绪论2-相关定位技术.ppt

1 空间定位技术的发展2 GPS定位系统3 GLONASS定位系统4 GALILEO定位系统5 双星定位系统6 GPS在国民经济建设中的应用 空间定位技术的发展 1 空间定位技术的发展 20世纪上半叶 几何大地测量以三角测量和水准测量为主 无线电电子学的发展 出现了高精度的电磁波测距仪 通过野外测角 测距 测高差计算大地点的平面 或球面 坐标和高程 50年代末 人造卫星的出现 为大地测量带来了崭新的面貌 随之出现了卫星大地测量方法 首先是由短期的观测数据求定了精确的地球扁率 接着推证了南北半球的不对称性 60年代 甚长基线干涉测量技术 VLBI 实现长距离高精度测量 它可以测定地球自转参数和板块运动 70年代1 卫星多普勒技术得到了广泛的应用 使得大地测量定位发生了巨大的变革 2 海洋卫星测高 SA 技术 为大地测量应用于海洋学研究开辟了道路 3 激光对卫星测距 SLR 技术 与VLBI技术一样 不仅可用于高精度定位 还可以测定地球自转参数和板块运动 推动了地球动力学的发展 高精确度提供地球监测网与协议地球参考框架 80年代 全球定位系统 GPS 得到了全面发展 由于它具有用途广泛 定位精度高 观测简便及经济效益显著等特点 使大地测量发生了一场深刻的技术革命 以上这些卫星测量技术 形成了大地测量学的一个新的分支学科 卫星大地测量学 卫星大地测量 甚长基线干涉测量 VLBI 激光对卫星测距 SLR 海洋卫星测高等空间大地测量技术又属于空间大地测量学 SpaceGeodesy 的内容 大地测量领域中出现的空间大地测量技术 使经典大地测量学进入了空间大地测量学的新时代 1 测量精度 作用范围2 丰富了大地测量学的内容 并展示了新的发展方向3 密切了与地球物理学 地质学和天文学的联系 4 早期的卫星定位技术 1卫星摄影三角测量2卫星激光测距SLR SatelliteLaserRanging 3甚长基线射电干涉测量VLBI VeryLongBaselineRadioInterferometry 4子午卫星导航系统NNSS NavyNavigationSatelliteSystem 全球定位系统GPS GlobalPositioningSystem 5 1 卫星摄影测量 卫星测向三角网 在AB两点同时观测卫星S1的方向r1和r2在AB两点同时观测卫星S2的方向r3和r4观测的方向用天球坐标 表示计算地面AB的方向rAB AB n1xn2 n1 r1xr2 n2 r3xr4根据AB和AC的方向计算出角度BAC S1 S2 A B C 地面 D r1 r2 r3 r4 AB n1 n2 6 DRS卫星摄影仪 7 卫星跟踪摄影仪 8 2 卫星激光测距 SLR 在ABC三个已知点上同时测定至卫星S1的三个距离 可以计算出S1的空间坐标 同理可测定S2 S3的坐标在未知点D上和ABC三点同步观测卫星S1 S2 S3的距离值 同样可以计算出D点的坐标测距及相对定位精度可达厘米级 s1 s2 s3 A B C D 9 卫星激光测距仪 仪器构成 激光发射 接收望远镜 卫星跟踪望远镜 光电转换器件 计数器 驱动机构 控制部分等测程 50M 8000KM测距精度 厘米级 10 3 甚长基线干涉测量 VLBI 在相距一定距离的两个测站点上分别安置射电仪 描准宇宙中同一射电源 同步接收射电源发射的电磁波 经事后处理 计算出两测站之间的空间距离测程 可达数千KM测距精度 厘米级天线直径 几十CM 数KM 11 4 子午卫星导航系统 NNSS 子午卫星导航系统组成 卫星网 监测站 接收机卫星网共六颗子午卫星分别在六个轨道面上并都通过地球南北极 卫星平均高度1070KM定位精度 单点定位几十M 联测定位0 5 1M全天侯观测 事后处理 12 子午卫星导航系统的局限性 1 卫星少 不能实时定位 子午卫星导线系统一般采用6颗卫星 两次卫星通过的时间间隔约为0 8 1 6小时2 轨道低 难以精密定轨 子午卫星飞行高度平均为1070KM 运动速度快 定轨精度低频率低 难以补偿电离层效应的影响 子午卫星的射电频率分别为400MHz和150MHz 难以削弱电离层效应的高阶项影响 2 GPS定位系统 1973年12月 美国国防部批准陆海空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统 NAVSTARGPS 其英文全称为NAVigationbySatelliteTimingAndRanging NAVSTAR GlobalPositioningSystem GPS 我们称为GPS卫星全球定位系统 简称GPS系统 GPS系统由GPS卫星星座 空间部分 地面监控系统 地面控制部分 和GPS信号接收机 用户设备部分 等三部分组成 1978年2月22日 第一颗GPS实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 1993年12月8日 GPS整个系统已正式建成并开通使用 3 GLONASS定位系统 1960年晚些时候 当时已有的卫星导航系统不能达到导航定位的目的 前苏联军方确认需要一个卫星无线电导航系统 SRNS 用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引 1968 1969年 国防部 科学院和海军的一些研究所联合起来要为海 陆 空 天武装力量建立一个单一的解决方案 1970年这个系统的需求文件编制完成 进一步研究之后 在1976年 前苏联颁布法令建立GLONASS GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem 全球导航卫星系统 GLONASS的起步晚于GPS九年 从前苏联于1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星开始 到1996年 十三年时间内经历周折 虽然遭遇了苏联的解体 由俄罗斯接替布署 但始终没有终止或中断GLONASS卫星的发射 1995年初只有16颗GLONASS卫星在轨工作 1995年进行了三次成功发射 将9颗卫星送入轨道 完成了24颗工作工作卫星加1颗备用卫星的布局 经过数据加载 调整和检验 已于1996年1月18日 整个系统正常运行 GLONASS卫星星座的轨道为三个等间隔椭圆轨道 轨道面间的夹角为120度 轨道倾角64 8度 轨道的偏心率为0 01 每个轨道上等间隔地分布8颗卫星 卫星离地面高度19100km 4 GALILEO定位系统 1 GALILEO系统建设背景 单独的民用系统 提高卫星定位的完好性 可用性和精度 促进欧洲经济发展 提高欧洲在航空工业的国际地位 对GPS依赖程度分析 18 GALILEO系统 1996年7月23日 欧洲议会和欧盟交通部长会议制定了有关建设欧洲联运交通网的共同纲领 首次提出了建立欧洲自主定位和导航系统的问题 1998年1月29日 欧洲委员会向欧洲议会和欧盟交通部长会议提交了名为 建立一个欧洲联运定位和导航网 欧洲全球卫星导航系统 GNSS 发展战略 的报告 3月17日 欧盟交通部长会议通过此报告 并委托欧洲委员会研究 拟定欧洲全球卫星导航系统发展计划 1999年12月22日 欧洲议会和欧盟部长级会议批准了 欧盟在科研 技术发展和演示领域的第五个框架计划 1998 2002 伽利略计划 列入其中 此计划成为 伽利略 资金的一个来源 2000年11月22日 欧洲委员会提交了 欧洲伽利略卫星导航系统可行性评估报告 该报告汇总了伽利略论证阶段成果 2002年3月26日 欧盟交通运输部长会议以全票通过了立即开始伽利略项目的研制阶段的动议 标志着 伽利略计划 的全面启动 JU已成立 计划于2003年9月正式挂牌 GROHE先生被任命为主任 中国2005 7 29宣布与欧洲合作发展伽利略卫星导航系统 定义阶段 1999 2000 该阶段已在2001年宣告结束 开发阶段 2001 2005 开发和在轨验证阶段 目前正在进行 主要工作有 汇总任务需求 开发2 4个卫星和地面部分 系统在轨验证 部署阶段 2006 2007 进行卫星的发射布网 地面站的架设 系统的整体联调 运营阶段 2008 商业营运阶段 提供增值服务 2 GALILEO计划进度安排 伽利略系统的基本服务 导航定位授时 伽利略系统的特殊服务 搜索与救援 SAR功能 伽利略系统扩展应用服务 在飞机导航和着陆系统中的应用铁路安全运行调度海上运输系统车队运输调度精准农业 3 GALILEO系统应用和服务 4 中欧伽利略计划的合作 2000年6月 欧盟副主席德 帕拉西率团访问中国 表达了希望邀请中国参加欧洲正在计划建设的卫星导航定位系统 伽利略 GALILEO 计划的意愿 国务院总理朱镕基接见并表达了我国对合作建设GALILEO系统的兴趣和原则立场 科技部于2001年6月21 22日 在京召开了有关中欧GALILEO计划专家研讨会 2001年10月 欧盟和中国建立了联合工作组 具体商谈在卫星导航领域合作的有关事宜 2002年6月朱镕基总理明确表示 我们愿意在权力和义务平衡的前提下全面参加伽利略计划 由科技部和欧盟委员会 欧洲空间局共同主办的 中国 欧洲工业界参加伽利略计划研讨会 于2002年12月17 18日在北京成功举行 中国 欧盟科技合作促进办公室 CECO 与欧洲工业联合会 ERTICO 于2003年3月3日至5日在上海成功举办了 中国 欧盟智能交通研讨会 会议的主题为 1 伽利略 项目合作 2 公共交通管理 3 中欧智能交通培训合作 欧洲与中国经过近两年的准备 于2003年5月16日在布鲁塞尔举行中欧伽利略计划合作第一轮正式谈判 科技部秘书长石定环和欧盟委员会能源交通总司总司长拉莫 赫共同主持了谈判 双方高度评价中欧间在伽利略计划中合作的重要意义 各自表述了合作的目标 原则 并对有关合作内容 方式等展开了讨论 双方在2003年9月在北京举行第二轮谈判 18日草签了合作协议 中欧双方已于2003年10月30签订正式合作协议 至2005年底 已有中国 印度 以色列 摩洛哥 沙特阿拉伯及乌克兰等6个非欧盟国家参与到伽利略计划中 巴西 阿根廷等多国正与欧盟展开磋商 5 GALILEO系统的特点 全天候 全球无缝覆盖 独立于美国 受欧洲控制的民用卫星导航定位系统 定位精度高于其它导航星座 导航定位服务多样性 具有地面与卫星通信能力 提供救援和搜索服务 系统开放性 系统管理民间性 6 GALILEO系统的技术参数 5 我国独立自主的卫星导航定位系统 北斗一号 虽然美国 系统已经在全世界广泛应用 但该系统绝非完美无缺 例如 其规模太大 造价太高 其他国家很难效仿 俄罗斯就是典型的例子 只能导航 无法通信 因而不能满足日益增长的用户需求 作为一个国家来讲 如果完全依赖 则容易受美国控制 那么 有没有解决这些问题的新方法呢 中国的 北斗 开辟了一条新途径 双星定位 北斗 导航卫星系统是 种全天候 全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统 它是通过双星定位方式来工作的 该系统由 颗经度上相距 度的地球静止卫星对用户双向测距 由 个配有电子高程图的地面中心站定位 另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机 它的定位原理是 以 颗卫星的已知坐标为圆心 各以测定的本星至用户机距离为半径 形成 个球面 用户机必然位于这 个球面交线的圆弧上 电子高程地图提供的是一个以地心为球心 以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面 求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置 历程 1983年 开始筹划卫星导航定位系统 1986年初 正式以双星快速定位通信系统为名开始进行整个计划 并由北京跟踪与通信技术研究所负责研发 1986年底研发单位就提出了总体技术方案和试验方案 预估只要3年时间 就可利用已在轨道的2枚同步卫星进行整体演练 验证导航定位原理 并检验系统实用性 寻找实现双星导航定位的技术途径 1989年9月5日凌晨5点 科研人员以库尔勒 南宁等4个用户机进行第一次定位演练 结果证明 利用双星定位可实现定位 定时 简短通信三大功能 而且比当时GPS的民用码精度高好几倍 1994年1月 双星快速定位通信系统正式命名为 北斗 卫星导航定位系统 并列为 九五计划 要项 双星快速定位系统演练验证试验的成功 为 北斗 系统奠定了技术基础 接下来的6年多里 北京跟踪与通信技术研究所又完成地面控制中心等应用系统的总体设计方案 建构 北斗 系统的完整架构 2000年10月31日和12月21日 北斗一号 的前两颗卫星发射升空 运行至今导航定位系统工作稳定 状态良好 产生了显著效益 2003年5月25日零时34分 我国在西昌卫星发射中心用 长征三号甲 运载火箭 成功地将第三颗