30.精品—国家综合定位导航授时体系PNT之全球导航卫星系统(GNSS)

Tu Tu+tu
（接收机所测伪距的时间等效量）
Ts表示信号离开卫星时的系统时 Tu表示信号到达用户时的系统时 δt表示卫星时钟与系统时之间的误差，超前为正，滞后为负 tu表示用户时钟与系统时之间的误差 Ts+ δt表示信号离开卫星时的卫星时钟读数 Tu+tu表示信号到达用户时的用户接收机时钟读数 c表示光速
空间基准参考系 WGS 84 PZ-90 CGCS2000 GTRF
时间基准参考系 GPST
GLONASST BDT GST
5
全球卫星导航系统——信号体制
国际电信联盟ITU分配给卫星导航业务的 无线电频段： 1）L波段：
1164-1300MHz、1559-1610MHz； 2）ITU－C（Cn）波段：
卫星的位置(Xi ,Yi ,Zi)可在导航电文卫星星历中获得（时空基准参考源的时空信息）。 用户未知位置(Xu,Yu,Zu)，加上卫星时钟与接收机时钟之差δt，4个未知量。因而至少需要引 入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解。
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全球卫星导航系统——时空基准参考系
GNSS GPS GLONASS BDS GALILEO
卫星n导航信号产生载荷
TSat_n_Nav_Mesg_1pps TSat_n_Carri_1pps TSat_n_PN_Code_1pps
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全球卫星导航系统——导航信号产生
时钟同步
卫星间系统时钟同步，即卫星系统时间的一致性
Δt1_1pps=TSat_m_1pps-TSat_n_1pps
时钟同步
本地时钟与系统时钟间的溯源/同步关系
5010－5030MHz。
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全球卫星导航系统——信号体制(GPS)
信号 L1C/A L1P(Y)
L1M L1CD L1CP L2 M L2P(Y) L2CD L2CP L5CD L5CP
中心频率(MHz) 1575.42
1227.6 1176.45
调制类型 BPSK(1) BPSK(10) BOC(10,5) TMBOC(6,1,1/11) BOC(10,5) BPSK(10) BPSK(1)
2.5575
符号率(sps) 50 N/A 250 N/A
未公开 1000 N/A 未公开 250 N/A
调制方式
AltBOC(15,10)
BOCc(10,5) BPSK(5) BPSK(5)
BOCc(15,2.5) MBOC(6,1,1/11)
服务类型 OS
No data OS/CS/SoL
No data PRS CS
射频载波调制
导航电文
零中频基带信号
射频载波调制
射频调制信号
扩频码
中频载波调制
中频载波
导航电文
中频调制信号
扩频码
上变频处理
射频信号
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全球卫星导航系统——导航信号接收处理
天线
信号
D（t）
低噪声
下变频
解扩
存
放大器
解调
伪码测量
储
（载波环、
器
显
码环） 载波相位测量
示
器
频率综合
码/载波
发生器
电源
控制信号
CPU
GNSS定位解算方式
依定位时运动状态
GNSS定位解算方式 依定位模式
静态定位
绝对定位(单点定位)
依采用的观测值 码伪距定位
动态定位
相对定位(差分定位)
载波相位定位
－－
－－
载波相位平滑伪距
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全球卫星导航系统——GNSS兼容与互操作
射频兼容
多个系统导航信号间所产生的射频干扰既不影响本系统内导航性能，也不影响 其他系统导航信号的导航性能。
配备GPS的 士兵
GPS导航的 舰载飞弹
除用于军事外，你能想到GNSS还 有哪些应用领域？
民生：通讯、旅游、监护、……
公安：跟踪、报警、指挥、……
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10.23 10.23 2.5575
数据/符号速率(bps/sps)
50/100 无
50/100 无
25/50 无
50/100 无
500bps 50/100
无
调制方式 MBOC(6,1,1/11)
BOC(14，2)
AltBOC(15,10 ) QPSK(10)
BOC(15,2.5)
服务类型 公开 授权
信号体制信号体制gpsgps信号中心频率mhz调制类型数据速率bps码速率mcpsl1ca157542bpsk1501023l1pybpsk10501023l1mboc105na5115l1ctmboc61111501023l1cna1023l212276boc105na5115l2pybpsk10501023l2cbpsk1251023l2cna1023l5c117645qpsk10501023l5cna1023信号体制信号体制glonassglonass信号中心频率mhz调制类型数据速率bps码速率mcpsl1c157542boc22502046l312014未公开未公开未公开l5117645boc44504092信号中心频率mhz调制类型数据速率bps码速率mcpsl116021615bpsk500511l212461256bpsk50511信号体制信号体制bdsbds信号频点mhz码速率mcps数据符号速率bpssps调制方式服务类型b1c157542102350100mboc61111公开b1cb1204650100boc142授权119179510232550altboc1510公开b2a50100b2bb31268521023500bpsqpsk10授权b3a2557550100boc1525授权b3a信号体制信号体制galileogalileo信号频点mhz码速率mcps符号率sps调制方式服务类型e5a1176451002350altboc1510osdatae5b120714010023250oscssoldatae61278755115未公开bocc105prs51151000bpsk5csdatae11575421023未公开bocc1525prs25575250mboc61111oscssoloscssol10信号频谱信号频谱11卫星导航系统的宝贵资源卫星导航系统的宝贵资源信号频谱卫星卫星导航系统特别是gnss系统有两大宝贵资源世界各国都在竭力抢占12卫星星座卫星星座gps星座galileo星座glonass星座北斗星座13卫星星座卫星星座卫星星座几何精度因子gdopgdop好好gdopgdop差差定位精度95uere95gdop14卫星星座卫星星座卫星平台与载荷导航信号产生发射载荷星载计算机载荷载荷星载原子钟载荷收发天线卫星载荷卫星平台15导航信号产生导航信号产生系统时钟分配链ntsc
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全球卫星导航系统——定位解算
伪码与载波相位观测量比较
测距方法 C/A 码
测距精度 一般 ( 10 ~ 15 米 )
实现难易程度 容易
分辨率 4.5-3米
P码
较高 ( 3 ~ 5 米 )
较难
0.45-0.3 米
载波相位
非常高 ( 3 ~ 50 毫米)
难
5°~10°
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全球卫星导航系统——定位解算
全球卫星导航系统——概念内涵
全球导航卫星系统（GNSS, Global Navigation Satellite System）： 能够在全球范围内提供空间位置和时间信息的卫星定位系统。
GNSS包括： ➢ 美国的GPS(Global Positioning System) ➢ 俄罗斯的GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System) ➢ 中国的北斗卫星导航系统（BDS, Bei Dou System） ➢ 欧洲的Galileo
Δt2_1pps=TBDT_1pps-TUTC(NTSC)_1pps Δt3_1pps=TSat_m_1pps-TBDT_1pps
卫星信号产生载荷各信号分量驱动时钟间的同步，即时钟相位的一致性
Δt4_1pps=TSat_m_Nav_Mesg_1pps-TSat_m_Carri_1pps
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全球卫星导航系统——导航信号产生
数据速率(bps) 50
未公开 50
码速率(Mcps) 2.046 未公开 4.092
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全球卫星导航系统——信号体制(BDS)
信号
B1-CD B1-CP
B1
B2aD B2aP B2bD B2bP B3 B3-AD B3-AP
频点(MHz) 1575.42 1191.795 1268.52
码速率(Mcps) 1.023 2.046
公开
授权 授权 授权
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全球卫星导航系统——信号体制(GALILEO)
信号 I
E5a Q I
E5b Q A
E6 B C A
E1 B C
频点(MHz) 1176.45 1207.140 1278.75
1575.42
码速率(Mcps) 10.023 10.023 10.023 10.023 5.115 5.115 5.115 10.23
信号 L1 L2
中心频率(MHz) 1602-1615 1246-1256
调制类型 BPSK BPSK
数据速率(bps) 50 50
码速率(Mcps) 0.511 5.11
信号 L1C L3 L5
中心频率(MHz) 1575.42 1201.4 1176.45
调制类型 BOC(2,2)
未公开 BOC(4,4)
k时刻接收载波相位φ(k)
φ(k)
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全球卫星导航系统——定位解算
伪码与载波相位观测量比较
卫星发射的载波 及伪随机码
L1=19c m
L2=24 cm
C/A=293 m
ρ=29.3 m
L1载波 L2载波
C/A码 P-码
由于信号量测精度一般优于波长的1/100，所以载波的测量精 度远远高于伪随机码。
空间段
星历时间信息 其它辅助信息 扩频调制信号
用户段
信号捕获跟踪 信息解调处理 导航定位授时
地面段
地面主控中心 下行信号监测 信息上行注入
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全球卫星导航系统——基本原理
计算已知位置的卫星到用户接收机间距离和卫星与接收 机时钟之差引入的距离误差项，综合多颗卫星数据可解 算接收机具体位置。
ρi | ri ru | c δt ( Xi xu )2 ( Yi yu )2 ( Zi zu )2 c δt ( i 1, 2, 3, 4)
No data PRS
OS/CS/SoL OS/CS/SoL
10
全球卫星导航系统——信号频谱
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全球卫星导航系统——卫星导航系统的宝贵资源
卫星导航系统，特别是GNSS系统有两大宝贵资源，世界各国都在竭力抢占
信号 频谱
卫星 轨位
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全球卫星导航系统——卫星星座
GPS星座
GLONASS星座Fra bibliotek北斗星座
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全球卫星导航系统——导航信号产生
系统时钟分配链
NTSC
TUTC(NTSC)_1pps
地面运控总站
TBDT_1pps
卫星m
TSat_m_1pps
卫星m导航信号产生载荷
TSat_m_Nav_Mesg_1pps
TSat_m_Carri_1pps
TSat_m_PN_Code_1pps
……
卫星n
TSat_n_1pps
QPSK(10)
数据速率(bps) 50 50 NA 50 NA NA 50 25 NA 50 NA
码速率(Mcps) 1.023 10.23 5.115 1.023 1.023 5.115 10.23 1.023 1.023 10.23 10.23
7
全球卫星导航系统——信号体制(GLONASS)
这是全球卫星导航业务（GNSS）正常工作的需要，也是其他无线电导航系统维 持正常工作的需要。
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全球卫星导航系统——应用领域
军事：导弹飞行、飞机导航、舰艇导航、精确打击、……
测绘：地质、工程、国土、……
交通：民航、车辆、船舶、…… 救援：地震、救灾、动物、…… 生产：农业、渔业、工业、……
美国海军 核潜艇
基准频率
信号通道
数据输出
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全球卫星导航系统——定位解算
伪码观测量（伪码度量量）
卫星至接收机的距离
(t2 t1) c
发送时间t1
不准确
不准确
含有误差的距离ρ称为伪距。
光速c
接收时间t2
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全球卫星导航系统——定位解算
伪码观测量（伪码度量量）
△t（几何距离的时间等效量）
δt
tu
Ts Ts+ δt
1
全球卫星导航系统——功能特点
（1）主要功能 为陆、海、空三大领域，提供实时、连续、全天候和全球性的导航、定位、
授时服务。
（2）主要特点 1）全时段、全天候、全球覆盖； 2）三维导航、定位服务，授时服务，可用于测速； 3）实时、连续、可靠、稳定、高效； 4）各行各业、军民共享、应用广泛。
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全球卫星导航系统——组成架构
卫星与用户之间的几何距离
r = c×（Tu-Ts）=c×△t
所测伪距 ρ = r + c ( tu - δt ) = c× (△t + tu - δt )
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全球卫星导航系统——定位解算
载波相位观测量
t时刻发送相位为φ(t)载波
用户到卫星的伪距 ρ= λ( φ(t) - φ(k) ) / 2 π
φ(t)
GALILEO星座
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全球卫星导航系统——卫星星座
卫星星座几何精度因子
GDOP好
GDOP差
定位精度(95%)=UERE(95%)*GDOP
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全球卫星导航系统——卫星星座
卫星平台与载荷
导航信号产 生发射载荷
星载计算机 载荷
星间链路 载荷
卫星载荷
星载原子钟 载荷
收发 天线
能
姿
温
推
遥
遥
源
态
控
进
测
控
卫星平台