第一讲-全球导航卫星系统概述

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5、卫星导航发展史

司南(指南针)

史上最早的导航工具
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5、卫星导航发展史
纬度测量
经度测量
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5、卫星导航发展史
Longitude and Time
Pole
地球自转：24小时 旋转角度： 360o
n a i rid nce e M ere f Re
P
1小时 15o
确定经度的方法： 1、在A地对好时钟（太阳在头顶时，时钟指向12点） 2、航行到B地后，于本地时12时读时钟显示数 3、将时差换算为经度

。。。
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3、导航的定义与作用

GNSS：

Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统 导航，通过特定的办法获得目标（本体）所在的空间物理位置以及自身速度信息；是一种 为运载体航行时提供连续、安全和可靠服务的技术。


卫星导航系统是一种天基的无线电导航定位和时间传递系统，能够为地球表面和近地空间 的各类用户提供全天候、全天时、高精度的位置、速度和时间等信息服务。完整的卫星导
卫星信号于 “T”时刻发 射
站星距离 = 信号传播时间 x 光速
Xll
GPS接收机于 “T + Δt”收到信号
Vl
6、卫星导航
6.5 数学模型
P R dt dT
P ( X s X ) 2 (Ys Y ) 2 ( Z s Z ) 2 dt dT


1969年，美国国防部长办公室（OSD）建立了国防导航卫星系统计划，拟将各军种的研制工作统一起 来，形成了NAVSTAR GPS的概念，也就是著名的GPS。
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5、卫星导航发展史
——GPS系统实施的四个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。
• 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及 建立地面跟踪网。

1973年12月，国防部批准研制GPS。


1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。
从1973 年到1979 年，共发射了 4颗试验卫星。研制了地 面接收机及建立地面跟踪网。
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5、卫星导航发展史
——GPS系统实施的四个阶段
第二阶段为1979-1983年全面研制和试验阶段。
第三阶段：1983-1987系统应用研究（设备定型投产）。 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了 各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计 标准。
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5、卫星导航发展史 ——GPS系统实施的四个阶段

第四阶段为实用组网阶段。

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统 进入工程建设阶段。

1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。


1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。
1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成， 之后根据计划更换失效的卫星。 1995年7月17日，GPS达到FOC – 完全运行能力（Full Operational Capability）。
观测值
卫星轨道和钟差参数
计算导航电文 注入站 主控站
监测站
6、卫星导航
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
两个站星距离
• 作两个球面 • 两个球面相交为圆 • 测站位于圆圈上
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
一个站星距离
• 测站位于以卫星为球心 ， 站星距离为半径的球面上
6、卫星导航

可靠性高，经济效益好 作用范围大

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5、卫星导航发展史 ——美国子午仪卫星导航系统



1964年在军事上正式投入使用，为北极星导弹潜艇在远海中 导航定位而研制的。 1967年开始提供民用，目前已停止使 用。 子午仪系统由三部分组成，空间、地面监控、用户 空间

6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角90度、周期108min、载 波频率400MHz(导航电文)和150MHz；
P1
1 Xs 1 Ys Z1 s
P2 X s2 2 Ys Z2 s
P3 X s3 3 Ys Z3 s
P4 X s4 4 Ys Z4 s
S1
S2
S3 S4
dT 1

手机基站 作战指挥


线路规划
。。。

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2、参考书目

GPS原理与应用

E.D.Kaplan著，邱万和等译，电子工业出版社

导航与定位（信息化战争的北斗星）

李跃，邱致和等著，国防工业出版社

GPS原理与接收机设计

谢钢著，电子工业出版社

GPS基本原理及其Matlab仿真

李天文编著，西安电子科大出版社

台卡（Decca）

双曲线系统 广泛应用于英国和北欧区域


罗兰-C（Loran-C）系统

20世纪50年代末期研制成功 脉冲双曲线系统，脉冲载频100kHz 作用距离更远；不仅利用脉冲包络，且利用载波相位，定位精度大大提高



奥米伽（Omega）系统

20世纪50年代中期开始 解决其它无线电导航系统无法全球覆盖 工作频率10kHz~14kHz，连续波； 电波传播受各种因素（太阳活动、地磁反常）的影响，定位精度只有2n mile~4n mile。

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5、卫星导航发展史 ——GPS系统实施的四个阶段

1995年，美国国防部公布系统具有军用完全工作能力；

此后几年GPS的定位技术运用在民用方面有巨大的突破，已 经渗透到生活的诸多的方面。

2000年5月1日午夜取消了对GPS的SA技术干扰，使得民用 定位精度得到大幅度提升。
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6、卫星导航
望对此进行改进，这就促成是Timation卫星计划。
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5、卫星导航发展史 ——GPS系统

空军

在此期间也进行了记做为621B系统的卫星定位概念研究 军方设想在三个轨道部署15-20颗卫星，使用数字信号的伪随机噪声（PRN）调制来进行测距。


美国陆军

探讨了诸多可选技术，如测距、测角、和多普勒测量。 但最后也推荐利用PRN调制来测距。
5、卫星导航发展史 ——苏联的奇卡达(Tsikada)卫星导航系统

年代同子午仪系统；
也由三部分组成，空间、地面监控、用户
空间

6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角83度、
周期105min、载波频率400MHz(导航电文)和150MHz；
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5、卫星导航发展史 ——GPS系统

6.4 卫星导航定位的几何原理
三个站星距离
• 作三个球面 • 三个球面两两相交于两点 • 测站位于其中一点
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理

GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会

一个站星距离 = 球面 两个站星距离 = 圆 三个站星距离 = 两点 三个站星距离 + 地球 = 一点

地面

卫星跟踪站、计算中心和注入站；
接收卫星信号、测量多普勒频移，计算用户位置

用户

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5、卫星导航发展史 ——美国子午仪卫星导航系统

子午仪卫星导航系统特点

提供二维导航解； 观测时间8至10min； 精度±40m； 定位间隔1.5小时； 长期观测精度达到±3m至±5m。
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卫星导航系统概述 第一讲
黄恒一
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目录
1.身边的导航 2.导航的定义 3.参考书目 4.导航的意义
5.导航卫星的发展史
6.卫星导航的简介
7.四大卫星导航的简介
8.导航未来的发展方向
1.身边的卫星导航系统

车载导航仪
3
身边的卫星导航系统

手持导航仪
4
身边的卫星导航系统

功能

位置 速度 时间


l
Leabharlann Baidu11
5、卫星导航发展史

陆基无线电导航系统

第一次世界大战期间

海上首次使用了无线电通信

海岸线安装无线电信标台，发射375kHz连续无线电波
船上装有定向机接收无线电波

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5、卫星导航发展 史

陆基无线电导航系统

第二次世界大战期间

罗兰-A系统（Loran-A）

脉冲信号，载频 1.6MHz~1.95MHz，作用范 围400n mile
20世纪60年代：

美国国防部(DOD)、国家航空航天局(NASA)、交通部(DOT) 等政府机 构对发展用于三维定位的卫星系统产生了兴趣。

他们认为，最佳系统应具有如下特性：全球覆盖、连续/全天候工作、 能为高动态平台提供服务，以及高精度。

1964年投入使用的子午仪系统

受到广泛的接受，但由于其存在定位时间长等一些缺陷，美国海军希
dT 2
dT 3
dT 4
(X,Y,Z)
1 1 P1 ( X s X )2 (Ys1 Y )2 ( Z s Z )2 dt dT 1
P 2 ( X s2 X ) 2 (Ys2 Y ) 2 ( Z s2 Z ) 2 dt dT 2 P3 ( X s3 X )2 (Ys3 Y )2 ( Z s3 Z ) 2 dt dT 3 P 4 ( X s4 X ) 2 (Ys4 Y ) 2 ( Z s4 Z ) 2 dt dT 4

古代丝绸之路长途跋涉的骆驼队，古希腊人与罗马人在地中海区域的海上商业活动与战争，中国明代的郑和下西洋，在 没有地物作参考的情况下，没有导航是不可能的。 1990年8月—1991年3月的海湾战争中，在阿拉伯半岛没有任何地形可资参考的茫茫沙海上，从沙漠盾牌到沙漠风暴直至 战后扫雷与救援，多国部队几乎每一种战术操作都离不开卫星导航系统的引导，从而对只有少量卫星导航设备的伊拉克 军队形成了明显的军事优势。 导航是人类从事政治、经济和军事活动所必不可少的信息技术。
6.1 卫星导航系统
q
北斗卫星导航系统
•北斗系统总体计划: 三个建设阶段 •从主动定位到被动定位 •从区域服务到全球服务
亚太地区
全球覆盖 2020
从主动定位 到被动定位
2015 中国 2012
从区域到全球
6、卫星导航
6.2 卫星导航系统特点

高精度 全天候 高效率 三维定位 多用途



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5、卫星导航发展史

陆基无线电导航系统

系统复杂性集中于导航台，船载设备简单，可靠，易于推广； 作战角度看，依赖导航台及电波空间传播，系统生存能力、抗干扰、反利用、抗欺骗能力等不利 作用范围有限



天基无线电导航系统

受外界条件的限制较小 导航定位精度高


子午仪系统40～500m，GPS系统5～100m
P：伪距观测值 R：站星真实几何距离 （X s , Ys , Z s )：卫星坐标 （X , Y , Z )：测站坐标
已知： 伪距观测值P， 卫星坐标( X S , YS , Z S )， 卫星钟差(dT ) 求： 测站坐标( X , Y , Z )， 接收机钟差(dt )
dt：接收机钟差 dT：卫星钟差
6.1 卫星导航系统


具有全球导航定位能力的卫星导航定位系统称为全球卫 星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。 现有全球卫星导航定位系统 GPS GLONASS GALILEO 中国北斗 (BDS)
6、卫星导航

船载接收机：接收来自两个 电台的信号，计算到达时间 差，可知船只处于某一条以 两个发射电台为焦点的地球 表面的一条双曲线上；

再接收另外两个电台信号， 得到另一条双曲线；两条曲 线交点即为船只位置。

能连续给出船位，使用更方 便，且定位精度更高一些。
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5、卫星导航发展史

陆基无线电导航系统

第二次世界大战后
自动化
全球导航
6、卫星导航
6.3 卫星导航系统组成 地面控制部分

主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的 工作）、 地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、 监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传 输）组成

空间部分

卫星组
接收机和信号接收天线

用户部分

6、卫星导航
GPS用户
航系统是一个全球性的蓬勃发展的高技术产业。

基本作用：引导飞机、船舰、车辆（总的称作运载体），还有个人，安全准确地沿着所选 定的路线，准时地到达目的地。
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4、导航的意义

根据传说：

公元前2600，黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿大战，由于有指南车的指引，黄帝的军队在大风雨中仍能辨别方向，因 此取胜。

在楚汉战争中，项羽垓下大败，溃围南逃，到陵阴迷失了道路，于是向一田夫问路，田夫故意给了他一个错误的 引导信息，叫他往左走，结果陷入大泽，再回头时被汉军追及，致使这位力拔山兮气盖世的西楚霸王自刎乌江。