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中国民航大学航空自动化学院,卫星导航系统,陈静杰,博士教授,2020/5/19,数据分析研究所IDA,2,内容提要,绪论（2）卫星导航系统基础知识（6）子午仪卫星导航系统（2）导航星全球定位系统（5）非差分伪距精度改进（3）差分GPS（4）实用卫星导航系统（8）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,3,绪论,学时：30学时课程属性：专业选修课考核方式：闭卷参考书目：吴广华、张杏谷编著卫星导航人民交通出版社,2020/5/19,数据分析研究所IDA,4,绪论,导航与无线电导航卫星导航及其历史沿革卫星导航系统的特点与分类卫星导航系统的应用,2020/5/19,数据分析研究所IDA,5,绪论,导航与无线电导航导航的含义通过一定的技术手段；提供一定的技术途径；引导/引领某实体/运动载体；发生有目的的位置移动/位移运动如:舰、船、机及空天载运器的航行,2020/5/19,数据分析研究所IDA,6,导航与无线电导航无线电导航无线电导航的含义,绪论,2020/5/19,数据分析研究所IDA,7,绪论,卫星导航及其历史沿革卫星导航:以卫星作为导航台的无线电导航系统卫星：空间导航台。功能是接收和储存地面站制备的导航信息，再顺序向用户发射，也接收来自地面站的控制指令并向地面站发射卫星的遥测数据。地面支持网：由多种地面站和计算中心组成。功能是收集来自卫星及与系统工作有关的信息源的数据，处理计算后产生导航信息和控制指令，再由地面注入站注入卫星。用户设备：功能是接收和处理导航信号，进行定位计算，对用户进行导航。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,8,绪论,卫星导航及其历史沿革卫星导航的优点：全球全天候（可见地球表面大）、高精度、多功能（通信、导航、识别、授时等）、庞复性卫星导航历史沿革1957，约翰霍普金斯大学应用物理实验室观测前苏联第一颗人造卫星，在地面接收站位置一定时，卫星通过接收站视界的时间内，接收到的无线电信号的多普勒频移曲线与卫星轨道有一一对应关系由频移曲线确定卫星轨道。反之，亦然：若已知卫星轨道，可确定接收站地面位置。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,9,绪论,卫星导航及其历史沿革卫星导航历史沿革1958.12，美海军和约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制海军卫星导航系统（NNSS),也称子午仪卫星导航系统，1964.1投入使用，1967.7开始兼供民用。可提供经纬度二维定位，精度0.1-0.3海里，不足之处：无高度信息，非连续定位，一次定位时间较长。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,10,绪论,卫星导航及其历史沿革卫星导航历史沿革1973，美国研制导航星系统（NAVSTAR),也称全球定位系统（GPS），可提供七维（三位位置：经、纬、高度，三位速度和时间）连续实时高精度定位。73-78，方案论证；79-85，工程研制和系统试验；,2020/5/19,数据分析研究所IDA,11,绪论,卫星导航及其历史沿革卫星导航历史沿革美国波音公司网2007年4月18日报道美国波音公司和一个工业团队正为美国DARPA进行一项概念研发，以解决在全球定位系统（GPS）信号不可使用时美国地面部队如何精确导航的问题。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,12,绪论,卫星导航卫星导航历史沿革牢靠面导航（RSN）项目的目标是，开发一种在GPS信号受到电子干扰或受到自然的或人为阻碍时，能利用各种信号（卫星、移动电话发射塔、电视转播塔等发射的电波信号）向地面部队提供精确位置和导航信息的技术。难题在于，要开发一个能够利用各种可用信号（不仅仅是GPS信号）的综合系统，通过小型接收器提供精确的导航信息。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,13,绪论,卫星导航卫星导航历史沿革NAVSYS公司提供高质量的GPS硬件设计、系统工程、系统分析和软件设计方面的技术产品和服务。该公司提供GPS、惯性导航系统和通信系统三个主要领域的服务。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,14,绪论,卫星导航卫星导航历史沿革SharedSpectrum公司已经研发出了创新的认知无线电技术。该公司的专门技术包括在极具挑战性射频条件下的国防通信，以及包含共享和管理频谱访问的创新方法在内的商业通信。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,15,绪论,卫星导航系统卫星导航系统种类按导航定位参数分：测角系统（电波传播方向相对基准方向的夹角）；测距、测距差及测距和系统（电波在空间传播时间（精确时间基准：精密时钟）表征的距离）；测速或测距变化率系统（用户和卫星间相对运动产生的电波频率的多普勒频移（准确的频率基准：精密时钟）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,16,绪论,卫星导航系统卫星导航系统种类按工作方式分：有源系统（收、发信息）和无源系统（只收不发）。前者容量受限，后者用户数量不受限，且隐蔽性好）按卫星运行轨道分：低轨（900-2700公里）、中轨（13000-20000公里）和高轨系统（36000公里）轨道高，覆盖地表区域大，受大气及地球影响小，星历精度高同步轨道轨道周期同地球自转周期；静止卫星同步轨道与地球赤道面重合,2020/5/19,数据分析研究所IDA,17,绪论,卫星导航系统卫星导航系统种类按工作区域分：全球覆盖系统和区域覆盖系统按用户的导航定位数据分：间断（一次定位后需间隔一定时间再进行下一次定位）和连续导航系统（可连续定位）、实时和非实时导航系统卫星导航系统的应用海、陆、空的定位与导航，包括军事与民用,2020/5/19,数据分析研究所IDA,18,基本概念,导航：引导航空器从起始点到目的地的技术或方法导航参数：导航所需的最基本参数，包括即时位置、速度和航向制导：不断纠正航空器航行偏差的过程制导参数：由飞行计划和系统导航参数派生出来的表明航空器飞行状态的物理量，包括应飞航迹角、偏航距离、待飞距离、航迹角误差、地速、真航向、偏流角等等,2020/5/19,数据分析研究所IDA,19,基本概念,常见导航系统与方法目视、仪表、惯性导航系统、无线电导航系统、卫星导航系统位移-位移、位移-角度、角度-角度,Q1：请大家谈谈各种导航方法与技术的特点,2020/5/19,数据分析研究所IDA,20,基本概念,地球几何形状的描述圆球、椭球曲率与曲率半径、（地心与地理）垂线、纬度和高度空间直角坐标系与极坐标系（经纬度+高度）导航用坐标系惯性系、地球系、地理系、游动方位系、载体系、平台系、导航系、计算坐标系,Q2：地球几何形状描述与各种坐标系表达对导航方法的贡献？,2020/5/19,数据分析研究所IDA,21,卫星导航系统基础知识,空间直角坐标系：与地球固联，随地球旋转,便于将地理坐标、轨道参数、导航定位参数联系起来；便于计及卫星在空间的复杂运动、地球自转的影响；便于全球范围的定位计算,北极,赤道,2020/5/19,数据分析研究所IDA,22,卫星导航系统基础知识,地理坐标系：表达用户或地面站在地球上的位置经度（东、西经）、纬度（南、北纬）、高度,以最吻合的椭球（人工基准椭球）来表征地球最吻合：要求选取的椭球面和大地水准面之间高度差的平方和最小,2020/5/19,数据分析研究所IDA,23,卫星导航系统基础知识,空间直角坐标与地理坐标的关系,椭圆半长、短轴为：,2020/5/19,数据分析研究所IDA,24,卫星导航系统基础知识,空间直角坐标与地理坐标的关系（续）,椭圆半长、短轴为：,2020/5/19,数据分析研究所IDA,25,卫星导航系统基础知识,空间直角坐标与地理坐标的关系（续）,由空间直角坐标亦可求出经度、纬度和高度：,2020/5/19,数据分析研究所IDA,26,卫星导航系统基础知识,不同坐标系间的变换空间直角坐标系间的变换两坐标原点重合坐标轴旋转两坐标原点不重合坐标原点平移空间任意两直角坐标系间的变换旋转、平移、长度缩放,平移,长度缩放,旋转,2020/5/19,数据分析研究所IDA,27,卫星导航系统基础知识,不同坐标系间的变换地理坐标的变换,2020/5/19,数据分析研究所IDA,28,卫星导航系统基础知识,不同坐标系间的变换地理坐标的变换（续）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,29,卫星导航系统基础知识,卫星运行的开普勒三定律,1、轨道定律：椭圆轨道,2、面积定律：等时等面积,2020/5/19,数据分析研究所IDA,30,卫星导航系统基础知识,卫星运行的开普勒三定律（续）,3、调和定律：,2020/5/19,数据分析研究所IDA,31,卫星导航系统基础知识,卫星轨道参数,2020/5/19,数据分析研究所IDA,32,卫星轨道参数（续）摄动轨道：卫星轨道的漂移,1、轨道倾角I：轨道平面与赤道平面夹角2、升交点赤经：卫星由南向北越过赤道，与赤道的交点为升交点，从春分点向东到升交点的弧距。3、近地点角距：近地点到升交点的角距4、轨道半长轴：卫星近地点和远地点连线的一半5、偏心率6、真近点角：卫星与地心连线和近地点与地心连线的夹角,卫星轨道六要素简图,卫星导航系统基础知识,2020/5/19,数据分析研究所IDA,33,卫星导航系统基础知识,伪码技术伪随机码：由二进制“0”和“1”组成的伪随机序列（具有随机序列特性的非随机序列）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,34,卫星导航系统基础知识,伪码技术伪随机序列产生方法：可由移位寄存器产生,基于动态移位寄存器的伪随机序列及电路特征多项式表达,2020/5/19,数据分析研究所IDA,35,卫星导航系统基础知识,伪码技术伪随机序列产生方法：可由移位寄存器产生C/A码（1.023兆赫兹，周期1秒）和P码（10.23兆赫兹，周期1星期）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,36,卫星导航系统基础知识,伪码技术C/A码（1.023兆赫兹，周期1秒）和P码（10.23兆赫兹，周期1星期）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,37,卫星导航系统基础知识,伪码技术C/A码（1.023兆赫兹，周期1秒）和P码（10.23兆赫兹，周期1星期）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,38,卫星导航系统基础知识,伪码扩频与相关接收伪码扩频技术的优点适用码分多址识别卫星：因为采用的频率相同抗干扰：接收时恢复窄带信号的同时完成了滤波的作用保密：伪码的贡献精确测时和测距：码位宽度当量距离的回波时间距离的310分之一,2020/5/19,数据分析研究所IDA,39,子午仪卫星导航系统,原理：通过测量卫星信号的多普勒频移来确定其运动轨道,系统组成：地面支持网（跟踪、测定卫星信号参数，计算轨道及修正参数，形成导航信息发送给卫星）、卫星（播发轨道参数和时间信号）和用户（利用轨道参数、时间信号和载波的多普勒频移求出用户位置）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,40,子午仪卫星导航系统,地面支持网：由4个固定的跟踪站、1个计算中心（精度27-37米，精密可达6.3米）、2个注入站（几秒内更新完成，时间信息控制在标准时间的50微妙以内）和1个时间测定站（校准卫星时钟信息）组成。功能：跟踪观测卫星资料，算出未来16小时卫星轨道和时间修正资料，每12小时发送给卫星新资料。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,41,子午仪卫星导航系统,导航信息导航卫星网：轨道高度约1075千米，平均速度7.5千米每秒，轨道平面与地球赤道面交角约为90，基本上通过地球的南北极（极轨道），周期约107分钟。载波信号频率：400兆赫（399.968兆赫）和150兆赫（149.988兆赫），按世界时偶数分钟发射长度约2分中的含有轨道参数的电文。,基准振荡器频率5兆赫到400兆赫,2020/5/19,数据分析研究所IDA,42,子午仪卫星导航系统,导航信息导航卫星网：轨道高度约1075千米，平均速度7.5千米每秒，轨道平面与地球赤道面交角约为90，基本上通过地球的南北极（极轨道），周期约107分钟。载波信号频率：400兆赫（399.968兆赫）和150兆赫（149.988兆赫），按世界时偶数分钟发射长度约2分中的含有轨道参数的电文。,基准振荡器频率5兆赫到400兆赫,2020/5/19,数据分析研究所IDA,43,子午仪卫星导航系统,导航仪定位原理利用轨道信息和时间信号确定卫星位置利用载波频率和时间信号测求距离差用最小二乘法估算出目标经纬度,卫星轨道信息电文格式,2020/5/19,数据分析研究所IDA,44,子午仪卫星导航系统,利用多普勒频移测定距离差,多普勒效应：波源与接受者相对运动时收到的信号频率与二者相对静止时受到的信号频率不同。二者之差称为多普勒频移。相向运动，接收频率高于波源频率，相背则低于波源频率。多普勒频移值的大小，可以表示波源接近活原理速度的大小。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,45,子午仪卫星导航系统,利用多普勒频移测定距离差,2020/5/19,数据分析研究所IDA,46,子午仪卫星导航系统,定位算法：目标和卫星位置间计算距离差与对应的观测距离差（R2-R1)的比较与逼近过程,若二者不等，则调整经、纬度，直至二者间误差满足京都要求为止,2020/5/19,数据分析研究所IDA,47,子午仪卫星导航系统,定位算法：目标和卫星位置间计算距离差与对应的观测距离差（R2-R1)的比较与逼近过程,若二者不等，则调整经、纬度，直至二者间误差满足京都要求为止,动点定位算法：运动测者须在其航向和航速已知的情况下，才能将估算距离差正确地与测量距离差进行比较,定位误差：与卫星位置误差、电波传播误差、天线高度误差、航速、航向误差及不同坐标系统等因素有关。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,48,导航星全球定位系统（GPS）,历史：始于1973年代，1993年代达到初始运行能力，1995年代达到全运行能力,系统组成：地面支持网（提供修正参数、卫星星历）、卫星群（播发导航参数和时间信号、载波信号1575.42兆赫和1227.60兆赫）和用户设备（利用轨道参数、时间信号和载波的多普勒频移求出用户位置、速度）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,49,导航星全球定位系统（GPS）,地面支持网：由5个监测站、1个主控站、4个注入站（几秒内更新完成，时间信息控制在标准时间的50微妙以内）和1个时间测定站（校准卫星时钟信息）组成。功能：监测站收集卫星及当地气象资料给主控站。主控站据此计算卫星轨道等导航信息，然后由注入站每隔8小时向卫星发送一次，更新卫星资料。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,50,导航星全球定位系统（GPS）,导航信息导航卫星网：轨道高度约20183千米，轨道倾角为55，两轨道经度间隔60，每一轨道上有4颗卫星），周期约12小时。,2020/5/19,数据分析研究所IDA,51,导航信息卫星：装备有接收机、发射机、高精度振荡器、导航电文存储器信号频率：标准频率10.23兆赫（同步信号，亦即P码频率），C/A码频率为其十分之一；载波频率分别为其的154和120倍，后者仅对P码和导航数据进行相位调制，前者还包括对C/A码进行调制。导航数据码率为50比特，即是同步信号的204600分之一。,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,52,卫星导航电文是卫星提供给用户的信息，包括卫星状态、星历、电离层修正参数、卫星钟偏差校正参数及时间等。由5个子帧组成一帧，50个字，1500码位，30秒时间，25帧组成一主帧,导航星全球定位系统（GPS）,小结：导航信息包括两种载波、两种伪码和导航信息资料（时间信号、轨道资料、修正参数、历书）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,53,卫星导航电文,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,54,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,55,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,56,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,57,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,58,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,59,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,60,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,61,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,62,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,63,GPS导航仪定位原理GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星历资料计算卫星位置，利用伪随机码活载波相位测量测者到卫星的距离，最后结算导航方程求测者位置的经纬度,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,64,GPS导航仪定位原理,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,65,GPS导航仪定位原理,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,66,GPS导航仪定位原理,导航星全球定位系统（GPS）,伪码自相关测距优点：抗干扰、保密、高精度,2020/5/19,数据分析研究所IDA,67,GPS导航仪定位原理,导航星全球定位系统（GPS）,频率1的信号的电离层传播误差,2020/5/19,数据分析研究所IDA,68,GPS导航仪定位原理,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,69,GPS导航仪定位原理,导航星全球定位系统（GPS）,2020/5/19,数据分析研究所IDA,70,GPS导航仪定位原理,导航星全球定位系统（GPS）,202