第10章卫星定位与导航系统

1、1 第第10章章 2 目录 （一）概述 （二）卫星导航技术基础 （三）低轨卫星定位系统 （四）双静止卫星导航系统 （五）GPS导航系统 （六）新一代卫星导航系统 3 （一）概述 卫星导航技术的发展历史 Transit（子午仪）系统：利用多普勒频移定位 GPS系统：伪码测距，载波相位测距 卫星导航系统提供的服务 定位（SPS，PPS） 导航 授时 通信 4 （二）卫星导航技术基础 坐标系和时间体系 坐标系：地心固定坐标系、协议地球坐标系 时间体系：世界时、原子时、协调时、GPS时 卫星定位一般原理 星历:由卫星向用户接收机发送的数据之一， 用以描述该卫星时空位置的参量。 5 坐标系和时间体系 地

2、心固定坐标系 地心固定坐标系：以地心 为原点、 Z轴为地球自转 轴并指向北极，XOY平面 与地球赤道面重合，OX轴 穿过格林尼治本初子午线 和赤道的交点，OY轴在赤 道平面内并与OX、OZ轴构 成右手系 惯性坐标系 6 协议地球坐标系 概念：地球的极移 协议地球坐标系： CIO: 国际协议原点 CTP：协议地球坐标系 WGS84 坐标系：1984年世界大地坐标系，以地心 为坐标原点，其坐标轴的方向与BIH1984.0系统中 定义的方向一致，Z轴指向此BIH系统所定义的协 议地极CTP的方向，X轴指向BIH1984.0的零度子 午面与CTP赤道的交点。 7 大地水准椭球、基准椭球 2,0 C 参

3、数符号采用值 长半轴a6 378 137 m 地球引力场规格化的二阶 带球函数系数 -484.1668510-6 地球自转角速度 7 292 11510-11 rad/s 地球质量与万有引力常数 乘积 GM 3 986 005106 m3/s2 椭球扁率f1/298.257 223 563 椭球第一偏心率平方e2 0.006 694 379 990 13 WGS-84 基准椭球参数 8 基准椭球下的地理坐标 9 基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的 关系1地理坐标变换到直角坐标 以WGS-84椭球为基准，地球上任一点的地理坐标，即（， ，H），可以以下式变换到WGS-84三维直角坐标 (X, Y

4、, Z )： X = ( N +H ) cos cos Y = ( N +H ) cos sin Z = N (1 - e2 ) + H sin 式中 2 1sin a N e 10 由直角坐标(X, Y, Z ) 变换到地理坐标的逆变换式为： 基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的 关系2直角坐标变换到地理坐标 arctan Y X 222 () arctan (1) Z NH NeHXY 2 (1) sin Z HNe 第二式中，右端的N是纬度的函数，因此，需要迭代求解 纬度，直至收敛，然后由第三式求解大地高H。 11 天球与天球坐标系天球与天球坐标系 概念：天球赤道、黄道、 春分点、秋分点

5、天球空间直角坐标系与天 球赤道坐标系 天球坐标系与惯性坐标系 的关系：天球坐标系可以 看作一个近似的惯性坐标 系 12 时间体系 世界时（UT）：从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称 为世界时。 原子时（AT）：国际时间局目前以大约100台位于世界各 地的原子钟的读书，分别以不同的权值作平均，获得综合 的时间基准，称为国际原子时。 协调时（UTC）：时间播发中把原子时的秒长和世界时的 时刻结合起来的一种时间 ，秒长严格等于原子时的秒长， 采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之 内。 GPS时（GPST）：与国际原子时保持有19s的常数差，并 在GPS标准历元1980年1月6日零时

6、与UTC保持一致。GPS 时间在0604 800 s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定 的精密参考。 13 卫星定位的一般原理 卫星定位步骤： 卫星在某坐标系的坐标 用户相对于卫星的位置 计算用户在该坐标系的坐标 根据观测量的不同，定位方法可以分为： 测距定位、测速定位、测角定位等 观测量可以进一步划分为：距离差、距离 和、频率、频率差、相位等 14 卫星定位的几何原理 定位参量与位置面 15 定位的原理 几何原理：球面交汇定位、双曲面、圆锥面 交汇定位 代数原理： 建立对应于观测量的定位方程 将方程线性化 利用数值算法解方程 方程数量与卫星数量的关系 1. 由于实际观测量存在误差，因此一般

7、说来观测量 越多，定位结果越精确。卫星数量越多，观测值 越多，定位结果越精确。 16 （三）低轨卫星定位系统 低轨卫星的特点 轨道高度低、需要较多卫星才能实现多重覆盖 卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移。 低轨卫星定位系统 原理：利用信号的多普勒频移实现测速，进而 实现双曲线交汇定位 典型系统：子午仪系统、搜索救援卫星系统 17 子午仪系统 子午仪系统结构 定位卫星 有效载荷：高稳定度的频率源 地面站组 用户设备 工作方式：无源被动定位，测量信号的多普勒频移 子午仪系统的工作原理 积分多普勒定位 18 积分多普勒定位技术1 多普勒频移与用户速度的关系 19 积分多普勒定位技术2 基于多普勒

8、积分观测量的定位观测方程 20 基于多普勒积分观测量的定位观测方程 考虑到接收机的本振频率不等于卫星发射频率， 上述等式可稍作修改，经整理可得以积分多普勒 测量值为观测量的定位观测方程： 式中，r(,)是以用户经纬度的函数形式表 示的用户与卫星之间的距离，该式假定用户的高 度为已知值 21 星历误差 频率源漂移误差 多普勒计数及频移跟踪误差 用户运动速度产生的误差 主要误差因素 22 （四）双静止卫星导航系统 发展双静止卫星导航系统的原因 区域定位 投资省 有利于多种服务的实现 特点：主动式有源定位 23 系统结构 空间段： 23颗静止卫星，主要载荷为透明转发器。其中一颗 卫星上配置两套转发器

9、，另一颗配置一套转发器 地面站 地面中心（主控站和计算中心）、测轨站、测高站、 校准站等。完成测距信号发送、集中式位置解算。地 面中心的坐标已知 用户终端 测距请求的发送、测距信号的转发，位置结果的显示 24 系统工作原理工作过程 1)地面中心对其中一颗卫星连续发射含 有测距码、地址电文、时间码的询问 脉冲束或询问信号； 2)询问信号经卫星变频、放大，转发到 测站； 3)测站接收询问信号，并注入必要信息， 再变频、放大，向二颗卫星发射电文 作为应答信号； 4)二颗卫星收到应答电文，并再把它们 变频、放大，转发到地面中心站； 5)地面中心站处理接收到的应答电文， 得到测站坐标或交换电报信息； 6

10、)中心站再经卫星把处理后的信息送给 测站(用户)，测站(用户)收到所需信 息显示或输出。 25 系统工作原理 系统模型和导航定位方程 球面交汇定位，导航观测方程： 由前述工作过程可知，观测量D为距离和。 特点：由于只有两颗卫星可用，为确定三维坐 标，需要知道大地高 26 主要误差因素 卫星和地面中心的位置误差； 电波传播误差，包括电波在大气中传播产生的 误差及设备延时误差； 测量误差，包括距离测量误差、高程误差、钟 误差等。距离测量误差主要取决于伪码锁定环 路的跟踪误差。高度误差主要取决于数字地图 的精度或测高仪器的精度； 定位滞后误差。 27 （五）GPS导航系统 系统结构 空间段：由21颗

11、工作卫星 和3颗备份卫星组成特定 星座，高度20200km（截 至2006年7月工作卫星总 数已达29颗，有效载荷包 括原子钟和导航电文存储 器等 28 系统结构 地面站 包括主控站、监控站、注入站。监控卫星运行情况， 产生准确星历数据及钟差、状态、大气传播修正等 参数，形成并注入导航电文 。 用户终端 无源被动定位：接收导航电文，完成导航参量的测 量和定位解算任务，并可加以显示 类型：低动态型、高动态型；测量型、授时型、导 航型和姿态测量型 ；单频粗码（C/A码）和双频精 码型 29 系统工作原理测距信号结构 基本定位原理伪随机码测距 信号结构 30 测距信号结构 C/A码：粗测距码，GOL

12、D码，码率为1.023Mbps， 周期为1ms。 P码：精测距码，级联码，码率10.23Mbps ，码长 为2.351014 bit ，周期7天（截断码周期） P码由于精度高，实际被限制使用，具体限制方法 是加密，形成Y码（AS政策）。 为限制定位精度，曾经采用精度降低措施，即SA 政策（时钟信号上加入高频随机抖动），现已取 消 31 基本定位方法和数学模型按观测量划分 1.伪随机码测距定位 观测量的获取：扩频伪随机信号滑动相关 接收码 本地码 32 2. 载波相位观测量定位 优点：波长短，定位精确 缺点：存在相位模糊度，算法复杂 33 定位方式 绝对定位 根据被定位设备的运动状态，分为静态绝

13、对定位、动态绝对定位； 根据观测量的不同，分为测距码绝对定位和测相绝对定位。 34 相对定位 按定位物体运动状态静态差分定位、动态差分定位； 按观测量可分为伪距差分、相位差分等定位。 35 定位性能与主要误差因素 误差类型： 与卫星有关的误差：轨道参数误差、卫星钟模型误差 与观测有关的误差：信号传播测量误差 与接收机有关的误差：接收机钟误差、码跟踪环误差 定位性能的衡量：定位精度衰减因子（扩散因子）（DOP） 定义：DOP定位误差/定位观测量误差 DOP值越小，定位性能越好 分类：几何精度衰减因子（GDOP）、位置精度衰减因 子（PDOP）、水平定位精度衰减因子(HDOP)、垂直定 位精度衰减因子(VDOP)、时间精度衰减因子(TDOP) 36 精度因子的定义式 37 （六）新一代卫星导航系统 伽利略卫星导航系统（Galileo） 特点： 卫星数量多（30颗），星座可见性好，定位精度高 提供系统导航性能完备性功能 提供的服务： 开放式服务、与生命安全有关的服务、商业服务、 公共管制服务 精密导航、高精密导航、本地服务、增强服务 为其他系统提供支持 38 GPS系统现代化计划 实质：加强GPS对现