卫星导航系统

➢ 真近点角
描述轨道上的运动卫星在t时刻相对于近地点P的位置，
为近地点P与实时运动的卫星点S相对地心的角距，它
是一个随时间变化的参数，取值范围为0到2
二. 卫星轨道
在轨位置
➢ 卫星轨道六要素对于描述轨道
➢ 更加方便 ➢ 精度更高 ➢ 时效性更长
因此，在卫星导航电文中往往播发轨道六参量给定位用 户。 ➢ 实际的导航定位应用中，往往需要的是卫星实时的直角 位置坐标数据，而不是轨道六参量。因此，需要将轨道 六参量转化为卫星的位置数据。
➢ 轨道倾角i 描述椭圆轨道在空间的定向，为角动量和z轴的夹角，取
值为0到 。
二. 卫星轨道
卫星轨道参数（续）
➢ 升交点赤经
描述椭圆轨道平面在空间定向的参数，取值范围为0
到2 ，为卫星的升交点与地球系的春分点相对地心
的角距，在赤道平面内沿z轴右旋测量。
➢ 近地点幅角
描述椭圆轨道在其轨道平面内的定向参数，为卫星的 近地点P与卫星的升交点相对地心的角距，在轨道平 面内从升交点沿卫星运行方向度量。
三.卫星导航原理
双星定位的特点
➢ 地面中心集中了所有用户的位置信息和通讯信息， 便于实现对系统中所有用户的监视、指挥和控制。
➢ 但当用户数目过大时，地面中心会因其处理、计算 和控制容量有限而产生系统饱和问题。
➢ 系统中用户设备只是转发信号和解调必要的信息， 设备可做得很简单，但因用户要发射电波，易被侦 测，尤其不利于军事用户对无线电隐蔽的要求。
➢ 因此，总是要假定卫星在任意时刻的位置皆是准确已知的 （即由星历确定），而卫星时钟是与地面同步的，伪距公 式可简化为：
(t) [xu (t) xs ]2 [ yu (t) ys ]2 [zu (t) zs ]2 tu (t)
这时,导航位置可解算要满足两个条件
➢ 用户的钟差不应当是时间独立未知量 ➢ 用户的位置也不应当是时间独立的未知量
三.卫星导航原理
➢双星定位（一）
双星定位采用的是有源工作模式，即用户和地面中心之间 要建立双向通信。通常有三种定位模式，即双发单收、单 收双发和视距模式。
地面中心
用户
双收单发
地面中心
用户
地面中心
用户
单收双发
视距模式
双星定位模式原理图
三.卫星导航原理
➢双星定位（二）
➢ 非视距模式
地面中心通过卫星S1或S2向用户发射询问信号，用户接收 并转发应答信号，应答信号再通过S1、S2两颗卫星返回地 面中心，在地面中心测得距离 rs1 r1 ,rs2 r2
三.卫星导航原理
测量参数 -- 码伪距测量
伪随机码的特性
三.卫星导航原理
码伪距测量原理概述
➢ 卫星发射经伪码扩频调制的载波信号。 ➢ 用户本地接收机产生一个可能与卫星发射的伪码不
同相的本地伪码信号。 ➢ 接收机搜索卫星发射的信号，对信号进行相关检测，
也就是对本地伪码的相位进行粗调。 ➢ 一旦捕捉到信号，便转入对信号的跟踪调整，伪随
三.卫星导航原理
➢三星定位
➢ 两颗卫星的无源测距定位要求卫星和用户都带有精密时钟， 其使用和维护的成本太昂贵。
➢ 增加一颗卫星S3，三颗卫星都带有相互同步的精密时钟， 用户同时接收三颗卫星的电波，解调出时钟信号，或分别 测量S1与S2卫星、S2与S3卫星的传播延时差，相应得到距 离差r1-r2、r2-r3。这两个参量表示两个旋转双曲面，如
二. 卫星轨道
卫星在地心地固坐标系中的速度
计算得到卫星的位置后，对时间求导即可得到卫星的速度。
an cos sin(E(t)) an 1 e2 cos(E(t)) sin cos i
X& Y& Z&
an
sin(E(t))
sin an
1 1 1
e cos(E(t)) an 1 e2 cos(E(t)) e cos(E(t)) e2 cos(E(t)) sin i
➢ 视距模式
视距模式与非视距模式稍有不同，用户的应答信号不是
按原路径返回地面中心，而是由用户直接返回地面中心
三.卫星导航原理
双星定位的特点
➢在系统工作过程中，卫星必须位于地面中心 的视界之内，用户则须处于卫星S1、S2的共 同覆盖区域之内。（同步卫星满足这种要 求 ）。
➢给出的是二维的定位数据，第三维数据可通 过特定条件（如在海平面上）得知，或采取 其它手段（如气压测高、电子地图等）得到。
二. 卫星轨道
开普勒卫星方程
对于理想宇宙空间绕地球作无动力飞 行的卫星，开普勒关于行星运动的三 条定律同样适用，即为：
➢ 第一定律：地球卫星的飞行轨迹 是以地心为焦点的椭圆；
➢ 第二定律：卫星矢径在单位时间 内所扫过的面积为一常数；
➢ 第三定律：卫星轨道周期的平方 与半长轴的三次方的比值为常数。
卫星轨道参数示意图
➢ 卫星轨道六参量
a:椭圆半长轴、e:偏心率、i:轨道倾角、 :升交点赤经、 :近地点幅角、 :真近点角
二. 卫星轨道
卫星轨道参数（续）
➢ 轨道半长轴a 描述轨道尺寸的大小，为椭圆轨道长轴的一半。根据开普 勒定律，它决定了卫星沿轨道飞行一周所需的时间 ：
P 2 (a3 / )1/ 2
➢ 轨道偏心率e 描述椭圆轨道的形状，为轨道椭圆半焦距c与半长轴之比。
地球的摄动函数对卫星轨道的摄动作用， 表现为轨道六参量出现了时间变化率
➢ 日月引力摄动可用摄动加速度描述
三.卫星导航原理
测量参数
➢在经典无线电导航中，电波的振幅是经常 采用的电测量参数，而在卫星导航中则很 少应用 ：
➢ 卫星距离地面比较遥远，信号的传播过程中衰 减较大且不均匀。
➢ 卫星通信大多采用扩频通信，信号功率跟噪声 的功率相当，因而也很难从电波的振幅中提取 出导航信息。
➢ 接收机收到的信号是卫星发播的调制信号，欲利用其 载波进行测量首先要去调制。
载波相位测量示意图
三.卫星导航原理
相位测量问题
多普勒效应 接收的载波频率与本地参考信号频率不同
钟差和空间传播误差
载波与参考信号产生相位差值
通常的相位(或相位差)测量只能给出一周以内的相位值 （0～2π），因此存在整周模糊问题。
(t) [xu (t) xs (t)]2 [yu (t) ys (t)]2 [zu (t) zs (t)]2 tu (t) ts (t)
单星定位的伪距公式
三.卫星导航原理
➢ 单星定位
➢ 如果卫星的位置或者卫星的钟差未知，再多的测量方程也 不能对用户定位，每多一个方程就多一个未知量，故无确 定解。
一.卫星导航系统概述
➢美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。
➢欧洲2000年开始建设“伽利略”系统，该 系统是专门为民用而设计的全球卫星导航定 位系统，预计2010年建成，将比GPS更先进、 更有效和更可靠。
➢中国于九十年代末建成了区域卫星通信和定 位系统“北斗一号”。系统发射的是地球同 步静止卫星，提供有源二维定位功能，定位 精度较GPS和GLONASS要差。
再加上地球面，三个位置面的交点，即为用户位置。
➢ 系统为二维定位，并且定位误差受高度误差的影响较大， 几何精度衰减因子和系统覆盖不能同时达到较好效果。
三.卫星导航原理
➢四星定位
伪距方程中通常含有本地和卫星之间的钟差这一 未知变量，因此利用伪距技术除完成定位外还要同 时解算出钟差，从而要解算的未知数增加到四个， 从解方程的角度考虑至少需要四个独立的伪距测量 方程，即至少需要四颗卫星。
一.卫星导航系统概述
卫星导航发展趋势
相关技术支持 微电子技术 计算机软/硬件技术 网络通信技术 电子数字地图技术
接收机发展趋势 小型化 数字化 硬件软化 多功能组合化
卫星导航应用范围 导弹制导、情报搜集 战场指挥、军事测绘 车船导航、时间同步 陆海空交通管理
卫星导航已经悄悄渗透到人们的日常生活中， 成为继移动通信之后二十一世纪新的经济增长点。
无线电导航原理与系统
第九章 卫星导航系统
一.卫星导航系统概述
卫星导航系统是以人造地球卫星作为导航台 的星基无线电导航系统，能为全球的陆、海、 空、宇的各类运载体和其它用户，提供全天 候、不间断、高精度、实时的三维位置、速 度和时间信息。
世界上第一个投入运行的卫星导航系统是美 国海军导航卫星系统NNSS(Navy Navigation Satellite System)，亦称子午仪(Transit)系 统。
载波相位测量的精度很高，约为(1/100～1/200)的 载波波长。但需要采取措施解决载波相位测量存在 的载波整周多值性问题(整周模糊度)。
三.卫星导航原理
定位原理
➢ 单星定位 ➢ 双星定位 ➢ 三星定位 ➢ 四星定位
➢ 单星定位
最早的子午仪(Transit)系统的定位原理就是单星定位， 它采用序贯（连续）伪距测量的方式获得用户的位置
➢ 伪随机序列测距的精度主要取决于码跟踪环路的跟踪精度， 而码环路之所以有高的跟踪精度主要是利用了伪随机序列 良好的相关特性。采用窄带的环路滤波器也有利于压制噪 声。
三.卫星导航原理
载波相位测量伪距
➢ 载波相位测量伪距，原理和用伪随机码测量伪距相同， 但它是以载波波长作为测量时延的尺度。
➢ 载波相位测量的观测量是接收机所接收到的卫星载波 信号与本振参考信号的相位之差。
一.卫星导航系统概述
一般的卫星导航系统主要由三部分组成 ： ➢ 空间的人造卫星 ➢ 地面测控站 ➢ 用户接收定位设备
二. 卫星轨道
运行轨道
➢ 理想轨道 如只考虑地球引力，且假设地球为质量分布均匀的圆球 情况下，卫星的运行轨道将是一条封闭的椭圆轨道，其 地心处于椭圆的一个焦点上，称为理想轨道。
➢ 摄动轨道 卫星的运行会受到多种因素（如其他天体的引力、太阳 辐射压力、大气阻力等的作用 ）的影响，卫星的轨道实 际上是复杂的空间曲线。这条曲线既不在一个平面内， 也不是封闭的，称为摄动轨道。
四星定位的方程如下：

1
2
3
4
(x xs1)2 ( y ys1)2 (z zs1)2 ct (x xs2 )2 ( y ys2 )2 (z zs2 )2 ct (x xs3 )2 ( y ys3 )2 (z zs3 )2 ct (x xs3 )2 ( y ys3 )2 (z zs3 )2 ct
-10-9
2×10-9
-10-9
3×10-8
5×10-7
6×10-8
10-7
4×10-7
4×10-7
5×10-8
3×10-8
卫星所受各种摄动力 （牛）
地球同步卫星 10-7 10-9 0 -10-9
2×10-7 5×10-7
10-11 8×10-12
二. 卫星轨道
轨道摄动
卫星摄动因素中比较重要的是地球非 球形摄动和日月摄动。 ➢ 地球非球形引力摄动
cos
cos
i
1 e cos(E(t))
二. 卫星轨道
轨道摄动
卫星在轨道上并非仅仅受地心引力的作用，而是受到各种的 摄动影响。
摄动力 引力场二阶带谐项
其他全部球谐项 大气阻力
太阳辐射压力 太阳引力 月球引力 太阳潮汐力 月球潮汐力
低轨卫星
中轨卫星
10-3
10-3
10-6
10-6
4×10-5
机码延时锁定环路使用户产生的本地伪随机序列的 相位始终跟踪被接收的伪随机序列。
三.卫星导航原理
伪距测量原理示意图
三.卫星导航原理
码伪距测量原理
➢ 伪距的测量方法 在精确锁定的情况，本地伪随机序列将与被接收的卫星信 号序列相位同步，而后将本地伪随机序列变换成便于进行 时间测量的脉冲，将此脉冲在用户本地的时间轴上读数， 同时从电文中解读出卫星发射该脉冲的时刻，两者之间的 时间差值就相应于所要测量的伪距所对应的时间。
三.卫星导航原理
测量参数
➢卫星导航系统通常都是利用脉冲测距或相 位测距的手段，并有其典型的导航定位方 法。
➢卫星定位技术中引入了一个很重要的概念， 即伪距 ： r r
三.卫星导航原理
测量参数 -- 码伪距测量
➢ 伪码又称作伪随机码，是现代扩频通信中 广泛采用的一种信道编码方式。
➢ 伪随机码具有类似于随机二进制序列 “0”、“1” 的分布特性，有宽的频谱和 优良的相关特性，但并不是真正的随机序 列。