卫星导航原理ppt课件
合集下载
卫星导航概述ppt课件
地形辅助导航系统（TANS）
有源和无源无线电导航系统
电子测距系统
伏尔（VOR）
罗兰-C
•罗兰-C 是由美国的海岸警卫队在 50 年代末研制成功的。 •导航方式跟罗兰-A 基本相同，但作用距离可以达到 1000
海里，可以用作远程导航系统。
•目前，北大西洋、北太平洋、地中海、中国沿海、美国本土
北宋 （AD.960-1127）
北宋 （AD.960-1127）
航海过程
在 James Cook（1728－1779）以前，船的安全 行驶依靠原始的导航技术，这些技术能够粗略的给 出船的位置。
在航海的过程中，船员们需要知道两条信息： 他们在地球上的经度和纬度的位置坐标，以及精确 的将坐标值映射到地图上。
惯性导航系统（INS）
惯性导航系统的结构图
捷联惯性导航单元结构图
惯性导航系统（INS）
环行激光陀螺仪
MEMS-INS
CNS-天球导航系统
CNS-天球导航系统
地形辅助导航系统（TANS）
78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44
导航历史
早在公元前3500年前，人类就有历史记载用大船装在货物
进行商业贸易的历史。这标志了人类导航艺术的诞生。 早期的
导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来
辨别方向的。他们通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。
他们没有航海图，但他们列出了所需的方向，类似于今天的巡
航向导.
.
导航历史
和苏联（现在的俄罗斯）总共建设了 60 多个台站。
•1975 年，罗兰-C 被美国宣布为标准航海导航系统。
RTK原理及应用ppt课件
05 RTK案例分析
测量案例
总结词
精确度高、应用广泛
详细描述
RTK技术广泛应用于各种测量场景，如地形测量、工程测量、地籍测量等。由 于其高精度定位的特点，RTK技术能够提供厘米级甚至毫米级的定位精度，满 足各种高精度测量需求。
农业应用案例
总结词
自动化、高效
详细描述
RTK技术应用于农业领域，可以实现自动化精准播种、施肥和喷药等作业。通过 高精度定位，可以精确控制农机具的作业路线和深度，提高作业效率和精度，降 低农资消耗和人工成本。
土地资源调查
RTK技术用于土地资源调 查，可提高调查效率和精 度。
交通领域
智能交通
RTK技术可为智能交通系统提供 高精度定位信息，提高交通管理
效率。
车辆导航
利用RTK技术进行车辆导航，可实 现高精度路线规划和实时交通信息 反馈。
公共交通
RTK技术可为公共交通系统提供高 精度定位信息，提高公共交通服务 水平。
RTK技术能够提供厘米级甚至 毫米级的定位精度，满足各种 高精度测量和定位的需求。
实时性
RTK技术能够在短时间内获得 高精度的定位结果，实现实时
动态测量。
自动化程度高
RTK技术结合自动化软件和硬 件设备，可以实现测量过程的
自动化，提高工作效率。
受环境影响小
RTK技术受环境影响较小，如 建筑物遮挡、树木遮挡等对
应用前景展望
智能交通领域
RTK技术可以应用于智能交通领域，提供高精度定位和导航服务， 提高交通效率和安全性。
测量和地理信息领域
RTK技术可以广泛应用于测量和地理信息领域，提供高精度、高可 靠性的定位和测量数据，促进地理信息产业的发展。
第五章--GPS卫星定位的基本原理ppt课件
周跳修复的必要性
➢相位观测值中存在周跳，相当于观测值中存在粗 差，将会严重影响GPS基线解算过程中的最小二 乘估计，使基线解算失败或严重歪曲基线解算的 结果。在GPS动态定位中，如数值为1周的周跳不 修复，将会导致数十厘米的误差。这对于高精度 的GPS测量是无法接受的。
➢周跳的探测与修复是GPS载波相位数据处理中不
编辑版pppt
3
5.1 概述
空 间 距 离 交 会 原 理 图
编辑版pppt
4
5.1 概述
GPS卫星定位的基本原理
观测方程
P点的三维坐标（X，Y，Z）
编辑版pppt
5
5.1 概述
GPS卫星定位方法分类
❖ 依据测距的原理划分： 1）伪距法定位 2）载波相位测量定位 3）差分GPS定位
编辑版pppt
编辑版pppt
30
• 动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限
5.5 GPS绝对定位与相对定位
GPS绝对定位的精度
▪ 受卫星轨道误差、钟差以及信号传 播误差等影响，定位精度较低
- 静态绝对定位精度约为米级 - 动态绝对定位精度为10-40m
编辑版pppt
31
5.5 GPS绝对定位与相对定位
6
5.1 概述
GPS卫星定位方法分类（续）
❖ 根据待定点的运动状态划分：
1）静态定位：对于固定不动的待定点，将
GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时 间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。
2）动态定位：若以两台GPS接收机分别置于
两个待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定 两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。
为单位)后即可得到λN0 。 •将整周未知数当作平差中的待定参数——经典方法
➢相位观测值中存在周跳，相当于观测值中存在粗 差，将会严重影响GPS基线解算过程中的最小二 乘估计，使基线解算失败或严重歪曲基线解算的 结果。在GPS动态定位中，如数值为1周的周跳不 修复，将会导致数十厘米的误差。这对于高精度 的GPS测量是无法接受的。
➢周跳的探测与修复是GPS载波相位数据处理中不
编辑版pppt
3
5.1 概述
空 间 距 离 交 会 原 理 图
编辑版pppt
4
5.1 概述
GPS卫星定位的基本原理
观测方程
P点的三维坐标（X，Y，Z）
编辑版pppt
5
5.1 概述
GPS卫星定位方法分类
❖ 依据测距的原理划分： 1）伪距法定位 2）载波相位测量定位 3）差分GPS定位
编辑版pppt
编辑版pppt
30
• 动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限
5.5 GPS绝对定位与相对定位
GPS绝对定位的精度
▪ 受卫星轨道误差、钟差以及信号传 播误差等影响，定位精度较低
- 静态绝对定位精度约为米级 - 动态绝对定位精度为10-40m
编辑版pppt
31
5.5 GPS绝对定位与相对定位
6
5.1 概述
GPS卫星定位方法分类（续）
❖ 根据待定点的运动状态划分：
1）静态定位：对于固定不动的待定点，将
GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时 间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。
2）动态定位：若以两台GPS接收机分别置于
两个待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定 两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。
为单位)后即可得到λN0 。 •将整周未知数当作平差中的待定参数——经典方法
第七章全球卫星定位导航技术(1)精品PPT课件
纬度
赤道
φ
南极
900 Z
绝对定位例子：天文纬度测量
R adar
(X 1,Y 1,Z 1) (X 0,Y 0,Z 0)
X X
x2 x1 cos sin
y
2
y
1
D
c
o
s
cos
z 2 z 1 s i n
相对定位的例子：目标的雷达定位
绝对定位
相对定位
7.1.3定位与导航的方法和技术
天文定位与导航技术 常规大地测量定位技术 惯性导航定位技术 无线电导航定位技术 卫星导航定位技术
7.1.5组合导航定位技术
20世纪70年代发展于航海、航空与航天等领域 可提高导航定位精度和可靠性 组合导航的方式
➢ 惯性导航与多普勒组合导航系统 ➢ 惯性导航与测向/测距（VOR/DME）组合导航系统 ➢ 惯性导航与罗兰（LORAN） ➢ 以及惯性导航与全球定位系统（INS/GPS）组合导航系统
7.1.2定位需求与技术的发展过程
7.1.3绝对定位方式与相对定位方式
绝对定位：直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系统的 坐标位置测量。
相对定位：确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另一已知
或相关的信息、事件和目标的坐标位置关系。
天顶角 Z
地球自转轴
Z Y
(X 2,Y 2,Z 2)
Z
Y
D
北极
空间测量与制图 4209903
第7章 全球卫星定位导航技术
ห้องสมุดไป่ตู้录
❖概 述 ❖ 全球卫星定位系统的工作原理
和使用方法 ❖ GPS卫星定位导航系统的应用
7.1概 述 No Image
7.1.1定位与导航的概念
GPS 应用及基本定位原理ppt课件
提高时钟精度 选择开阔地 避免高建筑，成片水域，强电磁波干扰源 采用差分GPS技术 及时更新地图软件
25
Thank you !ຫໍສະໝຸດ 26技術管理處GPS 应用及基本定位原理
目录
1 GPS的产生 2 GPS的组成部份 3 GPS基本定位原理 4 GPS定位方法 5 GPS的信号 6 GPS的误差
2
一、GPS 的产生
GPS（Global Positioning System）: 是由美国国防部于1973年12月批准陆海空三军联合 研制的一种军用卫星导航系统，1995年全面建成总 共由24颗卫星组成。
18
四、GPS的定位方法
一、根据所采用观测值 二、根据定位的模式 三、根据接收机运动状态
伪距定位 载波定位
单点定位 差分定位 静态定位 动态定位
19
五、GPS 的信号
载波
L1 1575.42 MHz L2 1227.60 MHz
测距码
C/A码 (粗码) P码 (精码)
C/A码定位精度：29.3m-2.93m P码定位精度：2.93m-0.293m
C/A码 2.1 2.1 4.0 0.7 1.4 0.5 5.3 5.1 12.8 10.2
误 差 值(m)
C/A码加SA 双频P码
2.1
2.1
20
2.1
4.0
1.2
0.7
0.7
1.4
1.4
0.5
0.5
20.6
3.6
20.5
3.3
51.4
8.3
41.1
6.6
23
七、如何减小GPS定位的误差源
24
七、如何减小GPS定位的误差源
服务 可互动通信
25
Thank you !ຫໍສະໝຸດ 26技術管理處GPS 应用及基本定位原理
目录
1 GPS的产生 2 GPS的组成部份 3 GPS基本定位原理 4 GPS定位方法 5 GPS的信号 6 GPS的误差
2
一、GPS 的产生
GPS（Global Positioning System）: 是由美国国防部于1973年12月批准陆海空三军联合 研制的一种军用卫星导航系统，1995年全面建成总 共由24颗卫星组成。
18
四、GPS的定位方法
一、根据所采用观测值 二、根据定位的模式 三、根据接收机运动状态
伪距定位 载波定位
单点定位 差分定位 静态定位 动态定位
19
五、GPS 的信号
载波
L1 1575.42 MHz L2 1227.60 MHz
测距码
C/A码 (粗码) P码 (精码)
C/A码定位精度：29.3m-2.93m P码定位精度：2.93m-0.293m
C/A码 2.1 2.1 4.0 0.7 1.4 0.5 5.3 5.1 12.8 10.2
误 差 值(m)
C/A码加SA 双频P码
2.1
2.1
20
2.1
4.0
1.2
0.7
0.7
1.4
1.4
0.5
0.5
20.6
3.6
20.5
3.3
51.4
8.3
41.1
6.6
23
七、如何减小GPS定位的误差源
24
七、如何减小GPS定位的误差源
服务 可互动通信
《GPS卫星定位原理》PPT课件
静态定位与动态定位的不同点
静态定位
动态定位
可靠性强，定位精度 高，在大地测量、工 程测量中得到了广泛 的应用，是精密定位 中的基本模式。
可测定一个动点 的实时位置、运 动载体的状态参 数。如速度、时 间和方位等。
二、单点定位与相对定位
1. 单点定位(绝对定位) 独立确定待定点在坐标系中的绝对位置的方法称为单点定位或绝对定位。由
均为已知值。待定点P即为需要确定的船舶位置。用户用专用的无线电接收机按被
动式测距方式测定了至A点的距离RA和至B点的距离RB。于是我们就能根据以A为 圆心，以RA为半径的定位圆和以B为圆心以RB为半径的定位圆交出待定点P的位置.
A （圆心）
B（圆心）
当然两圆相交一般有两个交点，但根据待定点的概略位置通常是不难加以判断 和取舍的。而且为了提高解的精度和可靠性，实际上使用的已知信号发射台也往 往不止两个。也就是说实际上我们往往是从三个或三个以上已知点来交会P点的。 在这种情况下便不再存在多值性问题。
后到达接收机，接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码（复制 码），并通过时延器使其延迟时间 。将这两组测距码进行相关处理，若自相关系
数已和接收，到则的继来续自调卫整星延的迟测时距间码对，齐直，到复自制相t码关的系延数迟时间或趋就近等于于1卫为星止信。号此的时传复播制时码
间 。 将 乘 上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。
播时间 ，它还包含了两台钟不同步的影响在内。此外，由于信号并不是完全在真
空中传播的，因而观测值 中也包含了大气传播延迟误差。在伪距测量中，一般把
在
的条件下求得的时延 和真空中的光速c的乘积 当作观测值，下面我
们将建立卫星与接收机之间R(的t) 几 m何a距x 离 与观测值 之间的关系式。
精品课程《GPS原理及应用》课件第5章 GPS卫星导航
利用（2）式解算运动载体的实时点位时，后续点位 的初始坐标值可以依据前一个点位坐标来假定，因 此，关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能 精确求得第一个点位的三维坐标。
5.2.2 伪距差分动态定位
所谓差分动态定位（DGPS）就是用两台 接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS 卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户 的精确位置，其中一个测站是位于已知坐标点， 设在该已知点（又称基准点）的GPS信号接 收机，叫做基准接收机。它和安设在运动载体 上的GPS信号接收机（简称动态接收机）同 时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。
基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进 行比较，便可获得GPS定位数据的改正值。 如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫 星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实 时位置，便叫做实时差分动态定位。
由式（1）可知，基准站R测得至GPS卫星j的 伪距为
5.2.3 动态载波相位差分测量
GPS载波相位测量方位不仅适用于静态 定位，同样也适用于动态定位，并且已取得厘 米级的三维位置精度。 由载波相位观测方程得出动态差分方程：
不仅如此，GPS卫星的入轨运行，还为 大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体 力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学 提供了一种高精度和全天候的测量新技术。 GPS在导航领域的应用，有着比GPS静 态定位更广阔的前景，两者相比较，GPS导 航具有：用户多样、速度多变、定位实时、数 据和精度多变等特点。因此，应该依据GPS 动态测量的这些特点，选购适宜的接收机，采 用适当的数据处理方法，以便获得所要求的运 动载体的状态参数的测量精度。
定时有着广泛的应用。从日常生活到航天 发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时。 随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要 求也不一样。 GPS卫星都安装有4台原子时钟，GPS 时间受美国海军天文台经常性监测。GPS系 统的地面主控站能够以优于±5ns的精度，使 GPS时间和世界协调时之差保持在 以 内。此外，GPS卫星还向用户播发自己的钟 差、钟速和钟漂等时钟参数，加之利用GPS 信号可以测得站址的精确位置，因此，GPS 卫星可以成为一种全球性的用户无限的时间信 号源，用以进行精确的时间比对。
《GPS卫星导航》PPT课件
d r )
及
X j Xk
2
Y j Yk
2
Z j Zk
2
1
2 dr
(6-8)
应
则基准/动态接收机的钟差之差所引起的距离偏差为：
用
dr cd k d r
(6-9)
如果基准/动态接收机各观测了4颗GPS卫星，则按（6-8）列 出4个方程式，可解出4个未知数（Xk，Yk，Zk，△dr）。
便得到线性方程：
用
X A1B
（6－2）
6.2.1 单点动态定位
G
其中矩阵:
P
X X u Yu Zu T
S 测 量 原
X
1
10
X u0
X2
X u0
Y 1 Zu0
1 0
Y 1 X u0
理
20
20
Z 1 Zu0
10
Z 2 Zu0
20
1
1
及 应
X 3 X u0
30
1 c
[ij I (t)
ijT
(t)]
上述计算可见，当观测站坐标已知时，只需观测1颗卫星，即可确定未知钟差
差数；如果观测站坐标未知，则至少同步观测4颗卫星，以便在确定观测站
G
位置的同时，确定接收机钟差（如前述的实时绝对定位）。
P
单站单机测时的目的在于确定用户时钟相对GPS时的偏差，进一步根据导航
S
及 由此可得载体运行方向的速度为 应
用
vs X 2 Y2 Z 2 1 2
上述测定航速的方法，不需要新的观测量，计算
简单，测速的实质仍是定位。上述计算是在时间段
G P
t内的平均速度，如果计算过程中所取时间间隔过
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
r
3
r1
18
1
r
2
卫星
2
卫星导航原理
卫星导航系统（GPS/BD2RNSS）
定位基本原理
• 三维空间中，若某点
卫星 [x3,y3,z33]
卫星
到三个已知参考点的 距离能获得，则该点
r
3
[xu,r1yu1,
[x1,y1,z1] 坐标可以被唯一地确 定
19
r zu]
2
r1
x1 x
• 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）
3
• 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
• 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）
13
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
卫星导航原理
• 在ECEF下
GSO
MEO
–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
Z X 11
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。
12
卫星导航原理
地心地固系
（ECEF-Earth Centered Earth Fixed）
航精度要求较低。
6
• 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
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。
7
卫星导航原理
什么是定位或位置确定？实际上就
B
A’ 出发点
目的地
4
卫星导航原理
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(Positioning System)。
5
卫星导航原理
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
• 从参考点向某点发送参考点的时间信息， 20 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
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
21
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。
GEO
14
GEO
ECEF下卫星的运行轨道
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
15
• 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
PVT解算
•对
– P（位置，Position）;
– V（速度，Velocity）
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
原点
10
三轴指向 尺度
卫星导航原理
地心惯性系
（ECI-Earth Centered Inertial coordinate system）
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 Y轴由右手坐标系规则确定 多用于描述卫星轨道
是获得某个点在一个坐标系里的坐标
值。
8
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（Cartesian
9
Coordinate System,也称为“空间直角坐标系”）
2
y1 y 2
z1 z
卫星
[2x2,y2,z2]
r2
x2
x
2
y2 y
2
z2 z
r3
x3 x
2
y3 y
2
z3 z
卫星导航原理
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
22
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
卫星1
卫星2
卫星3
23
用户机
地面控制中心
标校站
“北斗一号”工作原理图
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
卫星导航原理
简单导航实例
C
• 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 A 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。
16
– T（时间，Time）
的计算，通常称之为PVT解算。
卫星导航原理
二维定位基本原理
R
r1
பைடு நூலகம்
r2
17
S1
S2
r1
x1 xu
2
y1 yu
2
r2
x2 xu
2
y2 yu
2
卫星导航原理
卫星导航系统（GPS/BDRNSS） 定位基本原理
卫星
3
卫星
卫星导航原理
卫星导航原理
卫星导航原理
• 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，2 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
什么是导航(Navigation)?