卫星定位技术与方法 第十五讲 袁林果 Email:Fayuan@home.situ.edu.cn 西南交通大学土木工程学院测量工程系 GPS现代化 GPS增强系统 GPS的应用 四.GPS高程问题 2005-6-3
1 卫星定位技术与方法 第十五讲 袁林果 Email: lgyuan@home.swjtu.edu.cn 西南交通大学土木工程学院测量工程系 2005-6-3 2 讲授内容 一．GPS现代化 二．GPS增强系统 三．GPS的应用 四．GPS高程问题
1978一首颗GPS卫星发射 1983-里根总统宣布 GPS CIA民用信号对世界免费使用 1993-GPS标准定位服务可以获得 1994-FAA批准GPS用于领空系统 1996-总统决议,首个国家GPS政策出台 1998-两个新的民用信号(L2和L5)宣布 1999-第三民用信号(L5)的频率宣布(117645MHz) 2000-国会批准GPS现代化纳入DoD财政预算 000-SA政策取消 2000- GPS JPO开始修正ⅢRM和ⅢF卫星 2000-JPO与 Boeing和 Lockheed Martin签订制造GPsⅢ条约 2005-6-3 清足美箭求 NywR功能 全民用频率 第民用频率一L5 增加抗干扰能力 取消S五 码、M码 原有GPS GPS III PS-III GPS IIAIIR GPS IIR-M, IIF 提高精度 标准定位服务(-100m) IRM:改进IA性能、增加·完整性监测 精密定位服务(-16m) 在L2增加第二民用码 系统自主导航能力 新的L1&L2M码 其它求: IF:拥有IIRM性能和 导航有关信息 在L5上增加第三民用码 响应性选择
2 2005-6-3 3 民用GPS主要事件总结 • 1978 –首颗GPS卫星发射 • 1983 –里根总统宣布GPS C/A民用信号对世界免费使用 • 1993 – GPS 标准定位服务可以获得 • 1994 – FAA 批准GPS用于领空系统 • 1996 – 总统决议，首个国家GPS政策出台 • 1998 – 两个新的民用信号(L2 和 L5)宣布 • 1999 – 第三民用信号 (L5) 的频率宣布（1176.45 MHz ） • 2000 – 国会批准GPS现代化纳入DoD财政预算 • 2000 – SA政策取消 • 2000 – GPS JPO开始修正 IIR-M 和 IIF 卫星 • 2000 – JPO 与Boeing 和Lockheed Martin 签订制造GPS III 条约 2005-6-3 4 GPS IIA/IIR GPS III GPS IIR-M, IIF IIR-M: 改进 IIA 性能 、增加 • 在 L2增加第二民用码 • 新的 L1 & L2 M-码 IIF: 拥有IIR-M 性能 和: • 在 L5上增加第三民用码 • 标准定位服务 (~100 m) • 精密定位服务 (~16 m) • 两个码信号 L1: 民用(C/A) & 精码 (P) L2: P-码 GPS-III: • 改进 Anti-jam (+20dB) • 提高精度 • 保证可用性 • 完整性监测 • 系统自主导航能力 其它需求: • 摄动力跟踪 • 导航有关信息 • 响应性选择 原有 GPS L2C 码、M-码 NAVWAR 功能 全民用频率 第民用频率 – L5 增加抗干扰能力 一、GPS现代化结构体系 增强系统性能 满足民用/军用增长需求 取消SA
第一步终止SA政策 当前民用只能使用GPSL1信号 在157542MHz载波频率上的粗码(C/A) 低功率信号,标准定位服务 增加第二民用频率(L2C) 在1227.60MHz载波频率上增加C/A-码 低功率信号,标准定位服务 ·增加第三民用频率(L5) 在117645MHz载波频率上增加P-码 高功率信号,精密定位服务 2005-6-3 更健壮的GPS服务 提高抗干扰性能 一般不可能同时影响L1,L2和L5 全球双频精密导航定位 双频(L1,L5)允许占线电离层延迟改正 对于空基增强系统等,参考站数目更少(e.g.WAS) 对于科学&测绘等应用提供mm级精度服务 2005-6-3
3 2005-6-3 5 民用GPS现代化 • 第一步终止 SA 政策 • 当前民用只能使用GPS L1 信号 – 在1575.42 MHz载波频率上的粗码(C/A) – 低功率信号，标准定位服务 • 增加第二民用频率 (L2C) – 在1227.60 MHz 载波频率上增加C/A-码 – 低功率信号，标准定位服务 • 增加第三民用频率 (L5) – 在1176.45 MHz载波频率上增加P-码 – 高功率信号，精密定位服务 2005-6-3 6 GPS现代化民用受益方面 • 更健壮的GPS服务 – 提高抗干扰性能 – 一般不可能同时影响L1, L2 和L5 • 全球双频精密导航定位 – 双频 (L1, L5) 允许占线电离层延迟改正 – 对于空基增强系统等，参考站数目更少 (e.g. WAAS) • 对于科学 & 测绘等应用 提供mm级精度服务
目前信号 Block II/IIA/TIR 2nd民用;M-码 P Block IIR-M 3a民用 Block iF 1116 MHZ 122ⅣHz 155ⅣHz 2005-6-3 更健壮的民用服务 民用用户当前只能使用无码/半无码技术获取L2上P(Y)码 当L1失锁时,提供L2信号,增强导航连续性 精度提高 码双频电离层误差改正 双频观测值组合对精密相对GPS定位服务 改进的信号结构 七CA码更好的互相关特性 更健壮有效的信号跟踪 计划2004年开始发射( Bloc IIR-M 到2012年全部GPs在轨卫星拥有L2C能力 2005-6-3
4 2005-6-3 7 P(Y) C/A 现代化GPS信号结构改进 C/A P(Y) P(Y) P(Y) M L2C M 目前信号 Block II/IIA/IIR 2nd 民用; M-码 Block IIR-M 3rd 民用 Block IIF C/A P(Y) M P(Y) M L2C 1176 MHz (L5) 1227 MHz (L2) 1575 MHz (L1) 2005-6-3 8 计划2004年开始发射 (Block IIR-M) 到2012年全部GPS在轨卫星拥有L2C能力 第二民用频率 (L2C) • 更健壮的民用服务 – 民用用户当前只能使用无码/半无码技术获取L2上 P(Y) 码 – 当L1 失锁时，提供L2信号，增强导航连续性 • 精度提高 – 码双频电离层误差改正 – 双频观测值组合对精密相对GPS定位服务 • 改进的信号结构 – 比C/A 码更好的互相关特性 – 更健壮有效的信号跟踪
经一步改进健壮性和精度 当L1或L2信号失锁时,L5信号增强连续性 三频电离层误差改正 频观测值组合提供超高精度相对GPS定位服务 信号结构 更高功率(-6dB)和抗干扰能力 CD-GPS-705中有关于L5的说明 受保护的航空无线电导航频谱 为双频用户提供生命安全导航、拥有生命搜救功能 计划2005年开始发射 Block 到2015全部GPS在轨卫星拥有 2005-6-3 第二民用信号 第三民用信号 整个GPS体系结构满足 长期GPS执行性能目标 减少长期总的投资成本 保证GPS兼容于 军用/民用需求 各种增强系统 建立未来30年最优化的GPS系统 5
5 2005-6-3 9 计划2005年开始发射 (Block IIF) 到 2015全部GPS在轨卫星拥有L5 第三民用频率 (L5) • 经一步改进健壮性和精度 – 当 L1 或 L2 信号失锁时，L5信号增强连续性 – 三频电离层误差改正 – 三频观测值组合提供超高精度相对GPS定位服务 • 信号结构 – 更高功率 (~6 dB) 和抗干扰能力 – 拥有全24 MHz 波段（带宽） – ICD-GPS-705中有关于L5的说明 • 受保护的航空无线电导航频谱 – 为双频用户提供生命安全导航、拥有生命搜救功能 2005-6-3 10 第二民用信号 第三民用信号 1 ON 3 menu 2 Rockwell 4 5 6 7WPT 8 POS 9 NAV CLR MARK 0OFF NUM LOCK FIX FOM 1 N 42* 01” 46.12” W 091* 38’ 54.36” EL + 00862 ft ZEROIZE • 整个GPS体系结构满足: –长期GPS执行性能目标 –减少长期总的投资成本 • 保证GPS兼容于 –军用/民用需求 –各种增强系统 • 建立未来30年最优化的GPS系统 • 整个GPS体系结构满足: –长期GPS执行性能目标 –减少长期总的投资成本 • 保证GPS兼容于 –军用/民用需求 –各种增强系统 • 建立未来30年最优化的GPS系统 GPS III
系统精度的显著提高 ·保证和改进独立完整性监测水平 提高精度的可用性 为已存在的接收机提供向后兼容性 从 GPS Block川到 BlockⅢ平稳过渡 对军用/民用需求具有较大的灵活性 2005-6-3 1 精度(95%) 限差 目标 水平方向 2.5m 0.5m 垂直方向 4.5m 授时 5.7 nsec 1.3 nsec ·包括接收机的影响 限差=低成本/手持接收机 目标=高成本/大地型接收机 2005-6-3
6 2005-6-3 11 GPS III Civil Goals • 系统精度的显著提高 • 保证和改进独立完整性监测水平 • 提高精度的可用性 • 为已存在的接收机提供向后兼容性 • 从 GPS Block II 到 Block III平稳过渡 • 对军用/民用需求具有较大的灵活性 2005-6-3 12 精度 (95%) 限差 目标 水平方向 垂直方向 授时 2.5 m 0.5 m 4.5 m 1.1 m 5.7 nsec 1.3 nsec GPS III 预期精度标准 • 包括接收机的影响 – 限差 = 低成本/手持接收机 – 目标 = 高成本/大地型接收机
5-100 m L1C/A码 有SA政策 10-20m L1C/A码 无SA政策 7
7 2005-6-3 13 单点定位: 2000年五月以前 • L1 C/A 码 • 有SA政策 25-100 m 2005-6-3 14 单点定位: 目前 • L1 C/A码 • 无SA政策 10-20 m
到?00 5-10m L1CA码 L2C/A码 更好的抗 平扰特 I-5 m L1c/A码 2C/A码 L5P码
8 2005-6-3 15 单点定位: 到2009年 • L1 C/A码 • L2 C/A码 5-10 m 2005-6-3 16 单点定位: 到 2013 • L1 C/A 码 • L2 C/A 码 • L5 P 码 1-5 m 更好的抗 干扰特性
km 2cm精度 L1码和载波相位 L2载波相位 数据链 信号失 100+km 速恢复 势 2cm精度 L1码和载波相位 L2码和载波相位 L5码和载波相位 数据链
9 2005-6-3 17 RTK定位: Today • L1 码和载波相位 • L2 载波相位 • 数据链 10 km 2 cm 精度 2005-6-3 18 RTK定位: 将来 • L1 码和载波相位 • L2 码和载波相位 • L5 码和载波相位 • 数据链 信号失锁快 100+ km 速恢复能力 2 cm 精度
陆基增强系统 以地面伪卫星平台传送类GPS信号、误差改正、完整 性监测等信息,如局域增强系统(LAAS) ·空基增强系统 以静地卫星为平台传送类GPS信号、误差改正、完整 性监测等信息,如广域增强系统(WAAS) Internet增强系统 以 nternet技术传送误差改正、完整性监测等信息, 如JPL的网络全球差分系统(IGDG) 2005-6-3 Communication Satellites 与。 x 10
10 2005-6-3 19 二、GPS增强系统 • 陆基增强系统 – 以地面伪卫星平台传送类GPS信号、误差改正、完整 性监测等信息，如局域增强系统（LAAS） • 空基增强系统 – 以静地卫星为平台传送类GPS信号、误差改正、完整 性监测等信息，如广域增强系统（WAAS） • Internet增强系统 – 以Internet技术传送误差改正、完整性监测等信息， 如JPL的网络全球差分系统（IGDG） 。 2005-6-3 20 广域增强系统 (WAAS)