全球定位系统调研报告

前置放大器 观测值
定位系统误差
GPS测量通过地面接收设备接收卫星传送的信息来 确定地面点的三维坐标。 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为 三类： •与卫星有关的误差。 •与信号传播有关的误差。 •与接收设备有关的误差。 为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站 星距离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离 误差。
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组成
用户 接收设备


接收设备
GPS信号接收机 其它仪器设备

全球定位系统接收机

GPS信号接收机

组成
天线单元

带前置放大器 接收天线 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源
信号 通道
接收单元

存储 器
微处 理器
输入 输出
电源
全球定位系统接收机

接收单元
Ⅱ：存储星历能力为14天，具有SA和AS能
GPS系统构成
空间部分：产生两种电码，C/A码，P码 控制部分 1个主控站：各监测站收集跟踪数据,计算出卫 星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面 控制站 5个全球监测站：取得的卫星观测数据 3个地面控制站：将导航数据及主控站指令注 入到卫星 用户部分

接收（信号）通道
定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元 器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。 类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据 工作原理：码相关通道、平方通道等

存储器 微处理器


作用：数据处理、控制
天线
信号通道
输入输出设备 电源

力 Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存 储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱 镜 Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫星 间可相互跟踪相互通讯 Block ⅡF（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设 第三民用频率
卫星
信号传播
接收机 总计
卫星定位市场占有率
全球定位系统前景
1. 卫星导航的多系统并存未来几年内，卫星导航系统将进 入一个新的阶段。首先，用户将面临四大系统 (GPS/GLONASS/Galileo/北斗)近百颗导航卫星同时并存、 互相兼容的局面 2. 中国“北斗”卫星导航系统的广泛应用“北斗”卫星导 航系统是中国独立发展、自主运行的全球卫星导航系统， 同时也是国家正在建设的重要空间信息基础设施。 3. GPS卫星导航与无线通信等技术的结合，如GPS接收机 嵌入到手机移动电话、便携式PC、PDA和手表等通信、 安全和消费类电子产品中，从根本上促进IT技术的整体发 展已成为未来GPS技术发展的一个重要方向。
北斗导航系统
由5颗静止轨道卫星 和30颗非静止轨道 卫星组成。 2012年，“北斗” 系统将覆盖亚太地 区 2020年左右，将建 成覆盖全球的北斗 卫星导航系统。
北斗导航的优劣
支持三频信号：消除高阶电离层延迟，提高定位可 靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度的固 定效率，定位的可靠性和抗干扰能力
定位误差来源
误差来源
星历与模型误差 钟差与稳定度 卫星摄动 相位不确定性 其它 合计 电离层折射 对流层折射 多路径效应 其它 合计 接收机噪声 其它 合计
P码
4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 2.3 2.0 1.2 0.5 3.3 1.0 0.5 1.1 6.4
C/A码
4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 5.0-10.0 2.0 1.2 0.5 5.5-10.3 7.5 0.5 7.5 10.8-13.6
车辆导航管理
对航空器的定位及导航
车辆导航
配备 GPS 的巡警
全球定位系统的其他应用



精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电 视台中 GPS的增强系统 工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用 GPS设备进行工程测量 勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到导航 飞机导航：航线导航、进场着陆控制 星际导航：卫星轨道定位 个人导航：个人旅游及野外探险定位 车辆防盗系统，手机，PDA，PPC等通信移动设备防 盗，电子地图，定位系统儿童及特殊人群的防走失 系统农业勘测……
GPS
24+
20200
6km
20ns
0.1
单项式， 独立式， 终端自己 解码与定 位
伽利略 GLONAS S 北斗
30+
24126
1km
20ns
0.1
全球全侯
24+
19100
12km
25ns
0.1
30+
21500
10km
50ns
0.2
中国附近 双向通信 亚洲区域， 全天候
注：以上全为民用数据
全球定位系统接收系统
GLONASS导航系统


由24颗工作星和3颗备份星组成 24颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上 这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗 卫星，同平面内的卫星之间相隔45度 轨道高度1.91万公里，运行周期11小时15分，轨道 倾角64.8度
四大系统的比较
卫星系统 建成之后 轨道高度 位置精度 授时精度 速度精度 系统定位 服务区域 卫星数量 方式 /(km) /(km) /(ns) /(m/s)
NNSS
子午卫星系统及其局限性

系统缺陷
卫星少，观测时间和间隔 时间长，无法提供实时导 航定位服务 导航定位精度低 卫星信号频率低，不利于 补偿电离层折射效应的影 响 卫星轨道低，难以进行精 密定轨

TRANSIT系统
卫星：6颗 极地轨道 轨道高度：1075km 信号频率：400MHz、150MHz 绝对定位精度：1m 相对定位精度：0.1m~0.5m 定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时 定位；轨道低，难以精密定轨；频 率低，难以消除电离层影响。

系统简介
– Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由 于其卫星轨道为极地轨道，故也称 为Transit（子午卫星系统） 采用利用多普勒效应进行导航定位， 也被称为多普勒定位系统 美国研制、建立 1964年1月建成 1967年7月解密供民用
全面研制和试 1979~1987 验 1989.2 实用 组网 阶段 1991 1993 1995.7
GPS系统概况

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 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测 到4颗以上卫星 当前星座：28颗 采用P码和C/A码两种码型进行通讯
GPS系统发展简史
阶段 方案 论证 阶段 时间 事件
1973.12
1978.2 1973~1979
美国国防部批准研制GPS
第1颗GPS试验卫星发射成功 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 陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接 收机 第1颗GPS工作卫星发射成功 在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战 实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成 GPS达到FOC – 完全运行能力（Full Operational Capability）


GPS卫星作用：
接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上 的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。


GPS系统概况
GPS卫星类型
试验卫星：Block
Block
Ⅰ 工作卫星：Block Ⅱ
捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些 卫星的运行
GPS系统构成
GPS系统定位原理
1. 测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离 2. 然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体 位置 3. 根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出卫 星位置 4. 用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用 户所经历的时间，再将其乘以光速得到。
全球卫星定位系统的提出
1957年苏联发射了第一颗人造卫星
美国研究人员提出： 观测站位置->卫星位置 卫星位置 ->观测站位置？ 1964年美国海军研制“子午仪”导航卫星，属 于低轨道卫星，此为全球定位系统的前身。 主要用于：北极星核导弹提供精确的定位 核潜艇和水面舰艇的导航
子午卫星系统及其局限性

有源定位及无源定位综合使用
短报文通信服务。 原子钟的精度较差

缺少覆盖全球的监测站点
通信技术水平还有待提高
北斗的短报文通讯




何为短报文通讯？ 用户机遇用户机，用户机与地面中心站提供每次最 多1680比特的短报文通讯服务 采用1户1密的加密方式，均需经过地面中心站转发 与定位功能类似，短报文通讯的传输延迟0.5秒，通 讯的最高频度也是1秒1次
全 球 卫 星 定 位 系 统
全球卫星定位系统的现状
GLONASS GPS 伽利略 北斗
全球卫星定位系统用途
GPS在军事中的应用
美国海军核潜艇
配备GPS的士兵
GPS导航的舰载飞弹
全球卫星定位系统用途
GPS在交通运输业中的应用

航运、航空搜索 陆路交通（车辆导航、监控） 船舶远洋导航和进港引水