第一讲-全球导航卫星系统概述讲解

1黄恒一卫星导航系统概述

第一讲1.身边的导航2.导航的定义3.参考书目4.导航的意义5.导航卫星的发展史6.卫星导航的简介7.四大卫星导航的简介8.导航未来的发展方向目录1.身边的卫星导航系统车载导航仪34手持导航仪身边的卫星导航系统5功能位置速度时间手机基站作战指挥线路规划。。。身边的卫星导航系统62、参考书目GPS原理与应用E.D.Kaplan著，邱万和等译，电子工业出版社导航与定位（信息化战争的北斗星）李跃，邱致和等著，国防工业出版社GPS原理与接收机设计谢钢著，电子工业出版社GPS基本原理及其Matlab仿真李天文编著，西安电子科大出版社。。。7GNSS：GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统导航，通过特定的办法获得目标（本体）所在的空间物理位置以及自身速度信息；是一种为运载体航行时提供连续、安全和可靠服务的技术。卫星导航系统是一种天基的无线电导航定位和时间传递系统，能够为地球表面和近地空间的各类用户提供全天候、全天时、高精度的位置、速度和时间等信息服务。完整的卫星导航系统是一个全球性的蓬勃发展的高技术产业。基本作用：引导飞机、船舰、车辆（总的称作运载体），还有个人，安全准确地沿着所选定的路线，准时地到达目的地。3、导航的定义与作用8根据传说：公元前2600，黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿大战，由于有指南车的指引，黄帝的军队在大风雨中仍能辨别方向，因此取胜。在楚汉战争中，项羽垓下大败，溃围南逃，到陵阴迷失了道路，于是向一田夫问路，田夫故意给了他一个错误的引导信息，叫他往左走，结果陷入大泽，再回头时被汉军追及，致使这位力拔山兮气盖世的西楚霸王自刎乌江。古代丝绸之路长途跋涉的骆驼队，古希腊人与罗马人在地中海区域的海上商业活动与战争，中国明代的郑和下西洋，在没有地物作参考的情况下，没有导航是不可能的。1990年8月—1991年3月的海湾战争中，在阿拉伯半岛没有任何地形可资参考的茫茫沙海上，从沙漠盾牌到沙漠风暴直至战后扫雷与救援，多国部队几乎每一种战术操作都离不开卫星导航系统的引导，从而对只有少量卫星导航设备的伊拉克军队形成了明显的军事优势。导航是人类从事政治、经济和军事活动所必不可少的信息技术。4、导航的意义95、卫星导航发展史司南(指南针)史上最早的导航工具5、卫星导航发展史经度测量纬度测量105、卫星导航发展史LongitudeandTime地球自转：24小时旋转角度：360o确定经度的方法：1、在A地对好时钟（太阳在头顶时，时钟指向12点）2、航行到B地后，于本地时12时读时钟显示数3、将时差换算为经度11125、卫星导航发展史陆基无线电导航系统第一次世界大战期间海上首次使用了无线电通信海岸线安装无线电信标台，发射375kHz连续无线电波船上装有定向机接收无线电波135、卫星导航发展史陆基无线电导航系统第二次世界大战期间罗兰-A系统（Loran-A）脉冲信号，载频1.6MHz~1.95MHz，作用范围400nmile船载接收机：接收来自两个电台的信号，计算到达时间差，可知船只处于某一条以两个发射电台为焦点的地球表面的一条双曲线上；再接收另外两个电台信号，得到另一条双曲线；两条曲线交点即为船只位置。能连续给出船位，使用更方便，且定位精度更高一些。14陆基无线电导航系统第二次世界大战后台卡（Decca）双曲线系统广泛应用于英国和北欧区域罗兰-C（Loran-C）系统20世纪50年代末期研制成功脉冲双曲线系统，脉冲载频100kHz作用距离更远；不仅利用脉冲包络，且利用载波相位，定位精度大大提高奥米伽（Omega）系统20世纪50年代中期开始解决其它无线电导航系统无法全球覆盖工作频率10kHz~14kHz，连续波；电波传播受各种因素（太阳活动、地磁反常）的影响，定位精度只有2nmile~4nmile。5、卫星导航发展史155、卫星导航发展史陆基无线电导航系统系统复杂性集中于导航台，船载设备简单，可靠，易于推广；作战角度看，依赖导航台及电波空间传播，系统生存能力、抗干扰、反利用、抗欺骗能力等不利作用范围有限天基无线电导航系统受外界条件的限制较小导航定位精度高子午仪系统40～500m，GPS系统5～100m可靠性高，经济效益好作用范围大161964年在军事上正式投入使用，为北极星导弹潜艇在远海中导航定位而研制的。1967年开始提供民用，目前已停止使用。子午仪系统由三部分组成，空间、地面监控、用户空间6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角90度、周期108min、载波频率400MHz(导航电文)和150MHz；地面卫星跟踪站、计算中心和注入站；用户接收卫星信号、测量多普勒频移，计算用户位置5、卫星导航发展史

——美国子午仪卫星导航系统17子午仪卫星导航系统特点提供二维导航解；观测时间8至10min；精度±40m；定位间隔1.5小时；长期观测精度达到±3m至±5m。5、卫星导航发展史

——美国子午仪卫星导航系统185、卫星导航发展史

——苏联的奇卡达(Tsikada)卫星导航系统年代同子午仪系统；也由三部分组成，空间、地面监控、用户空间6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角83度、周期105min、载波频率400MHz(导航电文)和150MHz；1920世纪60年代：美国国防部(DOD)、国家航空航天局(NASA)、交通部(DOT)等政府机构对发展用于三维定位的卫星系统产生了兴趣。他们认为，最佳系统应具有如下特性：全球覆盖、连续/全天候工作、能为高动态平台提供服务，以及高精度。1964年投入使用的子午仪系统受到广泛的接受，但由于其存在定位时间长等一些缺陷，美国海军希望对此进行改进，这就促成是Timation卫星计划。5、卫星导航发展史

——GPS系统20空军在此期间也进行了记做为621B系统的卫星定位概念研究军方设想在三个轨道部署15-20颗卫星，使用数字信号的伪随机噪声（PRN）调制来进行测距。美国陆军探讨了诸多可选技术，如测距、测角、和多普勒测量。但最后也推荐利用PRN调制来测距。1969年，美国国防部长办公室（OSD）建立了国防导航卫星系统计划，拟将各军种的研制工作统一起来，形成了NAVSTARGPS的概念，也就是著名的GPS。5、卫星导航发展史

——GPS系统5、卫星导航发展史

——GPS系统实施的四个阶段

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。

1973年12月，国防部批准研制GPS。

1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。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。215、卫星导航发展史

——GPS系统实施的四个阶段第二阶段为1979-1983年全面研制和试验阶段。第三阶段：1983-1987系统应用研究（设备定型投产）。从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。2223第四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。1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，之后根据计划更换失效的卫星。1995年7月17日，GPS达到FOC–完全运行能力（FullOperationalCapability）。5、卫星导航发展史

——GPS系统实施的四个阶段245、卫星导航发展史

——GPS系统实施的四个阶段1995年，美国国防部公布系统具有军用完全工作能力；此后几年GPS的定位技术运用在民用方面有巨大的突破，已经渗透到生活的诸多的方面。2000年5月1日午夜取消了对GPS的SA技术干扰，使得民用定位精度得到大幅度提升。6、卫星导航6.1卫星导航系统具有全球导航定位能力的卫星导航定位系统称为全球卫星导航系统，英文全称为GlobalNavigationSatelliteSystem，简称为GNSS。

现有全球卫星导航定位系统GPSGLONASSGALILEO中国北斗(BDS)中国2012亚太地区2015全球覆盖6.1卫星导航系统6、卫星导航北斗卫星导航系统北斗系统总体计划:三个建设阶段从主动定位到被动定位从区域服务到全球服务2020从主动定位到被动定位从区域到全球6.2卫星导航系统特点高精度全天候高效率三维定位多用途自动化全球导航6、卫星导航6、卫星导航6.3卫星导航系统组成地面控制部分主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成

空间部分卫星组用户部分接收机和信号接收天线监测站主控站观测值注入站卫星轨道和钟差参数计算导航电文6、卫星导航GPS用户6、卫星导航6、卫星导航两个站星距离作两个球面两个球面相交为圆测站位于圆圈上6.4卫星导航定位的几何原理6、卫星导航一个站星距离测站位于以卫星为球心，站星距离为半径的球面上6.4卫星导航定位的几何原理6、卫星导航三个站星距离作三个球面三个球面两两相交于两点测站位于其中一点6.4卫星导航定位的几何原理6.4卫星导航定位的几何原理GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会一个站星距离=球面两个站星距离=圆三个站星距离=两点三个站星距离+地球=一点6、卫星导航卫星信号于“T”时刻发射GPS接收机于“T+

Δt”收到信号站星距离=信号传播时间x光速XllVlXllllllllVVVllVlllXlX

6、卫星导航6.5数学模型S1S2S3S4(X,Y,Z)6、卫星导航6.6卫星导航定位应用基本应用PNT服务定位导航授时飞机导航GPS已成为航空交通管理系统的支撑技术之一GPS能无缝提供飞机三维运动状态（位置和速度）为飞机的起飞，航行，着陆和机场滑行提供安全高效的导航服务车载导航车载导航系统移动目标监控以数字移动通信网络（GSM）为基础，GPS为车辆提供定位信息监控中心获得并检测移动目标的位置信息，并显示在精确的电子地图（GIS）上能够监控和掌握移动用户实时动态的信息，为移动用户提供监控报警、区域看车、事故拯救、医疗救护、交通支援等功能服务车辆跟踪系统防盗在一些小偷偏爱的“海王星”等一些品牌的摩托车上隐蔽地装上GPS，数据信号能直接传到警方平台，一举一动均在警方监控之下精确打击测绘领域中的应用国家高精度GPS网时间传递和时间同步利用GPS进行时间传递和时间同步已在科学研究、金融和电力及通信中得到了广泛应用地球动力学GPS/METGPS电离层探测GPS/R（土壤湿度，测雪，海面高，海面地形）地学应用地球动力学中国及周边地壳运动图大气探测GPS气象水汽温度气压大气探测电离层异常会严重影响短波通讯GPS可以监测电离层的活动GPS电离层探测GNSS海啸预警系统灾害监测低轨卫星定轨2011年11月14日...“神八”与“天宫一号”第二次对接成功

精准农业工程应用GPS自动化形变监测GPS实时监测系统（利用网络RTK技术）公路路基压实施工的GNSS质量控制其它应用运动员训练生物学考古娱乐旅游等七、四大GNSS北斗GPS伽利略格洛纳斯GPS(GlobalPositioningSystems)美国国防部开发的第二代空间定位系统特点由21+3颗卫星组成分布在6个轨道平面上轨道高度20200Km运行周期11小时58分民用定位精度为10m左右导航精度10-20m坐标系统为WGS-84全球、全天候工作，定位精度高，功能多，应用广GPS现状完成时间：1994年最新进展：2010年5月13日，美国发射了首颗改进型GPS二代导航卫星GPS-2F，其后还将在本年度再发射两颗。GPS-2F卫星具有更强的抗干扰和抗打击能力，寿命也延长到15年。与此同时，为满足未来30年系统技术扩展和用户需求而制定的第三代GPS计划也有提前部署的可能。格洛纳斯（GLONASS）由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星轨道高度19100Km，运行周期11小时15分定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒前苏联地心坐标系（PE-90）卫星平均在轨寿命较短,没有开发民用市场格洛纳斯现状完成时间：1996年最新进展：截至2010年2月，共有18颗卫星处于在轨运行状态。由于GLONASS卫星寿命短，组网后因为种种原因不能及时替代，从1999年起处于瘫痪状态，不能单独提供全球导航卫星服务。俄罗斯计划2010年将分3次发射共9颗格洛纳斯卫星，使这一系统恢复正常。伽利略（GALILEO）由30颗卫星组成，分布在3个轨道，轨道高度24126Km

与GPS相比：覆盖面积将是GPS系统的两倍地面定位误差不超过1米，GPS只能找到街道，而伽利略系统则能找到车库门伽利略系统使用多种频段工作，在民用领域比GPS更经济、更透明、更开放伽利略现状完成时间：最初预计2012年完成全球覆盖最新进展：2002年启动的欧洲伽利略系统一直不够顺利，计划超支和成员国之间利益分配问题导致该计划滞后于原计划近6年。今年11月，联盟火箭计划发射两颗伽利略在轨实验卫星。北斗（COMPASS）５颗静止轨道卫星+３０颗非静止轨道卫星采用中国2000大地坐标系（CGS2000）开放服务：定位精度:10m测速精度:0.2m/s授时精度:20ns北斗现状完成时间：预计2012年实现亚太地区覆盖，2020年完成全球覆盖最新进展：北京时间11月1号0时26分，我国在西昌卫星发射中心成功将第6颗北斗导航卫星送入太空，这是我国今年连续发射的第4颗北斗卫星。8.发展方向8.1语音识别、合成人机交互界面Page71

车内语音声控操作，将改变汽车现有的人机信息交流方式，解放出驾驶者的双手和双眼，使汽车更具备人性化魅力和个性化特色。与传统按键、触屏方式不同，驾驶者用声音发出指令，控制汽车执行操作。语音合成方面，技术难点在于语音合成的技术水平与质量语音识别方面，技术难点主要表现在对众多口音和方言的支持、对车内噪音环境的适应和处理，以及命令中关键词的提取上8.发展方向8.2三维技术Page72实景三维，展示目标点街道的360度全景图像8.发展方向8.3地图的增量更新技术Page73目前已有少数几个国外导航软件开发商开发出增量更新技术，而这在国内目前来说仍是一个空白点

现有地图厂商每更新一次地图少则需要三个月，多则需要半年甚至一年，未来用户可根据自身需要选择更新区域，通过云端服务器进行地图POI及道路等信息的更新，增量数据和原有数据无缝结合，功能表现完整。8.发展方向8.4在线离线+导航Page74

未来将普遍发展在离线结合的方式，下载后可以在线导航，也可以花费几元钱下载离线数据包，进行离线导航。目前市场上的导航软件，离线和在线是分开的，用户想要离线和在线导航，必须安装两个软件。8.发展方向8.5TSP（TelematicsServiceProvider）汽车远程服务提供商Page75

无论何时何地，只需一键拨通客户服务中心，话务员为用户设定目的地,车载通讯导航终端获取信息后自动进行路线规划导航。轻松实现语音导航和通信服务实时路况查询机票预定、酒店预定、餐饮预定天气预报查询违章查询彩票开奖查询一键完成，免去拨打多个电话咨询烦恼，随时掌控新闻动态、热点资讯、天气预报、股票信息8.发展方向8.6LBSPage76定位服务，将移动通信网络和卫星定位系统结合在一起提供的一种增值业务。通过一组定位技术获得移动终端的位置信息，提供给移动用户本人或他人以及通信系统，实现各种与位置相关的业务。购物K歌餐饮8.发展方向8.7移动通信应用Page774G

在3G网络甚至2G网络时代，网络传输慢且流量资费高，在线导航的使用不顺畅，产生的流量资费给用户造成经济负担，且导航仪投入成本高且数据更新慢，经常会出现导错路的情况。 4G集3G与WLAN于一体，能够传输高质量视频图像，图像传输质量与高清晰度电视不相上下。地图导航服务时，网络非常流畅，流量资费也进一步降低，车主只需花十几元买个手机支架，打开在线导航软件，就可体验智能导航仪功能。Bluetooth

蓝牙可实现用户在驾车的时候，无需通过手机键盘和屏幕，轻松的通过GPS与外界进行电话交流。8.发展方向8.8移动通信应用Page78CMMB（ChinaMobileMultimediaBroadcasting）

中国移动多媒体广播，是国内自主研发的第一套面向手机、笔记本电脑等多种移动终端的系统，利用S波段信号实现“天地”一体覆盖、全国漫游。在GPS导航仪中加入CMMB信号接收功能，实现节目接收与播放功能，使用户享受GPS以外的娱乐服务。TMC（TrafficMessageChannel）实时交通信息，是欧洲辅助GPS导航系统，是FM无线调频系统（RDS）在播报实时交通及天气信息中的应用，数据由配备TMC的车载无线接收终端或导航设备接收并解码，以多种方式传达给驾驶员。TMC在欧洲已经非常成熟，能实时反映区域内交通路况，指引最佳、最快捷的行驶路线，提高道路和车辆的使用效率。8.发展方向8.9动态导航Page79交通事件（事故、施工养护、管制）；交通流量；道路出入口状态；动态停车位；路况预测；动态绕行建议；道路气象；路况视频；动态交通信息服务内容

利用历史交通数据和实时交通数据对未来时刻道路交叉路口和断面的交通流量进行动态预测，均衡交通流、为用户提供最佳行驶路线。交通流量预测目前由于受交通流量模型的不完善性、影响流量预测的因素