全球导航定位系统.ppt

1、全球导航定位系统,10.1.1 GPS 的功用与特点,卫星导航是利用人造地球卫星来进行导航,相当于把导航台搬到天上卫星是空间导航台. 导航星全球定位系统（Navstar Global Positioning System），简称GPS系统。 特点: GPS系统可在全球范围内，全天候为海上、陆上、空中、空间的用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息，并且有良好的抗干扰和保密性能，对导航定位、大地测量，以及精密授时等均具有重要意义。,GPS系统有21 颗工作卫星和 3 颗在轨的备用卫星，它们平均配置在六个轨道上。 卫星发射用伪随机码（伪码）调制的两种频率；L11575.42MHZ ,L21227

2、.6MHZ。 用户设备用测量到几颗卫星的距离的方法，来确定观察点的位置。GPS系统能连续提供三维位置（经度、纬度、高度）、三维速度和时间，实现近乎实时的导航定位。 双频发射是为了供用户设备消除电离层对传播的影响。,伪码有 P码、CA码、Y码三种。P码信号，定位精度高，保密性好，仅供美军和特许用户使用，实时定位精度优于16米，测速精度优于 0.l米秒，授时精度优于 0.1微秒。 CA码信号供一般用户使用，定位精度可达 2040米。CA码采用差分 GPS技术，可以达到米级的定位精度；供测地用的采用无码技术的用户设备，可以达到厘米级的相对定位精度 。 P码的精度高，但编制 P码的方程式早已公开。美国

3、计划在必要时要实施 AS（Antispoofing反电子欺骗）政策，将 P码加密编译成 Y码，Y码的编制方程式严格保密。 Y 码用于有潜在威胁的军事环境中。,10.1.2 GPS的应用,一、海上应用从事海洋运输的船舶可按最佳的航线航行，节省航行时间和燃料。可时刻保持与基地的联系，实时报告船舶在途精确位置。 二、陆地智能汽车GPS和数字地图使车辆有效的利用现有的道路设施，减少交通拥挤。 三、空中和空间应用 （一）空中应用 1、航路导航由于GPS具有全球覆盖、全天候、高精度和运态适应能力。它可以直接用于飞机的航路导航。由于它不依靠地面导航台，因而能适合于边远、荒漠、海上、极区等空域的飞行，并可实施

4、直飞航线或随机航线，增加飞行灵活性。,2、进近着陆利用差分GPS能达到进近着陆的精度要求，因而能取代仪表着陆系统（ILS）和微波着陆系统（MLS）。 3、机场的场面活动管理当飞机和场面活动的车辆都装有GPS接收机和直接向塔台报位的通信线路后，可以监视和调动所有场面活动的飞机和车辆。4、自动相关监视GPS接收机的定位数据可以为自动相关监控提供每架飞机的位置报告给地面管制部门，在其显示器上呈现和雷达监视相当的空中交通活动图像，以便实施管制。,（二）空间应用,1、对导弹进行实时跟踪和制导导弹装上GPS接收设备，可以测出飞行弹道。此外，还可用于导弹的制导，使导弹（或炸弹）不仅可以低空攻击目标，高空攻击

5、目标亦有很高的命中精度。2、确定空间运载体的轨道航天飞机、轨道卫星等空间运载体上装备GPS接收机，可以精确确定自身的轨道位置。,10.1.3 GPS的系统组成与工作频率,该系统由地面支持网、空中卫星群和用户设备三个子系统组成。,1、地面支持网：监控卫星并根据测算结果向卫星提供时间改正参数、卫星星历等资料。2、空中卫星群：卫星接收来自地面站的信息，并向用户发射以 CA 码和 P 码调制的、带有时间信息和卫星星历等导航参数的157542MHz和 122760MHz两种载波频率的信号。3、用户设备：接收卫星发射的时间信号和卫星轨道信息，求得卫星位置，利用时间信号和伪码相关测量卫星到测者的伪距，并由计

6、算机解算用户位置、速度等参数。,10.1.4 GPS系统的地面支持网,组成：GPS系统的地面支持网由五个监测站、一个主控站和四个注入站组成。 工作概况：监测站收集卫星及当地气象资料送给主控站。主控站根据这些资料计算卫星轨道等导航信息，然后由注入站每隔8h向卫星发送一次，更新卫星资料，以便卫星向用户设备转发导航信息。,图102 地面台站设置,一、监测站 监测站（MS）有5个，分别设在太平洋的夏威夷、科罗拉多的斯普林斯、马绍尔群岛的夸贾林岛、印度洋的迪戈加西亚岛、南大西洋的阿森松岛等。 每个监测站有一台用户接收机，若干台环境数据传感器，一架原子钟和一台计算机信息处理机. 它的任务是对所有视见卫星每

7、1.5s测量一次距离数据；监测导航信息；收集当地环境气象数据；（通过环境传感器收集当地的气象数据，为了计算对流层校正数据）. 监测站的计算机控制所有数据的收集，并将得到的数据存贮，然后把这些数据送到主控站。,二、主控站 主控站（MSC）设在美国科罗拉多州斯普林斯的联合空间工作中心。它负责对系统控制部分的运转实行全面的控制。具体任务是：提供GPS系统的时间基准；处理由各监控站送来的数据,编制各卫星的星历；计算各卫星钟的偏差和电离层校正参数等，然后把不断更新的导航信息送到注入站再转发给卫星。监测站每6秒钟将其所测得的卫星距离信息和气象数据发送给主控站，主控站对测量结果中各种已知的偏差如电离层延时，

8、对流层折射等进行修正；然后进行一次数据处理,得到卫星位置、卫星速度、卫星的时钟偏差等估值： 然后按一定格式转化为导航电文送入注入站.,三、注入站目前注入站有4个，分别位于美国的科得角，南大西洋的阿森松岛，印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的马绍尔群岛的夸贾林岛。注入站为主控站和卫星之间提供接口关系。它用 1754MHz1854MHz的频率向卫星注入有关数据。注入数据有用户导航信息（包括时钟校正参数、大气校正参数、卫星星历及全部历书数据)。,10.2 GPS系统的空中卫星群,GPS系统空中卫星群由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。它们接收地面站发送来的星钟修正参数、电离层校正参数,卫星星历等导航信息，

9、为用户提供精密和标准定位服务。 一、卫星星座GPS卫星网为21颗卫星星座布局，它包括24个卫星位置，等间隔分布在6个轨道平面，轨道倾角为55度，两个轨道在经度上相隔600。每一轨道面上有 4颗卫星。如图103所示。,卫星星座 卫星群空间结构,卫星在高约20183km的近圆轨道上运行，周期约12h。每颗卫星绕地球运行两圈时，地球恰好绕其轴转一周。 地球上任一地方用户任一时刻至少可看到仰角5度以上的4颗卫星。 卫星姿态采用三轴稳定方式，保证卫星上天线的辐射口总是对准地面。 为了提供适宜的覆盖，所需的最少卫星为21颗，GPS空间指挥中心的任务是，保证地球上任一地方任一时刻至少可以看到仰角5度以上的4

10、颗卫星。,二、卫星提供的导航信息,1、卫星工作方式 卫星中装有接收机、发射机、高精度的振荡器、导航电文存贮器。 接收机接收地面站发送的导航信息，它包括卫星星历、历书、卫星时钟和电离层校正参数等，同时还接收地面站发送的控制指令。 卫星上时钟的标准频率f0=10.23 MHZ，它是卫星上各种频率的同步信号。,P码的码频率等于 f0 ，CA码的码频率为f0/10， 载波频率f1=1575.42MHz=154 f0 f2 =1227.60MHz=120 f0.,载波L1用P码、CA码和导航数据信息进行相位调制。载波L2只用P码和导航数据信息调制. CA码是一种伪随机噪声码序列，其频率为1.023MHz

11、，波长约 300m，周期 1ms，一周期中的码位为 1023个。它是一种短码，易于捕获。 不同的卫星分配了不同结构的C/A码。P码也是一种伪随机噪声码序列。其频率为10.23MHz，波长约30m，周期约267天（26天gb 45min55.5s），一周期中的码位约 2.31014个。实际上使用的P码周期为7天。不同结构的P码分配给不同的卫星，在一星期内，各卫星的P码不重复。 P码是一种长期的精确码，它难以捕获。通常先捕获C A码，然后使用导航电文中含有的交接码转到P码。,2、卫星导航电文,导航电文是卫星提供给用户的信息，它包括卫星状态、卫星星历、电离层修正参数和卫星钟偏差校正参数以及时间等内容

12、。,一、导航电文及其格式 导航电文是二进制文件，它是按一定格式组成数据帧，按帧向外播送。 导航电文由5个子帧组成。 一帧50个字,每个字30个码位,共1500个码位,时间30s. 每个子帧10个字,时间6s.头2个字为遥测字(TEL)和转换字(HOW),由星载设备产生,后8个字为导航电文,由地面站注入给卫星. 25个帧组成一个主帧.一个主帧是一个完整的历书, 历书包括了所有在轨卫星的简略星历数据.,二、导航电文内容 导航电文中各子帧的格式见下图,1. TEL：遥测码 每个子帧的第一个字码为遥测字（TEL），遥测字开头8个码位作捕获导航数据的前导；随后14个码位是遥测电文，内容包括地面注入数据的

13、状态，诊断信息等，指导用户是否选用该卫星。 2.HOW:转换码 每个子帧的第二个字码为转换码.它可以辅助用户从捕获的C/A码转换到捕获P码. 3.导航信息: 每个子帧中的后8个字为导航信息或专用电文,由地面控制站注入给卫星。,卫星发送出的信号有：1、L1和L2两种载波；2、CA码和P码两种伪随机码；3、导航电文（包括时间信号、卫星轨道资料、电波传播修正参数和卫星钟校正参数、历书）。,10.2.2 GPS基本工作原理_用户设备,GPS接收机接收来自卫星的导航信息， 利用星历资料计算卫星位置; 利用伪随机码或载波相位测量测者到卫星的距离， 最后解算导航方程求测者位置的经纬度。,一、测时间差求距离,

14、GPS中，测量者到卫星的距离是通过测电波从卫星发射到被用户接收机接收的时间间隔来确定的，即根据卫星信号传播时间与电波传播速度的乘积来求得。 而卫星信号传播时间通过测量卫星信号的CA码或P码与用户接收机内产生的同类码相关所需要的相移来求得。,1、伪码测距原理 上一行是接收到的卫星伪码信号，下一行是接收机产生的伪码信号，它的格式与卫星的伪码相同，由接收到的卫星伪码信号相对于接收机产生的伪码信号的延迟量，就可得卫星与用户接收机之间的距离。这种未经修正的距离称为伪距。,2、伪码测距方法,接收的伪随机码序列与接收机产生的伪码序列通常是不同步的，本机的伪码在时钟的控制下逐步地移动，直到接收的和本机的伪码信

15、号同步，则相关器输出控制信号停止本机伪码的移动，并将测得的时间信息提供给计算机。,图10-10示出了相关接收的一个例子，第2行是接收来自卫星的10个码元信号，第3行是本机产生的伪码序列的10个码元。 当接收的伪码信号与本机伪码信号不同步时，在时钟控制下，本机伪码序列右移，直到第4行所示状态，即同步，此时相关器输出高电平停止本机伪码的移动。 测得的时间差是 5个码元持续时间，每个码元为1s ，共5s。,二、 卫星定位算法,1、导航方程自相关测量卫星发送的伪码和本机产生的伪码间差值而得到的距离，并不是测者到卫星的真实距离，许多因素使它带有不同性质的误差，影响较大的有卫星钟差、用户钟差、电波传播误差

16、等。这些误差严重地影响卫星的定位精度，必须尽可能予以修正。,（1） GPS时间系统,卫星上装有稳定度为10-13的精密原子钟，各卫星的原子钟相互同步，并与地面站的原子钟同步，建立起导航系统的精密时系，称为GPS时。精密时系是精密测距的基础。 GPS时间计量是通过Z计数（从每个星期日的零时开始计数，）进行的，利用Z计数器可以较快地捕获P码。,（2）钟差 GPS时间是整个系统的时间标准。它在导航电文的交换字中每6s向用户发送一次。由于1ns即10-9s的误差将导致距离误差0.3m，所以整个系统要求严格与主控站的原子钟同步。 通常卫星钟和用户钟都有误差。 卫星钟差可根据导航电文确定。 用户钟差可在导

17、航解算过程中获得。,(3)电波传播误差该误差主要由电离层和对流层对电波的影响造成的。a电离层的影响地球上方50km到1000km区域的大气层，由于受太阳紫外线等影响而电离成自由电子和离子，形成密度随昼夜、季节、地磁纬度及太阳活动情况变化的电离层。当电波穿越该区域时，将受到非线性传播性能的影响。卫星导航电文中，子帧1和子帧5提供了一些参数供校正电离层附加延时用，还有利用伪码和相位测量、不同测量值线性组合，差分方法等来消除电离层的影响。,b对流层影响,电波经过对流层时，受气温、气压、湿度、仰角等因素影响也会产生传播附加延迟。 由于对流层造成的误差与卫星仰角有关，低仰角时电波通过对流层的路径长，误差

18、大，所以实际应用中应选择仰角大于50的卫星 。,（4） 测距方程图10-12示出了卫星距离测量中影响测距精确的因素。伪距测量值是用测得的卫星发射的信号和用户接收机收到信号的时间差t与电波速度C来描述的，可写为下列表达式：,Ri= Ri+ctAi+c(tu- tui)式中：Ri伪距； Ri 真实距离；c电磁波传播速度；tui 卫星钟差； tu 用户钟差； tAi传播延迟和其它误差。,经修正卫星钟差、电离层和对流层等系统误差后，剩余误差作为随机误差: Rp=R+T+V （10-2） 式中： Rp测量的距离(伪距)R测者到卫星的实际距离T用户钟差对应的距离偏差V随机误差则式（102）即为测距导航方程

19、。,2、GPS定位算法,以测量4颗卫星进行定位的基本方法为例说明其定位方法。由测距导航方程（102）可得下列方程组（忽略随机误差）。,Rpi=(X-Xi)2+(Y-Yi)2) +(Z-Zi)21/2+T 式中：i1、2、3、4 X、Y、Z用户在空间直角坐标系的坐标； Xi 、Yi、Zi第i颗卫星在空间直角坐标系的坐标； Rpi测第i颗卫星所得到伪距。对4颗卫星列出的4个方程式，联立解出4个未知数X、Y、Z和T，这里X、Y、Z就是用户在直角坐标系中的位置数据，T是用户钟差。,10.2.3 GPS定位误差,GPS定位误差主要来源于； 伪距误差和卫星与测者间相对几何位置的几何精度因子GDOP（Geo

20、metric Dilution of Precision）。,一、几何精度因子GDOPGDOP有下述特性：（1）它是选定4颗卫星与测者之间几何关系造成的位置误差的放大倍数。当GDOP大一倍时，位置误差也将大一倍。（2）GDOP只与卫星和测者的相对位置有关，与所选坐标无关。（3）GDOP是星座设计的一个判据，即卫星安置的位置应能使地面测者获得好的GDOP值。（4）定位时，选星原则就是使GDOP尽可能小，以提高定位精度。,为了取得精确的定位效果，选星时总是使GDOP尽可能减小，导航仪通常采用以下方法来选星。（1）最佳GDOP法。即从仰角5度以上的星中取4颗的全部组合，分别计算GDOP值，取GDOP

21、最小的一组星座进行定位。此法选择的星座最佳，但计算量大。（2）次优GDOP。从能收到的卫星中先选出三颗，它们的斜距具有最大的垂直分量、北向分量和东向分量，然后再选一颗卫星使GDOP最小。（3）最大矢端四面体法。以测者为中心作单位球，以四颗星在球面的投影点为顶点组成一四面体。当该四面体体积最大时，这四颗卫星的 GDOP最小，参阅图10-14。,二、伪距测量误差GPS系统中，因测量带来的误差，可以全部等效为伪距测量时带来的距离误差，称为用户等效测距误差。 它主要来自卫星部分，传播途径和用户设备等造成的误差。,1、星历和星钟的误差,由星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差为星历误差。 它主要取决于

22、卫星跟踪系统的质量，如监测站的数量及分布；观测值的精度；轨道计算时所用的模型及软件等。星钟误差主要取决于星上钟的质量，卫星上虽然使用高精度的原子钟，但它仍存在误差。,2、大气层传播延迟大气层传播延迟，包括电离层传播延迟和对流层传播延迟二部分。其误差虽经校正，但仍残存一部分。 3、多路径效应多路径效应是指用户设备接收到卫星信号不仅有直达信号，还有经反射到达的信号，这些信号合成后，使信号特性变化，形成测量误差。这种多路径误差，与用户天线位置及其附近反射面自然特性有关。4、接收机噪声和量化误差 用户接收机的硬件和软件处理信号所引起的噪声，会在距离测量中对误差产生影响。接收机测距可被量化。 5、接收机

23、通道间偏差多通道接收机进行测量时，由于各通道硬件路径不同，会产生通道间偏差。,10.3 GPS用户设备,10.3.1 GPS用户设备的组成GPS用户设备包括GPS接收机及其天线，并包括内部配套的或外部选装的控制显示设备。 接收机和天线是用户设备的核心部分。它的主要功能是接收GPS系统的卫星信号并进行处理、量测和数据输出。 GPS用户设备核心部分的主要组成如图10-16所示。,图10-16 GPS用户设备的核心部分,天 线一般用微带天线，它带前置放大，采用低噪声放大器； 射频部分包括混频和滤波，使其成为中频输出； 信号处理用于信号识别和跟踪处理，在此测定伪距和时间，并进行解扩提取导航电文； 微处

24、理器用于接收机的控制、数据采集和各种计算，包括选星计算、定位计算和监测计算； 输入输出包括数据存贮和输入输出端口功能，供外部控制显示组件和外部系统使用； 基准振荡器用以产生标准频率，供用户接收机混频，以及产生伪码等用。,10.3.2 用户接收机的类型,GPS接收机可有多种不同的分类，现将其主要分类加以介绍。 一、根据接收机的工作原理分类 码相关型接收机； 相位型接收机； 混合型接收机。,码相关型接收机：能够产生与所测卫星的测距码结构完全相同的复制码。工作中通过逐步相移，使接收码与复制码达到最大相关，以测定卫星信号到达用户接收机天线的传播时间。码相关型接收机可利用C/A码也可以利用P码，其工作的

25、基本条件是必须掌握测距码的结构。所以这种接收机也称为有码接收机。 载波相位型接收机：是利用载波信号的平方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号。这种接收机只利用卫星的信号无需解码，因而不必掌握测距码的结构，所以也称为无码接收机。 所谓混合型接收机，是综合利用了相关技术和相位技术的优点，它可以同时获得码伪距和精密的相位观测量。,二、根据接收信号通道的类型分类 平行通道接收机； 序贯通道接收机； _多路复用通道接收机。 在导航和定位工作中，GPS接收机需要跟踪多颗卫星。而对于来自不同卫星的信号，接收机必须首先将它们分离开来，以便进行处理，量测获得不同卫星信号的观测量。 GPS接收机的

26、通道，其主要作用是将接收到的不同卫星信号加以分离，以实现对各卫星信号的跟踪、处理和量测。,平行通道接收机，即具有多个卫星信号通道，而每个通道只连续跟踪一个卫星信号的接收机。这种接收机也称连续跟踪型接收机。 序贯通道接收机，通常只具有12个通道。这时为了跟踪多个卫星信号，它在相应软件的控制下，按时序依次对所有观测卫星的信号进行量测，也称时序式接收机。由于对所测卫星依次量测一个循环所需时间较长（20 ms），所以其对卫星信号的跟踪是不连续的。 多路复用通道接收机，与序贯通道接收机相似，一般也只具有12个通道。，在相应软件的控制下，按时序对所有观测卫星所信号进行量测，其与序贯通道接收机的区别，主要是

27、对所测卫星信号量测一个循环的时间较短（20ms），可以保持对卫星信号的连续跟踪，所以也可以称为快速序贯通道接收机。,三、根据接收的卫星信号的载频和码制分类 单频接收机（L1），CA码，供民用； 双频接收机（L1+L2），CA码加L2无码接收，供民用； 双频接收机（L1+L2），P码，供军用。,单频接收机只能接收经调制L1信号，而且只能利用CA码。但由于修正模型尚不完善，精度较差。所以单频接收机主要用于民间。双频接收机，可以同时接收L1和L2信号，和利用P码，而且利用双频技术可以消除或减弱电离层折射对观测量的影响，导航和定位的精度较高，一般用于军用。,四、根据接收机的用途分类,导航型； 大地型；

28、 授时型。 导航型接收机，主要用于确定船舶、车辆、飞机和导弹等运载体的实时位置和速度，以保障这些载体按预定的路线航行。 大地型接收机，主要是指适于进行精密大地测量工作的接收机。这类接收机，一般均采用载波相位观测量进行相对定位，精度很高，也称测量型接收机。 授时型接收机，主要用于天文台或地面监控站进行时间同步测定。利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时。,10.3.3 接收机通道概念,接收机信号通道，可以理解为GPS卫星发射的信号，经由天线进入接收机的“路径”，它的主要作用是跟踪、处理和量测卫星信号，以获得导航和定位所需要的数据和信息。 当GPS接收机的全向天线，接收到所有来自天线水平面以上

29、的卫星信号之后，必须首先把这些信号分离开来，以便进行处理和量测。这种对不同卫星信号的分离，就是通过接收机内若干分离信号的通道来实现的。,通道是由硬件和相应的控制软件组成的。每个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星。当接收机需同时跟踪多个卫星信号时，原则上可能采用两种跟踪方式： 其一是接收具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续地跟踪一个卫星信号； 其二是一个信号通道在相应软件的控制下用时分制跟踪多个卫星信号。 所以通道的类型，如果根据跟踪卫星信号的不同方式，则可分为下列三种（参见图10-3-2）。 序贯通道（Sequencing channel）； 多路复用通道（Multiplexing chann

30、el）； 并行通道（Multi-channel in parallel）,根据通道的工作原理，即对信号处理和测量方法上的不同，可分为三种不同技术： 码相关技术：从接收到的载波中提取伪随机噪声（PRN）码的CA码序列后，和接收机自己生成的码序列（或称复制码）对照，对复制码用前移或后推的方法使复制码和接收码对齐，使信号得到捕获和识别，在此基础上可以通过测定复制码和接收码之间的时间差，即卫星到用户之间的传播时间，而获得伪距数据。用码相关技术测距方法又称码伪距法。,载波相位技术：将接收到的载波信号自乘，去掉载波上的调制码，用以作载波相位测量。利用此法所测定的相位。载波相位技术只能用于静态测量，因为CA

31、码L1的频率为1575.42MHz其波长约19cm，如果GPS定位更新率每秒一次的话，每秒为数厘米速度的动态用户，就无法采用载波相位技术。 码相位技术：将接收到的载波信号与该信号延迟半个码元宽度（487ns）的信号相乘，经过带通滤波后获得一个其频率与C/A码频率相同的1.023MHz正弦波信号。然后利用时间间隔计数器来测量码相位。码相位技术只能用于低动态测量，因为CA码的频率为1.023MHz，对应波长为293m，高动态用户无法利用。,载波相位技术和码相位暗处都不需了解测距码的结构，都无法获得卫星的导航电文和时间信息，虽然它们的测量精度较高，但只能用于静态定位，很少用于动态导航。航空用导航型G

32、PS接收机都采用码相关技术，但有时也可以附加码相位技术支助，以便提高精度。所以码相关技术使用最为普遍。,10.3.4 码相关型接收机,以码相关技术为根据，在中频上处理和量测卫星CA码信号的接收机，称为码相关接收机。 它主要由码跟踪回路和载波跟踪回路组成,其中码跟踪回路用于对CA码提取伪距观测值。 利用载波跟踪回路对卫星信号进行解调，以获取导航电文和载波L1。该回路中的伪随机噪声码（PRN）发生器即本地码发生器，在接收机时钟的控制下，可产生一个与卫星发射的PRN码结构完全相同的码，即复制码。在相关器中对接收到的卫星PRN码和接收机的复制码进行相关分析，当两信号之间达到最大相关时，说明两者码序列对

33、齐，便可测定出两信号间的时间延迟，即卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间。其信号处理和定位计算流程参见图1019。（P266） 上述两信号达到最大相关时，一般叫做卫星信号捕获，并识别。这时如果把接收到的卫星信号和复制码混频，并将混频后的信号，通过带通滤波器消去卫星信号中的PRN码，这个过程称为解扩。,载波跟踪回路的主要作用是，当上述去掉PRN码的卫星信号进入该回路后，进行解调出卫星的导航电文，然后供载波相位测量,求出伪距变化率. 载波跟踪回路，利用压控振荡器可使接收机振荡器所产生的参考载波相位与接收的载波相位保持一致，而当两信号的相位一致时，载波跟踪回路便锁定了载波信号（达到位同步），这时

34、通过对载波信号的量测，便可获得多普勒频移，求出伪距变化率信息。 卫星载波信号被锁定后，再将其与参考载波信号混频，并通过低通滤波器去掉高频信号，解调后就能获得导航电文。 码相关通道的主要作用是解扩和解调，其主要功能在于既可进行伪距测量，又可进行载波相位测量，并能获得导航电文和时间信息，具有良好的信噪比，所以被民用GPS接收机普遍采用。,一、伪距测量方法 信号被解扩并解调后由导航电文中的TLM字符中可以得到子帧的同步头（相应的时间在HOW字符中）因而可以知道卫星时钟的子帧起始点时间。以PRN码的全“1”状态作为时间标记点，比较接收到的PRN码与复制码的全“1”状态的起始点，利用码片计数器，从本地时

35、钟子帧起始时间开始对被调整了的复制码时钟脉冲（10.23MHz）进行计数，一直到被接收信号的子帧同步头到达时停止（此段时间即为电波从卫星传播到用户的时间）。此计数时间乘以光速就可得到卫星到用户的伪距，即含有钟差成分在内的距离。测距分辨力取决于码跟踪环的分辨力，码跟踪环通常采用延迟锁相环的工作原理，所以有时也称延迟锁相环，其正点和早发或晚发码之间的调节步距一般为码片宽度的1/64，相当于4.6米。,10.4 差分GPS系统,10.4.1 差分GPS技术原理 在飞机进近着陆时，飞机的定位精度应更高，应该不低于米级要求，为此可以采用差分GPS技术。 差分GPS的技术原理为：在已知精密座标位置的点上，

36、设置GPS监测设备（GPS基准台），用精度很高的静态定位用的双频GPS接收机，天线位置上排除多径干扰的影响，连续实时地接收GPS信号，求出误差，按规定时间间隔确定修正量值向用户播发。用户利用收到的信息，使机载接收机解算中加以修正，因此能够输出更为正确的位置数据。,利用差分GPS（或称DGPS）可以消除或减小例如星钟误差、星历误差、信号传播延迟误差等公共误差，因而提高了定位精度。但用户接收机自身的噪声误差，多径干扰误差只与自身设备有关，差分GPS技术也不能消除。 差分GPS应用中的精度和用户相对差分基准台的距离有关，离基准台越近，则由于其公共误差相同而精度高，离台较远时，由于大气传播误差上产生差

37、异，使精度降低。 因而，差分技术的应用受到用户与基准台之间距离的限制。所以差分GPS技术一般适用于机场附近的进近着陆，并不适用于航路飞行。,10.4.2 差分GPS的类型 基于相同的工作原理不同的修正方式，差分GPS分为三种类型 位置差分：基准台测出位置的三维数据（经度、纬度、高度）和基准台天线的中心标定精密位置的三维数据相比较，得到经度差、纬度差和高度差三个数据后，向空中广播，飞机上收到后按此数据修正飞机位置即可。 此法优点为用户只需在自己测得位置数据上修正，不必在通道接收机内部修正，但如果用户接收机选用于定位的四颗卫星和基准台所选用的四颗卫星不同，则显然误差各不同而导致不正确。当飞机离基准

38、台较远一些时，由于几何位置不同，选用卫星组合会不同，所以此法只能适用于离基准台较近的情况。,伪距差分：基准台测出在其可视见范围内所有卫星的伪距数据和该点到卫星之间理论算出的伪距比较求出伪距误差，将所有卫星的伪距误差，称为用户差分距离误差（UDRE）向用户广播，飞机上的接收机收到后，先对定位计算中所用卫星的伪距进行修正后，再送去求定位解，这样可以使求出的定位解数据更为精确。 此法必须在用户接收机内部修正，但不管接收机定位时选用任何卫星组合均可。这是目前广泛采用的方法，不论海上或航空的差分应用都用此法，其精度仍然与用户离基准台的距离有关。,载波相位差分：基准台和用户接收机同时采用载波相位测量法分别

39、测定对共视卫星的载波相位距离，基准台将各卫星的载波相位修正值发送给用户，以便用户改正其载波相位，然后求出精确的定位解。这种技术用于测地定位，又称实时动态测量（RTK）技术。,10.3.3 差分GPS基准台,目前已经批准的GPS差分系统可以实现类精密仪表进近，/类精密仪表进近的GPS差分系统尚在研制中。 基准台的GPS接收机应该由24套供冗余和备份，其天线也需24个，如果考虑到减少多径干扰，应适当选址并组成天线阵列。,10.4.4 差分GPS机载设备,差分GPS机载设备是具有差分修正能力的差分GPS接收机及其进近着陆轨迹偏离数据的解算处理器，其产品和仪表着陆系统（ILS）、微波着陆系统（MLS）

40、的机载设备一起，称为多模式接收机MMR。 这三种接收机都是供进近着陆使用的。今后每个机场的装备不同，有的机场上安装了ILS，有的机场安装有MLS，有的机场安装了差分GPS基准台，一架飞机到不同机场进近着陆时，为了适应当地机场的设备，所以安装了MMR。,MMR有多种形式，并不是上列三种接收机都要选装，可以任选其中两种配合。 由于欧洲的某些机场采用了MLS，飞到欧洲的客机有必要选装MLS，否则只需选装ILS和GPS。,10.5 机载GPS接收机及其使用,10.5.1 组成 波音747-400飞机上有两套GPS接收机和天线，其机载GPS接收机称为GPS传感组件（GPSSU），它接收信号后算出飞机位置

41、，并更新GPS时钟。其内部处理器参见图1020。这些数据送给飞行管理计算机系统（FMCS），飞机状态监控系统（ACMS）和数据管理组件（DMU）。 在FMCS中的导航功能为利用GPS和其他导航传感器一起综合计算飞机位置，并能在CDU上读出。,10.5.2 GPS信号处理,一、射频部分 射频部分的GPS天线接收卫星信号，此信号经滤波和放大然后送到A/D转换器。 二、A/D转换器 将模拟信号转换成数字信号，以便进行数字信号处理。,三、处理器 信号处理器控制信号的捕获跟踪、测量时间、决定信号的有效性和数据解码。 处理器有12通道，可同时处理12个卫星的信号。其中某几个通道用以对已跟踪卫星处理数据，而

42、另外几个通道用以搜索捕获新出现的卫星。,四、ARINC429接受器 从IRU送来的数据，一部分用于初始方式，另一部分用于当跟踪卫星不足4颗时的辅助方式。 五、导航计算 利用从卡尔曼滤波器来的对4颗跟踪卫星作导航位置计算和更新，以确定用户的实时位置。 六、GPS时钟 GPS时钟必需由上述导航解去更新，不断算出时钟偏差。,七、ARINC429发送器 不断更新的GPS位置，速度和时钟数据等信息由此发送给飞行管理计算机（FMC），并送到数据管理组件（DMU）。 GPS接收机的输出数据为：机载GPS接收机可以提供给飞行员的信息有：经度，纬度，高度，精确时间和地速。,八、连续自检（BITE）监测器 连续地

43、对GPSSU处理器、卫星数据、A/D转换器和射频信号完好性进行监测，当检测到重要故障时，进入GPS故障方式。 九、非易失性存贮器（NVM） 当检测到一个故障后，NVM记录了这个故障，以便今后被车间维修所调用。当NVM填满后，新的故障记录将取代最老的故障记录。,十、接收机自治式完好性监测（RAIM） 接收机自治式完好性监测（RAIM）用以对卫星测量进行误差的检测和隔离，从对5颗卫星进行测距提供数据余度，因而可作完好性检查， RAIM的算法解出完好性质量指标称为水平完好性极限（HIL），FMC可以根据此HIL决定其数据是否可用。 如果对6颗卫星测量，则可以判断出那个卫星不好。因而可以从导航解组合中

44、排除这颗卫星。,DMU,10.5.3 GPS工作方式 一、初始方式 通电后先进入初始方式，同时进行自测试，其信号处理部分接受从IRS输入的初始位置（纬度、经度和高度）数据，此时无导航或测量输出，30秒钟后GPSSU进入捕获方式。 二、捕获方式 GPSSU寻找并跟踪锁定卫星信号，在开始计算GPS数据以前至少捕获四颗卫星的信号。从初始方式输入的时间位置和高度数据可以算出当前应能见到那些卫星。如果没有时钟和惯性位置可用，则捕获时间就要较长，约需10分钟，直至捕获并跟踪到四颗以上卫星。正常捕获方式约56分钟。,三、导航方式 在跟踪锁定了至少4颗卫星以后，进入导航方式，GPSSU测定并算出位置、速度、加

45、速度和时间，可以供输出。当跟踪锁定不足4颗卫星，则GPSSU进入高度支助方式。 四、高度辅助方式 利用IRS的惯性高度加上地球半径参与计算，这样只要能跟踪着3颗卫星，就能算出飞机位置和其他数据，当重新跟踪4颗卫星后，立即恢复导航方式。,五、推测方式 当跟踪着的卫星少于3颗，GPSSU进入推测方式，这时从IRU送来高度、航迹角、地速数据进行计算，此方式只能维持30秒短时间，30秒钟后仍然不能跟踪4颗卫星，GPSSU返回捕获方式。 六、故障方式 如果出现重要故障，GPSSU进入故障方式，此时其输出数据无效。 七、自测试方式 通电开始自动进入自测试方式，由软件程序使其进入对各个电路的测试，以验证其正

46、常工作，全部通过后自动进入初始方式。如果自测试失败，则自动进入故障方式。,10.6 全球导航卫星系统GNSS,10.6.1 概况 GPS是美国军方控制和运行系统，虽然已经宣布其民用码（CA码）向全球民间开放，免费提供使用，但是保留其对敌视使用的拒绝措施，包括危机时刻采用向局部地区施加降低精度，乱码或中断信号等不可预测的措施，对航空使用尚无安全保障。在美国也不能作为单一导航手段使用。,国际民航组织（ICAO）鼓励航空界尽早采用卫星导航，考虑到美国的GPS尚未具有足够的安全保障，提出了一个使用多元化的全球导航卫星系统（GNSS）概念。 GNSS是一个全球性的位置和时间的测定系统，它包括一个或几个卫

47、星星座，机载接收机和系统完好性监控。,它蕴含着如下意义： （1）GNSS将由多星座系统组成，不能单纯依靠单个或单国的某一现存系统（星座），而GPS和GLONASS（以及今后的Galileo系统）可以作为GNSS的选用部件； （2）考虑到民航对安全飞行上的要求，GNSS必需有完好性监控和增强技术。例如美国、加拿大准备发展由静地卫星发布广域完好性监控信息和广域差分信息，称为广域增强系统（WAAS），日本也将发射静地卫星移动运输卫星（MTSAT），同样具有对GPS的广域增强作用（MSAS），欧洲利用Inmarsat卫星和Artremis卫星实现欧洲静地卫星的GPS重叠系统（EGNOS）也是一种广域增

48、强系统。,这些广域增强系统必须在地面上按地域建立对GPS的完好性监测台网，监测并生成完好性数据，用以上行注入卫星后向用户广播，这些台网和静地卫星都是GNSS的组成部件； （3）机载接收机必需备有接收机自治式完好性监控（RAIM）手段，作为接收机适航批准的必要条件； （4）希望由民间补发、加发民用的导航卫星，或建立民用导航星座，最终地形成一个民用GNSS星座，近期欧洲提出的Galileo计划，能够符合此要求。,10.6.2 GLONASS系统Glonass是前苏联于1982年宣布发展并发射首颗试验卫星建立起来的，比美国的GPS起动晚9年，直至1996年初达到了24颗卫星在轨的满星座运行。其星座方

49、案与GPS相仿，为24颗中高度轨道（MEO）卫星，采用19100公里高度的三个等间隔轨道，轨道倾角64.8。由于倾角较大，对高纬度地区的信号覆盖较好。每个轨道上平均分布8颗卫星。卫星绕地球旋转周期约11小时15分钟。 10.6.3 Galileo计划欧洲联盟委员会于1999年公布其伽利略（Galileo）计划，意欲靠欧洲力量建立一个和GPS相仿的，可以和GPS兼容，但独立自主的民用全球导航卫星系统，希望在交通运输上摆脱一贯受美国的牵制，这个计划虽然难产，曾两次搁浅，最近已于2002年3月决策上马。该计划星座部署的初步方案与GPS星座相仿，由30颗中高度轨道（MEO）卫星组成，采用23100公里高度上的三个等间隔轨道，轨道倾角56，每个轨道上均匀分布9颗工作卫星，另有一颗在轨备用卫星。,