《GNSS原理及应用》PPT课件.ppt

1、GNSS发展与应用,定义 发展简史 系统组成 信号结构 美国政府的GPS政策 GPS接收机,第一章 GPS概况和基本原理,GPS的英文全称是Global Positioning System，简称GPS。根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,1.1 定义,1.2 GPS的发展简史,1973年12月，美国国防部批准研制GPS。 1994年，GPS卫星部署完毕，系统正式运行。 1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿

2、美圆，进行GPS现代化，将增加第三频率以及更多民用码。 2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。 2009年4月23日，含有第三频率的Block II F卫星发射升空。,1.3 GPS的系统组成 系统组成,GPS的系统组成：由空间部分、地面控制部分和用户设备部分等三部分组成,1.3.1 GPS的系统组成 空间部分,GPS的空间部分（GPS卫星星座）,GPS卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次） 保证在2

3、4小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星 当前星座：31颗,1.3.1 GPS的系统组成 空间部分（续）,GPS卫星 作用： 发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟）、信号生成与发射装置 类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block Block Block A Block R Block F（新一代的GPS卫星）,1.3.2 GPS的系统组成 地面控制部分,GPS的地面控制部分（地面监测系统） 组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个） 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。,1.3

4、.2 GPS的系统组成 地面控制部分（续）,主控站（1个） 作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态； 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。 跟踪站（5个） 作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。 地点：夏威夷 注入站（3个） 作用：将导航电文注入GPS卫星。 地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。,1.3.3 GPS的系统组成 用户设备部分,用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备 多数采用石英钟

5、,1.4 GPS的信号结构,GPS信号的基本组成部分（信号分量） 载波（Carrier Phase） 测距码（Ranging Code） 导航电文（Navigation Message/Data Message） 载波 作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。 类型 目前 L1：频率：1575.43MHz，波长：19cm L2：频率：1227.60MHz，波长：24cm 现代化后 增加L5：1176.45MHz，波长：26cm,1.5 GPS的信号结构（续）,测距码 伪随机噪声码 PRN码 目前 C/A（C1） 码速：1.023MHz 码元长度：300m P(Y)1、 P(Y)2 (精码，没

6、开放) 码速：10.23MHz 码元长度：30m 现代化后 M1、M2（军用码) 导航电文 码速：50bps 内容： 广播星历（导航信息） 卫星钟改正 历书（概略星历） 电离层信息 卫星健康状况,1.6 美国政府的GPS政策,SPS与PPS SPS 标准定位服务，使用C/A码，民用 PPS 精密定位服务，可使用P码，军用 SA（已于2000年5月1日取消） Selective Availability 选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。 方法 技术：轨道加绕（长周期，慢变化） 技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化） AS Anti-Spoofing 反电子欺骗 P码加密，P+W-Y

7、GPS现代化 提高信号质量 在L2上增加C/A码 增加第三民用频率L5 增加2个军用码：M1，M2 局部关闭,1.7 GPS接收机,作用 基本单元 天线单元 接收单元（频率维持通常采用石英钟） 信号通道 类型：（多路复用，序惯，多通道）；（码相关通道，平方通道） 存储器 计算与显控 电源 类型 依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型 依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码 依接收伪距码的种类：P码与C/A码 依接收不同频率载波的数量：单频与双频 GPS接收机的几个重要的物理与几何特性 天线相位中心 接收钟差 接收机信号通道间的延迟,基本原则 系统基本描述 系统部署 应用,第二章 北斗发

8、展概述,开放性 自主性 兼容性 渐进性,2.1基本原则,16,2.1基本原则,17,自主性 中国将独立自主地发展和运行北斗卫星导航系统。 北斗系统能够独立为全球用户提供服务，尤其是将为亚太地区提供更高质量的服务。,2.1基本原则,18,兼容性 北斗系统将致力于实现与其他卫星导航系统的兼容和互操作。,2.1基本原则,19,渐进性 北斗卫星导航系统将依据中国的技术和经济发展实际，遵循循序渐进的模式建设。 北斗系统将通过改进系统性能，确保系统建设阶段平稳过渡，为用户提供长期连续的服务。,2.2系统描述,20,系统组成 信号特征 时间系统 坐标系统 服务和性能,系统组成,星座,GEO 卫星,MEO 卫

9、星,空间段,5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星,21,地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。,系统组成,地面段,22,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,用户段,系统组成,23,用户段,系统组成,24,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。,信号特征,频段 B1: 1559.0521591.788MHz B2: 1166.221217.37MHz B3: 1250.6181286.423MHz,25,北

10、斗系统第二阶段信号,信号特征,26,27,北斗系统第三阶段信号,信号特征,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 140E,2000年12月21日 80E,2003年5月25日 110.5E,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 北斗系统第三阶段 2012年左右 2020年前,部署步骤,第二步全球系统,29,2007年4月，北斗卫星导航系统的首颗MEO（COMPASS-M1

11、）卫星成功发射，确保了ITU频率资料，并完成了大量技术试验。,COMPASS-M1发射,30,COMPASS-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。,31,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。,32,2010年1月22日，卫星定点于东经160度并开始发射信号。目前，卫星正在进行在轨测试。 截至2012年底，将由长征系列运载火箭陆续发射10余颗卫星。

12、,新的GEO卫星发射,第三章 GLONASS/Galileo发展概况,GLONASS现状与发展 Galileo现状与发展,2003年12月10日，第一颗GLONASS-M卫星入轨运行，并于2004年01月29日开始向广大用户发送导航定位信号；值得注意的是， GLONASS-M卫星的导航电文增修了GPS与GLONASS之间的系统时间差GPS等 8个参数)；这标志着GLONASS现代化迈出了坚实的第一步。2010年3月16日，GLONASS系统已有19颗卫星在轨正常工作，其中包括2009年12月14日发射的3颗GLONASS卫星。,GLONASS现状,36,建立(27+3)的Galileo工作星座

13、,Galileo系统的卫星星座，是由30颗(27颗工作卫星+3颗在轨备用卫星) Galileo卫星组成的；这30颗卫星均匀分布在3个轨道上，Galileo卫星的轨道高度是23616km，轨道倾角为560。2005年12月28日，发射了第一颗带激光后向反射镜阵列(又称为激光反射器)的试验卫星GIOVE-A 为了保持Galileo卫星的现用频段，欧盟于2007年6月采取了紧急措施，而于2008年4月27日成功地发射了GIOVE-B试验卫星。,Galileo 现状,37,2005年12月28日，发射了第一颗带激光后向反射镜阵列(又称为激光反射器)的试验卫星GIOVE-A,Galileo系统的主要特点

14、是，多载频，多服务，多用户。它除具有与GPS系统相同的全球导航定位功能以外，还具有全球搜寻援救功能。为此，每颗Galileo卫星还装备一种援救收发器，接收来自遇险用户的求援信号，并将它转发给地面援救协调中心；后者组织对遇险用户的援救。与此同时，Galileo系统还向遇险用户发给援救安排通报，以便遇险用户等待援救。,Galileo 现状,38,GLONASS现代化的主要内容是： 2003年开始发射GLONASS-MI卫星和GLONASS-MII卫星。它们的设计工作寿命分别为5年和7年；它们的在轨重量分别为1480kg和2000kg。且拟在GLONASS MII卫星上，增设第二个民用导航定位信号。

15、,GLONASS现代化的发展计划,39, 2010年12月开始研发第三代GLONASS导航卫星，称之为GLONASS-K卫星(如图5所示)；该新型卫星上拟增设第三个导航定位信号；并将GLONASS-K卫星的设计工作寿命增长为10年。该种卫星是一颗基于非加压平台建造的全新小型卫星，较之以前所有的GLONASS卫星更加轻便，以致发射成本较低廉。GLONASS-K卫星拟增设的第三个导航定位信号的载波频率为：1201.741208.51MHz。,GLONASS现代化的发展计划,GLONASS-KM卫星工作计划,41,据新科学家网站2007年3月14日报道，政治斗争可能会破坏欧盟迄今为止最大的联合技术计

16、划Galileo卫星导航定位系统的建设。欧盟原计划在2011年以前建设成功Galileo系统，从而结束欧洲对美国GPS系统的依赖。但是，欧盟挑选出八家欧洲公司组成的产业联盟，因公司之间的职权斗争而妨碍了Galileo系统的预期发展。2010年1月27日，欧盟在荷兰ESA欧洲国家航天研究和技术中心举行了Galileo卫星研制和发射合同的签字仪式，而可在2012年开始发射Galileo工作卫星。,Galileo系统建设曲折前进,GPS测量定位的类型 伪距的测定原理 伪距法单点定位 载波相位测量,第四章 GPS/GNSS定位基础,4.1 概述,GPS测量定位的分类 依定位时的状态 动态定位 静态定位

17、 依定位模式 绝对定位（单点定位） 相对定位 依定位采用的观测值 伪距测量（伪距法定位） 载波相位测量,依时效 实时定位 事后定位,4.1 概述（续）,绝对定位,4.1 概述（续）,相对定位,4.2 伪距法测定原理,伪距测定：接收机在接收到卫星的信号后，产生结构完全相同的测距码，并通过延时器使其延迟时间 ，直到两组测距码进行相关处理，相关系数最大方可。则伪距就是光速c与延迟时间的乘积（c*)。,4.3 伪距法单点定位,特点 观测值：伪距 时间系统：采用GPS时间系统（GPS周和GPS秒）。从1980年1月6日子夜零点（UTC）开始的星期数为GPS周，不满一周的为GPS秒。 结果：在地固坐标系（

18、WGS-84，ITRF）一般是WGS-84下的坐标 精度：在取消SA后，单点定位的平面精度可达20米左右，高程精度可达40米左右。,4.3 伪距法单点定位（续）,接收机钟改正数。,卫星钟改正数；,；,信号接收时的标准时间,；,信号发射时的标准时间,数。,信号接收时接收机钟读,；,信号发射时卫星钟读数,真空中的光速；,观测距离（伪距）；,其中：,:,:,:,:,:,:,:,:,),(,b,a,b,a,T,t,b,a,T,b,b,t,a,a,b,a,a,b,v,v,v,T,v,t,T,t,c,t,T,c,t,t,t,t,r,r,+,=,+,=,-,=,b,a,a,b,T,t,t,T,a,b,v,c

19、,v,c,c,t,T,c,*,-,*,+,-,*,=,-,*,=,),(,),(,t,t,r,对流层延迟改正。,电离层延迟改正；,其中：,:,:,),(,trop,ion,trop,ion,a,b,c,dr,dr,dr,dr,t,t,r,+,+,-,*,=,r,b,a,T,t,v,c,v,c,*,-,*,+,=,r,trop,ion,dr,dr,+,+,观测方程：,4.3 伪距法单点定位（ 续）,观测方程,4.3 伪距法单点定位（续）,观测方程,4.3 伪距法单点定位（续）,观测精度因子(DOP),A,C,B,4.4 载波相位测量,伪距测量的局限性 观测值的精度低 载波相位 （Carrier

20、Phase） L1、L2,4.4 载波相位测量,载波相位的测定 重建载波 码相关法 得到的观测值为全波（full wave） 平方法 得到的观测值为半波（half wave） 载波相位观测值 理想的观测方法：信号接收时刻，卫星端卫星载波信号的相位(S)与接收机端卫星载波信号的相位(R)之差。从而测定出站星距离()，即 问题：卫星端卫星载波信号的相位(S)不能直接测定。,4.4 载波相位测量,载波相位观测值（续） 实际观测方法：信号接收时刻，接收机模拟（复制）的卫星端卫星载波信号的相位(S)与接收机端卫星载波信号的相位( R)之差，即 实际观测值： 整周跳变（周跳） Cycle Slip,4.4

21、 载波相位测量,载波相位观测值（续） 相位伪距： 整周模糊度（整周未知数） - Ambiguity 特性： 整数 若信号不失锁或发生周跳，则保持不变,4.4 周跳的探测与修复,周跳产生的原因 信号被遮挡 干扰 接收机运动速度过快 接收机暂时的故障 高次差法/多项式拟合法 简单的高次差 星间差分的高次差 残差法,4.5 整周未知数（整周模糊度）的确定,伪距法 多普勒法（消去法） 走走停停法（Stop and Go） 参数法（搜索法） 经典方法 快速确定整周未知数的算法 FARA LAMBDA . 固定解与浮动解（整数解与实数解）,导航 授时 测量,第五章 GNSS应用,5.1 导航应用-船舶远洋

22、导航,5.2 导航应用-载体定向测姿,5.3 导航应用-船舶进港引水,5.4 导航应用-地面车辆跟踪和城市智能交通管理,5.5 导航应用-地面目标跟踪,5.6 导航应用-飞机航路引导和进场降落,5.7 导航应用-汽车自主导航,5.8 导航应用-个人通讯终端自主导航,5.9 导航应用-个人旅游及野外探险,5.10 导航应用-动物保护跟踪,5.11 导航应用-航道目标的遥测遥控,1.电力，邮电，通讯 等网络的时间同步2.准确时间的授入3.准确频率的授入,5.12 GPS应用于授时校频,5.13 GPS测量应用大地测量，控制测量,5.14 GPS测量应用道路和各种线路放样,5.15 GPS测量应用水

23、下地形测量,5.16 GPS测量应用变形监测,5.17 GPS测量应用GIS应用,5.18 GPS测量应用工程机械控制,5.19 GPS测量应用精细农业,5.20 GPS测量应用-精密单点定位,5.21 GPS测量应用-精密单点定位,5.22 GPS测量应用-精密单点定位,5.23 GPS测量应用-移动测图,5.24 GPS测量应用-直接地理参考,5.25 GPS测量应用-直接地理参考,5.26 GPS测量应用-LIDAR,5.28 GPS测量应用-VRS-CORS-Net RTK,第六章 GNSS产业发展,GNSS产业链 民用市场 专用市场 GNSS产业发展前景,GNSS产业发展,87,三大

24、IT产业： 移动通信 互联网 导航定位,GNSS产业链,88,天线接收 芯片制造 终端产品制造 软硬件系统集成 导航电子地图制作 行业应用 运营服务,GNSS产业规模,89,二八年，全球GPS市场规模为二百四十九亿美元，市场复合成长率为百分之一十四。 预计到二一三年，全球GPS的市场规模将达到两千四百亿美元。 目前，中国的导航产业市场规模为一百亿以上。,苍穹卫星导航终端 系列产品市场前景,专业市场 石油与天然气 车队管理 物流管理 气象预报 精密测量 精细农业 渔业与EEZ 车辆控制与机器人 建筑与民用工程 大地测量学 陆地测量与GIS 矿业 时间 环境 空间,生命安全市场 航空 铁路 航海

25、内陆水运 医疗救护 警察消防,搜索救援 人员保护 交通件事 危品运输 ADAS,大众市场是重点 个人通信与导航 汽车与摩托车 轻型商务车 个人户外娱乐 其他,GNSS终端产品市场,苍穹卫星导航终端 系列产品市场前景,苍穹数码卫星导航终端产品市场发展策略,生命安全市场,大众市场,专业市场,生命安全市场是制高点 完好性（无误差） 标准 法规 连续性 可用性 精度,专业市场是关键 高精度 可靠性 产品需求专业性 按需定制,大众市场是重点 低价位 低功耗 小型化 易上手 高性能 兼容性,GNSS终端产品市场,消费类民用市场,92,“导航技术的应用，仅被人们的想象力所局限。”业界一致认为车载导航、基于手机和PDA等设备的个人导航、个人娱乐消费产品和信息基础设施应用为卫星导航产业主要的发展方向。其中，车载导航和个人导航发展空间巨大，将成为我国卫星导航市场发展的重要动力。截至去