李玉柏卫星导航与定位001-概述(第五版).

卫星导航与定位卫星导航原理与应用H0104630主讲人：李玉柏[e-mail]卫星导航与定位课程说明•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。卫星导航与定位课程说明•让我们开始吧。。。。卫星导航与定位第一讲：卫星导航与定位概述—基本概念卫星导航与定位第一章：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GPS在交通运输业中的应用卫星导航与定位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4、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•2DRMS水平=100m•2DRMS垂直=150-170m•2DRMS时间=340ns–PPS–精密定位服务•可使用P码，军用•2DRMS水平=22m•2DRMS垂直=27.7m•2DRMS时间=200ns卫星导航与定位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