全球卫星定位系统(第二次).ppt

1,第1章绪论,1.1早期的全球卫星定位系统NNSSTransit始于1960年，美国CICADA始于1965年，前苏联1.2目前的全球卫星定位系统GPS始于1973年，美国GLONASS始于1982年，前苏联NAVSAT始于1982年，欧洲空间局CASP始于2000年，中国Galileo始于2005年，欧洲,2,1.1早期的全球卫星定位系统,NNSS（NavyNavigationSatelliteSystem）Transit子午卫星导航系统,3,1.1早期的全球卫星定位系统,NNSS的组成卫星星座6颗独立轨道的极轨卫星地面系统4个卫星跟踪站、1个计算中心、1个控制中心、2个注入站、1个天文台,4,1.1早期的全球卫星定位系统,NNSS的技术特点定轨精度在卫星跟踪技术条件一定，使用相同的地球重力场模型且摄动修正精度一定的情况下，卫星定轨精度主要取决于地面跟踪站的数量及其分布，一般来说跟踪站越多、分布越广计算出的卫星轨道就越精确。,5,1.1早期的全球卫星定位系统,NNSS的技术特点广播星历是由美国本土的4个卫星跟踪站的观测数据解算的。因测站数量及分布范围都小，故卫星定轨精度不高。广播星历所预报的卫星位置的切向误差17m；径向误差26m；法向误差8m。精密星历是由美国国防制图局根据全球20个卫星跟踪站的观测资料解算的，因测站数量多且分布范围广故卫星定轨精度较高。精密星历所预报的卫星位置精度为2m。,6,1.1早期的全球卫星定位系统,卫星性能限于早期火箭的运载能力，子午卫星的重量、体积都很小。星体直径约为50公分，卫星重量为4573公斤。如此轻巧的卫星如何保持姿态稳定，使卫星天线始终指向地面在当时是一个技术难点（使用卫星姿态发动机无法解决燃料的长期供应，这显然是不现实的）。美国科学家巧妙地利用重力梯度稳定，使卫星的天线始终指向地面。他们在卫星天线的指向端接了一条30米长的稳定杆，杆端配有一个1.4公斤的重锤，在重力的作用下重锤始终把长杆和天线拉向下方，实现卫星的姿态稳定。卫星还装有4块太阳能电池板，给卫星提供所需的电能。,7,1.1早期的全球卫星定位系统,卫星信号卫星配有一台频率相当稳定的钟，由此产生一个频率为4.9996MHz基准钟频信号，该信号再经过倍频器分别倍频30和80倍后，形成两个频率为149.988MHz和399.968MHz的标准信号供卫星使用。,8,1.1早期的全球卫星定位系统,定位精度多普勒定位仪利用广播星历的单机定位精度一般为10m左右,若观测100次卫星通过后的测量数据平差解算后，可获得精度为35m地心坐标；如果利用精密星历观测40次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为0.51m地心坐标；为了消除公共误差提高定位精度，可利用2台以上的多普勒定位仪进行联测，一般联测的定位精度为0.5m。,9,1.1早期的全球卫星定位系统,NNSS的定位原理子午卫星的定位原理是通过测定同一颗卫星不同间隔时段其信号的多普勒效应，从而确定卫星在各时段相对观察者的视向速度和视向位移，再利用卫星导航电文所给定的t1、t2、t3、t4时刻的卫星空间坐标，结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标P（X，Y，Z）。,10,1.1早期的全球卫星定位系统,多普勒定位的几何原理卫星在t1、t2、t3、t4点上的坐标是已知的，而任意两个相邻已知点到待定点P的距离差（即视向位移）已通过多普勒效应测定。在数学上我们知道，一个动点P到两个定点的距离差为一定值时，该动点P则构成一个旋转双曲面，这两个定点就是该双曲面的焦点。于是以卫星所在的t1、t2、t3、t4任意两个相邻已知,11,1.1早期的全球卫星定位系统,定点作焦点，未知点P作动点均构成对应的特定旋转双曲面。其中两个双曲面相交为一曲线（P点必在该曲线上），曲线与第三个双曲面相交于两点（其中一点必为P点），第四个双曲面必与其中一点相交该点就是待定的P（X、Y、Z）点。因此要解算P点的三维坐标，必须对同一颗卫星要有四个积分间隔时段的观测，得出卫星在四段时间间隔的视向位移。从而获得四个旋转双曲面，它们的公共交点就是待定点P（X、Y、Z）。,12,1.1早期的全球卫星定位系统,NNSS的缺陷卫星少，不能实时定位轨道低，难以精密定轨频率低，难以补偿电离层效应的影响,13,1.1早期的全球卫星定位系统,CICADACICADA是前苏联海军于1965年开始建立的卫星导航系统。与NNSS系统相似，CICADA系统也为第一代卫星导航系统。该系统由12颗所谓的宇宙卫星构成CICADA卫星星座。,14,1.1早期的全球卫星定位系统,主要参数（1）卫星高度：1000km（2）与赤道面夹角：83（3）卫星的运行周期：105min（4）卫星重量：680700kg（5）导航信号的发送频率：150MHz（作为载波传送导航电文）400MHz（仅用于削弱电离层效应的影响）,15,1.2目前的全球卫星定位系统,NAVSTAR（NavigationbySatelliteTimingandRanging）GPS（GlobalPositioningSystem）卫星测时测距导航全球定位系统,16,1.2目前的全球卫星定位系统,GPS的组成卫星星座全球定位系统的空间卫星星座，由分布在六个独立轨道的24颗GPS卫星组成（其中包括3颗备用卫星），平均每个轨道上分布4颗卫星，各轨道升交点的赤经相差60。卫星轨道倾角i=55；卫星运行周期T=11h58m（恒星时12小时）；卫星高度H=20200km；卫星通过天顶附近时可观测时间为5小时，在地球表面任何地方任何时刻高度角15度以上的可观测卫星至少有4颗，平均有6颗，最多达11颗。,17,1.2目前的全球卫星定位系统,地面系统地面设有5个卫星监测跟踪站；1个主控站；3个信息注入站。5个监测站分别位于夏威夷、科罗拉多、阿松森、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，主要负责监测卫星的轨道数据、大气数据以及卫星工作状态。通过主控站的遥控指令监测站自动采集各种数据：对可见GPS卫星每6分钟进行一次伪距测量和多普勒积分观测、采集气象要素等数据，每15分钟平滑一次观测数据。所有观测资料经计算机初处理后储存和传送到主控站，用以确定卫星的精确轨道。计算机初处理后储存和传送到,18,1.2目前的全球卫星定位系统,主控站，用以确定卫星的精确轨道。主控站设在美国科罗拉多州的一个军事基地的山洞里。主控站主要负责协调和管理地面监控系统，根据各监测站资料，推算预报各卫星的星历、钟差和大气修正参数编制导航电文；对监测站的钟差、偏轨或失效卫星实行调控和调配。并将导航电文、指令传送到注入站。3个注入站分别位于阿松森、迭哥伽西亚、卡瓦加兰赤道带附近的美国海外空军基地。注入站主要任务是：将主控站推算和编制的卫星星历、导航电文、控制指令注入相应的卫星的存储系统，并监测GPS卫星注入信息的正确性。,19,1.2目前的全球卫星定位系统,GPS的技术特点定轨精度目前的GPS卫星的跟踪技术条件，以及地球重力场模型的球阶函数的引力摄动修正等等精确定轨的推算技术手段，都比70年代高明得多，因此卫星定轨精度也比过去高得多。卫星性能GPS卫星直径1.5米；重量为843.68公斤（包括310公斤燃料）；GPS卫星通过12根螺旋阵列天线发射张角约,20,1.2目前的全球卫星定位系统,为30度的电磁波束垂直指向地面。GPS卫星采用陀螺仪与姿态发动机构成的三轴稳定系统实现姿态稳定，从而使天线始终指向地面。卫星还装有8块太阳能电池翼板（7.2m2），三组15A的镍镉蓄电池为卫星提供所需的电能。卫星信号卫星配有4台频率相当稳定（量时精度为10-13秒）的原子钟（2台铯钟，2台铷钟），由此产生一个频率为:10.23MHz的基准钟频信号。该信号经过倍频器降低10倍的频率后，成为频率为1.023MHz测距粗码（C/A,21,1.2目前的全球卫星定位系统,码）的信号频率；基准钟频信号的频率10.23MHz，直接成为测距精码（P码）的信号频率；基准钟频信号经过倍频器降低204600倍的频率后，成为频率为50BPS数据码（卫星星历、导航电文的编码）的信号频率；基准钟频信号再经过倍频器倍频150倍和120倍频后，分别形成频率为1575.42MHz（L1）与1227.60MHz（L2）载波信号。测距用的码频信号控制着移位寄存器的触发端，从而产生与之频率一致的伪随机码（测距码），测距码与数据码模二相加后再调制到L1L2载波信号上通过卫星天线阵列发送出去。值得指出的是：无论是测距码的波长还是载波信号的波长，都是测量GPS卫星到观测点距离的物理媒体，它们的频率越高波长越短所测量的距离精度就越高，定位精度也就越高。另外C/A码除了用于测距外，它还用于识别锁定卫星和解调导航电文以及捕获P码。,22,23,1.2目前的全球卫星定位系统,定位精度利用伪随距码（测距码）的信号单机测量，理论上按照目前测距码的对齐精度约为码波长的1/100计算，测距粗码（C/A码）的测距精度约为3m；而测距精码（P码）的测距精度约为0.3m。为了消除公共误差提高定位精度，可利用2台以上的载波相位GPS定位仪实行联测定位，对于载波信号单频机的相对定位精度可达:（5mm+2ppmD）其中D为两台仪器的相对距离；对于载波信号双频机，它能有效的消除电离层延时误差，其相对定位精度可达:(1mm+1ppmD)；,24,1.2目前的全球卫星定位系统,全球定位技术不但精度高，而且定位速度快，可以满足飞机、导弹、火箭、卫星等高速运动载体的导航定位的需要。,25,1.2目前的全球卫星定位系统,GPS的定位原理GPS定位的几何原理并不复杂，它是利用测距交会的原理确定测点位置的。,26,1.2目前的全球卫星定位系统,美国对GPS用户的限制性政策对不同的GPS用户提供不同的服务方式GPS系统在信号设计方面就区分了两种精度不同的定位服务方式：标准定位服务方式（SPS）和精密定位服务方式（PPS）。SPS通过美国军方已经公开的粗截获码（C/A码）解调广播星历的导航电文，进行定位测量，其单点定位精度约为2040m。PPS是美国军方或者美国同盟国的特许用户使用的，其,27,1.2目前的全球卫星定位系统,单点定位精度约为24m。使用这种服务方式一定要事先知道加密码（W码）和精码（P码）的编码结构。否则便无法解调锁定的P码进而解读精密星历，实施精密测距。因此W码与P码对于非特许用户是绝对保密的。选择性可用（SA）政策对SPS实施干扰为了进一步降低SPS的定位精度，以保障美国政府的利益与安全，对标准定位服务的卫星信号实施技术和技术的人为干扰。,28,1.2目前的全球卫星定位系统,技术将钟频信号加入高频抖动使C/A码波长不稳定。技术将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度。在SA政策的影响下，SPS的垂直定位精度降为150m，水平定位精度降为100m。科学家利用GPS差分技术，可以明显削弱SA政策导致的系统性误差的影响。但对于使用PPS的特许用户，则可以通过密匙自动消除SA影响。SA政策1991年7月1日实施，因影响美国商业利益，于2000年5月2日取消SA政策。,29,1.2目前的全球卫星定位系统,反电子欺骗（AS）技术对P码实施加密尽管P码的码长是一个非常惊人的天文数字（码长为2.351014比特）至今无法破译，但是美国军方还是担心一旦P码被破译，在战时敌方会利用P码调制一个错误的导航信息，诱骗特许用户的GPS接收机错锁信号导致错误导航。为了防止这种电子欺骗，美国军方将在必要时引入W码，并通过P码与W码的模二相加转换为Y码，即对P码实施加密保护：由于W码对非特许用户是严格保密的，所以非特许用户将无法应用破密的P码进行精密定位和实施上述电子欺骗。,30,1.2目前的全球卫星定位系统,GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem）全球导航定位系统,31,1.2目前的全球卫星定位系统,GLONASS的组成卫星星座由24颗卫星组成（另加1颗备用卫星），平均每个轨道上分布8颗卫星，各轨道升交点的赤经相差120；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i=64.8；卫星运行周期T=11h15min（恒星时11.28小时）；卫星高度H=19100km；卫星设计的使用寿命为4.5年，直至1995年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于1996年1月18日整个系统正式运转。,32,1.2目前的全球卫星定位系统,地面系统地面控制站组（GCS）设有1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内；CTS跟踪遥测着所有GLONASS可视卫星，对其进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。在GCS内装有激光测距设备对测距数据作周期修正，为此所有的GLONASS卫星上都装有激光反射镜。,33,1.2目前的全球卫星定位系统,GLONASS的技术特点卫星信号每颗GLONASS卫星配有铯原子钟，以便为所有星载设备提供高稳定的时标信号。GLONASS卫星同样向地面发射两种载波信号，L1载波信号的频率为16021616MHz；L2载波信号的频率为12461256MHz；其中L1载波信号为民用，L2载波信号为军用。GLONASS卫星之间的识别方法采用频分复用制（FDMA），L1载波信号的频道间隔为0.5625MHz，L2载波信号的频道间隔为0.4375MHz。,34,1.2目前的全球卫星定位系统,GLONASS卫星测距粗截获码（C/A码）的码频0.511MHz码长为511比特，重复周期为1ms；GLONASS卫星也采用类似GPS信号的P码，尽管前苏联严格保密，英国立茨大学G.R.Lennen博士还是成功地破译了P码。定位精度（1）水平精度：5070m；垂直精度：75m；（2）测速精度：15cm/s；授时精度：1sGLONASS的定位原理与GPS相同,35,1.2目前的全球卫星定位系统,俄罗斯联邦政府对GLONASS的使用政策早在1991年俄罗斯联邦政府就首先宣称：GLONASS可供国防和民间使用，不带任何限制、不引入“选择可用性（SA）”机制，也不计划对用户收费，该系统将在完全布满星座后遵照以公布的性能运行至少15年。俄罗斯空间部队的合作科学信息中心作为GLONASS系统状态信息的用户接口，正式向用户公布GLONASS系统咨询通告。1995年3月7日俄罗,36,1.2目前的全球卫星定位系统,斯联邦政府签署了一项“有关GLONASS面向民用得行动指导”的法令，确认了由民间用户早期启用GLONASS系统的可能性。俄罗斯联邦政府对GLONASS系统的使用政策，使得美国的GPS定位仪的生产商对美国政府实施的SA政策大为不满，考虑到美国的商业利益美国政府最后不得不于2000年5月2日取消SA政策。,37,1.2目前的全球卫星定位系统,NAVSAT（NavigationSatellite）导航卫星系统,38,1.2目前的全球卫星定位系统,欧洲空间局于1982年提出建议，希望通过国际合作，建立一种民用的NAVSAT（NavigationSatellite）全球卫星导航系统，以满足海、空导航、搜索、营救、进出港、民航机着陆等需要。,39,1.2目前的全球卫星定位系统,NAVSAT导航卫星系统采用6颗地球同步卫星（GEO）和12颗高椭圆轨道卫星（HEO）组成混合卫星星座。12颗HEO卫星均匀分布在6个相互对称的轨道平面内，轨道倾角为63.45。卫星高度为20178km，运行周期约为11h58min。6颗GEO卫星同处于一个轨道平面内。地面上任何一点任何时间至少可以看到4颗NAVSAT卫星，达到全天候、实时导航和定位。,40,1.2目前的全球卫星定位系统,CASP“北斗一号”导航定位系统,41,1.2目前的全球卫星定位系统,1982年7月，美国L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose三位科学家提出主动式卫星导航通信系统，并于1982年12月完成了总体设计，定名为GEOSTAR。该系统是一个局域实时导航定位系统，据1991年9月的报导，由于GEOSTAR系统缺乏竞争能力，拟投资的用户日渐减少，最后不得不中断该系统的建设。中国类似GEOSTAR系统的“北斗一号”导航定位系统CASP是我国完全自主完成的导航定位的卫星系统。系统由两颗静止在赤道上空,42,1.2目前的全球卫星定位系统,的同步卫星构成，是2000年10月31日和12月31日分别用长征三号甲火箭在西昌发射基地发射的，为双星定位导航系统，卫星分别定位于东经80和140的准同步轨道上。其服务范围包括中国大陆、台湾、南沙及其它岛屿、中国海、日本海、太平洋部分海域及我国部分周边地区。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在2003年5月25日发射，于6月3日5时顺利定点，系统大功告成。它标志看中国拥有自主的卫星,43,1.2目前的全球卫星定位系统,导航系统了。美国第一个拥有全球卫星定位系统（GPS），继前苏联的全球导航卫星系统（GLONASS）后，我国的北斗导航系统是世界上第三个具有卫星导航系统的国家。,44,1.2目前的全球卫星定位系统,CASP的主要功能快速定位确定用户地理位置，为用户及主管部门提供导航。水平定位精度100m，差分定位精度小于20m。定位响应时间：1类用户5s、2类用户2s、3类用户1s。定位更新时间小于1s。一次性定位成功率95。,45,1.2目前的全球卫星定位系统,简短通信北斗导航系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字报文通信能力，一般1次可传输36个汉字，经核准的用户利用连续传送方式还可以传送120个汉字。精密授时北斗导航系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，利用定时用户终端，完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。,46,1.2目前的全球卫星定位系统,CASP的定位原理1982年提出“双星主动式卫星定位系统”，采用3球交会测星原理进行定位。2颗卫星为球心，2球心至用户的距离为半径可作2球面；另一个球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离为半径的球面；3个球面的会交点即为用户的位置。,47,1.2目前的全球卫星定位系统,CASP的优点和缺点双星导航定位系统的最大优点是系统简单投资少.而最大缺点是他只能实施局域定位，接收发射机功率大且笨重还会暴露用户目标，在战时这是兵家最忌讳的事情。,48,1.2目前的全球卫星定位系统,显然，北斗导航系统的工作过程是比较繁琐的，但是它采用码分多址（CDMA）制式，抗干扰能力大大优于现有的卫星导航系统。北斗导航系统对民用交通系统虽然存在着用户数量有限，每秒钟容纳用户150个左右，不能覆盖全球，对数字地图的依赖性等不足之处。但是，它是我国自主的卫星导航系统，不受他国的制约，深远意义不言而喻。北斗导航系统最大的特点是具有通信功能，充分发挥它的潜力，作用是非常大。,49,1.2目前的全球卫星定位系统,ENSS（EuropeanNavigationSatelliteSystem）GNSS-2Galileo伽利略卫星导航定位系统,50,1.2目前的全球卫星定位系统,Galileo计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。Galileo卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成，2008年投入使用，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126km，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。,51,1.2目前的全球卫星定位系统,Galileo定位系统的优势Galileo系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，在2008年投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度，这是Galileo计划给用户带来的直接好处。另外，由于全球将出现多套全球导航定位系统，从市场的发展来看，将会出现GPS系统与Galileo系统竞争的局面，竞争会使用户得到更稳定的信号、更优质的服务。世界上多套全球导航定位系统并存，相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。,52,1.2目前的全球卫星定位系统,Galileo计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能。Galileo系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。,53,1.2目前的全球卫星定位系统,Galileo系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时Galileo系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。与美国的GPS相比，Galileo系统更先进，也更可靠。美国GPS向別国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而Galileo的卫星则能发现1米长的目标。一位军事专家形象地比喻说，GPS系统，只能找到街道，而Galileo则可找到家门。,54,1.2目前的全球卫星定位系统,GPS与GLONASS系统的比较GPS和GLONASS系统有很多相似之处，但很明显GLONASS努力采用较少的卫星