第1章 卫星导航原理及应用技术概述

早期导航工具的弱点
• 早期的导航工具有着众多的不确定性因素，以至 于绘制的世界地图不够精确
• 指南针依赖于北地磁极点与北地球自传轴点重合 （事实不是这样！）
• 陆地导航依靠地面地标的辅助，然后将这些地名 映射到地图上来对行车进行校准
• 这些技术不适于海上应用
海上导航
• 文艺复兴时期，海上航线遇到的最大困难就是怎 么确定经度问题。
罗兰-C 双曲线定位原理
罗兰-C 信号
脉冲结构和序列
罗兰-C Байду номын сангаас收机
T.I. 9000
罗兰-C 在北美的基站位置
罗兰-C 范围
全球导航卫星系统
坦克
汽车
航空母舰
巡洋舰
潜艇
民航
战斗机
导弹
旅行者号航天飞船
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
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。
六分仪 • 六分仪能够测量位于水平面以上物体的仰角（北极星、
太阳等），经常用于寻找纬度
• 指南针 • 用于指引方向
通过记录通过 的步伐来测量距离 或者速度、经历过 的时间等
航位推测法
• 航位推测法在长距离的航行中会带来很大误差 • 如果从纽约到伦敦，当旅行结束时，在95％的定
位精度下，将会累积175英里的误差
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
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
有源和无源无线电导航系统
• 六分仪能够为海上航线提供纬度位置 • 指南针能够为航海提供方向信息 • 但是你却不知道向东或者向西行驶了多少
•一个很好的例子
好船最终报废！
经度
• 1707年，10月22号，由于航位推测法的错误，导 致2000多人死亡的海难。
• 1717年，anne 女皇宣称，如果谁能够将航海的经 度准确度保持到1/2度（相当于在平行于赤道行驶 30英里），将对他悬赏20000英镑。
• 按照惯性测量装置在载体上的安装方式， 可分为:
–平台式惯性导航系统 –捷联式惯性导航系统
平台方式: 保持传感器的姿态
这种方法将IMU相对于周边环境的姿态保持不变。
捷联方式: 固定惯性测量单元（IMU）
这种方法适用于安装小的和高精度的惯性测量单元。这比 平台方法先进的多，适用于重量轻、体积小、功率低和高精度 的场合。底侧必须安装一个带有范围大的角度计的陀螺仪来感 知机身的运动，以及一台高速的计算机来进行坐标转换运算。
卫星导航原理及应用技术 •秦 红 磊
电话：010－82316491 Email:qhlmmm@sina.com
北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室
卫星导航原理及应用技术
第1章: 绪论 第2章: GNSS简介 第3章: GPS 坐标和时间系统 第4章: GPS 卫星轨道 第5章: GPS 信号结构和导航电文 第6章: GPS 接收机 第7章: GPS 导航观测量和误差分析 第8章: GPS 定位原理 第9章: 整周模糊度技术
卫星导航原理及应用技术
第10章: 差分GPS技术 第11章: 速度、姿态和时间测量 第12章：干扰和抗干扰技术 第13章：高灵敏度接收机技术 第14章：完好性监测技术 第15章：组合导航技术 第16章：其它应用技术 第17章：GLONASS系统 第18章：Galileo系统
第1章: 概述
1.1 什么是导航？ 1.2 我们为什么需要导航? 1.3 导航历史回顾 1.4 现代导航系统 1.5 导航系统应用
古代导航工具
直角器（Cross-staff）
标尺（Back-staff）
古代导航工具
四分仪（Quadrant）
夜间记时仪器 （Nocturnal ）
星盘（Astrolabe ） 航海员星盘 （Mariner‘s Astrolabe）
指南针-中国古代导航工具
汉朝 （BC.206－AD.220）
南宋 （AD.1127-1279）
什么是导航?
导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点.
我们为什么需要导航?
我在哪?
你就在这里.
但是这里是哪里?
你在哪?
• 你能在地图上找到你现在的位置吗? • 你能在黑夜里返回你现在的位置吗?
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
纬度和经度
N
纬度
S
经度
E
W
航海过程
• 纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来 判断。
• 经度的判断比较困难，必须计算出地球上不同 地点的时差。
纬度和经度
北极 北极 南极
赤道参 考面
经度 子午线
纬度
赤道
南极
纬度
• 0˚ 位于赤道 • 90˚N 在北极点
• 北京市的纬度是 多少？
• 南极的纬度是多 少？
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。
经度
• 经线位于南北几点 之间的连线。
• 0˚ 经过英国的格林 威治。
• 负的经度为西经， 正的为东经
• 北京市的经度是多
少？
地图
18世纪的“精度”地图能够给我们提供很多信息，告诉我们 当时的导航精度有多高。人民曾经很长一段时间用来测量大地经 度和纬度的值，并且取得了很大成功。
专业工具
• 航海家们早期使用的工具只能粗略的定位
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
当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白 天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨 别南北方向。
导航历史
早期的航海家们总是在靠近海岸 线的附近白天活动，当天气不好或 者晚上的时候不出海活动。在中世 纪，欧洲的航海家们在整个冬季都 不出海活动。这样就自然的限制的 他们的活动范围。大范围的航海活 动必然会带来风险。