《衛(wèi)星通信與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)》課件-第15章

第15章衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)15.1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述15.2衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)原理15.3低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)15.4雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)15.5GPS導(dǎo)航系統(tǒng)15.6第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)15.7本章小結(jié)

15.2衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)原理

15.2.1時間參考系時間系統(tǒng)由時間計量起點和單位時間間隔的長度來共同定義。衛(wèi)星導(dǎo)航是指在衛(wèi)星位置精確已知的基礎(chǔ)上,需要根據(jù)準確的星歷和時間數(shù)據(jù)推算衛(wèi)星的位置。在采用測距體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,需要把對時間延遲的測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為距離,時間測量的精確度都在納秒級以上。因此,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要有高精度、高穩(wěn)定的時間基準系統(tǒng)。

從理論上來說,任何一個周期運動,只要其周期是恒定且可觀測的,都可以作為時間的尺度。時間體系就是一些在一定基準下表示時間的標(biāo)準單位。常用的時間體系如下:

1.歷書時

歷書時(ET,EphemerisTime)是由天體位置歷表給出的牛頓時,通過觀測得到某一瞬間天體的位置,從其位置歷表獲得時間。

2.力學(xué)時

力學(xué)時分為兩種:太陽系質(zhì)心力學(xué)時(TDB,BarycentricDynamicTime)和地球力學(xué)時(TDT,TerrestrialDynamicalTime)。

3.世界時

地球的自轉(zhuǎn)使得太陽會周期性地經(jīng)過地面一點的上空,把太陽連續(xù)兩次經(jīng)過某條子午線的平均時間間隔稱為一個平太陽日,以此為基準的時間就稱為平太陽時。

由于地球自轉(zhuǎn)的不均勻性和極移的影響,UT是一種不均勻的時間系統(tǒng),通常有三種形式:①UT0,根據(jù)天文觀測直接測定的世界時;②UT1,對UT0加上相應(yīng)的經(jīng)度改正值,以消除極移對測站經(jīng)度的影響;③UT2,對UT1進行周期性季節(jié)變化的改正值。對于一般的精度要求,可以用UT1作為統(tǒng)一的時間系統(tǒng);而對于高精度要求,UT2也不能滿足,必須尋求更均勻的時間尺度。

4.原子時

原子時(AT,AtomicTime)于1958年1月1日世界時的零時開始啟用,以位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個超精細結(jié)構(gòu)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射9192631770個周期的持續(xù)時間為1原子秒,以此為基準,86400個原子時秒定義為1個原子時日。原子內(nèi)部能級躍遷所發(fā)射或吸收的電磁波頻率極為穩(wěn)定,比以地球轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)的計時系統(tǒng)更為均勻,因此得到了廣泛應(yīng)用。

5.協(xié)調(diào)時

協(xié)調(diào)時(UTC,UniversalTimeCoordinated)是零經(jīng)度處的標(biāo)準時間,并不是一個獨立的時間,而是為了兼顧對UT和AT的需要而建立的一種折中時間系統(tǒng)。UTC的定義是它的秒長嚴格等于原子時的秒長,采用整數(shù)調(diào)秒的方法使UTC與UT之差保持在0.9s之內(nèi),具體的調(diào)整由國際時間局提前兩個月公布。UTC是測站時間同步的標(biāo)準時間,是地面深空站通常使用的參考時間尺度。

6.GPS時

GPS時(GPST,GPSTime)是由GPS星載原子鐘和地面監(jiān)控站原子鐘組成的一種原子時系統(tǒng),它與國際原子時保持有19s的常數(shù)差,并在GPS標(biāo)準歷元1980年1月6日零時與UTC保持一致。GPS時間在0~604800s之間變化,0s是每星期六午夜,每到此時GPS時間重新設(shè)定為0s,GPS周數(shù)加1。GPS時間的一個重要作用是作為GPS衛(wèi)星軌道確定的精密參考。

15.2.2空間參考系

衛(wèi)星導(dǎo)航的最基本任務(wù)是定位,即確定用戶在空間的位置。因此,需要首先定義適當(dāng)?shù)目臻g參考坐標(biāo)系,才能確定用戶在某特定坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作中

涉及的空間坐標(biāo)系通常有很多種。一種常用的坐標(biāo)系是地心固定坐標(biāo)系,它的坐標(biāo)軸隨著地球自轉(zhuǎn)而移動,是與地球固連的坐標(biāo)系。另一種坐標(biāo)系是慣性坐標(biāo)系,它在空間的位置和指向是固定的,與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)。

地心固定坐標(biāo)系用來描述被定位用戶的坐標(biāo)以及飛行器相對于地球的運動非常方便,在此參考坐標(biāo)系中,與地面相對靜止的物體的坐標(biāo)保持不變,這與人們實際生活中的感覺是一致的,因此稱為地心固定坐標(biāo)系。地心固定坐標(biāo)系的示意圖如圖15-1所示。

圖15-1地心固定坐標(biāo)系示意圖

慣性坐標(biāo)系對于描述各種空間飛行器的運行狀態(tài)非常方便,事實上,衛(wèi)星及其他飛行器的運動理論就是根據(jù)牛頓運動規(guī)律在慣性坐標(biāo)系中建立起來的。慣性坐標(biāo)系在空間保持靜止或做勻速直線運動,要嚴格滿足這種條件實際上是非常難的,因此慣性坐標(biāo)系一般通過觀察星座近似定義。

物體的坐標(biāo)在不同的坐標(biāo)系中有不同的表示,通過坐標(biāo)平移、旋轉(zhuǎn)和尺度變換等方法,其空間位置向量可以轉(zhuǎn)換為另一坐標(biāo)系中的位置向量。由于每種坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸的選取會帶來坐標(biāo)系統(tǒng)較大的差異,因此常用協(xié)議坐標(biāo)系作為統(tǒng)一的參考。地球固定坐標(biāo)系和慣性坐標(biāo)系都有相應(yīng)的協(xié)議坐標(biāo)系,即在國際上通過協(xié)議確定某些全球性的坐標(biāo)軸指向,便于在全球范圍內(nèi)作為位置確定的標(biāo)準。

1.協(xié)議地球坐標(biāo)系

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中采用的地球坐標(biāo)系是如圖15-1所示的地心固定坐標(biāo)系。

2.橢球與坐標(biāo)系

用戶在空間的位置或者說用戶在地面上或地球上空的位置,通常用地理坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度、高度)來表示。

假想一個無潮汐、無溫差、無風(fēng)、無鹽的海面,海水滲透到陸地每一處,海面海水的分布僅由地球重力場決定,這樣海水的分布面實際上就是地球重力場的等位面,稱為大地水

準面。考慮到地球形狀的不規(guī)則和地球質(zhì)量分布的不均勻,大地水準面不是平滑的球面,而是一個不規(guī)則的球面,如圖15-2所示。

圖15-2大地水準面與實際地球面

在WGS－84系統(tǒng)中定義了三維直角坐標(biāo)系,同時也定義了一個基準橢球,稱為WGS－84橢球。WGS－84橢球是一個定位在地心的旋轉(zhuǎn)等位橢球,其平均旋轉(zhuǎn)速度采用了1980年大地測量參考系(GRS80)中的數(shù)值,橢球的中心和坐標(biāo)軸與WGS－84三維直角坐標(biāo)系一致。WGS84橢球的基本參數(shù)見表15-1。

利用表15-1中的長半軸a和短半軸b可以定義橢球扁率為

第一偏心率為

有了基準橢球以后,可以定義地球上任一點的地理坐標(biāo)。

3.天球與坐標(biāo)系

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,地球和衛(wèi)星都在運動,除了要確定定位點的位置外,還要考慮衛(wèi)星或其他飛行體的運動。地心固定坐標(biāo)系不能很好地描述衛(wèi)星的運動,此時可以考慮用與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)的天球坐標(biāo)系來描述。

為便于描述衛(wèi)星等飛行體的運動,天球坐標(biāo)系設(shè)定為不動,如圖15-3所示,坐標(biāo)系的原點O是地心,Z軸方向指向北天極方向,XOY平面是天球赤道面,X軸方向指向春分點,Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手系。這樣構(gòu)成的三維坐標(biāo)系稱作天球空間直角坐標(biāo)系,用(X,Y,Z)來描述天體在坐標(biāo)系中的位置。

圖15-3天球空間直角坐標(biāo)系和天球球面坐標(biāo)系

15.2.3衛(wèi)星定位原理

衛(wèi)星定位的一般方法可以概述為以下三個步驟:

(1)已知衛(wèi)星在某個指定坐標(biāo)系的坐標(biāo)。導(dǎo)航衛(wèi)星的位置是由衛(wèi)星的軌道參量和星歷確定的,它是導(dǎo)航系統(tǒng)的位置基準點。

(2)測得用戶相對于衛(wèi)星的位置。這一步是關(guān)鍵步驟,其中使用的衛(wèi)星和采用的觀測量、測量方法與精度等對衛(wèi)星導(dǎo)航定位的結(jié)果有很大的影響。

(3)計算用戶在指定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

圖15-4定位參量與位置面

上述三個曲面方程都是關(guān)于用戶及衛(wèi)星在地心固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、導(dǎo)航定位參量的函數(shù),因此可以一般化為

式中,ρ是導(dǎo)航定位參量,可以是式(15-3)中的距離,也可以是式(15-4)中的距離差,還可以是式(15-5)中的速度。

根據(jù)使用的衛(wèi)星和采用的觀測量及測量方法,可以將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)劃分為低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的不同之處就是利用了不

同的定位觀測參量,而共同點則是其定位算法原理都如式(15-6)一樣,通過導(dǎo)航定位方程將用戶坐標(biāo)、衛(wèi)星坐標(biāo)、觀測量聯(lián)系在一起。

15.3低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

15.3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.定位衛(wèi)星2.地面站組3.用戶終端

15.3.2工作原理

低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用多普勒技術(shù)進行定位。對于多普勒頻移這一導(dǎo)航觀測量,有多種轉(zhuǎn)換方法進行處理。子午儀系統(tǒng)采用積分多普勒無源定位技術(shù)實現(xiàn)用戶的被動定位,用

戶接收到導(dǎo)航信號后從中取得每個瞬間衛(wèi)星的位置和多普勒頻移,通過對多普勒頻移進行積分,建立導(dǎo)航定位方程并求解以確定用戶位置。

低軌衛(wèi)星經(jīng)過用戶上空時,由于衛(wèi)星與用戶之間的相對運動導(dǎo)致從星上發(fā)射的信號產(chǎn)生多普勒頻移。假設(shè)衛(wèi)星在軌道上的切向速度為v,衛(wèi)星和用戶的連線與切向速度的夾角

為γ,如圖15-5所示,衛(wèi)星發(fā)射信號的頻率為ft,則多普勒頻移

圖15-5低軌衛(wèi)星的多普勒頻移

事實上,在實際工作中用戶接收機的本振頻率f1

并不完全等于衛(wèi)星發(fā)射頻率ft,衛(wèi)星發(fā)射的頻率也不完全等于額定值,用戶接收機將本地振蕩頻率與接收信號頻率的差值作為多普勒頻移進行積分,則有

低軌多普勒定位技術(shù)具有信號強度高、定位基準信號容易獲得等優(yōu)點,星上頻率源發(fā)出的頻率信號只要具有足夠的穩(wěn)定度就能夠使定位具有一定精度,而穩(wěn)定的頻率源比原子

鐘等高精度時間基準設(shè)備容易獲得,因此,多普勒定位技術(shù)在不需要很高精度的定位場景是一種低成本且易于實現(xiàn)的技術(shù)。

15.3.3系統(tǒng)誤差

多普勒衛(wèi)星定位技術(shù)實現(xiàn)容易且成本低,歷史較長,目前仍有一些系統(tǒng)采用此技術(shù)。衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)的定位性能主要受以下幾類誤差因素的影響:

(1)星歷誤差。

(2)頻率源漂移誤差。

(3)多普勒計數(shù)誤差。

(4)用戶運動速度產(chǎn)生的誤差。

15.4雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)15.4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)最少需要兩顆衛(wèi)星,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含空間段、地面段和用戶終端三個部分。

1.空間段空間段由2~3顆地球靜止軌道衛(wèi)星組成,主要任務(wù)是完成雙向信號中繼。系統(tǒng)要正常工作至少需要2顆衛(wèi)星,為了使系統(tǒng)具有較好的幾何精度系數(shù),并使系統(tǒng)保持較大的二重覆蓋區(qū)域,2顆衛(wèi)星的升交點經(jīng)度要保證相隔60°。衛(wèi)星上的主要載荷是變頻轉(zhuǎn)發(fā)器、覆蓋定位區(qū)域的天線系統(tǒng)、遙測發(fā)射機和遙控接收機。

2.地面段

地面段由地面控制中心和地面測控中心組成,其中地面控制中心包含主控站和計算中心,地面測控中心包含測軌站、氣壓測高站和校準站等。雙靜止衛(wèi)星對于信號只轉(zhuǎn)發(fā)不處

理,定位過程主要由地面段完成,定位計算工作主要由地面控制中心負責(zé),它是定位系統(tǒng)的中樞。地面控制中心的主要任務(wù)有:

(1)接收衛(wèi)星發(fā)射的遙測信號,向衛(wèi)星發(fā)送遙控指令,控制衛(wèi)星的運行、姿態(tài)和工作。

(2)控制各測軌站的工作,收集它們的測量數(shù)據(jù),對衛(wèi)星進行測軌、定位,結(jié)合衛(wèi)星的動力學(xué)、運動學(xué)模型,制作衛(wèi)星星歷。

(3)實現(xiàn)地面中心與用戶間的雙向通信,并測量電波在中心、衛(wèi)星、用戶間往返的傳輸時間。

(4)收集來自測高站的海拔高度數(shù)據(jù)和校準站的系統(tǒng)誤差校正數(shù)據(jù)。

(5)地面中心利用測得的中心、衛(wèi)星、用戶間電波往返的傳播時間、氣壓高度數(shù)據(jù)、誤差校正數(shù)據(jù)、衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù),結(jié)合存儲在中心的系統(tǒng)覆蓋區(qū)數(shù)字地圖,對用戶進行精密定位。

(6)系統(tǒng)中各用戶通過與中心的通信,間接地實現(xiàn)用戶與用戶之間的通信。由于中心集中了系統(tǒng)中全部用戶的位置、航跡等信息,因此可方便地對覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶進行識別、監(jiān)視和控制。

測軌站、測高站、校準站在地面測控中心的控制下工作,測控中心完成無線電測距信號的產(chǎn)生和發(fā)送、用戶響應(yīng)信號的捕獲接收、導(dǎo)航衛(wèi)星的測控、地面基準站的測量等工作,

其主要任務(wù)包括:

(1)對衛(wèi)星定位、測軌和制備星歷,調(diào)整衛(wèi)星運行軌道、姿態(tài),控制衛(wèi)星的工作。

(2)測量和收集導(dǎo)航定位參量、校正參量等,對用戶進行導(dǎo)航定位。

(3)通過地面中心,進行地面系統(tǒng)和用戶,以及用戶和用戶之間的通信。

(4)對系統(tǒng)覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶進行識別、監(jiān)視和控制

3.用戶終端

用戶設(shè)備包含全向收發(fā)天線的接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器,前者用來接收衛(wèi)星發(fā)射的信號,從中提取時間標(biāo)記和地面中心傳送給用戶的數(shù)字信息。以時間標(biāo)記為基準,延長一段準確的時

間,通過轉(zhuǎn)發(fā)器向衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號。用戶設(shè)備本身無定位解算功能,其位置坐標(biāo)是由地面中心定位后經(jīng)衛(wèi)星發(fā)送給用戶的。

15.4.2工作原理

雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作原理如圖15-6所示,具體過程如下:

(1)地面中心對其中一顆衛(wèi)星連續(xù)發(fā)射C頻段或X頻段的載波,載波上的數(shù)據(jù)流含有測距信號、地址電文、時間碼等,它們被稱為詢問脈沖束或詢問信號。

(2)詢問信號通過衛(wèi)星上的變頻轉(zhuǎn)發(fā)器變頻、放大后轉(zhuǎn)發(fā)到測站。

(3)測站接收詢問信號,并注入必要信息(包含用戶的申請服務(wù)內(nèi)容),再變頻、放大,向第二顆衛(wèi)星發(fā)射電文作為應(yīng)答信號。

(4)第二顆衛(wèi)星收到應(yīng)答電文,并把它們變頻、放大,轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心。

(5)地面中心處理接收到的應(yīng)答電文,測量出用戶所在點至兩衛(wèi)星的兩個距離和量,然后根據(jù)用戶的申請服務(wù)內(nèi)容進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,得到測站坐標(biāo)或交換電報信息。

(6)中心站再經(jīng)衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器把處理后的信息送給測站(用戶),測站(用戶)收到所需信息后顯示或輸出。如果要求定位,則用戶可以從信息中得到自己的坐標(biāo)位置;如果要求通信,則信息中包含通信內(nèi)容;如果要求授時,則用戶按接收到的數(shù)據(jù)調(diào)整本地時鐘,使之與地面中心時鐘同步。

圖15-6雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作原理

雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)利用衛(wèi)星所在的位置、用戶至衛(wèi)星的距離、用戶的大地高來計算用戶所在的位置,其定位的幾何原理是:以衛(wèi)星為球心,衛(wèi)星到用戶的距離為半徑,分別作兩個大球,兩大球相交形成交線圓并穿過赤道面,與地球有兩個交點,其中一個交點就是用戶所在的位置,在知道用戶大地高后可以唯一確定用戶的位置。因此,要完成定位需要滿足三個條件:

(1)兩個衛(wèi)星間的最大夾角不能超過162°,否則以衛(wèi)星至用戶的斜距為半徑的兩個大球不能形成交線圓。當(dāng)兩個衛(wèi)星弧距為60°時,定位效果最好。

(2)交線圓必須與用戶水平面相交,否則會產(chǎn)生同步衛(wèi)星定位的模糊區(qū)。

(3)用戶點的大地高必須已知。用戶定位時,得到應(yīng)答詢問信號以后可以得到兩個觀測方程,只能解算兩個未知量,而用戶坐標(biāo)是空間三維坐標(biāo),因此雙星定位需要知道大地高。

15.4.3系統(tǒng)誤差

雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在進行導(dǎo)航定位時,引起定位誤差的主要誤差因素有:

(1)衛(wèi)星和地面中心的位置誤差。

(2)電波傳播誤差,包括電波在大氣中傳播產(chǎn)生的誤差及設(shè)備延時誤差。

(3)測量誤差,包括距離測量誤差、高程誤差、鐘誤差等。

(4)定位滯后誤差。在雙靜止衛(wèi)星的定位過程中,無線電信號在中心、衛(wèi)星、用戶間要往返傳播一周,地面中心解算出用戶位置后再通過衛(wèi)星傳送到用戶,每次定位約需0.8s的時間。對高速用戶而言,這將帶來很大的滯后誤差。

上述誤差中,衛(wèi)星位置誤差、大氣傳播誤差、高程誤差對定位的影響較大。其中,高程誤差的影響隨緯度不同而不同,高緯度區(qū)影響較小,低緯度區(qū)影響較大。設(shè)備測量中的噪聲引起測量中的隨機誤差,如果過大會嚴重影響定位的精度,因此必須嚴格控制。衛(wèi)星與用戶之間的通信鏈路經(jīng)過大氣層受電離層折射影響較大,其影響可達數(shù)十米。因此這項誤差是衛(wèi)星定位的主要誤差源,必須采取近于實時的修正模型,將其控制在允許范圍之內(nèi)。若采用差分定位技術(shù),則上述前三項誤差中的大部分可被消除,從而提高定位精度。而為了消除滯后誤差,地面中心可以估計用戶的速度并外推得到預(yù)測數(shù)據(jù),或由用戶估計自己的運動速度再外推取得預(yù)測數(shù)據(jù),以此來減小定位滯后誤差。

15.5GPS導(dǎo)航系統(tǒng)

15.5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)GPS系統(tǒng)由空間段的GPS衛(wèi)星星座、地面段的運行控制系統(tǒng)和用戶段的GPS用戶終端三大部分構(gòu)成。1.空間段2.地面段

主控站的主要任務(wù)是:

(1)收集和處理本站及監(jiān)測站的跟蹤測量數(shù)據(jù)。

(2)負責(zé)糾正衛(wèi)星的軌道偏離,必要時調(diào)度衛(wèi)星,讓備用衛(wèi)星取代失效的工作衛(wèi)星。

(3)計算衛(wèi)星的軌道和鐘參數(shù),將預(yù)測的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)及大氣傳播改正參數(shù)編制成導(dǎo)航電文傳送到3個注入站,以便最終向衛(wèi)星加載數(shù)據(jù)。

(4)負責(zé)檢測整個地面系統(tǒng)的工作,檢驗注入給衛(wèi)星的導(dǎo)航電文,監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)送給了用戶。

注入站的主要任務(wù)是:

(1)自動向主控站發(fā)射信號,每分鐘報告一次自己的工作狀態(tài)。

(2)將主控站發(fā)送來的導(dǎo)航電文用S頻段射頻鏈上行注入相應(yīng)的衛(wèi)星上。上行注入每天1次或2次,每次注入14天的星歷。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)航精度會逐漸降低。

3.用戶段

GPS的用戶段主要是指各種類型的GPS接收機,通常由天線單元和接收單元兩部分組成。其主要功能是接收衛(wèi)星播發(fā)的信號并利用本機產(chǎn)生的偽隨機碼取得距離觀測值和導(dǎo)航電文,并根據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差改正信息,計算接收機的位置。

GPS用戶接收機可以分成許多種類。

(1)按使用環(huán)境可分為低動態(tài)接收機和高動態(tài)接收機。

(2)按使用信號種類和精度可分為單頻粗捕獲碼(C/A碼)接收機和雙頻精碼(P碼)接收機。

(3)按用途可分為測量型、授時型、導(dǎo)航型和姿態(tài)接收機。

(4)按載體形式可分為機載式、彈載式、星載式、艦載式、車載式、手持式接收機等。

15.5.2工作原理

GPS系統(tǒng)一般通過比對衛(wèi)星鐘和用戶鐘的時間測量信號的傳播時間來確定用戶到衛(wèi)星的距離。然而,用戶鐘與衛(wèi)星鐘精度不同,也不能與衛(wèi)星鐘準確同步,因此測量得出的傳播時間是不準確的,計算得到的距離也不是用戶接收機和衛(wèi)星之間的真實距離,只能稱作偽距。假設(shè)用戶鐘和衛(wèi)星鐘的時間差為Δt,則式(15-9)將改寫成

其中,c是電磁波的傳播速度,X、Y、Z和Δt是未知量。

除了測距外,GPS也可以測速。測速方法有兩種:

(1)根據(jù)衛(wèi)星信號的多普勒頻移進行測速。

(2)根據(jù)定位結(jié)果進行測速。

15.5.3系統(tǒng)誤差

GPS系統(tǒng)的定位誤差主要受以下因素的影響:

(1)與GPS衛(wèi)星有關(guān)的測量誤差:主要是GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘模型的偏差,與地面跟蹤站的位置和數(shù)目、描述衛(wèi)星軌道的模型及衛(wèi)星在空間的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(2)與觀測有關(guān)的誤差:主要指與衛(wèi)星信號傳輸路徑和觀測方法有關(guān)的誤差,如電離層和對流層延遲、載波相位周期模糊度等。

(3)與用戶接收機有關(guān)的誤差:主要是接收機鐘誤差和碼跟蹤環(huán)的跟蹤誤差。

由于DOP反映了測量誤差影響定位誤差的倍數(shù)關(guān)系,因此可以將GDOP值作為用戶定位時選星的依據(jù)。GPS系統(tǒng)中正常定位一般要求GDOP小于6,當(dāng)GDOP值過大時會造成定位誤差過大而不能使用,需要重新選擇衛(wèi)星。

15.6第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

15.6.1GLONASS系統(tǒng)GLONASS的全稱是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem),最早開發(fā)于蘇聯(lián)時期,后由俄羅斯繼續(xù)研究,是俄羅斯國防部獨立研制和控制的第二代軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以為全球海、陸、空及近地空間的各種軍民用戶提供全天候、全天時、高精度的三維位置、速度和時間信息。

地面段部分由系統(tǒng)控制中心、中央同步器、遙測遙控站(含激光跟蹤站)和外場導(dǎo)航控制設(shè)備組成。蘇聯(lián)解體,GLONASS系統(tǒng)的地面支持段減少到只有俄羅斯境內(nèi)的場地,系統(tǒng)控制中心和中央同步處理器位于莫斯科,遙測遙控站位于圣彼