教案22(卫星导航系统 )

一、导航概述二、GPS导航系统的组成三、GPS导航系统的应用课题二十二、卫星导航系统

一、导航概述什么是导航？我们为什么需要导航?导航历史回顾现代导航系统

什么是导航?

导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点.但是这里是哪里?我们为什么需要导航?你就在这里.我在哪?在您所在的城市里，想要去一个地方，这个地方你不知道，只要输入这个地方的名称，就会规划出行驶路线，而且可以先模拟导航。可以设定时间最短、路程最短、不堵车优先。可以智能寻找附近的加油站、餐厅、超市、停车场等。在长途驾车旅游中，再也不用提前问怎么走高速，哪个路口出去，只要标出目的地，设定高速路优先等，都会帮您规划出您想要去的地方的最佳行车路线。比如要从北京去新疆自驾车旅游，输入乌鲁木齐就可以。当您偏离已经选定的路线，会提示您偏离航向，同时会自动给您重新规划路线。主要是在外出旅游、爬山、郊游等时候，用来规划路线、指示方位、记录旅游轨迹。可以在爬一个山前，使用前人的爬山轨迹。

GPS设备都有记录航迹功能，比如您要到桂林甚至西藏自驾车旅游，您可以下载别人的航迹，然后就不用问路，直接按照这个航迹旅行。您也可以把自己的航迹，发布到网上，和大家分享。GPS还可以用来记录您的人生轨迹，可以知道您在祖国的大江南北所走过的历程。

导航历史

早在公元前3500年前，人类就有历史记载用大船装在货物进行商业贸易的历史。这标志了人类导航艺术的诞生。早期的导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来辨别方向的。他们通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。他们没有航海图，但他们列出了所需的方向，类似于今天的巡航向导。

.导航历史

当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨别南北方向。

早期的航海家们总是在靠近海岸线的附近白天活动，当天气不好或者晚上的时候不出海活动。在中世纪，欧洲的航海家们在整个冬季都不出海活动。这样就自然的限制的他们的活动范围。大范围的航海活动必然会带来风险。

导航历史纬度和经度纬度SN经度EW航海过程纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来判断。经度的判断比较困难，必须计算出地球上不同地点的时差。

纬度和经度0˚位于赤道90˚N在北极点纬度经度

0˚经过英国的格林威治。负的经度为西经，正的为东经专业工具航海家们早期使用的工具只能粗略的定位

六分仪六分仪能够测量位于水平面以上物体的仰角（北极星、太阳等），经常用于寻找纬度用来测量远方两个目标之间夹角的光学仪器。通常用它测量某一时刻太阳或其他天体与海平线或地平线的夹角﹐以便迅速得知海船或飞机所在位置的经纬度。六分仪的原理是牛顿首先提出的。六分仪具有扇状外形﹐其组成部分包括一架小望远镜﹐一个半透明半反射的固定平面镜即地平镜﹐一个与指标相联的活动反射镜即指标镜。六分仪的刻度弧为圆周的1/6。使用时﹐观测者手持六分仪﹐转动指标镜﹐使在视场里同时出现的天体与海平线重合。根据指标镜的转角可以读出天体的高度角﹐其误差约为±0.2～±1度。在航空六分仪的视场里﹐有代替地平线的水准器。这种六分仪一般还有读数平均机构。六分仪的特点是轻便﹐可以在摆动著的物体如船舶上观测。缺点是阴雨天不能使用。二十世纪四十年代以后﹐虽然出现了各种无线电定位法﹐但六分仪仍在广泛应用。指南针用于指引方向通过记录通过的步伐来测量距离或者速度、经历过的时间等航位推测法航位推测法在长距离的航行中会带来很大误差如果从纽约到伦敦，当旅行结束时，在95％的定位精度下，将会累积175英里的误差早期导航工具的弱点早期的导航工具有着众多的不确定性因素，以至于绘制的世界地图不够精确指南针依赖于北地磁极点与北地球自传轴点重合（事实不是这样！）地导航依靠地面地标的辅助，然后将这些地名映射到地图上来对行车进行校准这些技术不适于海上应用主要导航系统

INS:惯性导航系统

CNS:天文导航系统TAN:地形辅助导航

RNS:无线电导航系统GNSS:全球导航系统惯性导航系统（INS）CNS-天球导航系统

天球导航是人类利用太阳、星星、月亮和行星来定位的一门艺术和科学。CNS-天球导航系统CNS-天球导航系统典型的无线电导航系统

1．伏尔(VOR)导航系统

2．多普勒导航系统

3．罗兰C导航系统

4．塔康导航系统

5．奥米加导航系统典型的无线电导航系统伏尔(VOR)导航系统VHFOmnidirectionalRange—VOR

空中导航用的甚高频全向信标。这种系统能使机上接收机在伏尔地面台任何方向上和伏尔信号覆盖范围内测定相对于该台的磁方位角。伏尔导航系统出现于30年代，是为了克服中波和长波无线电信标传播特性不稳定、作用距离短的缺点而研制的导航系统,是甚高频（108～118兆赫）视线距离导航系统。飞机飞行高度在4400米以上时，稳定的作用距离可达200公里以上。

典型的无线电导航系统它由机载甚高频全向信标接收机、显示器和地面甚高频全向方位导航台组成。导航台发射以30转／秒旋转的心脏线方向图，在机载接收机输出端产生30赫的正弦波，其相位随飞机相对导航台的位置而变化，称为可变相位信号。与此同时，导航台还发射一个以固定30赫参考频率调制的全向信号。在机载接收机输出端又得到一个不变相位的30赫正弦波，称为基准相位信号。在地面导航台中使这两个30赫低频信号的相位在磁北子午线上相同。比较机载接收机输出的两个信号的相位，可确定地面导航台相对飞机的方位角，并将这方位角显示在显示器上。如果与测距器（DME）组成伏尔-DME标准近程导航系统,还可测出飞机至导航台的距离，据此可确定飞机在空间的位置。典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统多普勒导航系统

利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统。它由脉冲多普勒雷达、航向姿态系统、导航计算机和控制显示器等组成。它也是用航位推算法利用航行速度三角形定位和定向。70年代以后，多普勒导航系统已和飞行控制系统、发动机控制系统、火力控制系统等组成综合航空电子系统，统一显示，综合控制。

典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统

罗兰C导航系统远程双曲线无线电导航系统，简称远程导航，作用距离为2000km。采用几何定位法。它由设在地面的一个主台与2—3个副台合成的台链和飞机上的接收设备组成。测定主、副台脉冲信号的时间差和相位差即获得飞机到两台的距离差不变的的航迹是一条双曲线。再测定主台与另一副台的距离差又得到一条双曲线，两条双曲线的交点是飞机在空中的位置。

罗兰-C罗兰-C是由美国的海岸警卫队在50年代末研制成功的。导航方式跟罗兰-A基本相同，但作用距离可以达到1000海里，可以用作远程导航系统。目前，北大西洋、北太平洋、地中海、中国沿海、美国本土和苏联（现在的俄罗斯）总共建设了60多个台站。1975年，罗兰-C被美国宣布为标准航海导航系统。

罗兰-C接收机T.I.9000

罗兰-C在北美的基站位置典型的无线电导航系统

塔康导航系统——近程极坐标式无线电导航系统，作用距离为400～500km。它由机上发射与接收设备、显示器和地面台组成。它也采用几何定位法．其测向原理与伏尔导航系统相似，也是测地面相对飞机的方位角相距离。

奥米加导航系统——超远程双曲线无线电导航系统，作用距离可达l万多公里

只要设置8个地面台，就可以覆盖全球。它由机上接收装置、显示器和地面发射台组成，其原理与罗兰C导航系统相似，是双曲线几何定位法。

GPS卫星导航系统的组成GLONASS和Galileo系统北斗卫星导航定位系统二、GPS导航系统的组成

GPS即全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。

GPS系统包括三大部分：1.空间部分—GPS卫星星座；2.地面控制部分—地面监控系统；3.用户设备部分—GPS信号接收机。（1）GPS卫星星座

1.工作卫星

GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内。ＧＰＳ卫星星座GPSBLOCKIIR卫星

2.定位星座与间隙段定位星座：在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。

（2）地面监控系统对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。

地面监控系统的作用（1）监控卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行；（2）保持各颗卫星处于同一时间标准（GPS时间系统）。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS地面监控系统组成：GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。1.主控站：设在科罗拉多的法尔孔（Falcon）空军基地。主控站除协调和管理地面监控系统外，其主要任务是：（1）根据本站和其他监测站的所有资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据送到注入站；（2）提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站；（3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；（4）启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。2.监测站监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料有计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。GPS监测站分布图

GPS地面监控系统的分布监控站主控站注入站夏威夷科罗拉多阿松森迭哥加西亚卡瓦加兰

3.注入站共有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（DiegoGarcia）、南大西洋的阿松森岛（Ascension）和南太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）。

设备：包括一台直径3.6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。任务：在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。地面监控系统只用主控站有人值守。（3）用户部分

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

手持型GPS接收机车载接收机车载接收机导航型GPS机手持型GPS机车载型GPS机航空型GPS接收机航海型GPS接收机测量型GPS接收机单频机双频机测量型GPS接收机测量型GPS接收机测量型GPS接收机1.GLONASS

前苏联研制组建，现由俄罗斯管理和维持的全球导航卫星系统。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。中途曾组成了由24颗工作卫星和1颗备用卫星组成的卫星星座。地球上任一地方的用户在任一时刻均可观测到5～8颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。到目前为止,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。GLONASS和Galileo系统GLONASSconstellationGLONASSsatelliteP24

2.Galileo系统

2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统。

Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616Km，轨道倾角为56°。

Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。theGalileosatelliteconstellation

Navigationpayload:70-80Kg/850WOverallSpacecraft:680Kg/1.6kWclassDimensions:

2.7×1.2×1.1m3Lifetime:12yearsP27

2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。

伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。GIOVEAGIOVEBP29北斗卫星导航定位系统

1.BD–1

我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星已分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80º和140º的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5º的赤道上空），组成了我国第一代卫星导航定位系统——BD–1的卫星星座。与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD–1有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；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。

目前BD–1的民用工作主要是由北京神州天鸿科技有限公司承担的。应用重点放在交通运输业，因为北斗特别适用公路运输和水路运输以及通信领域，BD–1是海事卫星Inmarsat的很好的替代品。但由于BD–1前期稳定性不够好、用户终端的价格贵以及缺乏相关的行业标准等方面的问题，推广应用工作并不理想。

北斗1代卫星导航系统组成图P32

2.BD–2

为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD–2）。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改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。三、GPS导航系统的应用1、交通导航

出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车或送请求，降低能源消耗，节省运行成本。GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。

2、救援

利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更即使地获得救援。3、农业

（1）1、土壤养分分布调查

在播种之前，可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置有GPS接收机和计算机，计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时，GPS接收机把样品采集点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出一幅土壤样品点位分布图。

2、监测作物产量

在联合收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机，就构成了作物产量监视系统。对不同的农作物需配备不同的监视器。例如监视玉米产量的监视器，当收割玉米时，监视器记录下玉米所接穗数和产量，同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置，通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地产量的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析，可以找出影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。

3、合理施肥，精确农业管理

依据农田土壤养分含量分布图，设置有GPS接收机的“受控应用”的喷施器，在GPS的控制下，依据土壤养分含量分布图，能够精确地给田地的各点施肥，施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量分布图控制。

利用飞机进行播种、施肥、除草等工作，作业费用昂贵。合理地布设航线和准确地引导飞机，将大大节省飞机作业的费用。据国外介绍，利用差分GPS对飞机精密导航，估计会使投资降低50%。具体应用中，利用GPS差分定位技术可以使飞机在喷洒化肥和除草剂时减少横向重叠，节省化肥和除草剂用量，避免过多的用量影响农作物生长。还可以减少转弯重叠，避免浪费，节省资源。4、林业

GPS技术在确定林区面积，估算木材量，计算可采伐木材面积，确定原始森林、道路位置，对森林火灾周边测量，寻找水源和测定地区界线等方面可以发挥其独特的重要的作用。在森林中进行常规测量相当困难，而GPS定位技术可以发挥它的优越性，精确测定森林位置和面积，绘制精确的森林分布图。

5、在旅游及野外考察中的应用在旅游及野外考察中，比如到风景秀丽的地区去旅游，到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠地区去进行野外考察，GPS接收机是你最忠实的向导。可以随时知道你所在的位置及行走速度和方向，使你不会迷失路途。目前掌上型导航接收机已经问世。可望不久会生产出手表式的GPS导航接收机。携带和使用就更方便。可以说，GPS的应用将进入人们的日常生