GPS概论-第一章-绪论(下)

1全球定位系统资源与环境学院林承达[e-mail]21.2GPS的系统构成•空间部分——GPS卫星星座•控制部分——地面监控系统•用户部分——GPS信号接收机31.2.1GPS的空间部分•GPS的空间部分的组成–GPS卫星星座•6个轨道面•平均轨道高度20200km•轨道倾角55•周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）41.2.1GPS的空间部分•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。–主要设备•太阳能电池板•原子钟（2台铯钟、2台铷钟）•信号生成与发射装置5•GPS卫星（续）–类型•试验卫星：BlockⅠ•工作卫星：BlockⅡ–BlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力–BlockⅡA（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–BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯–BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率1.2.1GPS的空间部分（续）61.2.1GPS的空间部分（续）BlockⅠ卫星71.2.1GPS的空间部分（续）BlockⅡ卫星81.2.1GPS的空间部分（续）BlockⅡR卫星91.2.1GPS的空间部分（续）BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星101.2.1GPS的空间部分（续）•GPS卫星的地面轨迹111.2.1GPS的空间部分（续）GPS卫星星座（=35，=90）位于地平线以上的卫星颗树随着时间和地点不同而不同，最少4颗，最多可以见到11颗121.2.1GPS的空间部分（续）•GPS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11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）•保证在15高度角以上，能够同时观测到4至8颗卫星–当前星座：28颗131.2.1GPS的空间部分（续）•卫星功能–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。–卫星上设有微机处理，进行部分必要的数据处理工作。–通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准。–向用户发送定位信息。–在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。141.2.1GPS的空间部分（续）•当前的卫星状态SUBJ:GPSSTATUS26MAR20041.SATELLITES,PLANES,ANDCLOCKS(CS=CESIUMRB=RUBIDIUM):A.BLOCKI:NONEB.BLOCKII:PRNS1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15PLANE:SLOTF4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5CLOCK:CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CSBLOCKII:PRNS16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31PLANE:SLOTB1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3CLOCK:RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RB151.2.2GPS的控制部分•地面监控部分（GroundSegment）–组成•主控站：1个•监测站：5个•注入站：3个•通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站16主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋1.2.2GPS的控制部分•地面监控部分（GroundSegment）（续）–分布171.2.2GPS的控制部分•注入站（3个）–作用：将导航电文注入GPS卫星。–地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）181.2.2GPS的控制部分•监测站（5个）–作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。–地点：夏威夷、主控站及三个注入站。191.2.2GPS的控制部分•主控站（1个）–作用：•管理、协调地面监控系统各部分的工作，•收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，•监控卫星状态，向卫星发送控制指令；•卫星维护与异常情况的处理。–地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。201.2.3GPS的用户部分•组成–用户–接收设备•接收设备–GPS信号接收机–其它仪器设备211.2.3GPS的用户部分•GPS信号接收机–采用石英钟•GPS信号接收机的类型–依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型–依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码–依接收伪距码的种类：P码与C/A码–依接收不同频率载波的数量：单频与双频22各种型号的GPS接收机231.2.3GPS的用户部分•GPS信号接收机–组成•天线单元–带前置放大器–接收天线•接收单元–信号通道–存储器–微处理器–输入输出设备–电源天线单元接收单元24GPS的用户部分③•天线单元–类型•单极天线•微带天线•锥形（螺旋）天线–四丝螺旋天线–空间螺旋天线•背腔平面盘旋天线单极天线微带天线空间螺旋天线四丝螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线251.2.3GPS的用户部分•天线单元（续）–特点•单极天线–单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单•微带天线–结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛•锥形（螺旋）天线–四丝螺旋天线–单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板–空间螺旋天线–双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称•背腔平面盘旋天线261.2.3GPS的用户部分•天线单元–天线特性•相位中心、增益方式、带宽、极化–相位中心•平均相位中心与几何中心•相位中心的偏移•相位中心偏移的消除：归心改正、消去法•天线高–标志至平均相位中心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心12L1的平均相位中心sincosrYYrXX平均相位中心几何中心平均相位中心几何中心r1r2H’HHH’hHRhHHH22'R271.2.3GPS的用户部分•接收单元–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–输入输出设备–电源前置放大器信号通道天线观测值281.2.3GPS的用户部分信号通道微处理器输入输出存储器电源29测量型GPS接收机30个人旅游休闲及户外运动用GPS产品31带电子地图的导航型GPS接收机32时间校准及时间同步用GPS产品33车载导航和车辆监控类GPS34手持机世界35水上测量/导航用GPS系统361.3GPS在各领域的应用GPS特点：–全球地面连续覆盖–功能多，精度高–实时定位–应用广泛–观测之间无需通视–定位精度高–观测时间短提供三位坐标–操作简便–全天候作业37GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹配备GPS的士兵美国海军核潜艇38由卫星导航扩展到军事各领域•GPS在军事上的应用主要有以下几个方面：全时域的自主导航。各种作战平台的指挥监控。精确制导和打击效果评估。未来单兵作战系统保障。军用数字通信网络授时。在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增加了近100倍，而它们全部或大部分都依靠GPS制导。GPS还可以对打击目标命中率进行评估。39GPS问题•在近几场局部战争中，GPS也暴露出了一些问题。•GPS信号的抗干扰能力较弱。在伊拉克战争中，伊军在其境内部署了一些GPS干扰装置，结果使美军的GPS制导武器大失水准，有部分导弹甚至飞到了伊朗、土耳其境内。•各国目前都高度重视导航定位系统的发展，美国GPS一统天下的时代受到了威胁。40GPS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41GPS在测量中的应用•建立和维持全球性的参考框架42GPS在测量中的应用•板块运动和监测43GPS在测量中的应用•建立各级国家平面控制网44GPS在测量中的应用•布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量市话网市话网市话网市话网市话网深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modem45GPS在测量中的应用•在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用46GPS在其他领域中的应用•精细农业•遥感•卫星定轨•资源勘探•个人旅游及野外探险•电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递•….47美国政府的GPS政策48美国政府的GPS政策•SPS与PPS–SPS–标准定位服务•使用C/A码，民用•2DRMS水平=100m•2DRMS垂直=150-170m•2DRMS时间=340ns–PPS–精密定位服务•可使用P码，军用•2DRMS水平=22m•2DRMS垂直=27.7m•2DRMS时间=200ns49美国政府的GPS政策•SA技术（1990.3.25~2000.5.1）–SelectiveAvailability–选择可用性–人为降低普通用户的测量精度。方法:•ε技术：降低星历精度（加入随机变化）•δ技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）•AS技术（1994.1.31~至今）–Anti-Spoofing–反电子欺骗–P码加密，P+WY50GPS现代化•1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。•GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。51GPS现代化•GPS现代化的内涵：–保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；–阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；–保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。52GPS现代化•GPS现代化第一阶段–发射12颗改进型的BLOCKⅡR型卫星。•GPS现代化第二阶段–发射6颗GPSBLOCKⅡF（“ⅡFLite”）。•GPS现代化计划的第三阶段–发射GPSBLOCKⅢ型卫星，在2030年前完成代号为GPSⅢ的GPS完全现代化计划设计工作。53GPS系统升级五项计划•为了能使GPS更好地满足军事、民间和商业用户不断增长的应用需求，美国决定用先进技术改进和完善GPS系统：增加新的GPS信号。研发新一代军用GPS接收机。增强和关闭GPS发射信号。改善地面设备。GPSⅢ计划。54GPSⅢ计划•当前的GPS现代化工作能使星座维持运行到2010年，为了满足到2030年的军、民用要求，美国已着手开发GPSⅢ和相关的地面控制网，以便在2010年后使用。•GPSⅢ计划的目标是，提供能满足当前和未来军、民两用需要的GPS结构方案。•从2004年起，美国国防部开始研究GPSⅢ的采购和结构概念，以便验证系统要求。GPSⅢ将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨道卫星组成。GPSⅢ的卫星首次发射计划定于2009年，全部卫星在轨运行将在2015~2020年实现。与现有GPS相比，GPSⅢ的信号发射功率将提高100倍，信号抗干扰能力提高1000倍以