《卫星导航》PPT课件.ppt

卫星导航,王 伶西北工业大学电子信息学院无线通信与导航实验室2014.11,2,Overview,1.全球卫星导航系统简介2.卫星导航定位基本原理3.GPS系统组成4.GPS信号组成及特点5.信号捕获6.信号跟踪7.定位原理8.北斗卫星导航系统及其发展,1 全球卫星导航系统,导航定义,Navigation源于海洋中船舶的航行，起初人们通过罗盘和天文等手段对航行在海洋中的船舶进行导向和领航，后来发展到陆地车辆以及空中飞行器的领航，Navigation逐渐被译成“导航”,1 全球卫星导航系统,导航定义,导航确定当前位置和目标位置，并参照地理、环境信息修正航线、方向、速度，抵达目的地的手段,定位导航,定位+制导（参照）=导航,定位方法有多少，导航方法就有多少,1 全球卫星导航系统,美国GPS,欧盟伽利略,俄罗斯GLONASS,中国北斗,1 全球卫星导航系统,到2020年，四大系统卫星在轨数量变化情况,2 卫星导航定位基本原理,经典导航定位,D12,2 卫星导航定位基本原理,跟踪站1,跟踪站2,跟踪站3,跟踪站n,未知点,2 卫星导航定位基本原理,(X1-Ux)2+(Y1-Uy)2+(Z1-Uz)2=(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)2,Xi、Yi、Zi第i颗卫星坐标Ux、Uy、Uz用户待定坐标c 为光速,Ti 接收机接收信号的时间长度Cb 用户接收机钟差,3 GPS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。,3 GPS系统组成,系统组成-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。,3 GPS系统组成,系统组成-地面监控部分,1.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。,3 GPS系统组成,系统组成-地面监控部分,2.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。,3 GPS系统组成,系统组成-地面监控部分,3.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。,地面监控系统的工作程序方框图如下图所示：,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,1.GPS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,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,1.GPS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,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,1.GPS卫星,类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block Block Block A Block R Block F（新一代的GPS卫星）,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,3 GPS系统组成,系统组成-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。,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,Block 卫星,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,Block 卫星,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,Block R卫星,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,GPS卫星星座（=35，=90）,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,3 GPS系统组成,系统组成-空间部分,3 GPS系统组成,系统组成-用户部分,3 GPS系统组成,系统组成-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个厂家生产出几百种不同牌（型）号的接收机。,4 GPS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,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成,GPS卫星信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素：（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。,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-载波,作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1 频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后L5 频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-载波,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有关）,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-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,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-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。,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-随机噪声码,GPS卫星所采用的两种测距码，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。,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-随机噪声码,C/A码的生成,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-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。,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-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。,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-导航电文,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-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。,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-导航电文,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-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)2,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-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。,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的组成-导航电文,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的产生-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同一个基本频率 f0=10.23MHz的控制下产生。,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的产生,4 GPS信号组成及特点,GPS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,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的调制,二进制信号的相位调制 调相,4 GPS信号组成及特点,GPS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,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的解调,码相关法 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。技术要点卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。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）,4 GPS信号组成及特点,GPS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，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。,4 GPS信号组成及特点,GPS接收机工作原理,4 GPS信号组成及特点,GPS接收机工作原理,4 GPS信号组成及特点,GPS接收机工作原理,4 GPS信号组成及特点,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,4 GPS信号组成及特点,载波测距原理,4 GPS信号组成及特点,载波测距原理,理想情况,实际情况,4 GPS信号组成及特点,载波测距原理,观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的观测（伪距）,Received signal,driven by satellite clock Ts,Model signal,driven by receiver clock T,GPS Satelliteclock,Ts,Transmitted signal of known code(either C/A or P code),GPS Receiverclock Tr,P=c(Tr-Ts)Pseudorange,Antenna,4 GPS信号组成及特点,GPS信号的观测（伪距）,4 GPS信号组成及特点,GPS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,5 GPS信号捕获,捕获目的,为了能让接收机跟踪环路成功地跟踪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；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,5 GPS信号捕获,捕获关键参数,1.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.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.码相位搜索步长 步长不超过1/2码元,5 GPS信号捕获,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。,5 GPS信号捕获,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。,右图是本地伪码与接收信号伪码完全对齐时的乘积，结果是一个连续波信号。只有当本地伪码与接收信号伪码完全对齐时才会如此。,5 GPS信号捕获,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。,输入的中频信号与本地产生的载波信号相乘，得到、路两路正交信号，获得复数信号。对第一步得到的复信号作FFT。对本地伪码作FFT，取共轭。将第二步和第三步的结果相乘，并将乘积作IFFT.对第四步的IFFT结果取模后平方，输出的时域信号的模值即为输入信号与本地伪码的相关结果，将结果进行门限判决，若有足够的峰值超过了门限值，则捕获成功。尖峰对应的位置为接收信号的码相位，此时本地载波的频率值就是信号的载波频率。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。,基于循环互相关的捕获算法流程如下：,5 GPS信号捕获,并行码相位捕获算法,并行码相位捕获流程图,5 GPS信号捕获,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,5 GPS信号捕获,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,6 GPS信号环路跟踪,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：,信号跟踪环路：,载波跟踪环路 载波剥离/解调码跟踪环路 码剥离/解扩,组合工作,6 GPS信号环路跟踪,载波跟踪环路,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。科斯塔斯环低动态环境下最常用的载波环。,滤波后,鉴相算法：,此处默认码已剥离干净,6 GPS信号环路跟踪,载波跟踪环路,相位锁定环（PLL）频率锁定环FLL,6 GPS信号环路跟踪,载波跟踪环路,环路滤波器-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,6 GPS信号环路跟踪,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-二阶FLL辅助三阶PLL,6 GPS信号环路跟踪,载波跟踪环路,闭合FLL，粗调载波频率（四相鉴频算法）,闭合PLL2，精调载波相位（四象限反正切）,环路失锁？,Y,高动态环境下的载波跟踪算法,闭合PLL3，精调载波相位,Pll_time=100,Pll_time=500,6 GPS信号环路跟踪,码跟踪环路,高动态：载波辅助,超前-滞后延迟锁定环（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。,6 GPS信号环路跟踪,码跟踪环路,码相关示例（原理）,（a）,（b）,6 GPS信号环路跟踪,码跟踪环路,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。,6 GPS信号环路跟踪,码跟踪环路,GPS接收机信号跟踪环路的内部结构和信号流程,7 GPS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，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。,卫星定位解算模型-加权最小二乘算法WLS,定位结果,7 GPS位置解算,加权最小二乘算法定位模型,权值的选择：,7 GPS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WLS 和RLS,7 GPS位置解算,WLS定位效果要优于RLS,实际效果对比分析WLS 和RLS,7 GPS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DOP,8 北斗卫星导航系统及其发展,基本原则,渐进性,8 北斗卫星导航系统及其发展,发展趋势,第一步：验证系统,第二步：扩展的区域导航系统,第三步：北斗全球导航系统,8 北斗卫星导航系统及其发展,第一步：北斗卫星导航试验系统,实验验证系统共发射3颗GEO卫星，系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务,8 北斗卫星导航系统及其发展,北斗试验系统的特点,北斗实验系统服务区域为东经70-140度，北纬5-55度，定位精度优于20米,8 北斗卫星导航系统及其发展,北斗试验系统的特点,“北斗一号”集定位、授时和报文通信为一体，解决了“Who，When，Where”的相关问题。实现了位置报告、态势共享。GPS和GLONASS系统只解决何时、何地的定位和授时问题授时精度高。北斗一号”系统的单向授时精度达100纳秒，双向定时精度达到20纳秒实现分类保障。可划分使用等级范围，具有优先权调配和能力集成功能,8 北斗卫星导航系统及其发展,第二步：扩展的区域导航系统,由14颗卫星组成，体制采取有源无源相结合，兼容北斗试验系统的全部功能,5颗GEO，5颗IGSO，4颗MEO，2012年12月27日宣布正式启用,8 北斗卫星导航系统及其发展,区域导航系统卫星组网状态,基本系统,发射时间,初始运营系统,最终运营系统,共发射16颗卫星最初的两颗卫星不能正常工作,8 北斗卫星导航系统及其发展,扩展的区域导航系统,服务区域：南北纬55度，东经55度至180度（东至斐济群岛、西至阿联酋的迪拜、南至新西兰的奥克兰群岛、北至俄罗斯的腾达）,94,8 北斗卫星导航系统及其发展,第三步：北斗全球卫星导航系统,95,2012年左右,2020年前,8 北斗卫星导航系统及其发展,系统组成,96,96,96,空间星座5 GEO 卫星 30 non-GEO 卫星（27 颗MEO、3 IGSO)地面控制部分 主控站(MCS)注入站(US)全球监测站(MS)用户设备北斗用户终端多GNSS兼容终端,96,8 北斗卫星导航系统及其发展,时间系统,BDT历元为 UTC 00d 2006,北斗系统为国家时间系统建设提供重要平台,BDT溯源到协调世界时UTC与UTC同步精度在100ns以内,8 北斗卫星导航系统及其发展,坐标系统,北斗坐标系统采用中国2000大地坐标系统（CGCS2000），CGCS2000的定义与国际地球参考系统（ITRS）一致。CGCS2000的实现称为中国地球参考框架（CTRF2000）CTRF2000与ITRF的一致性约为几个厘米，大多数应用可以不考虑CTRF2000 和 ITRF 的坐标转换但是更新周期较长,8 北斗卫星导航系统及其发展,坐标系统,框架：ITRF97,连续运行参考站28个点，CGCS 2000基本骨架。精度mm级,2000国家GPS大地控制网2500多点。精度cm级,全国天文大地网，约5万点。精度3dm,由三个层次框架点组成,历元：2000.0,8 北斗卫星导航系统及其发展,北斗系统应用,8 北斗卫星导航系统及其发展,北斗系统应用,群星璀璨的星空55120颗卫星,GPS,GLONASS,Galileo,Compass,QZSS,IRNSS,