武汉大学《GPS导航与应用》2

GPS导航应用1第2章导航发展简史2第1节定位、测速与测时3何时？何地？是最常被提及的问题时间、位置与运动状态是物体的基本外在属性时间、位置与运动状态？？4测时、定位与测速确定时间、位置与运动状态的技术方法就是测时、定位与测速用于测时的原子钟用于导航定位GPS导航仪5定位与导航定位确定目标的空间位置导航获取载体的空间位置，并控制其从一点到另一点的运动的过程或技术方法定位与导航的关系定位是导航的一项关键技术XYZ(x,y,z)定位导航6朴素的导航方法导航方法天体位置自然景观人工建筑自然现象生物活动指南针/罗盘太阳亚历山大的法洛斯灯塔苔藓老马识途司南北斗七星7朴素的定位方法定位方法最邻近法利用最相邻的目标进行定位参照物法根据相对于某一参照物的方位和距离进行定位最邻近法参照物法参照物定位目标8朴素的授时与测时授时与测时方法天体位置或形态太阳高度（角）月相生物活动鸡鸣简单计时器沙漏燃香通过观察太阳来估计时间通过雄鸡打鸣来授时沙漏测时通过月相来估计时间9科学的导航、定位与测时①导航、定位与参照物的几何关系，通过数学计算得出距离差交会距离交会方向/角度交会10科学的导航、定位与测时②测时与参照物的几何关系，通过数学计算得出原子运动通过天文观测确定恒星时原子钟11第2节导航技术的发展12经典导航技术13航位推算（DeadReckoning）利用载体的航向和速度矢量，根据其在某一时刻的位置推算出另一时刻位置的导航方法（实际上是一种极坐标法）。AADt·V14地标领航利用地面或海上固定可视参照物进行目的地指引。15天文导航利用天体进行导航：观测两个以上的不同天体可得多个天文船位圆，多圆相交，交点就是天文船位。天文导航原理六分仪16经典导航技术的局限精度低可用性差无法进行全天候导航17无线电导航18无线电导航概况利用无线电信号进行导航产生于20世纪30年代在二战期间得到广泛应用根据信标台所处位置分类地基/陆基无线电导航空基无线电导航星基无线电导航根据工作方式分类无线电导航台无线电导航系统LORAN的发射机（上）和接收机（下）19地基无线电导航①无线电导航台（通过定向天线确定到发射天线的方向）康索尔(CONSOL)VOR(VHFOmni-Range)VOR20地基无线电导航②无线电导航系统（通过确定到多个发射天线间的距离差或距离）罗兰C（Loran-C–

LOng

RAngeNavigation)奥米伽导航系统（OMEGANavigationSystem）塔康（TACAN–TacticalAirNavigation，TACAN）TACAN21地基无线电导航③地基无线电导航的局限性工作范围小精度低22人造地球卫星人造卫星由人类制造，并放置到围绕地球或其它天体的轨道上的物体。人类第一颗卫星－Sputnik1拥有国：前苏联发射时间：1957.10.04意义：证明了卫星轨道运行的可行性，也开启了人类的空间时代Sputnik123卫星导航卫星导航利用星载无线电信标进行导航，即星基无线电导航子午卫星系统全球定位系统（GPS）24子午卫星系统25子午卫星系统的产生与发展1957年10月4日，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星–Sputnik1美国霍普金斯大学应用物理实验室（JHU/APL）的吉尔（WilliamGuier）博士和魏芬巴哈（GeorgeWeiffenbach）博士利用地面Sputnik1信号多普勒测量资料对其进行了精确定轨JHU/APL的麦克卢尔（FrankMcClure）博士和克什纳（RichardKershner）博士提出了利用多普勒测量方法进行定位的思想1958年，受美国海军委托，在克什纳博士领导下，开始开展子午卫星系统的研究1964年1月，子午卫星系统建成并投入军用1967年7月，子午卫星系统解密并提供民用吉尔（右）和魏芬巴哈（左）Sputnik1麦克卢尔克什纳26子午卫星系统的概况①名称正式名称为海军导航系统（NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem），由于卫星采用极轨道，故也称为Transit（子午卫星导航系统）27子午卫星系统概况③空间部分作用播发导航定位信号卫星星座6颗卫星6个极轨道面轨道高度1075km信号频率1：149.988MHz（4.9996MHz30）频率2：399.968MHz（4.9996MHz80）星历（广播星历）子午卫星系统的卫星星座OSCARNOVA子午卫星系统的卫星28子午卫星系统概况④地面控制部分作用系统监控编制导航电文构成跟踪站计算中心注入站控制中心海军天文台用户部分作用接收导航信号，完成导航定位构成多普勒接收机多普勒接收机（天线）29子午卫星定位的原理①多普勒效应由奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（ChristianJohannDoppler）于1843年首先提出的。波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，这一频率变化称为多普勒频移，其大小与波源-观察者之间的运动速度成正比。多普勒测量通过对多普勒频移的瞬时测量，可以确定载体的速度。通过对多普勒频移的连续积分测量，可以确定载体在积分区间的距离变化。30子午卫星定位的原理②

双曲定位利用接收机，采用多普勒测量的方法，测定其在不同时间至同一卫星的距离差卫星轨道（位置）已知距离差交会子午卫星系统的定位原理31子午卫星系统的局限性一次定位时间过长需要进行多普勒积分需要通过卫星位置的变化获取良好的定位几何条件无法进行连续定位卫星数少，无法实现对全球的连续覆盖不同卫星信号频率相同，导致有时需要关闭部分卫星避免干扰定位精度低32第3节全球定位系统的产生和发展33全球定位系统的建立①前期准备美国海军Timation计划始于1964年，利用卫星播发精确的时间参考信号进行测距和时间传递1967年和1969年分别发射了Timation-1和Timation-2，搭载石英钟1974年发射NTS-1（NavigationTechnologySatellite1），首次搭载原子钟（2台铷钟）1977年发射NTS-2，首次搭载铯钟美国空军621B计划采用伪随机噪声（PRN–PseudoRandomNoise）码进行距离测量在1968至1971年间利用飞机进行试验Timation-134全球定位系统的建立②项目开展1973年，美国防部成立联合工作办公室（JPO–JointProgramOffice），JPO综合TRANSIT、Timation和621B等方案的优点，提出了NAVSTAR/GPS项目方案1973年12月17日，正式批准NAVSTAR/GPS项目1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战1993年12月8日，宣布系统具备初步工作能力（IOC–InitialOperationalCapability）1995年4月27日，宣布系统具备完全工作能力（FOC–FullOperationalCapability）1998年宣布开始GPS现代化计划35全球定位系统概况建立国家美国名称NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem–NAVSTARGPS卫星星座（设计方案）24颗GPS卫星载波信号频率两个L1，L2信号调制载波信号上调制有测距码（L1上为C/A码和P码，L2上为P码）和导航电文系统基本功能定位(P)、测速(V)、授时(T)36全球定位系统的基本定位方式单点定位37第4节其他卫星导航系统的概况38GLONASS①GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）开发者俄罗斯（前苏联）系统构成卫星星座地面控制部分用户设备39GLONASS②GLONASS与GPS的比较40GLONASS③运行状况从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。过去，由于卫星寿命短，以及经费不足，俄罗斯无法及时补充新卫星，导致该系统不能维持正常工作。目前，上述状况已得到改善。到目前（2011年2月22日），GLONASS系统共有31颗卫星在轨，24颗卫星正在工作。41Galileo①伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统2002年3月24日，欧盟决定研制组建卫星星座将：30颗卫星（27+3）3个轨道面轨道高度23616km轨道倾角为56°。信号频率E5a，E5b，Eb，E2-L1-E1Galileo42Galileo②伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统服务内容公开服务（公开）安全服务（公开）商业服务（特许）政府服务（特许）43Galileo③伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统运行状况GIOVE-AGIOVE-BGIOVEAGIOVEB44中国北斗卫星导航定位系统①概况我国独立自主建立的导航卫星系统系统由两颗地球静止卫星构成，故又被称为双星系统2000年10