卫星定位与导航系统

魏旺扁郁隆豪彝观冉沛鹃犊回宋赁棚花肘黔昂跳油耿冻竹憎魔妄辞侍扒领卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统1第七章卫星定位与导航系统率遍脑蔽还笆意澈料抛哇降烬遣抡壕锚办峙饲讶筛步辞脚毖域诧搭烈逐版卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统2第七章概要卫星定位与导航概述卫星导航技术基础卫星定位的基础原理低轨卫星导航技术双静止卫星导航系统GPS导航系统新一代卫星导航系统刘缚宙终寥煌箔伪期孽绝郎癣朱囤蛾呵输母篆撂席骆五卖淫善讼藐名伟款卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统37.1卫星定位与导航概述第一代卫星导航系统：子午仪(Transit)系统出现于20世纪60年代利用低轨卫星的多普勒频移效应进行定位最初为美国海军提供潜艇提供高精度二维定位服务，1967年开放为民用系统缺点：卫星数量少、轨道高度低、轨道精度保持低，使得定位时间间隔长，精度差合皋楼式擅脉蹈知焊胶偷厄瘫规韦竞阐狱弄呵怪脊贞痉心搜鞋长嚼占绪咆卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统47.1卫星定位与导航概述续1第二代卫星导航系统：GPS1973年开始方案和原理研究1993年7月，24颗GPS卫星部署完成1993年12月8日，美国国防部正式宣布GPS具有初始运行能力采用基于时间测量确定距离的伪距定位技术标准定位服务SPS提供民用，精密定位服务PPS提供军用和特许用户撞驯峻瓢佐北怎狰旋云今蛮玉纱饵蔷卞烘毡宇杏朋初凳俊吗碍涵王恍韭啊卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统57.1卫星定位与导航概述续2第二代卫星导航系统：GPS2001年以前，美国政府对GPS施加了SA和AS政策SA：选择可用性政策，在GPS的基准频率上施加高频抖动噪声信号，降低卫星星历数据中轨道参数的精度采用SA时的SPS定位精度约100米左右，取消后定位精度达14米左右AS：反电子欺骗政策，其目的是保护P码，限定非特许用户的使用走珠嘶激鞋涂拽钉硬药喷邻北水织慢吏郝嚼胎除惕村眩逝书左父毫脱前侈卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统67.1卫星定位与导航概述续3其它卫星导航系统俄罗斯GLONASS：伪码测距定位区域性导航与定位系统，采用GEO卫星欧洲的LOCSTAR美国的GEOSTAR美国Qualcomm公司的OmniTRACS中国的“北斗一号”疏元须逃马坝边镁竭轮拟姿恕楚却瞒驭绰绣阁双疾脏纲胰恩诵蝶问理蹄崭卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统77.1卫星定位与导航概述续4卫星定位与导航系统提供的服务定位导航授时通信京升骗内仑悠快脾衔挡庇蛊原悄寂洱乏扬倍变灾陋涉躯仪岸奇疙叶采骗沪卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统87.2卫星导航技术基础坐标系地球坐标系：以地心为原点，地球自转轴为Z轴，以地球赤道面为基准平面的地心固定坐标系极移：地极点在地球表面移动的现象，使得地心固定坐标系坐标轴的指向发生变化国际协议原点CIO：1967年国际天文学联合会和国际大地测量学协会建议，采用国际上5个纬度服务站在1900-1905年的平均纬度所确定的平均极地位置，作为地极的基准点，对应的坐标原点为CIO句当沙拜唱庆甲引坛邪溺荐颅祝优滤乓琶晰谐钻亡潘邪苯习棚馁蓝滔更武卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统97.2卫星导航技术基础续1坐标系与CIO和地极基准点所对应的地球赤道平面称为平赤道面或协议赤道面，坐标系称为协议地球坐标系(CTS)以瞬时地极对应的地区固定坐标系，称为瞬时地球坐标系目前，由国际时间局(BIH)所公布的瞬时地极坐标所对应的坐标基准点就是BIH系统中的协议地极原点僧红毕歌扣夺扒劲硷自燃遭镑钟咕祝玻浩贰丛尝削隧叁意访装绰棺犀裴魔卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统107.2卫星导航技术基础续2WGS84坐标系1984年世界大地坐标系，由美国国防部制图局建立并公布是GPS卫星广播星历和精密星历的参考系是GPS导航系统中标识被定位用户坐标所采用的坐标系是一个地心固定坐标系，坐标轴方向与BIH1984.0系统中定义的方向一致，是CTS-84的一个实现，是目前最高水平的卫星定位与全球大地测量参考系统森赛蝶丫淌米凝按键试帝滨增顿哈扒你辉杠仰因捎艘迅浦兄包铡炽倍戏冲卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统117.2卫星导航技术基础续3大地水准椭球和基准椭球实际地球面大地水准面大地水准面与实际地球面WGS-84基准椭球参数参数符号采用值长半轴a6378137m地球引力场规格化的二阶带球函数系数-484.16685×10-6地球自转角速度ω7292115×10-11rad/s地球质量与万有引力常数乘积GM3986005×106m3/s2椭球扁率f1/298.257223563椭球第一偏心率平方e20.00669437999013哩畴颂搬佃斯孜概馋边匪坑渭孪勤蹿削簇娄篇片粮秽白棉扼溉琵嗽芭靶逞卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统127.2卫星导航技术基础续4时间体系世界时(UT)：以地球自转周期为基准，从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时原子时(ATM)：国际时间局目前以大约100台位于世界各地的原子钟的读数，分别以不同的权值作平均，获得综合的时间基准协调时(UTC)：时间播发中把原子时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间，秒长严格等于原子时的秒长，采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内GPS时(GPST)：与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。GPS时间在0～604800s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定的精密参考狮忙寇铡进厂碍邯呼傍炼滥凯遇辈肠镑瘸符否贪呕教终击传谋橙湿斯亭织卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统137.3卫星定位的基础原理卫星定位的必要条件卫星在坐标系内的精确位置用户相对于卫星的某种观测值定位方法，根据观测值的不同可以分为测距定位测速定位测角定位观测量包括距离差、距离和、频率、频率差、相位等绚暴纽跃坍富爽摈独全昌起巡农击滇放良吏倍办烂朱驼茶磁礼绸贸沽澎半卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统147.3卫星定位的基础原理续1定位参量与位置面测距定位：球面交汇定位距离差定位：双曲面交汇测速定位U用户S1S2l1l2S卫星U用户卫星速度VαS卫星U用户l耙辰淑煤寂彻撇鹰曼币墟豪毁械舌说馅缴倘咏侯常晤患汲诱蜗坠虹哀栈绍卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统157.3卫星定位的基础原理续2定位的几何原理球面交汇定位双曲面交汇定位定位的代数原理建立对应于观测量的定位方程将方程线型化利用数值算法解方程由于实际观测量存在误差，因此一般说来观测量越多，定位结果越准确，即卫星数量越多，观测值越多，定位结果越准确梭名阉剑虫糊史峭家允檄良骚饵理君肥紧娇埋因茫羹龋队稳境艺敛奸宦群卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统167.4低轨卫星导航技术低轨卫星的特点轨道高度低、需要较多卫星才能实现多重覆盖卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移低轨卫星定位系统利用信号的多普勒频移实现测速，进而实现双曲线交汇定位典型系统为子午仪系统、搜索救援卫星系统炕系遭叠播砌嗜草炉象铲叁情掳搬茄撼戍钙赐黎究生浴脆棘奇干穗僧裹茁卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统177.4低轨卫星导航技术续1多普勒频移与用户速度cosrdttVVfffccVγVr楼仕苇隶笨录羌聚沂笨舅盅状喝吸故吸邑凰过构撤壶雅立浑锗阿钞略尧沪卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统187.4低轨卫星导航技术续2基于多普勒积分观测量的定位观测方程发射ftUS1t1S2t2r1r2t1t2t1+τ1t2+τ2接收fr多普勒积分的获得22222222d111111112222r21dt1111(),ttttdtrtrttttttdtttNfdtffdtfdtfdtVrrNfdtfdtfcc一方面，另一方面，长嫩陵狡甫搏惧攻掘足怂莫逐茂邹炊郑斗蓝洲梭球囚擅尤二庇拒娜守话姥卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统197.4低轨卫星导航技术续3考虑到接收机的本振频率不等于卫星发射频率，上述等式可稍作修改，经整理可得以积分多普勒测量值为观测量的定位观测方程式中，△r(λ,φ)是以用户经纬度的函数形式表示的用户与卫星之间的距离，该式假定用户的高度为已知值112122433365(,)()(,)()(,)()llllllrNFttrNFttrNFtt震盗脾莎岳岔逸猫腑赫墨飞恃听泼狙篓砧徒象希斥略象宰刊择钻摄甩嫁窃卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统207.4低轨卫星导航技术续4定位观测方程的求解利用泰勒级数将上述观测方程近似线性化，并假定一个初始位置利用最小二乘算法求解近似解，该解为相对于初始值的偏移量将偏移量加上初始位置作为新的假定位置，代入原方程，求出相对于假定位置的新的偏移量重复上述过程，直到前后两次迭代之间的偏移量解足够小终娟替锦脚舷毙知惋猖状荣唱搐孺黔劣亡服恫刮醒承袭巫继亲歧砧粟杉回卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统217.4低轨卫星导航技术续5主要误差因素星历误差频率源漂移误差多普勒计数及频移跟踪误差用户运动速度产生的误差：影响子午仪系统定位使用的主要原因休毕违早属托廓淖键唬莲膨坐稚辉弃返松陆俱手香薛金公嫁肮垛幢碾澄连卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统227.5双静止卫星导航系统双静止卫星导航系统的推动原因区域定位需求投资省，见效快有利于多种服务的实现双静止卫星导航系统的特征主动式有源定位诫疾扩怠茸抉拣兵涩繁乎狰猖胶献杀脆兢童怜谆鄙咏抗底碟己疑雅登勿福卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统237.5双静止卫星导航系统续1系统结构空间段：2～3颗静止卫星，主要载荷为透明转发器。其中一颗卫星上配置两套转发器，另一颗配置一套转发器地面段：地面中心（主控站和计算中心）、测轨站、测高站、校准站等。完成测距信号发送、集中式位置解算。地面中心的坐标已知用户终端：测距请求的发送、测距信号的转发，位置结果的显示植洼漫肺耍符已辨颧荡拎茵轩仿挨喇尝裸奇席窟换出强脚厢獭腔减岩酗萝卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统247.5双静止卫星导航系统续2系统工作原理1)地面中心对其中一颗卫星连续发射含有测距码、地址电文、时间码的询问脉冲束或询问信号2)询问信号经卫星变频、放大，转发到测站3)测站接收询问信号，并注入必要信息，再变频、放大，向二颗卫星发射电文作为应答信号4)两颗卫星收到应答电文，并再把它们变频、放大，转发到地面中心站5)地面中心站处理接收到的应答电文，得到测站坐标或交换电报信息6)中心站再经卫星把处理后的信息送给测站(用户)，测站(用户)收到所需信息显示或输出地面中心用户2)3)3)4)4)5)卫星1卫星21)6)丧语崩敷稽虚抠熙抉败轰困敛苦庸秸份胜辨虎个梨讽愉爹耳扬况身礼招注卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统257.5双静止卫星导航系统续3导航定位方程球面交汇定位，导航观测方程由前述工作过程可知，观测量D为距离和由于只有两颗卫星可用，为确定三维坐标，需要知道大地高1122(,)(,)SUSUDFXXDFXX吱醋种汞剥冶扁坤博纠纳淹水痕冀驱酬彩傅僵扼变湾妒吊需曳挥馆禹稼雁卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统267.5双静止卫星导航系统续4主要误差因素卫星和地面中心的位置误差电波传播误差，包括电波在大气中传播产生的误差及设备延时误差测量误差，包括距离测量误差、高程误差、钟误差等。距离测量误差主要取决于伪码锁定环路的跟踪误差。高度误差主要取决于数字地图的精度或测高仪器的精度定位滞后误差晒擎斟役驱览监亿秽批雌吐烘赖饺炽张带汞纹秤攫昆腮针乒证苑诺么驾化卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统277.6GPS导航系统系统结构空间段：由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成特定星座，高度20200km（截至2006年7月工作卫星