卫星导航定位原理与应用
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卫星导航定位原理与应用. 第一章 绪论. 1.1 引言 1.2 GPS 简史 1.3 GPS 概述 1.4 GPS 升级计划 1.5 欧洲 GALILEO 系统 1.6 俄罗斯 GLONASS 系统 1.7 中国北斗系统 1.8 GPS 增强措施 1.9 GNSS 市场及应用. 导航技术的发展. 导航定义 能使运载工具 / 人从一个地方到达另一地方的技术 ( 科学 ) 。 导航辅助装置 北极星;指南针;经纬 / 水准仪;无线电 时钟;汽车里程表 无线电导航辅助装置 ( 能够发射电学信号 ) 导航方法

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卫星导航定位原理与应用


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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 GPS简史

1.3 GPS概述

1.4 GPS升级计划

1.5 欧洲GALILEO系统

1.6 俄罗斯GLONASS系统

1.7 中国北斗系统

1.8 GPS增强措施

1.9 GNSS市场及应用


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导航技术的发展

  • 导航定义

    能使运载工具/人从一个地方到达另一地方的技术(科学)。

  • 导航辅助装置

    北极星;指南针;经纬/水准仪;无线电

    时钟;汽车里程表

    无线电导航辅助装置(能够发射电学信号)

  • 导航方法

    用户通过来自一个/多个无线电导航辅助装置的信号计算其空间位置(有些装置可提供速度和时间)。

  • 无线电导航分类

    地基无线电导航和天基无线电导航


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导航技术的发展-续1

  • 地基无线电导航

    (大多数)地基无线电导航辅助装置的精度与工作频率成正比。

    --通常高精度导航系统使用较短波长无线电波,但用户必须在视距以内。

    --较长波长的无线电导航系统不受视距限制,但导航精度较低。


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导航技术的发展-续2

  • 早期的天基无线电导航

    美国海军导航卫星系统(Transit)

    [已于1996/12/31停用]

    俄罗斯Tsikada系统

    [目前还在运行中]

    能够提供2维高精度空间定位,定位时间间隔随纬度变化。

    定位时间长(10-15分钟),适合航海等低动态应用,不适合航空等高动态应用。


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美国海军导航卫星Transit


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GPS发展历程

  • 发展缘由

    20世纪60年代初,美国政府机构

    国防部(DOD)

    国家航空航天局(NASA)

    交通部(DOT)

    系统需求:

    全球覆盖,连续/全天候工作,高动态服务能力,高精度

  • Transit系统

    1964年运行,存在先天不足(低动态定位特性)


Gps 1

GPS发展历程-续1

  • 改进计划

    美国海军(NAVY)

    --Timation卫星

    美国空军(FORCE)

    --621B系统

    美国陆军(ARMY)

    --伪距测量

    国防秘书办公室(OSD)

    --国防导航卫星系统(DNSS)

    →NAVigation System with Time And Ranging Global Position System NAVSTAR GPS 简称GPS


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GPS卫星的发射


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GPS概述

  • GPS的技术能力

    向具有接收机的全球用户免费提供精确连续的三维位置和速度信息,同时发布世界协调时间(UTC)。

  • GPS的系统构成

    24颗卫星:

    --6个轨道面

    --每个轨道面4颗;

    --全球分布的地面控制/监视网络监视卫星状态。

    --用户接收机


Gps 11

GPS概述-续1

  • GPS的技术细节

    工作原理:

    --使用单向到达时间(TOA)测距的原理;

    工作频率:

    --L1(1575.42MHz)

    --L2(1227.6MHz)

    广播测距码/导航电文:

    --码分多址(CDMA)

    服务精度:

    --标准定位服务(SPS)

    --精确定位服务(PPS)


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GPS系统构成


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GPS星座组成


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精确定位服务(PPS)

  • 服务对象

    军方和特定政府机构用户,民用须由DOD特批。

  • 服务精度

    水平优于22m(2drms/95%);

    垂直优于27.7m(95%);

    UTC传递误差小于200ns(95%);

    速度测量精度0.2m/s(95%)。

    注:2drms表示为至少包含在任一地方用此系统获得所有可能定位值的95%的圆的半径。

  • 精度控制

    反欺骗(AS)和选择可用性(SA)


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标准定位服务(SPS)

  • 服务对象

    全球用户,没有限制,无需付费。

  • 服务精度

    水平面优于100m(2drms/95%);

    垂直面优于156m(95%);

    UTC传递误差小于340ns(95%);

  • 选择可用性(SA)影响

    通常SA是SPS导出定位值的主要误差源。

  • SPS成为占据主导地位的卫星导航服务。


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GPS升级计划

  • 1999年1月美国政府宣布GPS升级计划:

    新的GPS卫星中增加2个民用信号:

    --L2C

    --L5

  • L2C是在L2频率上的用于非安全保障的生命应用;

  • L5位于1176.45MHz的航空无线电导航服务(ARNS)波段,用于安全救生应用。


Gps 12

GPS升级计划-续1

  • 20世纪90年代中后期,美国开始研究用于PPS的新的军用信号--M码。

  • M码可以同时在L1和L2频率上发射,又与这些波段上的GPS民用信号频率分离。

  • 频率分离模式允许使用无干扰的高功率M码来提高抗干扰性。

  • M码提供比传统P(Y)码更可靠的捕获、更高的精度和安全性。


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GPS信号的演化


Gps 2

GPS升级计划-续2

  • SPS用户可以利用新增的民用信号通过双频测量来校正电离层延迟,显著提高民用用户的精度。

  • 使用L1C/A、L2C、L5信号的载波相和差分处理技术,能够快速获得非常高的精度(高达毫米级)。

  • M码和L2C信号将随2005年首颗Block IIR-M卫星发射启用,Block IIR-M卫星仍产生所有传统信号。


Gps 3

GPS升级计划-续3

  • 2007年计划发射的Block IIF卫星发射所有信号,包括L5信号。

  • GPS III于2000年构思,重新评估GPS架构满足直至2030年对民用和军用用户的需求。

  • 首颗GPS III卫星将计划于2013年美国政府财政年度发射。


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GPS Block IIR-M卫星


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GPS Block IIF卫星


Galileo

欧洲GALILEO系统

  • 1998年欧盟计划开始执行独立于GPS之外的专门设计用于全球民用的卫星导航系统。

  • 具有30颗卫星构成的星座和全球分布的控制站(地面控制部分)。

  • 发展目标与GPS完全兼容,计划2008年提供全球民用服务。

  • 2个导航系统的最基本的互操作性:

    --信号结构;大地坐标系;时间参考系


Galileo 1

欧洲GALILEO卫星系统-续1

  • 对全球用户提供不同层次的服务:

    (1)直接用户免费的开放服务;

    (2)结合附加数据的高精度定位服务的商业服务;

    (3)用于严格安全用户的生命安全服务(SOL);

    (4)较高保护层次的政府授权用户的公共管理服务;

    (5)搜索救生支持。


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GALILEO卫星


Glonass

俄罗斯GLONASS系统

  • GLONASS--全球导航卫星系统

  • GLONASS是俄罗斯/前苏联与美国GPS系统相对应的天基无线电导航系统。

  • 由24颗中轨道(MEO)卫星、地面控制机构以及用户设备构成。

  • 采用FDMA技术,PRN测距。

  • 卫星数量变化:

    --1991[7]

    --2005[14]

    --2007[18]

    --2011[24]


Glonass 1

俄罗斯GLONASS系统-续1

  • 现代化改造:

    GLONASS-M卫星

    GLONASS-K卫星

    --目标是保持与GPS/GALILEO的兼容性。

  • 民用服务精度


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GLONASS-M卫星


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GLONASS-K卫星


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中国北斗系统

  • 北斗系统是为中国军队和民用用户提供定位、船队管理、精确时间发布的分阶段卫星导航项目。

  • 当前北斗系统(BNTS)是覆盖中国的地球同步轨道(GEO)的3颗卫星构成的半运行阶段。

  • 北斗导航试验系统(BNTS)还可以提供无线电广播卫星服务(RDSS) 。

  • BNTS通过星基增强系统(SBAS)服务提供完好性和差分校正。

  • 长期发展目标是北斗二号项目,由14-30颗卫星实现区域或者全球的导航服务。[(30+5)颗]


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BNTS系统构成


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BNTS卫星


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GPS增强措施

  • 提高独立GPS的性能

    --天基:通过地球同步轨道(GEO)卫星覆盖服务提供卫星信号提高精确性、可用性和完好性;

    --地基:通过网络协助手持终端中的嵌入式GPS接收机快速计算位置。

  • 其他形式的增强措施

    使用惯性传感器(INS)来提高系统抗干扰性,GPS接收机与传感器测量通过使用Kalman滤波器集成在一起。


Gps 13

GPS增强措施-续1

  • 差分GPS能够大幅提高单独系统的性能

    --可用于精细农业、飞机精确接近、港口导航等高精度应用。

  • 广域差分GPS服务

    --欧洲地球同步轨道导航覆盖服务(EGNOS)

    --美国广域增强系统(WAAS)

    --日本广域增强系统(MSAS)

    --印度广域增强系统(GAGAN)


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EGNOS GEO卫星覆盖


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广域增强系统 WAAS


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局域增强系统 LAAS

Pseudolite

Pseudolite

LAAS

Reference Stations

Pseudolite


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GNSS市场与应用

  • 元器件微型化和批量制造技术导致低成本GPS接收机元件激增。

  • GPS接收机嵌入到我们日常生活使用的器具中:

    手机;PDA;汽车

  • 全球导航卫星系统(GNSS)市场预测:

    [email protected]

    [email protected]

  • GNSS应用领域:

    陆地;航空;空间自主导航;航海


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陆地应用

  • GNSS应用的主体是陆地应用,范围从休闲徒步旅行到编队车辆管理。

  • GNSS接收机价格下降,伴随通信服务的激增,导致大量定位服务(LBS)的出现。LBS能使用户从服务商处推入和抽出数据。

  • 扩张的全球市场是用于编队车辆与紧急车辆管理的自动车辆定位系统(AVLS)。

  • 全球栅栏

  • 地面部队装备GPS设备


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GPS陆地应用产品


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航空应用

  • 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)


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航空应用-续1

  • 自动相关监视(ADS):

    GNSS接收机引入数据链将飞机位置发送到其他飞机或空中交通管制中心(ATC)。

  • ADS用于ATC的防撞监视,

    使用最佳航路降低飞行时间和油耗,也可用于空港的飞机与地面支持车辆的监视。


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WASS/ LAAS任务交接


12 1000

精确打击12枚,1000米圆概率

美军导弹打击后的伊拉克坎大哈机场


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GPS在航空遥感的应用


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空间飞行器自主导航应用

  • GPS对空间飞行器有不同的用途:

    定姿;时间同步;定轨;绝对/相对定位

  • CHAMP卫星[美国DARA]

    定姿和时间同步,2000年

    大气层和电离层研究,天气预报和空间天气监视

  • TOPEX/POSEIDON卫星[法国CNES&美国NASA]

    GPS结合地面处理

    精密定轨(3cm量级精度)

  • 国际空间站

    位置;速度;定姿


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国际空间站应用


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航海应用

  • 商业和休闲航海机构都在使用GNSS。

  • 所有船只的导航都得到提高,从海洋航行到内河航运,特别是在难险水域。

  • 差分GPS网络提高海港和内河的导航精度:

    WAAS;EGNOS;MDGPS;RTK

  • 2001年底,全球RBN网投入使用,GPS成为航海主要的导航手段。


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其他应用

  • 不怕做不到!

  • 就怕想不到!


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