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GNSS信號(hào)詳解

2024-08-28 11:06:30  點(diǎn)擊:

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(jī)、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(cè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)控大壩水位變化,提高災(zāi)情應(yīng)對(duì)和維護(hù)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(gè)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(qiáng)系統(tǒng),如美國的WAAS(廣域增強(qiáng)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(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)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(jì)社會(huì)發(fā)展需要,自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)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(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)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(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。


BDS信號(hào)


北斗二號(hào)在B1、B2和B3三個(gè)頻段提供B1I、B2I和B3I三個(gè)公開服務(wù)信號(hào)。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(hào)在B1、B2和B3三個(gè)頻段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五個(gè)公開服務(wù)信號(hào)。目前SKYLAB北斗模塊可接收B1C,B2a,B1I信號(hào)。


參考北斗二號(hào)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(hào)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(hào)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。

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北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是全球第一個(gè)提供三頻信號(hào)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),使用雙頻信號(hào)可以減弱電離層延遲的影響,而使用三頻信號(hào)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(shí),使用三頻信號(hào)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(gè)GPS系統(tǒng)分三大部分:地面站、衛(wèi)星和接收機(jī)。


地面站負(fù)責(zé)監(jiān)控,通過接收、測(cè)量各個(gè)衛(wèi)星信號(hào),計(jì)算衛(wèi)星的運(yùn)行軌道,并將衛(wèi)星的運(yùn)行軌道信息發(fā)射給衛(wèi)星,讓衛(wèi)星去轉(zhuǎn)播。


衛(wèi)星負(fù)責(zé)向地面發(fā)射信號(hào),為廣播形式。


接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào),從衛(wèi)星信號(hào)中獲取衛(wèi)星的運(yùn)行軌道等信息,通過計(jì)算來確定自身的位置。接收機(jī)包括常用的手機(jī)、汽車等智能終端設(shè)備。


GPS信號(hào)


GPS信號(hào)中包含了調(diào)制在一起的載波、測(cè)距碼、數(shù)據(jù)碼。


可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)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(hào)包括L1、L2、L5頻段。


L1的載頻為1575.42MHz,波長(zhǎng)為19.03cm,帶寬為2MHz;

L2為1227.60MHz,波長(zhǎng)為24.42cm,帶寬為20MHz;

L5為1176.45MHz,波長(zhǎng)為25.48cm,信號(hào)帶寬為20.46MHz;

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2010年5月,第一顆支持GPS L5信號(hào)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(duì)于L1 C/A具有先天的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。


單頻GPS只能接收L1頻段的載波信號(hào),定位精度5米左右,雙頻可用L1和L2,L2一般用在勘測(cè)和軍事,民用的雙頻是L1+L5,定位精度最高可達(dá)30厘米。對(duì)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(cè)距碼包括C/A、P(Y)、L1C、L2C等。測(cè)距碼又稱:偽隨機(jī)碼、PRN碼、擴(kuò)頻碼,每個(gè)別名都代表了測(cè)距碼的一個(gè)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(gè)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(cè)控系統(tǒng)、時(shí)間同步系統(tǒng)和系統(tǒng)管理中心組成。


Galileo信號(hào)

Galileo衛(wèi)星在L波段用三個(gè)頻率廣播導(dǎo)航信號(hào):E1、E5和E6。E1信號(hào)頻率為1575.42 MHz,并提供三個(gè)信號(hào)分量,分別為E1-A、E1-B和E1-C。E1-A信號(hào)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(hào)中心頻率為1191.795 MHz,由E5a、E5b兩組獨(dú)立的信號(hào)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

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GALILEO系統(tǒng)也采用PRN碼進(jìn)行定位,與GPS系統(tǒng)兼容但又獨(dú)立于它。GALILEO系統(tǒng)的主要特點(diǎn)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(shí)期,后由俄羅斯繼續(xù)該計(jì)劃。俄羅斯1993年開始獨(dú)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(gè)軌道,每個(gè)軌道上有8顆衛(wèi)星,軌道高度約19100Km。


GLONASS信號(hào)

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(hào),L1和L2信號(hào)。


L1頻段:1602 MHz ± 0.5625n MHz(n為衛(wèi)星頻率號(hào),-7 ≤ n ≤ 6),帶寬9MHz;

L2頻段:1246 MHz ± 0.4375n MHz(n為衛(wèi)星頻率號(hào),-7 ≤ n ≤ 6),帶寬7MHz;

L3頻段:1202.025 MHz,帶寬15MHz。

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