無人機(jī)導(dǎo)航定位技術(shù)第四章

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)4.1概述衛(wèi)星導(dǎo)航是利用衛(wèi)星播發(fā)的無線電信號進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。它是以衛(wèi)星為空間基準(zhǔn)點(diǎn)，向用戶終端播發(fā)無線電信號，從而確定用戶的位置、速度和時間。它不受氣象條件、航行距離限制，可以全天候、24h連續(xù)提供高精度的三維位置、速度和精密時間信息。4.1.1空間部分1．星座空間部分包括由多顆衛(wèi)星組成的星座。在空間星座布滿衛(wèi)星以后，可在全天任何時間為全球任何地方提供4～8顆仰角在15o以上的同時可觀測的衛(wèi)星。如果將遮蔽仰角降到10o，有時則最多可觀測到10顆衛(wèi)星。若將遮蔽仰角進(jìn)一步下降到5o，那么，最多可同時見到12顆衛(wèi)星。這是由衛(wèi)星運(yùn)行在地球表面以上約20230km的近圓軌道和約12h的運(yùn)行周期來保證的。GPS衛(wèi)星星座示意圖GPS衛(wèi)星分布圖2．衛(wèi)星GPS衛(wèi)星為無線電收/發(fā)信機(jī)、原子鐘、計算機(jī)及系統(tǒng)工作的各種輔助裝置提供了一個平臺。24顆衛(wèi)星的電子設(shè)備支持用戶測量該衛(wèi)星的偽距離PR，而每顆衛(wèi)星廣播的信號則可使用戶測定該衛(wèi)星在任何時刻的空間位置，據(jù)此，用戶便能確定他們自己的位置。每顆衛(wèi)星的輔助設(shè)備包括兩塊7㎡太陽能電源帆板和用于軌道調(diào)整與穩(wěn)定性控制的推進(jìn)系統(tǒng)。所有衛(wèi)星均有各種識別系統(tǒng)：發(fā)射序號、分配的偽碼編號PRN、軌道位置編號、NASA（美國國家航空航天管理局）產(chǎn)品編號和國際命名等。為避免混亂，并保持與衛(wèi)星導(dǎo)航電文的一致性，主要使用偽碼編號PRN這種識別形式?？刂撇糠钟梢粋€主控站，5個全球監(jiān)測站和3個地面控制站組成，主要任務(wù)是：跟蹤所有的衛(wèi)星以進(jìn)行軌道和時鐘測定，預(yù)測修正模型參數(shù)，衛(wèi)星時間同步和為衛(wèi)星加載數(shù)據(jù)電文等。選擇可用性（SA）的大小也由控制部分控制。通常，SA總是處于接通狀態(tài)，但其影響卻可以降低到零。4.1.2控制部分1．主控站主控站早期位于加州范登堡空軍基地，現(xiàn)在早已遷到空間聯(lián)合工作中心（CSOC）。該中心位于科羅拉多州，福爾肯（Falcon）空軍基地。CSOC從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計算衛(wèi)星的軌道和鐘參數(shù)，然后，將這些結(jié)果送到3個地面控制站中，以便最終向衛(wèi)星加載數(shù)據(jù)。此外，衛(wèi)星控制和系統(tǒng)工作也是主控站的責(zé)任。2．監(jiān)測站5個監(jiān)測站分別設(shè)在：夏威夷、科羅拉多斯普林斯、阿森松島（南大西洋）、迭戈加西亞島（印度洋）和夸賈林環(huán)礁（北太平洋馬紹爾）群島。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星偽距的接收機(jī)。所測偽距每15s更新一次，利用電離層和氣象數(shù)據(jù)，每15min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)平滑，然后發(fā)送給主控站。3．地面控制站地面控制站有時也稱作地面天線（GA），它們分別與設(shè)在阿林松、迭戈加西亞和夸賈林的監(jiān)測站共置。地面控制站與衛(wèi)星之間有通信鏈路，主要由地面天線組成。由主控站傳來的衛(wèi)星星歷和鐘參數(shù)以S波段射頻鏈上行注入到各個衛(wèi)星。以前，上行注入是每天3次，現(xiàn)在，則每天一次或兩次。如果某地面站發(fā)生故障，那么，在各衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間，但導(dǎo)航精度卻會逐漸降低。4.1.4GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)1．全球覆蓋2．全天候3．高精度4.多用途全球覆蓋GPS系統(tǒng)是以人造衛(wèi)星作為導(dǎo)航臺的星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，由運(yùn)行周期近12h的24顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座，均勻分布在離地面約20000km的六條近圓軌道上，形成同時覆蓋全球的衛(wèi)星網(wǎng)。全天候天文（星光）導(dǎo)航必須見到星光，而GPS的導(dǎo)航衛(wèi)星是人造天體，可以將描述衛(wèi)星位置的軌道參數(shù)以及測距信號，居高臨下地以無線電波發(fā)射給用戶，這種無線電導(dǎo)航信號不受氣象條件和晝夜變化的影響，是全天候的。但無線電波穿過電離層、對流層時，會產(chǎn)生相應(yīng)延遲，電波的直視也會因高大的建筑、稠密的森林遮擋對信號跟蹤帶來一定的影響，但它們并不影響GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的全天候特性。

高精度GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度取決于衛(wèi)星和用戶間的幾何結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星星歷精度、GPS系統(tǒng)時同步精度、測距精度和機(jī)內(nèi)噪聲等諸因素的組合。多用途由于GPS具有全天候、全球覆蓋和高精度的優(yōu)良性能，可廣泛用于陸、海、空、天各類軍民載體的導(dǎo)航定位、精密測量和授時服務(wù)，在軍事和國民經(jīng)濟(jì)各部門，乃至個人生活中，都有著極其廣闊的應(yīng)用前景，曾在海灣戰(zhàn)爭期間大顯神通。實(shí)際上，隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，GPS應(yīng)用已迅速擴(kuò)展到國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，不再局限于傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位。GPS系統(tǒng)發(fā)展簡史整個系統(tǒng)的建設(shè)分三階段實(shí)施。第一階段：1973～1979年

系統(tǒng)原理、方案研究（含設(shè)備研制）；第二階段：1979～1983年

系統(tǒng)試驗研究（對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行試驗）；第三階段：1983～1988年

系統(tǒng)應(yīng)用研究（設(shè)備定型投產(chǎn)）。4.2GPS系統(tǒng)的定位原理GPS系統(tǒng)的定位過程可描述為：

已知衛(wèi)星（廣播描述衛(wèi)星運(yùn)動的星歷參數(shù)（EPH）和歷書參數(shù)（ALM）實(shí)現(xiàn)）的位置，測量得到衛(wèi)星和用戶之間的相對位置（偽距PR或偽距變化率PRR），用導(dǎo)航算法（最小二乘法或卡爾曼濾波法）解算得到用戶的最可信賴位置。要正確描述衛(wèi)星的位置：必須首先描述衛(wèi)星運(yùn)動的軌道平面在空間的位置；其次，必須描述衛(wèi)星在軌道平面上作橢圓運(yùn)動時橢圓的形狀；第三，必須描述衛(wèi)星在橢圓軌道上的瞬時位置。4.2.1如何描述衛(wèi)星位置天球、天球亦道和天球黃道基本軌道參數(shù)4.2.2怎樣得到衛(wèi)星與用戶之間的相對位置1.單程測距原理2.用偽碼測量偽距（碼偽距）3.用載波相位測量偽距（相位偽距）4.用積分多普勒測量偽距GPS偽碼測距原理衛(wèi)星從S1到S2時，用戶（U）測得的多普勒頻移4.2.3用戶的位置是怎樣得到的首先，根據(jù)衛(wèi)星廣播的星歷，計算出第i顆衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置xi，yi，zi；其次，根據(jù)測量的碼偽距或相位偽距，計算出用戶與第i顆衛(wèi)星之間的相對距離PRi；最后，根據(jù)導(dǎo)航方法計算出用戶的三維位置x，y，z。4.3GPS的信號結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航電文4.3.1GPS的信號結(jié)構(gòu)1.GPS衛(wèi)星信號的組成2.怎樣區(qū)分星座中的衛(wèi)星？1.GPS衛(wèi)星信號的組成確定衛(wèi)星位置和GPS時間等的參數(shù)都是以衛(wèi)星信號的形式廣播給用戶的，衛(wèi)星上有一臺日穩(wěn)定度為10-13的銫原子鐘，其振蕩器產(chǎn)生f0=1023MHz的基本頻率。衛(wèi)星工作在L波段，為校正電離層折射引入的附加傳播時延，系統(tǒng)采用雙頻體制，即用了L波段的兩個載頻信號，分別為L1和L2，它們是基準(zhǔn)頻率f0

的整數(shù)倍，關(guān)系為fL1=154f0=157542MHzfL2=120f0=12276MHz衛(wèi)星向用戶廣播的導(dǎo)航信號包括：1)衛(wèi)星星歷及星鐘校正參數(shù)；2)測距時間標(biāo)記；3)大氣附加延遲校正參數(shù)；4)與導(dǎo)航有關(guān)的信息。這些信息統(tǒng)稱數(shù)據(jù)信息，它們是以不歸零二進(jìn)制編碼脈沖的數(shù)碼形式傳送給用戶的。數(shù)據(jù)位速率為50Hz，每個碼位占時20ms。這種碼由狀態(tài)+1或-1的序列構(gòu)成，+1或-1分別與二進(jìn)制0或1對應(yīng)。不歸零二進(jìn)制波形載波的雙相調(diào)制波形由圖可見，當(dāng)碼的狀態(tài)發(fā)生改變時，載波相位發(fā)生180o相移，這就是雙相調(diào)制。4.3.2GPS的導(dǎo)航電文每個子幀均以遙測字TLM打頭，后跟一個轉(zhuǎn)換字HOW。4.4精密時間同步4.4.1時間概念的形成目前，人們常依據(jù)天體運(yùn)動來確定時間，通過天文臺觀測天體運(yùn)動周期來給出GMT時（世界時即格林尼治平太陽時）的年月日時分秒。這是因為自然天體運(yùn)動是永恒的，它是時間長短的客觀依據(jù)，是人類長期實(shí)踐的結(jié)晶，也容易為人類所公認(rèn)。4.4.2時間的計量及其計量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞在計量時間的單位中，大的用世紀(jì)（1世紀(jì)=100年），小的用ns（1ns=10-9s）。要統(tǒng)一時間的計量，就要統(tǒng)一為世界公認(rèn)的計量標(biāo)準(zhǔn)，既要有保存統(tǒng)一計量標(biāo)準(zhǔn)的地方（如美國海軍天文臺的銫原子頻標(biāo)組合用于長期守時提供計量標(biāo)準(zhǔn)），還要有傳遞時間標(biāo)準(zhǔn)的工具。時間信息的傳遞是進(jìn)行時鐘比對的基礎(chǔ)（尤其是對于分布在兩地的時鐘）。4.4.3時鐘同步的方法及其發(fā)展時鐘同步也叫“對鐘”。要把分布在各地的時鐘對準(zhǔn)（同步起來），最直觀的方法就是搬鐘，可用一個標(biāo)準(zhǔn)鐘作搬鐘，使各地的鐘均與標(biāo)準(zhǔn)鐘對準(zhǔn)?；蛘呤拱徵娛紫扰c系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時鐘對準(zhǔn)，然后使系統(tǒng)中的其他時鐘與搬鐘比對，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)其他時鐘與系統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時鐘同步。所謂系統(tǒng)中各時鐘的同步，并不要求各時鐘完全與統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時鐘對齊。4.4.4GPS系統(tǒng)時間1.GPS系統(tǒng)各衛(wèi)星鐘的精確同步GPS系統(tǒng)各衛(wèi)星鐘的精確同步，是實(shí)現(xiàn)GPS系統(tǒng)定位、測速、授時、校頻等功能的技術(shù)基礎(chǔ)。2.GPS時間同步方法3.衛(wèi)星鐘驅(qū)動源的相對論效應(yīng)4.4.5GPS衛(wèi)星授時的基本原理GPS是一種星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)GPS用戶設(shè)備收星定位后，借助在用戶設(shè)備中已恢復(fù)的衛(wèi)星鐘信息，精確扣除它在傳播路徑上的延遲，校正各種誤差后便可實(shí)現(xiàn)用戶鐘的精確同步，從而實(shí)現(xiàn)授時。4.5GPS用戶設(shè)備GPS用戶設(shè)備（接收機(jī)）的功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號，恢復(fù)載波信號頻率和衛(wèi)星鐘，解調(diào)出衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘校正參數(shù)等數(shù)據(jù)；通過測量本地時鐘與恢復(fù)的衛(wèi)星鐘之間的時延來測量接收天線至衛(wèi)星的距離（偽距）；通過測量恢復(fù)的載波頻率變化（多普勒頻率）來測量偽距變化率；根據(jù)獲得的這些數(shù)據(jù)，計算出用戶所在的地理經(jīng)度、緯度、高度、速度、準(zhǔn)確的時間等導(dǎo)航信息，并將這些結(jié)果顯示在顯示屏幕上或通過輸出端口輸出。4.6GPS接收機(jī)4.6.1GPS接收機(jī)的基本組成GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)接收機(jī)的種類也很多，但其基本結(jié)構(gòu)是相同的，都由天線/低噪聲前置放大器、連接電纜、接收主機(jī)組成，如圖3-16所示。4.6.2GPS接收機(jī)的工作原理1.接收天線GPS接收機(jī)天線的主要功能是接收來自GPS衛(wèi)星的信號。2.低噪聲前置放大器為了保證接收機(jī)的靈敏度，通常將GPS接收天線與低噪聲前置放大器做成一體，使天線輸出端至低噪聲放大器輸入端之間連線盡量縮短，以降低饋線損耗。3.接收機(jī)高頻信道4.接收機(jī)相關(guān)處理通道相關(guān)通道的工作有三種狀態(tài)，搜索信號狀態(tài)、牽引狀態(tài)和對信號鎖定跟蹤狀態(tài)。5.定位計算當(dāng)GPS接收機(jī)捕獲跟蹤到衛(wèi)星信號以后，即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計算，計算出用戶所在的地理經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。4.6.3GPS接收機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)1.接收機(jī)的跟蹤通道數(shù)通常是1至12個跟蹤通道。它表示GPS接收機(jī)可以同時并行接收GPS衛(wèi)星顆數(shù)的能力。2.接收跟蹤信號的種類如僅僅接收L1和C/A碼；接收跟蹤L1、C/A和P碼、L2、P和Y碼。3.測量定位精度如GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的GPS接收機(jī)的定位精度為：水平位置精度100m（2Drms）；垂直高度精度156m（2Drms）。4.時間同步精度表示GPS接收機(jī)通過測量定位以后，輸出的時間同步秒脈沖信號與GPS時或UTC時同步精度。如GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的GPS接收機(jī)的時間同步精度為：340ns（2Drms）。5.位置數(shù)據(jù)更新率一般每秒1～10次，通常高動態(tài)GPS接收機(jī)的更新率高。6.首次定位時間指GPS接收機(jī)從開始加電源到首次得到滿足定位精度要求的定位結(jié)果過程所占的時間。7.接收機(jī)靈敏度當(dāng)輸人GPS接收機(jī)的衛(wèi)星信號（L1、C/A碼）功率在-130dBm時，設(shè)備應(yīng)能夠捕獲衛(wèi)星信號（接收機(jī)的捕獲靈敏度）；當(dāng)設(shè)備捕獲到衛(wèi)星信號以后，設(shè)備應(yīng)連續(xù)工作，直到衛(wèi)星信號功率降到-133dBm以下時，設(shè)備失鎖（這是接收機(jī)的信號鎖定靈敏度）。8.輸入或輸出接口接收機(jī)應(yīng)具有一個或兩個串行數(shù)據(jù)輸入/輸出接口。9.工作電源要求包括電壓種類、范圍、功率損耗。10.環(huán)境要求包括工作溫度、濕度；存儲溫度；沖擊、振動條件。11.可靠性指標(biāo)常以設(shè)備平均故障間隔時間（MTBF）最低可接收值表示。12.維修性指標(biāo)常以設(shè)備平均故障修復(fù)時間（MTTR）表示。4.7GPS應(yīng)用4.7.1

GPS的軍事應(yīng)用GPS在軍事上的戰(zhàn)術(shù)作用大致可歸納如下。

用于各種精密打擊武器的制導(dǎo)：1.

用于各種精密打擊武器的制導(dǎo)2.成為C3I的重要組成部分3.用于各種精確的定位：如海上陸上的布雷掃雷，空中掃雷，部隊偵察，海上陸上救援，火炮及雷達(dá)陣地布列，快速測繪等。4.用于各種軍事通信系統(tǒng)和C3I系統(tǒng)的時統(tǒng)。5.用于武器試驗場的高速武器：如導(dǎo)彈及反導(dǎo)彈的跟蹤和精確軌道測量，時統(tǒng)建立與維護(hù)，雷達(dá)威力及精度校驗等，極大地提高了效率，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)。美國國防部對GPS在海灣戰(zhàn)爭中的評價為：應(yīng)用空基導(dǎo)航和定位是一個無與倫比的成功，GPS為作戰(zhàn)的勝利起了重要作用，導(dǎo)航和定位數(shù)據(jù)提供給了所有多國部隊，在沒有特征的沙漠中，GPS已證明是一種保險的導(dǎo)航方法，而這正是部隊面臨的比較困難的任務(wù)之一。GPS用來支持了各種各樣的任務(wù)，包括：1）為遠(yuǎn)距離對陸攻擊導(dǎo)彈提供中段制導(dǎo)，它使末段傳感器對目標(biāo)的截獲更為有效；2）使F—16和B—52飛機(jī)提高了導(dǎo)航精度；3）使RC—135電子偵察機(jī)提高了對輻射源的定位精度；4）改善了對敵人后方的深入滲透能力，以及對被擊落的飛行機(jī)組人員或其他人員進(jìn)行救援的能力；5）使地面部隊的導(dǎo)航更容易和更精確；6）愛國者導(dǎo)彈系統(tǒng)的雷達(dá)布列時間縮短；7）為地圖繪制和雷區(qū)標(biāo)繪提供了更準(zhǔn)確的方法，允許按儀表飛行規(guī)則進(jìn)行空中掃雷；8）為戰(zhàn)斧式對陸攻擊導(dǎo)彈提供了精確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。GPS還有一項十分有用的軍事作用，即提供公共坐標(biāo)系以協(xié)調(diào)各式各樣軍事行動。GPS在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、土建、旅游、公安、醫(yī)療急救、搜索與救援、電信、地質(zhì)勘探、資源調(diào)查、地理信息、地震預(yù)測、大地測繪、海上石油作業(yè)、氣象預(yù)報等各行各業(yè)及科學(xué)研究中得到的應(yīng)用，滲透到了國民經(jīng)濟(jì)各個方面，成為當(dāng)今最重要的信息源之一。4.7.2GPS在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用1.GPS在水上交通中的應(yīng)用2.GPS在陸路交通中的應(yīng)用3.GPS在空中交通中的應(yīng)用4.GPS在時間同步方面的應(yīng)用5.GPS在測量中的應(yīng)用4.7.2GPS在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用4.8.1GLONASS系統(tǒng)簡介GLONASS是由蘇聯(lián)開始研制后由俄羅斯繼續(xù)完善的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1995年12月14日，俄羅斯成功地發(fā)射了一箭三星，標(biāo)志著GLONASS星座的在軌衛(wèi)星已經(jīng)布滿，經(jīng)過數(shù)據(jù)加載、調(diào)整和檢驗，1996年1月18日，24顆工作衛(wèi)星正常發(fā)射信號，健康有效地工作。至此GLONASS正式建成并投入運(yùn)行。4.8GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)GLONASS導(dǎo)航電文中各幀的內(nèi)容及格式基本相同，因此這里只以一幀為例。在一幀中，1～5子幀內(nèi)容及格式各異，6、8、10、12、14子幀內(nèi)容及格式相同，7、9、11、13、15于幀亦然。因此只要給出1～7子幀的詳細(xì)情況，便知道整個電文的情況了.GLONASS