无线定位

一、GPS定位

1. GPS概述

        GPS是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。如今,GPS已经成为当今世界上最实用,也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统
GPS系统
        GPS系统主要包括有三大组成部分,即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
      (1) 空间星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道平面相对于赤道平面的倾角为55°,各个轨道平面之间的交角为60%每个轨道平面内的各卫星之间的交角为90°,任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°o
      (2) 地面监控部分目前主要由分布在全球的一个主控站、3个信息注入站和5个监测站组成。对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点,星的位置是依据卫星发射的星历(描述卫星运动及其轨道的参数)计算的。每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。
       地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准一PS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出时钟差,然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。
       GPS的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础,均为美国所控制。
     (3) 用户设备部分,即GPS信号接收机。它的任务是,能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出观测站的三维位置,甚至三维速度和时间,最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。
       静态定位中,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变,接收机高精度地测量GPS信号的传播时间,利用GPS卫星在轨的已知位置,解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的
       运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体称为载体(如航行中的船舰、空中的飞机、行走的车辆等)。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动,接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。
       接收机硬件和机内软件,以及GPS数据的后台处理软件包,构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于观测地型接收机来说,两个单元一般分成两个独立的部件,观测时将天线单元安置在观测站上,接收单元置于观测站附近的适当地方,用电缆线将两者连接成一个整机,也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体,观测时将其安置在测站点上。

2. GPS的定位原理

       GPS系统釆用高轨测距体制,以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量,主要釆用两种方法:一种是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间,即伪距测量;另一种是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差,即载波相位测量。釆用伪距测量定位速度最快,而釆用载波相位测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。
       按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能釆用伪距测量。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距测量又可釆用相位测量。
      在定位观测时,GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动,则称为动态定位;若接收机相对于地球表面静止,则称为静态定位。

3. GPS的主要特点

GPS系统与其他导航系统相比,具有如下6个主要特点。
    (1)定位精度高。应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50km以内可达10一6,100〜500km可达ION1000km可达10_9o此外,GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。
    (2)观测时间短。随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20km以内快速静态相对定位,仅需15〜20min;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15km以内时,流动站观测时间只需l~2min,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟,实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在Is甚至更短的时间内便可完成,这对高动态用户来讲尤其重要。
     (3)执行操作简便。随着GPS接收机不断改进,自动化程度越来越高,有的
已达“傻瓜化”的程度;接收机的体积越来越小,质量越来越轻,极大地减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度,使野外工作变得轻松愉快。
       (4) 全球、全天候作业。由于GPS卫星数目较多且分布合理,所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星,从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。目前GPS观测可在1天24h内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
       (5) 功能多、应用广。GPS系统不仅可用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达O.lnVs,测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。
       (6) 抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统釆用了伪码扩频技术,因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。

二、北斗定位

1. 系统功能

        中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统,是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯导航卫星系统(Globalnavigationsatellitesystem,GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。
中国北斗卫星导航系统
        北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球四大导航系统之一,此系统主要由空间部分、地面控制管理和用户终端3部分组成。空间端主要有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端主要包括主控站、注入站及监测站等若干个地面站。北斗卫星导航系统具有以下四大功能。
        (1) 快速定位。地面中心发出的C波段测距信号含有时间信息,经过卫星一测站(用户)一卫星,再回到地面中心,由出入站信号的时间差可计算出距离。北斗卫星导航系统可提供全天候、高精度、快速实时定位服务。
        (2) 实时导航。北斗卫星导航系统地面中心有庞大的数字化地图数据库和各种丰富的数字化信息资源,地面中心根据用户的定位信息,参考地图数据库可迅速计算出用户距目标的距离和方位。另外,用户收发机也具有一定的信息存储和处理能力,可以设置多个航路点、目标点、用户航行允许最大偏差等信息,计算用户距目标的距离和方位,导引用户到达目的地。
       (3) 简短通信。用户与用户之间、用户与中心控制系统之间均可实行双向简短数字报文通信。通信过程为地面控制中心接收到用户发来的响应信号中的通信内容,解读后再传送给收件用户端。一般用户1次可传输36个汉字,经过批准的特殊少量用户可连续发送120个汉字。
       (4) 精密授时°系统具有单向和双向两种定时功能。中心控制系统定时播发授时信息,由用户确定自己的准确时间并与地面中心进行严格的时间同步。单向授时终端的时间同步精度为100ms,双向授时终端的时间同步精度为20ns。
        北斗卫星导航系统的基本工作原理是双星定位:以两颗在轨卫星的已知坐标为圆心,各以测定的卫星至用户终端的距离为半径,形成两个球面,用户终端将位于这两个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图,提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。
用户利用一代北斗卫星导航系统定位的办法是,首先是用户向地面中心站发出请求,地面中心站再发出信号,分别经两颗卫星反射传至用户,地面中心站通过计算两种途径所需的时间即可完成定位。一代北斗卫星导航系统与GPS不同,对所有用户位置的计算不是在卫星上进行,而是在地面中心站完成的。因此,地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息,并负责整个系统的监控管理。由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号,由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置,所以被称为有源定位。
        卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。在发生地震、洪灾等重大灾害时,救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。北斗卫星导航系统除导航定位外,还具备短报文通信功能,通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况,有效缩短救援搜寻时间,提高抢险救灾时效,大大减少人民生命财产损失。

2. 系统组成

北斗卫星导航系统由空间部分、地面控制管理部分及用户终端3部分组成,如图3.1所示。
北斗卫星导航系统的组成
 图3.1北斗卫星导航系统的组成
      (1) 空间部分。空间部分通常有两颗地球同步卫星同时工作,每颗卫星均主要由C/S和L/C两个转发器组成。
      (2) 地面控制管理部分。中心控制站位于北京,是整个系统的管理控制处理中心。中心控制站由5个分系统组成,即信号收发分系统、信息处理分系统、监控分系统、时统分系统、测试分系统。中心控制站与两颗工作卫星进行双向通信,上下行频率均为C波段。30多个标校站分布于全国各地,每个标校站均设置于已知精确位置的固定点上,用于对整个工作线路中各环节的时延特性进行监测和标校处理。
     (3) 用户终端。用户机是整个系统的定位定时和通信终端,可用于陆地、海洋和空中的各种用户,满足用户对导航定位、定时授时及通信方面的需求。用户机及标校机与卫星之间的双向通信上行频率为L波段,下行为S波段。

3. 基本工作原理

(1)定位原理。
        北斗卫星导航系统釆用双星定位方案如图3.2所示,利用已知卫星位置、用户至卫星的斜距及用户的大地高度来计算。如果分别以两颗卫星为球心,以卫星到待测站的距离为半径作两个大球。因为两颗卫星在轨道上的弧度距离为60。(备份星离两颗星都约为30。),即两颗卫星的直线距离约为42000km,这一直线距离小于卫星到观测站的两个距离之和(约72000km),所以两个大球必定相交。它们的相交线为一大圆,称为交线圆。由于同步卫星轨道面与赤道面重合,因此,通过远离赤道的地面点的交线圆必定垂直穿过赤道面,在地球南北两
北斗双星定位原理
图3.2北斗双星定位原理
        半球各有一个交点,其中一个就是待测站。但是,地球表面并不是一个规则的椭球面,即用户一般不在参考椭球面上,须事先给定待测站地面点的大地高度,才能唯一地确定待测站位置。不过待测站的交线圆与待测站水平面不一定总相交,有时可能相切(赤道上)或近似重合(赤道附近)。当交线圆与地球表面垂直相交,交会出的待测站是唯一的,定位精度高;当交线圆与地球表面缓慢相交,交会出的待测站纬度值将会有很大的误差,定位精度差。由于地形的复杂性,即使在中纬度地区山区也可能产生交线圆与地球表面缓慢相交。这些地区称为双星定位的“模糊区”。另外,因为地球同步卫星只能覆盖南北纬81。之间的区域,所以81。以上区域是双星定位的“盲区”。盲区和模糊区的存在是双星定位几何上的弱点。
(2) 站间报文通信原理。
        从地面中心站发出询问信号到用户获得定位和导航信息,数据流程时间约为0.6so中心站发出的询问信号与用户站响应的入站信号中均留有通信信息段,在进行站间简短报文通信时(包括用户站之间、用户与中心站之间),只需将报文信息填入该段内,并填上发文地址(发信方)与接收地址(收信方)即可完成站间简短报文通信。
(3) 授时与定时原理。
       地面中心站将在每一超帧周期内的第一帧的数据段发送标准时间(天、时、分信号与时间修正数据)和卫星的位置信息,用户接收此信号与本地时钟进行比对,并计算出用户本地时钟与标准时间信号的差值,然后调整本地时钟与标准时间对齐(单向授时);或将对比结果通过入站线路经卫星转发回地面中心,由地面中心精确地计算出本地时钟和标准时间的差值,再通过出站信号经卫星1或卫星2转发给用户,用户按此时间调整本地时钟与标准时间信号对齐(双向授时)。

4. 系统应用

根据“北斗一号”卫星导航系统用户机的应用环境和功能的不同,可以将“北斗一号”卫星导航系统的用户机划分成如下5类。
   (1) 基本型:适合于一般车辆、船舶及便携等用户的导航定位应用,可接收和发送定位信息,可与中心站及其他用户终端双向通信。
   (2) 通信型:适合于野外作业、水文测报、环境监测等各类数据釆集和数据传输用户,可接收和发送短信息、报文,可与中心站和其他用户终端进行双向或单向通信。
   (3) 授时型:适合于授时、校时、时间同步等用户,可提供数十纳秒级的时间同步精度。
   (4) 指挥型用户机:适合于小型指挥中心的指挥调度、监控管理等应用,具有鉴别、指挥下属其他“北斗一号”卫星导航系统用户机的功能。可与下属“北斗一号”卫星导航系统用户机及中心站进行通信,接收下属用户的报文,并向下属用户播发指令。
   (5) 多模型用户机:既能接收“北斗一号”卫星导航系统卫星定位和通信信息,又可利用GPS或GPS增强系统导航定位,适合于对位置信息要求比较高的用户。
“北斗一号”卫星导航系统已经正式宣布向民用开放,这是一个非常好的决策。由于“北斗一号”卫星导航系统具有定位和短信功能,所以尤其适合于特殊应用,如海上、边远与人口稀少地区、沙漠荒原、山高林密、内陆水路、长途运输等特
        定地区和特殊行业应用;适合于普通的无线网络无法覆盖的地区或跨区域应用。其具体可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多领域。“北斗一号”卫星导航系统可以有以下几种应用模式
(1)小型集团监控应用。移动目标配置基本型“北斗一号"卫星导航系统用户机,集团监控中心配置指挥型用户机和相应的计算机设备及监控软件,快速构建实用的监控管理应用系统。
(2)大型集团监控应用。移动目标配置基本型“北斗一号”卫星导航系统用户机,集团监控中心配置“北斗一号”卫星导航系统天基指挥所设备,通过地面网络接入“北斗一号”卫星导航系统运营服务中心,完成大规模、跨区域的移动目标监控管理和指挥调度。
(3)自主导航应用。利用“北斗一号”卫星导航系统基本型用户机、多模型用户机进行车辆、船舶等的自主导航。
(4 )通信应用。利用北斗通信终端,实现点对点、点对多点的通信。这种应用模式适合于各类数据釆集和数据传输用户,如水文观测、环境监测等。
(5)授时应用。利用“北斗一号”卫星导航系统授时终端,进行通信、电力、铁路等网络的精确授时、校时、时间同步等操作。

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