卫星导航技术（一）

卫星导航技术课程内容第一章卫星导航定位系统概论第二章卫星导航定位原理第三章

GPS接收机第四章

GPS误差第五章差分GPS第六章卫星导航民航应用卫星导航技术（YP/CAUC)2第一章卫星导航定位系统概论导航系统概况GPS发展历史及基本组成其他卫星导航系统卫星导航技术（YP/CAUC)31.1

导航及无线电导航导航—实时测定载体位置、速度，引导航行器经济安全到达目的地。无线电导航—ILS、MLS、VOR/DME、Loran

C、TACAN等，信号覆盖范围小，精度低，技术落后等卫星导航—利用卫星进行导航卫星导航技术（YP/CAUC)4卫星导航特点全球、全天候连续导航，能为全球任何地点，在任何时间为用户提供连续的全球导航能力，即具有“3A”特征；精度高，数据内容多；能连续地为各类用户提供高精度的三维位置、三维速度和精确的时间信息。例如：GPS定位精度小于100米，速度精度小于0.1米/秒，时间精度小于10纳秒；多功能，可以用于定位、测速、定时、测时、定方向、测姿态、导航等；多用户，能为海、陆、空、军、民等广泛领域内静态、动态用户提供服务。系统庞杂，主要表现在系统的组成要包括空间、地面等许多部分。卫星导航技术（YP/CAUC)5卫星导航技术发展“ ”1957年，前苏联成功发射了第一颗人造卫星1958年，美国海军武器实验室研发 子午仪卫星导航系统6颗卫星，圆形轨道，不能满足实时定位要求，特别是高动态情况1973年，全球定位系统原理可行性验证阶段系统研制与试验阶段工程发展与完成阶段卫星导航技术（YP/CAUC)6子午卫星系统及其局限性子午卫星系统简介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统由美国研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午卫星星座卫星导航技术（YP/CAUC)7子午卫星系统及其局限性系统组成空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz

30

=149.988MHz；4.9996MHz

80

=

399.968MHz；星历）卫星星座

–

由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接收机卫星导航技术（YP/CAUC)8子午卫星系统及其局限性应用领域海上船舶的定位大地测量精度多普勒单点定位单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h

~

1.6h），精度约为10m联测定位：

各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m卫星导航技术（YP/CAUC)10多普勒联测定位子午卫星系统及其局限性系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨民航卫星导航系统四项技术指标：可用性、精度、完好性、连续性TRANSIT系统卫星：6颗极地轨道轨道高度：1075km信号频率：400MHz、150MHz绝对定位精度：1m相对定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。卫星导航技术（YP/CAUC)101.2

GPSGPS的英文全称：NAVigation

System

TimingAndRangingGlobalPosition

System简称GPS，有时也被称作NAVSTAR

GPS“其意为 导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。卫星导航技术（YP/CAUC)11GPS概述建立国家美国，陆海空三军联合研制的军用卫星导航系统目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1995年卫星导航技术（YP/CAUC)12GPS概述系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理距离交会测距原理被动式电磁波测距特点全球覆盖、全天候、不间断、精度高卫星导航技术（YP/CAUC)13GPS的发展简史——方案论证阶段1973年12月，美国国防部批准研制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。卫星导航技术（YP/CAUC)14GPS的发展简史—全面研制和试验阶段从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。卫星导航技术（YP/CAUC)15GPS的发展简史——实用组网阶段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，今后将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（Full

Operational

Capability）。卫星导航技术（YP/CAUC)16GPS定位系统的组成空间部分24颗卫星，6个轨道，轨道倾角55º，发射频率L1=1575.42MHz, L2=1227.60MHz地面监控部分主控站、监测站、注入站用户设备部分用户接收机：定位、授时卫星导航技术（YP/CAUC)17GPS空间星座卫星导航技术（YP/CAUC)18GPS

空间星座卫星导航技术（YP/CAUC)19GPS卫星地面轨迹卫星导航技术（YP/CAUC)20GPS空间卫星，28颗发射时间：1989~1996用途：正式工作IIA星载导航电文加到180天,卫星可连续工作6个月而不需地面支持。设计寿命7.5年。卫星导航技术（YP/CAUC)21GPS空间卫星--Block

IIR导航，允许卫星利用测量与其视界内其他卫星的距离的方法以维持其数据。卫星导航技术（YP/CAUC)22GPS空间卫星—Block

IIRLL11EEnnhhaanncceemmeenntstsLL22EEnnhhaanncceemmeennttssL1L2••InInccrreeaasseeddPP(Y(Y))ccooddeeppoowweerr••InInccrreeaasseeddCC/A/Accooddeeppoowweerr••InInccrreeaasseeddPP(Y(Y))ccooddeeppoowweerr••NNeewwCC/A/Accooddeewwitithhininccrreeaasseeddppoowweerroverthecurrent

C/A•

New

ME

code

athigherpower

thantheupgraded

P(Y)overthecurrent

C/Acodepower

levels•NewMEcodeathigherpower

thancodepower

levelsNewMEcodeathigherpower

thanNewMEcodeathigherpower

thantheupgraded

P(Y)ccooddeeththeeuuppggrraaddeeddPP(Y(Y))ccooddee-

Two

new

military

signals

(ME

on

L1and

L2-Onenew

civilsignal(C/AcodeonL2)-Increasedpoweronallexistingnavigationsignals(no

changesrequiredtobatteriesorsolar

arrays)卫星导航技术（YP/CAUC)23GPS空间卫星—Block

IIF2004年后发射，设计寿命12年，改进对所有卫星进行指挥链能力，以便更新状态和健康状况。卫星导航技术（YP/CAUC)24GPS空间卫星—Block

IIFLL11EEnnhhaanncceemmeenntstsLL22EEnnhhaanncceemmeenntsts••NNeewwMME

ccooddeeaaddddeeddL2L1

L5••NNeewwMME

ccooddeeaaddddeeddE••CC/A/Accooddeeaaddddeedd••CCoommppleleteteddeefifninitiitoionnooffaallllnneewwccaappaabbiliiltiiteiessppeennddininggddeetatailieleddddeessigignnddeeccisisioionnssE••CCoommppleleteteddeefifninitiitoionnooffaallllnneewwccaappaabbiliiltiiteiessppeennddininggddeetatailieleddddeessigignnddeeccisisioionnssLL55SSigignnaal

l••NNeewwrorobbuussttCCivivililSSigignnaal

l•

Two

new

military

signals

(Mearth)L1

and

L2•Twonewcivilsignals(C/AonL2starting

withBlock

IIR

-

Modified

and

new

civil

code

on

L5)Twonewmilitarysignals(Mearth)L1and

L2Two

new

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signals

(C/A

on

L2

starting

withBlock

IIR

-

Modified

and

new

civil

code

on

L5)••CCoouullddiinnccrreeaasseeppoowweerroonnssoommeeoofftthheesseessigignnaalsls卫星导航技术（YP/CAUC)25GPS地面监控段卫星导航技术（YP/CAUC)26Control

segmentTheGPScontrolsegmentconsistsofaglobalnetwork

ofgroundfacilitiesthat

tracktheGPSsatellites,monitor

theirtransmissions,performanalyses,andsend

commandsanddatatothe

constellation.Thecurrentoperationalcontrolsegment(2013)includes

a

mastercontrolstation,analternatemastercontrol

station,12commandandcontrolantennas,and16

monitoringsites.

Thelocationsofthesefacilitiesare

showninthe

map

above. (From

)GPS地面监控部分—主控站1个（备用1个）集数据， 算编制导航电文监测站所测的伪距、多普勒值、气象参数、卫星时钟、卫星工作状态、各监测站的工作状态给定全球定位系统时间基准以主控站的原子钟为基准负责协调和管理所有地面监测站和注入站系统，保证系统正常工作调整卫星运动状态，启动备用卫星修正偏离预定轨道的卫星，用备用代替失效卫星卫星导航技术（YP/CAUC)28GPS地面监控部分—监测站、注入站监测站装有双频接收机和高精度铯原子钟。16个自动跟踪卫星测量，采集伪距观测量、气象数据和时间标准将数据存储、传送给主控站注入站（指令和控制天线）12个1台计算机、1台C波段发射机将卫星星历、钟差信息、导航电文、控制指令发送给卫星卫星导航技术（YP/CAUC)29GPS的用户部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备卫星导航技术（YP/CAUC)30GPS

的应用GPS可提供七维状态参数和三维姿参数陆地应用海洋应用航空应用航天应用卫星导航技术（YP/CAUC)31GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹配备GPS的士兵美国海军核潜艇卫星导航技术（YP/CAUC)32GPS在交通运输业中的应用航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水车辆导航管理对航空器的定位及导航车辆导航配备

GPS

的巡警卫星导航技术（YP/CAUC)33GPS在测量中的应用建立和维持全球性的参考框架卫星导航技术（YP/CAUC)34GPS在测量中的应用板块运动和监测卫星导航技术（YP/CAUC)35GPS在测量中的应用建立各级国家平面控制网卫星导航技术（YP/CAUC)36GPS在测量中的应用布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量全向天线

定向天线

M

od

em市话网

市话网

基准站

1

基准站

3用户

市话网

FM

电台

基准站

2基准站

4

市话网

用户

市话网

深

圳

市

连

续

运

行

卫

星

定

位

导

航

服

务

系

统

结

构

及

通

信

网

络

示

意

图

市电信局监控分析中心

卫星定位信号发射台

基准站

5进入移动电话系统

卫星导航技术（YP/CAUC)37GPS在测量中的应用在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用卫星导航技术（YP/CAUC)38GPS在其他领域中的应用精细农业遥感卫星定轨资源勘探个人旅游及野外探险电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递….卫星导航技术（YP/CAUC)39美国政府的GPS政策SPS与PPSSPS

–

标准定位服务使用C/A码，民用2DRMS水平=100

m2DRMS垂直=150-170

m2DRMS时间=340

nsPPS

–

精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22

m2DRMS垂直=27.7

m2DRMS时间=200

ns卫星导航技术（YP/CAUC)40美国政府的GPS政策SA技术（1990.3.25~2000.5.1）Selective

Availability

–

选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法:ε技术：降低星历精度（加入随机变化）δ技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）AS技术（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing

–反电子欺骗P码加密，P+W

Y卫星导航技术（YP/CAUC)41卫星导航技术（YP/CAUC)42卫星导航技术（YP/CAUC)43三个民用信号的作用新增设第三个民用信号，依前述方法，第二、三载波(L2、L5)的相位观测值，亦能获得宽巷和窄巷观测方程;随着第三个导航定位信号的增设，以及GPS广播星历的在轨自主更新，对静态用户而言，能够实现伪距和载波相位测量的无电离层效应影响的组合解算，求解出稳定可靠的5.865m宽巷波数．将超长基线向量的解算精度提高到一个新水平;对于动态用户而言，不仅能够稳获厘米级的实时点位精度，而且能将GPS卫星导航取代现行的所有无线电导航，开创卫星导航的新时代;对于GPS增强系统而言，它的作用将随之而淡化，主要服务于GPS卫星导航定位信号的完好性监测，而不是提高实时点位精度。卫星导航技术（YP/CAUC)44%

24

H时间百分比GPS

可用性39.1327.3123.556.77<<0.010.042.800.41<<0.0145678可见卫星数9101112卫星导航技术（YP/CAUC)45EGNOS卫星导航技术（YP/CAUC)46WAAS卫星导航技术（YP/CAUC)47LAAS（GBAS）卫星导航技术（YP/CAUC)481.3

其它卫星导航定位系统——GLONASSGLONASS－

GLobalOrbitingNAvigationSatelliteSystem（全球轨道导航卫星系统）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卫星导航技术（YP/CAUC)49卫星导航技术（YP/CAUC)50其它卫星导航定位系统——GLONASSGLONASS

卫星GLONASS

卫星星座卫星导航技术（YP/CAUC)51NAVSTAR

GPS21＋3655°GLONASS与GPS的比较参

数

GLONASS系统中的卫星数 21＋3轨道平面数 3轨道倾角 64.8

°轨道高度 19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1575MHz1602~1615MHz频道间隔0.5625MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz卫星导航技术（YP/CAUC)52其它卫星导航定位系统——GLONASS卫星运行状况从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。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2006年3月20日为止,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。到2008年，GLONASS系统的工作卫星数量为16颗，2010年，将建成24颗卫星工作星座。卫星导航技术（YP/CAUC)53卫星导航技术（YP/CAUC)54其它卫星导航定位系统—北斗卫星导航系统一我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于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 颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5º的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1。卫星导航技术（YP/CAUC)55其它卫星导航定位系统—北斗卫星导航系统“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。北斗1代卫星导航系统组成图卫星导航技术（YP/CAUC)56其它卫星导航定位系统—北斗卫星导航系统车载型用户机通讯型用户机用户终端分为便携型用户机船载型用户机定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等指挥型用户机卫星导航技术（YP/CAUC)57其它卫星导航定位系统—北斗卫星导航系统与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。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。卫星导航技术（YP/CAUC)58其它卫星导航定位系统—北斗卫星导航系统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。卫星导航技术（YP/CAUC)59BD-2系统组成空间段5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星GEO

卫星星座MEO

卫星卫星导航技术（YP/CAUC)60BD-2系统组成地面段地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。卫星导航技术（YP/CAUC)61BD‐2系统组成用户段用户段由北斗用户终端以及与其他GNSS兼容的终端组成。北斗系统的用户终端卫星导航技术（YP/CAUC)62BD‐2系统组成用户段用户终端研制进展顺利，相关的政策和标准也在研究和制定当中。北斗系统民用信号ICD文件（1.0版本）的技术准备已完成，北斗系统民用信号ICD文件及其更新将逐步在北斗系统政府网站上发布。卫星导航技术（YP/CAUC)63BD‐2信号特征频段B1:

1559.052~1591.788MHzB2:1166.22~1217.37MHzB3:

1250.618~1286.423MHz截至 星座信号（实际发射）2012年主要是北斗系统第二阶段信号5GEO+5IGSO+4MEO（区域服务）2020年5GEO+3IGSO+27MEO（全球服务）主要是北斗系统第三阶段信号卫星导航技术（YP/CAUC)64BD‐2信号特征北斗系统第二阶段信号信号中心频点(MHz)码速率(cps)带宽(MHz)调制方式服务类型B1(I)1561.0982.0464.092QPSK开放B1(Q)2.046授权B2(I)1207.142.04624QPSK开放B2(Q)10.23授权B31268.5210.2324QPSK授权卫星导航技术（YP/CAUC)65北斗系统第三阶段信号信号中心频点(MHz)码速率(cps)数据/符号速率(bps/sps)调制方式服务类型B1-CD1575.421.02350/100MBOC(6,1,1/11)开放B1-CPNoB1-A2.04650/100BOC（14，2）授权NoB2aD1191.79510.2325/50AltBOC(15,10

)开放B2aPNoB2bD50/100B2bPNoB31268.5210.23500bpsQPSK(10)授权B3-AD2.557550/100BOC(15,2.5)授权B3-APNo卫星导航技术（YP/CAUC)66BD‐2时间系统北斗时（BDT）溯源到协调世界时UTC（NTSC），与UTC的时间偏差小于100纳秒。BDT的起算历元时间是2006年1月1日零时零分零秒（UTC）。BDT与GPS时和Galileo时的互操作在北斗设计时间系统时已经考虑，BDT

与GPS时和Galileo时的时差将会被监测和发播。卫星导航技术（YP/CAUC)67BD‐2坐标系统北斗系统采用中国2000大地坐标系统（CGS2000）CGS2000与国际地球参考框架ITRF的一致性约为5个厘米，对于大多数应用来说，可以不考虑CGS2000和ITRF

的坐标转换。卫星导航技术（YP/CAUC)68BD‐2服务和性能两种全球服务开放服务：免费、开放定位精度:

10m授时精度:

20

ns测速精度:

0.2

m/s授权服务:

确保高可靠应用（甚至是在复杂条件下）。卫星导航技术（YP/CAUC)69BD‐2服务和性能两种区域服务广域差分服务定位精度:

1

m短报文通信服务卫星导航技术（YP/CAUC)70BD部署步骤第一步——北斗卫星导航试验系统北斗第一阶段2000年以来，成功发射3颗GEO卫星，建成北斗卫星导航试验系统。系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务。2000年10月31日

140E2000年12月21日

80E2003年5月25日

110.5E卫星导航技术（YP/CAUC)71部署步骤第二步——全球系统作为全球系统，北斗卫星导航系统首先在2012年左右覆盖亚太地区，并将在2020年前覆盖全球。北斗系统第二阶段2012年左右卫星导航技术（YP/CAUC)72北斗系统第三阶段2020年前COMPASS‐M1发射2007年4月，北斗卫星导航系统的首颗MEO（COMPASS-M1）卫星成功发射，确保了ITU频率资料，并完成了大量技术试验。卫星导航技术（YP/CAUC)73COMPASS‐G2发射2009年4月15日，北斗卫星导航系统的首颗GEO卫星（COMPASS-G2

）在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭成功发射，验证了GEO导航卫星相关技术。卫星导航技术（YP/CAUC)74新的GEO卫星发射2010年1月17日，北斗卫星导航系统的第三颗组网卫星在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭成功发射，该卫星也是系统的第二颗GEO卫星。卫星导航技术（YP/CAUC)752010年1月22日，卫星定点于东经160度并开始发射信号；截至2012年底，将由长征系列运载火箭陆续发射10余颗卫星。卫星导航技术（YP/CAUC)762012年12月底北斗区域服务系统建成；服务于中国及周边地区；卫星组网：5颗GEO+5颗IGSO+4颗MEO；定位精度10米(H/V)授时精度50纳秒短报文120字/次卫星导航技术（YP/CAUC)78www.beidou.gov.cn其它卫星导航定位系统——Galileo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23,616km，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。卫星导航技术（YP/CAUC)78卫星导航技术（YP/CAUC)79卫星导航技术（YP/CAUC)80其它卫星导航定位系统——Galileo2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（Galileo

In-OrbitValidation

Elements--GlOVE-A）成功进入高度为2.3万公里的预定轨道。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。卫星导航技术（YP/CAUC)81其它卫星导航定位系统——GalileoGIOVE SatelliteGIOVE

BGIOVE

AGIOVE的主要目标:频率信号测试；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；轨道环境特征测试；并行2或3通道信号传输测试。卫星导航技术（YP/CAUC)82Galileo时钟时钟误差每天为10-7秒

/天

，每颗卫星2个原子钟铷原子钟短期稳定性质量体积功率5.10-13over

100s1.4Kg1.3

liters20W氢原子钟

(PHM)长期稳定性质量体积功率1.10-14over

10000s15

Kg25

liters60W卫星导航技术（YP/CAUC)83Galileo

时间基准UTCGPSTAITT(TDT)32leap

seconds32.184s

fixed13s 19s

fixedUTC-UniversalTime

CoordinatedTAI-TimeAtomic

InternationalTT-Terrestrial

timeGST-

GalileoSystem

Time–通过欧洲实验室与

TAI/UTC同步

，

95%的时间下，与TAI和GST

的偏差小于50

ns

。卫星导航技术（YP/CAUC)84Galileo

应用航海公路民航铁路非交通方面的应用精细农业与渔业搜救与救援卫星导航技术（YP/CAUC)85Galileo

服务公开服务Open

Service(OS):-

基本服务，免费商业服务Commercial

Service

(CS)

:-

商业或专业应用政府服务Public

Service:生命安全服务

(SOL)搜救救援

(SAR)公共事物

(PRS)卫星导航技术（YP/CAUC)86公开服务个人路程导航休闲航海免费但无保证低成本接收机精度

99%的时间范围内在

6

m卫星导航技术（YP/CAUC)87商业服务用户为需要高性能的商业用户受限使用收费服务有保证保护商业机密卫星导航技术（YP/CAUC)88公共服务安全服务:信号质量保证

(不正常6秒内给出报警)服务

99.9%

时间内有效受限服务搜索及搜救工作:实时发送救助信息精度为几米公共事物服务:

警察、救火、急救-有保证的认证控制服务卫星导航技术（YP/CAUC)89Galileo

搜索及搜救服务Galileo

空间部分救助中心406MHzlegacy

&new

beaconsGalileo

地面部分求救用户SAR/Galileo&COSPAS-SARSAT地面操作中心卫星导航技术（YP/CAUC)90Galileo信号被动式导航定位；扩频技术发送导航信号四种服务的种类与信号载波频率服务名称E5aE5bE6E2-L1-E1公开服务安全服务商业服务政府服务没有加密的伪噪声码；没有加密的导航电文；已加密的伪噪声码；已加密的导航电文卫星导航技术（YP/CAUC)91Galileo

信号和频率公开服务

(OS):

E5a

、E5b

、E2-L1-E1安全服务

(SAR):、

E2-L1-E5、E5a/b商业服务

(CS):、

E5b

、

E6政府服务

(PRS):

E1-L1-E2、

E6E5aE5b20-30MHz1186

-1192E620MHz1279E2 L1 E128MHz1575卫星导航技术（YP/CAUC)92Galileo优点27

颗工作卫星，3

颗备用卫星覆盖北欧区域:

GPS未覆盖到精度高:4

meters完好性：具有比GPS高的完好性与

GPS、GLONASS配合工作卫星导航技术（YP/CAUC)93Galileo

结构空中卫星SIS用户部分GNCCULS卫星导航技术（YP/CAUC)94Galileo

地面部分空间控制中心（SpaceControlCenterSCC):1

位于欧洲上传站（Up-Link

Stations

ULS):

全球8个全球导航控制中心（GlobalNavigationcontrolCenter

-GNCC):

全球3个全球监控中心（GlobalMonitoringStations

GMS):全球大约30

个系统监控中心（SystemmonitoringcontrolCenter

---SMCC):1

个GMS卫星导航技术（YP/CAUC)95Galileo

卫星中等大小重量650kg功率1500

wattsARIANE

5

发送

10颗

MEO卫星PROTON

发送

6MEO卫星Russian

Soyuz

发送1颗卫星卫星导航技术（YP/CAUC)96信号载频的兼容性与独立性卫星导航技术（YP/CAUC)97第二章卫星导航定位原理GPS定位原理和坐标系GPS

卫星轨道导航电文导航卫星播发信号测距原理及测距精度卫星导航技术（YP/CAUC)982.1.1

GPS定位原理卫星导航技术（YP/CAUC)992.1.1

GPS定位原理卫星导航技术（YP/CAUC)1002.1.1

GPS定位原理卫星导航技术（YP/CAUC)1012.1.1

GPS定位原理卫星导航技术（YP/CAUC)1022.1.1

GPS定位原理理论上，空间3颗卫星可以确定用户3维位置:2

2

221s

2s

2s

2s1s1s1

2

z

z

2

y

yr

x

x

r

x

x

y

y

2

z

z

23s3s3s3

2

z

z

2

y

yr

x

x卫星导航技术（YP/CAUC)103卫星导航技术（YP/CAUC)1042.1.1

GPS定位原理卫星时钟和用户接收机时钟钟差的存在，以及其他误差的出现，如信号在大气层中的传播误差，导致需要同时观测4颗卫星才可以获取三维位置：

2

2

2

2zs

2ys

2xs

2zs

1ys

1xs

1

z

z

y

y

2

2

2

2

2

2

2

2zs

3ys

3xs

3

z

z

y

y

zs

4x

s

4 ys

4r1

c

tu

x

r2

c

tu

x

r3

c

tu

x

r4

c

tu

x

其中：r,xs,ys,zs为已知量，x,y,z,t为未知量。卫星导航技术（YP/CAUC)1052.1.1

GPS定位原理把用户时钟误差作为未知数，可以使大多数接收机采用便宜的石英钟，而不是昂贵的精密钟或原子钟。四星定位：至少需要4颗卫星给用户提供三维位置；需解决的两个关键问题：①

如何确定卫星的位置②

如何测量出站星距离卫星导航技术（YP/CAUC)1062.1.2

GPS坐标系GPS系统基本参考基准坐标系、时基天球坐标系：与地球自转无关地球坐标系：与地球固联、随地球自转变化卫星导航技术（YP/CAUC)107天球及天球坐标系PnΠnM

天球黄道春分点天球赤道–天球：以地球质心为球心，半径为无穷大，，赤道面与地球赤道重合。–黄道平面：地球绕太阳公转平面–春分点、秋分点：天球赤道与天球黄道相交PsΠs–黄道平面与赤道平面交角为黄赤交角23.44

卫星导航技术（YP/CAUC)108天球空间直角坐标系、球面坐标系ZrSMαδ春分点天球赤道Y天球直角坐标系：地球质心为原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点（春分点与地心连线），Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。天球球面坐标系：地球质心为原点，春分点轴与天轴与所在的平面为基准子午面，

为赤经，

为赤纬，M点到物体的径向长度r为距离。(

,

,r）X卫星导航技术（YP/CAUC)109地球坐标系ZPhO

地球直角坐标系：原点与地球质心重合，z轴指向地球北极，x轴指向地球赤道面与格林威治子午圈的交点E，y轴在赤道平面里与xoz构成右手系统坐标系。E赤道YX卫星导航技术（YP/CAUC)110地球坐标系及其转换大地坐标系与地球直角坐标系转换：x

n

h

cos

cos

y

n

h

cos sinz

n

1

e2

h

sin

aaa

2b

2e

1

e2sin

2

n

地球大地坐标系：地球椭球中心与地球质心重合，P点的大地纬度为该点的椭球法线与椭球赤道面的夹角

，经度为该点所在的椭球子午面与格林威治子午面之间的夹角

，P点高度h为沿椭球法线至椭球面的距离。卫星导航技术（YP/CAUC)111WGS-84协议地球坐标系：以国际协议原点为协议地球坐标系，利用国际时间局给出的协议地极原点作为理论的工程逼近。世界大地测量系统-1984，即WGS-84，是于1984年美国军用制图署对地球进行测量和定义而推出的全球大地系统，被GPS采用后成为GPS定位测量的基础。WGS-84坐标系是一种以地球质心为原点与地球固连的地心地固坐标系。WGS-84的3个坐标轴与国际时间局1984年定义的地球参考系完全一致，只是原点略有偏移。卫星导航技术（YP/CAUC)112地心地固坐标系(ECEF)卫星导航技术（YP/CAUC)113GPS时间参考系统时间测量基准:时间原点和时间单位时间参考系统的物理实现必须具有可观测的周期运动,该周期运动应具备连续性、稳定性和复现性以地球周期性自转为基础恒星时：恒星时的原点为春分点通过本地子午圈的瞬时，恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。春分点连续经过本地子午圈的时间间隔为一个恒星日，含24恒星时，恒星时具有地方值的特点，也称地方恒星时。对应真春分点和平春分点有真恒星时和平恒星时。卫星导航技术（YP/CAUC)114恒星时赤道LAST-真春分点地方时角GAST-真春分点格林威治时角LMST-平春分点地方时角GMST-平春分点格林威治时角LAST-LMST=

GAST-GMST=

Δψcosε真春分点地方子午线PnGMST-LMST=GAST-LAST=λ平春分点零子午线GASTLASTGMSTLMST卫星导航技术（YP/CAUC)1152.2

卫星轨道正常轨道：二体问题中的卫星运行轨道摄动轨道：受其它天体扰动和大气物理现象影响的正常轨道摄动：正常轨道与摄动轨道的差异摄动力：导致摄动的作用力受摄运动：由于摄动力产生的轨道运动卫星导航技术（YP/CAUC)116开普勒定律与参数Joannes

KeplerKeplerian

参数定义星体运动定律轨道形状轨道大小轨道平面位置轨道在平面中的位置卫星在轨位置Kepler

第一定律Kepler第二定律Kepler第三定律偏心率

–

‘e’长半轴

-

’a’轨道倾角-’i’,

RAAN-’Ω’近地点角距-’w’•Trueanomaly-’v’,Argumentof

latitude-’u’卫星导航技术（YP/CAUC)117开普勒与椭圆轨道轨道定义:

the

traversedfrom

thespacecraft

(planet)

way

（trajectory）轨道为椭圆轨道椭圆参数xdfxMajor

AxisMinor

AxisfocusCartesian

equation:x2/a2+y2/b2=

1Ellipse

equation:d+f=

constant卫星导航技术（YP/CAUC)118Kepler第一定律人造地球卫星的运行轨道是一个椭圆,地球位于该椭圆的一个焦点上。TheorbitsoftheplanetsaroundtheSunareellipses,withtheSunatone

focusTheorbitsofasatellitearoundtheEarthisanellipse,withtheEarthatone

focusSunat

onefocusEarthat

onefocus卫星导航技术（YP/CAUC)119轨道参数轨道形状及大小利用下列参数定义:

‘a’ ‘b’‘a’:semi-major

axis‘b’semi-minor

axis‘e’:

eccentricity01< ‘e’ <卫星导航技术（YP/CAUC)120轨道参数Distances:PerigeeApogee2aa.erarprp

a

(1

e) ; ra

a

(1

e)卫星导航技术（YP/CAUC)121Kepler第二定律地球与卫星间的径向线单位时间内扫过的面积相等。因此，卫星近地时速度快Earthat

onefocusEqualareas

inEqual

times卫星导航技术（YP/CAUC)122Kepler第三定律卫星环绕地球运行的周期的平方正比于椭圆轨道长半轴的立方thesquaredorbitalperiods,areproportionaltothecubedorbitalsemi-major

axes.(Period

1)2

=(Period

2)2(semi-majoraxis

1)3(semi-majoraxis

2)3哥白尼

had

noted

that

it

takes

the

outsideplanetslongertogoaroundthe

sun.卫星导航技术（YP/CAUC)123三种近点角卫星在轨位置:f(‘trueanomaly’)orE(‘eccentricanomaly’)orM(‘mean

anomaly’)(真近点角） （偏近点角） （平近点角）rcosf

acosE

aea

1

e2

r

r

a

1

e

cos

E

SatelliteE f1

ecosfcos

f

cosE

eANPerigee

Apogee Earth ae1

e

cos

E1

e2sin

Esinf

1

e

cos

E1

e2 1

cos

f

2tan

f

sin

f

1

e

tan

EpE

e

sin

E

n

t

t

M

E

e

sin

E卫星导航技术（YP/CAUC)124GPS卫星的无摄运动卫星受力:地球质心引力摄动力,非中心力；地球非球形对称的作用力、日月引力、光压力、潮汐力仅考虑地球质心引力作用的卫星运动为无摄运动；同时考虑各种摄动力作用下的卫星运动为受摄运动。卫星导航技术（YP/CAUC)125GPS卫星无摄运动轨道描述卫星轨道参数(轨道根数)升交点赤经

(

)轨道面倾角

(i)卫星轨道长半轴

(a)卫星轨道离心率

(e)近地点角距

(

)真近点角

(f)卫星导航技术（YP/CAUC)126卫星轨道参数轨道平面位置

:i :

与赤道平面之间的夹角

:

升交点与地心的连线和春分点与地心连线在赤道平面的夹角zDNNode

lineyiAN:Ascending

NodeDN:Descending

NodeAN

Ωequator卫星导航技术（YP/CAUC)128x轨道参数Perigee轨道在轨道平面上的位置:zW 近地点角距DNyiwANΩequator卫星导航技术（YP/CAUC)129Apogeex轨道参数卫星在轨道上的位置:Perigeez真近点角

vDNvuyiwΩANApogeex卫星导航技术（YP/CAUC)13032521.1013计算真近点角Positionofsatelliteonthe

orbit:angleinrelationtothe

perigee:f(‘trueanomaly’)orE(‘eccentricanomaly’)orM(‘meananomaly’)(真近点角） （偏近点角） （平近点角）rcosf

acosE

aer

a

1

e

cos

E

Satellitersinf

bsinE

a 1

e2sin

EANPerigee

ApogeeE fEarthae1

e

cos

Ecos

f

cosE

e1

e2sin

Esinf

1

e

cos

Esin

f1

etan

E

tanf

2卫星导航技术（YP/CAUC)1301

e2 1

cosf计算平近点角设轨道直角坐标系坐标原点在地心，X轴指向近地点，Y轴为椭圆短轴方向，Z为椭圆法向。则h

h

r

r&

xy&

x&y

e由于

a

1

e2

ph2

a

1

e

2

h

xy&

x&y

又由于dE&x&

asinE

dt因此dty

a 1

e2cosE

dEx

rcosf

acosE

ae;y

rsinf

a 1

e

2sinE;

3

1

e

cos

E

dE

a2dt

ndt

ttEp01

e

cos

E

dE

ndtp卫星导航技术（YP/CAUC)131E

e

sin

E

n

t

t

平近点角与偏近点角关系平近点角：若以tp（卫星过近地点的时刻）为起算时刻，于观测时刻t，卫星以平均角速度n绕地心在轨道平面中转过的角度M。M

E

esin

EM

n

t

t

pE

esinE

n

t

t

pE

M

e

sinE卫星导航技术（YP/CAUC)132计算偏近点角利用叠代法，设初值进而判据为：E0

M

E

E

E

n

1

n为进一步加快收敛速度，用微分叠代法E1

M

esin

E0E2

M

esin

E1

En

M

esin

E

n

1

M

E

e

sin

E

M

1

e

cos

E

E

M

E

1 e

cos

EM1

E0

esin

E011

e

cos

E

M

M1

M

M1

E1

由初值E0=M，有若M1

M，则进而重复进行，直至满足要求0E1

E0

E1 M

2

E1

e

sin

E1卫星导航技术（YP/CAUC)133GPS卫星的瞬时位置和速度利用上述6参数可确定任意观测历元的卫星位置及其运动速度：任意观测历元t，卫星平均运行速度

n M E f轨道直角坐标系（S）下卫星的位置：

cosf

ys

rsin

f

xs

02121

e

sin

E

cosE

e

y

a

x

s

s

实际应用中，取直角坐标系（O）OX0Y0Z0，OX0指向升交点N，

OY0轴在轨道平面内，

OZ0为轨道平面法向构成右手系统，此坐标系下，

zs

0

zs

任意历元t，升交点角距：卫星的瞬时位置t

f t

cos

x0

cos

x0

0

0

z0

y

r

sin

0

0

z0

y

a

1

e

cos

E

sin

卫星导航技术（YP/CAUC)134天球坐标系下卫星的位置轨道直角坐标系与天球坐标系的关系：轨道直角坐标系绕OZS轴转过（-

），到达直角坐标系（O），绕X0轴转过（-i），绕Z0转过（-

）30

R

sin

1

cos

sin

0

cos

0 1

00

2121

e

sin

Ea

cos

E

e

C a

X

Is

cos

R1

i

0

0

0

Y

Z

I3

00

0cos

i

sin

i

sin

i cosi

sin

0

cos

0 1

R

sin

3卫星导航技术（YP/CAUC)1351

R

i

R

C

R

Is 3地球坐标系下的卫星位置瞬时地球直角坐标系与天球坐标系的关系：

其中：

x

X

cos

GAST

Z

Iy

R

GAST

Y

z

t3

1

00

3sin

GAST

0

cos

GAST

0R

GAST

sin

GAST

因此：

0212a

1

e

sin

EacosE

eGAST

C

z

y

R3

x

Is

t考虑极移的情况，将瞬时地球坐标系转换到协议地球系中：

x

x

z

t

R

x

R

y

y

y

z

CTSp 1 p卫星导航技术（YP/CAUC)136GPS卫星运行速度对卫星轨道中与时间有关的参数求导

M

n

r

t

a

n

t

E

n

t 1

e

cos

E

t

r

t

r

t

h

r

t

n 1

e

a

222

a

1

e2

2ar

t

E

f

t

f

1

e2ie

GAST

r

a

2

tr

t

ne

sin

E

t

t卫星导航技术（YP/CAUC)137轨道直角坐标系中卫星运行速度由于

sin

E

tsinE

E

x&

考虑

s

00212212

1

e

cos

E

t

r

t

E

na2

1

e

cosEs

z&s

y&

a

1

00

3

cos

sin

0

cos

0R

sin

第二种轨道直角坐标系下（与第一种相差一个

角）

30s

z&s

y&

z&0

y&

R

x&0

x&s

0

2121

e

cos

Esin

E

sin

r

t

sin

cos

0

cos

na2

139

卫星导

航技术（YP/CAUC)0 1

0

0轨道极坐标系下、天球坐标系下的卫星运动速度轨道极坐标系下：

r

t

ne

sin

E

a2

t

r

0

0

2

12

1

e

na

2

t

r

t

f

t

r

n

r

天球坐标系下：

212

1

e

cos

Esin

Ena

2Y

CIs

&

X&

0r

t

Z&

卫星导航技术（YP/CAUC)139地球坐标系下卫星运动速度（1）

X

R

GAST

&

X&

y&

地球坐标系下：

x&

3GAST

Y

Z

I

t

Z&

I

z&

tY

R3

由于

0

00

3

t0

GAST

cos

GAST

cos

GAST

sin

GAST

0

sin

GA