请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

图解通信原理与案例分析-28:四大全球卫星导航系统GNSS的基本原理与技术对

[复制链接]
密战 发表于 2021-1-1 10:33:42 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
前言:
卫星导航是卫星通信的一个重要的分支,它是使用导航卫星通信举行测时(时间)和测距(定位)的广义的卫星通信系统。
本文将先容全球卫星导航系统GNSS的根本原理, 以及对全球现有的4大导航卫星系统举行全方位的比较。
关于卫星通信的根本知识,请参看《图解通信原理与案例分析-27: 卫星通信系统及关键技能》https://mp.csdn.net/editor/html/111873896
本文的重点讲放在卫星导授时与测距上,先容卫星导航系统的根本原理以及对全球现有的4大导航卫星系统举行全方位的比较。
目次
第1章 导航卫星系统GNSS概述
1.1 什么是卫星导航?
1.2 四大全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)
1.3 卫星导航的应用
第2章 导航卫星系统的组成
2.1 导航卫星系统的网络架构组成(以GPS为例)
2.2 GPS卫星系统组成与原子钟(以GPS为例)
2.3 导航终端的根本组成(以GPS为例)
2.4 GNSS通信的频谱
第3章 GNSS接收机微波通信的根本原理
3.1 基带调制技能
3.2 多址技能
3.3 定位方式与伪码范例
3.4 GPS导航电文
4. GNSS接收机定时、定位的根本原理
4.1 测时t
4.2 测距
4.3 定位(x,y,z)
4.4 GPS导航的根本原理
5. 全球4大导航卫星系统比较
第1章 导航卫星系统GNSS概述

1.1 什么是卫星导航?


卫星导航是卫星通信的一个重要的分支,它是使用导航卫星通信举行测时(时间)和测距(定位)的广义的卫星通信系统。
这内里有几个关键词:测时测距
测时:又称授时或定时,用户接收机获取自身精确的时间称为“测时”,“测时”的功能。在2G/3G/4G/5G等蜂窝移动通信系统中,作为时钟同步源,得到了广泛的应用,“测时”的前提是卫星通信。
测距:精确地丈量接收机卫星的隔断,它使用的是电磁波的传播速度与传播时间的乘积获取传输路径的隔断的,因此测距的前提是“测时”。
定位:就是确定接收机在地球上的方位,卫星导航系统是使用接收机到多个差异卫星的隔断来计算定位目标在地球上的方位的 ,因此,定位的前提是“测距”。
导航:导航是接收机从一个地方移动到另一个地方的过程,只有能够精确的源地和目标地,才气举行正确的导航,因此导航的前提是定位。
 
1.2 四全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)


在导航卫星系统领域,国际上有一个超豪华俱乐部,它只有四个会员,却吸引了各国政府的关注和众多顶级科学家、工程师的研究,这个俱乐部就是GNSS(全球导航卫星系统)。
四个会员分别是:美国GPS、俄罗斯格洛纳斯GLONASS、欧洲伽利略GALILEO、和中国北斗COMPASS。
最早出现的是美国的GPS导航系统,
实在俄罗斯格洛纳斯GLONASS,
然后是欧洲伽利略GALILEO,
最迟出现的中国北斗COMPASS,
实际上,反面三个导航系统的建立时间,虽然有先后,但时间相差不远。
除了上述4大全球系统外,还包罗区域系统和增强系统,其中区域系统有日本的QZSS和印度的IRNSS。
增强系统有美国的WAAS、日本的MSAS、欧盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亚的NIG-GOMSAT-1等。
未来几年,卫星导航系统将进入一个全新的阶段。用户将面临4大全球系统近百颗导航卫星并存且相互兼容的局面。
丰富的导航信息可以提高卫星导航用户的可用性、精确性、完备 性以及可靠性,但与此同时也得面临频率资源竞争、卫星导航市场竞争、时间频率主导权竞争以及兼容和互利用争论等诸多问题
 
1.3 卫星导航的应用




  • 授时:作为时间同步装置,在通信网络中广泛的应用。
  • 通信:蜂窝移动通信系统需要依赖GPS提供精确的定时。
  • 航空:飞行导航与着陆导航。
  • 帆海:卫星导航接收机广泛地用于海上行驶的各类船只航线,也可以用于沿岸与进港,以及内河行驶的船只,精度可到达2-3m。在卫星导航接收机与无线通信手段集成后,该系统便成为一个位置陈诉系统和紧抢救济系统。许多渔船将GPS与雷达和鱼探器结合在一起,产生显着的经济效益。
  • 人员跟踪:个人跟踪的应用需求与E911这类导航手机或称定位手机思路相似,但其产物范例和主要功能定位则与它们大相径庭。首先要求其体积和功耗要小,便于隐藏或佩戴,如手表之类。其应用功能可以由中心加以激活或启动,以利于获取佩戴者所在位置。
  • 消费娱乐:徒步旅行者、猎人、越野滑雪者,野外工作人员和户外运动者年常应用袋式GPS定位器,配上电子舆图,可以在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目标地。
  • 测绘:GPS测绘还可用于画图、地藉丈量、地球板块丈量、火山运动监测、GIS领域、大桥监测、水坝监测、滑坡监测、大型修建物监测等。这种丈量技能的实时动态化(RTK)可以用于海洋河流公路丈量,以及矿山、大型工程建立工地等作为自动化管理和呆板控制。
  • 车辆监控管理:
  • 汽车导航与信息服务

第2章 导航卫星系统的组成

2.1 导航卫星系统的网络架构组成(以GPS为例)


以GPS卫星导航系统为例,导航卫星系统由三部门组成:
(1)空间(段)部门
由多颗导航卫星构成空间导航网,差异国家的导航系统,卫星的数目是不相同的,且卫星的数目也是变革的,更多的卫星会导致更好的覆盖。
GPS的空间部门,由24颗卫星组成(21颗工作卫星;3颗备用卫星),它位于距地表20200km的上空,运行周期为12h。

卫星匀称分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55°。
卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存导航信息,GPS的卫星因为大气摩擦等问题,随着时间的推移,导航精度会逐渐低落。
为保证系统的一连运行,一般在每个轨道上还部署一颗备份卫星,一旦有卫星发生故障,则可以立刻替代。
卫星之间并不直接通信,他们都直接与地面监控部门通信。
 
(2)地面监控(段)部门

地面控制系统由主控制站(Master Monitor Station)、监测站(Monitor Station)、注入站(Ground Antenna)所组成,
GPS控制部门由1个主控站,5个检测站和3个注入站组成。
组成:GPS控制部门=主控站(1个)+监测站(5个)+注入站(3个)
作用:监测和控制卫星运行,编算卫星星历(导航电文),保持系统时间。


  • 主控站:从各个监控站收集卫星数据,计算出卫星的星历和时钟修正参数等,并通过注入站注入卫星;向卫星发布指令,控制卫星,当卫星出现故障时,调度备用卫星。
  • 监控站:接收卫星信号,检测卫星运行状态,收集天气数据,并将这些信息传送给主控站。
  • 注入站:将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入到卫星。 即向卫星发送发送控制下令。
分布情况:


  • 主控站:位于美国科罗拉多州(Calorado)的法尔孔(Falcon)空军基地。
  • 注入站:大西洋的阿松森群岛(Ascendion);印度洋的迭戈加西亚(Diego Garcia);东太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。
  • 监控站:1个与主控站在一起;3个与注入站在一起;别的一个在夏威夷(Hawaii),西太平洋。

 
(3)用户(段)部门
用户设备部门通常由接收机、定时器、数据预处理惩罚器、计算机和显示器等组成。
其主要功能是能够捕捉到卫星信号,并跟踪这些卫星的运行。
当接收机捕捉到跟踪的卫星信号后,即可丈量出接收天线至卫星的伪隔断和隔断的变革率,,解调出卫星轨道参数等数据。
根据这些数据,接收机中的微处理惩罚计算机就可按定位解算方法举行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数(隔断、隔断差和隔断变革率等),再由计算机算出用户的位置坐标(二维坐标或三维坐标)和速度矢量分量。
卫星信号接收机有各种范例:


  • 有用于航天、航空、帆海的机载导航型接收机,
  • 也有用于测定定位的丈量型接收机,
  • 也有平常大众使用的车载、手持型接收机。
  • 接收设备也可嵌入到其他设备中构成组合型导航定位设备,如导航手机、导航相机等。
 
2.2 GPS卫星系统组成与原子钟(以GPS为例)


GPS之所以能够提供精准的定时,离不开安装在GPS卫星上的原子钟
原子钟:
是一种计时装置,它最初是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的,目前世界上最准确的计时工具就是原子钟。
人们寻常所用的钟表,精度高的约莫每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。
原子钟是使用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。
由于这种电磁波非常稳定,再加上使用一系列细密的仪器举行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。
现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、(Cesium)、(rubidium)等。原子钟的精度可以到达每2000万年才误差1秒。这为天文、帆海、宇宙飞行提供了强有力的保障。

根据原子物理学的根本原理,原子是按照差异电子分列顺序的能量差,也就是围绕在原子核周围差异电子层的能量差,来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不一连的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时,它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不一连的,这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的,比方铯133的共振频率为9 192 631 770Hz。因此铯原子便用作一种节奏器来保持高度精确的时间。

 
2.3 导航终端的根本组成(以GPS为例)


2.3.1 GPS信号射频接收端模块(射频)
(1)接收机天线

接收机天线部门由天线和前置放大器组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波转化为相应的电流;
(2)前置放大器LNA
其作用则是将微弱的GPS信号电流举行相应放大。
(3)变频器/混频器/射频解调器
颠末GPS前置放大器的信号仍然很微弱,为了使接收机通道得到稳定的高增益,而且使L频段的射频信号酿成低频信号,需要通过变频器/混频器/射频解调器。
(4)ADC模数转换
把模拟信号转换成数字信号。
2.3.2 GPS基带信号处理惩罚模块(专用处理惩罚器)
(1)多信号通道:
信号通道是GPS接收机的焦点部门,GPS信号通道是硬软件结合的电路,差异范例的接收机其通道是差异的,通道的数量,表明接收机能够同时处理惩罚的GPS卫星信号的最大数量。
GPS信号通道具有以下作用。


  • 搜索卫星,牵引并跟踪卫星。
  • 对广播电文数据信号实行解扩,解调出广播电文。
  • 举行伪距丈量、载波相位丈量及多普勒频移丈量。
由于接收机接收到的信号是扩频的调制信号,所以要颠末解扩、解调才气得到导航电文。
 
2.3.3 应用处理惩罚模块(通用处理惩罚器: GPS定位算法)
(1)存储器:
接收机内设有存储器或存储卡,以存储卫星星历、卫星历书、接收机收罗到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。
目前GPS接收机都装有半导体存储器(简称内存),接收机内存数据可以通过数据口传到微机上,以便举行数据处理惩罚和数据生存。
在存储器内还装有多种工作软件,如自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件等。
(2)微处理惩罚器CPU


  • 接收机开机后,立刻指示各个通道举行自检,实时地在视屏显示窗内展示各自的自检效果,并测定、校正和存储各个通道的时延值。
  • 接收机对卫星举行捕捉跟踪后,根据跟踪环路所输出的数据码,解译出GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时,将C/A码伪距观测值连同星历一起计算出测站的三维位置,并按照预置的位置数据更新率,不停地更新(计算)点的坐标。
  • 用己测得的点位坐标和GPS卫星历书,计算所有在轨卫星的升降时间、方位和高度角,并为作业人员提供在视卫星数量及其工作状况,以便选用"健康”的且分布适宜的定位卫星,到达提高点位精度的目标。
  • 接收用户输入的信号,如测站名、测站号、天线高和睦象参数等。
(3)电源
GPS接收机的电源包罗内电源和外接电源。
内电源:采用锂电池,主要用于RAM存储器供电,以防止数据丢失。
外接电源:一般采用汽车电瓶大概随机配备的专用电源适配器。当用交换电时,要颠末稳定电源或专用电流交换器。
(4)IO设备
Uart串行接口,用于外部系统与GPS接收机举行通信
(5)秒脉冲1PPS输出(未画出)
提供精确的定时信号1PPS
 
2.4 GNSS通信的频谱

(1)微波是通信的频谱

 
(2)GNSS的频谱
这些卫星导航系统所用的载波无线电信号都属于特高频(300MHz-3GHz)。


从上图可看出:


  • 差异的卫星导航系统,其载波频谱大部门是隔开的。
  • 部门频谱也是会被差异的卫星导航系统共享。如GPS L5与GAL E5s共享频谱,北斗B2与GAL E5b共享频谱, GPS L1与 GAL共享频谱。而俄罗斯的GLO L1是独立的频谱。
 
第3章 GNSS接收机微波通信的根本原理

这里是指GPS接收机是如何通过GPS信号获取GPS“导航电文”信息的。

 
3.1 基带调制技能

(1)多进制调制相位调制nPSK


  • 星座图

BPSK    (Binary Phase Shift Keying):二进制相移键控。
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying):四进制相位调制。


  • 原理图

IQ调制技能:通过控制I路和Q路的幅度,最终控制调制信号相位。


  • 波形图


 
(2)最小频移键控MSK (Minimum Shift Keying)

数字调制中,最小频移键控是一种一连相位频移键控方式。
最小频移键控MSK在频率的切换过程中,向好的相位保持稳定,不会发生相位的跳变!
 
3.2 多址技能

在卫星导航系统中,主要使用两种多址技能。GPS,BD,Galileo都是使用CDMA码分多址,GLONASS使用FDMA频分多址。

(1)频分多址FDMA: GLONASS
关于频分多址(FDMA),详情可以参考:《图解通信原理与案例分析-14:“大哥大”与1G模拟蜂窝移动通信案例--频率调制与频分多址FDMA》
https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/108808207
(2)码分多址CDMA:其他
关于码分多址(CDMA),详情可以参考:《图解通信原理与案例分析-19:3G CDMA码分多址通信技能原理---码分多址、OVSF正交扩频码、伪随机码序列》
https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/109557854
对于接收机来说,多个卫星信号同时到达,需要用多址技能来区别差异的卫星。
以GPS为例,卫星导航系统,可以当作一个基于码分多址(CDMA)的扩频通信系统,其中的码为伪码。
伪码中一个二进制数称为一个码片/码元,一个码片一连的时间成为码宽
,码宽的倒数为码率。
 
3.3 定位方式与伪码范例

GPS提供两种定位服务方式:尺度定位服务(SPS)和细密定位服务(PPS)。
两种方式的区别在于调制载波信号的扩频码差异,分别对应


  • 尺度定位服务(SPS):粗码(Coarse/Acquisition Code),又称C/A码。
  • 细密定位服务(PPS)  :精码(Precise Code),又称P码。
C/A码和P码都是一种伪码,
L1:载波调制采用C/A码和P码,码元速率为1.023MHz。L1C/A精度仅为300米
L2:载波调制只采用P码。
L5:载波调制,码元速率为10.23MHz,L5的测距精度可达30米。
 
3.4 GPS导航电文

(1)GPS导航电文的消息格式



  • 一个完整的导航电文包罗25页,  共25 * 1500,需12.5分钟传输完成。
  • 一个完整的页或帧包含5个子页,共5   * 300,  需30秒时间传输完成。
  • 一个完整的子页包含10个字,     共10  * 30,   需6秒钟时间完成传输。
  • 一个完整的字包含30位。
  • 每子页开头是遥测字(Telemetry Word,TLM)和转换字(HandoverWord,HOD)

 
(2)GPS导航电文内容更新的周期
 
(3)GPS导航电文内容发送的周期
 
至此,GPS接收机可以周期性的从天空中的卫星中解调出卫星发过来的数据:


  • 卫星的位置信息:根据此信息,能够计算得到卫星在空间中坐标(Xn,Yn,Zn)
  • 卫星的时间信息:发送卫星位置信息时的绝对时间Tn
 
4. GNSS接收机定时、定位的根本原理

用户接收机有4个未知数:经度,纬度,高度,本地绝对时间,即(x,y,z,t)这4个未知参数。
4.1 测时t:

假设用户接收机自身的精确为t。测时的过程,就是计算t的过程。测时的过程与定位的过程是一起举行的!
 
4.2 测距:

测距,就是精确的丈量用户接收机到指定卫星的隔断,有两种方法:
(1)速度和时间的行程公式:
  ;  v为已知的电磁波的传播速度3*10^8米,t为未知的电磁波的传播时间。
(2)空间中任意两点的隔断公式:
在空间中两个任意两点(x1,y1,z1), (x2, y2, z2)的坐标已知的情况下,空间中任意两点的隔断为
 

4.3 定位(x,y,z)

假设用户接收机的定位信息为(x,y,z),定位的的过程,就是计算(x,y,z)的过程。测时的过程与定位的过程是一起举行的!
定位,就是确定用户接收机在地球上的精确的方位,卫星导航系统是使用用户接收机到多个差异卫星的隔断来计算定位目标在地球上的方位的 ,因此,定位的前提是“测距”。
(1)一次定时、定位

用户接收机有4个未知数:经度,纬度,高度,本地绝对时间,即(x,y,z,t)这4个未知参数。
那么,通过4颗卫星,得到一个四元方程组,就可以完成了一次测时,得到t和一次定位,得到(x,y,z)的值.
 



上述是4个未知数(x,y,z,t)的方程组,只要4个卫星的定时和定位信息(x1,y1,z1, t1), (x2,y2,z2, t2),(x3,y3,z3, t3),(x4,y4,z4, t4)是已知的,那么上述方程组就有解。
那么卫星自身的定时和定位信息是那边来的呢?
这是通过GPS导航电文消息获取的!这也是GPS导航电文消息的代价所在。
从上述可以看出:


  • 如果要举行三维空间的定时和定位,至少需要4颗卫星。
  • 如果要举行二维平面的定时和定位,至少需要3颗卫星。(忽略高度)
  • 时间这个维度是不能被忽略的,定位的前提是定时!
 
(2)增加定时定位的精度的方法1(时间维度):多次定时、定位
通过收集同一组4颗卫星差异时间点的定时和定位信息,多次求解方程组,得到多组定时、定位信息,再进一步求匀称,就可增加定时、定位的精度。
 
(3)增加定时定位的精度的方法2(空间维度):多组卫星定时、定位
通过收集N>4颗卫星的差异4颗卫星的同一时间点的定时和定位信息,多次求解方程组,得到多组定时、定位信息,再进一步求匀称,就可增加定时定位的精度。
好比收到5颗卫星的数据,从中选出任意的4颗卫星,就可以获取一次定时定位信息,一共有5种组合。
好比收到6颗卫星的数据,从中选出任意的4颗卫星,就可以获取一次定时定位信息,一共有15种组合。
 
(4)精确定时、定位
同时思量时间维度和空间维度,得到最终精确的定时、定位信息。
至此,用户接收机就可以精确的举行定时和定位了。
 
4.4 GPS导航的根本原理


导航:
根据接收机实时的定位信息,按照指定的舆图,把用户从当前定位所在,引导到已知的目标所在的过程。
只有精确的接收机的实时的定位,才气举行正确的导航,因此导航的前提是定位。固然,导航离不开含有位置信息的舆图。
舆图导航的原理,已经超出了本文的范畴,不再进一步探讨。
 
5. 全球4大导航卫星系统比较

比较项目美国俄罗斯欧洲中国
名称GPS格洛纳斯GLONASS伽利略GALILEO北斗COMPASS
创建时间1958199319992000
运营时间1964200720142012
全部完成时间1994200920202020
卫星数目21+324+327+330+5
民用定位精度1100米NANA10米
民用定位精度210米10米1米2.5-5米
军用定位精度0.1米1.2米NA0.05米
测速精度0.1m/秒0.15/秒NA0.2米/秒
定时精度几十纳米NANA10纳秒
多址方式CDMAFDMACDMACDMA
基带调制BPSK, QPSK, 8PSKBPSK, QPSK, 8PSKBPSK, QPSK, 8PSKBPSK, QPSK, 8PSK
优势   卫星多
精度高
不足   遍及度不高
数据不全,待续。。。。。
 
 

来源:https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/111939706
免责声明:如果侵犯了您的权益,请联系站长,我们会及时删除侵权内容,谢谢合作!
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

发布主题

专注素材教程免费分享
全国免费热线电话

18768367769

周一至周日9:00-23:00

反馈建议

27428564@qq.com 在线QQ咨询

扫描二维码关注我们

Powered by Discuz! X3.4© 2001-2013 Comsenz Inc.( 蜀ICP备2021001884号-1 )