全地球航法衛星システムの原理と構成要素
全地球測位衛星システム(GNSS)は、全天候型、高精度、連続的な三次元測位とナビゲーションサービスを船舶に提供することができる測位システムです。船舶用GPS衛星ナビゲータは、船舶の航行を保護するために大きな意義があり、海上の近代的な船舶のナビゲーションに不可欠な機器です。従って、750kW以上の船舶の船上GPS衛星航法装置の正常な作動を確保することは、船舶の電子電気技術者の義務である。このプロジェクトでは、実際の船舶用GPS衛星航法装置を用いてプロジェクト型授業を行い、学生が認識と実践を通じて、将来の職場で船舶用GPS衛星航法装置の保守作業を自主的に完遂できるようになることを目指します。 船上で広く使用されているFURUNO GP-170型GPS衛星航法装置を例にとって紹介する。
I. 全地球航法衛星システムの概要
全地球航法衛星システムには、主に米国の全地球測位システム(GPS)、中国の北斗航法衛星システム(BDS)、ロシアの全地球航法衛星システム(GLONASS)、欧州のガリレオ航法衛星システム(Galileo)がある。ロシアの全地球航法衛星システム(GLONASS)、欧州のガリレオ航法衛星システム(Galileo)。
GPSとは、Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System(NAVSTAR/GPS)の頭文字をとったもので、衛星測位システム(Navigation Satellite Time and Ranging/Global Positioning System)を意味する。米国は1973年末にGPS衛星ナビゲーション・システムの研究を開始し、1993年末に衛星の初期配備を完了、1995年末に本格運用を開始した。
GPSは、全天候型、高精度、連続的、ほぼリアルタイムの3次元測位とナビゲーションサービスを全世界に提供することができる。このうち、主に軍やハイエンドのユーザーが使用するPコードの測位精度は最大1mで、主に民間人が使用するCAコードの測位精度は20~30mである。
II.グローバルナビゲーション衛星システムの構成
全地球航法衛星システム(GNSS)は、航法衛星、地上局、ユーザー機器の3つの部分から構成されている。航法衛星は航法信号を送信する役割を担い、地上局は衛星を追跡・制御して航法情報を注入し、ユーザーキャリアに設置された航法受信機は衛星信号を受信して測位・航法機能を実現する。
GPS衛星21基の実用衛星と3基の待機衛星を含む24基の衛星が、6つの軌道に均等に配置されている。BLOCK I、II、IIA、IIRの各シリーズは後期に打ち上げられる。
GPS地上局主制御局、追跡局、射出局の3つの部分から構成される。主制御局は、衛星システム全体の制御、航法性能の評価、衛星エフェメリスの生成、そして航法情報のエンコードと射出局への送信を行う。主制御局の制御の下、射出局は1日に1~2回、衛星に航法情報を射出する。
ユーザ機器GPS衛星ナビゲータであり、ハードウェア、ソフトウェア、GPSデータの後処理ソフトウェアパッケージから構成される。受信機のハードウェアは、アンテナユニット、ホストユニット、電源の3つの部分から構成される。アンテナは屋外に設置され、ケーブルでホストに接続される。ホストは、インバータ、信号チャネル、マイクロプロセッサ、ディスプレイモジュールなどで構成されています。現在、海上でより多く使用されているのは、CAコード相関型ナビゲータである。
III.ポジショニングの原則とエラー
(i) ポジショニングの原則
GPSは、宇宙ベースの球体測距・測位システムである。ユーザーは、衛星信号の自分自身への伝搬遅延を求め、宇宙空間における波の伝搬時間を導き出す。宇宙空間における電磁波の伝搬速度は既知であるため、ユーザーから衛星までの距離を計算することができる。具体的な測位では、ユーザーは3つの衛星までの距離を測定するだけで、衛星を球の中心、衛星からユーザーまでの距離を半径とする3つの球面が得られ、その交点がユーザーの3次元空間位置となる。
ユーザーの位置を求めるには、信号が送信された時点の衛星の位置を正確に知る必要があります。ユーザーは、GPS衛星から送信される衛星メッセージに含まれる衛星エフェメリスを受信することで、衛星の位置を取得します。
(位置決め誤差
サトナビを使ってユーザーが測定した距離は、2つの要因に影響される:
1.衛星時計とユーザー時計のずれ
GPS衛星は高精度の原子時計を使用しており、その精度は最大で(0.1~10)×10-¹³/sであるが、その誤差は時間の経過とともに蓄積され、ユーザーの測定誤差に反映される。一方、一般的なユーザーは正確な時計を持っておらず、測定の遅延には大きなユーザークロックエラーが含まれる。
2.信号伝播遅延
衛星信号がユーザーまで伝搬する過程で、電離層や対流圏の屈折を通過する必要があるため、信号の伝搬速度や経路が変化し、信号伝搬に遅延が生じ、ユーザーの測定時間に誤差をもたらす。
上記の要因を組み合わせると、GPS衛星ナビゲータを使用してユーザーが測定した距離は、ユーザーから衛星までの真の距離ではないため、次のように知られています。擬似距離擬似距離を測定するプロセスは次のように呼ばれる。シュードオレンジ。
3.ポジショニングエラーの排除
衛星からユーザーまでの真の距離を求めるために、GPSは次のようなアプローチをとる:
GPS衛星は、ユーザーに送信する衛星メッセージの中で、衛星時計偏差補正パラメータを提供する。
GPS衛星は、2周波信号(1575.42MHzと1227.60MHz)を送信することで、電離層屈折誤差を補正します。 同時に、GPS衛星は衛星メッセージで大気補正係数を提供し、ユーザーは補正モデルを通じて対流圏屈折誤差を補正し、信号伝搬遅延を解決します。
(iii) ユーザーの時計誤差を未知数とし、観測方程式で解く。したがって、ユーザーは3Dローカライゼーションのために4つの未知数を解く必要がある。少なくとも4つの衛星信号を受信する必要がある(b);二次元のポジショニングを行う場合。少なくとも3つの衛星信号を受信する必要がある。
IV.GPS衛星ナビゲーター
現在、海でより一般的に使用されているCAコード相関型ナビゲータです。GPS衛星ナビゲータは、ハードウェア、インフライトソフトウェアとGPSデータの後処理ソフトウェアパッケージなどで構成されています。GPS衛星ナビゲータのハードウェアは、アンテナ、メインユニットと電源で構成されています。アンテナは屋外に設置され、ケーブルでメイン・ユニットに接続される。メイン・ユニットは、図 2-1-1 に示すように、インバータとアンプ、信号チャネル、マイクロ プロセッサ、ディスプレイ・モジュールで構成される。

GPS衛星ナビゲーターは、GPSアンテナを通して微弱な衛星信号を受信し、プリアンプで増幅(S/N比を改善)した後、周波数コンバーターに送られ、無線周波数(RF)信号を中間周波数(IF)信号に変換します。増幅後、IF信号は、擬似コードと周波数(キャリア)を2次元検索するための擬似コード位相同期ループとキャリア位相同期ループに送られる。擬似コード・フェーズロック・ループは、ローカル・トラッキング擬似コードを受信擬似コードと時間的に整列させるために使用され、衛星コードの自動捕捉とトラッキングを実現します。キャリア・フェーズロック・ループは、ローカル・トラッキング・キャリアを受信キャリアと周波数および位相で整列させるために使用され、衛星キャリアの自動捕捉とトラッキングを実現します。
GPS信号擬似コードは、相関器でローカル・トラッキング擬似コードと比較され、両者が同じ場合に最大値が出力され、相関器がGPSデータ変調キャリア信号を検出したことを示します。この信号をローカル・トラッキング・キャリアとミキシングした後、GPSデータ・コード信号を検出し、GPSデータ・コード信号を同期、検出、フィルタリングしてGPS衛星メッセージを検出します。トラッキング・キャリアとローカル・リファレンス発振器の差はドップラー・シフトとなり、トラッキング擬似コードとローカル・リファレンス擬似コードが比較され、信号伝播遅延が測定され、擬似距離が計算されます。
マイクロプロセッサーGPS衛星ナビゲータのコア・コンポーネントであり、衛星ナビゲータによる信号の受信と処理は、マイクロプロセッサの制御下で行われる。主な機能は、電源投入時の自己テスト、衛星の選択、衛星データの収集、大気伝搬誤差の補正、擬似距離の測定、ドップラー周波数、ユーザーの位置、速度、ナビゲーション情報の計算などです。
GPSナビには通常、操作情報を提供するLCDディスプレイと、ユーザーがキーパッドでナビを操作するためのコントロールキーパッドが装備されている。また、ナビゲーション情報やデジタル地図を画面に直接表示する大型ディスプレイを搭載しているものもある。
GPSナビゲーション用の電源には2種類ある:もう1つは外部電源で、一般的に使用されている充電式12Vカドミウムニッケル電池です。
V. 北斗衛星航法システム
北斗衛星航法システムは、中国が独自に開発したグローバル衛星航法システムであり、GPS、グロナスに次ぐ第3の成熟した衛星航法システムである。
(i) システム・コンポーネント
北斗衛星ナビゲーションシステムは、宇宙コンステレーション、地上管制システム、ユーザー端末の3つの主要部分から構成されている。宇宙コンステレーションは、静止軌道(GEO)、傾斜静止軌道(IGSO)、中円軌道(MEO)からなるハイブリッド軌道設計を採用し、全地球をカバーするナビゲーションネットワークを構築する。Beidou-3システムは、アジア太平洋地域におけるサービスの安定性を高めるため、5基のGEO衛星(3基の実用衛星と2基の予備衛星)を含む30基の衛星を配備している。
地上管制システムは、マスター管制局、監視局、射出局から構成され、主に衛星の状態監視、軌道補正、航法信号の増強などを行う。ユーザー端末は、BDMSSの船上端末やハンドヘルド機など、軍民両用機器で構成され、航法・測位機能とショートメッセージ通信機能を併せ持つ。
(ポジショニングの原則
BDSは、アクティブおよびパッシブ測位のためのデュアルモード技術を組み込んでいる。パッシブ・ポジショニングこれはBeiDou-3の主要な測位モードで、ユーザー端末が少なくとも4つの衛星からの信号を受信し、信号の伝搬時間差を利用して3次元座標を解き、メートルレベルまでの測位精度を持つ。アクティブポジショニング言い換えれば、端末が率先して衛星に要求信号を送信する必要があり、地上局のカバーエリア内で緊急に測位が必要な場合に適している。星間リンク技術によって信号伝送効率を最適化することで、BeiDou 3は測位速度と精度をさらに向上させている。
(iii) コア機能と特徴
BDSは世界規模でリアルタイムのナビゲーションと測位サービスを提供することができる。民間の測位精度は10m以上、アジア太平洋地域では2~5mに達し、ミリタリーグレードのサービスではセンチメートルレベルの測位も可能です。ショートメッセージサービス地域とグローバルの2つのカテゴリーに分けられる。GEO衛星コンステレーションを利用した地域ショートメッセージは、アジア太平洋地域(北緯10度~55度、東経75度~135度)をカバーし、スポット(一点送信)、マルチキャスト(グループ通信)、ブロードキャスト(地域情報発信)の3つのモードをサポートする。新たに追加されたBeidou 3のグローバルショートメッセージ機能は、地理的制約を打破し、グローバルな緊急通信を実現する。さらに、B1、B2、B3といったマルチ周波数帯の信号設計を採用し、複雑な環境下での干渉防止能力と信頼性を大幅に向上させている。
(iv) BDMSS 船上端末と地域ショートメッセージアプリケーション
BDMSS船上端末は海洋分野におけるBDSの重要な応用設備であり、主に航法測位ユニット、通信制御ユニット、環境適応モジュールから構成される。航法測位ユニットは多周波数帯信号受信技術を採用し、メートル級の測位精度を実現し、通信制御ユニットはBeiDou特殊通信プロトコルを統合し、ショートメッセージ暗号化伝送をサポートする。端末は耐塩水噴霧腐蝕設計と広電圧電源システムを採用し、国際海事設備標準に合致し、船舶の複雑な運行環境に適応できる。
Beidou-3の地域ショートメッセージ通信サービスは、3機の静止軌道実用衛星と2機の待機衛星によって共同サポートされ、東経75度から135度、北緯10度から55度のアジア太平洋地域をカバーしています。このサービスは、オンデマンド通信(指向性送信)、マルチキャスト通信(グループ連携)、ブロードキャスト通信(公共情報発信)の3つのモードを提供します。本サービスは、オンデマンド通信(指向性伝送)、マルチキャスト通信(グループ連携)、ブロードキャスト通信(公共情報発信)の3つのモードを提供し、船舶のスケジューリング、海難救助、気象警報などのシーンで広く利用されている。しかし、静止軌道衛星ビームのカバー範囲の制約から、ショートメッセージサービスには地理的な制約や通信容量の制約がある(図1参照)。1000文字を超えない単一送信海洋航海の場合、全エリアをカバーするには他の通信システムを組み合わせる必要がある。
GNSSシステム技術の比較と実施例のリスト
GPSとBeidou-3(BDS-3)の比較|船舶用ナビゲーターのメンテナンス基準
I. GPSとBeiDou-3(BDS-3)の技術指標の比較
| パラメータ項目 | アメリカGPSシステム | 中国北斗3号(BDS) |
|---|---|---|
| 衛星コンステレーション | 24個(6 MEOトラックサーフェス) | 30(MEO+IGSO+GEOハイブリッドトラック) |
| ポジショニングモード | 純粋なパッシブ・ポジショニング | アクティブポジショニング+パッシブポジショニング(デュアルモード) |
| 民間人の精度 | 10~30メートル | グローバル < 10メートル(アジア太平洋地域 2 - 5メートル) |
| 注目の機能 | 実績のあるグローバル・カバレッジ | ショートメッセージ通信(漢字1000字) |
| 度数分布 | L1、L2、L5 | B1、B2、B3 |
FURUNO GP-170 ナビゲーター メンテナンスチェックリスト
- 1.アンテナの物理的検査: 屋外アンテナカバーにひび割れがないか、海塩の結晶が付着していないか(信号劣化の原因になります)、毎月チェックします。
- 2.フィーダーコネクターの確認 TNC/BNCコネクターが緩んでいないか、腐食していないか、フィーダーの曲げ半径が小さすぎないかを確認する。
- 3.衛星視認性の検証: 衛星状態」画面で確認する HDOP(水平精度係数) < 4.0ロックされた衛星の数は> 4である。
- 4.機内バッテリーメンテナンス 電源投入時のプロンプト「Battery Low」または[Self-test]が表示されている場合は、表示されません。 NG バッテリー交換時には、内蔵の3Vリチウム電池を交換する必要があります。
- 5.検証の設定 認識する 測地系 (測地座標系)に設定される。 WGS-84 (世界的に認められた基準)。
Beidouショートメッセージ(メッセージ)送信赤線
(1) キャパシティの制約: 地域のショートメッセージは、一度に1000字を超えないようにする。
(2) 時間間隔: 一般的な民間カードは通常、以下の周波数の送信に制限されている。 1分ごと/回頻繁な再発行によってボードをロックさせることは厳禁である。
(3) 地理的制限: アジア太平洋地域(東経75度~135度)を離れると、GEO衛星の信号が弱くなるため、グローバル・ショートメッセージ・サービス・モードに切り替える必要があります。













