卫星应用概论导航卫星.ppt

1,卫星应用概论, 卫星导航,武汉大学 测绘学院 黄劲松,2,1. 概述,3,概述,导航 定义 安全、高效地从一点到另一点的方法或科学。 要求了解的信息 起点和终点的位置 由起点到终点需要经过的路径 当前的位置 所需工具 定位的方法或工具（系统） 地图,4,概述,导航简史 导航的起源 航海 导航方法 罗盘 天文导航 雷达导航 地基无线电导航 惯性导航 卫星导航,5,2.地基无线电导航系统,6,地基无线电导航系统,无线电导航 无线电导航 利用无线电设备测定船舶、飞机及其它运动载体的地理坐标，引导它们有目的地从一地向另一地运动的一门技术。 地基无线电导航 无线电导航信号发射台安设在地球表面的导航系统，称为地基无线电导航系统。 空基无线电导航 若将无线电导航信号发射台安置在人造地球卫星上，就构成导航卫星系统。,7,地基无线电导航系统,常用地基无线电导航系统 无线电导航台 康索尔(CONSOL) VOR(VHF Omni-Range) 双曲无线电导航系统 罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation) 奥米伽导航系统（ OMEGA Navigation System ） 塔康（TACAN Tactical Air Navigation，TACAN）,8,地基无线电导航系统,无线电导航台 原理 无线电导航台向外发射信号，用户接收该信号以确定到导航台的方向或方向及距离。 特点 纯定向型 用户设备 无线电定向仪，又被称为无线电罗盘,9,地基无线电导航系统,无线电导航台 实用系统 康索尔（CONSOL） 信号频率300 kHz/1 km 3个间隔1公里排成一行的固定天线 天线生成复杂的信号，可用于确定到信标方向 甚高频全向(无线电)信标，伏尔，VHF Omni-Range (VOR) 信号110 MHz / 2.73 m 2个天线，一个固定全向天线，一个旋转窄波束天线 在天线北边，两个信号的相位同相，在天线南部，两个信号的相位反相，其余方向可根据两个信号的相位差得出,CONSOL,VOR,10,地基无线电导航系统,罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation) 特点 远程导航系统 采用脉冲相位双曲面定位原理 工作频率是90KHz110KHz（该波段有地波和天波两种传播方式） 地波定位的作用距离为2000km左右 波定位的作用距离是4000km 地波定位精度为460m（2），重复测量和相对定位精度为1890 m（2） 缺陷 罗兰C台链覆盖地区有限（图3-2），定位精度也较低,11,地基无线电导航系统,罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation) 工作原理 系统构成：罗兰C台链 一个主站，若干辅站 工作方式：按精确的时间间隔，循环轮流发送脉冲信号，主站每次9个脉冲，辅站每次8个脉冲，通过接收主、辅脉冲，确定到主、辅站的距离差 定位方法：双曲定位,12,地基无线电导航系统,罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation) 工作原理 系统要求：主、辅站间精确的时间同步 利用原子钟,Loran-C接收机及天线,Loran-C信号发射机（2001）,13,地基无线电导航系统,罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation) Loran-C台链的覆盖,14,地基无线电导航系统,奥米伽（OMECA） 特点 OMEGA Navigation System 甚低频超远程导航系统 采用相位双曲面定位原理 其工作频率为10.2KHz13.6KHz 作用距离可达15000km 定位精度为3.77.4km(2)，相对定位精度约为460m(2) 美国海军和海岸警卫队联合研制，而由美国海岸警卫队控制的； 主要用于跨洋航行的船舶和在海岸上空飞行的飞机导航。,15,地基无线电导航系统,奥米伽（OMECA） 系统组成 8个奥米伽地面发射台:NORWAY (A), LIBERIA (B), HAWAII (C), NORTH DAKOTA (D), LA REUNION (E) ARGENTINA (F), AUSTRALIA (G) AND JAPAN (H) 1997年9月30日0300UT停止服务,16,地基无线电导航系统,塔康（TACAN） 特点 塔康（Tactical Air Navigation/战术航空导航，TACAN）， 由美国国防部（DOD）和美国联邦航空局（FAA）联合研制和管理的航空战术导航系统； 它用地面应答站给出飞机的方位角和距离， 其测量精度分别为l度左右和185m(2)。,17,地基无线电导航系统,塔康（TACAN） 工作原理 地面旋转天线发送含有方位信息的信号用于定向 机载设备与地面接收机进行应答通信确定距离,18,地基无线电导航系统,地基无线电导航系统的缺陷 精度低 系统覆盖区域受限,19,3.卫星导航系统的组成及其分类,20,卫星导航系统的组成及其分类,卫星导航系统的组成 导航卫星(星座)/空间部分 Space Segment 空中的无线信标台 地面支持网/地面部分 Ground Segment 卫星跟踪、控制、导航电文编算 用户设备/用户部分 User Segment 接收导航定位信号,21,卫星导航系统的组成及其分类,卫星导航系统的作用 定位 测速 授时,22,卫星导航系统的组成及其分类,卫星导航系统的类型（按工作原理） 多普勒型（距离差） 工作原理：通过测定多普勒频移进行导航定位，属双曲定位 特点：信号结构简单 缺点：定位精度低，无法进行瞬时定位 距离型 工作原理：通过测定距离进行导航定位，属距离交会定位 特点：定位精度高，可进行瞬时定位,多普勒型卫星导航系统的工作原理,23,卫星导航系统的组成及其分类,距离型卫星导航系统的工作原理,24,卫星导航系统的组成及其分类,卫星导航系统的类型（按测量方式） 被动式/无源 测量方式：用户接收设备只接收导航定位信号，不发送用于导航定位的信号 特点：用户容量无限制，保密安全性好 主动式/有源 测量方式：用户接收设备向外发送导航定位用的信号（应答卫星信号或主动发射信号） 缺点：用户容量有限制，保密安全性差,一种主动式卫星导航系统,25,4.卫星导航定位的误差源,26,卫星导航定位的误差源,与卫星有关的误差 卫星轨道误差 卫星钟差 相对论效应 与传播途径有关的误差 电离层延迟 对流层延迟 多路径效应 与接收设备有关的误差 接收机天线相位中心的偏移和变化 接收机钟差 接收机内部噪声,27,5.卫星导航系统的应用,28,卫星导航系统的应用,军事 单兵作战 战机、舰只、车辆导航 武器制导 联合制导攻击武器（JDAM - JOINT DIRECT ATTACK MUNITION）,29,卫星导航系统的应用,交通领域 在民用航空方面，可用于：在航途中、导航、进场、着陆和地面引导飞行的不同阶段。 在水路方面，可用于：船载导航，包括海洋和沿岸导航、进港、港口调度和内陆水路导航. 在陆路方面，可用于车载导航、出租车、货车、公共汽车的车队管理、以及辅助驾驶等。,30,卫星导航系统的应用,交通领域 在铁路方面，可用于列车控制、列车管理、编组管理、跟踪测量和旅客信息服务等方面受益。 在人员货物控制方面，可用于货物或人员的监视控。,31,卫星导航系统的应用,能源领域 精密定时，用于优化电力在输电线路中的传送。 对分布在电力网中的大量设备进行连续的监视，由这些设备所获取的信息在线路处线中断或网络发生问题时可被用于进行系统修复。 水、陆地震勘探。 精确确定井位及相关设施的位置及平台的方向。,32,卫星导航系统的应用,金融、银行和保险 用于在线金融交易，如时间戳记、基于时间的加密。 用于保险方面，如控制和追踪贵重货物的方法。,33,卫星导航系统的应用,农业与渔业 监控化肥、除草剂和杀虫剂的施放，以对低产地块进行补充并控制杂草和虫害（精细农业）。 正常产量监控，用于维护农业环境。 船舶导航、定位，鱼资源监视。 确认渔船在指定水域作业，以防止侵入他国水域。 建立或提高农业用地管理登记的方法。,34,卫星导航系统的应用,个人导航 将定位和通信集成。 基于位置的服务（LBS），对移动主叫者的位置了解以便提供合适的信息。可以根据诸如有关附近的旅馆、饭店和剧院信息以及天气预报等所选服务自动定制发送到用户手机上的数据。 判定主叫者的位置，其位置将被自动确定并被报告给最近的紧急服务单位。 人员跟踪是另外一种应用，在该应用中能够更有效地对外勤人员进行协调，包括访问患者的医护人员和社会福利人员、警察、消防员、商业人员。该项服务能广泛用于控制和协调群体活动。提高上学途中学童的安全性。,35,卫星导航系统的应用,搜救及危机处理 提高搜救能力。 危机处理的快速反应及相应资源高效利用，例如对于森林火葬的有效反应是尽早呼救并得到火灾发生地可靠而精确的位置。治安和紧急服务需要了解力量部署可靠而准确位置，以便对他们进行有效的协调。 其它危机情况，包括洪水、海难、井喷、地震和人道救援行动。,36,卫星导航系统的应用,工程应用 测量定位 放样 形变监测 水道测量 GIS数据采集,37,卫星导航系统的应用,环境监测、减灾防灾、科学研究 污染范围确定、肇事船只追踪 地壳运动监测 地面沉降监测,38,卫星导航系统的应用,环境监测、减灾防灾、科学研究 大气监测（电离层、水汽） 地球重力场,39,6.国外卫星导航系统,40,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统 系统简介 全称：海军导航系统（NNSS Navy Navigation Satellite System） 由于采用极轨道，故也被称为Transit（子午卫星导航系统） 由约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)设计研制 属多普勒型的卫星导航定位系统 有时又被称为多普勒系统 1964年1月建成 1967年7月解密供民用,41,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统 空间部分 卫星： OSCAR（1963） NOVA（1979） 卫星星座 6颗卫星 6个极轨道面 轨道高度1075km 信号 频率1 4.9996MHz 30 = 149.988MHz 频率2 4.9996MHz 80 = 399.968MHz 星历（广播星历）,子午卫星系统的卫星星座,子午卫星系统的卫星,42,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统 地面控制部分 跟踪站 计算中心 注入站 控制中心 海军天文台 用户部分 多普勒接收机 天线及前置放大器 接收单元 微机或微处理器 输出设备,多普勒接收机,43,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统 定位方法 单点定位 方法：在一个站上用一台接收机对卫星进行观测，进而求得该站的地心坐标的方法。 精度：广播星历100次卫星通过35m，精密星历40次卫星通过0.51m 特点：方法简单，瞬时定位，定位精度低。,多普勒单点定位,44,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统 定位方法 联测定位 方法：在两个测站上同时对卫星进行测量，进而求出这两站间的相对位置的定位方法。 精度： ，D为站间距，n为卫星通过次数 特点：可消除公共误差或其影响，定位精度高。,多普勒联测定位,45,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统 定位方法 短弧法定位 方法：在单点定位和联测定位中都把卫星星历视为已知值而固定下来。在短弧法平差中却将其视为未知参数，通过平差计算同时求得精确的卫星轨道及测站坐标和其它参数。 精度：广播星历，2001000km，达0.51m 特点：算法复杂，当观测时间长，站间距离远时，定位精度高。,46,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统 系统的局限性 一次定位所需时间长 不是一个连续的导航定位系统 所有卫星都使用相同频率的信号，未采用多址通讯技术，接收机在同一时间只能对一颗卫星进行观测 导航定位精度低 卫星和接收机的钟频稳定度不高 卫星信号频率低，不利于消除电离层折射 卫星轨道低，不利于获得高精度的轨道,47,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,前苏联类似的系统 前苏联海军于1965年开始也建立了一个卫星导航系统，称之为CICADA 军用系统PARUS 民用系统Tsikada,TSYKLON (或TSIKLON）卫星,48,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） 概况 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System NAVSTAR GPS。 美国建立 坐标参照系：WGS-84 时间系统：GPST,49,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） 发展简史史 1973年12月，DoD批淮进行研制，总投资300亿美元系统研制和建立分方案论证、工程研制和生产作业等三个阶段 1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始， 1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段。 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 1993年6月（12月8日宣布）系统达到初始运行能力（IOC - Initial Operational Capability）。 1995年4月27日（7月17日宣布），系统达到全运行能力（FOC - Full Operational Capability）。 1999年1月25日，美国宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。 2000年5月1日，美国宣布，GPS停止实施SA 一种人为降低GPS导航定位精度的措施。（实际停止实施SA是5月2日）。,50,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） GPS的系统组成,空间部分,地面监控部分,用户部分,GPS,51,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） GPS卫星星座 设计星座 21(工作卫星)+3(活动的备用卫星) 轨道 6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 特点 保证在任何时刻，高度角15以上，能同时观测到4至8颗卫星 当前星座 29颗,52,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） GPS卫星星座,53,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） GPS卫星 作用： 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置,54,全球定位系统（GPS） GPS卫星的类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block Block ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力 Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜 Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯 Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,55,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） GPS卫星,56,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） 当前的GPS卫星状态,GPS OPERATIONAL ADVISORY 269 SUBJ: GPS STATUS 26 SEP 2005 1. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM): A. BLOCK I : NONE B. BLOCK II: PRNS 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15 PLANE : SLOT F6, D7, C2, D4, B4, C1, C4, A3, A1, E3, D2, F3, F1, D5 CLOCK : CS, RB, CS, RB, RB, RB, RB, CS, CS, CS, RB, RB, RB, CS BLOCK II: PRNS 16, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 PLANE : SLOT B1, E4, C3, E1, D3, E2, F4, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2 CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, CS, RB, RB, RB BLOCK II: PRNS 31 PLANE : SLOT C5 CLOCK : CS,57,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） 地面监控部分 （Ground Segment） 组成 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统,58,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） 地面监控部分 （Ground Segment） 分布,59,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） 地面监控部分 （Ground Segment） 作用 主控站 管理、协调地面监控系统各部分的工作 编算广播星历 轨道参数、卫星钟改正数等 调整卫星状态 调度卫星 监测站 对卫星进行跟踪观测 记录气象数据 将数据传送到主控站 注入站 向卫星注入导航电文和指令等 通讯与辅助系统 负责各部分间的通讯及数据传送,60,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） 用户部分（User Segment） 组成 用户 接收设备 接收设备 GPS信号接收机 其它仪器设备,61,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） 用户部分（User Segment） GPS信号接收机的组成 天线单元 带前置放大器 接收天线 接收单元 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源,天线单元,接收单元,62,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,63,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS） GPS卫星信号的组成部分 载波（Carrier） L1 L2 测距码（Ranging Code） C/A码（目前只被调制在L1上） P(Y)码（被分别调制在L1和L2上） 卫星（导航）电文（Message）,64,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS 简介 GLONASS GLObal NAvigation Satellite System 俄罗斯的全球卫星导航系统 1976年苏联决定建立GLONASS系统 坐标参照系：PZ-90 时间系统：UTC（SU）,65,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS 系统组成 卫星星座（空间段） 地基控制设施（控制段） 用户设备（用户段）,66,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS GLONASS的卫星星座,67,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS GLONASS的卫星星座 第一颗卫星于1982年发射升空。 原计划1991年成为一个完全运行系统，但直到1995/1996年星座才部署完成。 卫星 GLONASS：寿命3年（过去） GLONASS-M：寿命7年（当前） GLONASS-K：寿命10年（将来）,68,国外卫星导航系统GLONASS,1.STATUS Information Group GLONASS Constellation Status ( September 26, 2005) GLONASS Cosmos Plane/ Frequ. Launch Intro Status Outage number number slot chann. date date date 796 2413 1/01 02 26.12.2004 06.02.2005 operating 794 2402 1/02 01 10.12.2003 02.02.2004 operating 789 2381 1/03 12 01.12.2001 04.01.2002 operating 795 2403 1/04 06 10.12.2003 30.01.2004 operating 711 2382 1/05 02 01.12.2001 15.04.2003 operating 701 2404 1/06 01 10.12.2003 09.12.2004 operating 712 2411 1/07 26.12.2004 . 797 2412 1/08 06 26.12.2004 06.02.2005 operating 787 2375 3/17 05 13.10.2000 04.11.2000 operating 783 2374 3/18 10 13.10.2000 05.01.2001 operating 792 2395 3/21 05 25.12.2002 31.01.2003 operating 791 2394 3/22 10 25.12.2002 10.02.2003 operating 793 2396 3/23 11 25.12.2002 31.01.2003 operating 788 2376 3/24 03 13.10.2000 21.11.2000 operating Note: All the dates (DD.MM.YY) are given at Moscow Time (UTC+0300),当前GLONASS卫星星座的状态,69,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS GLONASS的导航定位信号 结构 载波 测距码 导航电文 辅助码,70,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS GLONASS的导航定位信号 载波 两个频率：L1，L2 频分多址 右旋极化,71,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS GLONASS的导航定位信号 信号的调制 L1： 511 kbps的伪随机测距信号 50 bps的导航电文信号 100 Hz的辅助信号 L2： 511 kbps的伪随机测距信号 100 Hz的辅助信号,72,国外卫星导航系统Galileo,Galileo 简介 Galileo 欧洲的民用全球卫星导航系统 计划2008年建成 总投资约3234亿欧元 目前处于系统试验阶段，计划2005年发射12颗试验卫星 坐标参照系：GTRF 时间系统：GST,73,国外卫星导航系统Galileo,Galileo 系统组成 空间段 三个轨道面，30颗MEO（27+3），每轨道面10颗卫星，9颗正式工作卫星，1颗活动备用卫星，轨道倾角56。 地面段 包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。 用户段 用户接收机。多用途、兼容型（Galileo+GPS+Glonass）接收机。 环境段 包括电离层、对流层、多径效应和无线电干扰等。,74,国外卫星导航系统Galileo,Galileo 信号组成 载波 4个频率 E5a和E5b：11641215 MHz E6： 12601300 MHz E2-L1-E1 ：15591592 MHz 右旋极化 导航信号 测距码 导航电文 完备性信息 ,75,国外卫星导航系统Galileo,Galileo 导航信号的类型 OS Data Open Service（开放服务）：调制在E5a, E5b 和 E2-L1-E1，未加密。 CS Data Commercial Service （商业服务） ：调制在E5b, E6和E2-L1-E1上，加密。 SOL Data Safety-of-life Services （生命安全服务）：调制在E5a, E5b 和 E2-L1-E1，受控。 PRS Data Public Regulated Service（公共管制服务）：调制在E6和E2-L1-E1上，加密。,76,7.中国北斗导航卫星系统,77,中国北斗导航卫星系统,简介 我国独立自主建立的导航卫星系统。 由于系统由两颗地球静止卫星构成，又被称为双星系统。