卫星导航与定位-概述(第五版)课件

卫星导航原理与应用

H0104630卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明课程名称：卫星导航原理与应用课程编号：H0104630学时与学分：48学时，学分：3课程性质：专业选修课课程主要参考书（教材）《GPS软件接收机基础(第2版)》(美)IAMESBAO-YENTSUI著，陈军等译，电子工业出版社，2008年7月卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明课程主要参考资料：1）《GPS原理与应用（第2版）》，(美)ElliottD.Kaplan著，译者寇艳红，电子工业出版社，2007年07月；2）《全球定位系统--信号、测量与性能(第2版)》，(美)PratapMisra，PerEnge著，电子工业出版社，2008年4月；3）《GPS基本原理及其MATLAB仿真》，杨俊等著，西安电子科技大学出版社，2006年8月。4）《卫星导航原理与应用》，袁建平等编著，中国宇航出版社出版，2004年9月；卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明主要的学生阅读资料：1）ICD-GPS-200C2）ICD-GPS-705__02_Dec__Rev_23）GNSS—GalileoOpenServiceSignalInSpaceInterfaceControlDocument(OSSISICD)Draft04）GNSS—GLONASSINTERFACECONTROLDOCUMENTNavigationalradiosignalInbandsL1,L2卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明基本要求上课时间：参见课表

注意时间——不要迟到尽管大家业务繁忙，课内不准使用手机注意课堂纪律，绝不可影响他人。卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明课程教学纲要：课程教学培养目标：利用卫星导航定位系统提供的导航卫星的位置、速度、时间等信息，来完成对地球各种目标（也简称用户）的定位、授时、导航、监测和管理。课程教学培养能力：卫星导航算法设计能力、编程能力、误差分析能力，以及GPS软件接收机设计能力。卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明课程教学主要知识点：第一讲GPS卫星导航技术概述：定位与授时的基本概念；主要介绍GPS卫星导航系统、发展史以及在各个领域中的应用。第二讲GPS定位的坐标系统与时间系统第三讲GPS卫星星座中卫星的运动知识重点介绍卫星轨道知识；卫星位置速度计算。卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明课程主要内容：第四讲GPS导航信号与导航电文GPS卫星导航系统组成导航信号组成导航电文第五讲GPS卫星导航定位技术无线电定位技术；包括卫星导航定位的基本方程；定位解算基本方法、速度计算方法。卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明课程主要内容：第六讲GPS定位误差分析，包括卫星与用户时钟误差、相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等。第七讲卫星导航信号的捕获，包括捕获原理，多普勒频率补偿等。第八讲卫星导航信号的跟踪，包括跟踪原理，以及码跟踪环、载波跟踪环的具体实现。第九讲GPS卫星导航接收机硬件结构与实现，以及相关软件处理。卫星导航与定位-概述(第五版)课程说明让我们开始吧。。。。卫星导航与定位-概述(第五版)第一讲：卫星导航与定位概述

—基本概念第一章：卫星导航技术概述§1.1定位与授时的基本概念§1.2GPS的诞生与发展§1.3GPS在各个领域中的应用§1.4美国政府的GPS政策§1.5其它卫星导航定位系统卫星导航与定位-概述(第五版)1、定位与授时的基本概念1）定位技术是国民经济发展的重要技术地理测绘：包括地图、地质监测、环境监测、桥梁监测、喜马拉雅山高测试；机械加工：元器件加工到大型建筑施工定位；智能交通：交通工具的定位；航海、航空、航天中飞行器定位；移动通信的LBS服务：基于用户定位的信息服务，比如旅游、电子栅栏、。。。卫星导航与定位-概述(第五版)传统的基于地基的定位方法可分为机械式、磁力和无线电等多种方式采用的仪器设备尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪观测值角度或方向观测距离观测天文观测方法卫星导航与定位-概述(第五版)基于地基定位方法的局限性需要事先布设大量的地面控制点/地面站无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视需要修建觇标/架设高大天线边长受到限制观测难度大效率低：无用的中间过渡点受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标卫星导航与定位-概述(第五版)2）同样授时技术是国民经济发展的重要技术军事用途，小到武器控制、大到指挥系统现代金融行业，无论银行或证券交易所，其业务操作都涉及严格的时间同步和频率同步电力系统的电压、电流、相角、功角变化，都是时间的函数。电网安全稳定运行离不开严格的时间同步移动通信需要严格的时间同步，一方面是计费需要；另一方面是基站时间频率同步有严格要求，以防止不同步引起的频差滑码、软切换指令不匹配、通话连接不能建立等问题卫星导航与定位-概述(第五版)传统授时技术长安八景之一—晨钟暮鼓；

（就像下课铃声那么重要）航海的重要标记—落球报时；（就像灯塔一样重要）无线电授时——短波授时台（BPM）长波授时台（BPL）网络授时；卫星导航与定位-概述(第五版)定位与授时技术的发展随着技术发展，人们对定位精度和授时精度要求越来越高；同时，导航范围从地球局部扩展到整个地球、甚至宇宙；对导航、定位与授时的要求地基向天基的转换基于原子钟的世界协调时为基准全覆盖性和巨量目标物联网的发展要求对每个物体进行定位，以便进行通信、组网、导航、控制和信息交互。卫星导航与定位-概述(第五版)2、GPS的诞生与发展GPS的英文全称是

NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem

简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。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。卫星导航与定位-概述(第五版)1）GPS系统的诞生GPS系统的前身是美国海军导航卫星系统（NNSS：NavyNavigationSatelliteSystem），该系统有称为子午卫星系统（Transit）。美国海军导航卫星系统NNSS又起源美国霍普金斯大学应用物理实验室，对1957年前苏联发射的第一颗人造卫星的多普勒频率研究结果。——提出了多普勒卫星设想卫星导航与定位-概述(第五版)GPS系统的诞生子午卫星导航系统于1964年1月正式建成并投入军方使用。美国海军寻求一种可以对在北极潜艇的惯性导航系统进行间断精确修正方法，提出了NNSS验证计划，由霍普金斯大学牵头实施：研制卫星；建立地球重力场模型以便卫星的精确定轨和准确预报卫星的空间位置；研制多普勒接收机。子午卫星子午卫星星座卫星导航与定位-概述(第五版)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大地测量多普勒接收机-1（MX1502）大地测量多普勒接收机-2（CMA751）卫星导航与定位-概述(第五版)子午卫星系统及其局限性TRANSIT系统卫星：6颗极地轨道轨道高度：1075km绝对定位精度：1m（长时间计算）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。卫星导航与定位-概述(第五版)2）GPS的发展

基于NNSS的技术成功，美国着手新的卫星导航系统研制——NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem，简称GPS系统。开发的目的：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工作原理：基于CDMA编码的被动式无线

测距，然后通过多个卫星测距

的距离交汇确定位置。卫星导航与定位-概述(第五版)GPS的发展—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。卫星导航与定位-概述(第五版)GPS的发展—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。卫星导航与定位-概述(第五版)GPS的发展—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（FullOperationalCapability）。卫星导航与定位-概述(第五版)3、GPS在各个领域中的应用1）GPS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

卫星导航与定位-概述(第五版)GPS在军事中的应用美军导弹打击后的伊拉克坎大哈机场精确打击12枚卫星导航与定位-概述(第五版)2）GPS在交通运输业中的应用陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水卫星导航与定位-概述(第五版)GPS在交通运输业中的应用航空机构推动GNSS以及增强系统的使用，来提供从航路到精密接近飞行阶段的导航。飞行的五个阶段：

i)越洋飞行；

ii)内陆航路飞行；

iii)终端区飞行；

iv)I/II/III类进近；

v)地面滑行全球设置广域增强基站，各机场建立局域增强基站。(北美、欧洲、日本、澳大利亚)卫星导航与定位-概述(第五版)GPS在交通运输业中的应用卫星导航与定位-概述(第五版)3）GPS在测量中的应用建立和维持全球性的参考框架（国际地球参考框架ITRS）卫星导航与定位-概述(第五版)GPS在测量中的应用布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量和地震灾害检测。卫星导航与定位-概述(第五版)4）GPS在国民经济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….卫星导航与定位-概述(第五版)5）GPS在国际空间站应用其他应用：不怕做不到！就怕想不到！卫星导航与定位-概述(第五版)4、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=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS时间=340nsPPS–精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS时间=200ns卫星导航与定位-概述(第五版)1）美国政府的GPS政策SA技术（1990.3.25~2000.5.1）SelectiveAvailability–选择可用性人为降低普通用户的测量精度: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卫星导航与定位-概述(第五版)2）GPS现代化1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。卫星导航与定位-概述(第五版)GPS现代化GPS现代化的内涵：保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。卫星导航与定位-概述(第五版)GPS现代化内容—更新卫星GPS现代化第一阶段发射12颗改进型的BLOCKⅡR型卫星。

GPS现代化第二阶段发射6颗GPSBLOCKⅡF（“ⅡFLite”）。GPS现代化计划的第三阶段发射GPSBLOCKⅢ型卫星，在2003年前完成代号为GPSⅢ的GPS完全现代化计划设计工作。卫星导航与定位-概述(第五版)GPS现代化—更新导航信号改进计划项目时间取消SA2000年5月GPSIIR增强--L2上加C/A码--L1及L2上加M码2003-2006GPSIIF增强--L2上加C/A码--L1及L2上加M码--L52005-2010GPSIII增强--L2上加C/A码--L1及L2上加M码，增大信号能量--L5--其他未来能力2010-OCS增强OCS:OperationalControlSegment2000-2008卫星导航与定位-概述(第五版)1）其它卫星导航定位系统—GLONASSGLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）开发者—俄罗斯（前苏联）5、其它卫星导航定位系统卫星导航与定位-概述(第五版)GLONASS与GPS的比较参数GLONASSNAVSTARGPS系统中的卫星数21＋321＋3轨道平面数36轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz其它卫星导航定位系统—GLONASS卫星导航与定位-概述(第五版)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，没有及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。进入2000年后，俄罗斯开始重构GLONASS系统，到2012年10月10日，GLONASS系统共有24颗卫星在轨，3颗维修中，3颗备用，1颗测试中，开始发挥导航定位功能。随着地面设施的发展，GLONASS系统预计在2015年完全建成。其定位误差为1米左右。卫星导航与定位-概述(第五版)2）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23616km，轨道倾角为56°。“如今的GPS只能找到街道，而Galileo系统则能找到车库门”——Galileo系统的目标。卫星导航与定位-概述(第五版)其它卫星导航定位系统—Galileo2005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34亿欧元的计划已进入实施阶段。2013年Galileo项目管理人员宣布2013年进行两次一箭双星发射，2014年实现14-18颗FOC卫星在轨运行，并将开始提供民用信号的“早期服务”。P28卫星导航与定位-概述(第五版)3）其它卫星导航定位系统—北斗一代BD1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，，标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1。卫星导航与定位-概述(第五版)其它卫星导航定位系统—北斗一代BD1与GPS等卫星导航系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。用户终端分为定位通信终端、集团用户管理站终端、校时终端等。BD–1卫星导航系统的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。BD–1卫星导航系统的缺点和不足距。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。卫星导航与定位-概述(第五版)4）其它卫星导航定位系统BD2—北斗二代系统COMPASS为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，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。北斗II，简称COMPASS系统，其卫星导航系统星座由30多颗GSO和MEO卫星构成。采用CDMA方式，工作原理同GPS。P33卫星导航与定位-概述(第五版)北斗二代系统COMPASSP33第一步：北斗卫星导航试验系统（2003年）有源服务能力（2015年左右）区域无源服务能力（2020年左右）全球服务能力第二步：北斗卫星导航系统卫星导航与定位-概述(第五版)日本的GNSS区域系统—QZSSP33日本2006年起，日本政府和企业联合开始研发准天顶卫星导航系统（QZSS：Quasi-ZenithSatelliteSystem）。QZSS空间星座由位于3个高椭圆轨道上的3颗IGSO卫星组成。IGSO空间星座的设计，确保在仰角60度以上的空间，至少可以看到1颗IGSO卫星，这也是QZSS之所以称为“准天顶”卫星导航系统的原因。卫星导航与定位-概述(第五版)印度的GNSS的区域系统—IRNSSP33印度空间局ISRO主持了印度独立自主的区域卫星导航系统－IRNSS的研制。IRNSS空间星座有分别位于东经34度，83度和132度的3颗GEO卫星，以及东经55度和111度的4颗倾角为29度的IGSO卫星组成，设计星座覆盖范围为东经40度～140度和纬度±40度之间，可以为用户发播单频和双频信号，标准服务定位精度优于20m。卫星导航与定位-概述(第五版)思考题1.什么是定位?什么是授时？为什么说定位和授时是国民经济发展的重要支撑？5.谈谈GPS的应用前景?3.简述GPS的发展概况?4.简述GLONASS、Galileo（欧）和北斗导航系统的特点?2.什么是GPS?该系统的特点有哪些？卫星导航与定位-概述(第五版)电子科技大学欢迎您！感谢武汉大学李征航老师及精品课程网站资料。卫星导航与定位-概述(第五版)附件：GPS卫星导航系统术语GPS空间段/地面控制段/用户段：GPSspacesegment/GPSgroundcontrolsegment/GPSusersegment；BlockⅠ/Ⅱ/Ⅱa/ⅡR/ⅡR-M/ⅡF/Ⅲ卫星：BlockⅠ是原型卫星；BlockⅡ和ⅡA是目前的基本工作卫星；BlockⅡR和ⅡR-M是正在发射的替补卫星；BlockⅡF是后继卫星，BlockⅢ是在规划中的2010年以后发射的卫星；伪卫星：pseudolite设立在地面上的GPS信号发射站，它发播与真实的GPS卫星相似的信号，可在近距离内起到和GPS卫星类同的作用；星历：ephemeris描述天体的空间位置的轨道参数精密星历：preciseephemeris由若干个不属于GPS系统的卫星跟踪站获得的测量值，经事后处理计算出的卫星轨道参数，供事后精密定位使用。卫星导航与定位-概述(第五版)附件：GPS卫星导航系统术语历书：almanac，GPS卫星电文中包含的所有在轨卫星的粗略轨道参数。历元：epoch指一个时期和一个事件的起始时刻或者表示某个测量系统的参考日期。伪随机噪声码：pseudorandomnoise（PRN）code一种具有与白噪声类似的自相关特性确定的码序列。GPS信号中采用了伪随机噪声编码技术，以产生码分多址CDMA，直接序列扩频和伪距测量功能。粗/捕获码coarse/acquisitioncode；精码precisecode；C/A码：用于调制GPS卫星L1载频信号的民用伪随机码。P码：曾经用于调制GPS卫星L1和L2载频信号的伪随机码。卫星导航与定位-概述(第五版)附件：GPS卫星导航系统术语Y码：GPS卫星用于调制L1和L2载频信号的军用伪随机码，由P码与加密码W模2相加而成。由于Y码仍然保持着P码的码速率，因此也称作P（Y）码。伪距pseudo-range：由GPS接收机测出的卫星信号传播时间而计算出的卫星与接收天线相位中心间的距离。反欺骗ASanti-spoofing：GPS卫星信号中用加密码W与P码相叠加，使之变为Y码的措施，用于精密定位服务PPS。只有具有解密能力的接收机才能利用精密定位服务。GPS天线相位中心：GPSantennaphasecenter指GPS天线的电气中心。其理论设计应与天线的几何中心一致。均方根误差RMS：rootmeansquare表明GPS观测值数据质量的参数，其值越小，数据质量越好。卫星导航与定位-概述(第五版)附件：GPS卫星导航系统术语用户距离误差URE：userrangeerror用户测量所得的伪距与至卫星真实距离的误差，用均方根值来规定。GPS导航电文：GPSnavigationmessage是由GPS卫星播发给用户的描述卫星运行状态与参数的电文，包括卫星健康状况、星历、历书，卫星时钟的修正值、电离层时延模型参数等内容，以50bps速率播发。转换字HOW-handoverword：GPS导航电文中的转换字载有时间信息，用于在P(Y)码接收机中辅助从C/A码跟踪状态转换到P(Y)码跟踪状态。Z-计数：Z-countGPS卫星时钟时间，在GPS导航电文中位于每个子帧的第二个转换字（HOW）之前，用29位二进制数表示，单位为1.5s，一个Z-计数为6s。卫星导航与定位-概述(第五版)附件：GPS卫星导航系统术语协调世界时UTC：以世界时作为时间初始基准，以原子时作为时间单元秒基础的标准时间。GPS时间：根据地面监控站和卫星上的原子钟的时间加权而得到的，作为GPS信号的时间基准。GPS周数：GPSweeknumber是从1980年1月6日开始累计的星期数。可用性指示AI：AvailabilityIndicator；数据偏移龄期AODO：AgeofDataOffset；自主导航Autonav：AutonomousNavigation；二进制相移键控BPSK：Bi-PhaseShiftKey；每秒周数CPS：CyclesPerSecond；循环冗余校验CRC：CyclicRedundancyCheck；卫星导航与定位-概述(第五版)附件：GPS卫星导航系统术语电可擦写的只读存储器EAROM：ElectricallyAlterableRead-OnlyMemory地心地固坐标系ECEF：Earth-CenteredEarth-Fixed地心惯性坐标系ECI：Earth-CenteredInertial地球边缘EOE：Edge-of-Earth卫星寿命终点EOL：EndofLife距离偏差估计ERD：EstimatedRangeDeviation前向纠错FEC：ErrorCorrection接口控制订约者ICC：InterfaceCo