卫星定位技术的发展

“GPS卫星导航定位技术应用”培训班,武汉大学测绘学院,卫星导航定位技术应用,主讲：黄声享,卫星定位技术的发展卫星定位的基本原理与方法GPS定位的设计与实施GPS定位数据处理GPS定位误差源GPS在测量中的普遍应用GPS测量应用的新发展GPS测量规范解析,主要内容,卫星导航定位技术应用,1卫星定位技术的发展,GPS的发展过程及GPS现代化俄罗斯的GLONASS系统伽俐略（Galileo）系统的发展中国北斗卫星导航系统伪卫星导航定位技术,1.1GPS的发展过程及GPS现代化,1卫星定位技术的发展,1958年底美国海军武器实验室，就着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystemNNSS）。该系统中，卫星的轨道都通过地极，故也称“子午（Transit）卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。,子午卫星,1.1GPS的发展过程及GPS现代化(续),1卫星定位技术的发展,1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NAVSTAR/GPS），简称“全球定位系统”（GPS）。,1.1GPS的发展过程及GPS现代化(续),1卫星定位技术的发展,GPS卫星已经研制了三代：第一代(BlockI)：11颗实验卫星，分布在2个轨道平面，已停止工作。第二代(BlockII、IIA)：共28颗卫星，设计寿命7.5年，1989-94发射完成。第三代(BlockIIR、IIF、III)：已部分发射运行，以实现GPS现代化。,1.1GPS的发展过程及GPS现代化(续),1卫星定位技术的发展,1999年1月25日美国副总统戈尔提出了GPS现代化的计划。随后美国军方和波音公司阐明了其内涵：保护：更好地保护美方和友好方使用GPS，加强抗干扰能力；阻止：阻扰敌对方使用GPS，施加干扰；保持：保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确、更安全的GPS使用。,1.1GPS的发展过程及GPS现代化(续),1卫星定位技术的发展,第一阶段：发射12颗改进型的BLOCKIIR卫星，增播第二民用码和军码（M）。第二阶段：在2005年前发射6颗BLOCKIIF卫星，强化军码（M码）、增发第三民用码（L5：1176MHz）。到2008年至少有18颗IIF型卫星，到2016年全部以IIF型（24+3）运行。第三阶段：研制和发射BLOCKIII卫星，2003年完成系统设计、2008年发射GPSIII的第一颗试验卫星、20年后完成GPSIII替代GPSII。,1.1GPS的发展过程及GPS现代化(续),1卫星定位技术的发展,1.1卫星定位的特点,1卫星定位技术的发展,全球覆盖（多卫星分布合理）应用广泛（海、陆、空）全天候作业（天气影响很小）提供三维坐标（X、Y、Z）定位精度高（相对精度10-7）观测时间短（几分钟3小时）,1.2俄罗斯的GLONASS系统,1卫星定位技术的发展,GLONASS是前苏联开始建立的全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystemGLONASS)，包括24颗卫星（3颗备用），卫星高度19100公里，均匀分布在三个轨道面上，轨道面倾角为64.8度，运行周期约为11小时15分，卫星信号采用了两种载波，其频率分别为l.6GHz和1.2GHz。目前的卫星状况已具备可用性。,1.2俄罗斯的GLONASS系统(续),1卫星定位技术的发展,GLONASS卫星星座,GLONASS卫星外型,1.2俄罗斯的GLONASS系统(续),1卫星定位技术的发展,GLONASS系统新进展,GLONASS升级计划,恢复全球连续导航能力Glonass-K计划(2011)进一步提高GLONASS系统的定位精度地面控制部分的现代化扩展地面控制网络提高系统时间的稳定度，轨道精度扩展地面监测网信号现代化GLONASS-K增加L3信号(CDMA)与GPS、Galileo能进行互操作信号频段坐标系统时间系统发射新的卫星，继续GLONASS现代化进程,GLONASS系统新进展,38.25.09.2008,39.25.12.2008,36.26.10.2007,37.25.12.2007,2007-2008先后发射了12颗GLONASS-M卫星进行了第一期的地面控制部分现代化精化了其坐标系统(PZ-90.02)有19颗GLONASS-M卫星在轨工作(两个波段L1和L2)2009年12月计划发射3颗Glonass-M卫星2010春季计划再发射3颗Glonass-M卫星,GLONASS系统新进展,20.02.2009,20.02.2008,20.02.2007,20.02.2006,25m(1sigma),18m(1sigma),15m(1sigma),5-7m(1sigma),最近三年GLONASS导航精度提高了近5倍,现在导航定位精度与GPS在相同量级水平,到2011进一步提高,GLONASS系统新进展,不同时间的工作卫星数,地面控制部分现代化,计划到2010具体完全工作能力（24颗星）,计划在2010年开始部署发射新一代的卫星GLONASS-K(性能大大提高),GLONASS继续采用FDMA发射信号,对将来新发射的GLONASS-K卫星增加CDMA信号,GLONASSperformancecompetitiveabilityprovisionplan,GLONASSFederalProgramextensionuntil2020,GLONASS卫星部署计划,2008.122009.118颗卫星94%全球可用性,2009.1222颗卫星.99.7%全球可用性,2010.1224颗卫星99.99%全球可用性,1.3伽俐略(Galileo)系统的发展,1卫星定位技术的发展,欧盟实施Galileo计划的目的欧盟需要独立自主的全球导航系统全球卫星导航定位的商业利益欧洲本土有更好的信号覆盖，更可靠的服务全球GNSS的组成部分，GPS/GLONASS/Galileo/CNSS,Galileo计划时间表,1.3伽俐略(Galileo)系统的发展,1卫星定位技术的发展,为了打破美国GPS一统天下的局面，欧盟提出了Galileo全球卫星导航系统，它是一个多国、民建、民控、民用系统。在19931994年间，欧盟各国对建立国际社会控制下的民用全球卫星导航系统达成共识，认为现有的GPS和GLONASS只能当作辅助导航系统。但由于受各方面影响，直到1999年2月欧盟才确定：欧洲将致力于发展新一代卫星导航系统Galileo。,1卫星定位技术的发展,GalileoSystemTestbedv1Validationofcriticalalgorithms,GalileoSystemTestbedv22initialtestsatellites,In-OrbitValidation4IOVsatellitesplusgroundsegment,FullOperationalCapability27(+3)Galileosatellites,伽利略实施计划,1卫星定位技术的发展,伽利略卫星星座,1卫星定位技术的发展,伽利略卫星,“GIOVE-A”实验卫星发射升空,2005年12月28日，首颗实验卫星“GIOVE-A”由俄罗斯“联盟-FG”火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射升空，成功进入距离地面2.3万公里的预定轨道，开始测试工作。,1卫星定位技术的发展,Galileo对GPS的影响:冲击着GPS的霸主地位，促使了美国加快实现GPS民用性能改善的步伐，如提前发布第二民用频率、提前停止实施SA政策等。使全球卫星导航系统呈现多极化。Galileo是一个纯民用系统，可保证民用的高精度和可靠性。该系统的预定精度远高于GPS的民用精度。Galileo星座建成后将弥补目前GPS星座在全球全时可用性上的不足。对于安全要求高的应用，可采用Galileo/GPS双系统组合，从而提高安全可靠性。,1.3伽俐略(Galileo)系统的发展(续),1.4中国北斗卫星导航系统,1卫星定位技术的发展,北斗一代双星定位系统组成,采用两颗位于80E和140E地球静止轨道卫星双向测距加数字化高程地图定位,1卫星定位技术的发展,2000-10-31发射北斗-1号导航试验卫星；2000-12-25发射北斗-2号导航试验卫星。,1.4中国北斗卫星导航系统(续),我国建立北斗二代导航卫星系统的必要性北斗一代区域系统的局限性国家安全社会经济发展大国地位,1卫星定位技术的发展,北斗卫星导航系统简介,北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。,中国目前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和六颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。,1卫星定位技术的发展,北斗卫星导航系统目标,建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。,1卫星定位技术的发展,北斗卫星导航系统目标,提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒；授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。我国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射六颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。,1卫星定位技术的发展,北斗卫星导航系统的发射历程,【第1颗】：2007年4月14日【第2颗】：2009年4月15日【第3颗】：2010年1月17日【第4颗】：2010年6月2日【第5颗】：2010年8月1日【第6颗】：2010年11月1日,1卫星定位技术的发展,北斗卫星导航系统的关键技术,导航星座的优化设计技术导航星座空间保持技术导航频段选择、信号设计与调制技术既要考虑与其它卫星导航系统的频段部分重叠,又要避免系统之间的相互干扰星上原子钟的研制与星地时间同步技术高性能用户接收机的研制技术高精度大地坐标系的建立与维持技术,1.5伪卫星导航定位技术,1卫星定位技术的发展,伪卫星在英文中最早用Pseudo-satellites，现一般简写为Pseudolites，可缩写为PL，是一种基于地面的能传播类似GPS信号的发生器，其最简单的形式是GPS信号产生器和发射装置。伪卫星概念的提出可以追溯到二十世纪70年代后期GPS系统发展的初期，通过基于地面的GPS信号发射装置来测试起初的GPS用户设备。,1.5伪卫星导航定位技术(续),1卫星定位技术的发展,伪卫星技术应用的两种主要模式：,伪卫星增强GPS系统完全独立的伪卫星导航定位系统,伪卫星的作用：可应用于增强GPS系统的可行性、可靠性、完整性和精确性，如飞机着陆、都市环境下的地面交通导航、变形监测、火星探测等方