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1、1 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.08卫星导航卫星导航王王 伶伶Email: Email: 西北工业大学电子信息学院西北工业大学电子信息学院无线通信与导航实验室无线通信与导航实验室2014.112014.112 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.082Overview1. 1. 全球卫星导航系统简介全球卫星导航系统简介2. 2. 卫星导航定位基本原理卫星导航定位基本原理3. GPS3. GPS系统组成系统组成4 4. . GPS GPS信号组成及特点信号组
2、成及特点5 5. . 信号捕获信号捕获6 6. . 信号跟踪信号跟踪7. 7. 定位原理定位原理8. 8. 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展3 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.081 1 全球卫星导航系统全球卫星导航系统n导航定义导航定义 NavigationNavigation源源于于海海洋洋中中船船舶舶的的航航行行，起起初初人人们们通通过过罗罗盘盘和和天天文文等等手手段段对对航航行行在在海海洋洋中中的的船船舶舶进进行行导导向向和和领领航航，后后来来发发展展到到陆陆地地车车辆辆以以及及空空中中飞飞行行器器的
3、的领领航航，NavigationNavigation逐逐渐渐被被译译成成“导导航航”4 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.081 1 全球卫星导航系统全球卫星导航系统n导航定义导航定义导导航航确确定定当当前前位位置置和和目目标标位位置置，并并参参照照地地理理、环环境境信信息息修修正正航航线线、方方向向、速度，抵达目的地的手段速度，抵达目的地的手段 定位定位导航导航定位定位+ +制导制导（参照）（参照）= =导航导航定位方法有定位方法有多少，导航多少，导航方法就有多方法就有多少少5 Northwestern Polytechni
4、cal University 王伶 / 2014.07.081 1 全球卫星导航系统全球卫星导航系统美国美国GPS欧盟伽利略欧盟伽利略俄罗斯俄罗斯GLONASSGLONASS中国北斗中国北斗6 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.081 1 全球卫星导航系统全球卫星导航系统到到20202020年，四大系统卫星在轨数量变化情况年，四大系统卫星在轨数量变化情况 20202020年年GPSGPS3636颗颗GLONASSGLONASS3030颗颗北斗北斗3535颗颗GALILEOGALILEO3030颗颗7 Northwestern
5、Polytechnical University 王伶 / 2014.07.082 2 卫星导航定位基本原理卫星导航定位基本原理经典导航定位经典导航定位D128 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.082 2 卫星导航定位基本原理卫星导航定位基本原理跟踪站跟踪站1 跟踪站跟踪站2跟踪站跟踪站3 跟踪站跟踪站n未知点未知点9 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.082 2 卫星导航定位基本原理卫星导航定位基本原理(X1-Ux)2+(Y1-Uy)2+(Z1-Uz)2=
6、( c(T1-Cb)2(X2-Ux)2+(Y2-Uy)2+(Z2-Uz)2=(c(T2-Cb)2(X3-Ux)2+(Y3-Uy)2+(Z3-Uz)2=(c(T3-Cb)2(X4-Ux)2+(Y4-Uy)2+(Z4-Uz)2=(c(T4-Cb)2XiXi、YiYi、ZiZi第第i i颗卫星坐标颗卫星坐标UxUx、UyUy、UzUz用户待定坐标用户待定坐标c c 为光速为光速Ti Ti 接收机接收信号的时间长度接收机接收信号的时间长度Cb Cb 用户接收机钟差用户接收机钟差10 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3
7、GPS系统组成系统组成GPS定位系统包括三大部分：（1）地面监控部分；（2）空间卫星部分；3）用户接收部分。11 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -地面监控部分地面监控部分 地面监控站在GPS定位系统试验阶段和工作阶段有所不同。试验卫星的地面监控站由设在范登堡空军基地的一个主控站、一个注入站和一个监测站及其它地方的四个检测部分组成。 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。 12 Northwestern Polytechnical Un
8、iversity 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -地面监控部分地面监控部分 1. 1.主控站的作用主控站的作用 主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传播等设备，其主要作用如下： 1）收集数据 收集各监测站获得监测的伪距和伪距差观测值、卫星时钟和工作状态数据、气象、监测站自身状态以及参考星历等数据。 2）数据处理 根据所收集的前述数据计算各卫星的星历、时钟改正、卫星状态、大气传播改正等，并将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将导航电文及时传送给注入站。 3）监测与协调 主控站一方面承担控制和协调各监控站与注入站的工作，另一
9、方面还要监测整个地面监控系统是否正常，检验注入卫星的电文是否正确，监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户。 4）控制卫星 修正卫星的运行轨道，调用备用卫星去接替失效卫星的工作。13 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -地面监控部分地面监控部分 2. 2.监控站的作用监控站的作用 监控站是无人值守的数据自动采集中心，其位置经精密测定。主要设备包括1台双频接收机、一台高精度原子钟、一台电子计算机和若干台环境数据传感器。监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的
10、伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据。利用环境传感器测出当地的气象数据。然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态数据传送给主控站，为主控站编算导航电文提供可靠的数据。 14 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -地面监控部分地面监控部分 3. 3.注入站的作用注入站的作用 注入站是无人值守的工作站，设有3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机。其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。 地面监控系
11、统的工作程序方框图如下图所示：15 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分 1.GPS 1.GPS卫星星座卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星。 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min 保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星 16 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系
12、统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分 1.GPS 1.GPS卫星卫星 作用： 发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置 17 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分 1.GPS 1.GPS卫星卫星 类型类型 试验卫星：试验卫星：Block Block 工作卫星：工作卫星：Block Block Block Block Block A Block A Bloc
13、k R Block R Block F Block F（新一（新一代的代的GPSGPS卫星）卫星）18 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分19 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分 第一代卫星现已停止工作。 第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。Block A的功能比Block 大
14、大增强，表现在军事功能和数据存储容量。Block 只能存储供45天用的导航电文，而Block A则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。 第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。20 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成-
15、 -空间部分空间部分21 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分Block 卫星卫星22 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分Block 卫星卫星23 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组
16、成- -空间部分空间部分Block R卫星卫星24 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分25 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分GPS卫星星座（卫星星座（ =35 ， =90 ）26 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 G
17、PS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分27 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -空间部分空间部分28 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组成- -用户部分用户部分29 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.083 GPS3 GPS系统组成系统组成n系统组成系统组
18、成- -用户部分用户部分 用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。 GPS GPS信号接收机信号接收机按用途的不同，可分为导航型、测地型和授时型等三种。按携带形式的不同可分为袖珍式、背负式、车载式、舰用式、空（飞机）载式、 弹载式和星载式等七种。按工作原理可分为码接收机和无码接收机，前者动态、静态定位都能用，后者只能用于静态定位。按使用载波频率的多少可分为单频接收机（用一个载波频率L1）和用两个载波频率（L1、L2）的双频接收机，以双频接收机为今后精度定位的主要用机。按型号分，种类就更多，计约160个厂家
19、生产出几百种不同牌（型）号的接收机。30 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点GPS信号的组成 GPS信号的产生 GPS信号的作用 GPS信号的调制与解调31 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成 GPSGPS卫星信号由卫星信号由载波载波、测距码测距码和和导航电文导航电文三部分组成三部分组成。GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了
20、如下因素： （1）适应多用户系统要求。 （2）满足高精度定位需要。 （3）满足实时定位要求。 （4）满足军事保密要求。32 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成 33 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -载波载波 作用作用p搭载其它调制信号p测距p测定多普勒频移类型类型p目前lL1 频率：
21、 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cmlL2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cmp现代化后lL5 频率： 115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm34 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -载波载波 载波特点：载波特点：所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率
22、有关）35 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -随机噪声码随机噪声码 表达某种信息的一组二进制的数码序列。码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为50。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。特点：（1）非周期性序列，无法复制； （2）自相关性好。对提高GPS测距精度有利。码元可以表示为0、1为幅度的时间函数36 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 20
23、14.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -随机噪声码随机噪声码 GPS采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random NoicePRN）简称伪随机码或伪码。特点：具有随机码的良好自相关性和互相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。伪随机码是由一个“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。37 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -随机噪声码随机噪声码 GPS卫星所采
24、用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。C/A码：是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=210-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1= 0.97752s,（ f1为基准频率f0的10分之1，1.023 MHz）,相应的距离为293.1m。周期为Tu= Nu/tu= 1ms，数码率为1.023Mbit/s。C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的100分之1，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码。38 Northwestern Polyte
25、chnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -随机噪声码随机噪声码 C/A码的生成39 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -随机噪声码随机噪声码 P码采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu2.351014比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752 s， 相应的距离为29.3m。周期为Tu= Nutu 267d，数码
26、率为10.23Mbit/s。实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为 7天，码长约6.19 1012比特），其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。40 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的
27、组成信号的组成- -导航电文导航电文导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。41 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -导航电文导航电文42 Northwestern Polytechnical University 王伶 /
28、 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -导航电文导航电文每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当卫星注入新导航电文后才得以更新。123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特43 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特
29、点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -导航电文导航电文TLMHOW数据块1 ：时钟修正参数TLMHOW数据块2 ：星历表TLMHOW数据块2 ：星历表TLMHOW数据块3 ：卫星历书等TLMHOW数据块3 ：卫星历书等12345一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特44 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -导航电文的内容导航电文的内容遥测字（TLMTelemetry WORD）位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文
30、的前导。交接字（HOWHand Over Word）紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间记数，表示下一子帧开始瞬间的GPS时。数据块1：含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信息（1）卫星钟改正参数a0、a1、a2分别表示该卫星的钟差 、钟速和钟速变化率。任意时刻t的钟改正数为t=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)245 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点n
31、GPSGPS信号的组成信号的组成- -导航电文导航电文（2）参考历元t0e为数据块1的基准时间，从GPS时星期六/星期日子夜零时起算，变化于0-604800s之间。（3）数据龄期AODA表示基准时间t0e与最近一次更新星历的时间之差，主要用于评价钟改正数的可信程度。（4）现时星期编号WN：表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。数据块2：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据一般称为卫星星历。数据块3：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供GPS卫星的概略星历及卫星的工作状态信息，称为卫星历书。46 Northwestern Polytechn
32、ical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的组成信号的组成- -导航电文导航电文GPS载波信号L1载波GPS测距码C/A码P码导航电文卫星的星历卫星工作状态时间系统卫星钟运行状态轨道摄动改正大气折射改正L2载波GPS卫星信号47 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的产生信号的产生- -基准频率基准频率GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在
33、同一个基本频率 f0 =10.23MHz的控制下产生。48 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的产生信号的产生49 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的调制信号的调制模二和 二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则50 Northwestern Polytechnical University 王伶
34、 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的调制信号的调制二进制信号的相位调制 调相51 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的调制信号的调制GPS中的三种信号将按下图的线路进行调制，然后向全球发射。卫星信号的调制原理52 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的解调信号的解调码
35、相关法p 方法将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。p 技术要点卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。p 特点限制：需要了解码的结构。优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）卫星信号的生成接收机重建载波53 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的解调信号的解调平方解调技术：将接收到的卫星信号进行平方，由于处于1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。采用这种方法，
36、可不必知道调制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。54 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS接收机工作原理接收机工作原理55 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS接收机工作原理接收机工作原理56 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.
37、07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS接收机工作原理接收机工作原理57 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点n测距码测距原理测距码测距原理距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定信号传播时间的测定58 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点n载波测距原理载波测距原理59 Northwestern Polytechnical
38、University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点n载波测距原理载波测距原理理想情况实际情况60 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点n载波测距原理载波测距原理观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）61 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的观测（伪距）信号的观测（伪距）Received sig
39、nal, driven by satellite clock TsModel signal, driven by receiver clock TGPS Satelliteclock, TsTransmitted signal of known code (either C/A or P code)GPS Receiverclock TrP=c(Tr-Ts)PseudorangeAntenna62 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的观测（伪距）信号的观测（
40、伪距）63 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.084 GPS4 GPS信号组成及特点信号组成及特点nGPSGPS信号的观测（载波）信号的观测（载波） 测量卫星发射的载波和接收机同样的载波之间的相位差，求得空中的距离。 观测值为小于一周的相位差， 整周数N待定。 相位差中包含卫星钟钟差与接收机钟钟差。 卫星发射的载波到达接收机接收机产生的载波64 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.085 GPS5 GPS信号捕获信号捕获n捕获目的捕获目的v为了能让接收机跟踪环路
41、成功地跟踪GPS卫星信号，接收机内部所复制的载波和C/A码信号必须与接收信号吻合到一定程度；v而捕获的目的正是为了获取所有可见卫星的载波频率和码相位的粗略估计值。三维搜索过程卫星搜索方向多普勒频移搜索方向码相位搜索方向65 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.085 GPS5 GPS信号捕获信号捕获n捕获关键参数捕获关键参数1 1. .数据长度数据长度 三个因素：a. 导航数据位跳变 b. C/A码多普勒效应 c. 计算量2.2.频率搜索步长频率搜索步长 频率搜索步长的最大值是单次相关运算数据长度的倒数，或者更小的频率值。3.3
42、.码相位搜索步长码相位搜索步长 步长不超过1/2码元66 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.085 GPS5 GPS信号捕获信号捕获n串行捕获算法串行捕获算法基本思想：串行捕获方法基于接收到的卫星信号与本地产生伪码序列及本地载波的乘积。串行捕获流程图 串行搜索算法以一定的步长遍历所有可能的多普勒频移，同时在每个频率单元内遍历所有的码相位，数据量和运算量非常巨大。 由于搜索范围非常大，该算法的一个主要缺点就是捕获速度慢，比较耗时。但是该算法复杂度低，易于硬件实现。67 Northwestern Polytechnical Uni
43、versity 王伶 / 2014.07.085 GPS5 GPS信号捕获信号捕获n并行频率捕获算法并行频率捕获算法并行频率捕获 基本思想：解扩输入信号，确定信号频率。 如果相位对准的本地C/A码与输入信号相乘，输入信号就变成了连续的载波，这个过程称为解扩。右右图图是是本本地地伪伪码码与与接接收收信信号号伪伪码码完完全全对对齐齐时时的的乘乘积积，结结果果是是一一个个连连续续波波信信号号。只只有有当当本本地地伪伪码码与与接接收收信信号号伪伪码码完完全全对对齐时才会如此。齐时才会如此。68 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.085
44、 GPS5 GPS信号捕获信号捕获n并行码相位捕获算法并行码相位捕获算法基本思想：利用傅里叶变换实现接收信号与无相移的伪码信号的循环相关。1.1.输输入入的的中中频频信信号号与与本本地地产产生生的的载载波波信信号号相相乘乘，得得到到 、 路路两两路路正正交交信信号号，获获得得复数信号复数信号 。2.2.对第一步得到的复信号作对第一步得到的复信号作FFTFFT。3.3.对本地伪码作对本地伪码作FFTFFT，取共轭。，取共轭。4.4.将第二步和第三步的结果相乘，并将乘积作将第二步和第三步的结果相乘，并将乘积作IFFT.IFFT.5.5.对对第第四四步步的的IFFTIFFT结结果果取取模模后后平平方
45、方，输输出出的的时时域域信信号号的的模模值值即即为为输输入入信信号号与与本本地地伪伪码码的的相相关关结结果果，将将结结果果进进行行门门限限判判决决，若若有有足足够够的的峰峰值值超超过过了了门门限限值值，则则捕捕获获成成功功。尖尖峰峰对对应应的的位位置置为为接接收收信信号号的的码码相相位位，此此时时本本地地载载波波的的频频率率值值就就是是信信号号的的载载波波频率。若无超过门限的尖峰出现，需重新设定本地载波频率，重复以上步骤。频率。若无超过门限的尖峰出现，需重新设定本地载波频率，重复以上步骤。基于循环互相关的捕获算法流程如下：基于循环互相关的捕获算法流程如下：69 Northwestern Pol
46、ytechnical University 王伶 / 2014.07.085 GPS5 GPS信号捕获信号捕获n并行码相位捕获算法并行码相位捕获算法并行码相位捕获流程图70 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.085 GPS5 GPS信号捕获信号捕获n性能分析性能分析捕获速度 串行捕获：串行频率串行码相位，最慢 并行频率捕获;串行码相位并行频率，次之 并行码相位捕获;串行频率并行码相位,速度较快， 捕获精度 1.串行捕获，并行频率捕获的码相位搜索精度可以调节 2.串行捕获、并行码相位捕获的频率搜索步长都可以调节71 Northw
47、estern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.085 GPS5 GPS信号捕获信号捕获n性能分析性能分析捕获成功捕获失败输入：1号扩频信号；指定捕获1号信号72 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n跟踪目的跟踪目的载波频率估计值码相位估计值GPS测量值信号跟踪阶段：信号跟踪阶段：信号跟踪环路：信号跟踪环路：载波跟踪环路 载波剥离载波剥离/ /解调解调码跟踪环路 码剥离码剥离/ /解扩解扩组合工作组合工作73 Northwestern P
48、olytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n载波跟踪环路载波跟踪环路v 载波环的目的是尽力使其复制的载波信号与接收到卫星信号载波信号相一致，从而通过混频机制彻底地剥离卫星信号中的载波。v科斯塔斯环低动态环境下最常用的载波环。滤波后滤波后鉴相算法：鉴相算法：此处默认码此处默认码已剥离干净已剥离干净74 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n载波跟踪环路载波跟踪环路相位锁定环（PLL）频率锁定环FLL75
49、Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n载波跟踪环路载波跟踪环路环路滤波器环路滤波器-二阶滤波器二阶滤波器滤波器参数设置：自然振荡频率W、阻尼因子、噪声带宽二阶滤波器示意图二阶滤波器示意图76 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n载波跟踪环路载波跟踪环路可跟踪频率斜升和频率二次斜升信号FLL与PLL同时工作，无需频率判决环路滤波器环路滤波器-二阶二阶FLLFLL辅助三阶
50、辅助三阶PLLPLL77 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n载波跟踪环路载波跟踪环路闭合FLL，粗调载波频率（四相鉴频算法四相鉴频算法）闭合PLL2，精调载波相位（四象限反正切四象限反正切）环路失锁？Y高动态环境下的载波跟踪算法高动态环境下的载波跟踪算法闭合PLL3，精调载波相位Pll_time=100Pll_time=50078 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟
51、踪n码跟踪环路码跟踪环路高动态：载波辅助超前超前-滞后滞后延迟锁定环延迟锁定环（DLL）码跟踪环简称码环，其主要功能是保持复制C/A码与接收C/A码之间的相位一致，从而得到对接收信号的码相位及其伪距的测量。79 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n码跟踪环路码跟踪环路码相关示例（原理）码相关示例（原理）（a）（b）80 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n码跟踪环路
52、码跟踪环路实际鉴相算法实际鉴相算法码环鉴相器输出：即归一化的超前减滞后功率归一化的超前减滞后功率选择这种算法的原因是因为它同时利用了同相和正交支路，性能独立于PLL。归一化消除了鉴别器对幅度的敏感性，使鉴别器可以适用于不同信噪比和不同信号强度的信号。 81 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.086 GPS6 GPS信号环路跟踪信号环路跟踪n码跟踪环路码跟踪环路GPSGPS接收机信号跟踪环路的内部结构和信号流程接收机信号跟踪环路的内部结构和信号流程82 Northwestern Polytechnical University
53、王伶 / 2014.07.087 GPS7 GPS位置解算位置解算接收机在捕获、跟踪接收信号后，它接着要对信号进行位同步和帧同步处理，接收机在捕获、跟踪接收信号后，它接着要对信号进行位同步和帧同步处理，从接收信号那里获得信号发射时间和导航电文，并最终实现从接收信号那里获得信号发射时间和导航电文，并最终实现GPS定位。定位。卫星定位解算模型卫星定位解算模型-加权最小二乘算法WLS定位结果83 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.087 GPS7 GPS位置解算位置解算加权最小二乘算法定位模型加权最小二乘算法定位模型权值的选择：权值
54、的选择：84 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.087 GPS7 GPS位置解算位置解算WLS的结果主要分布在-5-+5之间，一部分值在-10-+10之间，只有极为个别的值超过-15-15区间；RLS的计算结果主要分布在-10-+10之间，有些值甚至-15-+15超过了 。WLS的定位误差要比RLS小，性能更好。理论对比分析理论对比分析WLS WLS 和和RLSRLS85 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.087 GPS7 GPS位置解算位置解算WLSWLS定
55、位效果要优于定位效果要优于RLSRLS实际效果对比分析实际效果对比分析WLS WLS 和和RLSRLS86 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.087 GPS7 GPS位置解算位置解算定义：通常我们用精度因子DOP表示误差的放大倍数，接收机也常常会把DOP作为一个技术指标在最后的定位结果中输出。DOP值的应用：选星策略伪卫星定位精度因子定位精度因子DOPDOP87 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n基
56、本原则基本原则兼容性兼容性开放性开放性自主性自主性渐进性渐进性88 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n发展趋势发展趋势第一步：验证系统第一步：验证系统第二步：扩展的区域导航系统第二步：扩展的区域导航系统第三步：北斗全球导航系统第三步：北斗全球导航系统89 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n第一步：北斗卫星导航试验系统第一步：北斗卫星导航试
57、验系统实实验验验验证证系系统统共共发发射射3 3颗颗GEOGEO卫卫星星，系系统统能能够够提提供基本的定位、授时和短报文通信服务供基本的定位、授时和短报文通信服务90 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n北斗试验系统的特点北斗试验系统的特点北北斗斗实实验验系系统统服服务务区区域域为为东东经经70-14070-140度度，北北纬纬5-555-55度，定位精度优于度，定位精度优于2020米米91 Northwestern Polytechnical University
58、王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n北斗试验系统的特点北斗试验系统的特点“北北斗斗一一号号”集集定定位位、授授时时和和报报文文通通信信为为一一体体，解解决决了了“WhoWho，WhenWhen，WhereWhere”的的相相关关问问题题。实实现现了了位位置置报报告告、态态势势共共享享。GPSGPS和和GLONASSGLONASS系系统统只只解解决决何何时时、何何地地的定位和授时问题的定位和授时问题授授时时精精度度高高。北北斗斗一一号号”系系统统的的单单向向授授时时精精度度达达100100纳纳秒，双向定时精度达到秒，双向定时精度达到2020纳秒
59、纳秒实实现现分分类类保保障障。可可划划分分使使用用等等级级范范围围，具具有有优优先先权权调调配和能力集成功能配和能力集成功能92 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n第二步：扩展的区域导航系统第二步：扩展的区域导航系统由由由由14141414颗卫星组成，体制采颗卫星组成，体制采颗卫星组成，体制采颗卫星组成，体制采取有源无源相结合，兼容取有源无源相结合，兼容取有源无源相结合，兼容取有源无源相结合，兼容北斗试验系统的全部功能北斗试验系统的全部功能北斗试验系统的全部功能北斗
60、试验系统的全部功能5 5 5 5颗颗颗颗 GEOGEOGEOGEO， 5 5 5 5颗颗颗颗 IGSOIGSOIGSOIGSO， 4 4 4 4颗颗颗颗MEOMEOMEOMEO，2012201220122012年年年年12121212月月月月27272727日日日日宣宣宣宣布正式启用布正式启用布正式启用布正式启用93 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n区域导航系统卫星组网状态区域导航系统卫星组网状态基本基本系统系统20072007200920092010201020
61、11201120122012发射时间发射时间初始运初始运营系统营系统最终运最终运营系统营系统共发射共发射16颗卫星颗卫星最初的两颗卫星不能正常工作最初的两颗卫星不能正常工作94 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n扩展的区域导航系统扩展的区域导航系统服服务务区区域域：南南北北纬纬5555度度，东东经经5555度度至至180180度度（东东至至斐斐济济群群岛岛、西西至至阿阿联联酋酋的的迪迪拜拜、南南至至新新西西兰兰的的奥奥克克兰兰群群岛岛、北至俄罗斯的腾达）北至俄罗斯的
62、腾达）945555 E E5555 S S5555 N N 180180 E E95 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n第三步：北斗全球卫星导航系统第三步：北斗全球卫星导航系统952012年左右年左右2020年前年前96 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n系统组成系统组成969696u空间星座空间星座5 GEO 5 GEO 卫星卫星 30
63、 non-GEO 30 non-GEO 卫星（卫星（27 27 颗颗MEOMEO、3 IGSO)3 IGSO)u地面控制部分地面控制部分 主控站主控站 (MCS)(MCS)注入站注入站 (US)(US)全球监测站全球监测站(MS)(MS)u用户设备用户设备北斗用户终端北斗用户终端多多GNSSGNSS兼容终端兼容终端9697 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n时间系统时间系统BDT历元为历元为 UTC 00d 2006北北斗斗系系统统为为国国家家时时间间系系统统建建设
64、设提提供供重重要要平平台台, ,BDTBDT溯溯源源到到协协调调世世界界时时UTCUTC与与UTCUTC同步精度在同步精度在100ns100ns以内以内GPSTBDTGLONASS STGSTUTCUTCUTC(k)UTC(k)t t98 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n坐标系统坐标系统北北斗斗坐坐标标系系统统采采用用中中国国20002000大大地地坐坐标标系系统统 （CGCS2000CGCS2000），CGCS2000CGCS2000的的定定义义与与国国际际地地
65、球球参参考考系系统统（ITRSITRS）一一致致。CGCS2000CGCS2000的的实实现现称称为为中中国地球参考框架（国地球参考框架（CTRF2000CTRF2000）CTRF2000CTRF2000与与ITRFITRF的的一一致致性性约约为为几几个个厘厘米米，大大多多数数应应用用可可以以不不考考虑虑CTRF2000 CTRF2000 和和 ITRF ITRF 的的坐坐标标转转换换但是更新周期较长但是更新周期较长99 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n坐标系统坐
66、标系统框架：框架：ITRF97ITRF97连连续续运运行行参参考考站站2828个个点点，CGCS CGCS 20002000基本骨架。精度基本骨架。精度mmmm级级20002000国国家家GPSGPS大大地地控控制制网网25002500多多点。精度点。精度cmcm级级全国天文大地网，约全国天文大地网，约5 5万点。精万点。精度度3dm3dm由由三三个个层层次次框架点组成框架点组成历元：历元：2000.02000.0100 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n北斗系统应
67、用北斗系统应用BDSBDS星座星座14 14 颗卫星颗卫星测距码精度测距码精度B1: 11cmB1: 11cmB2: 5cmB2: 5cmBDS/GPSBDS/GPS短基线模糊度短基线模糊度固定率固定率100%100%相位精度相位精度B1: 0.5mmB1: 0.5mmB2: 0.3mmB2: 0.3mm伪距差分定位伪距差分定位H: 1.5mH: 1.5mU: 2.0mU: 2.0m伪距导航定位伪距导航定位H: 6mH: 6mU:10mU:10m相位差分定位相位差分定位H: 1.3cmH: 1.3cmU: 2.0cmU: 2.0cm亚太可用率亚太可用率100%100%BD/GPSBD/GPS差分定位差分定位H:0.81cmH:0.81cmU:1.08cmU:1.08cm101 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.088 8 北斗卫星导航系统及其发展北斗卫星导航系统及其发展n北斗系统应用北斗系统应用卫星导航应用卫星导航应用卫星导航应用卫星导航应用102 Northwestern Polytechnical University 王伶 / 2014.07.08群星璀璨的星空群星璀璨的星空5555120120颗卫星颗卫星GPSGLONASSGalileoCompassQZSSIRNSS
