A码或P码）定位高得多的精度,发自卫星的电磁波信号,L1载波,L2载波,C/A码,P码,GPS测量定位,载波相位测量原理,GPS测量定位,载波相位测量原理,测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成（1）初始整周未知数n；（2） t 0至ti时刻的整周记数Ci；（3）相位尾数i。为了利用载波相位进行定位，必须先解算出初始整周未知数，n需要通过一定的搜索算法才能获得；而一旦获得了n， Ci是接收机容易检测得到的；i是实际相位观测值。总观测值n+Ci+ i。 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n 由于实际观测值中存在钟差、电离层延迟等误差，真实距离需要借助一定的估

13、计算法（例如卡尔曼滤波）估计得到。,GPS测量定位,卫星轨道精确测量和预报（精密定轨）,利用GPS对卫星的轨道进行测量和预报，可以达到很高的精度，最高可达cm级（事后处理精度）。相对于传统借助于地面站的测轨方法，GPS定轨可以提高自主性。 按定轨所采用的方法，可分为运动学方法和动力学方法。其中前者纯粹依靠GPS测量值计算卫星相对于地面的距离和相对速度，而后者借助轨道动力学模型，将各种轨道摄动力考虑在内，可以获得很高的定轨精度。由于获得轨道动力学的精确模型比较困难，目前一般采用简化动力学模型，及考虑主要的轨道摄动力。 按实时性分类，可分为事后定轨和实时定轨。事后定轨是将星载GPS接收机的测量数据

14、下传到地面进行处理，获得定轨结果，由于地面处理能力强大，而且可以通过地面网络获得比星上更准确的星历，所以定轨精度较高，最高可达cm级。而实时定轨是星上直接处理获得定轨结果，一般可获得m级精度。,GPS定时（时间同步）,GPS测量定位,GPS卫星上都安装有四台原子钟，GPS时间与世界协调时UTC之差经常保持在1s以内。因此，GPS卫星可以成为一种全球性用户的时间信号源，用以进行精确的时间比对,在用GPS信号传递时间时，存在着三种时间尺度（时标）：其一为GPS时间，它是一种全球性的时间信号源，用以进行精确的时间比对；二是每颗GPS卫星的时钟；三是用户接收机的时钟。GPS定时的实质是测定用户时钟相对

15、于GPS时间的偏差，并根据卫星电文给出的有关参数，计算出世界协调时（UTC）,GPS定时,GPS测量定位,首先介绍在一个已知位置的测站上，用一台GPS信号接收机观测一颗GPS卫星，测定用户时钟偏差的简单原理。,设某颗GPS卫星在时刻 发射GPS信号初相，通过电离层和对流层所引起的附加时延 ，到达用户接收天线的时刻为 ，则GPS信号的传播时间为,式中 和 相对于GPS时间之差分别为,其中，,GPS定时,GPS测量定位,用户的时钟偏差,上式即为一站单机的定时方程式式中等号右端各参数均可根据卫星导航电文获取或算得。td为GPS信号的实际传播时间,由导航电文中的卫星坐标及本地测站坐标得到距离值，除以光速计算得到。,当同时观测4颗GPS卫星时，一站单机法可以在不知测站的情况下，同时测得用户时钟偏差和测站坐标。当时钟偏差为正值时，表示用户时间超前于GPS时间；为负值时表示用户时间落后于GPS时间,GPS定时,GPS测量定位,用户的时钟偏差若要求定时更加准确，可采用如右图所示的共视比对定时法，即在两个测站A和B上安一台GPS信号接收机，在相同的时间内观测同一颗GPS卫星。通过无线数据传输将测站A的用户钟差送到测站B，对两个共视用户的钟差进行比对，从而测定用户时钟的偏差。实验表明，两,