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1第二代卫星导航系统：GPS1973年开始方案和原理研究1993年7月，24颗GPS卫星部署完成1993年12月8日，美国国防部正式宣布GPS具有初始运行能力采用基于时间测量确定距离的伪距定位技术标准定位服务SPS提供民用，精密定位服务PPS提供军用和特许用户47.1 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 卫星导航技术基础坐标系地球坐标系：以地心为原点，地球自转轴为Z轴，以地球赤道面为基准平面的地心固定坐标系极移：地极点在地球表面移动的现象，使得地心固定坐标系坐标轴的指向发生变化国际协议原点CIO：1967年国际天文学联合会和国际大地测量学协会建议，采用国际上5个纬度服务站在1900-1905年的平均纬度所确定的平均极地位置，作为地极的基准点，对应的坐标原点为CIO87.2 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平赤道面赤道面或协议赤道面协议赤道面，坐标系称为协议地球坐标系协议地球坐标系(CTS)以瞬时地极对应的地区固定坐标系，称为瞬时地球瞬时地球坐标系坐标系目前，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a6 378 137 m地球引力场规格化的二阶带球函数系数-484.1668510-6地球自转角速度7 292 11510-11 rad/s地球质量与万有引力常数乘积GM3 986 005106 m3/s2椭球扁率f1/298.257 223 563椭球第一偏心率平方e20.006 694 379 990 13117.2 卫星导航技术基础 续4时间体系世界时(UT)：以地球自转周期为基准，从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时原子时(ATM)：国际时间局目前以大约100台位于世界各地的原子钟的读数，分别以不同的权值作平均，获得综合的时间基准协调时(UTC)：时间播发中把原子时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间 ，秒长严格等于原子时的秒长，采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内GPS时(GPST)：与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。GPS时间在0604800 s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定的精密参考127.3 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S1 S2 l1 l2 S卫星U用户卫星速度V 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 低轨卫星导航技术低轨卫星的特点轨道高度低、需要较多卫星才能实现多重覆盖卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移低轨卫星定位系统利用信号的多普勒频移实现测速，进而实现双曲线交汇定位典型系统为子午仪系统、搜索救援卫星系统167.4 低轨卫星导航技术 续1多普勒频移与用户速度VVr177.4 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ftUS1 t1S2 t2r1r2t1t2t1+1t2+2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(,)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4定位观测方程的求解利用泰勒级数将上述观测方程近似线性化，并假定一个初始位置利用最小二乘算法求解近似解，该解为相对于初始值的偏移量将偏移量加上初始位置作为新的假定位置，代入原方程，求出相对于假定位置的新的偏移量重复上述过程，直到前后两次迭代之间的偏移量解足够小207.4 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：23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2系统工作原理1) 地面中心对其中一颗卫星连续发射含有测距码、地址电文、时间码的询问脉冲束或询问信号2) 询问信号经卫星变频、放大，转发到测站3) 测站接收询问信号，并注入必要信息，再变频、放大，向二颗卫星发射电文作为应答信号4) 两颗卫星收到应答电文，并再把它们变频、放大，转发到地面中心站5) 地面中心站处理接收到的应答电文，得到测站坐标或交换电报信息6) 中心站再经卫星把处理后的信息送给测站(用户)，测站(用户)收到所需信息显示或输出247.5 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267.6 GPS导航系统系统结构空间段：由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成特定星座，高度20200km（截至2006年7月工作卫星总数已达29颗。卫星有效载荷包括原子钟和导航电文存储器等200oABCDEF160o120o80o40o赤道320o280o240o317o17o77o137o197o257o工作卫星备份卫星277.6 GPS导航系统 续1系统结构地面站：包括主控站、监控站、注入站。监控卫星运行情况，产生准确星历数据及钟差、状态、大气传播改正等参数，形成并注入导航电文用户终端无源被动定位：接收导航电文，完成导航参量的测量和定位解算任务，并可加以显示类型：低动态型、高动态型；测量型、授时型、导航型和姿态测量型 ；单频粗码（C/A码）和双频精码型287.6 GPS导航系统 续2系统工作原理伪随机码测距信号结构297.6 GPS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2.351014 bit ，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307.6 GPS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317.6 GPS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； ts 卫星钟相对理想GPS时钟的钟差；tu 接收机钟相对于理想GPS时钟的钟差 电离层附加延时327.6 GPS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337.6 GPS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)347.6 GPS导航系统 续8载波相位测量定位的观测方程式中： 波长N01 初始相位整周模糊度N(tj-t0)相位整周测量值（tj）分数测量值D 星地几何距离ts卫星钟差tu用户钟差电离层附加延时357.6 GPS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367.6 GPS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377.6 GPS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387.6 GPS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397.6 GPS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)407.6 GPS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 新一代卫星导航系统 续1GPS系统现代化计划实质：加强GPS对现代战争的支持和民用导航领域的领导地位方法增加GPS卫星发射的信号强度增加新的军用码(M码)，与民用码分开提高抗干扰能力和快速初始化能力使用新的技术，阻止敌方使用GPS在L2频道上增加第二民用码（C/A码），使民用用户可以有更好的多余观测度，以提高定位精度，并有利于电离层偏差的改正增加L5民用频率，提高民用实时定位的精度和导航完善性43