GNSS-IR原理与应用

第1章 绪论 1.1 GNSS系统概述 全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）是一种基于空基的无线电导航定位系统。它的*主要功能是为地表或近地空间任意地点的用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间等信息。目前全球存在四大GNSS系统，分别为美国的全球定位系统（global positioning system，GPS）、中国的北斗导航卫星系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、俄罗斯的格洛纳斯导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS），以及欧盟的伽利略导航卫星系统（Galileo Navigation Satellite System，Galileo），目前在轨卫星多达百颗。除上述四大GNSS系统外，多国还建立了区域系统和增强系统，其中区域系统包括日本准天顶导航卫星系统（Quasi-zenith Satellite System，QZSS）以及印度区域导航卫星系统（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS），增强系统包括美国的广域增强系统（wide area augmentation system，WAAS）、日本星基增强系统（multi-functional transport satellite-based augmentation system，MSAS）、欧洲星基增强系统（European geostationary navigation overlay service，EGNOS）、印度星基增强系统（GPS and GEO augmented navigation system，GAGAN）以及尼日利亚的通信卫星一号（Nigeria communications satellite one，NIGCOMSAT-1）等[1]。目前，GNSS系统已经深入航空航天、航海、通信、定位导航、消费娱乐、车辆监控管理、测绘、授时以及信息服务等多方面，而且GNSS系统的发展目标是为实时应用提供更高精度的服务。 1.1.1 GPS系统 1957年10月4日，苏联成功发射了人类历史上**颗人造卫星Sputnik 1。这颗卫星入轨运行后不久，美国约翰斯 霍普金斯大学应用物理实验室利用地面跟踪站的多普勒测量数据实现了卫星轨道的精确解算。在此项研究的基础上，约翰斯 霍普金斯大学应用物理实验室的麦克卢尔博士和克什纳博士指出，对一颗轨道已经精确确定的卫星进行多普勒测量，则可以计算出用户的位置坐标。上述研究为**代导航卫星系统的诞生提供了技术支持。1958年底，美国海军委托霍普金斯大学应用物理实验室研究用于潜艇导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System，NNSS），又称子午仪卫导系统（transit navigation system），该系统的问世开创了导航新时代。1964年1月，该系统正式建成并交于美国海军使用，该系统由6颗卫星组成，在近似圆形的轨道上运行，轨道倾角约为90°，轨道高度约为1 075 km，卫星的运行周期为107 min。1967年7月，美国政府解密该系统部分导航电文，以供民间使用。 作为**代导航卫星系统，子午仪卫导系统虽然具有划时代意义，但还是存在一定的缺陷，如卫星数少、单次定位所需时间过长、定位精度低等，造成了无法实现全天候、全球范围内高精度的连续导航。因此，美国军队迫切呼吁研制出一种新的导航卫星系统，在子午仪卫导系统的基础上，美国陆海空三军提出一种新的导航卫星系统，并将其称为时距导航系统/全球定位系统（navigation system timing and ranging/global positioning system，NAVSTAR/GPS）。美国国防部于1973年正式开始研制GPS系统，1989年**颗GPS卫星发射成功，截至1995年4月系统达到全运行能力[2]。GPS卫星从建设开始，就一直处于不断更新和完善之中，1997年，美国启动了“GPS现代化”计划，该计划主要加强对美军现代化战争的支持，并保持GPS在民用领域的全球主导地位。当前，美国正加紧部署研究GPS-III计划，预计到2030年实现GPS授时精度1ns，定位精度达到0.2～0.5 m，实现更高的植被和陆地穿透能力，全面提高GPS的整体性能。GPS系统由空间部分、地面监测部分和用户部分三部分组成。 GPS空间部分*初组网设计为（21 + 3）GPS星座，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，24颗卫星均匀分布在6个中圆地球轨道（medium earth orbit，MEO），每个轨道上有4颗卫星；轨道平均高度约为20 220 km；卫星轨道平面与地球赤道面的夹角为55°；相邻两个轨道的升交点赤经之差为60°；卫星运行周期为11 h 58 min。截至2020年10月，GPS在轨工作卫星共有31颗，其中GPS-IIR卫星9颗，GPS-IIR-M卫星7颗，GPS-IIF卫星12颗，第三代GPS-III/IIIF卫星3颗[3]。GPS系统在轨卫星信息如表1-1所示。 表1-1 GPS系统在轨卫星信息 目前，GPS卫星发射的信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或D码）等，其中载波信号包括L1（频率为1 575.42 MHz）、L2（频率为1 227.60 MHz）和L5（频率为1 176.45 MHz）载波，三种载波的波长分别为0.190 3 m、0.244 2 m和0.254 8 m。L1载波上调制有C/A码、P码（或Y码）和数据码（或D码），L2载波只调制有P码（或Y码）和数据码，*初载波当作GPS信号传输测距码和数据码的载体，GPS信号之所以选取以上波段，主要是所选择的载波具有穿透电离层能力较强的优点。另外，由于L载波还具有使用率低的优点，扩频前景广阔，有利于宽带信号的传送。 在无线电传输技术中，为了有效地传输信号，只有将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，将载波信号发射出去，这种做法称为调制。GPS卫星信号传输时将测距码和数据码通过调相技术调制到载波上。GPS使用的测距码包括P码（或Y码）和C/A码，二者均属于伪随机码。C/A码是由两个10级反馈移位寄存器组合产生的，C/A码长Nu = 210？1 = 1 023 bit，码元宽度 （ 为基础频率的1/10，即1.023 MHz），相对应的距离为293.1 m，周期为Tu = Nu tu = 1 ms，数码率为1.023 Mbit/s。C/A码主要用于测定卫星信号传播的延迟，由于码元宽度较大，易于捕获，又称为捕获码。P码是由12级反馈移位寄存器组合构成的，码长Nu≈2.35×1 014 bit，码率f0 = 10.23 MHz，码元宽度 ，相应的距离为29.3 m，周期为Tu = Nu tu≈267 d，数码率为10.23 Mbit/s。因为P码码长较长，无法通过搜索C/A码的方法捕获P码，因此，一般首先捕获C/A码，然后根据导航电文，捕获P码。由于P码码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，相应的距离误差为0.29 m，因此，P码一般用于较高精度的导航和定位，由于美国政府对P码保密，不提供民用，因此，一般用户只能接收到C/A码。具体GPS卫星信号组成见表1-2。 表1-2 GPS卫星信号组成 GPS地面监测部分包括1个主控站、5个卫星监测跟踪站和3个地面信息注入站。主控站是*重要的部分，它是整个地面监测系统的运行管理中心和技术支持中心，其主要作用是收集每个监测站发送的数据，对GPS时间系统和卫星星历进行编制，并将卫星星历、时钟误差、姿态数据和大气层延迟改正编制成导航电文传送到注入站。主控站还能对卫星轨道和卫星钟读数进行修正，当卫星发生故障时，还要负责修复卫星或启用备用件以维持其正常工作，当卫星故障过于严重导致无法修复时，则需要调用备用卫星去代替它，以确保整个系统能正常运作。卫星监测跟踪站的主要任务是观测每颗卫星并向主控站提供观测数据。地面信息注入站也称为地面天线，是主控站与卫星之间的通信链路，它的任务是将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。 GPS用户部分主要由GPS接收机组成。GPS接收机包括主机、天线和电源，其主要任务是：捕获、跟踪并锁定卫星信号，对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，并解译出GPS卫星发射的导航电文，实时计算接收机天线的三维位置、速度和时间。在静态定位中，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。 1.1.2 GLONASS系统 GLONASS是苏联研制、组建的第二代导航卫星定位系统，该系统和GPS一样，也采用距离交会原理工作。1982年10月12日，苏联成功发射**颗GLONASSA卫星。随着苏联的解体，该系统大部分卫星停止运行。苏联解体后，该系统由俄罗斯接手并继续研制完善，从2003年开始该系统进入全面升级和发展阶段，并于2007年开始运营，但当时仅能实现俄罗斯境内的导航卫星定位服务，直到2011年才实现全球覆盖。GLONASS空间部分设计与GPS相似，采用（21 + 3）GLONASS星座。24颗卫星均匀分布在3个轨道高度19 100 km、轨道倾角64.8°的中圆地球轨道上，相邻轨道面的夹角为120°，轨道偏心率为0.01。卫星运行周期为11 h 15 min 44 s，地迹重复周期8 d，轨道同步周期17圈。由于GLONASSA卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度地区的可视性较好。 GLONASS系统使用的是频分多址（frequency division multiple access，FDMA）的调制方式，与GPS采用的码分多址（code division multiple access，CDMA）的调制方式不同。采用FDMA的调制方式使得不同卫星所占用的频点不同，因此，GLONASS系统卫星播报的两个频段的频率分别为L1 = 1602 + 0.5625×k（MHz）、L2 = 1246 + 0.4375×k（MHz），k为卫星编号。 GLONASS地面控制组包括一个系统控制站和一个指令跟踪站，网络分布于俄罗斯境内。指令跟踪站跟踪GLONASS的可视卫星，它遥测所有卫星，进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。在地面控制组内有激光测距设备对测距数据作周期修正，为此所有GLONASS卫星上都装有激光反射镜。 1.1.3 Galileo系统 欧盟于1999年首次公布Galileo导航卫星系统计划，其目的是打破美国GPS的垄断局面。Galileo系统由欧盟通过欧洲航天局（简称欧空局）（European Space Agency，ESA）建立，由欧洲GNSS机构（European GNSS Agency，GSA）经营。Galileo与美国GPS的军事导向系统不同，Galileo主要是用于民用，是世界上**个具有商业性质的民用导航卫星系统，该系统除了提供基本的导航、定位及授时等服务外，还提供搜索与救援（search and rescue，SAR）服务以及付费的高精度服务（high accuracy service，HAS）。Galileo系统于2003年正式开始建立，由于欧盟内部成员国的分歧，计划几经推迟，直至2005年12月，才成功发射**颗测试卫星GIOVE-A，并于2008年4月发射第二颗测试卫星GI