卫星导航原理及应用技术
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卫星导航原理及应用技术. 秦 红 磊. 电话: 010 - 82316491 Email:[email protected] 北京航空航天大学电子信息工程学院 204 教研室. GPS 系统组成及其结构. 第 1 章 : 绪论 第 2 章 : GPS 系统概述 第 3 章 : GPS 坐标和时间系统 第 4 章 : GPS 卫星轨道 第 5 章 : GPS 信号结构和导航电文 第 6 章 : GPS 接收机 第 7 章 : GPS 导航观测量和误差分析 第 8 章 : GPS 定位原理 第 9 章 : 整周模糊度技术.

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Presentation Transcript


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卫星导航原理及应用技术

  • 秦 红 磊

电话:010-82316491 Email:[email protected]

北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室


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GPS系统组成及其结构

第1章: 绪论

第2章: GPS系统概述

第3章: GPS 坐标和时间系统

第4章: GPS 卫星轨道

第5章: GPS 信号结构和导航电文

第6章: GPS 接收机

第7章: GPS 导航观测量和误差分析

第8章: GPS 定位原理

第9章: 整周模糊度技术


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第2章 GNSS简介

1.1 GNSS 历史

1.2 GPS: 全球定位系统


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GNSS 历史

1957年,前苏联发射了第一颗人造卫星。从那时开始,利用卫星进行导航和定位的研究引起了各国军事部门的高度重视。


Artificial satellite

人造卫星(Artificial Satellite)


Transit

子午卫星导航系统历史(Transit)

1959年:子午仪(TRANSIT), 通常称为多普勒导航卫星系统,又称为海军导航卫星系统(NNSS:Navy Navigait Satellite System).

这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统, 在Dr. Richard Kirschner博士的领导下,由霍普金斯大学应用物理实验室研制。


Transit1

子午仪(Transit)系统星座

卫星数 : 6

轨道数 : 6

离心率 : 0

轨道倾斜角度: 90°

卫星周期 : 107min

卫星高度 : 1075km(600nm)

两个卫星轨道平面之间的夹角: 30°


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t4

t3

t2

t1

θ

P(X,Y,Z)

子午仪系统定位原理

双曲面- 双曲线-点

子午卫星的定位原理是通过测定同一颗卫星不同间隔时段其信号的多普勒效应,从而确定卫星在各时段相对观察者的视向速度和视向位移,再利用卫星导航电文所给定的t1、t2、t3、t4…时刻的卫星空间坐标,结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标P(X,Y,Z)。


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子午仪系统的缺点

  • (1)一次定位所需时间过长,无法满足高速用户的需要。

  • (2)卫星出现时间间隔过长,无法满足连续导航的需要。

  • (3)子午卫星导航系统的定位精度偏低。这是该系统的致

  • 命缺陷,究其原因主要有三个方面:

    • ①卫星轨道低

    • ②卫星信号频率较低受电离层影响大

    • ③子午卫星的卫星钟频不够稳定


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GNSS 历史

1960年晚些时候,前苏联军方确认需要一个卫星导航系统用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引。当时的这套导航系统被称为MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control). 这套思想于1961年取消。


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621B 系统

空军的“621B”计划能在高动态环境下工作,为了提供全球覆盖,621B计划拟采用3~4个星座,每个星座由4~5颗卫星组成,中间一颗采用同步定点轨道,其余几颗用周期为24h的倾斜轨道,每个星座需要一个独立的地面控制站为它服务。

该系统的主要问题有两个:

一是极区覆盖问题;二是国外设站问题,使得系统难以独立自主安全可靠的运行。


Gnss timation

GNSS-Timation 历史

“Timation”方案采用12~18颗卫星组成全球定位网,卫星高度约10000km,轨道显圆形,周期为8h,并于1967年5月和1969年11月分别发射了两颗试验卫星。

“Timation”计划基本是一个二维系统,它不能满足空军飞机或导弹在高动态环境下的工作。


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GNSS 历史

1969-1972: 海军提出的计划称为“Timation”(时间导航),空军的计划名为“621B”

1971-1972:增加了L2 频段,允许621B系统对电离层的错误修正.

.


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GNSS 历史

August 1973: 1973 年,12月17日, NAVSTAR GPS被批准, 标志着概念的确认。 (GPS计划的第一阶段). 这套系统由24颗卫星构成,分布在周期为12小时的倾斜轨道上。


Gnss gps

GNSS-GPS 历史

  • 全球定位系统由美国国防部提议并开发的。

  • 最初的目的是用于军事应用

  • NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging), GPS的官方名称


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GLONASS

全球导航卫星系统

苏联国防部

正在更新

GALILEO

欧盟

2008

北斗系统

中国

2008

除美国以外的其它定位系统


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GPS 简介

  • GPS 历史

  • GPS 基本功能

  • GPS 构造

  • GPS 是如何工作的

  • GPS 误差源

  • GPS 应用


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GPS 历史

  • GPS 的简单历史

    • 子午仪系统(Transit System)

    • NavStar (现在称为 GPS)

      • 开始于 1973

      • 前四颗卫星发射于 1978

      • GPS的第一次实际应用是在1990年的海湾战争。

      • 1995年7月17号全面投入运行。

      • 系统耗资 $12 billion

      • GPS 为民用和军用提供全球服务

      • 2000年5月,宣布解除SA(Selective Availability)


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位置和坐标.

两点之间的距离和方向..

准确时间测量.

GPS 基本功能


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GPS 结构

  • GPS 由三个部分组成

  • 空间部分 (卫星)

  • 地面部分 (地面控制网络)

  • 用户部分 (GPS 接收机和用户)


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GPS 结构


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24 颗卫星

6个平面轨道

相对于赤道的倾角为 55º

轨道之间的间隔为60º

距离地区表面20,200 km

轨道周期11 hr 58 min

5到8颗卫星可见

GPS 空间部分


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GPS 卫星改进


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GPS 卫星

  • 四个原子钟

  • 3块镍铬电池

  • 两块太阳能电池板

    • 电池充电

    • 电力供应

    • 1136 watts

  • S 波段天线-控制卫星

  • 12 个L 波段天线元—用户通讯

  • Block IIF 卫星(第四代)


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GPS 卫星

  • 重量

    • 2370 pounds

  • 高度

    • 16.25 feet

  • 宽度

    • 两翼展开后为38.025 英尺

  • 设计寿命—10 年

  • Block IIR 在 Lockheed Martin, Valley Forge, PA 的卫星流水线


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每个GPS卫星都配备有一个铯原子钟

精确到 3 纳妙 (0.000000003 s)

每 360,000 年 +/- 1 妙

地面控制站校正卫星

卫星校正GPS接收机

卫星和接收机之间的不同步超过1/100秒时,误差可达到 1860 里!

GPS 卫星


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容易被遮挡或者被水反射

能够穿越标准大气、水蒸气、云层,长距离传输

主要用途就是传输时间

卫星信号


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导航电文

调制在L1 和 L2上

50 Hz

整个电文的长度为 1500 bits; 30 sec

含有的信息有:

卫星星历预报.

卫星钟差校正参数预报.

GPS 系统状态信息.

GPS系统电离层模型

卫星信号


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微波波段频频; 满足全天候通讯

L1 波段: 1585.42 MHz

L2 波段: 1227.60 MHz

L3 波段: 1381.04 MHz

L1 和 L2 波段用于定位

伪随机码

由毫秒长度的C/A码重复编码,每个C/A码的长度伪1023个bit。

卫星信号


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卫星上的原子钟产生一个纯正弦波

基准频率为, fo 10.23 MHz

L1 和 L2 载波

f1 = fo x 154 = 1575.42 MHz (19 cm)

f2 = fo x 120 = 1227.60 MHz (24 cm)

特定的信息调制载这些信号上

卫星信号


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C/A (Course/Acquisition) 码

调制载 L1 载波上

1.023 MHz 伪随机噪声码 (PRN)

长度伪 1023 bits

重复周期 1 millisecond

每个码片对应的长度为 300 m

整个序列对应的长度为 300 km

每个卫星对应唯一一个 C/A码

卫星信号


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P (Precise or Private) 码

更加复杂

调制在 L1 和 L2上

10.23 MHz PRN code

每个码片对应的长度为 30 m

长度为266.4天

抗欺骗模式(Anti-Spoofing mode)是用加密的W码与P码合成Y码

秘密译码

卫星信号


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无源系统

多个波段的信号允许电离层校正

同时测量多颗卫星

民用和军用分开

抗干扰系统

时实校正系统

卫星信号


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Master Control Station

Monitor Station

Ground Antenna

地面控制部分

US Space Command

Cape Canaveral

Hawaii

Kwajalein Atoll

Diego Garcia

Ascension Is.


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每个卫星每隔12小时经过地面站一次

地面站接收卫星信号

四个地面站向主控战发送信息

主控站对哪些需要纠正的信息进行判决

所有的站向卫星发生纠正的信息

GPS 控制站


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军事.

搜索和营救.

减少天灾.

测量.

海上, 航空和大地导航.

遥控和遥测

卫星定位、跟踪

航行.

地理信息系统 (GIS).

娱乐.

用户部分


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接收机配有石英钟 ,比原子钟的精度低很多

至少需要四颗卫星

根据导航电文信息,能够转换到GPS时

当接收到GPS信号时,接收机要复制C/A码和P码,利用补偿技术提取信息。

接收机构造类型决定了解码的可能性,因此也就决定了定位测量的精度

GPS 接收机


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四个未知量:

经度 (X)

纬度 (Y)

高度 (Z)

时间 (T)

因此,需要四个卫星!

如果知道3个卫星,接收机要对用户的位置进行故测,算出纬度和高度.

如何工作的?


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GPS 如何工作的?

手持接收机

24个卫星围绕地球旋转


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单颗卫星用于定位.


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两颗卫星用于定位


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三颗卫星用于定位


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定位是以时间为依据的

信号在“T”时刻离开卫星

T

信号被接收机接收的时刻为 “T + 3”

T + 3

卫星与用户之间的距离 = “3乘以光速”


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伪随机噪声码

时间差

卫星 PRN

接收机PRN


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GPS 误差

多经, 信号遮挡 (大楼, 山, 树叶等 )

遮挡物

遮挡物


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信号干扰源

地球大气

固体障碍物

电磁场

金属


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卫星轨道扰动 (被称作星历)

太阳、月亮的引力; 太阳风

大气信号延迟

电离层、对流层

原子钟的浮动

接收机质量

有缺陷的钟或者内部噪声

多经

多经信号反射

GPS 误差源


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国防部对卫星时间加入了人为的抖动,使得定位精度降低.

S/A 最初设计是为了防止美国的敌对势力对美国的威胁

2000 年 5月,国防部宣布取消S/A.

S/A 随时被国防部打开.

选择有效 (S/A)


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标准定位服务 (SPS ): 民间应用

误差源误差值

卫星钟: 1.5 到3.6 米

轨道误差: < 1 米

电离层: 5.0 到 7.0 米

对流层: 0.5 到 0.7 米

接收机噪声: 0.3 到 1.5 米

多径: 0.6 到 1.2 米

选择有效

误差是累积增加的.

GPS误差源


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卫星的几何分布能够影响接收机的对信号的接收质量和定位的精度.

几何精度因子 (DOP) 反映了被接收到的卫星与卫星之间的相对位置.

5个基本DOP.

位置精度因子是接收机应用最广泛的,决定了接收机的定位质量..

GPS 卫星几何分布


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理想卫星精度几何

N

E

W

S


Gps dgps

使用两个接收机

基站的位置和高度是已知的

移动接收机

信号从卫星到用户的速度由大气的状况决定

在基站已知的误差能够用于移动接收机

离基站300英里范围内的工作效果最好

两个接收机的大气状况一样

差分 GPS (DGPS)


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x+5, y-3

x+30, y+60

x-5, y+3

接收机

DGPS 接收机

差分站

时实差分 GPS

真实坐标 = x+0, y+0

校正 = x-5, y+3

DGPS校正 = x+(30-5) and y+(60+3)

真实坐标 = x+25, y+63


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NDGPS 国家差分地面站

National Differential Global Positioning System

Yellow areas show overlap between NDGPS stations. Green areas are little to no coverage. Topography may also limit some areas of coverage depicted here.


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广域增强系统

GPS 卫星

同步 WAAS卫星

WAAS 控制站

(LAAS)

WAAS 控制站


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WAAS 的好处是什么?

+-15 meters

+ -3 meters

GPS接收机的定位精度,在没有S/A的情况下,能够达到15米。

在理想情况下,装备有GPS的WAAS在定位精度95%的情况下,能够获得3米的定位精度


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S/A 于 2000年由国防部关闭

将定位精度从100m 提高到 10~30 m

随时会开放

使用精密定位服务

译码接收机

时实对测量的值进行平均

高质量接收机

差分GPS

GPS 测量方法的改进


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USNO NAVSTAR Homepage

Info on the GPS constellation

How Stuff Works GPS

Good everyday language explanation

Trimble GPS tutorial

Flash animations

GPS Waypoint registry

Database of coordinates

GPS 站点


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Navstar GPS Joint Program

http://gps.losangeles.af.mil/

GLONASS

http://www.rssi.ru/SFCSIC/SFCSIC_main.html

Galileo Program

http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/


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GPS Satellite Tracking

http://sirius.chinalake.navy.mil/satpred/

Principles and Practices of GPS Surveying

http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm


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