卫星导航定位技术概述

卫星导航定位技术概述
☐卫星：围绕行星运转的物体，这里指人造地球卫星。

☐卫星通信：地球上包括地面、水面和低层大气中的无线电通信站之间利用人造地球卫星作中继站而进行的通信。

☐导航：通过实时测定运载体在行进途中的位置和速度，引导运载体沿一定航线经济而安全地到达目的地的技术。

⏹要实现导航，必须首先实现定位，即精确确定当前所在的位
置。

只有先定位，才能确定目的地的方向，即实现定向。

⏹导航定位的发展：
推算定位－天文导航－惯性导航－无线电导航
导航系统
☐推算定位系统（Dead Reckoning Systems）
⏹通过航行的方向和距离来推算其所在位置。

☐惯性导航系统（Inertial Navigation System）
⏹根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速度
计等惯性元件感受运动载体在运动过程中的加速度。

然后通过
计算机积分运算，从而得到运动载体的位置和速度等信息。

⏹优点是不依赖外界导航台和电磁波的传播，因此应用不受环境
限制，包括海陆空及水下。

隐蔽性好，不可能被干扰，生存能
力强。

此外，还可以产生包括载体三维位置、三维速度与航向
姿态的多种信息。

然而，它的垂直定位信息不好。

无线电导航系统
☐基本原理
⏹根据电磁波在理想均匀媒介中按直线传播，且速度为常数，
并在任两种媒质介面上一定产生反射，入射波和反射波同在
一铅垂面内的特性，进行导航定位。

☐优点：
⏹电磁波的传播基本上不受昼夜、气候、距离的影响；
⏹可对空中、海上与地面的各种运动载体进行定位、导航。

⏹测量快、准确度高、可靠性高。

☐缺点：
⏹电磁波难免受外界干扰
卫星无线电导航系统
☐NNSS子午仪系统
☐GPS
☐GLONASS系统
☐双星导航定位系统（北斗一号）☐北斗二号导航定位系统
☐GNSS加俐略系统
卫星导航起源
☐卫星导航是从一起有趣的发现开始的。

1957年1月4日,前苏联发射了第一颗人造地球卫星，美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的吉勒(W.H.Guler)和韦芬巴克(G. C.Weiffenbach）两位科学家在用无线电跟踪人造卫星时，发现接收到的电磁波频率随着卫星的运动而发生变化。

☐其原因是由于卫星相对地球运动时,电磁波在传播过程中出现了多普勒效应。

☐于是他们研究出一种根据地面跟踪站的位置和测量到的多普勒频移来计算卫星运行轨道的方法，从而确定了前苏联人造地球卫星的轨道参数。

卫星导航起源-卫星多普勒定位技术
现的。

可以表述为：由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象。

☐波源相对于观测站运动所引起的多普勒频移效应可用
下式表示:
f
r =
c -v
c
co s α
f
s
式中c为真空中的光速，v为卫星相对于观测站的瞬时速度，fs为波源发射频率，fr为观测站接收到的频率，
α为波源瞬时速度方向与波源至观测站联线的夹角。

r
r
卫星导航起源-卫星多普勒定位技术
☐ 度。

由上式整理可得: dr = c ( f - f ) = c ⊗f dt f r s
f ☐ 观测站就可根据所测量的接收频率而得出多普勒频移Δf， 进而算出卫星在某一瞬时与观测站的距离差，从而确定观测站的地心坐标。

☐ 也就是说，当地面接收机位置一定时，卫星在通过接收机视界的时间内，接收的无线电信号多普勒频移曲线与卫星轨道是已知的，只要能测得卫星信号的多普勒频移，就可以确定地面接收机的位置。

卫星导航起源
☐当时任该应用物理实验室研究中心主席的麦克卢尔
(E.T.Meclure)等人受此启发，运用逆向思维方法，认为由已知的
卫星轨道和测得的多普勒频移能确定地面接收站的位置。

从而产生了卫星导航的想法。

☐根据这一原理，1958年由美国海军武器实验室开始研制，于1964年建成用来对核潜艇提供全球导航定位的子午导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System ，NNSS)。

又称多普勒卫星定位系统。

☐NNSS系统是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。

NNSS系统
☐卫星星座
⏹由六颗独立轨道的极轨卫星组成，轨道倾角i=90；卫星运行
周期为T=107min；卫星高度约为H=1075km。

☐地面系统
⏹4个卫星跟踪站；一个计算中心；
⏹一个控制中心；2个注入站；1个天文台。

☐卫星信号
⏹4.9996MHz基准中频信号，倍频30和80倍，形
成149.988MHz和399.968MHz的标准信号。

NNSS系统
⏹广播星历所预报的卫星位置的切向误差为±17m；径向误差为±
8m。

⏹精密星历所预报的卫星位置精度为± 2m。

☐定位精度
⏹利用广播星历的单点定位精度约为10m，利用多次观测进行数据处理可
以达到3～5m的精度。

⏹利用精密星历，并利用多次观测数据，可获得定位精度为0.5～1m。

☐1967年7月该系统由军方解密供民间使用。

此后用户数量迅速增长，最多达9.5万户，而军方用户最多时只有650个。

NNSS系统
☐在NNSS系统中，当卫星通过接收机视界上空时，连续接收卫星的多普勒信号。

☐NNSS虽可以提供全球定位，但要间隔4一6小时才能得到一次定位的机会，且一次定位时要十几分钟才能得到结果，无法满足连续实时定位的要求。

☐此外，卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，不能满足精密大地定位的精度要求。

☐在NNSS的启发下，开始研制全球卫星导航定位系统 （Global Navigation Satellite System，简称为GNSS）。

GNSS系统组成
☐卫星导航定位系统的一般组成
⏹由三部分构成，分别为空间星座部分、
地面监控部分、用户设备部分
Space Segment User Segment
Control
Segment
注入站Master Station Monitor Stations
GNSS系统组成
空间段一般由一个包含有24颗Navstar卫星的星座构成。

每颗卫星广播RF测距码和导航电文。

Space Segment User Segment
Control
Segment
Master Station Monitor
Stat
ions 注入站
GNSS系统组成➢接收、存储
导航电文；
➢生成并发送
用于导航定
位的无线电
信号；
➢接受地面指
令，进行相应
操作。

GNSS系统组成
GNSS系统组成
控制段由一个监视和控制网络组成，用来管理卫星星座和更新卫星导航电文。

Space Segment User Segment
Control
Segment 注入站Master Station Monitor Stations
GNSS系统组成
☐组成：主控站、监测站、注入站、通讯设施等。

☐作用：
⏹监测站：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。

⏹主控站
▪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;
▪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。

⏹注入站：将导航电文注入导航卫星。

GNSS系统组成
用户段包含有各种不同种类不同用途的接收机，用来接收、解码和处理GPS卫星的测距码和导航电文。

Space Segment User Segment
Control
Segment 注入站Master Station Monitor Stations
GNSS系统组成。