卫星定位与导航系统课件

第七章卫星定位与导航系统1第七章概要卫星定位与导航概述卫星导航技术基础卫星定位的基础原理低轨卫星导航技术双静止卫星导航系统GPS导航系统新一代卫星导航系统27.1卫星定位与导航概述第一代卫星导航系统：子午仪(Transit)系统出现于20世纪60年代利用低轨卫星的多普勒频移效应进行定位最初为美国海军提供潜艇提供高精度二维定位服务，1967年开放为民用系统缺点：卫星数量少、轨道高度低、轨道精度保持低，使得定位时间间隔长，精度差37.1卫星定位与导航概述续2第二代卫星导航系统：GPS2001年以前，美国政府对GPS施加了SA和AS政策SA：选择可用性政策，在GPS的基准频率上施加高频抖动噪声信号，降低卫星星历数据中轨道参数的精度采用SA时的SPS定位精度约100米左右，取消后定位精度达14米左右AS：反电子欺骗政策，其目的是保护P码，限定非特许用户的使用57.1卫星定位与导航概述续3其它卫星导航系统俄罗斯GLONASS：伪码测距定位区域性导航与定位系统，采用GEO卫星欧洲的LOCSTAR美国的GEOSTAR美国Qualcomm公司的OmniTRACS中国的“北斗一号”67.1卫星定位与导航概述续4卫星定位与导航系统提供的服务定位导航授时通信77.2卫星导航技术基础续1坐标系与CIO和地极基准点所对应的地球赤道平面称为平赤道面或协议赤道面，坐标系称为协议地球坐标系(CTS)以瞬时地极对应的地区固定坐标系，称为瞬时地球坐标系目前，由国际时间局(BIH)所公布的瞬时地极坐标所对应的坐标基准点就是BIH系统中的协议地极原点97.2卫星导航技术基础续2WGS84坐标系1984年世界大地坐标系，由美国国防部制图局建立并公布是GPS卫星广播星历和精密星历的参考系是GPS导航系统中标识被定位用户坐标所采用的坐标系是一个地心固定坐标系，坐标轴方向与BIH1984.0系统中定义的方向一致，是CTS-84的一个实现，是目前最高水平的卫星定位与全球大地测量参考系统107.2卫星导航技术基础续3大地水准椭球和基准椭球实际地球面大地水准面大地水准面与实际地球面WGS-84基准椭球参数参数符号采用值长半轴a6378137m地球引力场规格化的二阶带球函数系数-484.16685×10-6地球自转角速度ω7292115×10-11rad/s地球质量与万有引力常数乘积GM3986005×106m3/s2椭球扁率f1/298.257223563椭球第一偏心率平方e20.00669437999013117.3卫星定位的基础原理卫星定位的必要条件卫星在坐标系内的精确位置用户相对于卫星的某种观测值定位方法，根据观测值的不同可以分为测距定位测速定位测角定位观测量包括距离差、距离和、频率、频率差、相位等137.3卫星定位的基础原理续1定位参量与位置面测距定位：球面交汇定位距离差定位：双曲面交汇测速定位U用户S1S2

l1

l2

S卫星U用户卫星速度Vα

S卫星U用户l147.3卫星定位的基础原理续2定位的几何原理球面交汇定位双曲面交汇定位定位的代数原理建立对应于观测量的定位方程将方程线型化利用数值算法解方程由于实际观测量存在误差，因此一般说来观测量越多，定位结果越准确，即卫星数量越多，观测值越多，定位结果越准确157.4低轨卫星导航技术续1多普勒频移与用户速度VγVr177.4低轨卫星导航技术续2基于多普勒积分观测量的定位观测方程发射ftUS1t1S2t2r1r2t1t2t1+τ1t2+τ2接收fr

多普勒积分的获得187.4低轨卫星导航技术续3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(λ,φ)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197.4低轨卫星导航技术续5主要误差因素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：影响子午仪系统定位使用的主要原因217.5双静止卫星导航系统双静止卫星导航系统的推动原因区域定位需求投资省，见效快有利于多种服务的实现双静止卫星导航系统的特征主动式有源定位227.5双静止卫星导航系统续1系统结构空间段：2～3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，另一颗配置一套转发器地面段：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237.5双静止卫星导航系统续3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为距离和由于只有两颗卫星可用，为确定三维坐标，需要知道大地高257.5双静止卫星导航系统续4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267.6GPS导航系统续2系统工作原理伪随机码测距信号结构297.6GPS导航系统续3测距信号结构C/A码：粗测距码，GOLD码，码率为1.023Mbps，周期为1msP码：精测距码，级联码，码率10.23Mbps，码长为2.35×1014bit，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307.6GPS导航系统续4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317.6GPS导航系统续5伪距定位观测方程式中：——卫星发射信号时的理想GPS时刻；——接收机收到该卫星信号时的理想GPS时刻；——卫星发射信号时的卫星钟时刻；——接收机收到该卫星信号时的接收机钟时刻；∆tus——通过测量得到的由卫星到接收机的信号传播时间；

δts——卫星钟相对理想GPS时钟的钟差；δtu——接收机钟相对于理想GPS时钟的钟差

τ——电离层附加延时327.6GPS导航系统续6伪距定位观测方程以用户位置坐标形式表示为337.6GPS导航系统续7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S(t0),p(t0)S(t1),

p(t1)S(t2),

p(t2)N(t0)S(tj),

p(tj)….N(t0)N(t0)347.6GPS导航系统续8载波相位测量定位的观测方程式中：λ——波长N01——初始相位整周模糊度N(tj-t0)——相位整周测量值△φ（tj）——分数测量值D——星地几何距离δts——卫星钟差δtu——用户钟差τ——电离层附加延时357.6GPS导航系统续9整周相位模糊度的求解方法伪距法模糊函数法双频P码伪距法最小二乘搜索法模糊度协方差法367.6GPS导航系统续10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S1S2S3S4GPS接收机377.6GPS导航系统续11定位方式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S1S2S3S4基准站测站387.6GPS导航系统续12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397.6GPS导航系统续13定位性能与主要误差因素定位性能的衡量：定位精度衰减因子(扩散因子,DOP)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)407.6GPS导航系统续14精度因子的定义式几何精度衰减因子GDOP：位置精度衰减因子PDOP:水平位置精度衰减因子HDOP:垂直精度衰减因子VDOP:时间精度衰减因子TDOP：417.7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427.7新一代卫星导航