GPS定位原理及应用课件：第5章 - 其它卫星导航定位系统.ppt

1、中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18说明及致谢 课件中引用了大量来自网络及他人课件的图片资料。由于其来源复杂，在此未能一一列出。资料的版权均属原作者。本课件只用于教学，不作其它用途。特此说明！中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18内容要点 全球卫星导航定位系统 区域卫星导航定位系统 卫星导航定位系统增强 卫星导航定位系统发展趋势中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18俄罗斯GLONASS系统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

2、术，PRN测距。卫星数量变化： -19917 -200514 -200718 -201124中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GLONASS系统构成地面监控系统卫星接收机中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GLONASS与GPS的比较参 数GLONASSGPS系统中的卫星数213213轨道平面数36轨道倾角64.8 55轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz中南大学测

3、绘与国土信息工程系2022-1-18fk1=f01+kDf1fk2=f02+kDf2fk3=fk1*3/4f01=1602 MHz; Df1= 562,5 kHzf02=1246 MHz; Df2= 437,5 kHzGLONASS的FDMA中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18俄罗斯GLONASS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。民用服务精度项目水平面垂直面规定值100m(2drms/95%)150m(95%)实测值26m(2drms/95%)45m(95%)中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18G

4、LONASS-K卫星中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GLONASS卫星发射中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GLONASS星座状态http:/www.glonass-ianc.rsa.ru/ GLONASS constellation status, 06.05.2011中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GPS/GLONASS组合PPP的精度0481216202404812162024时 间 （ 小 时 ）观测的卫星数（颗） GPS+GLONASSGPSGLONASS04812162024-50050100150时 间 : (小 时 )N方向与ITRF20

5、05的坐标差: (mm) GPSGLONASSGPS+GLONASS中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GPS/GLONASS组合PPP的精度04812162024-100-50050100150200时 间 : (小 时 )U方向与ITRF2005的坐标差: (mm) GPSGLONASSGPS+GLONASS24681012141618202224-50050100150时 间 : (小 时 )N方向与ITRF2005的坐标差: (mm) GPSGLONASSGPS+GLONASS中国参加Galileo系统建设l 中国与欧盟2003.10.30在北京签署伽利略卫星导航合作协定l

6、“伽利略计划”总共投资约33亿欧元，按照中国和欧盟15个国家以平等地位参与合作的原则，中国将出资两亿欧元左右l 中方将参与管理层联合执行体 ，并享有20的选举权。l 中国参加伽利略计划管理，参加伽利略计划开发阶段包括空间段、地面段、应用段项目、提供资金等一系列具体的权利和义务安排。中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18欧洲Galileo系统altitude 23616 kmSMA 29993.707 kminclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG G G GA A L L

7、I I L LE E O OA A L LI I L LE E O OD D A A T TA AD D A A T TA A27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)Walker 27/3/1Constellation中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18Galileo系统构成系统构成5 TT&CStations9 MissionUplinkStations3 Control Centres30-40 GalileoSensor StationsConstellation of 30 MEO SatellitesUsers

8、 & Service Providers中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18 IMS TTC上行上行GCCL-band导航导航UHF搜救搜救.区域设施区域设施局域设施局域设施COSPAS-SARSAT地面设施地面设施卫星星座卫星星座外部辅助系统C波段波段区域上行S波段波段 监控站监控站ICC IMSNetworkICC IMSNetworkIULS.NAV SISNAV SISNAV SISNAV SIS任务上行任务上行局域设施局域设施数据链数据链导航控制&星座维护中心完好性测试与发布全球设备全球设备用户用户Galileo系统构成中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18Gali

9、leo提供的服务自由航空；大众市场；自由航空；大众市场；简单的定位授时简单的定位授时加密；有保障服务加密；有保障服务开放服务开放服务 + + 信号完好性信号完好性加密；完好性；加密；完好性； 连续可用性连续可用性接近实时；高精度；接近实时；高精度； 方便的信方便的信息反馈链路息反馈链路开放服务开放服务Galileo Open Service OS 商业服务商业服务Commercial Service ， CS 生命安全服务生命安全服务Safety of Life ， SoL公共特许服务公共特许服务Public Regulated Service ， PRS导航导航搜索救援服务搜索救援服务Sea

10、rch and Rescue Service , SAR搜救搜救Galileo搜索救援服务Galileo搜索救援服务G alileo U L SG alileo M E OS & R -term in alM ission C on trol C en ter(M C C C O S P A S -S A R S A T)N A V S IS & S & R m essa geR escu e C o -o rd in atio n C en tre(R C C C O S P A S -S A R S A T)S & R m essa geM E O L U T(C O S P A S -S

11、 A R S A T )(1 )(2 )(3 )(4 )(5 )(6 )(7 )(8 )G alileo C on trol C en tre(3 )S e a r c h &R e s c u e A r c h ite c tu r e中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18Galileo定位信号每颗 Galileo 卫星发送的 6 种导航定位信号 Galileo 信号名称 射频分量 导航电 文类型 特点 测距码 加密否 导航数据 加密否 L1F L1-B L1-C I/Nav 民众使用信号，传送完整的导航数据。 否 部分加密 L1P L1-A G/Nav 约束使用信号，传送约束使用

12、的导航数据。 政府型加密 政府型加密 E6C E6-B E6-C C/Nav 控制使用信号，传送控制使用的导航数据。 商务型加密 商务型加密 E6P E6-A G/Nav 约束使用信号，传送约束使用的导航数据。 政府型加密 政府型加密 E5A E5A-I E5A-Q F/Nav 民众使用信号，传送完整的导航数据。 否 否 E5B E5B-I I/Nav 民众使用信号，传送完整否 部分加密 中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18Galileo实验卫星2005年12月28日发射中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18Galileo实验卫星跟踪网CONGO network sites

13、(Feb 2010) COoperative Network for GIOVE Observation (CONGO)The European GNSS Programmes24Galileo System Testbed v1Validation of critical algorithms2003Galileo System Testbed v22 initial test satellites2005In-Orbit Validation4 IOV satellites plus ground segment2011Initial Operational CapabilityEarly

14、 Services for OS, SAR, PRS 18 satellites2014/2015Full Operational CapabilityAll services, 30 satellites2016/2017In order for Galileo to be recognized by the downstream market as the second satellite navigation system of choice it is key to deliver early services as soon as 2014/2015.Galileo卫星导航定位系统发

15、展时间表lGalileo IOV vs FOCComponentIOV PhaseFOC PhaseSatellites427(+3)Control Centres13Mission Uplink Stations59TT&C Stations25Sensor Stations2030-40IOV (In Orbit Validation), FOC (Full Operational Capability)中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18中国拥有自主知识产权的卫星导航发展路线 按照三步走的总体规划分步实施：+ 第一步 1994年启动北斗卫星导航试验系统(BNTS)建设 2000

16、年实现区域有源服务能力+ 第二步 2004年启动北斗全球导航系统(COMPASS)建设 2012年实现区域无源服务能力+ 第三步 2020年实现全球无源服务能力中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18北斗卫星导航试验系统（北斗一代）2000年分别发射北斗卫星导航试验系统第一颗、第二颗卫星，2003年发射第三颗卫星，建成区域有源卫星导航系统，使我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统可为我国及周边地区的中低动态用户提供快速定位、短报文通信和授时服务。中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18 导航试验卫星由三颗地球同步静止轨道卫星组成（其中一颗在轨备份），分别定点于140

17、E、80E和110.5E（备份星）。三星分别于2000年10月、12月和2003年5月成功发射、运行，至今仍在工作。卫星在轨工作示意图卫星在轨工作示意图北斗卫星导航试验系统（北斗一代）中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18北斗卫星导航试验系统定位原理中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18北斗卫星导航试验系统定位原理 地面中心站经两颗卫星传送测距问询信号，用户若需定位则回复应答信号。 地面中心站根据用户应答信号的时间差计算卫星-用户距离，分别以两颗卫星为球心并以两个卫星-用户距离为半径作出两个定位球面。+ 两个定位球面与地球表面相交构成两个定位圆周，用户必定位于两个定位圆周相交的

18、两个交点上，两个交点是以赤道面为对称面的南北对称。 地面中心站计算用户坐标后，再根据坐标上的地面数字高程模型查出用户高程，由卫星发送至用户。中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18北斗卫星导航试验系统定位原理中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18北斗卫星导航试验系统优点u BNTS对服务区域用户进行全天时全天候的 连续定位服务，定位精度较高；u BNTS星座构成的卫星数量较少(仅24颗)，建设成本远低于传统的全球定位卫星系统u BNTS具备消息通信功能，便于用户-用户、用户-管理者的沟通；u BNTS能够提供高精度的时间信息，可以用于时间同步。中南大学测绘与国土信息工程系2022

19、-1-18双星有源导航定位体制，只能提供低动态和静态导航定位服务。需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，定位精度低,隐蔽性差。系统用户容量、导航定位维数有限无冗余测距信息，在体制上不能与国际上的、“GLONASS”及将来的“伽利略”系统兼容。北斗卫星导航试验系统缺点区域导航卫星由区域导航卫星由5GEO+3IGSO+4MEO混合星座组成。混合星座组成。5颗地球静止轨道卫星（GEO）分别定点于东经60、80、110.5、140、160。3颗倾斜同步轨道卫星（IGSO）分别在间隔120的三个轨道上，倾角55，星下点轨道重合，交叉点为东经118，相位差120。4颗中轨道卫星（MEO）为Wal

20、ker 24/3/1 星座的第一轨道面第7、8相位，第二轨道面第3、4相位，轨道高21528公里，倾角55。 我国区域导航卫星我国区域导航卫星中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18我国全球导航卫星设想我国全球导航卫星设想全球卫星导航系统是一个面向全世界开放的卫星导航定位服务系统，在全球范围内提供基本的导航、定位和授时服务。全球导航卫星系统在区域导航基础上，增加MEO卫星，由24 MEO+3GEO+3IGSO混合星座组成。24颗MEO卫星为Walker 24/3/1星座，三个轨道面，各8颗卫星均匀分布。中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18北斗二代导航定位系统中南大学测绘与国土信

21、息工程系2022-1-18北斗卫星导航系统官方网站http:/ 全球卫星导航定位系统 区域卫星导航定位系统 卫星导航定位系统增强 卫星导航定位系统发展趋势中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18日本QZSS系统的概念 Signal from high elevation angle Applicable to navigation services for mountain area and urban canyon Footprint of QZS orbit Centered 137E Eccentricity 0.1, Inclination 45deg90120150180-60

22、060Longitude, degLatitude, deg中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18印度IRNSS区域卫星导航定位系统印度政府于2006年5月9日正式批准建设的印度区域导航卫星系统(IRNSS)，将由7颗卫星(4颗同步轨道，3颗大椭圆轨道)及其地面控制系统组成，预计未来6年内研发、制造和发射7颗卫星的投资需要3.5亿美元(160亿卢比)。印度声称，该系统将完全由印度控制，所有IRNSS星座、地面控制系统和用户接收机的研制和生产都由印度独自主完成，这项工程的实施预计将会给印度航天部门和工商企带来巨大的技术挑战和商机。中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18区域卫星导航

23、定位系统Quasi Zenith Satellite SystemOperated by Japan Number of satellites 3accurate to 8-22 metersIndian Regional Navigation Satellite SystemOperated by IndiaNumber of satellites 7Accurate to 20 metersBeidou Operated by ChinaNumber of satellites 4Accurate to 100 meters中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18内容要点 全球卫星导

24、航定位系统 区域卫星导航定位系统 卫星导航定位系统增强 卫星导航定位系统发展趋势中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GPS地基增强系统的工作原理(Ground Based Augment System: GBAS)中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GBAS Cat-1 SydneyEquipment on the Hook at Sydney Airport中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GPS空基增强系统的工作原理(Space Based Augment System: SBAS)上传站：转发误差改正信息到地球静止卫星地球静止卫星：转发误差改正信息给用户G

25、PS星座主控中心：处理GPS数据以确定误差大小GPS 定位精度SBAS 定位精度监测站：接受GPS信号并发送到主控中心中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GPS空基增强系统的工作原理(Space Based Augment System: SBAS)地球同步卫星电离层IGPS 卫星jbjR 用户广域参考站广域参考站广域参考站IbRjj, 中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18世界上应用成熟的空基增强系统GLONASSEGNOSWAASMSASGPS中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18美国的WASS系统中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-1818 January

26、 2022The European GNSS ProgrammesEGNOSService AreaEGNOS SatelliteFootprints3 GEOSatellites 2 Support Facilities6 NavigationLand EarthStationsGPS signals34 Ranging & Integrity MonitoringStations (RIMS)4 MissionControlCentresSoon to be replaced byASTRA SIRIUS 5ASTRA 5B3 Geostationary satellitesINMARSA

27、T 3F2 AOR-E (15.5W) ARTEMIS (21.3E) INMARSAT 4F2欧洲的欧洲的EGNOS 系统结构及其服务区域系统结构及其服务区域中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18Definition PhaseIOP Phase200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019EGNOSProgrammePhasesOperational Phase (Long Term Operations, Extensions, Replenishments)EGNOS系统时间进度表

28、系统时间进度表中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18日本MSAS系统结构中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18The Wide Area Augmentation System (WAAS) will provide guidance for enroute flight, terminal, and approach operations. WAAS sends differential correction and integrity messages to aircraft via geostationary earth-orbit (GEO) satellites at

29、 the same frequencies as the GPS. In addition to the differential corrections, the WAAS signals provide an additional ranging source for increased accuracy and availability. The Local Area Augmentation System (LAAS) will meet the guidance requirements for the more stringent approach and surface oper

30、ations in all weather conditions. The LAAS is intended to complement the WAAS and function together to supply users with seamless satellite-based navigation for all phases of flight. In practical terms, this means that at locations where the WAAS is unable to meet existing navigation and landing req

31、uirements, such as availability and accuracy, the LAAS will be used to fulfill these requirements.中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18中国广域实时精密定位示范系统 国内基准站：l15个 实时动态定位：l双频：分米级l单频：亚米级 覆盖范围：l中国及周边 精密差分信号：lGPS差分中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18印度的GPS辅助地球同步增强导航系统GPS Aided Geo Augmented Navigation: GAGAN GAGAN由一个太空段和一个地面段组成。太空段

32、是GSAT-8卫星上的GPS双频（(L1与L5)）兼容载荷，地面段由8个印度基站组成，1个印度主控中心（INMCC），1个印度陆地上行链路站（INLUS）及相关导航软件、通信链路组成GSAT-8卫星GAGAN系统中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18内容要点 全球卫星导航定位系统 区域卫星导航定位系统 卫星导航定位系统增强 卫星导航定位系统发展趋势中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18多频多模GNSS数据处理G P SGLONASSGALILEOBD多频多模多频多模GNSSGNSS数据处理数据处理GPSGLONASSGLONASS伽利略伽利略促进全球竞争合作，推动系统共同发展促

33、进全球竞争合作，推动系统共同发展竞争合作竞争合作共同发展共同发展中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GNSS系统互操作GPSQZSSGALILEOCOMPASSIRNSSGLONASSBetter Together than Separate中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18GNSS软件接收机模数转换信号相关通道环路闭合,定位前置放大器(模拟信号)定位信息模数转换信号相关通道环路闭合,定位前置放大器(模拟信号)定位信息模数转换信号相关通道环路闭合,定位定位信息硬件硬件软件软件传统GPS接收机软件定义GPS接收机理想的GPS软件接收机中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-