李玉柏卫星导航与定位概述(第五版)描述

卫星导航与定位
1）美国政府的GPS政策
• SA技术（1990.3.25~2000.5.1） – Selective Availability – 选择可用性 – 人为降低普通用户的测量精度:
• ε技术：降低星历精度-加入随机变化 • δ技术：卫星钟加高频抖动 —（短周期，快变化）
• AS技术（1994.1.31~至今）
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传统的基于地基的定位方法
• 可分为机械式、磁力和无线电等多种方式 – 采用的仪器设备
• • • • 尺：铟钢尺 光学仪器：经纬仪，水准仪 电磁波或激光仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪
– 观测值
• 角度或方向观测 • 距离观测 • 天文观测方法
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基于地基定位方法的局限性
精细农业 遥感 卫星定轨 资源勘探 个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间 传递 • ….
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5）GPS在国际空间站应用
• 其他应用： – 不怕做不到！就怕想不到！
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4、美国政府的GPS政策
• SPS与PPS – SPS – 标准定位服务 • 使用C/A码，民用 • 2DRMS水平=100 m • 2DRMS垂直=150-170 m • 2DRMS时间=340 ns – PPS – 精密定位服务 • 可使用P码，军用 • 2DRMS水平=22 m • 2DRMS垂直=27.7 m • 2DRMS时间=200 ns
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2、GPS的诞生与发展
• GPS的英文全称是 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。
其意为“导航星测时与测距全球定 位系统”，或简称全球定位系统。
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卫星导航与定位
传统授时技术
• 长安八景之一—晨钟暮鼓；
（就像下课铃声那么重要）
• 航海的重要标记—落球报时； （就像灯塔一样重要） • 无线电授时——短波授时台（BPM） 长波授时台（BPL）
• 网络授时；
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定位与授时技术的发展
• 随着技术发展，人们对定位精度和授时精度要 求越来越高； • 同时，导航范围从地球局部扩展到整个地球、 甚至宇宙； • 对导航、定位与授时的要求 – 地基向天基的转换 – 基于原子钟的世界协调时为基准 – 全覆盖性和巨量目标 物联网的发展要求对每个物体进行定位， 以便进行通信、组网、导航、控制和信息 交互。
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1、定位与授时的基本概念
1）定位技术是国民经济发展的重要技术
– 地理测绘：包括地图、地质监测、环境监测、桥 梁监测、喜马拉雅山高测试； – 机械加工：元器件加工到大型建筑施工定位； – 智能交通：交通工具的定位； – 航海、航空、航天中飞行器定位； – 移动通信的LBS服务：基于用户定位的信息服务， 比如旅游、电子栅栏、。。。
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GPS在交通运输业中的应用
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3）GPS在测量中的应用
• 建立和维持全球性的参考框架（国际地球参考框架 ITRS）
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GPS在测量中的应用
• 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程 测量和地震灾害检测。
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4）GPS在国民经济领域中的应用
• • • • • •
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课程说明
• 课程主要参考资料：
1）《GPS原理与应用（第2版）》， (美) Elliott D. Kaplan著，译者寇艳红， 电子工业出版社，2007年 07月； 2）《全球定位系统--信号、测量与性能(第2版)》， (美) Pratap Misra，Per Enge著，电子工业出版社， 2008 年4月； 3）《GPS基本原理及其MATLAB仿真》，杨俊等著， 西安电子科技大学出版社，2006年8月。 4）《卫星导航原理与应用》，袁建平等编著，中国宇 航出版社出版，2004年9月；
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2）GPS的发展
• 基于NNSS的技术成功，美国着手新的卫星导航系 统研制——Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称GPS系统。 • 开发的目的： – 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航 定位及授时服务 • 工作原理： – 基于CDMA编码的被动式无线 测距，然后通过多个卫星测距 的距离交汇确定位置。
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GPS系统的诞生
• 美国海军寻求一种可以对在北极潜艇的惯性导航系 统进行间断精确修正方法，提出了NNSS验证计划， 由霍普金斯大学牵头实施： – 研制卫星； – 建立地球重力场模型以便卫星的精确定轨和准确 预报卫星的空间位置； 子午卫星 – 研制多普勒接收机。
• 子午卫星导航系统于1964 年1月正式建成并投入军方 使用。
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课程说明
• 主要的学生阅读资料：
1）ICD-GPS-200C 2）ICD-GPS-705__02_Dec__Rev_2 3）GNSS—Galileo Open Service Signal In Space Interface Control Document (OS SIS ICD) Draft 0 4）GNSS—GLONASS INTERFACE CONTROL DOCUMENT Navigational radiosignal In bands L1, L2
计能力。
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课程说明
• 课程教学主要知识点： – 第一讲 GPS卫星导航技术概述：
• 定位与授时的基本概念；
• 主要介绍GPS卫星导航系统、发展史以及在 各个领域中的应用。
– 第二讲 GPS定位的坐标系统与时间系统
– 第三讲 GPS卫星星座中卫星的运动知识 • 重点介绍卫星轨道知识； • 卫星位置速度计算。
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GPS的发展—实用组网阶段
• 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，今后将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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wenku.baidu.com
GPS在交通运输业中的应用
• 航空机构推动GNSS以及增强系统的使用，来提供 从航路到精密接近飞行阶段的导航。 • 飞行的五个阶段： i) 越洋飞行； ii) 内陆航路飞行； iii) 终端区飞行； iv) I/II/III类进近； v) 地面滑行 • 全球设置广域增强基站，各机场建立局域增强基站。 (北美、欧洲、日本、澳大利亚)
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课程说明
• 课程主要内容： – 第四讲 GPS导航信号与导航电文
• GPS卫星导航系统组成
• 导航信号组成 • 导航电文
– 第五讲 GPS卫星导航定位技术
• 无线电定位技术；
• 包括卫星导航定位的基本方程；
• 定位解算基本方法、速度计算方法。
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课程说明
• 课程主要内容： – 第六讲 GPS定位误差分析，包括卫星与用户时 钟误差、相对论效应、电离层延迟、对流层延迟、 多路径误差等。 – 第七讲 卫星导航信号的捕获，包括捕获原理， 多普勒频率补偿等。 – 第八讲 卫星导航信号的跟踪，包括跟踪原理， 以及码跟踪环、载波跟踪环的具体实现。 – 第九讲 GPS卫星导航接收机硬件结构与实现， 以及相关软件处理。
1）GPS系统的诞生
• GPS系统的前身是美国海军导航卫星系统（NNSS： Navy Navigation Satellite System），该系统有称为 子午卫星系统（ Transit ）。 • 美国海军导航卫星系统NNSS又起源美国霍普金斯 大学应用物理实验室，对1957年前苏联发射的第一 颗人造卫星的多普勒频率研究结果。 ——提出了多普勒卫星设想
• 军事用途，小到武器控制、大到指挥系统
• 现代金融行业，无论银行或证券交易所，其业务 操作都涉及严格的时间同步和频率同步
• 电力系统的电压、电流、相角、功角变化，都 是时间的函数。电网安全稳定运行离不开严格 的时间同步
• 移动通信需要严格的时间同步，一方面是计费需 要；另一方面是基站时间频率同步有严格要求， 以防止不同步引起的频差滑码、软切换指令不匹 配、通话连接不能建立等问题
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课程说明
• 基本要求 • 上课时间：参见课表 注意时间——不要迟到 • 尽管大家业务繁忙，课内不准使用手机 • 注意课堂纪律，绝不可影响他人。
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课程说明
• 课程教学纲要： – 课程教学培养目标：利用卫星导航定位系统提供
的导航卫星的位置、速度、时间等信息，来完成
对地球各种目标（也简称用户）的定位、授时、 导航、监测和管理。 – 课程教学培养能力：卫星导航算法设计能力、编 程能力、误差分析能力，以及GPS软件接收机设
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3、GPS在各个领域中的应用
1）GPS在军事中的应用
美国海军核潜艇
配备GPS的士兵
GPS导航的舰载飞弹
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GPS在军事中的应用
美军导弹打击后的伊拉克坎大哈机场
精确打击12枚
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2）GPS在交通运输业中的应用
• 陆路交通（车辆导航、监控） • 船舶远洋导航和进港引水
• • • • 需要事先布设大量的地面控制点/地面站 无法同时精确确定点的三维坐标 观测受气候、环境条件限制 观测点之间需要保证通视
– – – – 需要修建觇标/架设高大天线 边长受到限制 观测难度大 效率低：无用的中间过渡点
• 受系统误差影响大，如地球旁折光 • 难以确定地心坐标
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2）同样授时技术是国民经济发展的重要技术
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卫星导航原理与应用 H0104630
主讲人：李玉柏 ybli@uestc.edu.cn
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课程说明
• 课程名称：卫星导航原理与应用 • 课程编号：H0104630
• 学时与学分：48学时，学分：3
• 课程性质：专业选修课 • 课程主要参考书（教材） – 《GPS软件接收机基础 (第2版) 》(美)IAMES BAO-YEN TSUI著，陈军等译，电子工业出版 社，2008年7月
– Anti-Spoofing –反电子欺骗 – P码加密，P+WY
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2）GPS现代化
• 1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40 亿美元，进行GPS现代化。 • GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中 的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。
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课程说明
• 让我们开始吧。。。。
卫星导航与定位
第一讲：卫星导航与定位概述 —基本概念
卫星导航与定位
第一章：卫星导航技术概述
§1.1 定位与授时的基本概念 §1.2 GPS的诞生与发展 §1.3 GPS在各个领域中的应用 §1.4 美国政府的GPS政策
§1.5 其它卫星导航定位系统
大地测量多普勒接收 机 - 1（MX1502）
大地测量多普勒接收 机 - 2（CMA751）
卫星导航与定位
子午卫星系统及其局限性 TRANSIT系统
卫星：6颗 极地轨道 轨道高度：1075km 绝对定位精度：1m（长时间计算） 定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨 道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电 离层影响。
子午卫星星座
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子午卫星系统及其局限性
• 系统组成 – 空间部分 • 卫星：发送导航定位信号（信号： 4.9996MHz 30 = 149.988MHz； 4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星 历） • 卫星星座 – 由6颗卫星构成，6轨道 面，轨道高度1075km – 地面控制部分 • 包括：跟踪站、计算中心、注入站、 控制中心和海军天文台 – 用户部分 • 多普勒接收机
卫星导航与定位
GPS的发展—方案论证阶段
• 1973年12月，美国国防部批准研制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。
卫星导航与定位
GPS的发展—全面研制和试验阶段
• 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。