《衛(wèi)星通信講義》PPT課件.ppt

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衛(wèi)星通信導(dǎo)論 一 衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜述 二 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) 三 通信系統(tǒng)的多址技術(shù) 四 衛(wèi)星通信傳輸工程 五 VSAT系統(tǒng)簡(jiǎn)介 六 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介 七 銥系統(tǒng)簡(jiǎn)介 目前全球無(wú)線通信技術(shù)的熱點(diǎn) 3G MMDS WLAN WiMAX UWB 全球移動(dòng)通信系統(tǒng) 全球衛(wèi)星通信系統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn) 覆蓋區(qū)域大 通信距離遠(yuǎn) 三顆同步衛(wèi)星即可覆蓋全球 頻帶寬 容量大 機(jī)動(dòng)性好 不受地理?xiàng)l件限制 通信可靠性高 質(zhì)量好而穩(wěn)定 費(fèi)用與距離無(wú)關(guān) 有多址能力 組網(wǎng)靈活 可實(shí)現(xiàn)區(qū)域及全球個(gè)人移動(dòng)通信 通信衛(wèi)星的分類 按軌道分 赤道軌道 極軌道 傾斜軌道 同步衛(wèi)星 移動(dòng)衛(wèi)星 GEO MEO LEO 按通信范圍分類 國(guó)際通信衛(wèi)星 區(qū)域性通信衛(wèi)星 國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星 按用途分類 綜合業(yè)務(wù)通信衛(wèi)星 軍事通信衛(wèi)星 海事通信衛(wèi)星 電視直播衛(wèi)星 氣象衛(wèi)星等 按轉(zhuǎn)發(fā)能力分類 無(wú)星上處理能力 有星上處理能力 按頻段分類 0 1 0 3 GHz VHF 移動(dòng) 導(dǎo)航業(yè)務(wù) 0 3 1 0 UHF 移動(dòng) 導(dǎo)航業(yè)務(wù) 1 0 2 0 L 移動(dòng)業(yè)務(wù) 指令傳輸 2 0 4 0 S 移動(dòng)業(yè)務(wù) 指令傳輸 4 0 8 0 4 6 C 固定業(yè)務(wù) 8 0 12 0 X 12 0 18 0 12 14 Ku 固定 DSS業(yè)務(wù) 18 0 24 0 K 24 0 30 0 Ka 33 0 50 0 Q 50 0 75 0 V 按重量分類 大型衛(wèi)星 Large 1000kg 1億美元 小衛(wèi)星 Small 500 1000kg 0 5 1億美元 微小衛(wèi)星 Mini 100 500kg 500 2000萬(wàn)美元 微衛(wèi)星 Micro 10 100kg 200 300萬(wàn)美元 納衛(wèi)星 Nano 10kg 100萬(wàn)美元 皮衛(wèi)星 Pico 1kg 世界衛(wèi)星通信發(fā)展簡(jiǎn)史 1000AD中國(guó)發(fā)明火箭1945AutherCClarke提出三顆同步衛(wèi)星覆蓋全球1957前蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆衛(wèi)星SPUTNIK1963美國(guó)發(fā)射世界上第一顆同步衛(wèi)星SYNCOM1964INTELSAT建立1965第一顆商用同步衛(wèi)星INTELSAT 11979INMARSAT 海事 建立1970中國(guó)發(fā)射第一顆衛(wèi)星DFH 1 世界衛(wèi)星通信發(fā)展簡(jiǎn)史 截止1999年底全球有300顆同步通信衛(wèi)星提供60 洲際通信和100 國(guó)際電視轉(zhuǎn)播全球在軌轉(zhuǎn)發(fā)器4467個(gè)正在建造的轉(zhuǎn)發(fā)器1793個(gè)1997年世界衛(wèi)星市場(chǎng)售業(yè)額512億美元2007年預(yù)計(jì)達(dá)1900億美元2004 2010年將發(fā)射350顆同步通信衛(wèi)星 中國(guó)衛(wèi)星通信的發(fā)展史 1000AD中國(guó)發(fā)明火箭 1970中國(guó)發(fā)射第一顆衛(wèi)星DFH 1 1984年4月 發(fā)射了第一顆試驗(yàn)用 同步通信衛(wèi)星 STW 1 即東方紅二號(hào) 1986年2月于我國(guó)西昌發(fā)射場(chǎng) 用長(zhǎng)征3號(hào)火箭成功發(fā)射第二顆 實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星 STW 2 1988年3月 又于西昌發(fā)射場(chǎng) 用長(zhǎng)征3號(hào)火箭發(fā)射成功第一顆 實(shí)用通信衛(wèi)星 即 東二甲 衛(wèi)星 到2002底中國(guó)共發(fā)射約60顆衛(wèi)星 衛(wèi)星通信在中國(guó)的特殊地位 地域遼闊 960萬(wàn)平方公里 東西南北跨度均超過(guò)5000公里 地形復(fù)雜 山區(qū)占31 高原26 丘陵10 平原僅占31 人口眾多 13億人口 8億農(nóng)村人口 全國(guó)1 5以上行政村尚無(wú)電話 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速 西部和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要 空間站 衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星的主要設(shè)備包括下列七大系統(tǒng) 位置與姿態(tài)控制系統(tǒng) 天線系統(tǒng) 轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng) 遙測(cè)指令系統(tǒng) 電源系統(tǒng) 溫控系統(tǒng) 入軌和推進(jìn)系統(tǒng) 推進(jìn)系統(tǒng)的自旋控制 我國(guó)自制衛(wèi)星的發(fā)展情況 1970年4月24日東方紅一號(hào)1975年11月26日返回式遙感衛(wèi)星1984年4月8日試驗(yàn)通信衛(wèi)星1986年2月1日東方紅二號(hào)甲1988年3月7日東方紅二號(hào)甲1988年12月22日實(shí)用通信衛(wèi)星1990年2月4日實(shí)用通信衛(wèi)星1997年5月12日東方紅三號(hào)甲 1970年4月24日發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星 星上的儀器艙裝有電源 測(cè)軌用的雷達(dá)應(yīng)答機(jī) 雷達(dá)信標(biāo)機(jī) 遙測(cè)裝置 電子樂(lè)音發(fā)生器和發(fā)射機(jī) 科學(xué)試驗(yàn)儀器等 衛(wèi)星的主要任務(wù)是向太空播放 東方紅 樂(lè)曲 同時(shí)進(jìn)行衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn) 探測(cè)電離層和大氣密度 星上采用銀鋅蓄電池作電源 電池壽命有限 衛(wèi)星運(yùn)行20天后 電池耗盡 東方紅 樂(lè)曲停止播放 衛(wèi)星結(jié)束了它的工作壽命 東方紅一號(hào) 微小衛(wèi)星的應(yīng)用 國(guó)際空間站 總質(zhì)量423噸 長(zhǎng)108米 寬88米 密封艙容積達(dá)1202立方米 運(yùn)行高度397KM 傾角51 6度 空間站由多個(gè)模塊組合而成 第一艙 曙光 號(hào)功能貨艙和服務(wù)艙已于發(fā)射成功 國(guó)際空間站 建造分三個(gè)階段1994 1998試驗(yàn)航天飛機(jī)與俄 和平 號(hào)空間站對(duì)接1998 2000初期裝配階段 建立空間站核心部分 第一批宇航員登上空間站2000 2004最后裝配階段 我國(guó)參與了其中 阿爾法 磁譜儀的研制 主要用于微重力科學(xué) 空間材料加工 對(duì)天地觀測(cè)等活動(dòng) 通信系統(tǒng)的多址技術(shù) 正交性原理 發(fā)射機(jī)1 發(fā)射機(jī)2 發(fā)射機(jī)N 信道 接收機(jī) 多址系統(tǒng)的信道容量 理想AWGN的信道容量 多址系統(tǒng)的信道容量 N0 AWGN的功率譜密度 通信系統(tǒng)的多址技術(shù) FDMATDMACDMASDMAALOHA FDMA 采用FDD的雙工模式 FDMA的信道容量 單用戶的信道容量 對(duì)于固定的帶寬W 隨著用戶數(shù)量K的增加 總的容量是增加的 但是分配給每個(gè)用戶的容量和帶寬卻逐漸減少 因此實(shí)際上總的信道容量不可能無(wú)限的增加 總的信道容量 TDMA 1 TDD的雙工模式 2 子幀的捕獲和同步 GSM的幀長(zhǎng)為4 6ms 每幀8個(gè)時(shí)隙 TDMA的信道容量 TDMA的信道容量與FDMA相同 但是從應(yīng)用的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō) TDMA中當(dāng)K很大時(shí) 對(duì)發(fā)送機(jī)來(lái)說(shuō) 保持發(fā)送機(jī)功率為K S是不可能的 因此 用戶的數(shù)量在實(shí)際應(yīng)用中存在限制 單用戶的信道容量 CDMA 邏輯信道2 邏輯信道1 邏輯信道3 邏輯信道N 碼字 偽隨即序列 頻率 時(shí)間 CDMA的信道容量 每個(gè)用戶的容量 由于系統(tǒng)使用同樣的頻段 因此在極端狀況有可能其他所有的 K 1 個(gè)用戶成為噪聲 CDMA移動(dòng)通信技術(shù) 關(guān)鍵技術(shù) 1 擴(kuò)頻通信 2 軟切換 3 功率控制技術(shù) 4 多徑分集接收 CDMA的主要技術(shù)特點(diǎn) 大容量 單一無(wú)線信道 軟切換 話音激活技術(shù) 具有所有擴(kuò)頻技術(shù)的特點(diǎn) SDMA 空分多址是通過(guò)空間的分割來(lái)區(qū)別不同的用戶 達(dá)到正交性 目前主要采用自適應(yīng)陣列天線來(lái)實(shí)現(xiàn) 它的主要參數(shù)包括 工作頻點(diǎn) 波束夾角和波束覆蓋的半徑 隨即多址技術(shù) 1 概念 2 分類 ALOHA CSMA PRMA3 ALOHA的性能指標(biāo) 通過(guò)量 分組平均延時(shí) 信道利用率 第四章衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路傳輸工程 1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道模型 2 衛(wèi)星移動(dòng)通信的鏈路特性 3 星 地鏈路損耗 4 衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量 多徑信道模型 是接收端接收到的信號(hào) 是由于多徑效應(yīng)產(chǎn)生的不同衰落的衰落系數(shù) 對(duì)應(yīng)于時(shí)變系統(tǒng) 衰落系數(shù)是隨時(shí)間變化的 是時(shí)間的函數(shù) 在時(shí)不變系統(tǒng)中 衰落系數(shù)為一組固定的常數(shù) 是系統(tǒng)的時(shí)延 是頻偏 是信道中的噪聲 L是信道中的路徑數(shù)目 A是整體信道對(duì)信號(hào)幅度的增益 與多徑信道等效的FIR濾波器 衛(wèi)星通信的鏈路特性 1 頻率選擇性失真 由信道相干帶寬和發(fā)送信號(hào)帶寬之差引起的不同頻率下的增益和相位變化 通過(guò)來(lái)分析 2 衰落失真 由信道的時(shí)變引起的 主要是多普勒頻移 噪聲與干擾P39 系統(tǒng)熱噪聲1 等效噪聲溫度噪聲功率譜密度 輸出噪聲功率 其中 宇宙噪聲外部環(huán)境干擾其他干擾 2 有耗無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度3 級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度 星 地鏈路損耗 1 自由空間傳播損耗 饋線 波導(dǎo) 損耗P40 LF 饋線損耗 dB T0 環(huán)境溫度 k 波耳茲曼常數(shù) B 帶寬 級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲 N級(jí)網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)總噪聲 星 地鏈路損耗 2 鏈路附加損耗 大氣吸收損耗 雨衰 大氣折射干擾 電離層的閃爍與多徑 衛(wèi)星通信全鏈路質(zhì)量 一 鏈路預(yù)算分析 發(fā)射機(jī) 信道 接收天線 發(fā)射天線 接收機(jī) 饋線損耗 饋線損耗 信噪比的預(yù)算 接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度 衛(wèi)星通信全鏈路傳輸質(zhì)量 鏈路預(yù)算的案例 一 上行鏈路的載波噪聲溫度比 二 下行鏈路的載波噪聲溫度比 5 GPS系統(tǒng) 5 1GPS的發(fā)展 5 2GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5 3GPS定位的基本原理 5 4GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)和接收機(jī)基本工作原理 5 5GPS功能模塊的應(yīng)用案例 5 1GPS的發(fā)展歷史 一 早期的衛(wèi)星三角測(cè)量技術(shù) 已知A B兩點(diǎn)的坐標(biāo)位置 通過(guò)在三點(diǎn)的衛(wèi)星攝影圖片 利用立體幾何的簡(jiǎn)單原理對(duì)C點(diǎn)的坐標(biāo)作出估計(jì) 5米的點(diǎn)位精度 二 基于多普勒定位的NNSS 海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 利用開(kāi)普勒效應(yīng)測(cè)量地面觀測(cè)站與衛(wèi)星的距離或距離差 得到觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo) 5 1GPS的發(fā)展歷史 1958年12月開(kāi)始 U S 和Hopkins大學(xué)研制 到1961年11月 先后發(fā)射了6顆用于試驗(yàn)的 子午衛(wèi)星 極軌道衛(wèi)星 衛(wèi)星高度950 1200km 每隔2小時(shí)可觀測(cè)到一次 它由三部分組成 子午衛(wèi)星 地面跟蹤網(wǎng)和用戶接收機(jī) 地面跟蹤網(wǎng) 跟蹤站 計(jì)算中心 注入站 海軍天文臺(tái)和控制中心 它們的任務(wù)是測(cè)定各衛(wèi)星的軌道參數(shù) 并定時(shí)將這些數(shù)據(jù)和時(shí)間信號(hào)注入到相應(yīng)的各顆衛(wèi)星上 以便衛(wèi)星可以按時(shí)向地面播發(fā) 5 1GPS的發(fā)展歷史 用戶接收機(jī) 用來(lái)接受衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào) 測(cè)量多普勒頻移 解譯軌道參數(shù)和計(jì)算接收機(jī)三維地心坐標(biāo) 1967年7月 美國(guó)政府將解密的子午衛(wèi)星部分電文給予民用 70s中期 我國(guó)引進(jìn)該系統(tǒng)接收機(jī) 并進(jìn)行了幾次大規(guī)模的多普勒定位項(xiàng)目 聯(lián)合測(cè)設(shè)的全國(guó)衛(wèi)星多普勒大地網(wǎng) 西北地區(qū)衛(wèi)星多普勒定位網(wǎng) 全國(guó)陸地海洋衛(wèi)星定位網(wǎng) 南極長(zhǎng)城測(cè)量等 點(diǎn)精度可達(dá)到分米級(jí) 缺陷是 無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性 5 1GPS的發(fā)展歷史 三 GPS系統(tǒng) 特點(diǎn) 高精度 全天候 高效率 多功能 易操作 應(yīng)用廣等 成為當(dāng)今世界上最實(shí)用 也是應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航 指揮和調(diào)度系統(tǒng) 利用衛(wèi)星星歷和載波信號(hào)傳播時(shí)間差測(cè)距 并通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法 WGS 84大地坐標(biāo)系 地面網(wǎng)坐標(biāo) 1973年12月美國(guó)國(guó)防部立項(xiàng) 投資200億美元 于1989年完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試并正式投入運(yùn)營(yíng) 5 1GPS的發(fā)展歷史 1994年建成完整的GPS系統(tǒng) 國(guó)防部于1996年12月31日停止了之前提供全球定位 導(dǎo)航和測(cè)量用的NNSS系統(tǒng) 正式進(jìn)入GPS時(shí)代 另外 有前蘇聯(lián)研制開(kāi)發(fā)成功了GLONASS系統(tǒng) GlobalNavigationSatelliteSystem 歐洲空間局正在發(fā)展以民用為主的NAVSAT系統(tǒng) 5 1GPS的發(fā)展歷史 GPS提供的主要業(yè)務(wù) 海陸空運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航 監(jiān)控 管理 報(bào)警和救援 大地測(cè)量 工程測(cè)量 變形檢測(cè) 地籍測(cè)量 航空攝影測(cè)量和海洋測(cè)繪 森林火災(zāi)定位 提供精密標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 物理探礦及檢測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)等 5 2GPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 空間星座部分 包括GPS工作衛(wèi)星和備用衛(wèi)星 地面監(jiān)控部分 控制整個(gè)系統(tǒng)和時(shí)間 負(fù)責(zé)軌道檢測(cè)和預(yù)報(bào) 用戶設(shè)備部分 各種兼容的接收機(jī) 一 空間星座部分 21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道面上 迄今為止 設(shè)計(jì)了三代衛(wèi)星 Block1 Block2和Block3 功能 1 向廣大用戶連續(xù)發(fā)送定位信息 2 接受和存儲(chǔ)地面站發(fā)來(lái)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文等信息 3 接受地面監(jiān)控站的控制 4 通過(guò)星載的高精度 銣 鐘和 銫 鐘 提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 二 地面站 1 主控站 1個(gè)設(shè)在美國(guó)本土的科羅拉多州斯本斯 主要用來(lái)產(chǎn)生參數(shù)和控制衛(wèi)星等 2 檢測(cè)站 5個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心 分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍軍事基地 3 注入站 3個(gè)將主控站的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器 三 用戶端設(shè)備 包含各種兼容GPS系統(tǒng)的不同公司的產(chǎn)品 設(shè)備由GPS接收機(jī)及其天線 CPU 電源和終端設(shè)備等部分構(gòu)成 目前主要有徠卡 Leica 公司 天寶 Trimble 公司 阿士杰 Ashtech 公司 Koden Garmin 5 3GPS基本工作原理 通過(guò)接受 只需接受無(wú)需發(fā)送 來(lái)自至少4顆工作衛(wèi)星的導(dǎo)航電文 利用其中的時(shí)間信號(hào) 或者載波相位偏移 計(jì)算接收點(diǎn)與衛(wèi)星的距離 在得到衛(wèi)星星歷的情況下接收點(diǎn)的位置 緯度 經(jīng)度和高度 就可以精確地確定 衛(wèi)星作為測(cè)量位置標(biāo)記并利用一個(gè)時(shí)間標(biāo)記 通過(guò)三角關(guān)系來(lái)確定緯度 經(jīng)度和高度 基于WGS 84大地坐標(biāo)系 然后轉(zhuǎn)換為各個(gè)國(guó)家大地坐標(biāo)系 然后根據(jù)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行信息處理 5 3GPS基本工作原理 衛(wèi)星星歷每一顆衛(wèi)星都會(huì)廣播其星歷表 該星歷表包含用來(lái)計(jì)算其軌道位置的軌道要素 由地面控制站不斷地更新和修正 時(shí)間系統(tǒng)1 作為原子級(jí)時(shí)間基準(zhǔn) 2 利用時(shí)間計(jì)算傳輸延遲 載波相位偏移即多普勒頻移 5 3 不同的定位方式 一 單點(diǎn)定位和相對(duì)定位 單點(diǎn)定位采用延遲時(shí)間定位方式 相對(duì)定位 差分定位 還可以使用載波相位觀測(cè)定位方式 二 動(dòng)態(tài)定位和靜態(tài)定位 三 精準(zhǔn)定位服務(wù) PPS 和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù) SPS 5 3美方的SA政策 SA SelectiveAvailability 選擇可用性認(rèn)為的施加誤差以降低GPS衛(wèi)星的星歷精度和星載時(shí)鐘頻率精度 以限制民用和他國(guó)利用GPS進(jìn)行實(shí)時(shí) 或快速 和較高精度的定位 在SA信號(hào)的影響下 SPS的單點(diǎn)定位精度從20 30m降到100m 水平 和150m 垂直 削弱SA的策略 1 建立獨(dú)立的GPS衛(wèi)星測(cè)軌系統(tǒng) 2 開(kāi)發(fā)多系統(tǒng)兼容的接收機(jī) 3 發(fā)展差分定位技術(shù) 4 開(kāi)展傳輸工程技術(shù)的研究 日本區(qū)域性導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃 日本科學(xué)與技術(shù)廳于1996年提出建立一個(gè)區(qū)域性導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng) 擬通過(guò)在通信衛(wèi)星上搭載導(dǎo)航載荷來(lái)實(shí)現(xiàn) 其星座由1顆地球靜止軌道衛(wèi)星和3顆或8顆低軌道衛(wèi)星組成 這一建議雖因美國(guó)的反對(duì)而擱淺 但日本并未徹底放棄原來(lái)的打算 日本科學(xué)與技術(shù)廳于1997年3月要求日本宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)團(tuán)用7年時(shí)間開(kāi)發(fā)導(dǎo)航衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù) 如研制星載高精度氫原子鐘和精密定軌技術(shù) 衛(wèi)星軌道保持技術(shù)等 日本計(jì)劃在1999年以后發(fā)射 多功能運(yùn)輸衛(wèi)星 MTSAT 該衛(wèi)星服務(wù)于國(guó)際民航組織提出的通信導(dǎo)航監(jiān)視 空中交通管理系統(tǒng) 并建立基于MTSAT衛(wèi)星的GPS增強(qiáng)系統(tǒng) 包括增發(fā)GPS格式的測(cè)距信號(hào) 中國(guó)民間衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的情況 按照美國(guó)的經(jīng)驗(yàn) 開(kāi)展導(dǎo)航軍事應(yīng)用的同時(shí)開(kāi)發(fā)民間應(yīng)用 可廣泛帶動(dòng)導(dǎo)航產(chǎn)品市場(chǎng) 美國(guó)政府部門在2000年5月宣稱 其GPS設(shè)備全球范圍有用戶400萬(wàn)以上 有關(guān)GPS商品和服務(wù)的應(yīng)用市場(chǎng)在今后3年內(nèi)將翻一番 即由80億上升至160億美元以上 歐洲導(dǎo)航市場(chǎng)估計(jì)在2025年間用戶設(shè)備收益為880億歐元 服務(wù)收益為1120億歐元 由伽利略引起的歐洲設(shè)備工業(yè)出口為700億歐元 總和為2700億歐元 其中新興的最有希望的道路交通應(yīng)用占77 海運(yùn)占1 民航和鐵路各占不到1 其他如精細(xì)農(nóng)業(yè) 海上勘探 大地測(cè)量和精密時(shí)間同步等占21 伽利略計(jì)劃投資為35億歐元 中國(guó)民間衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的情況 預(yù)計(jì)2005 2025年間 相當(dāng)于兩代伽利略衛(wèi)星 民用經(jīng)濟(jì)效益為900億歐元 返回政府的直接與間接稅收是450億歐元 提供10萬(wàn)個(gè)高新技術(shù)就業(yè)機(jī)會(huì) 中國(guó)民用衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)廣闊 潛在經(jīng)濟(jì)效益巨大 是今后可持續(xù)發(fā)展的重要因素 在本國(guó)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式運(yùn)行以前 中國(guó)民用衛(wèi)星導(dǎo)航目前主要集中于對(duì)GPS的應(yīng)用 中國(guó)自主研制的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 2000年10月31日和12月21日中國(guó)相繼成功發(fā)射第一顆和第二顆導(dǎo)航定位試驗(yàn)衛(wèi)星 報(bào)道稱中國(guó)將自行建立第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 北斗星導(dǎo)航系統(tǒng) 5 4GPS的信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號(hào)包括 載波 測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼測(cè)距碼包括 C A碼 粗捕獲碼 和P碼 精密測(cè)距碼 時(shí)鐘基本頻率為 10 23MHz 調(diào)制方式為 BPSK 0度的幅值為1 代表邏輯 1 180度代表邏輯 0 測(cè)距碼的產(chǎn)生 測(cè)距碼的產(chǎn)生 C A碼和P碼的產(chǎn)生 兩種碼字都由最長(zhǎng)線性一位寄存器碼序列 m序列 產(chǎn)生的復(fù)合碼 m序列 由多級(jí)反饋移位寄存器電路產(chǎn)生 編碼電路范例如下圖 噪聲通信理論 M序列 統(tǒng)計(jì)特性是 每個(gè)周期內(nèi) 1 0 1 出現(xiàn)的次數(shù)基本相等 只相差一次 2 長(zhǎng)度為n的游程出現(xiàn)的次數(shù)比長(zhǎng)度為n 1的游程出現(xiàn)的次數(shù)多一倍 相關(guān)特性 具有非常好的相關(guān)特性 互相關(guān)函數(shù)的定義 自相關(guān)函數(shù)的定義 M序列的自相關(guān)特性 一個(gè)周期 R m GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)碼 導(dǎo)航電文 導(dǎo)航電文是用戶來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ) 主要包括 衛(wèi)星星歷 時(shí)鐘改正 電離層時(shí)延改正 工作狀態(tài)信息以及由C A碼捕獲P碼的信息 6sec 1個(gè)主幀 1個(gè)子幀 1個(gè)字碼 子幀4 5含25頁(yè) 30sec 數(shù)據(jù)碼結(jié)構(gòu) 遙測(cè)碼 TLW TelemetryWord 轉(zhuǎn)換碼 HOW HandOverWord 1 第一數(shù)據(jù)塊 第1幀 標(biāo)示碼 時(shí)延差改正 星期序號(hào) 衛(wèi)星的健康狀況 數(shù)據(jù)齡期 衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù) 2 第二數(shù)據(jù)塊 第2 3幀 開(kāi)普勒六參數(shù) 軌道攝動(dòng)九參數(shù) 時(shí)間兩參數(shù) 3 第三數(shù)據(jù)塊 第4 5幀 包括所有系統(tǒng)內(nèi)的衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù) 接收機(jī)分類 1 按用途分類 導(dǎo)航型接收機(jī) 車載型 航海型和航空型 測(cè)地型接收機(jī) 授時(shí)型接收機(jī) 2 按接收機(jī)的載波頻率分類 單頻接收機(jī) 雙頻接收機(jī) 接收機(jī)分類 3 按接收機(jī)通道數(shù)分類 多通道接收機(jī) 序貫通道接收機(jī) 多路復(fù)用通道接收機(jī) 4 按接收機(jī)工作原理 碼相關(guān)型接收機(jī) 平方型接收機(jī) 混合型接收機(jī) 干涉型接收機(jī) 接收機(jī)的組成 一 接收機(jī)的天線單元 包括天線和前置放大器 天線類型 單板天線 四螺旋形天線 微帶天線 錐形天線 二 接收機(jī)主機(jī) 1 變頻器2 信號(hào)通道3 存儲(chǔ)器4 微處理器5 顯示器和控制部分 5 4接收機(jī)定位工作原理 GPS單點(diǎn)定位結(jié)果參考于WGS 84坐標(biāo)系 電子地圖的制作一般是以原始的地形圖或地籍圖為基礎(chǔ) 通過(guò)數(shù)字化來(lái)實(shí)現(xiàn)的 為了與電子地圖的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系或高斯坐標(biāo)相一致 將目標(biāo)位置顯示在屏幕上 還需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 大地坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的直接轉(zhuǎn)換公式為 在以上所建立的兩種坐標(biāo)系間的直接轉(zhuǎn)換關(guān)系式中沒(méi)有考慮高程 當(dāng)?shù)貓D上不同區(qū)域的高程發(fā)生變化時(shí) 利用這樣的直接轉(zhuǎn)換必然會(huì)產(chǎn)生投影誤差 由此而得的轉(zhuǎn)換結(jié)果也會(huì)存在一定的誤差 所以這種轉(zhuǎn)換公式只適用于城市或者平原丘陵地區(qū) 這時(shí)計(jì)算得的平面坐標(biāo)與實(shí)際的平面坐標(biāo)誤差很小 對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能并無(wú)大礙 GPS接收機(jī)對(duì)碼的量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離 由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差 故稱為偽距 對(duì)C A碼測(cè)得的偽距稱為C A碼偽距 精度約為20米左右 對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱為P碼偽距 精度約為2米左右 接收機(jī)定位工作原理 GPS應(yīng)用實(shí)例 基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式GPS跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 GPS 電子地圖同便攜式設(shè)備相結(jié)合的技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景 本系統(tǒng)將GPS接收板與JingWei 充分利用JingWei板資源 實(shí)現(xiàn)了全球定位系統(tǒng)與電子地圖相結(jié)合的目標(biāo)定位跟蹤 它可以對(duì)靜態(tài)目標(biāo)定位和動(dòng)態(tài)目標(biāo)追蹤 顯示追蹤路徑 并能將當(dāng)前目標(biāo)所在位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)根據(jù)POCSAG協(xié)議進(jìn)行編碼 通過(guò)發(fā)送模塊實(shí)時(shí)發(fā)送出去 供監(jiān)控設(shè)備接收 關(guān)鍵詞 JingWei GPS 電子地圖 定位跟蹤 1 設(shè)計(jì)目標(biāo) 接收功能 定向功能 地圖顯示及操作功能 跟蹤功能 發(fā)送功能 2 設(shè)計(jì)方案 2 設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)方案考慮到GPS和電子地圖的實(shí)時(shí)性 JingWei板的高性能 將GPS和電子地圖結(jié)合在一起 完成目標(biāo)的跟蹤功能 2 1硬件結(jié)構(gòu) GPS25 LVS接收板 JingWei嵌入式系統(tǒng) 發(fā)射機(jī) 2 2軟件流程 2 3系統(tǒng)界面 3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 3 1電子地圖 3 2GPS與嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換 目前許多GPS廠商遵循NMEA0183協(xié)議對(duì)PDA掌上電腦開(kāi)發(fā)了多種導(dǎo)航型GPS接收機(jī) 這些接收機(jī)提供了串行通信接口 串行通信的參數(shù)為 波特率4 800bps 8位數(shù)據(jù)位 1位停止位 無(wú)奇偶校驗(yàn) GPS接收機(jī)與掌上電腦通信時(shí) 通過(guò)串口每秒鐘發(fā)送1組數(shù)據(jù) 包括大約10條語(yǔ)句 通信過(guò)程為 打開(kāi)串口 配置串口 設(shè)置串口超時(shí) 讀寫串口 關(guān)閉 3 3跟蹤的基本原理 本系統(tǒng)通過(guò)GPS接收機(jī)得到目標(biāo) 攜帶GPS的目標(biāo) 當(dāng)前的經(jīng)緯度信息 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)在電子地圖上的坐標(biāo) 并且在地圖上將相應(yīng)的位置顯示標(biāo)記 使觀測(cè)者能夠清楚地知道目標(biāo)的當(dāng)前位置 從GPS接收機(jī)不斷地得到目標(biāo)的當(dāng)前位置 并不斷地刷新其在地圖上的標(biāo)記 這樣就能夠清楚地觀察到目標(biāo)經(jīng)過(guò)的路徑 從而實(shí)現(xiàn)跟蹤目標(biāo)的功能 運(yùn)用不同的方法 有不同的跟蹤的方式 在本系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)兩種跟蹤方式 3 3 1圖板跟蹤 1 顯示點(diǎn) 對(duì)應(yīng)于Trace菜單 在PDA的屏幕上顯示電子地圖 EVC的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)地圖的放大 縮小和平移 因?yàn)槠聊粺o(wú)法以1 1的比例顯示全幅地圖 故接收到當(dāng)前目標(biāo)的大地坐標(biāo)值后 根據(jù)定位過(guò)程中解算的系數(shù)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo) 還不能直接顯示在屏幕上 需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換得到屏幕坐標(biāo) 我們可以設(shè)一個(gè)POINT值 保存當(dāng)前屏幕中心點(diǎn)的平面坐標(biāo)值 根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)和屏幕中心點(diǎn)在地圖上的相對(duì)位置以及當(dāng)前的顯示比例計(jì)算得到兩點(diǎn)在屏幕上的相對(duì)位置關(guān)系 從而顯示目標(biāo)的位置 當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)出屏幕所顯示的 區(qū)域 屏幕所顯示區(qū)域?qū)⒏鶕?jù)目標(biāo)的平面坐標(biāo) xT yT 的變化趨勢(shì)產(chǎn)生一定的平移 而當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)的位置與屏幕所顯示區(qū)域相距甚遠(yuǎn)時(shí) 屏幕所顯示區(qū)域?qū)⒁阅繕?biāo)的位置為新的中心點(diǎn) 目標(biāo)處于屏幕邊緣時(shí)除外 而選取新的區(qū)域 2 顯示路徑 對(duì)應(yīng)于Rou比菜單 顯示行經(jīng)路線時(shí) 首先在全幅地圖上畫出全部路線 然后可以選定一個(gè)點(diǎn)放大其周圍的區(qū)域 放大的圖形還可以進(jìn)行平移 由此查看更清楚的路線或在某一區(qū)域內(nèi)的路線 3 保存路徑 對(duì)應(yīng)于SaVe菜單 可以將用戶走過(guò)的路徑上點(diǎn)的坐標(biāo)以文件的形式保存起來(lái) 4 打開(kāi)保存文件 對(duì)應(yīng)于0pen菜單 可以打開(kāi)原來(lái)保存的路徑信息 5 顯示當(dāng)前點(diǎn)的地理信息 3 3 2無(wú)線跟蹤 無(wú)線跟蹤 就是當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)和被跟蹤的目標(biāo)處于不同的地理位置時(shí) 監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法直接獲取目標(biāo)的信息 必須使被跟蹤的目標(biāo)將其當(dāng)前的位置信息通過(guò)某種遠(yuǎn)程的 無(wú)線 的方式實(shí)時(shí)發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng) 供其接收處理 動(dòng)態(tài)顯示在電子地圖上 6 VSAT系統(tǒng) VSAT的主要應(yīng)用 電話業(yè)務(wù) 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)6 1 1VSAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1 星型網(wǎng)絡(luò)2 交互式網(wǎng)狀網(wǎng)6 1 2VSAT地面設(shè)備1 主站 2 小站 6 2VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng) 1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 底層 OSI下三層 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡(luò)層 MAC層 傳輸管理 包括業(yè)務(wù)申請(qǐng)的分配和管理 消息管理高層 應(yīng)用層 VSAT數(shù)據(jù)網(wǎng) 2 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型 短信 電子郵件和大的數(shù)據(jù)包 3 多址技術(shù) 不同的業(yè)務(wù)選擇不同的多址方式ALOHA 小數(shù)據(jù)量的短信業(yè)務(wù) DAMA TDMA 電子郵件業(yè)務(wù) TDMA 大數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù) 6 3VSAT電話網(wǎng) VSAT電話網(wǎng)的特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以保證實(shí)時(shí)性3 按需分配多址技術(shù) DAMA 圖6 7