卫星导航原理

卫星导航原理卫星导航原理卫星导航原理2•导航是人类最早的需求之一；导航系统是人类最早的科学系统之一•卫星导航系统是目前使用最广泛的导航系统，GPS是卫星导航系统的代表•GPS已经成为美国国家基础设施，成为继互联网后又一个十分成功的两用现代国防系统卫星导航原理3什么是导航(Navigation)?•导航是将航行体从起始点导引到目的地的技术或方法•导航过程中要解决三个问题，即–要去哪（目标位置）–我在哪（自身位置）–怎样到（行进路径）•导航的基本过程：确定目的地位置确定自身位置决定行进方向（路线）•确定自身位置是导航的关键（Positioning）•导航系统就是能够向运载体提供位置、速度与航向等即时运动状态信息的系统卫星导航原理4简单导航实例•步行从一点到另一点的导航过程：–确定目的地位置：可能自已已经了解其位置，或指引路径的人已了解此位置–确定自身当前位置（与建筑物A正对，距A’约10米）–确定前进路径（延指向建筑物B的公路方向前进，在花坛C所在路口右转，之后行进100米，路左侧）。如有可能，还可以目测到花坛C的距离、并根据自身的行进速度估计到达目的地的时间。出发点目的地ABCA’卫星导航原理5确定某一点的位置是完成各种导航功能的关键，因此导航系统也经常被称为定位系统(PositioningSystem)。卫星导航原理6导航与定位•关键问题都是确定一点的几何位置。•二者区别在于工作条件不同、技术要求不同。•定位精度要求较高（通常厘米级或更高）；导航精度要求较低。•定位是静止状态，允许多次观测和事后处理；而导航则多是动态的，需实时处理。•导航要求在时间上连续性；而定位则没有要求。卫星导航原理7导航与制导•都将运载体引导至目的地。•导航仅提供信息，而不进行控制；而制导则既提供信息，也进行控制其姿态和轨道。卫星导航原理8什么是定位或位置确定？实际上就是获得某个点在一个坐标系里的坐标值。卫星导航原理•为了描述卫星运动、处理观测数据和表示航行体位置，需要建立参考坐标系。•坐标系的选择在很大程度上取决于任务要求、完成过程的难易程度、计算的复杂性等。•典型的是用笛卡尔坐标系（CartesianCoordinateSystem,也称为“空间直角坐标系”）中测度的位置和速度矢量去描述卫星和航行体的状态。卫星导航原理参考坐标系•笛卡儿坐标系三要素10原点三轴指向尺度卫星导航原理地心惯性系（ECI-EarthCenteredInertialcoordinatesystem）原点位于地球质心XY平面与地球赤道面重合X轴相对恒星静止，指向特定方向Z轴与XY平面垂直，指向北极方向Y轴由右手坐标系规则确定多用于描述卫星轨道XYZ在某些文献中称为天球坐标系卫星导航原理典型ECI坐标系J2000坐标系：用2000年1月1日UTC（USNO）12:00时的赤道面取向作为基础。X轴的方向从地球质心指向春分点、Y和Z轴的规定仍如上述。卫星导航原理地心地固系（ECEF-EarthCenteredEarthFixed）•原点位于地球质心XY平面与地球赤道平面重合X轴指向赤道上某一固定点（通常为0经度方向）Y轴指向与X轴垂直Z轴与赤道平面正交指向地理北极，形成右手坐标系•相对地球指向不变，适于描述航行体位置13卫星导航原理•在ECEF下–地球是静止不动的–围绕地球运行的天体或卫星的轨道不遵守开普勒定律ECEF下卫星的运行轨道GSOMEOGEOGEO卫星导航原理ECI与ECEF的关系•取某一时刻的ECEF坐标系，将其坐标轴固定下来，即为ECI坐标系•ECI坐标系绕Z轴旋转某一角度后即可得到任意时刻的ECEF坐标系卫星导航原理16PVT解算•对–P（位置，Position）;–V（速度，Velocity）–T（时间，Time）的计算，通常称之为PVT解算。卫星导航原理171r2211122222uuuurxxyyrxxyy2r1S2SR二维定位基本原理卫星导航原理18卫星导航系统（GPS/BDRNSS）定位基本原理卫星1r1卫星2r2r3卫星3卫星导航原理19•三维空间中，若某点到三个已知参考点的距离能获得，则该点坐标可以被唯一地确定卫星1卫星2卫星3r1r2r3[x1,y1,z1][x3,y3,z3][x2,y2,z2][xu,yu,zu]221111222222223333rxxyyzzrxxyyzzrxxyyzz卫星导航系统（GPS/BD2RNSS）定位基本原理卫星导航原理20如何计算V/T？•当某一运动物体任意时刻的位置参数已知，则可通过位置与速度的导数关系，确定物体的速度参数•从参考点向某点发送参考点的时间信息，当两点间距离已知，可通过距离计算传播时延，进而根据接收到的时间信息计算本点的时间卫星导航原理21结论：找到导航接收机到导航卫星距离，是获得PVT状态量的关键卫星导航原理“北斗一号”系统（BD2RDSS）是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、数字报文通信和授时服务的一种新型、全天候、区域性的卫星导航定位系统。该系统由两颗地球同步卫星、一颗在轨备份卫星、一个中心控制系统、一个标校系统和各类用户机组成，各部分通过出站链路（中心控制系统—卫星—用户）和入站链路（用户—卫星—中心控制系统）相连接。卫星导航原理地面控制中心标校站用户机“北斗一号”工作原理图卫星1卫星2卫星3卫星导航原理•实际上北斗一号使用双球定位加地球定位，由于还要测高，因此在全国不同地区设置标校站地球北斗一号卫星只进行信号中继转发，不发送导航电文!卫星导航原理北斗一号卫星导航系统采用主动式定位原理，用户设备既接收来自两颗北斗一号卫星的导航定位信号，又要向卫星转发该信号，进而由地面中心站解算出各个用户的所在点位，并用通信方式告知用户所测得的位置。1、由中心站算出各个用户的所在点与二个颗卫星的距离；2、中心站存贮有各个地区的标校站测得的大地高；3、中心站根据用户与二颗卫星的二个球面及地球面交叉点计算用户的位置并发给用户。卫星导航原理26无线电信号测距——双向测距法•测量站在T1时刻发出信号，导航终端收到信号后立即向测量站发出响应，测量站收到该信号后根据接收时刻T2与T1计算双方距离。T21122crctTT2T1Ttc为信号传播速度卫星导航原理27无线电信号测距——单向测距法c为光速，Ts为信号发送时刻，Tu为接收机收到信号的时刻（称作TOA-TimeOfArrive）；传输时延ΔtTusrctcTT通过观测电磁波从空间一点传播到另一点的传播时间，可以测定两点间的距离。卫星导航原理281TLT2TsT21rctcTT2LTT1sTTLscTTsTsT钟差上述时钟与系统时钟的误差均称为“钟差”（“clockoffset”或“timebias”），其定义为（某时刻）某一时钟读数与系统时间之差2LtTT卫星导航原理29伪距由于此值是通过将信号传输速度与使用并不同步的时钟测得的时间差相乘而确定的距离，它包含有钟差项，因而不等于真实的传播距离，称此值为“伪距”（PR-Pseudo-Range）。RuususuucTtTcTTctrctutLuuTTtsT接收机钟差为读取的接收机时钟值为卫星的发送时刻为观测时刻卫星导航原理30接收机应维护一组与接收信号同步的载波和扩频码，它们分别称为“复现载波”与“复现码”；假设复现码与接收信号中的扩频码完全同步卫星导航原理31基于码的伪距测量•在观测时刻进行如下工作：–获取接收机当前时刻计时值TL；–观察本地产生的复现码时钟计数器以及码时钟发生器，并根据其状态，确定当前时刻接收信号的发出时刻Ts；–在得到上述两个基本观测量后，计算发送点与接收点的伪距。Δt卫星（或发送站）发送码传到接收机的码T接收机产生的复现码观测时刻TLTs通过对复现码和复现载波进行测量，可获得伪距。卫星导航原理32观测方程•如果接收机可测得到各卫星的真实距离，那么，通过对三个观测方程组成的方程组求解即可得到用户（接收机）的坐标222111122222222223333uuuuuuuuurxxyyzzrxxyyzzrxxyyzztu为用户钟差？222jjuuuujjjuuuufx,y,z,txxyyzzct卫星导航原理33•观测方程中待求解的状态量有4个，因此至少需要建立4个方程才能得到解算结果。卫星1卫星2卫星3卫星4[x4,y4,z4,δt4][x3,y3,z3,δt3][x2,y2,z2,δt2][x1,y1,z1,δt1]xyz接收机[xu,yu,zu,tu]ρ1ρ2ρ3ρ4卫星导航原理34•通过对4个卫星进行伪距观测，可得到如下方程组22211111222222222223333322244444uuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuufx,y,z,txxyyzzctfx,y,z,txxyyzzctfx,y,z,txxyyzzctfx,y,z,txxyyzzct已知量？未知量？如何解？卫星导航原理35一维方程的线性化xyy=f(x)ymxm？y0x000xxdfxyyxdxΔxx0y000xxdfxyyxdxx0Δxy0001mxxxyydfxdx00xxx00yfx0mxx卫星导航原理36举例求方程2=x2，x的值迭代3次，初始值为1。由y=x2，得出其一阶展开为y=y0+2x0(x-x0)第一次：令x0=1则y0=x02=1所以2=1+2(x-1)得出x=1.5第二次：令x0=1.5则y0=2.25所以2=2.25+3x(x-1.5)得x=1.4167第三次：令x0=1.4167则y0=2.007所以x=1.4142卫星导航原理37举例00xxx200yx00122xyx利用方程线性化和迭代方法求x2=2。初始值x0=1，迭代3次。第一次05x.015x.0225y.第二次00833x.014167x.02.00704y第三次00025x.014142x.01.999961y初始值为x0=0时再求解？卫星导航原理定位精度•置信度（水平）－1、2、3•绝对精度•重复精度•相对精度38卫星导航原理d卫星轨道偏差iSVCT卫星钟偏差iion电离层延迟itrop对流层延迟MPant卫星轨道偏差随机误差天线相位中心误差rCt相对论效应多径误差rand用户等效距离误差卫星导航原理用户等效距离误差（UERE）•各种偏差和误差最终都要反映在用户的测量结果上，即距离测量误差上。通常均把各种误差的影响投影到观测站至卫星的距离上，以相应的距离误差表示，称为用户等效距离偏差－UERE（UserEquivalentRangeError）402UEREi卫星导航原理卫星星历误差•广播星历是由地面监控系统根据对卫星的跟踪测量结果，经外推计算得到的。•星历误差通常在径向最小；切向和横向的分量要大得多。•提高预测精度和减小预测时间（运控系统）。卫星导航原理卫星钟差估计•钟差表示：•一般导航电文采用二阶多项式表示此偏差：–t卫星钟差计算时刻，信号发出时的系统时间–观测时刻卫星信号中提取的时间（即信号发出的时刻）值–toc卫星钟差参数参考时刻，a0,a1,a2时钟偏移、时钟漂移和时钟频率漂移，由导航电文播发。422012SVococtaattattiSVstttist卫星导航原理Sagnac效应•Sagnac效应是由于ECEF参考系随时