无线定位系统原理与应用课件

无线定位系统无线定位系统无线定位系统无线定位系统原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用主要内容主要内容 GPS GPS（Global Positioning Global Positioning SystemSystem）GLONASS GLONASS（GLObalGLObal NAvigationNAvigation Satellite SystemSatellite System）Galileo Galileo 北斗双星导航定位系统北斗双星导航定位系统 GSM GSM移动定位系统移动定位系统2GPS概述概述 全球卫星定位系统（简称全球卫星定位系统（简称GPSGPS）是美国从本世）是美国从本世纪纪7070年代开始研制，历时年代开始研制，历时2020余年，耗资余年，耗资200200亿美元，亿美元，于于19941994年全面建成。全球卫星定位系统以全天候、年全面建成。全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点，成功地应用于大高精度、自动化、高效益等特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科，取得了好的经济效益和社会球动力学等多种学科，取得了好的经济效益和社会效益。效益。3GPS概述概述u三个阶段：三个阶段：1974 197419781978年，方案论证年，方案论证 1979 197919871987年，系统论证年，系统论证 1988 198819931993年，试验生产年，试验生产u 总投资总投资200200亿美元。亿美元。u Block Block型实验卫星型实验卫星u Block Block型和型和BlockABlockA型工作卫星型工作卫星u BlockR BlockR和和BlockBlock型改善型工作卫星型改善型工作卫星4GPS定位原理定位原理 图3 GPS定位原理S S1 1S S2 2S S3 3S S4 4D D1 1D D2 2D D3 3P PD D4 45GPSGPS定位系统的组成定位系统的组成GPSGPS定位系统是由三个定位系统是由三个部分组成：部分组成：（1 1）GPSGPS卫星星座卫星星座（空间部分）（空间部分）（2 2）地面监控系统）地面监控系统（地面控制部分）（地面控制部分）（3 3）GPSGPS信号接收机信号接收机（用户设备部分）。（用户设备部分）。6GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成共共2424颗卫星，其中颗卫星，其中3 3颗备用颗备用分布在分布在6 6个轨道面上个轨道面上图1GPS卫星星座7轨道面相对地球赤道面的倾角为轨道面相对地球赤道面的倾角为5555度度各轨道平面升交点赤经相差各轨道平面升交点赤经相差6060度度相邻轨道上卫星的升交距角相差相邻轨道上卫星的升交距角相差3030度度轨道平均高度约轨道平均高度约2020020200kmkm运行周期运行周期1111h58mh58m55GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成8u铯原子钟铯原子钟u微处理器微处理器u2 2块块7 7m m2 2的太阳能翼的太阳能翼板板u无线电收发两用机无线电收发两用机u导航荷载（接收数导航荷载（接收数据，发射测距和导航据，发射测距和导航数据）数据）u姿态控制和太阳能姿态控制和太阳能板指向系统板指向系统GPSGPS卫星卫星9卫星配有卫星配有4 4台频率相当稳定的原子钟（台频率相当稳定的原子钟（2 2台铯钟，台铯钟，2 2台铷钟），产生频率为台铷钟），产生频率为10.2310.23MHzMHz的基准钟频的基准钟频信号。分别转化为信号。分别转化为GPS卫星三种信号分量：载卫星三种信号分量：载波、测距码和数据码。波、测距码和数据码。基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600 GPSGPS卫星信号卫星信号 10GPS卫星所采用的两种测距码，即粗测距卫星所采用的两种测距码，即粗测距(C/A)码和精测距（码和精测距（P码或码或Y码），均属于伪随码），均属于伪随机码。机码。GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码11C/A码码C/A码：是用于粗测距和捕获码：是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪卫星信号的伪随机码。它是由两个随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组合级反馈移位寄存器组合而产生。而产生。C/A码的码长短，共码的码长短，共1023个码元，若以每秒个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，所以易于捕获，所以C/A码通常也称码通常也称捕获码捕获码。C/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的差为为码元宽度的1/101/100，则相应的测，则相应的测距误差为距误差为29.32.93m。由于精度低，又称粗由于精度低，又称粗码。现代科学技术的发展，使得测距分辨率大码。现代科学技术的发展，使得测距分辨率大大提高。一般最简单的导航接收机的伪距测量大提高。一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到分辨率达到0.1米。米。12C/A码的生成码的生成13P码码P码是卫星的精测码，码率为码是卫星的精测码，码率为10.23MHZ，产生产生的原理与的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。级反馈移位寄存器构成。P码的周期长，码的周期长，267天重复一次天重复一次。P码的捕获一码的捕获一般是先捕获般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于码。由于P码的码元宽度为码的码元宽度为C/A码的码的1/10，若，若取码元对齐精度仍为码元宽度的取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相，则相应的距离误差为应的距离误差为0.29m，仅为仅为C/A码的码的1/10，故故P码称为精码。码称为精码。根据美国国防部规定，根据美国国防部规定，P码是专为军用的。码是专为军用的。14GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、导航电文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、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由大气折射改正和由C/A码捕获码捕获P码等导航信息。码等导航信息。导航电文又称为导航电文又称为数据码（或数据码（或D码）码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送比特，播送速度速度50bit/s，每帧播送时间每帧播送时间30s。GPSGPS卫星导航电文卫星导航电文15 GPS GPS 导航电文格式导航电文格式123451234567891030s6s0.02s0.6s子帧4、5各含25页一个子帧一个字码一个主帧一个页面16 导航电文的结构导航电文的结构TLWHOW数据块1时钟修正参数TLWHOW数据块2星历表TLWHOW数据块2星历表继续TLWHOW数据块3卫星历书等TLWHOW数据块3卫星历书等子帧 1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧 3子帧 4子帧 5子帧 217导航电文内容导航电文内容1、遥测码、遥测码（TLWTelemetry WORD）位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。位于个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。遥测码的第遥测码的第18比特是同步码，使用户便于解释比特是同步码，使用户便于解释导航电文；第导航电文；第922比特为遥测电文，其中包括比特为遥测电文，其中包括地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息地面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息。第和其它信息。第23和第和第24比特是连接码；第比特是连接码；第2530比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。18导航电文内容导航电文内容2、转换码（、转换码（HOWHand Over Word）紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获获P码的码的Z记数。所谓记数。所谓Z记数是从星期日零时只能记数是从星期日零时只能星期六星期六24时，时，P码字码码字码X1的周期（的周期（1.5秒）的重秒）的重复数。因此，当知道了复数。因此，当知道了Z计数，便能较快地捕获计数，便能较快地捕获到到P码。码。19导航电文内容导航电文内容3、第一数据块、第一数据块 第一数据块位于第第一数据块位于第1子帧的第子帧的第310字码，它字码，它的主要内容包括：的主要内容包括：a、时延差改正时延差改正Tgd就是载波就是载波L1、L2的电离层的电离层 时延差。时延差。b、数据龄期数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。C、星期序号星期序号WN表示从表示从1980年年1月月6日子夜日子夜零点（零点（UTC）起算的星期数，即起算的星期数，即GPS星期数。星期数。d、卫星时钟改正卫星时钟改正GPS时间和时间和UTC时间之间存时间之间存在的差值。在的差值。20导航电文内容导航电文内容4、第二数据块、第二数据块 第二数据块包括第第二数据块包括第2和第和第3子帧，其内容表示子帧，其内容表示GPS卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参卫星的星历，描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类：数，包括下列三类：a、开普勒六参数。开普勒六参数。b、轨道摄动九参数。轨道摄动九参数。C、时间二参数时间二参数21导航电文内容导航电文内容5、第三数据块、第三数据块 第三数据块包括第第三数据块包括第4和第和第5子帧，其内容包括子帧，其内容包括了所有了所有GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星改正、卫星工作状的概略星历、时钟改正、卫星改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。221 1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。接收并执行监控站的控制指令。2 2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。进行处理。3 3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4 4 向用户发送定位信息。向用户发送定位信息。5 5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。星姿态和启用备用卫星。GPSGPS卫星的基本功能卫星的基本功能23GPSGPS地面监控部分地面监控部分 GPS GPS的地面监控部分由分布在全球的的地面监控部分由分布在全球的5 5个地面个地面站组成，其中包括卫星监测站（站组成，其中包括卫星监测站（5 5个）、主控站个）、主控站（1 1个）和注入站（个）和注入站（3 3个）个）地面监控部分的主要任务是：地面监控部分的主要任务是：1.1.监视每颗卫星的运动；监视每颗卫星的运动；2.2.确定确定GPSGPS时间系统；时间系统；3.3.跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态；跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态；4.4.向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据。24控制站的分布控制站的分布夏威夷夏威夷卡瓦加兰卡瓦加兰狄哥狄哥伽西亚伽西亚阿松森岛阿松森岛科罗拉多科罗拉多25GPSGPS地面监控部分地面监控部分1 1、监测站：是主控站直接控制下的数据自动监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。对可见采集中心。对可见GPSGPS卫星每卫星每6 6分钟进行一次伪分钟进行一次伪距测量和多普勒积分观测、采集气象要素等数距测量和多普勒积分观测、采集气象要素等数据，每据，每1515分钟平滑一次观测数据，由计算机进分钟平滑一次观测数据，由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。星轨道。26GPSGPS地面监控部分地面监控部分2 2、主控站主控站除协调和管理地面监控系统外，主要任务：除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1 1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。送到注入站。2 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPSGPS卫卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4 4）启用备用卫星代替失效工作卫星）启用备用卫星代替失效工作卫星。27GPSGPS地面监控部分地面监控部分3 3、注入站：、注入站：主要设备为主要设备为1 1台直径台直径3.63.6m m的天线、的天线、1 1台台S S波段波段发射机和发射机和1 1台计算机。主要任务是在主控站台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。信息的正确性。整个整个GPSGPS系统的地面监控部分，除主控站外系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。均无人值守。28接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段波段GPS卫星卫星GPS卫星卫星地面监控系统流程图地面监控系统流程图29GPSGPS接收机组成接收机组成GPS接收机的主要结构组成：接收机的主要结构组成：天线（带前置放大器）天线（带前置放大器）信号处理器：用于信号识别与处理信号处理器：用于信号识别与处理微处理器：用于接收机的控制、数据采集微处理器：用于接收机的控制、数据采集和导航计算和导航计算用户信息传输：包括操作板、显示板等用户信息传输：包括操作板、显示板等精密震荡器：产生标准频率精密震荡器：产生标准频率电源电源30GPS接收机的结构如图所示接收机的结构如图所示天线前置放大器信号处理器微处理器导航计算机震荡器用户信息传输数据存储器外部传输电源31GPS接收机类型接收机类型（1）按工作原理划分：）按工作原理划分：码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码码相关型接收机：能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。利用的是结构完全相同的复制码。利用的是C/A码或码或P码，码，条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。条件是掌握测距码结构，也称有码接收机。平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号。该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测该机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，称无码接收机。距码结构，称无码接收机。混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方混合型接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前广泛使用。观测量。目前广泛使用。32GPS接收机类型接收机类型（2）根据接收机信号通道类型划分：）根据接收机信号通道类型划分：多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。连续跟踪一个卫星信号。也称连续跟踪型接收机。序贯通道接收机：只有序贯通道接收机：只有1-2个信号通道，为了跟踪多个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较长（大于于20ms），），对卫星信号的跟踪是不连续的。对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只多路复用通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间卫星信号进行跟踪量测。依次量测一个循环所需时间较短（小于较短（小于20ms），），可保持对卫星信号的连续跟踪。可保持对卫星信号的连续跟踪。33GPS接收机类型接收机类型（3）根据所接收的卫星信号频率划分：）根据所接收的卫星信号频率划分：单频接收机（单频接收机（L1）：）：只接收调制的只接收调制的L1信号，虽然可信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于于小于20km的短基线精密定位。的短基线精密定位。双频接收机（双频接收机（L1+L2）：）：同时接受同时接受L1、L2两种信号，两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。影响，定位精度较高。这种分法较为常见。这种分法较为常见。34GPS接收机类型接收机类型（4）按接收机用途划分：）按接收机用途划分：导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理（精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK），），需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。构复杂，价格昂贵。授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。时频同步测定。35GPS接收机天线接收机天线 天线的基本作用是把来自于卫星信号的天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。量测。36GPS接收机天线基本类型接收机天线基本类型37GPS接收机接收机uDSNPDSNPuLEICALEICAuGARMINGARMIN uTRIMBLE TRIMBLE uASHTECHASHTECHuJAVADJAVAD38SPSSPS与与PPSPPSSPS SPS 标准定位服务，使用标准定位服务，使用C/AC/A码，民用码，民用PPS PPS 精密定位服务，可使用精密定位服务，可使用P P码，军用码，军用SASA（已于已于20002000年年5 5月月1 1日取消）日取消）Selective Availability Selective Availability 选择可用性：人为降选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。低普通用户的测量精度。方法方法技术：轨道加扰（长周期，慢变化）技术：轨道加扰（长周期，慢变化）技术：星钟加扰（高频抖动，短周期，快变技术：星钟加扰（高频抖动，短周期，快变化）化）AS AS Anti-Spoofing Anti-Spoofing反电子欺骗反电子欺骗 P P码加密，码加密，P+W-YP+W-Y美国政府的美国政府的GPS政策政策39GLONASSGLONASSu类似于类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统电导航系统u2020世纪世纪7070年代中期开始启动年代中期开始启动GLONASS计划计划u19821982年年1010月月1212日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星卫星u19961996年年1 1月月1818日，完成日，完成2424颗卫星的布局，卫星颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力具备完全工作能力u由于经济原因，现在天空上的由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星卫星仅为仅为8 8颗。颗。40GalileoGalileou背景背景：GLONASS在轨卫星缺失，在轨卫星缺失，GPS独霸市场独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制均由军方控制u欧盟欧盟：要建立国际民间控制的、欧盟自己的民用导航系统：要建立国际民间控制的、欧盟自己的民用导航系统u特点特点：可共享的、独立于：可共享的、独立于GPS的、适于海陆空的导航系统的、适于海陆空的导航系统u阶段阶段：19991999年，欧洲提出了建立年，欧洲提出了建立“伽利略伽利略”导航卫星系统的计划。导航卫星系统的计划。（一）（一）2000年前，可行性评估或定义年前，可行性评估或定义（二）（二）20012005，开发和检测，开发和检测（三）（三）20062007，部署，部署（四）（四）2008，商业运行，商业运行41GPS、GLONASS和Galileo系统参数比较系统参数比较参数GPSGLONASSGalileo在轨卫星数24+324+330+3轨道平面数6（间隔60）3（间隔120）3（间隔120）轨道倾角5564.856轨道高度20200km19100km23616km轨道周期11h58min11h16min14h04min星历数据表示方法卫星轨道的开普勒参数卫星在地心坐标系统运动的9个参数卫星寿命35年78年1520年卫星信号分隔法码分（CDMA）频分（FDMA）码分（CDMA）载波L11575.42MHz1602.56251615.5MHz1561.0981589.742MHz载波L21227.60MHz1246.43751256.5MHz1202.0251278.750MHz参考系WGS-84PZ-90GTRF时间系统UTC(USNO)UTC（SU）GST42欧盟为何重视伽利略计划欧盟为何重视伽利略计划打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额的市场份额。权威部门预计：伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元 伽利略计划将为欧盟创造万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就可在年至年将获得亿欧元收入欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务同安全防御政策服务。43Galileo系统的结构和组成系统的结构和组成 未来的Galileo系统是一个独立的，又与GPS兼容的全球导航系统，要求系统结构应尽量满足以下几个条件：1）适应用户及市场需要；2）开发和运行成本最小；3）系统本身固有风险最小；4）与其它系统（主要是GPS）具有互操作性。基于以上考虑，Galileo系统主要由4部分组成：1）全球设施部分；2）区域设施部分；3）当地设施部分；4）用户接收机及终端。44Galileo系统的结构和组成系统的结构和组成1、全球设施部分全球设施部分u控制中心控制中心GCC：坐落在欧洲的两个：坐落在欧洲的两个Galileo控制中心是系统地面监控制中心是系统地面监控的核心，其主要功能是控制星座、保证卫星原子钟的同步、完控的核心，其主要功能是控制星座、保证卫星原子钟的同步、完好性信号的处理、监控卫星及由他们提供的服务、数据处理；好性信号的处理、监控卫星及由他们提供的服务、数据处理；u上行链路站上行链路站GVS：分布于全球的上行链路站主要是用来传输往返：分布于全球的上行链路站主要是用来传输往返于卫星的数据，每个上行链路站于卫星的数据，每个上行链路站GVS包含一个进行卫星管理的包含一个进行卫星管理的TT&C站和一个任务上行站站和一个任务上行站MVS。TT&C上行链路通过上行链路通过S波段发波段发射，射，MVS通过通过C波段发射；波段发射；u监测站监测站GSS网络：分布在全球范围的网络：分布在全球范围的GSS网络接收卫星导航信息网络接收卫星导航信息SIS，并且检测卫星导航信号的质量，以及气象和其他所要求的，并且检测卫星导航信号的质量，以及气象和其他所要求的环境信息。这些站将收到的信息通过通信网环境信息。这些站将收到的信息通过通信网GCN中继传输给控制中继传输给控制中心中心GCC；u全球通信网络全球通信网络GCN：利用地面和：利用地面和VSAT卫星链路，把所有地面站卫星链路，把所有地面站和地面设施连接起来。和地面设施连接起来。45 2 2、区域设施部分区域设施部分 区域部分是区域部分是Galileo系统有机的组成部分，主系统有机的组成部分，主要由对系统完好性实施监测的监测站要由对系统完好性实施监测的监测站IMS网络和网络和数个进行完好性数据可以直接由该区的地面站上数个进行完好性数据可以直接由该区的地面站上传至对应的传至对应的Galileo卫星；另外，该部分还可以通卫星；另外，该部分还可以通过地球同步卫星为过地球同步卫星为GPS和和GLONASS系统提供相系统提供相应的差分信息。应的差分信息。Galileo系统的结构和组成系统的结构和组成46 3、当地设施部分、当地设施部分 根据当地的特殊需要提供特别的精确性和完好性信根据当地的特殊需要提供特别的精确性和完好性信息，以及当地差分信息。当地设施部分主要包括：息，以及当地差分信息。当地设施部分主要包括：1）提供本地差分修正信号的本地精确导航设备，用户可用）提供本地差分修正信号的本地精确导航设备，用户可用这些信号修正星历和种差，以及补偿对流层、电离层延这些信号修正星历和种差，以及补偿对流层、电离层延迟误差；迟误差；2）提供本地差分信号的本地高精度导航设备，使用户可利）提供本地差分信号的本地高精度导航设备，使用户可利用载波模糊度解修正每颗卫星的有效距离，用于修正星用载波模糊度解修正每颗卫星的有效距离，用于修正星历和种差、补偿对流层、电离层延迟误差；历和种差、补偿对流层、电离层延迟误差；3）使用单项或双向通讯方式来协助用户确定在复杂环境下）使用单项或双向通讯方式来协助用户确定在复杂环境下位置的本地辅助设备；位置的本地辅助设备；4）提供本地辅助的）提供本地辅助的“伪卫星伪卫星”的本地增强可用性导航设备。的本地增强可用性导航设备。Galileo系统的结构和组成系统的结构和组成47 4 4、用户接收及终端、用户接收及终端 Galileo Galileo用户接收机及终端，其基本功能是用户接收机及终端，其基本功能是在用户段实现在用户段实现GalileoGalileo系统所提供的各种卫星无系统所提供的各种卫星无线导航服务，包括直接接收线导航服务，包括直接接收GalileoGalileo的的SISSIS信号；信号；拥有与区域和当地设施部分提供服务的接口；与拥有与区域和当地设施部分提供服务的接口；与其他定位导航系统（如其他定位导航系统（如GPSGPS）及通讯系统互操作）及通讯系统互操作等功能。等功能。Galileo系统的结构和组成系统的结构和组成48Galileo系统的信号系统的信号 20022002年年9 9月，月，STFSTF （GalileoGalileo信号特别工作组）公布了新的频信号特别工作组）公布了新的频率结构和信号设计方案。率结构和信号设计方案。低低L L波段：波段：1164-1215MHz1164-1215MHz上的上的E5aE5a、E5bE5b信号，该频段的信号包含信号，该频段的信号包含了与公共免费以及生命安全服务有关的导航信号；了与公共免费以及生命安全服务有关的导航信号；中中L L波段：波段：1260-1300MHz1260-1300MHz上的上的E6E6信号，包含的是公共授权和商业信号，包含的是公共授权和商业加密导航信号；加密导航信号；高高L L波段：波段：1559-1591MHz1559-1591MHz的的E2-L1-E1E2-L1-E1的信号，主要包含公共授权、的信号，主要包含公共授权、有关生命安全的导航服务信号；有关生命安全的导航服务信号；L6L6频段：频段：1544-1544.2MHz1544-1544.2MHz是搜寻救援服务信号的下行频段。是搜寻救援服务信号的下行频段。49Galileo导航系统的优越性导航系统的优越性 u从系统概念设计开始就非常注意系统的完备性、从系统概念设计开始就非常注意系统的完备性、最大限度地保证系统的可用性，并及时地制定用最大限度地保证系统的可用性，并及时地制定用户提供系统的完备性信息，使用户在使用过程中户提供系统的完备性信息，使用户在使用过程中能够及时了解系统的状态和性能；能够及时了解系统的状态和性能；uGalileoGalileo系统实现了全球完好性监控，当系统信系统实现了全球完好性监控，当系统信号出现问题时，系统将向用户提供及时的警告，号出现问题时，系统将向用户提供及时的警告，有效地保证了整个系统的导航性能；有效地保证了整个系统的导航性能；uGalileoGalileo在信号无线电频谱的选取上采取一定的在信号无线电频谱的选取上采取一定的技术手段，并进行了特殊处理，以提高信号的抗技术手段，并进行了特殊处理，以提高信号的抗干扰性。干扰性。50 GalileoGalileo系统的数据率更高、波段更宽、具有更系统的数据率更高、波段更宽、具有更出色的电离层建模技术；出色的电离层建模技术；GalileoGalileo将提供更加完善的将提供更加完善的导航定位服务以及更高的定位精度，可为地面用户导航定位服务以及更高的定位精度，可为地面用户提供误差不超过提供误差不超过1m1m的定位服务，定位精度按免费信的定位服务，定位精度按免费信号、加密且需交费信号、极密切需特许润可的信号号、加密且需交费信号、极密切需特许润可的信号依次提高，最高精度比依次提高，最高精度比GPSGPS高高1010倍，即使使用免费信倍，即使使用免费信号定位精度也达号定位精度也达6m6m。Galileo Galileo的另外一个特点是在系统设计和整个建的另外一个特点是在系统设计和整个建设过程中充分考虑系统与设过程中充分考虑系统与GPSGPS系统的兼容性以及信息系统的兼容性以及信息的共享性，能够与各卫星导航系统协同工作。的共享性，能够与各卫星导航系统协同工作。Galileo导航系统的优越性导航系统的优越性 51北斗双星导航定位系统北斗双星导航定位系统双星导航定位系统的组成双星导航定位系统的组成:卫星星座：由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）。轨道倾角i=0；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km。地面系统：一个中心站，负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。52双星导航定位系统的技术特点：双星导航定位系统的技术特点：服务区域：服务区域：70-145E70-145E；5-55N5-55N用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。定位精度：平面精度定位精度：平面精度20m20m；垂直精度；垂直精度10m 10m 北斗双星导航定位系统北斗双星导航定位系统53卫星卫星 1 星下点星下点星下点星下点1 1星下点星下点星下点星下点2 2 定位圆 1定位圆 2地面中心站卫星卫星 2图5北斗一号定位原理北斗双星导航定位系统北斗双星导航定位系统54北斗双星导航定位系统北斗双星导航定位系统 地面中心站通过地面中心站通过2 2颗同步静止定位卫星传送测距颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球。而两个定个户星距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程用户高程进而让卫星转告用户进而让卫星转告用户 。55定位系统功能：定位系统功能：快速定位、实施导航、简短通信、精密授时。快速定位、实施导航、简短通信、精密授时。系统优缺点：系统优缺点：双星导航定位系统的最大优点是系统简单投双星导航定位系统的最大优点是系统简单投资少，而最大缺点是他只能实施局域定位，接收资少，而最大缺点是他只能实施局域定位，接收发射机功率大且笨重还会暴露用户目标，在战时发射机功率大且笨重还会暴露用户目标，在战时这是兵家最忌讳的事情。这是兵家最忌讳的事情。北斗双星导航定位系统北斗双星导航定位系统56GSM移动定位系统移动定位系统 LBSLBS（Location Based ServiceLocation Based Service）即）即“基于基于定位的服务定位的服务”，又称，又称“移动位置服务移动位置服务”。是通过。是通过移动终端和无线网络的配合，确定出移动用户的移动终端和无线网络的配合，确定出移动用户的实际地理位置，从而提供用户需要的与位置相关实际地理位置，从而提供用户需要的与位置相关的信息服务。的信息服务。57定位技术分析定位技术分析 单个小区识别码（单个小区识别码（CGI-TACGI-TA）定位技术）定位技术 l基于基于CGI-TACGI-TA的定位技术是最简单的一种技术。的定位技术是最简单的一种技术。l每个蜂窝小区有一个唯一的小区识别码，每个蜂窝小区有一个唯一的小区识别码，CGI CGI 是小区全球识别码。是小区全球识别码。CGI-TACGI-TA是根据移动台所处是根据移动台所处的蜂窝小区的蜂窝小区ID ID 号来确定用户的位置。号来确定用户的位置。l它的定位精度取决于蜂窝小区的半径。它的定位精度取决于蜂窝小区的半径。l而对于覆盖半径很小的小区，例如在微蜂窝覆而对于覆盖半径很小的小区，例如在微蜂窝覆盖密集的城市内，可以达到一定精度。盖密集的城市内，可以达到一定精度。58 上行到达时间（上行到达时间（UL-TOAUL-TOA）定位技术：）定位技术：lTOA TOA 定位技术是一种基于电波传输时间的定位定位技术是一种基于电波传输时间的定位技术，它是通过测量从发射机传到多个接收机技术，它是通过测量从发射机传到多个接收机的信号传播时间来确定移动用户的位置。其定的信号传播时间来确定移动用户的位置。其定位原理和位原理和GPSGPS定位相似。定位相似。l该方法要求至少有该方法要求至少有3 3 个基站参与测量，每个基个基站参与测量，每个基站增加一个位置测量单元站增加一个位置测量单元LMU(location LMU(location measurement unit)measurement unit)。定位技术分析定位技术分析 59增强观测时差（增强观测时差（E-OTDE-OTD）技术）技术 ：u下行链路增强观测时差定位方法（下行链路增强观测时差定位方法（E-OTDE-OTD）u主要针对主要针对GSMGSM系统，它与系统，它与TDOATDOA较为类似，差别在较为类似，差别在于于E-OTDE-OTD是基于移动台的，测量在下行链路中移是基于移动台的，测量在下行链路中移动台对于相邻基站的触发信号到达时间差。动台对于相邻基站的触发信号到达时间差。u但是这种方法需要对移动台进行改进，需配合精但是这种方法需要对移动台进行改进，需配合精度较高的到达时间差的测量，内置复杂定位算法度较高的到达时间差的测量，内置复杂定位算法的软件。的软件。定位技术分析定位技术分析 60 辅助辅助GPSGPS（AGPSAGPS）定位技术）定位技术 ：AGPS AGPS的基本思想是建立一个的基本思想是建立一个GPSGPS参考网络，参考网络，其接收器可以清楚地了解空间的状况。在需要其接收器可以清楚地了解空间的状况。在需要进行定位时，参考网络得到的辅助信息将被发进行定位时，参考网络得到的辅助信息将被发送到移动台以改善移动台上的送到移动台以改善移动台上的GPSGPS接收机的性能。接收机的性能。定位技术分析定位技术分析 61定位技术分析定位技术分析几种定位方式参数比较几种定位方式参数比较类型类型精度精度反应速度反应速度运营商成运营商成本本终端成本终端成本CGI-TA200m-数数km3s低低不变不变UL-TOA125m10s高高不变不变E-OTD150m5s低低不变不变AGPS20m60s最低最低最高最高62