李玉柏衛(wèi)星導航及定位001-概述(第五版)

1、衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航原理與應用衛(wèi)星導航原理與應用H0104630主講人：李玉柏主講人：李玉柏衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位課程說明課程說明 課程名稱：課程名稱： 課程編號：課程編號： 學時與學分：學時與學分： 課程性質(zhì)：專業(yè)選修課課程性質(zhì)：專業(yè)選修課 課程主要參考書（教材）課程主要參考書（教材） GPS軟件接收機基礎軟件接收機基礎 (第第2版版) (美美)IAMES BAO-YEN TSUI著，陳軍等譯，電子工業(yè)出版著，陳軍等譯，電子工業(yè)出版社，社，2008年年7月月衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位課程說明課程說明 課程主要參考資料：課程主要參考資料：1）GPS原理與應用（第原理與應

2、用（第2版）版）， (美美) Elliott D. Kaplan著，譯者寇艷紅，著，譯者寇艷紅， 電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2007年年07月；月；2）全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)-信號、測量與性能信號、測量與性能(第第2版版)， (美美) Pratap Misra，Per Enge著，電子工業(yè)出版社，著，電子工業(yè)出版社，2008 年年4月；月；3）GPS基本原理及其基本原理及其MATLAB仿真仿真，楊俊等著，楊俊等著，西安電子科技大學出版社，西安電子科技大學出版社，2006年年8月。月。4）衛(wèi)星導航原理與應用衛(wèi)星導航原理與應用，袁建平等編著，中國，袁建平等編著，中國宇航出版社出版，宇航出版

3、社出版，2004年年9月；月；衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位課程說明課程說明 主要的學生閱讀資料：主要的學生閱讀資料：1）ICD-GPS-200C2）ICD-GPS-705_02_Dec_Rev_23）GNSSGalileo Open Service Signal In Space Interface Control Document (OS SIS ICD) Draft 04）GNSSGLONASS INTERFACE CONTROL DOCUMENT Navigational radiosignal In bands L1, L2衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位課程說明課程說明 基本要求基本要求

4、 上課時間：參見課表上課時間：參見課表 注意時間注意時間不要遲到不要遲到 盡管大家業(yè)務繁忙，課內(nèi)不準使用手機盡管大家業(yè)務繁忙，課內(nèi)不準使用手機 注意課堂紀律，絕不可影響他人。注意課堂紀律，絕不可影響他人。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位課程說明課程說明 課程教學綱要：課程教學綱要： 課程教學培養(yǎng)目標：課程教學培養(yǎng)目標：利用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供利用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供的的導航衛(wèi)星的位置、速度、時間等信息，導航衛(wèi)星的位置、速度、時間等信息，來完成來完成對地球?qū)Φ厍蚋鞣N目標各種目標（也簡稱用戶）的（也簡稱用戶）的定位、授時、定位、授時、導航、監(jiān)測和管理。導航、監(jiān)測和管理。 課程教學培養(yǎng)能力：課程教學培養(yǎng)

5、能力：衛(wèi)星導航算法設計能力、編衛(wèi)星導航算法設計能力、編程能力、誤差分析能力，以及程能力、誤差分析能力，以及GPS軟件接收機設軟件接收機設計能力。計能力。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位課程說明課程說明 課程教學主要知識點：課程教學主要知識點： 第一講第一講 GPS衛(wèi)星導航技術(shù)概述：衛(wèi)星導航技術(shù)概述： 定位與授時的基本概念；定位與授時的基本概念； 主要介紹主要介紹GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)、發(fā)展史以及在衛(wèi)星導航系統(tǒng)、發(fā)展史以及在各個領域中的應用。各個領域中的應用。 第二講第二講 GPS定位的坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)定位的坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 第三講第三講 GPS衛(wèi)星星座中衛(wèi)星的運動知識衛(wèi)星星座中衛(wèi)星的運動知識 重點

6、介紹衛(wèi)星軌道知識；重點介紹衛(wèi)星軌道知識； 衛(wèi)星位置速度計算。衛(wèi)星位置速度計算。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位課程說明課程說明 課程主要內(nèi)容：課程主要內(nèi)容： 第四講第四講 GPS導航信號與導航電文導航信號與導航電文 GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)組成衛(wèi)星導航系統(tǒng)組成 導航信號組成導航信號組成 導航電文導航電文 第五講第五講 GPS衛(wèi)星導航定位技術(shù)衛(wèi)星導航定位技術(shù) 無線電定位技術(shù)；無線電定位技術(shù)； 包括衛(wèi)星導航定位的基本方程；包括衛(wèi)星導航定位的基本方程； 定位解算基本方法、速度計算方法。定位解算基本方法、速度計算方法。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位課程說明課程說明 課程主要內(nèi)容：課程主要內(nèi)容： 第六講第六講 GP

7、S定位誤差分析，包括衛(wèi)星與用戶時定位誤差分析，包括衛(wèi)星與用戶時鐘誤差、相對論效應、電離層延遲、對流層延遲、鐘誤差、相對論效應、電離層延遲、對流層延遲、多路徑誤差等。多路徑誤差等。 第七講第七講 衛(wèi)星導航信號的捕獲，包括捕獲原理，衛(wèi)星導航信號的捕獲，包括捕獲原理，多普勒頻率補償?shù)?。多普勒頻率補償?shù)取?第八講第八講 衛(wèi)星導航信號的跟蹤，包括跟蹤原理，衛(wèi)星導航信號的跟蹤，包括跟蹤原理，以及碼跟蹤環(huán)、載波跟蹤環(huán)的具體實現(xiàn)。以及碼跟蹤環(huán)、載波跟蹤環(huán)的具體實現(xiàn)。 第九講第九講 GPS衛(wèi)星導航接收機硬件結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)，衛(wèi)星導航接收機硬件結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)，以及相關(guān)軟件處理。以及相關(guān)軟件處理。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位

8、課程說明課程說明 讓我們開始吧。讓我們開始吧。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位 第一講：衛(wèi)星導航與定位概述第一講：衛(wèi)星導航與定位概述基本概念衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位第一章：衛(wèi)星導航技術(shù)概述第一章：衛(wèi)星導航技術(shù)概述1.1 定位與授時的基本概念定位與授時的基本概念1.2 GPS的誕生與發(fā)展的誕生與發(fā)展1.3 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用1.4 美國政府的美國政府的GPS政策政策1.5 其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位1、定位與授時的基本概念、定位與授時的基本概念 1）定位技術(shù)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要技術(shù)）定位技術(shù)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要技術(shù) 地理測繪：包

9、括地圖、地質(zhì)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、橋地理測繪：包括地圖、地質(zhì)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、喜馬拉雅山高測試；梁監(jiān)測、喜馬拉雅山高測試； 機械加工：元器件加工到大型建筑施工定位；機械加工：元器件加工到大型建筑施工定位； 航海、航空、航天中飛行器定位；航海、航空、航天中飛行器定位； 移動通信的移動通信的LBS服務：基于用戶定位的信息服務，服務：基于用戶定位的信息服務，比如旅游、電子柵欄、。比如旅游、電子柵欄、。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位傳統(tǒng)的基于地基的定位方法傳統(tǒng)的基于地基的定位方法 可分為機械式、磁力和無線電等多種方式可分為機械式、磁力和無線電等多種方式 采用的儀器設備采用的儀器設備 尺：銦鋼尺尺：銦鋼

10、尺 光學儀器：經(jīng)緯儀，水準儀光學儀器：經(jīng)緯儀，水準儀 電磁波或激光儀器：測距儀電磁波或激光儀器：測距儀 綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀 觀測值觀測值 角度或方向觀測角度或方向觀測 距離觀測距離觀測 天文觀測方法天文觀測方法衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位基于地基定位方法的局限性基于地基定位方法的局限性 需要事先布設大量的地面控制點需要事先布設大量的地面控制點/地面站地面站 無法同時精確確定點的三維坐標無法同時精確確定點的三維坐標 觀測受氣候、環(huán)境條件限制觀測受氣候、環(huán)境條件限制 觀測點之間需要保證通視觀測點之間需要保證通視 需要修建覘標需要修建覘標/架設高大天線架設高大天線

11、邊長受到限制邊長受到限制 觀測難度大觀測難度大 效率低：無用的中間過渡點效率低：無用的中間過渡點 受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光 難以確定地心坐標難以確定地心坐標衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位2）同樣授時技術(shù)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要技術(shù)）同樣授時技術(shù)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要技術(shù) 軍事用途，小到武器控制、大到指揮系統(tǒng)軍事用途，小到武器控制、大到指揮系統(tǒng) 現(xiàn)代金融行業(yè)，無論銀行或證券交易所，其業(yè)務現(xiàn)代金融行業(yè)，無論銀行或證券交易所，其業(yè)務操作都涉及嚴格的時間同步和頻率同步操作都涉及嚴格的時間同步和頻率同步 電力系統(tǒng)的電壓、電流、相角、功角變化，都電力系統(tǒng)的電壓、電流、相角、功角

12、變化，都是時間的函數(shù)。電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行離不開嚴格是時間的函數(shù)。電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行離不開嚴格的時間同步的時間同步 移動通信需要嚴格的時間同步，一方面是計費需移動通信需要嚴格的時間同步，一方面是計費需要；另一方面是基站時間頻率同步有嚴格要求，要；另一方面是基站時間頻率同步有嚴格要求，以防止不同步引起的頻差滑碼、軟切換指令不匹以防止不同步引起的頻差滑碼、軟切換指令不匹配、通話連接不能建立等問題配、通話連接不能建立等問題衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位傳統(tǒng)授時技術(shù)傳統(tǒng)授時技術(shù) 長安八景之一長安八景之一晨鐘暮鼓；晨鐘暮鼓； （就像下課鈴聲那么重要）（就像下課鈴聲那么重要） 航海的重要標記航海的重要標記落球報時

13、；落球報時； （就像燈塔一樣重要）（就像燈塔一樣重要） 網(wǎng)絡授時；網(wǎng)絡授時；衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位定位與授時技術(shù)的發(fā)展定位與授時技術(shù)的發(fā)展 隨著技術(shù)發(fā)展，人們對定位精度和授時精度要隨著技術(shù)發(fā)展，人們對定位精度和授時精度要求越來越高；求越來越高； 對導航、定位與授時的要求對導航、定位與授時的要求 地基向天基的轉(zhuǎn)換地基向天基的轉(zhuǎn)換 基于原子鐘的世界協(xié)調(diào)時為基準基于原子鐘的世界協(xié)調(diào)時為基準 全覆蓋性和巨量目標全覆蓋性和巨量目標物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求對每個物體進行定位，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求對每個物體進行定位，以便進行通信、組網(wǎng)、導航、控制和信息以便進行通信、組網(wǎng)、導航、控制和信息交互。交互。衛(wèi)星導航與定位

14、衛(wèi)星導航與定位2、GPS的誕生與發(fā)展的誕生與發(fā)展 GPS的英文全稱是的英文全稱是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System簡稱簡稱GPS，有時也被稱作，有時也被稱作NAVSTAR GPS。其意為其意為“導航星測時與測距全球?qū)Ш叫菧y時與測距全球定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)”，或簡稱全球定位系，或簡稱全球定位系統(tǒng)。統(tǒng)。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位1）GPS系統(tǒng)的誕生系統(tǒng)的誕生 GPS系統(tǒng)的前身是美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（系統(tǒng)的前身是美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS： Navy Navigation Satellite System），

15、該系統(tǒng)有稱為），該系統(tǒng)有稱為子午衛(wèi)星系統(tǒng)（子午衛(wèi)星系統(tǒng)（ Transit ）。）。 美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)NNSS又起源美國又起源美國，對，對1957年前蘇聯(lián)發(fā)射的第一年前蘇聯(lián)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星的多普勒頻率研究結(jié)果。顆人造衛(wèi)星的多普勒頻率研究結(jié)果。提出了多普勒衛(wèi)星設想提出了多普勒衛(wèi)星設想衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS系統(tǒng)的誕生系統(tǒng)的誕生 子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)于子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)于1964年年1月正式建成并投入軍方月正式建成并投入軍方使用。使用。 美國海軍尋求一種可以對在北極潛艇的慣性導航系美國海軍尋求一種可以對在北極潛艇的慣性導航系統(tǒng)進行間斷精確修正方法，提出了統(tǒng)進行間斷精確

16、修正方法，提出了NNSS驗證計劃，驗證計劃，由霍普金斯大學牽頭實施：由霍普金斯大學牽頭實施： 研制衛(wèi)星；研制衛(wèi)星； 建立地球重力場模型以便衛(wèi)星的精確定軌和準確建立地球重力場模型以便衛(wèi)星的精確定軌和準確預報衛(wèi)星的空間位置；預報衛(wèi)星的空間位置； 研制多普勒接收機。研制多普勒接收機。子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座子午衛(wèi)星星座衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 空間部分空間部分 地面控制部分地面控制部分 包括：跟蹤站、計算中心、注入站、包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺控制中心和海軍天文臺 用戶部分用戶部分大地測量多普勒接收大地測

17、量多普勒接收機機 - 1（MX1502）大地測量多普勒接收大地測量多普勒接收機機 - 2（CMA751）衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性TRANSIT系統(tǒng)系統(tǒng)衛(wèi)星：衛(wèi)星：6顆顆極地軌道極地軌道軌道高度：軌道高度：1075km絕對定位精度：絕對定位精度：1m（長時間計算）（長時間計算）定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位存在問題：衛(wèi)星少，無法實現(xiàn)實時定位；軌存在問題：衛(wèi)星少，無法實現(xiàn)實時定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響離層影響。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位2）GPS的發(fā)展的發(fā)展 基于基于NNS

18、S的技術(shù)成功，美國著手新的衛(wèi)星導航系的技術(shù)成功，美國著手新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)研制統(tǒng)研制Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，簡稱，簡稱GPS系統(tǒng)。系統(tǒng)。 開發(fā)的目的：開發(fā)的目的： 在全球范圍內(nèi)，提供實時、連續(xù)、全天候的導航在全球范圍內(nèi)，提供實時、連續(xù)、全天候的導航定位及授時服務定位及授時服務 工作原理：工作原理： 基于基于CDMA編碼的被動式無線編碼的被動式無線 測距，然后通過多個衛(wèi)星測距測距，然后通過多個衛(wèi)星測距 的距離交匯確定位置。的距離交匯確定位置。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS的發(fā)展的發(fā)展方案論證階

19、段方案論證階段 1973年年12月，美國國防部批準研制月，美國國防部批準研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1顆顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。 從從1973年到年到1979年，共發(fā)射了年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。 衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS的發(fā)展的發(fā)展全面研制和試驗階段全面研制和試驗階段 從從1979年到年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精定位精度遠遠超過設計標準。度遠遠超過

20、設計標準。 衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS的發(fā)展的發(fā)展實用組網(wǎng)階段實用組網(wǎng)階段 1989年年2月月14日，第日，第1顆顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。工作衛(wèi)星發(fā)射成功。 1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。 1993年底實用的年底實用的GPS網(wǎng)即（網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。 1995年年7月月17日，日，GPS達到達到FOC 完全運行能力完全運行能力（Full Operational Capability）。）。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位3、GPS在在各個領

21、域中的應用各個領域中的應用1）GPS在軍事中的應用在軍事中的應用 GPS導航的艦載飛彈導航的艦載飛彈 配備配備GPS的士兵的士兵 美國海軍核潛艇美國海軍核潛艇 衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS在軍事中的應用在軍事中的應用 美軍導彈打擊后的伊拉克坎大哈機場美軍導彈打擊后的伊拉克坎大哈機場精確打擊12枚 衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位2）GPS在交通運輸業(yè)中的應用在交通運輸業(yè)中的應用 陸路交通（車輛導航、監(jiān)控）陸路交通（車輛導航、監(jiān)控） 船舶遠洋導航和進港引水船舶遠洋導航和進港引水衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS在交通運輸業(yè)中的應用在交通運輸業(yè)中的應用 航空機構(gòu)推動航空機構(gòu)推動GNSS以及增強系

22、統(tǒng)的使用，來提供以及增強系統(tǒng)的使用，來提供從航路到精密接近飛行階段的導航。從航路到精密接近飛行階段的導航。 飛行的五個階段：飛行的五個階段： 全球設置廣域增強基站，各機場建立局域增強基站。全球設置廣域增強基站，各機場建立局域增強基站。(北美、歐洲、日本、澳大利亞北美、歐洲、日本、澳大利亞)衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS在交通運輸業(yè)中的應用在交通運輸業(yè)中的應用 衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位3）GPS在測量中的應用在測量中的應用 建立和維持全球性的參考框架（國際地球參考框架建立和維持全球性的參考框架（國際地球參考框架ITRS）衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS在測量中的應用在測量中的應用 布設

23、城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進行各種工程布設城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進行各種工程測量和地震災害檢測。測量和地震災害檢測。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位4）GPS在國民經(jīng)濟領域中的應用在國民經(jīng)濟領域中的應用 精細農(nóng)業(yè)精細農(nóng)業(yè) 遙感遙感 衛(wèi)星定軌衛(wèi)星定軌 資源勘探資源勘探 個人旅游及野外探險個人旅游及野外探險 電力、廣播、電視、通訊等網(wǎng)絡的時間同步、時間電力、廣播、電視、通訊等網(wǎng)絡的時間同步、時間傳遞傳遞 .衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位5）GPS在國際空間站應用在國際空間站應用 其他應用：其他應用： 不怕做不到！就怕想不到！不怕做不到！就怕想不到！衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位4、美國政府的、美國

24、政府的GPS政策政策 SPS與與PPS SPS 標準定位服務標準定位服務 使用使用C/A碼，民用碼，民用 2DRMS水平水平=100 m 2DRMS垂直垂直=150-170 m 2DRMS時間時間=340 ns PPS 精密定位服務精密定位服務 可使用可使用P碼，軍用碼，軍用 2DRMS水平水平=22 m 2DRMS垂直垂直=27.7 m 2DRMS時間時間=200 ns衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位1）美國政府的）美國政府的GPS政策政策 SA技術(shù)（技術(shù)（1990.3.252000.5.1） Selective Availability 選擇可用性選擇可用性 人為降低普通用戶的測量精度人為降低

25、普通用戶的測量精度: 技術(shù)：降低星歷精度技術(shù)：降低星歷精度-加入隨機變化加入隨機變化 技術(shù)：衛(wèi)星鐘加高頻抖動技術(shù)：衛(wèi)星鐘加高頻抖動 （短周期，快變化）（短周期，快變化） AS技術(shù)（技術(shù)（1994.1.31至今）至今） Anti-Spoofing 反電子欺騙反電子欺騙 P碼加密，碼加密，P+WY衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位2）GPS現(xiàn)代化現(xiàn)代化 1999年年1月月25日，美國副總統(tǒng)戈爾宣布，將斥資日，美國副總統(tǒng)戈爾宣布，將斥資40億美元，進行億美元，進行GPS現(xiàn)代化?，F(xiàn)代化。 GPS現(xiàn)代化實質(zhì)是要加強現(xiàn)代化實質(zhì)是要加強GPS對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的支撐和保持全球民用導航領域中的領導

26、地位。的支撐和保持全球民用導航領域中的領導地位。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS現(xiàn)代化現(xiàn)代化 GPS現(xiàn)代化的內(nèi)涵：現(xiàn)代化的內(nèi)涵： 保護。即保護。即GPS現(xiàn)代化是為了更好地保護美方和現(xiàn)代化是為了更好地保護美方和友好方的使用，要發(fā)展軍碼和強化軍碼的保密友好方的使用，要發(fā)展軍碼和強化軍碼的保密性能，加強抗干擾能力；性能，加強抗干擾能力； 阻止。即阻擾敵對方的使用，施加干擾，施加阻止。即阻擾敵對方的使用，施加干擾，施加SA，AS等；等； 保持。即是保持在有威脅地區(qū)以外的民用用戶保持。即是保持在有威脅地區(qū)以外的民用用戶有更精確更安全的使用。有更精確更安全的使用。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS現(xiàn)代化

27、內(nèi)容現(xiàn)代化內(nèi)容更新衛(wèi)星更新衛(wèi)星 GPS現(xiàn)代化第一階段現(xiàn)代化第一階段 發(fā)射發(fā)射12顆改進型的顆改進型的BLOCK R型衛(wèi)星。型衛(wèi)星。 GPS現(xiàn)代化第二階段現(xiàn)代化第二階段 發(fā)射發(fā)射6顆顆GPS BLOCK F （“FLite”）。）。 GPS現(xiàn)代化計劃的第三階段現(xiàn)代化計劃的第三階段 發(fā)射發(fā)射GPS BLOCK 型衛(wèi)星，在型衛(wèi)星，在2003年前完年前完成代號為成代號為GPS 的的 GPS完全現(xiàn)代化計劃設計完全現(xiàn)代化計劃設計工作。工作。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位GPS現(xiàn)代化現(xiàn)代化更新導航信號更新導航信號改進計劃項目改進計劃項目時間時間取消取消SA2000年年5月月GPS II R 增強增強-L2上加

28、上加C/A碼碼-L1及及L2上加上加M碼碼2003-2006GPS II F 增強增強-L2上加上加C/A碼碼-L1及及L2上加上加M碼碼-L52005-2010GPS III 增強增強-L2上加上加C/A碼碼-L1及及L2上加上加M碼，增大信號能量碼，增大信號能量-L5-其他未來能力其他未來能力2010-OCS 增強增強OCS: Operational Control Segment 2000-2008衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位1）其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GLONASS GLONASS Global Navigation Satellite System（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

29、）（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)） 開發(fā)者開發(fā)者 俄羅斯（前蘇聯(lián)）俄羅斯（前蘇聯(lián)）5、其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)、其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位 GLONASS與與GPS的比較的比較參參 數(shù)數(shù)GLONASSNAVSTAR GPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)213213軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8 55軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min12h衛(wèi)星信號的區(qū)分FDMACDMAL1頻率16021615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率12461256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHz其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GLONASS 衛(wèi)星導

30、航與定位衛(wèi)星導航與定位其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GLONASS 衛(wèi)星運行狀況衛(wèi)星運行狀況 從從1982年年10月月12日發(fā)射第一顆日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星衛(wèi)星起，至起，至1995年年12月月14日共發(fā)射了日共發(fā)射了73顆衛(wèi)星。由顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過短，沒有及時補充新衛(wèi)星，故該于衛(wèi)星壽命過短，沒有及時補充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。系統(tǒng)不能維持正常工作。 進入進入2000年后，俄羅斯開始重構(gòu)年后，俄羅斯開始重構(gòu)GLONASS系系統(tǒng)，到統(tǒng)，到2012年年10月月10日，日，GLONASS系統(tǒng)共有系統(tǒng)共有24顆衛(wèi)星在軌，顆衛(wèi)星在軌， 3顆維修中，顆維修中，3顆備用，顆備用

31、，1顆測顆測試中，開始發(fā)揮導航定位功能。試中，開始發(fā)揮導航定位功能。 隨著地面設施的發(fā)展，隨著地面設施的發(fā)展， GLONASS系統(tǒng)預計在系統(tǒng)預計在2015年完全建成。其定位誤差為年完全建成。其定位誤差為1米左右。米左右。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位2）其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)Galileo 伽俐略（伽俐略（Galileo）衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 2002年年3月月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)日歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)星導航定位系統(tǒng) Galileo系統(tǒng)。系統(tǒng)。 Galileo衛(wèi)星星座將由衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)顆備用

32、衛(wèi)星組成，這星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在顆衛(wèi)星將均勻分布在3個軌道平面?zhèn)€軌道平面上，衛(wèi)星高度為上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為，軌道傾角為56。 “如今的如今的GPS只能找到街道，而只能找到街道，而Galileo系統(tǒng)則能系統(tǒng)則能找到車庫門找到車庫門” Galileo系統(tǒng)的目標。系統(tǒng)的目標。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)Galileo 2005年年12月月28日第一顆日第一顆Galileo試驗衛(wèi)星（試驗衛(wèi)星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功進）成功進入高度為入高度為2.3萬萬Km的預定

33、軌道。的預定軌道。 2006年年1月月12日，日，GlOVE-A已開始向地面發(fā)送信已開始向地面發(fā)送信號，這標志著總投資為號，這標志著總投資為34億歐元的計劃已進入實億歐元的計劃已進入實施階段。施階段。 2013年年Galileo項目管理人員宣布項目管理人員宣布2013年進行兩次年進行兩次一箭雙星發(fā)射，一箭雙星發(fā)射，2014年實現(xiàn)年實現(xiàn)14-18顆顆FOC衛(wèi)星在軌衛(wèi)星在軌運行，并將開始提供民用信號的運行，并將開始提供民用信號的“早期服務早期服務”。P28P28衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位3）其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)北斗一代北斗一代BD1 我國自行研制的兩我國自行研制的兩顆北斗導

34、航試驗衛(wèi)顆北斗導航試驗衛(wèi)星分別于星分別于2000年年10月月31日和日和12月月20日日從西昌衛(wèi)星發(fā)射中從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空并準確進入心升空并準確進入預定的地球同步軌預定的地球同步軌道，標志著我國道，標志著我國擁有了自己的第一擁有了自己的第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)BD1。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)北斗一代北斗一代BD1 與與GPS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)不同，所有用戶終端位等衛(wèi)星導航系統(tǒng)不同，所有用戶終端位置的計算都是在地面控制中心站完成。置的計算都是在地面控制中心站完成。 用戶終端分為用戶終端分為 定位通信終端、定位通信終端、 集團用戶管理集團用戶管理

35、站終端、站終端、 校時終端等。校時終端等。 BD1衛(wèi)星導航系統(tǒng)的優(yōu)點。如投資少，組建衛(wèi)星導航系統(tǒng)的優(yōu)點。如投資少，組建快；具有通信功能；捕獲信號快等?？欤痪哂型ㄐ殴δ?；捕獲信號快等。 BD1衛(wèi)星導航系統(tǒng)的缺點和不足距。如用戶衛(wèi)星導航系統(tǒng)的缺點和不足距。如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；用戶的設備體積大、重量重、能耗大等。制；用戶的設備體積大、重量重、能耗大等。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位4）其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) BD2 北斗二代系統(tǒng)北斗二代系統(tǒng)COMPASS 為了使我國的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的性能有實質(zhì)為了使我國的衛(wèi)星導

36、航定位系統(tǒng)的性能有實質(zhì)性的提高，決定研制組建第二代北斗衛(wèi)星導航性的提高，決定研制組建第二代北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（定位系統(tǒng)（BD2）。從導航體制、測距方法、）。從導航體制、測距方法、衛(wèi)星星座、信號結(jié)構(gòu)及接收機等方面進行全面衛(wèi)星星座、信號結(jié)構(gòu)及接收機等方面進行全面改進。衛(wèi)星星座計劃由改進。衛(wèi)星星座計劃由GEO衛(wèi)星，衛(wèi)星，IGSO衛(wèi)星衛(wèi)星和和MEO衛(wèi)星組成。衛(wèi)星組成。 北斗北斗II，簡稱，簡稱COMPASS系統(tǒng)，其衛(wèi)星導航系系統(tǒng)，其衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座由統(tǒng)星座由30多顆多顆GSO和和MEO衛(wèi)星構(gòu)成。衛(wèi)星構(gòu)成。 采用采用CDMA方式，工作原理同方式，工作原理同GPS。P33P33衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定

37、位北斗二代系統(tǒng)北斗二代系統(tǒng)COMPASSP33P33第一步：第一步：北斗衛(wèi)星導北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)航試驗系統(tǒng)（2003年）年）有源服務能力有源服務能力（2015年左右）年左右）區(qū)域無源服務能力區(qū)域無源服務能力（2020年左右）年左右）全球服務能力全球服務能力第二步：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)第二步：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位日本的日本的GNSS區(qū)域系統(tǒng)區(qū)域系統(tǒng) QZSS P33P33 日本日本2006年起，日本政府和企年起，日本政府和企業(yè)聯(lián)合開始研發(fā)準天頂衛(wèi)星導業(yè)聯(lián)合開始研發(fā)準天頂衛(wèi)星導航系統(tǒng)（航系統(tǒng)（QZSS：Quasi-Zenith Satellite System ）。）。 QZ

38、SS空間星座由位于空間星座由位于3個高橢個高橢圓軌道上的圓軌道上的3顆顆IGSO衛(wèi)星組成衛(wèi)星組成。IGSO空間星座的設計，確?？臻g星座的設計，確保在仰角在仰角60度以上的空間，至少度以上的空間，至少可以看到可以看到1顆顆IGSO衛(wèi)星，這也衛(wèi)星，這也是是QZSS之所以稱為之所以稱為“準天頂準天頂”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的原因。衛(wèi)星導航系統(tǒng)的原因。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位印度的印度的GNSS的區(qū)域系統(tǒng)的區(qū)域系統(tǒng)IRNSSP33P33 印度空間局印度空間局ISRO主持了印度獨立主持了印度獨立自主的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)自主的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)IRNSS的研制。的研制。 IRNSS空間星座有分別位于東經(jīng)空間星座有分

39、別位于東經(jīng)34度，度，83度和度和132度的度的3顆顆GEO衛(wèi)衛(wèi)星，以及東經(jīng)星，以及東經(jīng)55度和度和111度的度的4顆顆傾角為傾角為29度的度的IGSO衛(wèi)星組成，設衛(wèi)星組成，設計星座覆蓋范圍為東經(jīng)計星座覆蓋范圍為東經(jīng)40度度140度和緯度度和緯度40度之間，可以為用度之間，可以為用戶發(fā)播單頻和雙頻信號，標準服戶發(fā)播單頻和雙頻信號，標準服務定位精度優(yōu)于務定位精度優(yōu)于20m。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位思考題思考題1.1.什么是定位什么是定位? ?什么是授時？為什么說定位和授什么是授時？為什么說定位和授時是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐？時是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐？5.談談GPS的應用前景?3.簡述GPS

40、的發(fā)展概況?4.4.簡述簡述GLONASSGLONASS、GalileoGalileo（歐）和北斗導航系（歐）和北斗導航系統(tǒng)的特點統(tǒng)的特點? ?2.什么是GPS?該系統(tǒng)的特點有哪些？衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位電子科技大學歡迎您！電子科技大學歡迎您！ 感謝武漢大學李征航老師及精品課程網(wǎng)站資料。感謝武漢大學李征航老師及精品課程網(wǎng)站資料。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位附件：附件：GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語 GPS空間段空間段/地面控制段地面控制段/用戶段：用戶段：GPS space segment/GPS ground control segment/GPS user segment；

41、Block /a/R/R-M/F/衛(wèi)星：衛(wèi)星：Block 是原型衛(wèi)是原型衛(wèi)星；星；Block和和A是目前的基本工作衛(wèi)星；是目前的基本工作衛(wèi)星；Block R和和R-M是正在發(fā)射的替補衛(wèi)星；是正在發(fā)射的替補衛(wèi)星；Block F是后繼衛(wèi)星，是后繼衛(wèi)星，Block 是在規(guī)劃中的是在規(guī)劃中的2010年以后發(fā)射的衛(wèi)星；年以后發(fā)射的衛(wèi)星； 偽衛(wèi)星：偽衛(wèi)星：pseudolite設立在地面上的設立在地面上的GPS信號發(fā)射站，它發(fā)信號發(fā)射站，它發(fā)播與真實的播與真實的GPS衛(wèi)星相似的信號，可在近距離內(nèi)起到和衛(wèi)星相似的信號，可在近距離內(nèi)起到和GPS衛(wèi)星類同的作用；衛(wèi)星類同的作用； 星歷：星歷：ephemeris描述

42、天體的空間位置的軌道參數(shù)描述天體的空間位置的軌道參數(shù) 精密星歷：精密星歷：precise ephemeris由若干個不屬于由若干個不屬于GPS系統(tǒng)的衛(wèi)系統(tǒng)的衛(wèi)星跟蹤站獲得的測量值，經(jīng)事后處理計算出的衛(wèi)星軌道參星跟蹤站獲得的測量值，經(jīng)事后處理計算出的衛(wèi)星軌道參數(shù)，供事后精密定位使用。數(shù)，供事后精密定位使用。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位附件：附件：GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語 歷書：歷書：almanac，GPS衛(wèi)星電文中包含的所有在軌衛(wèi)星的粗衛(wèi)星電文中包含的所有在軌衛(wèi)星的粗略軌道參數(shù)。略軌道參數(shù)。 歷元：歷元：epoch指一個時期和一個事件的起始時刻或者表示某指一個時期和一個事件的起始時

43、刻或者表示某個測量系統(tǒng)的參考日期。個測量系統(tǒng)的參考日期。 偽隨機噪聲碼：偽隨機噪聲碼：pseudo random noise（PRN）code一種具一種具有與白噪聲類似的自相關(guān)特性確定的碼序列。有與白噪聲類似的自相關(guān)特性確定的碼序列。GPS信號中信號中采用了偽隨機噪聲編碼技術(shù)，以產(chǎn)生碼分多址采用了偽隨機噪聲編碼技術(shù)，以產(chǎn)生碼分多址CDMA，直，直接序列擴頻和偽距測量功能。接序列擴頻和偽距測量功能。 粗粗/捕獲碼捕獲碼coarse/acquisition code；精碼；精碼precise code； C/A碼：用于調(diào)制碼：用于調(diào)制GPS衛(wèi)星衛(wèi)星L1載頻信號的民用偽隨機碼。載頻信號的民用偽隨機碼

44、。 P碼：曾經(jīng)用于調(diào)制碼：曾經(jīng)用于調(diào)制GPS衛(wèi)星衛(wèi)星L1和和L2載頻信號的偽隨機碼。載頻信號的偽隨機碼。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位附件：附件：GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語 Y碼：碼：GPS衛(wèi)星用于調(diào)制衛(wèi)星用于調(diào)制L1和和L2載頻信號的軍用偽隨機碼，載頻信號的軍用偽隨機碼，由由P碼與加密碼碼與加密碼W模模2相加而成。由于相加而成。由于Y碼仍然保持著碼仍然保持著P碼的碼的碼速率，因此也稱作碼速率，因此也稱作P（Y）碼。）碼。 偽距偽距pseudo-range ：由：由GPS接收機測出的衛(wèi)星信號傳播時接收機測出的衛(wèi)星信號傳播時間而計算出的衛(wèi)星與接收天線相位中心間的距離。間而計算出的衛(wèi)星與

45、接收天線相位中心間的距離。 反欺騙反欺騙AS anti-spoofing：GPS衛(wèi)星信號中用加密碼衛(wèi)星信號中用加密碼W與與P碼碼相疊加，使之變?yōu)橄喁B加，使之變?yōu)閅碼的措施，用于精密定位服務碼的措施，用于精密定位服務PPS。只。只有具有解密能力的接收機才能利用精密定位服務。有具有解密能力的接收機才能利用精密定位服務。 GPS天線相位中心：天線相位中心：GPS antenna phase center指指GPS天線天線的電氣中心。其理論設計應與天線的幾何中心一致。的電氣中心。其理論設計應與天線的幾何中心一致。 均方根誤差均方根誤差RMS：root mean square表明表明GPS觀測值數(shù)據(jù)質(zhì)觀

46、測值數(shù)據(jù)質(zhì)量的參數(shù)，其值越小，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。量的參數(shù)，其值越小，數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位附件：附件：GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語 用戶距離誤差用戶距離誤差URE：user range error用戶測量所得的偽距用戶測量所得的偽距與至衛(wèi)星真實距離的誤差，用均方根值來規(guī)定。與至衛(wèi)星真實距離的誤差，用均方根值來規(guī)定。 GPS導航電文：導航電文：GPS navigation message是由是由GPS衛(wèi)星播發(fā)衛(wèi)星播發(fā)給用戶的描述衛(wèi)星運行狀態(tài)與參數(shù)的電文，包括衛(wèi)星健康給用戶的描述衛(wèi)星運行狀態(tài)與參數(shù)的電文，包括衛(wèi)星健康狀況、星歷、歷書，衛(wèi)星時鐘的修正值、電離層時延模型狀況、

47、星歷、歷書，衛(wèi)星時鐘的修正值、電離層時延模型參數(shù)等內(nèi)容，以參數(shù)等內(nèi)容，以50bps速率播發(fā)。速率播發(fā)。 轉(zhuǎn)換字轉(zhuǎn)換字HOW-hand over word ：GPS導航電文中的轉(zhuǎn)換字載導航電文中的轉(zhuǎn)換字載有時間信息，用于在有時間信息，用于在P(Y)碼接收機中輔助從碼接收機中輔助從C/A碼跟蹤狀態(tài)碼跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換到P(Y)碼跟蹤狀態(tài)。碼跟蹤狀態(tài)。 Z-計數(shù)：計數(shù)：Z-count GPS衛(wèi)星時鐘時間，在衛(wèi)星時鐘時間，在GPS導航電文中位導航電文中位于每個子幀的第二個轉(zhuǎn)換字（于每個子幀的第二個轉(zhuǎn)換字（HOW）之前，用）之前，用29位二進制位二進制數(shù)表示，單位為數(shù)表示，單位為1.5s，一個，一個Z-

48、計數(shù)為計數(shù)為6s。衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位附件：附件：GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語衛(wèi)星導航系統(tǒng)術(shù)語 協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)世界時UTC ：以世界時作為時間初始基準，以原子時：以世界時作為時間初始基準，以原子時作為時間單元秒基礎的標準時間。作為時間單元秒基礎的標準時間。 GPS時間：根據(jù)地面監(jiān)控站和衛(wèi)星上的原子鐘的時間加權(quán)時間：根據(jù)地面監(jiān)控站和衛(wèi)星上的原子鐘的時間加權(quán)而得到的，作為而得到的，作為GPS信號的時間基準。信號的時間基準。 GPS周數(shù)：周數(shù)：GPS week number是從是從1980年年1月月6日開始累計日開始累計的星期數(shù)。的星期數(shù)。 可用性指示可用性指示AI：Availability Indicator； 數(shù)據(jù)偏移齡期數(shù)據(jù)偏移齡期AODO：Age of Data Offset； 自主導航自主導航Autonav：Autonomous Navigation； 二進制相移鍵控二進制相移鍵控BPSK：Bi-Phase Shift Key； 每秒周數(shù)每秒周數(shù)CPS：Cycles Per Second； 循環(huán)冗余校驗循環(huán)冗余校驗CRC：Cyclic Redundancy Check；衛(wèi)星導航與定位衛(wèi)星導航與定位附件：附件：