全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)涉及的產(chǎn)品在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛,已經(jīng)成為手機、汽車、智能設(shè)備等電子產(chǎn)品的標(biāo)配。除此之外GNSS的應(yīng)用非常廣泛,在導(dǎo)航、地圖繪測、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用和開發(fā),例如GNSS北斗+大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)控大壩水位變化,提高災(zāi)情應(yīng)對和維護效率,GNSS技術(shù)已經(jīng)是人們現(xiàn)代生活的必需品。
GNSS由多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成,包括所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),例如如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS),以及相關(guān)的增強系統(tǒng),如美國的WAAS(廣域增強系統(tǒng))、歐洲的EGNOS(歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng))和日本的MSAS(多功能運輸衛(wèi)星增強系統(tǒng))等。國內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備主要以GPS+北斗為主。
北斗衛(wèi)星系統(tǒng)
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要,自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。是繼 GPS、GLONASS 之后,第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
BDS信號
北斗二號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B2I和B3I三個公開服務(wù)信號。其中,B1頻段的中心頻率為1561.098MHz,B2為1207.14MHz,B3為1268.52MHz。北斗三號在B1、B2和B3三個頻段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五個公開服務(wù)信號。目前SKYLAB北斗模塊可接收B1C,B2a,B1I信號。
參考北斗二號系統(tǒng):
B1頻段:中心頻率為1561.098MHz;
B2頻段:中心頻率為1207.14MHz;
B3頻段:中心頻率為1268.52MHz。
參考北斗三號系統(tǒng):
B1C:中心頻率為 1575.42MHz,帶寬為 32.736MHz;
B2a:中心頻率為 1176.45MHz,帶寬為 20.46MHz;
B2b:該信號利用 I 支路提供 RNSS 服務(wù),中心頻率為 1207.14MHz,帶寬為 20.46MHz;
B1I:中心頻率為 1561.098MHz,帶寬為 4.092MHz;
B3I:中心頻率為 1268.52MHz;帶寬為 20.46MHz。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是全球第一個提供三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),使用雙頻信號可以減弱電離層延遲的影響,而使用三頻信號可以構(gòu)建更復(fù)雜模型,消除電離層延遲的高階誤差。同時,使用三頻信號可提高載波相位模糊度的解算效率,理論上還可以提高載波收斂速度。
GPS
GPS全稱Global Positioning System,是歷史最悠久的系統(tǒng),于 1994 年起提供全球定位服務(wù)。整個GPS系統(tǒng)分三大部分:地面站、衛(wèi)星和接收機。
地面站負責(zé)監(jiān)控,通過接收、測量各個衛(wèi)星信號,計算衛(wèi)星的運行軌道,并將衛(wèi)星的運行軌道信息發(fā)射給衛(wèi)星,讓衛(wèi)星去轉(zhuǎn)播。
衛(wèi)星負責(zé)向地面發(fā)射信號,為廣播形式。
接收機接收衛(wèi)星信號,從衛(wèi)星信號中獲取衛(wèi)星的運行軌道等信息,通過計算來確定自身的位置。接收機包括常用的手機、汽車等智能終端設(shè)備。
GPS信號
GPS信號中包含了調(diào)制在一起的載波、測距碼、數(shù)據(jù)碼。
可運載調(diào)制信號的高頻振蕩波稱為載波,GPS衛(wèi)星的載波位于微波L波段,包括L1、L2、L3、L5,目前民用信號包括L1、L2、L5頻段。
L1的載頻為1575.42MHz,波長為19.03cm,帶寬為2MHz;
L2為1227.60MHz,波長為24.42cm,帶寬為20MHz;
L5為1176.45MHz,波長為25.48cm,信號帶寬為20.46MHz;
2010年5月,第一顆支持GPS L5信號的衛(wèi)星升空。L5采用的是與L1、L2不同的工作頻段,可以解決L1C/A存在的問題的,因此其相對于L1 C/A具有先天的技術(shù)優(yōu)勢。
單頻GPS只能接收L1頻段的載波信號,定位精度5米左右,雙頻可用L1和L2,L2一般用在勘測和軍事,民用的雙頻是L1+L5,定位精度最高可達30厘米。對比單頻,雙頻GPS可以提升導(dǎo)航定位精度,并且碼片速率有顯著提升。
測距碼包括C/A、P(Y)、L1C、L2C等。測距碼又稱:偽隨機碼、PRN碼、擴頻碼,每個別名都代表了測距碼的一個特征和作用。 數(shù)據(jù)碼就是導(dǎo)航電文,包含了衛(wèi)星的軌道、鐘差、電離層、完好性等信息。 Galileo 伽利略(Galileo)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),也是世界上第一個基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。全球設(shè)施部分由空間段和地面段組成。地面段由完好性監(jiān)控系統(tǒng)、軌道測控系統(tǒng)、時間同步系統(tǒng)和系統(tǒng)管理中心組成。 Galileo信號 Galileo衛(wèi)星在L波段用三個頻率廣播導(dǎo)航信號:E1、E5和E6。E1信號頻率為1575.42 MHz,并提供三個信號分量,分別為E1-A、E1-B和E1-C。E1-A信號分量攜帶Galileo系統(tǒng)公共特許服務(wù)(PRS)。E1-B和E1-C組件分別構(gòu)成GalileoE1 公開服務(wù)(OS)的數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量。 E5信號中心頻率為1191.795 MHz,由E5a、E5b兩組獨立的信號組成。 E1:1575.42MHz,包括E1-I、E1-Q E5a:1176.45Mhz E5b:1207.14Mhz,開放 E6:1278.75MHz,包括E5-I、E5-Q
GALILEO系統(tǒng)也采用PRN碼進行定位,與GPS系統(tǒng)兼容但又獨立于它。GALILEO系統(tǒng)的主要特點是多載頻、多用戶、多服務(wù)。
GLONASS 格洛納斯(GLONASS)是“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的縮寫。最早開發(fā)于蘇聯(lián)時期,后由俄羅斯繼續(xù)該計劃。俄羅斯1993年開始獨自建立本國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)共有24顆衛(wèi)星,分布在3個軌道,每個軌道上有8顆衛(wèi)星,軌道高度約19100Km。 GLONASS信號 格洛納斯系統(tǒng)使用頻分多址(FDMA)的方式,每顆格洛納斯衛(wèi)星廣播兩種信號,L1和L2信號。 L1頻段:1602 MHz ± 0.5625n MHz(n為衛(wèi)星頻率號,-7 ≤ n ≤ 6),帶寬9MHz; L2頻段:1246 MHz ± 0.4375n MHz(n為衛(wèi)星頻率號,-7 ≤ n ≤ 6),帶寬7MHz; L3頻段:1202.025 MHz,帶寬15MHz。