GNSS系统概述

一.GNSS的定义

1.GNSS全称：全球导航卫星系统 ( Global Navigation Satellite System， GNSS)。

• 人造卫星导航定位系统是一种星基无线电导航系统，它以人造地球卫星为导航台，为陆、海、空、天各种军民载体提供全天候、高精度的位置、速度和时间信息。又称天基定位、导航和授时(PNT)系统。
• GNSS是指所有的卫星导航系统，包括：全球性、区域性、相关增强系统

2.GNSS泛指所有的卫星导航系统，包括：

• 全球性。如美国的GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧洲的Galileo、中国的Beidou
• 区域性。日本的准天顶卫星系统（QZSS)， 印度区域导航卫星系统（IRNSS)
• 相关的增强系统。如美国的WAAS (广域增强系统）、欧洲的EGNOS (欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS (多功能运输卫星增强系统）等

3.世界主要的GNSS系统：四大全球导航系统：

• GPS ? ? ? ? ?三个轨道24颗卫星全球可用
• BeiDou/COMPASS ? ? ?55颗卫星已全部发射完毕
• GLONASS ? ? ?“格洛纳斯”系统标准配置为24颗卫星
• GALILEO ? ? ?计划由30颗卫星组成

数据截止时间：2020年7月22日

二.GNSS的组成部分

1.卫星导航系统"主要包括三个部分"：

• 太空部分：在空中绕地球飞行的人造卫星群；
• 地面部分：主控制站、监视站、注入站等；
• 用户部分：用户导航终端、导航接收机等

2.空间站：太空轨道中的卫星

• 维护非常精确的时间基准，通常包含许多原子钟；
• 了解自身的轨道和位置，为其导航提供空间基准；
• 在多个频段连续向用户发送信号核心函数
• 从地面监测区接收并存储发送的导航信息；接收并执行从地面监测区发出的控制指令；可通过推进器调整自身运行姿态；

3.空间段

• 卫星轨道： MEO, GEO, IGSO
• 卫星组成：无线电发射装置，原子钟，电脑，超能板，推进系统。
• 卫星识别： CDMA, FDMA等。Galileo、 BDS采用 CDMA; GLONASS采用 FDMA
• 工作频率： L、S、C

4.地面测控段：对整个卫星导航系统的运行负责，包括主控制站，监视站和注入站。测控段的主要组成部分如下：

• 主站点(主控制站)： GNSS的核心，负责协调整个系统的运行。
• 监测站(监视站)：组成卫星跟踪网，测量卫星轨道并预测卫星的位置。
• 注入站：向卫星播发导航信息和控制命令，使其能在很长一段时间内播发

补充：在主动式导航系统中，地面控制中心与用户之间可通过卫星实现数据中继交换和通信。

全球定位系统（GPS）主控和监控站网络 分布图如下所示：

5.用户段：接收机

• 在此基础上实现卫星导航信号的接收、测量和求解。
• 特定函数： ?
  • GNSS卫星发射的导航信号的搜索、接收和跟踪；
  • 在主动导航模式下，用户只需对设备进行信号回复，由主控站进行导航解算；
  • 用户设备在无源导航方式下也需要使用卫星信号和电文进行测量。星历完成导航处理功能，然后求出接收机的位置、速度和时间信息；
• 接收器类型： ?
  • (1)服务类别：军事，商业，民用 ?
  • (2)信号类型：多频、多模式接收器

用户端示意图如下：

6.GNSS被动导航和主动导航

(1)被动导航：

• 从空间段 GNSS卫星向用户段设备传送导航信号或信息；接受者只是被动地接收信号。有无限数量的用户，用户轻便，隐蔽，定位迅速。
• 代表系统： GPS,? GLONASS,? Galileo,? BD2-RNSS

(2)主动导航(也称活动导航)：

• 卫星与用户设备之间双向传输信号：要求用户设备从地面接受控制中央传送的信号通过卫星传送，用户设备还需要将应答信号发送到卫星。使用设备不能独立完成距离测量和定位，需借助地面测控站进行。
• 代表系统：BD1、BD2-RDSS (Radi〇 Determination Satellite)

三.GNSS的性能指标

1.GNSS系统性能

• (1)准确性
  • 精确度：测量定位结果和目标实际位置的接近度。可见卫星数目越多，精度衰减系数(DOP)越小，定位越精确。
  • 多模式：多个GNSS系统的结合，可以增加可见卫星的数量，提高定位的准确性。
  • 多频段：单用户可利用多个频段信号消除电离层时延误差，提高定位精度；相对定位时，可消除载波相位整周期模糊。
• (2)完好性
  • 完好性：指定位系统在发生故障时，能够真实、及时地对用户发出警告，以免用户误入歧途。地面监测部分，空间星座，及其增强型系统均配置完好性监控。GNSS信号和导航信息能够迅速地向用户提供完备性信息。通过使用更多的 GNSS卫星，接收机可利用冗余的测量数据，对接收机进行自动完好性监测，排除误差值，提高定位结果的可靠性。
  • 弱信号，容易受到干扰。多么脆弱。
• (3)连续性
  • 连续性：指系统在一定时期内能够同连续地满足规定的准确度和完备性要求的概率。 【举例】在飞机从开始降落到安全降落的整个过程中，为了确保飞行，GNSS必须不断地为其提供定位导航服务，机器完成了这个关键的操作过程。
• (4)有效性
  • 指定位系统能够同时满足准确度、完善性和连续性三个指标的时间百分比。

注：连续度和有效性与 GNSS空间星座的覆盖率及其卫星信号有关。

2.GNSS系统之间的相互影响

• (1)连续兼容：指单个GNSS无论单独或联合运行，都不影响其他 GNSS的通信或运行，不影响战时导航系统的性能。
• (2)互操作性：指多个GNSS联接在一起能够提供比其中任何GNSS单独运行时更好的性能。

3.GNSS接收机性能

• (1)TTFF
  • 【时间】初次定位(TTFF,Time to First Fix)? ?接收机开机后获得第一个定位结果所需的时间。
  • 【启动方式】采用不同的启动方式(冷启动、温启动、热启动)，不同信号条件下的平均 TTFF值不同。无论在何种情况下，用户希望接收端具有更短的 TTFF值。
• (2)灵敏度
  • 敏感性：用接收器捕获 GNSS信号的能力来衡量，该指标决定了接收机能否在室内、丛林等信号较弱的环境中完成定位。
• (3)城市峡谷中的导航性能
  • 这座城市人口密集，正是需要GNSS的地方，然而
    • 在城市峡谷， GNSS信号被高楼挡住，导致由于减少了可见卫星的数量，一些定位历元的接收器无法实现定位。
    • 城市中有大量的建筑物， GNSS信号易于建设。基座表面反射率高，多径现象严重，这将导致接收机定位误差偏大。
  • 所以， GNSS接收器在城市峡谷中的表现尤为重要。
• (4)GNSS接收机的其他性能：多频、多模特性、抗干扰性能、价格、芯片尺寸大小、功率