卫星导航原理及应用技术

卫星导航原理及应用技术 • 秦红磊电话：010－82316491 Email:qhlmmm@sina.com 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

第2章 GNSS简介 1.1 GNSS 历史 1.2 GPS: 全球定位系统

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。

人造卫星（Artificial Satellite)

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。

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°

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）。

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

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。

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 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。

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. .

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 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

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

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

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)

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

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)

GPS 结构

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

GPS 卫星改进

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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？

GPS 如何工作的? 手持接收机 24个卫星围绕地球旋转

单颗卫星用于定位.

两颗卫星用于定位

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