2015北斗卫星导航系统发展与挑战.

北斗卫星导航系统发展与挑战主要内容本能导航与北斗星定向12北斗卫星导航发展3北斗卫星导航的应用4卫星导航定义与基本原理北斗导航系统的贡献与挑战567北斗卫星导航与测绘结束语8现代导航的需求与发展一、本能导航与北斗星定向我在哪儿？你在哪儿？怎么去你那儿？该往哪儿去呢？需要救援！在哪里？无际的海洋和沙漠没有任何参照物？如何定方向？3最常见的问题常见问题所有动物离开或回归特定的位置时草原上的羊群找不到暮归的路时定位导航人们在森林中迷失方向时在一个陌生的城市行进时4一、本能导航与北斗星定向嗅视视觉导航——我们每天去不同的地方，都在用眼睛进行景象匹配——匹配导航嗅觉导航——犬类外出时，遇显著标志时本能反应——雷达导航本能导航5一、本能导航与北斗星定向超声导航——回声定位磁力导航——蝙蝠体内具有磁性可依据地球磁场从数千英里外准确返回栖息地触觉导航——蚂蚁搬家时的路径选择本能导航6一、本能导航与北斗星定向本能导航（续）60余万年前“北京人”石头和小牛每天狩猎的故事——标志导航石头和小牛身在何处？家在何处?回家的路怎么走？7一、本能导航与北斗星定向公元前2697年远古黄帝战蚩尤时发明了“指南车”相传黄帝和炎帝的联军与蚩尤决战，在大雾中迷失了方向。某晚九天玄女入梦，遥指北斗星，黄帝有感而造指南车一、本能导航与北斗星定向罗盘、指南针（战国）利用地磁场南北极属性，将两极磁体做成罗盘它能给出任一方向或角度值（南北极除外）指南针不受天气影响9司南罗盘一、本能导航与北斗星定向悬挂型指南针指南龟北宋初年的指南工具一、本能导航与北斗星定向10元代，在上都、大都、登封等处兴建了天文台，设立了27处天文观测站，测定黄赤大距和恒星观测郭守敬主编《授时历》将一年分为365.2425日，废除了传统元积年日法，采用了近世截元法至元十七年（1280年）颁行，延用400多年一、本能导航与北斗星定向罗盘、指南针我国古代指南针为我国与世界交流作出了重要贡献：——秦汉时期：朝鲜、日本的海上往来——隋唐五代：阿拉伯各国之间的贸易往来——宋代：南太平洋和印度洋航线上中国商船队——明初：航海家郑和“七下西洋”…——指南针导航是中国人对人类导航科学的重要贡献!12一、本能导航与北斗星定向二、现代导航需求与发展现代导航的实际需求基础设施国家安全现代国防军事应用综合国力卫星导航能提供位置、速度和时间7维信息。军队信息化建设80%左右直接或间接与时空有关13GPS于1970年代以取代子午仪系统而诞生，1994年GPS建成2000.5.1美总统令停止SA政策，推动GPS民用规模化应用，民用精度从100米提升至10米，希望诱使中欧放弃建设独立卫星导航系统的决心2000年，美国防部规定，自2000年9月30日以后，任何飞机、舰船、装甲车辆等系统必须配备GPS接收机之后，美国宣布GPSⅢ现代化计划，军用P码升级为M码，增加L2、L5民码，从军民两个战场占领制高点二、现代导航需求与发展美国GPS卫星导航142004年美国以国家政策形式强制推行GPS标准，出台巩固GPS领先地位的PNT政策，占领全球民用市场美国“E911”行政命令，要求2007年手机必须具备定位功能、欧洲和日本“E112”和“E411”行政命令，推动GPS迅速大众化2007年，国际全球卫星导航系统委员会成立，每年举行一次ICG会议，成为各GNSS供应商研讨的平台美国要求各卫星导航供应商提供质量承诺2010年美国再次出台民用领域互操作政策，探索同中国北斗系统互操作的可能性二、现代导航需求与发展美国GPS卫星导航（续）15在美国，GPS已经取代美军繁多的无线电导航系统，以GPS为统一无线电导航装备，形成作战能力以GPS为导航手段精密投送、精确制导、精确打击，可以完成战略武器、全球驻军不能解决的安全威胁“精密交战论”正在影响美军的战略思维，在伊拉克、科索沃作战中发挥显著效益空天武器（X-37B）的出现，1小时实施全球打击的新战术将改变美军的战略思维航空母舰+精确制导武器将成军事驻军的替代手段。既可减轻驻军负担，又可缓解地区矛盾二、现代导航需求与发展16美国GPS卫星导航（续）二、现代导航需求与发展美国GPS卫星导航（续）GNSS/INS是航空、航海的重要导航方式北约在南联盟战争中使用的各式轰炸机、战斗机、预警机、加油机…近千架，记者与飞行员问答问：去哪个城市轰炸？答：不知道；问：轰炸什么目标？答：不知道；问：什么都不知道怎么打？答：上级给一个目标的坐标，采用GPS导航，GPS引导，投下炸弹掉头就走…玩儿似的17前苏联及俄罗斯于1995年建成GLONASS2005年《2006-2015年航天发展规划》：航天、军事和政府部门必须使用GPS/GLONASS设备，便于向以单一GLONASS为主过渡；积极谋求使GLONASS成为PNT全球性基础设施2007年取消GLONASS民用精度限制，促进商业使用2009年，俄罗斯法律规定：武器装备、军用设备、运输设备（船只、飞机、危化品汽车）必须使用GLONASS，以提高安全水平2010年俄总统要求：2012年12月之前俄罗斯境内各急救站配备GLONASS设备俄罗斯GLONASS18二、现代导航需求与发展国民经济——GNSS应用产业已成为全球高新技术产业空间技术——卫星导航系统与阿波罗登月和航天飞机（或国际空间站）是人类航天事业的三大成就应用产业——卫星导航、移动蜂窝通信和互联网是目前发展最快的三大信息产业民用导航需求19二、现代导航需求与发展全国有数十万辆重要军用车辆，如何管理？重要装备运输监控？事故如何快速处置？机动运输的路径选择？特殊时期交通运输调度与指挥？解决这些问题需要知道载体的位置(Position)、载体的速度(Velocity)和相应的时间(Time)！——PVT导航的实际需求（车辆导航）20二、现代导航需求与发展卫星导航系统+地理信息系统——做到走遍天下都不怕！导航定义Navigation源于海洋中船舶的航行，起初人们通过罗盘和天文等手段对航行在海洋中的船舶进行导向和领航，后来发展到陆地车辆以及空中飞行器的领航，Navigation逐渐被译成“导航”21二、现代导航需求与发展导航定义导航——确定当前位置和目标位置，并参照地理、环境信息修正航线、方向、速度，抵达目的地的手段22定位≠导航定位+制导（参照）=导航定位方法有多少，导航方法就有多少二、现代导航需求与发展导航种类罗盘、指南针、惯性导航…；行人借助（纸质或电子的）地图进行匹配导航飞机利用无线电、航标导航舰船利用无线电、航标、天文进行导航汽车利用GNSS+GIS导航…23二、现代导航需求与发展导航种类——天文导航无际的星空犹如一本无字的天书，闪烁的繁星不仅发出耀眼的光芒，而且为我们导航星体本身遵循特定的规律运行，特定的时间运行在特定的位置浩瀚的海洋、无垠的大漠荒原、群山峻岭中行进，天体是极好的时间和方向标定参照24二、现代导航需求与发展25天文导航——通过观测太阳或其他恒星位置，确定地面点的天文经度、天文纬度或两点间天文方位角天文导航一般采用光学观测，遇上阴雨天气，太阳、月亮、星星不可见时，将无法发挥作用导航种类——天文导航（续）二、现代导航需求与发展导航种类——匹配导航地图、影像、地形匹配导航——在古代战场，现代远程武器和航天器导航广泛使用匹配导航需要预先测量、预先制图…26二、现代导航需求与发展地磁场、重力场匹配导航——水下匹配导航地磁、重力导航需要预先测定磁力场和重力场信息导航种类——匹配导航（续）27二、现代导航需求与发展导航种类——无线电导航28无线电测向、测速（既具有全天候能力，又使用方便，还提高了精度）海军：罗兰（LORANC）远程导航、奥来伽空军：TACAN、多普勒、雷达高度表、仪表着陆系统（ILS）、微波着陆系统（MLS）星基导航：多普勒导航（美国的子午卫星导航系统TRANSIT）、法国的DORIS定轨定位系统（Dopplerorbitographyandradio-positioningintegratedbysatellite）…二、现代导航需求与发展三、卫星导航定义及基本原理卫星导航定位的基本原理(X1-Ux)2+(Y1-Uy)2+(Z1-Uz)2=(c(T1-Cb))2(X2-Ux)2+(Y2-Uy)2+(Z2-Uz)2=(c(T2-Cb))2(X3-Ux)2+(Y3-Uy)2+(Z3-Uz)2=(c(T3-Cb))2(X4-Ux)2+(Y4-Uy)2+(Z4-Uz)2=(c(T4-Cb))229Xi、Yi、Zi第i颗卫星坐标Ux、Uy、Uz用户待定坐标c为光速Ti接收机接收信号的时间长度Cb用户接收机钟差我国卫星导航的起步中国自80年代决策，建设独立自主的卫星导航系统(Compass/北斗)2003年，北斗卫星导航试验系统建成目前，北斗卫星导航系统建设是国家中长期科技发展16个重大专项之一北斗全球卫星导航系统正在建设当中30四、北斗卫星导航系统的发展基本原则兼容性开放性自主性31渐进性四、北斗卫星导航系统的发展开放性北斗卫星导航系统将为用户免费提供高质量的开放服务，并且欢迎全世界的用户使用北斗系统中国将与其他国家就卫星导航有关问题进行广泛深入的交流与合作，以推动GNSS及其相关技术和产业的发展32四、北斗卫星导航系统的发展兼容性为了用户和产业利益，北斗系统将基于后向兼容做出改进北斗致力于实现与其他卫星导航系统的兼容。为中国用户和全球用户作出贡献！33四、北斗卫星导航系统的发展自主性中国应该建立独立自主的卫星导航系统（国民经济建设的需要、国防建设的需要、政治大国的需要…）中国必须建立自己的卫星导航系统（现有卫星导航系统供应商的任何承诺都不可靠）34四、北斗卫星导航系统的发展第一步：北斗卫星导航试验系统2000年以来，成功发射3颗GEO卫星，建成了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35四、北斗卫星导航系统的发展四、北斗卫星导航系统的发展北斗卫星导航试验系统定位原理原理：前方交会，已知卫星位置，测时差——测距，通过地面高程求出未知点位置36应答信号询问信号测得用户到两卫星的距离北斗导航试验系统定位原理37四、北斗卫星导航系统的发展北斗导航试验系统定位原理北斗导航试验系统解决了国家急需，解决有无问题为北斗导航系统发展积累了经验38四、北斗卫星导航系统的发展北斗实验系统服务区域为东经70-140度，北纬5-55度，定位精度优于20米北斗试验系统的特点39四、北斗卫星导航系统的发展北斗试验系统的特点（续）40“北斗一号”集定位、授时和报文通信为一体，解决了“Who，When，Where”的相关问题。实现了位置报告、态势共享GPS和GLONASS系统只解决何时、何地的定位和授时问题实现分类保障。可划分使用等级范围，具有优先权调配和能力集成功能四、北斗卫星导航系统的发展第二步：扩展的区域导航系统由14颗卫星组成，体制采取有源无源相结合，兼容北斗试验系统的全部功能41四、北斗卫星导航系统的发展5颗GEO，5颗IGSO，4颗MEO2012年12月27日宣布正式启用扩展的区域导航系统服务区域：南北纬55度，东经55度至180度（东至斐济群岛、西至阿联酋的迪拜、南至新西兰的奥克兰群岛、北至俄罗斯的腾达）42四、北斗卫星导航系统的发展时间系统4343导航定位实际是测时差独立的时间系统对国家和国民经济建设特别重要我国原来时间系统受制于人，守时装备落后、核心技术受制于人、管理体系不健全，存在安全隐患四、北斗卫星导航系统的发展六、北斗卫星导航的应用科学金融生活其他导航应用领域防灾交通国防农业测绘能源生活44六、北斗卫星导航的应用——抢险抢险救灾汶川抢险救灾45北斗服务汽车运行管理汽车联网：将装有基于位置信息的传感器信息传输到信息中心，实现各车辆信息共享，为疏通道路提供