卫星导航(4-7)第4章

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1、4.4全球定位系统（GPS）20世纪60年代初期，随着卫星技术的发展和对未来战争的考虑，美国政府机构包括军方、国家航空航天局(NASA)和交通部(DOT)都对发展用于定位的卫星系统产生了兴趣。美国政府认为未来的最佳导航系统应当具有全球覆盖能力，能够全天候、实时为高动态平台提供高精度、高安全性的导航定位服务。子午仪于1964年投入运行后，主要用于静点定位及船舰等低动态用户。子午仪不适合高动态作战用户的缺陷，使得:约翰霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员对子午仪系统的改进建议。海军研究实验室星载高稳定时钟的试验空军621B系统的概念研究,星座布局和伪距技术

2、，霍夫曼空军基地和白沙导弹试验场利用地面伪卫星试验。1969年，国防部长办公室(OSD)建立了国防导航卫星系统(DNSS)计划。1973最终由GPS联合计划办公室(JPO)制订了NAVSTARGPS计划，简称为GPS。目前，GPS已经可以为全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度、时间信息，满足了当初提出的最佳定位系统的标准。卫星星座由安排在6个轨道平面上的24颗卫星组成，每个平面上4颗。卫星上载有高精度的原子频标，并且与地面的GPS系统时进行同步。卫星采用码分多址(CDMA)技术,在两个频率上广播测距码和导航数据，其中一个频率在L1波段，中心频点为

3、1575.42MHz，另一频率在L2波段，中心频点为1227.60MHz。4.4.1系统组成GPS卫星导航系统主要由三部分组成：空间部分、地面测控部分、用户终端。一、空间部分空间部分是由广播导航信号的多颗卫星组成的星座。卫星运行在距地球表面以上约20230km的近圆轨道，运行周期约11小时58分钟。目前的星座和所用的卫星数目是从早期的相对赤道面倾角为63。的3个轨道平面上的24颗卫星（每个轨道上8颗）星座演变而来的。后来由于国防预算紧缩，曾将空间部分星座卫星数目减少为18颗，轨道平面改为6个，每一个轨道面上运行3颗卫星但这个方案最终被否决了，因为它确实

4、不能提供满意的24h全球覆盖。1986年，计划的卫星数目增加到21颗，即在原来18颗卫星星座基础上增加了3颗在轨备用卫星。目前，该星座由24颗工作卫星组成，均匀分布在6个倾角为55。的轨道面上，每个轨道有4颗卫星。此外，还有4颗备份卫星在轨运行，共28颗卫星。GPS系统可全天为全球任何地方提供4～8颗仰角在15。以上的同时可观测卫星。如果将遮蔽仰角降到10。，有时则最多可观测到10颗卫星。若将遮蔽仰角进一步下降到5。最多可同时见到12颗卫星。二、地面测控部分地面测控部分由1个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成主要任务是：跟踪所有的卫星以进行轨道

5、和时钟测定，预测修正模型参数，卫星时间同步为卫星加载数据电文等。1．主控站主控站早期位于加州范登堡空军基地，现迁到位于科罗拉多州斯普林斯福尔肯(Falcon)空军基地的空间联合工作中心(CSOC)。CSOC从各监测站收集跟踪数据，计算卫星的轨道和钟参数，并将这些结果送到3个地面控制站中，以便向卫星加载数据,卫星控制和系统工作也是主控站的责任。2．监测站5个监测站分别设在：夏威夷、科罗拉多斯普林斯、阿森松岛(南大西洋)、迭戈加西亚岛(印度洋)和夸贾林环礁(北太平洋马绍尔)群岛。监测站均配有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星伪距的接收机。所测伪距每1.

6、5s更新一次，利用电离层和气象数据，每15min进行一次数据平滑，然后发送给主控站。3．地面控制站地面控制站有时也称作地面天线(GA)，它们分别与设在阿森松、迭戈加西亚和夸贾林的监测站。由主控站传来的卫星星历和钟参数以S波段射频链上行注入到各个卫星。以前，上行注入是每天3次，现在则每天一次或两次。如果某地面站发生故障，各卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度却会逐渐降低。4.4.2信号结构与导航电文一、卫星信号用于导航的卫星星历等参数都是以调制信息的的形式广播给用户的。卫星上有日稳定度约为10-13的铯原子钟，产生f0=10.23MHz的基准频

7、率。卫星载波信号工作在L波段，为了校正电离层折射引入的附加传播时延，系统采用双频体制，分别为L1和L2，它们与基准频率f0关系为：L1=154*f0=1575.42MHzL2=120*f0=1227.60MHz卫星向用户广播的导航信号主要包括：①卫星星历及星钟校正参数；②测距时间标记；③大气附加延迟校正参数（主要是电离层）；④其他与导航有关的信息。采用不归零二进制编码形式。数据符号位速率为50Hz。GPS系统采用了直序扩频通信，主要是为了实现高抗干扰能力的保密通信,进行卫星识别（CDMA技术），完成精密的单程码测距。信息经二进制编码后与伪码(C／A码和

8、P码)通过模2和进行扩频，再将扩频后的码对载频进行二进制相移键控(BPSK)后发射给用户。卫星