李玉柏卫星导航与定位001-概述(第五版)

1、卫星导航与定位卫星导航与定位卫星导航原理与应用卫星导航原理与应用H0104630主讲人：李玉柏主讲人：李玉柏卫星导航与定位卫星导航与定位课程说明课程说明 课程名称：课程名称： 课程编号：课程编号： 学时与学分：学时与学分： 课程性质：专业选修课课程性质：专业选修课 课程主要参考书（教材）课程主要参考书（教材） GPS软件接收机基础软件接收机基础 (第第2版版) (美美)IAMES BAO-YEN TSUI著，陈军等译，电子工业出版著，陈军等译，电子工业出版社，社，2008年年7月月卫星导航与定位卫星导航与定位课程说明课程说明 课程主要参考资料：课程主要参考资料：1）GPS原理与应用（第原理与应

2、用（第2版）版）， (美美) Elliott D. Kaplan著，译者寇艳红，著，译者寇艳红， 电子工业出版社，电子工业出版社，2007年年07月；月；2）全球定位系统全球定位系统-信号、测量与性能信号、测量与性能(第第2版版)， (美美) Pratap Misra，Per Enge著，电子工业出版社，著，电子工业出版社，2008 年年4月；月；3）GPS基本原理及其基本原理及其MATLAB仿真仿真，杨俊等著，杨俊等著，西安电子科技大学出版社，西安电子科技大学出版社，2006年年8月。月。4）卫星导航原理与应用卫星导航原理与应用，袁建平等编著，中国，袁建平等编著，中国宇航出版社出版，宇航出版

3、社出版，2004年年9月；月；卫星导航与定位卫星导航与定位课程说明课程说明 主要的学生阅读资料：主要的学生阅读资料：1）ICD-GPS-200C2）ICD-GPS-705_02_Dec_Rev_23）GNSSGalileo Open Service Signal In Space Interface Control Document (OS SIS ICD) Draft 04）GNSSGLONASS INTERFACE CONTROL DOCUMENT Navigational radiosignal In bands L1, L2卫星导航与定位卫星导航与定位课程说明课程说明 基本要求基本要求

4、 上课时间：参见课表上课时间：参见课表 注意时间注意时间不要迟到不要迟到 尽管大家业务繁忙，课内不准使用手机尽管大家业务繁忙，课内不准使用手机 注意课堂纪律，绝不可影响他人。注意课堂纪律，绝不可影响他人。卫星导航与定位卫星导航与定位课程说明课程说明 课程教学纲要：课程教学纲要： 课程教学培养目标：课程教学培养目标：利用卫星导航定位系统提供利用卫星导航定位系统提供的的导航卫星的位置、速度、时间等信息，导航卫星的位置、速度、时间等信息，来完成来完成对地球对地球各种目标各种目标（也简称用户）的（也简称用户）的定位、授时、定位、授时、导航、监测和管理。导航、监测和管理。 课程教学培养能力：课程教学培养

5、能力：卫星导航算法设计能力、编卫星导航算法设计能力、编程能力、误差分析能力，以及程能力、误差分析能力，以及GPS软件接收机设软件接收机设计能力。计能力。卫星导航与定位卫星导航与定位课程说明课程说明 课程教学主要知识点：课程教学主要知识点： 第一讲第一讲 GPS卫星导航技术概述：卫星导航技术概述： 定位与授时的基本概念；定位与授时的基本概念； 主要介绍主要介绍GPS卫星导航系统、发展史以及在卫星导航系统、发展史以及在各个领域中的应用。各个领域中的应用。 第二讲第二讲 GPS定位的坐标系统与时间系统定位的坐标系统与时间系统 第三讲第三讲 GPS卫星星座中卫星的运动知识卫星星座中卫星的运动知识 重点

6、介绍卫星轨道知识；重点介绍卫星轨道知识； 卫星位置速度计算。卫星位置速度计算。卫星导航与定位卫星导航与定位课程说明课程说明 课程主要内容：课程主要内容： 第四讲第四讲 GPS导航信号与导航电文导航信号与导航电文 GPS卫星导航系统组成卫星导航系统组成 导航信号组成导航信号组成 导航电文导航电文 第五讲第五讲 GPS卫星导航定位技术卫星导航定位技术 无线电定位技术；无线电定位技术； 包括卫星导航定位的基本方程；包括卫星导航定位的基本方程； 定位解算基本方法、速度计算方法。定位解算基本方法、速度计算方法。卫星导航与定位卫星导航与定位课程说明课程说明 课程主要内容：课程主要内容： 第六讲第六讲 GP

7、S定位误差分析，包括卫星与用户时定位误差分析，包括卫星与用户时钟误差、相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、钟误差、相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等。多路径误差等。 第七讲第七讲 卫星导航信号的捕获，包括捕获原理，卫星导航信号的捕获，包括捕获原理，多普勒频率补偿等。多普勒频率补偿等。 第八讲第八讲 卫星导航信号的跟踪，包括跟踪原理，卫星导航信号的跟踪，包括跟踪原理，以及码跟踪环、载波跟踪环的具体实现。以及码跟踪环、载波跟踪环的具体实现。 第九讲第九讲 GPS卫星导航接收机硬件结构与实现，卫星导航接收机硬件结构与实现，以及相关软件处理。以及相关软件处理。卫星导航与定位卫星导航与定位

8、课程说明课程说明 让我们开始吧。让我们开始吧。卫星导航与定位卫星导航与定位 第一讲：卫星导航与定位概述第一讲：卫星导航与定位概述基本概念卫星导航与定位卫星导航与定位第一章：卫星导航技术概述第一章：卫星导航技术概述1.1 定位与授时的基本概念定位与授时的基本概念1.2 GPS的诞生与发展的诞生与发展1.3 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用1.4 美国政府的美国政府的GPS政策政策1.5 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 卫星导航与定位卫星导航与定位1、定位与授时的基本概念、定位与授时的基本概念 1）定位技术是国民经济发展的重要技术）定位技术是国民经济发展的重要技术 地理测绘：包

9、括地图、地质监测、环境监测、桥地理测绘：包括地图、地质监测、环境监测、桥梁监测、喜马拉雅山高测试；梁监测、喜马拉雅山高测试； 机械加工：元器件加工到大型建筑施工定位；机械加工：元器件加工到大型建筑施工定位； 航海、航空、航天中飞行器定位；航海、航空、航天中飞行器定位； 移动通信的移动通信的LBS服务：基于用户定位的信息服务，服务：基于用户定位的信息服务，比如旅游、电子栅栏、。比如旅游、电子栅栏、。卫星导航与定位卫星导航与定位传统的基于地基的定位方法传统的基于地基的定位方法 可分为机械式、磁力和无线电等多种方式可分为机械式、磁力和无线电等多种方式 采用的仪器设备采用的仪器设备 尺：铟钢尺尺：铟钢

10、尺 光学仪器：经纬仪，水准仪光学仪器：经纬仪，水准仪 电磁波或激光仪器：测距仪电磁波或激光仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪综合多种技术的仪器：全站仪 观测值观测值 角度或方向观测角度或方向观测 距离观测距离观测 天文观测方法天文观测方法卫星导航与定位卫星导航与定位基于地基定位方法的局限性基于地基定位方法的局限性 需要事先布设大量的地面控制点需要事先布设大量的地面控制点/地面站地面站 无法同时精确确定点的三维坐标无法同时精确确定点的三维坐标 观测受气候、环境条件限制观测受气候、环境条件限制 观测点之间需要保证通视观测点之间需要保证通视 需要修建觇标需要修建觇标/架设高大天线架设高大天线

11、边长受到限制边长受到限制 观测难度大观测难度大 效率低：无用的中间过渡点效率低：无用的中间过渡点 受系统误差影响大，如地球旁折光受系统误差影响大，如地球旁折光 难以确定地心坐标难以确定地心坐标卫星导航与定位卫星导航与定位2）同样授时技术是国民经济发展的重要技术）同样授时技术是国民经济发展的重要技术 军事用途，小到武器控制、大到指挥系统军事用途，小到武器控制、大到指挥系统 现代金融行业，无论银行或证券交易所，其业务现代金融行业，无论银行或证券交易所，其业务操作都涉及严格的时间同步和频率同步操作都涉及严格的时间同步和频率同步 电力系统的电压、电流、相角、功角变化，都电力系统的电压、电流、相角、功角

12、变化，都是时间的函数。电网安全稳定运行离不开严格是时间的函数。电网安全稳定运行离不开严格的时间同步的时间同步 移动通信需要严格的时间同步，一方面是计费需移动通信需要严格的时间同步，一方面是计费需要；另一方面是基站时间频率同步有严格要求，要；另一方面是基站时间频率同步有严格要求，以防止不同步引起的频差滑码、软切换指令不匹以防止不同步引起的频差滑码、软切换指令不匹配、通话连接不能建立等问题配、通话连接不能建立等问题卫星导航与定位卫星导航与定位传统授时技术传统授时技术 长安八景之一长安八景之一晨钟暮鼓；晨钟暮鼓； （就像下课铃声那么重要）（就像下课铃声那么重要） 航海的重要标记航海的重要标记落球报时

13、；落球报时； （就像灯塔一样重要）（就像灯塔一样重要） 网络授时；网络授时；卫星导航与定位卫星导航与定位定位与授时技术的发展定位与授时技术的发展 随着技术发展，人们对定位精度和授时精度要随着技术发展，人们对定位精度和授时精度要求越来越高；求越来越高； 对导航、定位与授时的要求对导航、定位与授时的要求 地基向天基的转换地基向天基的转换 基于原子钟的世界协调时为基准基于原子钟的世界协调时为基准 全覆盖性和巨量目标全覆盖性和巨量目标物联网的发展要求对每个物体进行定位，物联网的发展要求对每个物体进行定位，以便进行通信、组网、导航、控制和信息以便进行通信、组网、导航、控制和信息交互。交互。卫星导航与定位

14、卫星导航与定位2、GPS的诞生与发展的诞生与发展 GPS的英文全称是的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System简称简称GPS，有时也被称作，有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为其意为“导航星测时与测距全球导航星测时与测距全球定位系统定位系统”，或简称全球定位系，或简称全球定位系统。统。卫星导航与定位卫星导航与定位1）GPS系统的诞生系统的诞生 GPS系统的前身是美国海军导航卫星系统（系统的前身是美国海军导航卫星系统（NNSS： Navy Navigation Satellite System），

15、该系统有称为），该系统有称为子午卫星系统（子午卫星系统（ Transit ）。）。 美国海军导航卫星系统美国海军导航卫星系统NNSS又起源美国又起源美国，对，对1957年前苏联发射的第一年前苏联发射的第一颗人造卫星的多普勒频率研究结果。颗人造卫星的多普勒频率研究结果。提出了多普勒卫星设想提出了多普勒卫星设想卫星导航与定位卫星导航与定位GPS系统的诞生系统的诞生 子午卫星导航系统于子午卫星导航系统于1964年年1月正式建成并投入军方月正式建成并投入军方使用。使用。 美国海军寻求一种可以对在北极潜艇的惯性导航系美国海军寻求一种可以对在北极潜艇的惯性导航系统进行间断精确修正方法，提出了统进行间断精确

16、修正方法，提出了NNSS验证计划，验证计划，由霍普金斯大学牵头实施：由霍普金斯大学牵头实施： 研制卫星；研制卫星； 建立地球重力场模型以便卫星的精确定轨和准确建立地球重力场模型以便卫星的精确定轨和准确预报卫星的空间位置；预报卫星的空间位置； 研制多普勒接收机。研制多普勒接收机。子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座卫星导航与定位卫星导航与定位子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 系统组成系统组成 空间部分空间部分 地面控制部分地面控制部分 包括：跟踪站、计算中心、注入站、包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台控制中心和海军天文台 用户部分用户部分大地测量多普勒接收大地测

17、量多普勒接收机机 - 1（MX1502）大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机 - 2（CMA751）卫星导航与定位卫星导航与定位子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性TRANSIT系统系统卫星：卫星：6颗颗极地轨道极地轨道轨道高度：轨道高度：1075km绝对定位精度：绝对定位精度：1m（长时间计算）（长时间计算）定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响离层影响。卫星导航与定位卫星导航与定位2）GPS的发展的发展 基于基于NNS

18、S的技术成功，美国着手新的卫星导航系的技术成功，美国着手新的卫星导航系统研制统研制Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称，简称GPS系统。系统。 开发的目的：开发的目的： 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务定位及授时服务 工作原理：工作原理： 基于基于CDMA编码的被动式无线编码的被动式无线 测距，然后通过多个卫星测距测距，然后通过多个卫星测距 的距离交汇确定位置。的距离交汇确定位置。卫星导航与定位卫星导航与定位GPS的发展的发展方案论证阶

19、段方案论证阶段 1973年年12月，美国国防部批准研制月，美国国防部批准研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1颗颗GPS试验卫星发射成功。试验卫星发射成功。 从从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验卫星。研制颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。了地面接收机及建立地面跟踪网。 卫星导航与定位卫星导航与定位GPS的发展的发展全面研制和试验阶段全面研制和试验阶段 从从1979年到年到1987年，又陆续发射了年，又陆续发射了7颗试验卫星，颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精定位精度远远超过设计标准。度远远超过

20、设计标准。 卫星导航与定位卫星导航与定位GPS的发展的发展实用组网阶段实用组网阶段 1989年年2月月14日，第日，第1颗颗GPS工作卫星发射成功。工作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中，年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。首次大规模用于实战。 1993年底实用的年底实用的GPS网即（网即（21+3）GPS星座已经建星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。成，今后将根据计划更换失效的卫星。 1995年年7月月17日，日，GPS达到达到FOC 完全运行能力完全运行能力（Full Operational Capability）。）。卫星导航与定位卫星导航与定位3、GPS在在各个领

21、域中的应用各个领域中的应用1）GPS在军事中的应用在军事中的应用 GPS导航的舰载飞弹导航的舰载飞弹 配备配备GPS的士兵的士兵 美国海军核潜艇美国海军核潜艇 卫星导航与定位卫星导航与定位GPS在军事中的应用在军事中的应用 美军导弹打击后的伊拉克坎大哈机场美军导弹打击后的伊拉克坎大哈机场精确打击12枚 卫星导航与定位卫星导航与定位2）GPS在交通运输业中的应用在交通运输业中的应用 陆路交通（车辆导航、监控）陆路交通（车辆导航、监控） 船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水卫星导航与定位卫星导航与定位GPS在交通运输业中的应用在交通运输业中的应用 航空机构推动航空机构推动GNSS以及增强系

22、统的使用，来提供以及增强系统的使用，来提供从航路到精密接近飞行阶段的导航。从航路到精密接近飞行阶段的导航。 飞行的五个阶段：飞行的五个阶段： 全球设置广域增强基站，各机场建立局域增强基站。全球设置广域增强基站，各机场建立局域增强基站。(北美、欧洲、日本、澳大利亚北美、欧洲、日本、澳大利亚)卫星导航与定位卫星导航与定位GPS在交通运输业中的应用在交通运输业中的应用 卫星导航与定位卫星导航与定位3）GPS在测量中的应用在测量中的应用 建立和维持全球性的参考框架（国际地球参考框架建立和维持全球性的参考框架（国际地球参考框架ITRS）卫星导航与定位卫星导航与定位GPS在测量中的应用在测量中的应用 布设

23、城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量和地震灾害检测。测量和地震灾害检测。卫星导航与定位卫星导航与定位4）GPS在国民经济领域中的应用在国民经济领域中的应用 精细农业精细农业 遥感遥感 卫星定轨卫星定轨 资源勘探资源勘探 个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递传递 .卫星导航与定位卫星导航与定位5）GPS在国际空间站应用在国际空间站应用 其他应用：其他应用： 不怕做不到！就怕想不到！不怕做不到！就怕想不到！卫星导航与定位卫星导航与定位4、美国政府的、美国

24、政府的GPS政策政策 SPS与与PPS SPS 标准定位服务标准定位服务 使用使用C/A码，民用码，民用 2DRMS水平水平=100 m 2DRMS垂直垂直=150-170 m 2DRMS时间时间=340 ns PPS 精密定位服务精密定位服务 可使用可使用P码，军用码，军用 2DRMS水平水平=22 m 2DRMS垂直垂直=27.7 m 2DRMS时间时间=200 ns卫星导航与定位卫星导航与定位1）美国政府的）美国政府的GPS政策政策 SA技术（技术（1990.3.252000.5.1） Selective Availability 选择可用性选择可用性 人为降低普通用户的测量精度人为降低

25、普通用户的测量精度: 技术：降低星历精度技术：降低星历精度-加入随机变化加入随机变化 技术：卫星钟加高频抖动技术：卫星钟加高频抖动 （短周期，快变化）（短周期，快变化） AS技术（技术（1994.1.31至今）至今） Anti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗 P码加密，码加密，P+WY卫星导航与定位卫星导航与定位2）GPS现代化现代化 1999年年1月月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行亿美元，进行GPS现代化。现代化。 GPS现代化实质是要加强现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导

26、地位。的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。卫星导航与定位卫星导航与定位GPS现代化现代化 GPS现代化的内涵：现代化的内涵： 保护。即保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；性能，加强抗干扰能力； 阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；等； 保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。有更精确更安全的使用。卫星导航与定位卫星导航与定位GPS现代化

27、内容现代化内容更新卫星更新卫星 GPS现代化第一阶段现代化第一阶段 发射发射12颗改进型的颗改进型的BLOCK R型卫星。型卫星。 GPS现代化第二阶段现代化第二阶段 发射发射6颗颗GPS BLOCK F （“FLite”）。）。 GPS现代化计划的第三阶段现代化计划的第三阶段 发射发射GPS BLOCK 型卫星，在型卫星，在2003年前完年前完成代号为成代号为GPS 的的 GPS完全现代化计划设计完全现代化计划设计工作。工作。卫星导航与定位卫星导航与定位GPS现代化现代化更新导航信号更新导航信号改进计划项目改进计划项目时间时间取消取消SA2000年年5月月GPS II R 增强增强-L2上加

28、上加C/A码码-L1及及L2上加上加M码码2003-2006GPS II F 增强增强-L2上加上加C/A码码-L1及及L2上加上加M码码-L52005-2010GPS III 增强增强-L2上加上加C/A码码-L1及及L2上加上加M码，增大信号能量码，增大信号能量-L5-其他未来能力其他未来能力2010-OCS 增强增强OCS: Operational Control Segment 2000-2008卫星导航与定位卫星导航与定位1）其它卫星导航定位系统）其它卫星导航定位系统GLONASS GLONASS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统

29、）（全球导航卫星系统） 开发者开发者 俄罗斯（前苏联）俄罗斯（前苏联）5、其它卫星导航定位系统、其它卫星导航定位系统 卫星导航与定位卫星导航与定位 GLONASS与与GPS的比较的比较参参 数数GLONASSNAVSTAR GPS系统中的卫星数213213轨道平面数36轨道倾角64.8 55轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASS 卫星导

30、航与定位卫星导航与定位其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASS 卫星运行状况卫星运行状况 从从1982年年10月月12日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星卫星起，至起，至1995年年12月月14日共发射了日共发射了73颗卫星。由颗卫星。由于卫星寿命过短，没有及时补充新卫星，故该于卫星寿命过短，没有及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。系统不能维持正常工作。 进入进入2000年后，俄罗斯开始重构年后，俄罗斯开始重构GLONASS系系统，到统，到2012年年10月月10日，日，GLONASS系统共有系统共有24颗卫星在轨，颗卫星在轨， 3颗维修中，颗维修中，3颗备用，颗备用

31、，1颗测颗测试中，开始发挥导航定位功能。试中，开始发挥导航定位功能。 随着地面设施的发展，随着地面设施的发展， GLONASS系统预计在系统预计在2015年完全建成。其定位误差为年完全建成。其定位误差为1米左右。米左右。卫星导航与定位卫星导航与定位2）其它卫星导航定位系统）其它卫星导航定位系统Galileo 伽俐略（伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统）卫星导航定位系统 2002年年3月月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统星导航定位系统 Galileo系统。系统。 Galileo卫星星座将由卫星星座将由27颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备用卫颗备用

32、卫星组成，这星组成，这30颗卫星将均匀分布在颗卫星将均匀分布在3个轨道平面个轨道平面上，卫星高度为上，卫星高度为23616km，轨道倾角为，轨道倾角为56。 “如今的如今的GPS只能找到街道，而只能找到街道，而Galileo系统则能系统则能找到车库门找到车库门” Galileo系统的目标。系统的目标。卫星导航与定位卫星导航与定位其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统Galileo 2005年年12月月28日第一颗日第一颗Galileo试验卫星（试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功进）成功进入高度为入高度为2.3万万Km的预定

33、轨道。的预定轨道。 2006年年1月月12日，日，GlOVE-A已开始向地面发送信已开始向地面发送信号，这标志着总投资为号，这标志着总投资为34亿欧元的计划已进入实亿欧元的计划已进入实施阶段。施阶段。 2013年年Galileo项目管理人员宣布项目管理人员宣布2013年进行两次年进行两次一箭双星发射，一箭双星发射，2014年实现年实现14-18颗颗FOC卫星在轨卫星在轨运行，并将开始提供民用信号的运行，并将开始提供民用信号的“早期服务早期服务”。P28P28卫星导航与定位卫星导航与定位3）其它卫星导航定位系统）其它卫星导航定位系统北斗一代北斗一代BD1 我国自行研制的两我国自行研制的两颗北斗导

34、航试验卫颗北斗导航试验卫星分别于星分别于2000年年10月月31日和日和12月月20日日从西昌卫星发射中从西昌卫星发射中心升空并准确进入心升空并准确进入预定的地球同步轨预定的地球同步轨道，标志着我国道，标志着我国拥有了自己的第一拥有了自己的第一代卫星导航系统代卫星导航系统BD1。卫星导航与定位卫星导航与定位其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗一代北斗一代BD1 与与GPS等卫星导航系统不同，所有用户终端位等卫星导航系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。置的计算都是在地面控制中心站完成。 用户终端分为用户终端分为 定位通信终端、定位通信终端、 集团用户管理集团用户管理

35、站终端、站终端、 校时终端等。校时终端等。 BD1卫星导航系统的优点。如投资少，组建卫星导航系统的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。快；具有通信功能；捕获信号快等。 BD1卫星导航系统的缺点和不足距。如用户卫星导航系统的缺点和不足距。如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。卫星导航与定位卫星导航与定位4）其它卫星导航定位系统）其它卫星导航定位系统 BD2 北斗二代系统北斗二代系统COMPASS 为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质为了使我国的卫星导

36、航定位系统的性能有实质性的提高，决定研制组建第二代北斗卫星导航性的提高，决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（定位系统（BD2）。从导航体制、测距方法、）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由改进。卫星星座计划由GEO卫星，卫星，IGSO卫星卫星和和MEO卫星组成。卫星组成。 北斗北斗II，简称，简称COMPASS系统，其卫星导航系系统，其卫星导航系统星座由统星座由30多颗多颗GSO和和MEO卫星构成。卫星构成。 采用采用CDMA方式，工作原理同方式，工作原理同GPS。P33P33卫星导航与定位卫星导航与定

37、位北斗二代系统北斗二代系统COMPASSP33P33第一步：第一步：北斗卫星导北斗卫星导航试验系统航试验系统（2003年）年）有源服务能力有源服务能力（2015年左右）年左右）区域无源服务能力区域无源服务能力（2020年左右）年左右）全球服务能力全球服务能力第二步：北斗卫星导航系统第二步：北斗卫星导航系统卫星导航与定位卫星导航与定位日本的日本的GNSS区域系统区域系统 QZSS P33P33 日本日本2006年起，日本政府和企年起，日本政府和企业联合开始研发准天顶卫星导业联合开始研发准天顶卫星导航系统（航系统（QZSS：Quasi-Zenith Satellite System ）。）。 QZ

38、SS空间星座由位于空间星座由位于3个高椭个高椭圆轨道上的圆轨道上的3颗颗IGSO卫星组成卫星组成。IGSO空间星座的设计，确保空间星座的设计，确保在仰角在仰角60度以上的空间，至少度以上的空间，至少可以看到可以看到1颗颗IGSO卫星，这也卫星，这也是是QZSS之所以称为之所以称为“准天顶准天顶”卫星导航系统的原因。卫星导航系统的原因。卫星导航与定位卫星导航与定位印度的印度的GNSS的区域系统的区域系统IRNSSP33P33 印度空间局印度空间局ISRO主持了印度独立主持了印度独立自主的区域卫星导航系统自主的区域卫星导航系统IRNSS的研制。的研制。 IRNSS空间星座有分别位于东经空间星座有分

39、别位于东经34度，度，83度和度和132度的度的3颗颗GEO卫卫星，以及东经星，以及东经55度和度和111度的度的4颗颗倾角为倾角为29度的度的IGSO卫星组成，设卫星组成，设计星座覆盖范围为东经计星座覆盖范围为东经40度度140度和纬度度和纬度40度之间，可以为用度之间，可以为用户发播单频和双频信号，标准服户发播单频和双频信号，标准服务定位精度优于务定位精度优于20m。卫星导航与定位卫星导航与定位思考题思考题1.1.什么是定位什么是定位? ?什么是授时？为什么说定位和授什么是授时？为什么说定位和授时是国民经济发展的重要支撑？时是国民经济发展的重要支撑？5.谈谈GPS的应用前景?3.简述GPS

40、的发展概况?4.4.简述简述GLONASSGLONASS、GalileoGalileo（欧）和北斗导航系（欧）和北斗导航系统的特点统的特点? ?2.什么是GPS?该系统的特点有哪些？卫星导航与定位卫星导航与定位电子科技大学欢迎您！电子科技大学欢迎您！ 感谢武汉大学李征航老师及精品课程网站资料。感谢武汉大学李征航老师及精品课程网站资料。卫星导航与定位卫星导航与定位附件：附件：GPS卫星导航系统术语卫星导航系统术语 GPS空间段空间段/地面控制段地面控制段/用户段：用户段：GPS space segment/GPS ground control segment/GPS user segment；

41、Block /a/R/R-M/F/卫星：卫星：Block 是原型卫是原型卫星；星；Block和和A是目前的基本工作卫星；是目前的基本工作卫星；Block R和和R-M是正在发射的替补卫星；是正在发射的替补卫星；Block F是后继卫星，是后继卫星，Block 是在规划中的是在规划中的2010年以后发射的卫星；年以后发射的卫星； 伪卫星：伪卫星：pseudolite设立在地面上的设立在地面上的GPS信号发射站，它发信号发射站，它发播与真实的播与真实的GPS卫星相似的信号，可在近距离内起到和卫星相似的信号，可在近距离内起到和GPS卫星类同的作用；卫星类同的作用； 星历：星历：ephemeris描述

42、天体的空间位置的轨道参数描述天体的空间位置的轨道参数 精密星历：精密星历：precise ephemeris由若干个不属于由若干个不属于GPS系统的卫系统的卫星跟踪站获得的测量值，经事后处理计算出的卫星轨道参星跟踪站获得的测量值，经事后处理计算出的卫星轨道参数，供事后精密定位使用。数，供事后精密定位使用。卫星导航与定位卫星导航与定位附件：附件：GPS卫星导航系统术语卫星导航系统术语 历书：历书：almanac，GPS卫星电文中包含的所有在轨卫星的粗卫星电文中包含的所有在轨卫星的粗略轨道参数。略轨道参数。 历元：历元：epoch指一个时期和一个事件的起始时刻或者表示某指一个时期和一个事件的起始时

43、刻或者表示某个测量系统的参考日期。个测量系统的参考日期。 伪随机噪声码：伪随机噪声码：pseudo random noise（PRN）code一种具一种具有与白噪声类似的自相关特性确定的码序列。有与白噪声类似的自相关特性确定的码序列。GPS信号中信号中采用了伪随机噪声编码技术，以产生码分多址采用了伪随机噪声编码技术，以产生码分多址CDMA，直，直接序列扩频和伪距测量功能。接序列扩频和伪距测量功能。 粗粗/捕获码捕获码coarse/acquisition code；精码；精码precise code； C/A码：用于调制码：用于调制GPS卫星卫星L1载频信号的民用伪随机码。载频信号的民用伪随机码

44、。 P码：曾经用于调制码：曾经用于调制GPS卫星卫星L1和和L2载频信号的伪随机码。载频信号的伪随机码。卫星导航与定位卫星导航与定位附件：附件：GPS卫星导航系统术语卫星导航系统术语 Y码：码：GPS卫星用于调制卫星用于调制L1和和L2载频信号的军用伪随机码，载频信号的军用伪随机码，由由P码与加密码码与加密码W模模2相加而成。由于相加而成。由于Y码仍然保持着码仍然保持着P码的码的码速率，因此也称作码速率，因此也称作P（Y）码。）码。 伪距伪距pseudo-range ：由：由GPS接收机测出的卫星信号传播时接收机测出的卫星信号传播时间而计算出的卫星与接收天线相位中心间的距离。间而计算出的卫星与

45、接收天线相位中心间的距离。 反欺骗反欺骗AS anti-spoofing：GPS卫星信号中用加密码卫星信号中用加密码W与与P码码相叠加，使之变为相叠加，使之变为Y码的措施，用于精密定位服务码的措施，用于精密定位服务PPS。只。只有具有解密能力的接收机才能利用精密定位服务。有具有解密能力的接收机才能利用精密定位服务。 GPS天线相位中心：天线相位中心：GPS antenna phase center指指GPS天线天线的电气中心。其理论设计应与天线的几何中心一致。的电气中心。其理论设计应与天线的几何中心一致。 均方根误差均方根误差RMS：root mean square表明表明GPS观测值数据质观

46、测值数据质量的参数，其值越小，数据质量越好。量的参数，其值越小，数据质量越好。卫星导航与定位卫星导航与定位附件：附件：GPS卫星导航系统术语卫星导航系统术语 用户距离误差用户距离误差URE：user range error用户测量所得的伪距用户测量所得的伪距与至卫星真实距离的误差，用均方根值来规定。与至卫星真实距离的误差，用均方根值来规定。 GPS导航电文：导航电文：GPS navigation message是由是由GPS卫星播发卫星播发给用户的描述卫星运行状态与参数的电文，包括卫星健康给用户的描述卫星运行状态与参数的电文，包括卫星健康状况、星历、历书，卫星时钟的修正值、电离层时延模型状况、

47、星历、历书，卫星时钟的修正值、电离层时延模型参数等内容，以参数等内容，以50bps速率播发。速率播发。 转换字转换字HOW-hand over word ：GPS导航电文中的转换字载导航电文中的转换字载有时间信息，用于在有时间信息，用于在P(Y)码接收机中辅助从码接收机中辅助从C/A码跟踪状态码跟踪状态转换到转换到P(Y)码跟踪状态。码跟踪状态。 Z-计数：计数：Z-count GPS卫星时钟时间，在卫星时钟时间，在GPS导航电文中位导航电文中位于每个子帧的第二个转换字（于每个子帧的第二个转换字（HOW）之前，用）之前，用29位二进制位二进制数表示，单位为数表示，单位为1.5s，一个，一个Z-

48、计数为计数为6s。卫星导航与定位卫星导航与定位附件：附件：GPS卫星导航系统术语卫星导航系统术语 协调世界时协调世界时UTC ：以世界时作为时间初始基准，以原子时：以世界时作为时间初始基准，以原子时作为时间单元秒基础的标准时间。作为时间单元秒基础的标准时间。 GPS时间：根据地面监控站和卫星上的原子钟的时间加权时间：根据地面监控站和卫星上的原子钟的时间加权而得到的，作为而得到的，作为GPS信号的时间基准。信号的时间基准。 GPS周数：周数：GPS week number是从是从1980年年1月月6日开始累计日开始累计的星期数。的星期数。 可用性指示可用性指示AI：Availability Indicator； 数据偏移龄期数据偏移龄期AODO：Age of Data Offset； 自主导航自主导航Autonav：Autonomous Navigation； 二进制相移键控二进制相移键控BPSK：Bi-Phase Shift Key； 每秒周数每秒周数CPS：Cycles Per Second； 循环冗余校验循环冗余校验CRC：Cyclic Redundancy Check；卫星导航与定位卫星导航与定位附件：附件：