第一讲_全球导航卫星系统概述

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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3、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；

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； 卫星跟踪站、计算中心和注入站；

地面


用户

接收卫星信号、测量多普勒频移，计算用户位置
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3、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




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。


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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3、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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2、导航的定义与作用

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。

美国陆军


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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3、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。


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

可靠性高，经济效益好 作用范围大
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3、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

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
谢钢著，电子工业出版社 李天文编著，西安电子科大出版社

GPS原理与接收机设计


GPS基本原理及其Matlab仿真


。。。
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2、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。

GPS卫星
主控站 监测站 注入站
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4. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分

地面监控部分 （Ground Segment）（续）
科罗拉多 阿松森群岛（大西洋） 迭戈加西亚（印度洋） 卡瓦加兰（太平洋） 夏威夷（太平洋）
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4. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分

监测站（5个）
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4. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分

GPS卫星星座



设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以 上，能够同时观测到4颗以上卫星 当前星座：28颗
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4. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
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4. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分

主要设备


信号生成与发射装置
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4. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分

GPS卫星（续）

类型
试验卫星：Block Ⅰ 工作卫星：Block Ⅱ




Block Ⅱ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力 Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能 力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜 Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫星间可相 互跟踪相互通讯 Block ⅡF（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用 频率

GPS卫星的地面轨迹
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4. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分

GPS卫星

作用：


接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测 距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟）
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3、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）。
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3、卫星导航发展史

陆基无线电导航系统

第二次世界大战后

台卡（Decca）


双曲线系统 广泛应用于英国和北欧区域 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 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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3、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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3、卫星导航发展史
纬度测量
经度测量
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3、卫星导航发展史 Longitude and Time
Pole
地球自转：24小时 旋转角度： 360o
ian e d eri enc M er 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

作用：

接收卫星数据， 采集气象信息， 并将所收集到的 数据传送给主控 站。 夏威夷、主控站 及三个注入站。
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地点：

4. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分

主控站（1个）

作用：




管理、协调地面监控系统各部 分的工作， 收集各监测站的数据，编制导 航电文，送往注入站将卫星星 历注入卫星， 监控卫星状态，向卫星发送控 制指令； 卫星维护与异常情况的处理。
全球导航卫星系统概述 第一讲
张 磊 2011年9月 信息与电子学院 aerolong@bit.edu.cn
1
身边的卫星导航系统

车载导航仪
2
身边的卫星导航系统

手持导航仪
3
身边的卫星导航系统

功能

位置 速度 时间
手机基站 作战指挥


线路规划 。。。
4
1、参考书目

GPS原理与应用
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罗兰-C（Loran-C）系统


奥米伽（Omega）系统


3、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

1964年投入使用的子午仪系统

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3、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。 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。
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4. GPS的系统组成 ——GPS的空间部分
Block IIA Block IIA Block IIR
Block IIR
Block IIR
Block IIF
不同类型的GPS卫星
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4. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分

地面监控部分 （Ground Segment）

组成
主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统
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3、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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4. GPS的系统组成

地点：美国科罗拉多州法尔 孔空军基地。
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4. GPS的系统组成 ——GPS的地面控制部分

注入站（3个）

作用：

将导航电文注入GPS 卫星。 阿松森群岛（大西 洋）、迪戈加西亚 （印度洋）和卡瓦 加兰（太平洋）

地点：

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4. GPS的系统组成 ——GPS的用户部分

组成

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
用户 接收设备 GPS信号接收机 其它仪器设备
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3、卫星导航发展史
——GPS系统

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。 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 军希望对此进行改进，这就促成是Timation卫星计划。

GPS系统由三部分组成


空间部分 地面控制部分 用户设备部分
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4. GPS的系统组成
——GPS的空间部分

GPS的空间部分的组成



GPS卫星星座

6个轨道面 平均轨道高度 20200km 轨道倾角55 周期11h 58min （顾及地球自转， 地球-卫星的几何 关系每天提前 4min重复一次）
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3、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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3、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 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。