卫星导航定位原理与应用--2

卫星导航定位原理与应用,GPS

卫 星 导 航 定 位 原 理 与 应 用第一章 绪论1.1 引言 1.2 GPS简史 1.3 GPS概述 1.4 GPS升级计划 1.5 欧洲GALILEO系统 1.6 俄罗斯GLONASS系统 1.7 中国北斗系统 1.8 GPS增强措施 1.9 GNSS市场及应用导航技术的发展? 导航定义 能使运载工具/人从一个地方到达另一地方的技术 (科学)。 ? 导航辅助装置 北极星；指南针；经纬/水准仪；无线电 时钟；汽车里程表 无线电导航辅助装置(能够发射电学信号) ? 导航方法 用户通过来自一个/多个无线电导航辅助装置的信 号计算其空间位置(有些装置可提供速度和时间)。 ? 无线电导航分类 地基无线电导航和天基无线电导航导航技术的发展-续 导航技术的发展 续1? 地基无线电导航 (大多数)地基无线电导航辅助装置的精度与 工作频率成正比。 --通常高精度导航系统使用较短波长无线电 波，但用户必须在视距以内。 --较长波长的无线电导航系统不受视距限制， 但导航精度较低。导航技术的发展-续 导航技术的发展 续2? 早期的天基无线电导航 美国海军导航卫星系统(Transit) [已于1996/12/31停用] 俄罗斯Tsikada系统 [目前还在运行中] 能够提供2维高精度空间定位，定位时间间 隔随纬度变化。 定位时间长(10-15分钟)，适合航海等低动态 应用，不适合航空等高动态应用。美 国 海 军 导 航 卫 星 TransitGPS发展历程 发展历程? 发展缘由 20世纪60年代初，美国政府机构 国防部(DOD) 国家航空航天局(NASA) 交通部(DOT) 系统需求： 全球覆盖，连续/全天候工作，高动态服务能力， 高精度 ? Transit系统 1964年运行，存在先天不足(低动态定位特性)GPS发展历程 续1 发展历程-续 发展历程? 改进计划 美国海军(NAVY) --Timation卫星 美国空军(FORCE) --621B --621B系统 美国陆军(ARMY) --伪距测量 国防秘书办公室(OSD) --国防导航卫星系统(DNSS) →NAVigation System with Time And Ranging Global Position System NAVSTAR GPS 简称GPSGPS 卫 星 的 发 射GPS概述 概述? GPS的技术能力 向具有接收机的全球用户免费提供精确连续的三 维位置和速度信息，同时发布世界协调时间 (UTC)。 ? GPS的系统构成 24颗卫星： --6个轨道面 --每个轨道面4颗； --全球分布的地面控制/监视网络监视卫星状态。 --用户接收机GPS概述 续1 概述-续 概述? GPS的技术细节 工作原理： --使用单向到达时间(TOA)测距的原理； 工作频率： --L1(1575.42MHz) --L2(1227.6MHz) 广播测距码/导航电文： --码分多址(CDMA) 服务精度： --标准定位服务(SPS) --精确定位服务(PPS)GPS 系 统 构 成GPS 星 座 组 成精确定位服务(PPS) 精确定位服务? 服务对象 军方和特定政府机构用户，民用须由DOD特批。 ? 服务精度 水平优于22m(2d

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rms/95%)； 垂直优于27.7m(95%)； UTC传递误差小于200ns(95%)； 速度测量精度0.2m/s(95%)。 注：2drms表示为至少包含在任一地方用此系统获 得所有可能定位值的95%的圆的半径。 ? 精度控制 反欺骗(AS)和选择可用性(SA)标准定位服务(SPS) 标准定位服务? 服务对象 全球用户，没有限制，无需付费。 ? 服务精度 水平面优于100m(2drms/95%)； 垂直面优于156m(95%)； UTC传递误差小于340ns(95%)； ? 选择可用性(SA)影响 通常SA是SPS导出定位值的主要误差源。 ? SPS成为占据主导地位的卫星导航服务。GPS升级计划 升级计划? 1999年1月美国政府宣布GPS升级计划： 新的GPS卫星中增加2个民用信号： --L2C --L5 ? L2C是在L2频率上的用于非安全保障的生命 应用； ? L5位于1176.45MHz的航空无线电导航服务 (ARNS)波段，用于安全救生应用。GPS升级计划 续1 升级计划-续 升级计划? 20世纪90年代中后期，美国开始研究用于 PPS的新的军用信号--M码。 ? M码可以同时在L1和L2频率上发射，又与 这些波段上的GPS民用信号频率分离。 ? 频率分离模式允许使用无干扰的高功率M码 来提高抗干扰性。 ? M码提供比传统P(Y)码更可靠的捕获、更高 的精度和安全性。GPS信号的演化 信号的演化GPS升级计划 续2 升级计划-续 升级计划? SPS用户可以利用新增的民用信号通过双频 测量来校正电离层延迟，显著提高民用用 户的精度。 ? 使用L1C/A、L2C、L5信号的载波相和差分 处理技术，能够快速获得非常高的精度(高 达毫米级)。 ? M码和L2C信号将随2005年首颗Block IIR-M 卫星发射启用，Block IIR-M卫星仍产生所 有传统信号。GPS升级计划 续3 升级计划-续 升级计划? 2007年计划发射的Block IIF卫星发射所有信 号，包括L5信号。 ? GPS III于2000年构思，重新评估GPS架构满 足直至2030年对民用和军用用户的需求。 ? 首颗GPS III卫星将计划于2013年美国政府 财政年度发射。GPS Block IIR-M GPS Block IIR卫星GPS Block IIF GPS Block IIF卫星欧洲GALILEO系统 系统 欧洲? 1998年欧盟计划开始执行独立于GPS之外的 专门设计用于全球民用的卫星导航系统。 ? 具有30颗卫星构成的星座和全球分布的控 制站(地面控制部分)。 ( ) ? 发展目标与GPS完全兼容，计划2008年提供 全球民用服务。 ? 2个导航系统的最基本的互操作性： --信号结构；大地坐标系；时间参考系欧洲GALILEO卫星系统 续1 卫星系统-续 欧洲 卫星系统? 对全球用户提供不同层次的服务： (1)直接用户免费的开放服务； (2)结合附加数据的高精度定位服务的商业服 务； (3)用于严格安全用户的生命安全服务(SOL)； (4)较高保护层次的政府授权用户的公共管理 服务； (5)搜索救

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生支持。GALILEO GALILEO卫星俄罗斯GLONASS系统 系统 俄罗斯? GLONASS--全球导航卫星系统 ? GLONASS是俄罗斯/前苏联与美国GPS系统相对 应的天基无线电导航系统。 ? 由24颗中轨道(MEO)卫星、地面控制机构以及用 户设备构成。 ? 采用FDMA技术，PRN测距。 ? 卫星数量变化： --1991[7] --2005[14] --2007[18] --2011[24]俄罗斯GLONASS系统 续1 系统-续 俄罗斯 系统? 现代化改造： GLONASS-M卫星 GLONASS-K卫星 --目标是保持与GPS/GALILEO的兼容性。 ? 民用服务精度项目 规定值 实测值 水平面 100m(2drms/95%) 26m(2drms/95%) 垂直面 150m(95%) 45m(95%)GLONASS-M GLONASS卫星GLONASS-K GLONASS卫星中国北斗系统? 北斗系统是为中国军队和民用用户提供定位、船 队管理、精确时间发布的分阶段卫星导航项目。 ? 当前北斗系统(BNTS)是覆盖中国的地球同步轨道 (GEO)的3颗卫星构成的半运行阶段。 ? 北斗导航试验系统(BNTS)还可以提供无线电广播 卫星服务(RDSS) 。 ? BNTS通过星基增强系统(SBAS)服务提供完好性 和差分校正。 ? 长期发展目标是北斗二号项目，由14-30颗卫星实 现区域或者全球的导航服务。[(30+5)颗]BNTS 系 统 构 成BNTS BNTS卫星GPS增强措施 增强措施? 提高独立GPS的性能 --天基：通过地球同步轨道(GEO)卫星覆盖服务 提供卫星信号提高精确性、可用性和完好性； --地基：通过网络协助手持终端中的嵌入式GPS 接收机快速计算位置。 ? 其他形式的增强措施 使用惯性传感器(INS)来提高系统抗干扰性，GPS 接收机与传感器测量通过使用Kalman滤波器集成 在一起。GPS增强措施 续1 增强措施-续 增强措施? 差分GPS能够大幅提高单独系统的性能 --可用于精细农业、飞机精确接近、港口导航等 高精度应用。 ? 广域差分GPS服务 --欧洲地球同步轨道导航覆盖服务(EGNOS) --美国广域增强系统(WAAS) --日本广域增强系统(MSAS) --印度广域增强系统(GAGAN)EGNOS GEO EGNOS GEO卫星覆盖广域增强系统 WAAS局域增强系统 LAASPseudolitePseudolite LAAS Reference Stations PseudoliteGNSS市场与应用 市场与应用? 元器件微型化和批量制造技术导致低成本GPS接 收机元件激增。 ? GPS接收机嵌入到我们日常生活使用的器具中： 手机；PDA；汽车 ? 全球导航卫星系统(GNSS)市场预测： 2900亿美元@2018年 3100亿美元@2020年 ? GNSS应用领域： 陆地；航空；空间自主导航；航海陆地应用? GNSS应用的主体是陆地应用，范围从休闲徒步 旅行到编队车辆管理。 ? GNSS接收机价格下降，伴随通信服务的激增， 导致大量定位服务(LBS)的出现。LBS能使用户从 服务商处推入和抽出数据。 ? 扩张的全球市场是用于编队车辆与紧急车辆

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管理 的自动车辆定位系统(AVLS)。 ? 全球栅栏 ? 地面部队装备GPS设备GPS 陆 地 应 用 产 品航空应用? 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)航空应用-续 航空应用 续1? 自动相关监视(ADS)： GNSS接收机引入数据链将飞机位置发送到其他 飞机或空中交通管制中心(ATC)。 ? ADS用于ATC的防撞监视， 使用最佳航路降低飞行时间和油耗，也可用于空 港的飞机与地面支持车辆的监视。WASS/ LAAS任务交接 任务交接美军导弹打击后的伊拉克坎大哈机场精确打击12枚 精确打击 枚，1000米圆概率 米圆概率GPS 在 航 空 遥 感 的 应 用无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x”，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。空间飞行器自主导航应用? GPS对空间飞行器有不同的用途： 定姿；时间同步；定轨；绝对/相对定位 ? CHAMP卫星[美国DARA] 定姿和时间同步，2000年 大气层和电离层研究，天气预报和空间天气监视 ? TOPEX/POSEIDON卫星[法国CNES&美国NASA] GPS结合地面处理 精密定轨(3cm量级精度) ? 国际空间站 位置；速度；定姿国际空间站应用航海应用? 商业和休闲航海机构都在使用GNSS。 ? 所有船只的导航都得到提高，从海洋航行到内河 航运，特别是在难险水域。 ? 差分GPS网络提高海港和内河的导航精度： WAAS；EGNOS；MDGPS；RTK ? 2001年底，全球RBN网投入使用，GPS成为航海 主要的导航手段。其他应用？? 不怕做不到！ ? 就怕想不到！

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