国内外卫星导航技术发展综述
合集下载
相关主题
- 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)。
(ρ)
j j
err =
j
∑ 5x Δx + b i =1 i
5F
j
(ρ)
j
p
+F
j
( 6)
或写成
V = AX + L. ( 7)
T
再用最小二乘法求解 :
( 2) X = (A A )
T - 1
p
Δ tR , =ρ + c
j
A L,
( 8)
式中 :ρ为第 j颗卫星到用户接收机的空间距离 ;
(ρ) 为第 j颗卫星到用户接收机间的伪距测量值 ;
(ρ)Βιβλιοθήκη Baidu
j
伪距的时间表达式为
Rρ ( t) = ( n ( t) - n ( t) ) c = R u ( t) +ΔT ( t) c = [ tR +ΔT ( t) ] c,
l l r
( 1)
p
式中 : n ( t) 为接收机恢复和卫星钟时刻标志的钟面
r 时 ; n ( t) 为本地 t 时刻接收机恢复出的卫星钟面
j
按最小二乘法可以简便地对所解参数进行精度估 计:
mxi = qii ・m , ( 9)
p
Δ tR 为接收机时钟相对于卫星时钟的钟差 。 式 ( 2 ) 可改写为
式中 : m 为伪距测量误差 ; qii为矩阵 Q L 中 i行 i列元
・48・ 素, 故
Q L = (A A )
T - 1
现代防御技术
j
p ρ Δ tR - c Δ tj , =ρ + c
式中 :Δ t 为第 j颗卫星时钟相对于导航系统时钟之 差 ;Δ tR 为接收机时钟相对于导航系统时钟之差 。 当观测多颗卫星时 , 有
3
(ρ)
j
p
= [
∑( x
i =1
j i
- xi ) ]
2
1 /2
Δt , +b - c
j
( 4)
1 导航卫星星座性能指标及评价方法
F ig11 The un true d istance and ti m e d ifference
余弦 ;Δxi 为接收机天线位置坐标改正数分量 ; F (ρ) 为经各项误差修正后的测量伪距与接收天线
j
j
p
至卫星 j的近似几何距离之差 。 然后采用迭代法更新初始值 。当观测的卫星多 于 4 颗时 , 又当都是完好性合格时 , 用平差法求解 , 只要将伪距观测量视为含有误差的测距值 , 即以
(水平位置几何精度因子 ) , VDOP (高程几何精度因
导航卫星在实际工作中 , 可能会伴随故障的出 现 ,如卫星的陨落 、 剥蚀 、 烧伤 、 损坏及单粒子事件 等 ,都会不同程度地影响整个系统的正常运行 。所 以导航星座的设计必须具有一定的在轨冗余备份能 力 。这样在导航卫星出现故障情况下 , 系统能够继 续对指定区域实时地提供导航信号 , 确保系统的可
2008 年第 36 卷第 5 期
自主性能指标 、 可用性 、 可靠性以及完善性指标等 。
. ( 10 )
( 1 ) 冗余维持指标
卫星导航系统中 ,已扩展到 3 维定位及定时 ,除 几何精 度因 子 GDOP ( geom etric dilution p recision ) 外 ,还有 PDOP (三维位置几何精度因子 ) , HDOP
( ESNS, European satellite navigation service system ) 。
3
收稿日期 : 2007 - 12 - 28; 修回日期 : 2008 - 02 - 26 作者简介 : 武虎子 ( 1981- ) ,男 ,陕西富平人 。 硕士生 ,研究方向为飞行器控制及导航制导 。 通信地址 : 100191 北京海淀区知春路 29 号大运村学生公寓 10 号楼 1506B 电话 : 010 - 82351529
3
摘 要 : 随着高科技的飞速发展 ,卫星导航技术也日新月异 。主要叙述了导航卫星星座的导航 定位原理 、 精度指标和性能指标的评价方法以及国内外卫星导航技术的发展趋势 ,分析了各种卫星 导航技术 (美国的全球定位系统 GPS、 俄罗斯的 GLONASS系统 、 中国的 CNSS— — — “ 北斗 ” 卫星导航 定位系统以及将要投入使用的欧洲 GAL IELO 卫星导航系统 ) 中存在的问题以及给出解决这些问 题的可行方案 。从而为工程实际应用提供了借鉴的依据 。 关键词 : 卫星导航技术 ; 发展趋势 ; 可行方案
m H = HDO P ・m.
GDOP 是综合的几何精度因子 , 表示所观测卫
由于导航卫星系统地面测控部分的地理位置固 定 ,很容易遭到袭击和干扰 ,所以长时间得不到地面 测控系统支持的情况下 , 导航卫星则通过星间双向 测距 、 数据交换以及星载处理器不断地对存储的导 航数据进行修正和更新 , 能够在一定时间段内按照 精度和功能要求利用自主导航算法实现系统的自主 运行 。在现有的技术条件下 , 如果完全脱离地面控 制设备自主导航长期运行是不可能的 , 它需要地面 控制中心在一定的时间间隔内上载卫星长期预报星 历、 钟差及其他参数等 。另外 , 星间链路的条数 、 结 构、 布置 、 频谱选择都会对卫星自主轨道测定及时间 同步精度产生影响 。因此 , 星座自主性能指标包括
1. 1 卫星导航定位方程及其精度评定
[1 - 2]
j 式中 : xi ( i = 1, 2, 3 ) 为所测卫星 j与接收机在所采用
的地面坐标系中坐标值的 3 个分量 ; b 为接收机时 钟差的等效距离偏差 。 由于卫星钟钟差 Δ t 和卫星的位置是已知的 , 可根据 4 颗卫星的位置和所测得的伪距观测值 , 写 出 4 个伪距方程 , 从而解算出用户机的位置和钟差 。 导航定位方程可写为
中图分类号 : V47412 + 5; P228 文献标志码 : A 文章编号 : 1009 2 086X (2008) 2 05 2 0046 2 06
Summary of Sa tellite Nav iga tion Technology D evelopm en t a t Hom e and Abroad
m v = VDO P ・m. ( 15 )
连续覆盖指标其实就是衡量导航卫星对指定区 域实时提供信号覆盖的能力 ,从实际工程角度考虑 , 连续覆盖指标被定义为造成信号或导航定位服务丢
2
对于水平位置有
HDO P = PDO P - VDO P ,
2
( 16 ) ( 17 )
失的概率 。
( 4 ) 自主性能指标
( 3 ) 连续覆盖指标
于是
m p = PDO P ・m.
类似地 ,可以定义 HDOP, VDOP,只是由于 3 个 坐标轴指向与接收机所在位置的垂直高程方向不一 致 , VDOP要以沿坐标轴 3 个分量误差在接收机垂 线上的投影表示 ,即
3
VDO P =
0
∑( x
i =1
0
i
q) .
( 14 )
式中 : xi 为 3 个坐标轴的单位矢量 。
Abstract:W ith the fast developm ent of high - technology, satellite navigation technology w ill change quickly . The p rincip le of navigation position, the evaluation m ethods of p recision index and performance index for navigation satellite constellation and developm ent trend of Satellite navigation at hom e and a2 broad is discussed mainly, their existing p roblem s and giving feasible schem es of solving them is ana2 lyzed, mainly include ( global positioning system ) ( GPS) of America, the Global Navigation satellite sys2 tem ( GLONASS) of Russia, the “B ei Dou ” satellite navigation system of China and “p raposal” satellite navigation system of Europe to be used. Therefore, the references were p rovided which app lied to real ap 2 p lication of engineer . Key words: satellite navigation technology; developm ent trend; feasibility p raposal
j j p j + err 代替上式中 (ρ ) , 而 err 可以应用泰勒
级数对式 ( 4 ) 展开式并略去高次项得到
3
时 ; R u ( t) 为本地 t 时刻用户至卫星的空间距离 ; tR 为信号自卫星到用户的传播时延 ;ΔT ( t) 为本地 t时 刻卫星钟与本地钟的差 ; c为光速 。 对式 ( 1 ) 做相应的变换后有
4 p 1 1 p 2 2 p 3 T
j
1 2 1 3 1 4
1 2 2 3 2 4
1 2 3 3 3 4
Δx1
;X =
Δx2 Δx3
b
;
3 p 4 - (ρ ) , F - (ρ ) , F - (ρ ) , F -
(ρ ) ) ; ei 为卫星 j观测方向对 3 个坐标轴的方向
图 1 伪距与钟差示意图
mp = qx + qy + qz ,
2 2 2
( 12 )
定义
PDO P = q11 + q22 + q33 ,
2 2 2
( 13 )
由于卫星的入轨误差以及长期摄动的影响 , 致 使产生漂移误差 ,这样就不能保持导航卫星组网初 期的基本构形 ,导致星座覆盖范围变小 ,卫星轨道高 度降低 ,卫星本身的许多性能受阻 。导航星座构形 保持是通过控制星座卫星实际站位与标称站位的偏 差在容许范围内来实现的 。根据导航星座构形的特 点和覆盖区域的要求 , 可采用绝对站位保持和相对 站位保持 2 种方法 。
0 引 言
随着通讯技术 、 计算机技术 、 信息论及航天与空 间技术的迅猛发展 ,卫星导航技术也日新月异 ,越来 越多的工程领域 (通讯 、 导航 、 侦察 、 监视和地球观
测等 )都离不开导航技术的支持 。当前 , 美国正在 设计试验新的第 2 代工作卫星改进系统 ; 俄罗斯也 实施“ 恢复 GLONASS ” 计划 ; 欧洲也紧锣密鼓地发 展以军民共用的 GAL IEO 欧洲卫星导航服务系统
AX = L , ( 5)
j
导航卫星在高精度原子钟的精密时间控制下发 射无线电导航信号 , 用户接收机对接收信号进行处 理 ,恢复出卫星时间信号 , 与本地钟进行时间比对 , 完成伪距测量 。其基本关系如图 1 所示 。
式中 :
e1 e2 e3 - 1 A = e e e - 1 e e e - 1 e1 e2 e3 - 1 L = (F
2008 年 10 月 第 36 卷 第 5期
现代防御技术 MOD ERN D EFENCE TECHNOLO GY
Oct . 2008 Vol . 36 No. 5
导航 、 制导与控制
国内外卫星导航技术发展综述
武虎子 ,南 英 ,付莹珍
(南昌航空大学 航空与机械工程学院 , 江西 南昌 330063)
WU Hu 2zi, NAN Ying, FU Ying2zhen
(Nanchang University of Aeronautics, Aeronautic and mechanical Engineering college, J iangxi Nanchang 330063, China )
子 ) , TDOP (钟差几何精度因子 ) 。 定时误差为
mT = q44 = TDO P ・m , ( 11 )
用性 、 可靠性和完善性 。一般冗余维持指标主要针 对一颗以上的卫星出现故障的情况下星座提供满足 降级的连续覆盖 、 空间构图和定位精度等性能指标 的能力 。
( 2 ) 构形保持指标
当 m 以时间延迟 ( TD ) 表示时 , m T 即为定时误差 。 同理 , 对于三维位置误差有
E2 ma il: whz1981123@126. com
武虎子 ,南 英 ,付莹珍 : 国内外卫星导航技术发展综述
・47・
( 3)
卫星导航技术的出现和发展 ,是 21 世纪工程进 展中一项重大技术变革 , 推动了世界政治 、 经济 、 军 事和科学的发展 。所以了解卫星导航技术对我国相 关领域技术的改进和拓展具有十分重要的参考价值 和工程意义 。
j j
err =
j
∑ 5x Δx + b i =1 i
5F
j
(ρ)
j
p
+F
j
( 6)
或写成
V = AX + L. ( 7)
T
再用最小二乘法求解 :
( 2) X = (A A )
T - 1
p
Δ tR , =ρ + c
j
A L,
( 8)
式中 :ρ为第 j颗卫星到用户接收机的空间距离 ;
(ρ) 为第 j颗卫星到用户接收机间的伪距测量值 ;
(ρ)Βιβλιοθήκη Baidu
j
伪距的时间表达式为
Rρ ( t) = ( n ( t) - n ( t) ) c = R u ( t) +ΔT ( t) c = [ tR +ΔT ( t) ] c,
l l r
( 1)
p
式中 : n ( t) 为接收机恢复和卫星钟时刻标志的钟面
r 时 ; n ( t) 为本地 t 时刻接收机恢复出的卫星钟面
j
按最小二乘法可以简便地对所解参数进行精度估 计:
mxi = qii ・m , ( 9)
p
Δ tR 为接收机时钟相对于卫星时钟的钟差 。 式 ( 2 ) 可改写为
式中 : m 为伪距测量误差 ; qii为矩阵 Q L 中 i行 i列元
・48・ 素, 故
Q L = (A A )
T - 1
现代防御技术
j
p ρ Δ tR - c Δ tj , =ρ + c
式中 :Δ t 为第 j颗卫星时钟相对于导航系统时钟之 差 ;Δ tR 为接收机时钟相对于导航系统时钟之差 。 当观测多颗卫星时 , 有
3
(ρ)
j
p
= [
∑( x
i =1
j i
- xi ) ]
2
1 /2
Δt , +b - c
j
( 4)
1 导航卫星星座性能指标及评价方法
F ig11 The un true d istance and ti m e d ifference
余弦 ;Δxi 为接收机天线位置坐标改正数分量 ; F (ρ) 为经各项误差修正后的测量伪距与接收天线
j
j
p
至卫星 j的近似几何距离之差 。 然后采用迭代法更新初始值 。当观测的卫星多 于 4 颗时 , 又当都是完好性合格时 , 用平差法求解 , 只要将伪距观测量视为含有误差的测距值 , 即以
(水平位置几何精度因子 ) , VDOP (高程几何精度因
导航卫星在实际工作中 , 可能会伴随故障的出 现 ,如卫星的陨落 、 剥蚀 、 烧伤 、 损坏及单粒子事件 等 ,都会不同程度地影响整个系统的正常运行 。所 以导航星座的设计必须具有一定的在轨冗余备份能 力 。这样在导航卫星出现故障情况下 , 系统能够继 续对指定区域实时地提供导航信号 , 确保系统的可
2008 年第 36 卷第 5 期
自主性能指标 、 可用性 、 可靠性以及完善性指标等 。
. ( 10 )
( 1 ) 冗余维持指标
卫星导航系统中 ,已扩展到 3 维定位及定时 ,除 几何精 度因 子 GDOP ( geom etric dilution p recision ) 外 ,还有 PDOP (三维位置几何精度因子 ) , HDOP
( ESNS, European satellite navigation service system ) 。
3
收稿日期 : 2007 - 12 - 28; 修回日期 : 2008 - 02 - 26 作者简介 : 武虎子 ( 1981- ) ,男 ,陕西富平人 。 硕士生 ,研究方向为飞行器控制及导航制导 。 通信地址 : 100191 北京海淀区知春路 29 号大运村学生公寓 10 号楼 1506B 电话 : 010 - 82351529
3
摘 要 : 随着高科技的飞速发展 ,卫星导航技术也日新月异 。主要叙述了导航卫星星座的导航 定位原理 、 精度指标和性能指标的评价方法以及国内外卫星导航技术的发展趋势 ,分析了各种卫星 导航技术 (美国的全球定位系统 GPS、 俄罗斯的 GLONASS系统 、 中国的 CNSS— — — “ 北斗 ” 卫星导航 定位系统以及将要投入使用的欧洲 GAL IELO 卫星导航系统 ) 中存在的问题以及给出解决这些问 题的可行方案 。从而为工程实际应用提供了借鉴的依据 。 关键词 : 卫星导航技术 ; 发展趋势 ; 可行方案
m H = HDO P ・m.
GDOP 是综合的几何精度因子 , 表示所观测卫
由于导航卫星系统地面测控部分的地理位置固 定 ,很容易遭到袭击和干扰 ,所以长时间得不到地面 测控系统支持的情况下 , 导航卫星则通过星间双向 测距 、 数据交换以及星载处理器不断地对存储的导 航数据进行修正和更新 , 能够在一定时间段内按照 精度和功能要求利用自主导航算法实现系统的自主 运行 。在现有的技术条件下 , 如果完全脱离地面控 制设备自主导航长期运行是不可能的 , 它需要地面 控制中心在一定的时间间隔内上载卫星长期预报星 历、 钟差及其他参数等 。另外 , 星间链路的条数 、 结 构、 布置 、 频谱选择都会对卫星自主轨道测定及时间 同步精度产生影响 。因此 , 星座自主性能指标包括
1. 1 卫星导航定位方程及其精度评定
[1 - 2]
j 式中 : xi ( i = 1, 2, 3 ) 为所测卫星 j与接收机在所采用
的地面坐标系中坐标值的 3 个分量 ; b 为接收机时 钟差的等效距离偏差 。 由于卫星钟钟差 Δ t 和卫星的位置是已知的 , 可根据 4 颗卫星的位置和所测得的伪距观测值 , 写 出 4 个伪距方程 , 从而解算出用户机的位置和钟差 。 导航定位方程可写为
中图分类号 : V47412 + 5; P228 文献标志码 : A 文章编号 : 1009 2 086X (2008) 2 05 2 0046 2 06
Summary of Sa tellite Nav iga tion Technology D evelopm en t a t Hom e and Abroad
m v = VDO P ・m. ( 15 )
连续覆盖指标其实就是衡量导航卫星对指定区 域实时提供信号覆盖的能力 ,从实际工程角度考虑 , 连续覆盖指标被定义为造成信号或导航定位服务丢
2
对于水平位置有
HDO P = PDO P - VDO P ,
2
( 16 ) ( 17 )
失的概率 。
( 4 ) 自主性能指标
( 3 ) 连续覆盖指标
于是
m p = PDO P ・m.
类似地 ,可以定义 HDOP, VDOP,只是由于 3 个 坐标轴指向与接收机所在位置的垂直高程方向不一 致 , VDOP要以沿坐标轴 3 个分量误差在接收机垂 线上的投影表示 ,即
3
VDO P =
0
∑( x
i =1
0
i
q) .
( 14 )
式中 : xi 为 3 个坐标轴的单位矢量 。
Abstract:W ith the fast developm ent of high - technology, satellite navigation technology w ill change quickly . The p rincip le of navigation position, the evaluation m ethods of p recision index and performance index for navigation satellite constellation and developm ent trend of Satellite navigation at hom e and a2 broad is discussed mainly, their existing p roblem s and giving feasible schem es of solving them is ana2 lyzed, mainly include ( global positioning system ) ( GPS) of America, the Global Navigation satellite sys2 tem ( GLONASS) of Russia, the “B ei Dou ” satellite navigation system of China and “p raposal” satellite navigation system of Europe to be used. Therefore, the references were p rovided which app lied to real ap 2 p lication of engineer . Key words: satellite navigation technology; developm ent trend; feasibility p raposal
j j p j + err 代替上式中 (ρ ) , 而 err 可以应用泰勒
级数对式 ( 4 ) 展开式并略去高次项得到
3
时 ; R u ( t) 为本地 t 时刻用户至卫星的空间距离 ; tR 为信号自卫星到用户的传播时延 ;ΔT ( t) 为本地 t时 刻卫星钟与本地钟的差 ; c为光速 。 对式 ( 1 ) 做相应的变换后有
4 p 1 1 p 2 2 p 3 T
j
1 2 1 3 1 4
1 2 2 3 2 4
1 2 3 3 3 4
Δx1
;X =
Δx2 Δx3
b
;
3 p 4 - (ρ ) , F - (ρ ) , F - (ρ ) , F -
(ρ ) ) ; ei 为卫星 j观测方向对 3 个坐标轴的方向
图 1 伪距与钟差示意图
mp = qx + qy + qz ,
2 2 2
( 12 )
定义
PDO P = q11 + q22 + q33 ,
2 2 2
( 13 )
由于卫星的入轨误差以及长期摄动的影响 , 致 使产生漂移误差 ,这样就不能保持导航卫星组网初 期的基本构形 ,导致星座覆盖范围变小 ,卫星轨道高 度降低 ,卫星本身的许多性能受阻 。导航星座构形 保持是通过控制星座卫星实际站位与标称站位的偏 差在容许范围内来实现的 。根据导航星座构形的特 点和覆盖区域的要求 , 可采用绝对站位保持和相对 站位保持 2 种方法 。
0 引 言
随着通讯技术 、 计算机技术 、 信息论及航天与空 间技术的迅猛发展 ,卫星导航技术也日新月异 ,越来 越多的工程领域 (通讯 、 导航 、 侦察 、 监视和地球观
测等 )都离不开导航技术的支持 。当前 , 美国正在 设计试验新的第 2 代工作卫星改进系统 ; 俄罗斯也 实施“ 恢复 GLONASS ” 计划 ; 欧洲也紧锣密鼓地发 展以军民共用的 GAL IEO 欧洲卫星导航服务系统
AX = L , ( 5)
j
导航卫星在高精度原子钟的精密时间控制下发 射无线电导航信号 , 用户接收机对接收信号进行处 理 ,恢复出卫星时间信号 , 与本地钟进行时间比对 , 完成伪距测量 。其基本关系如图 1 所示 。
式中 :
e1 e2 e3 - 1 A = e e e - 1 e e e - 1 e1 e2 e3 - 1 L = (F
2008 年 10 月 第 36 卷 第 5期
现代防御技术 MOD ERN D EFENCE TECHNOLO GY
Oct . 2008 Vol . 36 No. 5
导航 、 制导与控制
国内外卫星导航技术发展综述
武虎子 ,南 英 ,付莹珍
(南昌航空大学 航空与机械工程学院 , 江西 南昌 330063)
WU Hu 2zi, NAN Ying, FU Ying2zhen
(Nanchang University of Aeronautics, Aeronautic and mechanical Engineering college, J iangxi Nanchang 330063, China )
子 ) , TDOP (钟差几何精度因子 ) 。 定时误差为
mT = q44 = TDO P ・m , ( 11 )
用性 、 可靠性和完善性 。一般冗余维持指标主要针 对一颗以上的卫星出现故障的情况下星座提供满足 降级的连续覆盖 、 空间构图和定位精度等性能指标 的能力 。
( 2 ) 构形保持指标
当 m 以时间延迟 ( TD ) 表示时 , m T 即为定时误差 。 同理 , 对于三维位置误差有
E2 ma il: whz1981123@126. com
武虎子 ,南 英 ,付莹珍 : 国内外卫星导航技术发展综述
・47・
( 3)
卫星导航技术的出现和发展 ,是 21 世纪工程进 展中一项重大技术变革 , 推动了世界政治 、 经济 、 军 事和科学的发展 。所以了解卫星导航技术对我国相 关领域技术的改进和拓展具有十分重要的参考价值 和工程意义 。