第1章 全球导航卫星定位技术发展概况《GNSS测量技术》教学课件

《GNSS测量技术》✩精品课件合集1.1早期的卫星导航定位技术发展1.2全球四大GNSS系统的发展第1章全球导航卫星定位技术发展概况1.1早期的卫星导航定位技术发展—1957年10月4日，苏联成功发射人类第一颗人造地

球卫星，标志着人类进入了空间科学技术时代。—美国全球定位系统GPS—全球导航卫星系统GNSS—GNSS技术已广泛应用于气象、遥感、通讯、导航、地球科学、天文学、测绘学、资源勘察、灾害预报、国际救援、环境监测以及军事科学等诸多领域。1.1早期的卫星导航定位技术发展—1957年10月4日，苏联成功发射人类第一颗人造地

球卫星，标志着人类进入了空间科学技术时代。—美国全球定位系统GPS—全球导航卫星系统GNSS—GNSS技术已广泛应用于气象、遥感、通讯、导航、地球科学、天文学、测绘学、资源勘察、灾害预报、国际救援、环境监测以及军事科学等诸多领域。1.1.1大地测量的发展从古至今，大地测量的发展大致可分为地球圆球阶段、地球椭球阶段、大地水准面阶段和现代大地测量四个阶段。其中，地球椭球阶段和大地水准面阶段亦称为经典大地测量阶段。1.1早期的卫星导航定位技术发展第一阶段：地球圆球阶段—“天圆地方”说；—埃拉托色尼，在公元前3世纪，首次用子午圈弧长测量法来估算地球半径；—高僧一行，世界上第一次子午线测量。第二阶段：地球椭球阶段

—意大利人伽利略，第一次重力测量；—德国人开普勒，行星运动定律（开普勒三定律）；—荷兰人惠更斯，推导了地球扁率；—德国人高斯，最小二乘法理论；—清朝康熙年间在绘制“皇舆全览图”的过程中，发现弧长值随纬度不同而变化的规律。第三阶段：大地水准面阶段

几何大地测量学在这一阶段的进展主要体现在：—天文大地网的布设有了重大发展。印度天文大地网（1800-1900）、美国天文大地网（1911-1935）和前苏联天文大地网（1924-1935）建设完成。—铟瓦基线尺出现、带平行玻璃板测微器的水准仪及铟瓦水准尺的使用、将天文大地测量同重力测量相结合代替天文水准等方面也取得较大进步。第四阶段：现代大地测量阶段20世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的测量新技术的出现。1.1早期的卫星导航定位技术发展使得大地测量的方法和手段都发生了深刻变革，大地测量学由此进入了以空间测量技术为代表的现代大地测量发展阶段。主要具有以下的特点：—长距离—高精度—实时性

经典大地测量是以刚体地球为研究对象，是静态的、局部的、相对的测量；而现代大地测量则是以可变地球为对象，是动态的、全球的、绝对的测量。现代大地测量的主要任务具体有：—建立与维护全球的、国家的地面三维大地网，并研究其变化情况；—测量并研究地极移动、地壳运动、潮汐等地球动力现象；—测定地球重力场及其随时间的变化，精化地球重力场模型。1.1早期的卫星导航定位技术发展1.1.2卫星大地测量的发展卫星大地测量是现代大地测量一个新的重要分支,是以测定近地人造卫星的空间位置和运动异常来解决大地测量问题的一种方法。其主要任务包括： —精确测量地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间的相对运动以及大地水准面的形状，为大地测量和其他科学提供技术支撑。 —精确测定地面点的地心坐标，从而能够将全球大地网联成一个整体，建立全球统一的大地坐标系。 —将其成果广泛地应用于空中、海上以及陆地运动载体的导航、监控与调度指挥。1.1早期的卫星导航定位技术发展1.早期的卫星定位技术—卫星三角测量：早期的卫星大地测量把卫星作为一种空间观测目标，由地面观测站对卫星的瞬间位置进行摄影观测，测定测站点至卫星的方向，通过不同测站之间对卫星的观测即可建立卫星三角网；—使用激光测距技术测定测站至卫星的距离，建立卫星测距网，从而对地面点进行定位。2.子午卫星导航系统1958年，美国海军和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室为满足北极核潜艇的高精度导航要求，开始研制一种利用多普勒卫星定位技术进行测速、定位的卫星导航系统。1.1早期的卫星导航定位技术发展1.1早期的卫星导航定位技术发展由于该系统卫星在近极轨道（轨道倾角约为90°）上运行，因此称之为“子午仪卫星导航系统（Transit）”,又称“美国海军导航卫星系统”简称NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)。

NNSS系统存在较大缺陷：—卫星数量少，观测时间和间隔时间长。—运行轨道低，难以进行精密定轨。—卫星的定位精度有限。—无法实现实时三维导航定位。—卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响。GNSS家族成员包括：美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和我国的BDS。1.2全球四大GNSS系统发展1.2.1GPS系统为了克服NNSS系统的缺陷，满足军事部门和民用部门对连续实时三维导航定位的迫切需求，1973年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NavigationSystemTimingandRanging/GlobolPositioning，NAVSTAR/GPS）简称为“全球定位系统”（GPS）第一阶段：方案论证和初步设计阶段（1973-1979年）

发射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：全面研制和试验阶段（1979-1984年）发射了7颗试验卫星（BlockⅠ），研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，与此同时测地型接收机也相继问世。1.2全球四大GNSS系统发展第三阶段：实用组网阶段（1988-1995年）1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星成功发射宣告GPS系统进入了工程建设阶段，该时期的工作卫星为BlockII和BlockIIA卫星（图1-1）。至1993年7月，进入轨道可以正常工作的卫星总和已达24颗，GPS网组网成功并具备初步工作能力（InitialOperationalCapability，IOC）。1995年4月，美国空军空间部宣布，GPS达到完全运行能力FOC（FullOperationalCapability，FOC）。1.2全球四大GNSS系统发展图1-1BlockIIA卫星第三阶段：实用组网阶段（1988-1995年）标准的GPS星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，分布在6个近圆形轨道面上，卫星轨道高度为20200千米，运行速度约为3800米每秒，轨道周期为11小时58分，轨道倾斜角度55度，使用的坐标系是WGS84大地坐标系，标准的GPS星座如图1-2所示。截止2022年6月22日，美国GPS系统共有31颗在轨工作卫星。详情请参阅：/1.2全球四大GNSS系统发展图1-2标准GPS卫星星座1.2全球四大GNSS系统发展1.2.2GLONASS系统GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem）是苏联在全面总结第一代卫星导航系统（CICADA）的优缺点以及汲取美国GPS系统的成功经验的基础上组建的第二代卫星导航定位系统，现由俄罗斯负责管理和维护。1995年建成由24颗工作卫星加1颗备用卫星组成的卫星星座。经过数据加载、调整试验，于1996年开始正常运作。期间遭遇资金等问题，导致系统无法正常工作，随着俄罗斯经济的好转，2011年系统重新实现正常工作。标准的GLONASS卫星星座24颗卫星分布在3个等间隔近圆形轨道面上，每个轨道面有8颗卫星，如图1-3和图1-4所示。卫星的轨道高度为19100km，运行周期为11小时15分。详情请参阅：www.glonass-iac.ru1.2全球四大GNSS系统发展图1-3GLONASS卫星图1-4

GLONASS卫星星座1.2全球四大GNSS系统发展1.2.3Galileo系统早在20世纪90年代中期开始，为了能摆脱对美国GPS系统的依赖，在卫星导航领域占有一席之地，同时加强欧洲一体化的进程，欧盟逐渐认识到建立拥有自主知识产权的卫星导航系统的重要性和战略意义。在这种背景下，欧盟决定启动伽利略（Galileo）计划，建设一个军民两用、与现有系统相兼容的、高精度、全开放的全球导航卫星系统。伽利略系统分四个阶段：论证阶段(1994-2001年)、系统研制和在轨验证阶段(2001-2005年)、星座布设阶段(2006-2007年)、运营阶段(2008年至今)。1.2全球四大GNSS系统发展Galileo计划由30颗卫星组成，如图1-5所示。分布在3个轨道倾角为56度的圆轨道面上，每个轨道面上有9颗工作卫星和1颗备用卫星。轨道高度为23616km，运行周期为14小时7分钟。截止至2018年7月，Galileo共有26颗卫星在轨工作，如图1-6所示。详情请参阅：https://galileognss.eu/图1-5Galileo卫星图1-6Galileo卫星星座1.2全球四大GNSS系统发展1.2.4BDS系统

发展历史银河号货轮事件；海湾战争；为了摆脱GPS在卫星导航领域的垄断性控制，保护国家利益和领土安全，我国决定开始自主研制北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）。结合国情，科学、合理地提出并制订自主研制实施北斗卫星导航系统建设的“三步走”规划。—第一步是试验阶段（BDS-1），即用少量卫星地球同步静止轨道来完成试验任务，同时为北斗卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，研制一些地面应用基础设施设备等。1994年，北斗一号系统建设启动。在2000-2007年先后发射了4颗北斗一号试验卫星（2颗工作+2颗备用），完成北斗一号系统建设任务。1.2全球四大GNSS系统发展—第二步是建成覆盖亚太区域的北斗二号（BDS-2）。2007年北斗二号系统建设启动，2012年系统顺利建设完成。空间段由5颗地球静止轨道卫星(GEO)、5颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和4颗中圆地球轨道卫星(MEO)，创新性构建了中高轨混合星座架构。在兼容北斗一号技术体制的基础上，增加无源定位体制，为亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信服务。1.2全球四大GNSS系统发展—第二步是建成覆盖亚太区域的北斗二号（BDS-2）。2007年北斗二号系统建设启动，2012年系统顺利建设完成。空间段由5颗地球静止轨道卫星(GEO)、5颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和4颗中圆地球轨道卫星(MEO)，创新性构建了中高轨混合星座架构。在兼容北斗一号技术体制的基础上，增加无源定位体制，为亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信服务。—第三步是建成全球卫星导航系统（BDS-3）。2017年下半年发射全球组网卫星，2020年6月，北斗三号系统建设完成。系统继承有源服务和无源服务两种技术体制，为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边地区用户提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务。

北斗卫星导航系统标志由正圆形、写意的太极阴阳鱼、北斗星、网格化地球和中英文文字等要素组成。圆形构型象征中国传统文化中的“圆满”，深蓝色的太空和浅蓝色的地球代表航天事业。太极阴阳鱼蕴含了中国传统文化。北斗星是自远古时起人们用来辨识方位的依据。司南是中国古代发明的世界上最早的导航装置，两者结合既彰显了中国古代科学技术成就，又象征着卫星导航系统星地一体，为人们提供定位、导航、授时服务的行业特点，同时还寓意着中国自主卫星导航系统的名字—北斗。网格化地球和中英文文字代表了北斗卫星导航系统开放兼容、服务全球。图1-7北斗导航卫星发射现场

2020年7月31日，习近平总书记在人民大会堂庄严宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，北斗系统开始为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。1.2.4BDS系统卫星星座图1-8北斗卫星星座1.2.4BDS系统卫星星座北斗卫星导航系统是由GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星三种轨道卫星组成的（图1-8）。地球静止轨道（GEO）卫星（图1-9），轨道高度35786km，卫星轨道与赤道面重合，运行周期24小时，与地球同步运动；单星覆盖区域较大，3颗卫星可覆盖亚太大部分地区。图1-9北斗GEO卫星倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星（图1-10），数量3颗，24小时地球同步轨道，轨道倾角为55度。高度与GEO相同，卫星星下点24小时轨迹在本服务区内南北来回运动，轨迹为“8”字形。中圆地球轨道（MEO）卫星（图1-11），数量24颗，轨道高度约21528m，轨道倾角为55度，绕地球旋转运行，通过多颗卫星组网可实现全球覆盖回归特性为7天13圈。图1-10北斗IGSO卫星图1-11北斗MEO卫星1.2.4BDS系统

建设原则开放性：北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。自主性：中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。兼容性：在全球卫星导航系统国际委员会(ICG)和国际电联(ITU)框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。渐进性：中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。1.2全球四大GNSS系统发展1.2.4BDS系统

北斗系统服务及特点1.北斗三号系统服务北斗三号系统提供多种服务，具体包括：面向全球范围提供定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和国际搜救（SAR）服务；在中国及周边地区，提供星基增强（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）和区域短报文通信（RSMC）服务。2.北斗导航定位系统特点北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能优势更为明显。1.2全球四大GNSS系统发展北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。北斗系统是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统，这是北斗的后发优势。北斗系统创新融合了导航与通信能力，具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力。星间链路通信。北斗系统只需在中国境内主控、监控和注入，然后高轨卫星就可以与系统内其他卫星进行星间链路链接。系统内部的自我通信也可以使得整体抗干扰能力大大增强。1.2全球四大GNSS系统发展

北斗系统服务性能指标表1-2北斗系统定位、测速和授时精度指标服务项目服务模式精度指标约束条件定位单频、双频全球平均水平方向≤9米截止高度角5度；满足规定使用条件用户，使用健康的空间信号进行解算；任意7d全球所有点定位误差的统计值，不包括传输误差和用户段误差。全球平均垂直方向≤10米单频、双频最差位置水平方向≤15米最差位置垂直方向≤22米测速单频、双频全球平均≤0.2米/秒授时单频、双频全球平均≤2纳秒1.2全球四大GNSS系统发展表1-3北斗系统PDOP和定位可用性指标服务项目服务模式可用性指标约束条件PDOP单频、双频全球平均≥98%截止高度角5度；PDOP≤6；任意7d全球所有点平均值。最差位置≥88%定位服务单频、双频全球平均≥99%截止高度角5度；≥95%置信度，水平定位精度优于15米；≥95%置信度，高程定位精度优于22米；规定用户条件下的定位解算；任意7d全球最差位置统计值。

北斗系统服务性能指标1.2全球四大GNSS系统发展1.2.5其他国家的导航卫星定位系统—广域扩增系统WAAS（WideAreaAugmentationSystem）：目标是扩增GPS在北美洲的能力。WAAS是由美国联邦航空管理局（FAA）经营的一个基于卫星的增强系统，可为飞行器航行的各阶段提供导航。—俄罗斯差分校正和监测系统SDCM（SystemofDifferentialCorrectionandMonitoring）：目的是确定GLONASS、GPS和Galileo的修正信息（完整性数据、广域和局域校正数据）并向民用用户进行实时传输。—欧洲对地静止导航重叠服务EGNOS（EuropeanGeostationaryNavigation