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领航与导航
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《领航与导航》教学课件,领航与导航,领航,导航,教学,课件
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第九章 卫星导航第九章 卫星导航?利用机载卫星导航接收机，接收空间卫星发射的导航信息，确定飞机的空间位置，并引导飞机航行的领航方法称为卫星导航。?全球、全天候、高精度、适时的导航定位服务。?全球卫星导航系统全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System）是一个全球性的位置和时间测定系统。该系统包括空间卫星、用户接收机、实时监测系统以及为了满足特定运行阶段所需导航性能的必要的增强。?目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧盟的Galileo系统概述一、卫星导航的发展历程?1957.10.14，前苏联，第一颗人造卫星卫星导航的设想；?1964年美国建成了“子午仪” 号TRANSIT卫星导航系统，为核潜艇和水面舰艇导航定位，1967年起开放民用。(6颗卫星，轨道1080km，不能满足动态目标高精度导航要求）?1973年，美国国防部，GPS发展计划。?第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。?第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。?第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星?1996年1月18日俄罗斯完成24颗卫星星座布局GLONASS 俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。该系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。?INMARSAT国际海事卫星组织，第三代静止卫星。?ICAO提出GNSS过渡计划方案。?“伽利略卫星导航系统” GALILEO，侦测误差只有1米。当整套系统建成并于2008年投入运作后，便可打破美国全球定位系统（GPS）目前的垄断局面。二、卫星导航应用?航路导航?全球、全天候、无误差积累、高精度等特点，有助于有效利用空域，实现最佳的空域规划、空中交通流量管理以及飞行路径管理，降低运营成本，保证空中交通管制的灵活性。?进场/着陆能满足CATIIIb的要求。?着陆设备简单、无需地面支持系统，适用于任何机场。理论上可以引导飞机沿任意的一条飞行剖面和进场路径着陆。?场面监视和管理?减少起飞和进场滞留时间，监视和调度机场的飞机、车辆和人员，最大效率地利用终端 空间和机场，以保证飞行安全?航路监视ADS?机载GPS通过数据链自动报告自己的位置，应用在洋区和内陆边远地区。?特殊区域导航，如农业、林业等。?飞行试验与测试 ，特种飞机应用、航测等。1 全球定位系统组成及定位原理全球定位系统组成及定位原理?1全球定位系统组成全球定位系统组成GPS由分布在6个轨道平面绕地球飞行的24颗卫星(现役卫星21颗和备用卫星3颗)组成，分布全球的多个地面站对其实时监控。系统主要的组成部分：?空间部分：卫星?控制部分：陆基追踪和系统调节?用户部分：接收和处理设备?（一）空间部分（一）空间部分空间部分由24颗分布于6个战略部署的轨道平面上的卫星组成，卫星轨道离地高度超过20,200km(10,900海里)。其中3颗卫星作为备用卫星，其余21颗卫星即可提供覆盖全球的导航服务。?卫星的轨道倾角为55，卫星绕地球一圈大致需要12个小时?年鉴信息?星历信息?提供服务：?精确定位服务(PPS) ?标准定位服务(SPS) （二）控制部分（二）控制部分?控制部分包括世界各地的监测站、地面天线和上行链接和主控站。各监测站跟踪监测所有卫星，将控制卫星时钟状态、轨道状态和导航信息状态的信息传递给主控站?GPS地面部分组成：一个主控站，5个监控站，3个注入站?监控站：在主控站的直接控制下，自动对卫星进行持续不断的跟踪测量，并将卫星发射的L波段导航信号传送到主控站。?主控站：采集各监控站送来的卫星数据；根据采集的数据，推算卫星的星历、卫星钟差改正数、状态数据以及大气改正数，按一定的格式编制成导航电文，传送到注入站；给定全球定位系统时间基准；诊断各地面站的协调工作和卫星的运行状态；调整和调度卫星。?注入站：将主控站发送来的卫星星历、钟差信息、导航电文和其他控制指令等通过S波段射频链路每天三次上行注入卫星的存贮器钟，使卫星的广播信号获得更高的精度，满足用户的需要?（三）用户部分用户部分?过程：?接收星历数据和年鉴数据?虚修正?范围决策?2.全球定位系统的定位原理全球定位系统的定位原理GPS卫星导航系统采用WGS-84坐标系，利用已知的可用卫星的方位，计算出信号传输的时间进而得到三维的修正坐标。定位原理接收机确定空间三维坐标需要至少四颗卫星。高度已知时，二维坐标的确定仅需三颗卫星即可2 卫星导航系统工作原理一、GPS卫星导航系统空间直角坐标系?WGS84（World Geodetic System，1984年）是美国国防部研制确定的大地坐标系，WGS-84椭球及有关常数：长半轴： 6378137 2（m）扁率： 1：298.257223563二、GPS定位原理?接收机确定空间三维坐标需要至少四四颗卫星。高度已知时，二维坐标的确定仅需三颗卫星即可imeasured pseudoranged receiver clock offset from GPS timei-dtrue geometric rangei=1,2,3,43-dNo. 4(x4, y4, z4)No. 1No. 2No. 3(x1, y1, z1)(x2, y2, z2)(x3, y3, z3)(x, y, z)1-d2-d4-dGPS Receiver i-d =(xi-x)2+(yi-y) 2+(zi-z) 2 , i=1,2,3,4(x1-x)2+(y1-y ) 2+(z1-z ) 2= ( 1-d ) 2(x2-x)2+(y2-y ) 2+(z2-z ) 2= ( 2-d ) 2(x3-x )2+(y3-y) 2+(z3-z ) 2= ( 3-d ) 2(x4-x )2+(y4-y) 2+(z4-z ) 2= ( 4-d ) 2gg确定三维位置指示需要四颗四颗卫星.gg由于接收机采用电子钟，存在时间误差，需要与卫星时间同步?GPS坐标变换（用户直角坐标转换为用户地理坐标）sin)1 (sincos)(coscos)(2HfPOzHPOyHPOx+=+=+=2 全球定位系统接收机功能全球定位系统接收机功能?1.接收机自主完整性检测功能接收机自主完整性检测功能?用来分析信号的完整性和视野范围内所有卫星的相对位置，进而选择最佳的至少四颗卫星，孤立和抛弃状态异常的卫星。?2. 气压辅助功能气压辅助功能?3.掩蔽功能掩蔽功能?掩蔽角掩蔽角?4.显示功能显示功能?航路点设置功能；直飞功能；领空警报功能；最近机场识别功能；跑道匹配功能；飞行计划功能航路点设置功能；直飞功能；领空警报功能；最近机场识别功能；跑道匹配功能；飞行计划功能?5. 运行模式运行模式通常情况下，GPS接收机提供三种运行模式：?有RAIM的导航?无RAIM的导航(二维或三维)?自动导航丧失(某些接收机提示为DR)3 全球定位系统的误差和局限性?1. 星历误差星历误差?2. 多路径效应多路径效应?3. 电离层传输效应电离层传输效应?4. 接收误差接收误差?5. 干扰干扰?6. 跟踪精度和防撞跟踪精度和防撞?7. GPS误差等级误差等级?8. 无无RAIM运行运行?9. 地面的影响地面的影响4 全球定位系统差分目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。?差分GPS分为两大类：?本地差分本地差分本地增强系统（LAAS：Local Area Augmentation System）?广域差分广域差分广域增强系统（WAAS：Wide Area Augmentation System）?本地差分本地增强系统（LAAS：Local Area Augmentation System）?已知精确位置的本地差分台接收来自四颗卫星的定位信号，与精确位置对比后确定每一卫星的测量误差，并按照规定的时间将位置修正信息发给用户，用户根据修正信息校正位置数据。?在机场通过建设本地差分GPS台可以提供I类、II类精密进近着陆；也可增强为III类精密进近着陆。?有效距离：100nm?广域差分广域增强系统（WAAS：Wide Area Augmentation System）?由主控站地面解偶空间相关误差（大气层和电离层传播延时误差）与空间不相关误差（星钟误差、星历误差），分别解算出来加以修正。?利用卫星广播修正电文，只需十几个广域增强系统就能达到全球无缝隙差分增强。第五节 利用全球定位系
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