13 全球卫星导航定位系统

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1、现代通信技术进展第十三讲：全球导航卫星系统一、全球导航卫星系统概述美国、俄罗斯、日本和欧洲决定在 19981999年期间采用一种被称为 (全球导航卫星系统)的用于地球同步的 增强性卫星系统。它包括:美国的宽域增 强性系统(),前苏联的 ,日本的多功能传输卫星( ),欧洲的欧洲全球导航卫星覆盖业务( )以及由70多个签约国组成的条约组 织操纵的通信卫星 。开发系统的宗旨 开发系统的宗旨就是为 了综合利用所有的导航卫星的信 息,提高系统的精度、可靠性及安 全性。系统目前现状为: +。 GNSS预定演变进程 FANS-II/3会议提出 的分阶段实方案演进1993年9月提出的进程第一阶段1995年GP

2、S或GLONASS（第 一步）第二阶段1996年GPS或GLONASS（第 二步）第三阶段2000年GPS或GLONASS+某些 民用导航星第四阶段2010年+更多民用导航星 实现民用GNSS星座GNSS建成后的空间星座GPS系统G星群是由美国国防部操作的,现 已全部稳定工作。这个星群由20000 高度6个轨道上的24颗卫星组成。从而在 任何时间、任何地方都能观察到511颗 星。使用一种频率和若干编码来 访问不同的卫星。它可以在全球范围内 免费为所有的用户不间断的提供定位、 定时业务 。GPS系统当前执行 的可选择机能() 是限制未经许可和非 军事用户的高定位精 度的一种手段。一旦 传递卫星轨

3、道参数时 ,就会影响测试, 从而在计算用户的位 置和速度时导致精度 的劣化。 GPS标准星座GPS卫星卫星的任务 卫星的主要任务就是传送信号。GPS卫星 共24+3颗，这些卫星都被配置在运转周 期为12小时的环形轨道上，每个轨道分 布4颗卫星，卫星离地面高度20230公里 ，轨道平面倾角55度，每颗卫星都以两 种频率不断发播随机编码，1575.42 MHz 的伪码L1可以传播两种代码，一种是C/A 码，另一种是P码。频率为1227.6MHz的 伪码L2只传播 P码。地面站 地面站的任务是完成一系列数据处理。该 网络由分布在全球的一系列无人值守站组 成（5个监控站，3个注入站，1个主控站 ），来

4、自卫星的信号被接收并传送到网络 之中，进行一系列数据分析，并将GPS时 间与UTC进行比对，由主站对卫星控制设 备进行信号编码校正和改变信号顺序，然 后将校正后的数据发送给卫星。SA政策随着定位精度的不断提高,使它的发 明者美国越来越感到焦虑的是倘若作为军事应 用的话,敌方部队完全有可能利用来对付 美国自己的部队。为了避免这种搬起石头砸自 己脚的情况发生,地面控制站便有意地将一些卫 星计时和位置误差引入到了卫星的传输信号之 中。这种策略被称为选择可用性(),它可以 在90%的时间内将商业用户和未授权用户的使 用精度降低到100,这个精度对于一般的导航 应用来说是可以接受的,但对于武器发射和弹药

5、 投放来说则是远远不够的。 的未来美国国家科学 研究委员会()1995年6月 提交的一份报告中强烈建议取 消,建议使用其它特定的选 择性技术来防止敌方使用 ,同时要设法增强对非军事用 户的吸引力。 美国政府已经决定于2000 年取消SA干扰。系统星群是由俄军操作的, 在1996年也已全部完成了部署。这个星群 由大约19800高度的24颗星组成,并且 在任何时间、任何地点都能观察到511 颗星。使用一种编码和几 种频率访问不同的卫星。该系统可提供近 似30定位精度(95%的机率)的标准定位 业务()。 1995年美国林肯实验室在联邦 航空局的资助下,曾对 的健康状况、数据质量可用 性、系统地面段

6、遥测监控和上行 注入状态等内容进行检测,其结论 是可以得到的位 置质量和没用的相当 。参数GPSGLONASS信 号 结 构C/A码速率(MHz)1.0230.511C/A码元长度m）293587C/A码SA影响有无P码速率(MHz)10.0235.11P码元长度（m）29.358.7P码保密（AS）有无信号分配制码分多址 频分多址载波频率MHz1575.42 1227.601602+0.5625K 1246+0.4375K 1K24GNSS信号结构GNSS卫星分布卫 星 分 布个数2424轨道平面数63轨道平面上卫星个数4，不均匀分 布8均匀分布轨道倾角55o64.8o轨道半径(km)265

7、6025510运行周期11h58m11h15m参 考 系时间UTCUTC坐标系WGS-84PE-90GNSS定位精度定位模式系统配置CEPDGPS+DGLONASS 差分GPS+差分GLONASS 50cmDGLONASS差分GLONASS1mDGPS差分GPS50cmGPS+GLONASSGPS+GLONASS7mGLONASSGLONASS单独使用8mGPSGPS单独使用25mGNSS信号结构 GPS和GLONASS都使用 两个频段，L1和L2。 在L1频段上分布的随机 码，GPS叫做C/A码。 GLONASS叫做标准码。 GPS和GLONASS都以 50bit向用户接收机发送 卫星轨道概

8、略坐标。 GPS和GLONASS伪随 机码的周期都是1ms. GPS和GLONASS信号 不同之处在于他们识别 卫星的方法不同，GPS 采用码分多址工作， GLONASS采用频分多 址工作。两种GPS接收机二、卫星导航的发展历史 无线电导航 卫星定位系统 GPS发展历史无线电导航系统 罗兰-C：工作在100KHZ，由三个地面 导航台组成，导航工作区域2000KM，一 般精度200-300M。 Omega（奥米茄）：工作在十几千赫 。由八个地面导航台组成，可覆盖全球 。精度几英里。 多卜勒系统：利用多卜勒频移原理， 通过测量其频移得到运动物参数（地速 和偏流角），推算出飞行器位置，属自 备式航位

9、推算系统。误差随航程增加而 累加。卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（ Transit），1958年研制，64年正式投入使用。 由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度 较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星 的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供 连续的实时三维导航，而且精度较低。 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维 导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了 GPS计划。GPS实施计划共分三个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫 星。研制了地面接收机及建立地面跟踪 网。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从

10、 1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验 卫星，研制了各种用途接收机。实验表 明，GPS定位精度远远超过设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4 日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明 GPS系统进入工程建设阶段。1993年底 实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建 成，今后将根据计划更换失效的卫星。三、卫星导航系统的应用 军事应用 在安防领域中应用 在公共安全方面的应用军事应用 在海湾战争中，美军部队不仅许多飞机、舰艇 、坦克等大型装备和导弹等武器系统配有 “GPS”装备，而且还于1990年10月一次性花费 550万美元，紧急配备了数千部手提式“GPS接 收机”，为地面

11、部队引路、清雷、会合、火力 支援等发挥了重要作用。由于美国空军部队配 备了大量GPS接收机，在浩瀚的沙漠环境、极 度缺乏地标的情况下，给作战飞机提供了精确 的位置信息，确保了精确轰炸和导航定位的实 施，大大提高了部队的作战效能。军事应用 GPS系统可提供连续实时的高精 度三维位置和速度信息，对军用 飞机的空中侦察、机队会合、武 器投掷、伞兵定点空降；为空中 指挥、控制、计算机、通信和情 报（即C4I系统）提供精确时间 基准和同步坐标；为协同作战、 近距支援等创造良好条件。 在安防领域中应用 GPS 车辆监控系统是主要的应用，一 是安全报警、防盗反劫，二是车队管理 、调度指挥。而现已建成的网络中

12、 至少 有近三分之二是用于安防领域的，其中 以银行金融运钞车占的份额最大，其次 是公安巡警车、消防车、救护车等。少 数城市，如上海与北京等地的出租车都 用上了，虽然它们的网络数目不多，但 每个网络所包容的车辆数目均 达数千辆 之多GPS在公共安全方面的应用能够使用GPS的服务部门有：公安警察保安 部门、公路管理与服务部门、汽车俱乐部特车 辆和危险品运输部门 、军事强力部门，以及政 府的安全情报机构等。GPS 车辆监控系统带来 的好处有： 减少响应时间实现快速反应； 增加人身安全，减少不必要的伤害； 增强 社区服务，做到及时到位； 降低调度中心 的工作强度和压力，做到有的放矢； 加强 了系统管理

13、和控制，增加经济与社会效益； 改进对实际事件和情况的判断和评估能力，有 利于正确决策 .福建省公众GPS车辆定位服务系统 由福建省移动通信公司、闽邮通信有限 公司、上海三吉电子工程公司共同组建 的“福建省公众GPS车辆定位服务系统” 将最新的GSM全球数字蜂窝移动通信技 术和GPS导航星全球定位技术、GIS地理 信息技术以及计算机网络技术相溶合， 具有机动车辆的调度、管理、防盗、防 抢、救助等功能。福建省公众GPS车辆定位服务系统的功能 有机动车辆的调度、管理、防盗、防抢 、救助等功能，生产和指挥调度系统的 管理、调度等功能需要。它使用GPS系统 来解算车的位置；利用车中的GSM蜂窝 电话，向

14、监控中心报告车的状态、位置 信息；中心的GIS地图监控系统将显示车 的准确位置；受过训练的专业人员为你 提供管理、调度、救生、咨询等服务， 使司机的生命安全和车辆安全得到保证 ；对集团用户则能提高车辆的运营效率 ，降低运营成本。 系统说明 福建省公众GPS车辆定位服务系统”结 构图 福建省公众GPS车辆定位服务系统”网络 图 福建省公众GPS车辆定位服务系统”服务 中心通过广域网与邮电GSM短消息中心 连网，通过分布式数据库技术实时更新 车辆的信息。一旦车辆发出遇劫、被盗 等警情时，服务中心将车辆位置信息及 警情信息通过广域网送110指挥中心，由 公安部门处警。其他车辆服务请求，由 服务中心处理。 GIS监控调度软件提供如下功能1.地图无级放大、缩小； 2.地图任意平移、切换； 3.显示模式任选； 4.几十种图层任意调用； 5.图形编辑； 6.监控方式选择； 7.各种信息（地理目标信息、车辆信息等 等）查询； 8.监控车辆选择接收； 9.各种数据统计、管理； GIS监控调度软件提供如下功能 10.各种操作在线帮助； 11.各种应急方案设定与预演（为指挥、 调度提供方便）； 12.车辆运行轨迹重现； 13.行车路线预先设定，若车辆偏离时可 发出提示 14.各种行车记录统计与分析； 15.最短路径与最佳路径的选择； 16.接警、处警管理； 17.各监控终端权限管理。