《衛(wèi)星導航系統(tǒng)與定位技術》課件

衛(wèi)星導航系統(tǒng)與定位技術本課程將帶您深入了解衛(wèi)星導航系統(tǒng)與定位技術，從基本原理到實際應用，并探討未來發(fā)展趨勢。課程簡介與目標課程目標了解衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本原理掌握定位技術的關鍵技術熟悉GNSS的應用領域展望未來發(fā)展趨勢課程內(nèi)容本課程涵蓋衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、衛(wèi)星信號結構、定位原理、誤差分析、定位精度指標、差分定位技術、組合導航技術、GNSS應用、北斗系統(tǒng)特色與優(yōu)勢、未來發(fā)展趨勢等內(nèi)容。衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程11957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，標志著太空時代的開啟21960年代美國開始研制導航衛(wèi)星系統(tǒng)，并于1964年發(fā)射第一顆導航衛(wèi)星31970年代美國研制成功GPS系統(tǒng)，并于1978年開始正式運行41980年代蘇聯(lián)開始研制GLONASS系統(tǒng)51990年代歐盟啟動Galileo系統(tǒng)研制62000年代中國開始研制北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）概覽GPS美國研制，是世界上第一個全球定位系統(tǒng)，也是目前最成熟的系統(tǒng)GLONASS俄羅斯研制，與GPS類似，具有良好的兼容性Galileo歐盟研制，致力于提供全球高精度、高可靠的定位服務BeiDou中國研制，已實現(xiàn)全球覆蓋，并不斷提升服務性能GPS：全球定位系統(tǒng)系統(tǒng)特點全球覆蓋全天候工作高精度定位軍用和民用雙重用途系統(tǒng)結構由空間部分、地面控制部分和用戶設備部分組成，擁有31顆工作衛(wèi)星，分布在6個軌道面上GLONASS：格洛納斯系統(tǒng)系統(tǒng)特點全球覆蓋兼容GPS信號定位精度較高軍用為主，民用開放系統(tǒng)結構由24顆工作衛(wèi)星組成，分布在3個軌道面上，擁有與GPS類似的結構Galileo：伽利略系統(tǒng)系統(tǒng)特點全球覆蓋高精度、高可靠民用為主兼容GPS和GLONASS系統(tǒng)結構由30顆工作衛(wèi)星組成，分布在3個軌道面上，擁有與GPS類似的結構BeiDou：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)系統(tǒng)特點全球覆蓋定位精度高具有短報文通信功能支持多種定位模式系統(tǒng)結構由35顆工作衛(wèi)星組成，分布在3個軌道面上，擁有與GPS類似的結構，并提供多種增值服務GNSS組成部分：空間部分衛(wèi)星軌道GNSS衛(wèi)星通常采用中地球軌道（MEO），高度約為20,000公里衛(wèi)星星座設計衛(wèi)星星座設計是為了確保全球范圍內(nèi)始終有足夠數(shù)量的衛(wèi)星可被用戶接收，以便進行定位衛(wèi)星軌道與星座設計軌道類型GNSS衛(wèi)星通常采用中地球軌道（MEO），高度約為20,000公里，也包括地球同步軌道（GEO）和低地球軌道（LEO）星座設計衛(wèi)星星座設計是為了確保全球范圍內(nèi)始終有足夠數(shù)量的衛(wèi)星可被用戶接收，以便進行定位，通常采用多軌道面、多顆衛(wèi)星的配置，以提高定位精度和可靠性GNSS組成部分：地面控制部分地面監(jiān)控站地面監(jiān)控站用于監(jiān)測衛(wèi)星運行狀態(tài)、接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并向衛(wèi)星發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)處理中心負責處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)，生成精密星歷和鐘差數(shù)據(jù)，并向用戶提供定位服務地面監(jiān)控站與數(shù)據(jù)處理中心地面監(jiān)控站地面監(jiān)控站分布全球，用于監(jiān)測衛(wèi)星運行狀態(tài)、接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并向衛(wèi)星發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)處理中心負責處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)，生成精密星歷和鐘差數(shù)據(jù)，并向用戶提供定位服務，確保定位精度的穩(wěn)定性和可靠性GNSS組成部分：用戶設備部分接收機硬件結構接收機主要包括天線、射頻前端、信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等接收機軟件算法接收機軟件算法負責接收衛(wèi)星信號、解碼導航電文、進行定位計算等接收機硬件結構1天線接收衛(wèi)星信號2射頻前端放大和濾波衛(wèi)星信號3信號處理模塊對接收到的信號進行處理，提取導航信息4數(shù)據(jù)處理模塊進行定位計算，并將結果輸出接收機軟件算法信號接收接收機接收衛(wèi)星信號，并進行放大和濾波導航電文解碼解碼導航電文，獲取衛(wèi)星軌道信息、時間信息等定位計算根據(jù)接收到的信號信息，進行定位計算，確定用戶位置衛(wèi)星信號結構：碼、載波與數(shù)據(jù)偽隨機噪聲碼（PRN碼）用于識別不同的衛(wèi)星，以及進行時間同步導航電文內(nèi)容包含衛(wèi)星軌道信息、時間信息、衛(wèi)星鐘差等數(shù)據(jù)偽隨機噪聲碼（PRN碼）碼的特點序列長度固定自相關性好互相關性差碼的功能用于識別不同的衛(wèi)星，以及進行時間同步，提高定位精度導航電文內(nèi)容關鍵信息衛(wèi)星軌道信息時間信息衛(wèi)星鐘差電離層延遲模型參數(shù)信息更新導航電文信息會定期更新，以確保定位精度的準確性衛(wèi)星定位原理：距離測量距離測量方法偽距測量技術載波相位測量技術定位精度定位精度取決于測量誤差、衛(wèi)星幾何分布等因素偽距測量技術測量原理通過測量接收機收到衛(wèi)星信號的時間與衛(wèi)星發(fā)送信號的時間差，計算出接收機與衛(wèi)星之間的距離誤差來源偽距測量技術會受到衛(wèi)星鐘差、大氣延遲、多路徑效應等誤差的影響載波相位測量技術測量原理通過測量接收機與衛(wèi)星之間信號的相位差，計算出接收機與衛(wèi)星之間的距離優(yōu)勢相位測量技術比偽距測量技術精度更高，但需要進行相位模糊度的解算定位方程的建立與求解方程建立根據(jù)接收機與衛(wèi)星之間的距離，可以建立定位方程方程求解利用最小二乘法或卡爾曼濾波等方法求解定位方程，確定用戶位置最小二乘法定位方法原理最小二乘法通過最小化觀測值與理論值之間的誤差平方和，求解定位方程優(yōu)勢簡單易行，計算效率高，適用于靜態(tài)定位卡爾曼濾波定位方法原理卡爾曼濾波是一種遞歸算法，它根據(jù)之前的狀態(tài)估計和當前的觀測值，估計系統(tǒng)的狀態(tài)優(yōu)勢適用于動態(tài)定位，可以有效濾除噪聲，提高定位精度誤差來源與誤差分析1電離層延遲誤差電離層會使衛(wèi)星信號發(fā)生延遲，影響定位精度2對流層延遲誤差對流層也會使衛(wèi)星信號發(fā)生延遲，影響定位精度3多路徑效應誤差衛(wèi)星信號在傳播過程中會被反射和散射，造成多路徑效應，影響定位精度4衛(wèi)星鐘差與軌道誤差衛(wèi)星鐘差和軌道誤差也會影響定位精度5接收機噪聲誤差接收機內(nèi)部噪聲也會影響定位精度電離層延遲誤差影響因素太陽活動電離層密度消除方法利用電離層模型或雙頻技術進行消除對流層延遲誤差影響因素氣壓溫度濕度消除方法利用對流層模型進行消除多路徑效應誤差誤差原理衛(wèi)星信號被反射和散射，造成多個信號到達接收機，影響定位精度消除方法利用天線設計、信號處理等方法進行消除衛(wèi)星鐘差與軌道誤差誤差來源衛(wèi)星鐘不穩(wěn)定軌道預測不準消除方法利用導航電文中提供的衛(wèi)星鐘差和軌道信息進行消除接收機噪聲誤差噪聲類型熱噪聲閃爍噪聲消除方法利用信號處理技術進行濾波和降噪定位精度指標：精度、可靠性、完好性1精度指定位結果與真實位置之間的偏差，通常以米或厘米表示2可靠性指定位系統(tǒng)持續(xù)正常工作的概率，通常以百分比表示3完好性指定位系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)并避免錯誤信息出現(xiàn)的程度，通常以時間或概率表示DOP值（DilutionofPrecision）DOP值定義DOP值反映了衛(wèi)星幾何分布對定位精度的影響，值越小，定位精度越高DOP值種類GDOP：幾何精度衰減PDOP：位置精度衰減HDOP：水平精度衰減VDOP：垂直精度衰減差分定位技術（DGPS）技術原理利用參考站接收到的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)，對用戶接收到的信號數(shù)據(jù)進行校正，提高定位精度應用場景廣泛應用于航海、航空、測繪等領域，可以將定位精度提升至米級實時動態(tài)定位技術（RTK）技術原理利用參考站接收到的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)，對用戶接收到的信號數(shù)據(jù)進行實時校正，實現(xiàn)厘米級的定位精度應用場景廣泛應用于工程測量、精密農(nóng)業(yè)、無人駕駛等領域，具有高精度、實時性的特點網(wǎng)絡RTK技術技術原理利用多個參考站組成網(wǎng)絡，對用戶接收到的信號數(shù)據(jù)進行實時校正，實現(xiàn)厘米級甚至毫米級的定位精度應用場景適用于大范圍的實時高精度定位，應用于精準農(nóng)業(yè)、無人機控制等領域組合導航技術：GNSS與慣性導航技術原理將GNSS與慣性導航系統(tǒng)（INS）結合，利用各自的優(yōu)勢，互補不足，實現(xiàn)更高精度、更可靠的定位優(yōu)勢可以克服GNSS信號遮擋、多路徑效應等問題，提高定位精度和可靠性GNSS與其他傳感器融合融合技術將GNSS與其他傳感器，如攝像頭、雷達、聲吶等融合，實現(xiàn)更豐富、更準確的信息獲取應用領域廣泛應用于無人駕駛、機器人導航、環(huán)境監(jiān)測等領域GNSS在測量測繪中的應用應用領域地形測繪地籍測量工程測量優(yōu)勢提高測量效率和精度，降低成本GNSS在交通運輸中的應用應用領域車輛導航交通管理船舶定位航空導航優(yōu)勢提高交通運輸?shù)陌踩院托?，減少交通事故發(fā)生GNSS在精準農(nóng)業(yè)中的應用應用領域自動駕駛拖拉機精準施肥精準灌溉優(yōu)勢提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用率，降低生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)效益GNSS在無人機（UAV）中的應用應用領域航拍遙感監(jiān)測精準噴灑優(yōu)勢提高無人機飛行精度和安全性，拓展無人機應用范圍GNSS在智能手機中的應用應用領域地圖導航位置共享運動記錄優(yōu)勢為人們的生活帶來便利，提高生活質量GNSS在應急救援中的應用應用領域人員搜救災情評估物資運輸優(yōu)勢提高救援效率和準確性，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失GNSS在電力系統(tǒng)中的應用應用領域電力線路巡檢電力設備監(jiān)控電力調度優(yōu)勢提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低運行成本GNSS在智慧城市中的應用應用領域城市規(guī)劃交通管理環(huán)境監(jiān)測公共安全優(yōu)勢提高城市管理效率，提升城市居民生活質量北斗系統(tǒng)特色與優(yōu)勢系統(tǒng)特點自主可控服務性能高兼容性好增值服務豐富系統(tǒng)優(yōu)勢北斗系統(tǒng)擁有自主知識產(chǎn)權，服務性能優(yōu)良，兼容國際主流導航系統(tǒng)，并提供短報文通信、星基增強系統(tǒng)（SBAS）等增值服務短報文通信功能功能特點北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)支持短報文通信功能，可以實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的雙向通信應用場景應用于應急救援、海上搜救、災害監(jiān)測等領域星基增強系統(tǒng)（SBAS）功能特點SBAS利用衛(wèi)星廣播差分校正信息，提高用戶接收機定位精度應用場景適用于航空、航海、陸地交通等領域，提高定位精度和可靠性地基增強系統(tǒng)（GBAS）功能特點GBAS利用地面基站廣播差分校正信息，進一步提高用戶接收機定位精度應用場景適用于機場、港口、高速公路等區(qū)域，實現(xiàn)高精度、實時定位未來GNSS發(fā)展趨勢1多系統(tǒng)融合與互操作不同GNSS系統(tǒng)之間實現(xiàn)互操作，提供更可靠的定位服務2高精度定位技術不斷提升定位精度，實現(xiàn)厘米級甚至毫米級定位3室內(nèi)定位技術發(fā)展室內(nèi)定位技術，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的精確定位4量子導航技術探索量子導航技術，實現(xiàn)更高精度、更可靠的導航定位多系統(tǒng)融合與互操作融合優(yōu)勢提高定位精度、可靠性和可用性互操作性實現(xiàn)不同GNSS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和互操作，提供更全面的服務高精度定位技術技術發(fā)展利用更先進的信號處理技術、精密星歷和鐘差數(shù)據(jù)等，提高定位精度應用場景應用于無人駕駛、精密農(nóng)業(yè)、工程測量等領域室內(nèi)定位技術技術類型Wi-Fi定位藍牙定位超寬帶定位應用場景適用于商場、醫(yī)院、博物館等室內(nèi)環(huán)境，提供精準的室內(nèi)導航和位置服務量子導航技術技術原理利用量子效應進行導航定位，具有高精度、抗干擾等特點未來展望量子導航技術有望成為未來導航領域的重要技術方向GNSS安全問題與防護安全問題信號干擾信號欺騙防護措施采用抗干擾技術，提高GNSS系統(tǒng)的抗干擾能力信號干擾與欺騙干擾類型主動干擾被動干擾欺騙類型偽造信號信號重放抗干擾技術技術方法信號處理技術天線設計技術加密技術應用場景應用于軍事、航空、航海等領域，提高GNSS系統(tǒng)的安全性和可靠性課程重點回顧1GNSS系統(tǒng)概覽了解GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)2衛(wèi)星信號結構與定位原理掌握衛(wèi)星信