卫星导航定位系统介绍课件.ppt

1、 20082008年年3 3月月3131日日卫星导航定位系统介绍卫星导航定位系统介绍GPS WOULD HAVE SAVED HIM!2022年8月11日2卫星导航定位系统介绍纲要纲要uGPS介绍介绍lGPS系统产生系统产生lGPS系统组成系统组成lGPS系统定位原理系统定位原理lGPS系统特点系统特点lGPS系统应用系统应用u美国政府的美国政府的GPS政策政策u其他卫星导航定位系统的概况其他卫星导航定位系统的概况2022年8月11日3卫星导航定位系统介绍一、一、GPS介绍介绍2022年8月11日4卫星导航定位系统介绍GPSGPS系统产生系统产生u最古老、最简单的导航方法是最古老、最简单的导航

2、方法是星历导航星历导航，人类通，人类通过观察星座的位置变化来确定自己的方位；过观察星座的位置变化来确定自己的方位；u最早的导航仪是中国人发明的最早的导航仪是中国人发明的指南针指南针，几个世纪，几个世纪以来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一以来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一直为人类广泛应用着；直为人类广泛应用着；u最早的最早的航海表航海表是英国人是英国人John Harrison经过经过47年的年的艰苦工作于艰苦工作于1761年发明的，在其随后的两个世纪，年发明的，在其随后的两个世纪，人类通过综合地利用星历知识、指南针和航海表人类通过综合地利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位

3、。来进行导航和定位。2022年8月11日5卫星导航定位系统介绍现代导航技术现代导航技术 进入二十世纪以后，随着科学技术水平进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高人类逐渐发明的不断提高人类逐渐发明/发现了许多新的定发现了许多新的定位方法：位方法：l惯性导航技术（惯性导航技术（Inertial Navigation）l地基电子导航系统（地基电子导航系统（Ground-based Radionavigation System）（其中最著名的有（其中最著名的有Loran C/D、Omega、VOR/DME Tacan等）等）l空基电子导航系统（空基电子导航系统（Space-based Radio

4、navigation System）2022年8月11日6卫星导航定位系统介绍空基电子导航系统空基电子导航系统u空基电子导航系统统称为卫星电子导航系统空基电子导航系统统称为卫星电子导航系统l第一代卫星电子导航系统的代表是海军导航卫星第一代卫星电子导航系统的代表是海军导航卫星系统（系统（Navy Navigation Satellite System NNSS）。也称）。也称“子午仪（子午仪（Transit）卫星系统）卫星系统”。l第二代卫星导航定位系统第二代卫星导航定位系统-授时与测距导航系统授时与测距导航系统/全球定位系统（全球定位系统（Navigation System Timing an

5、d Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），），简称全球定位系统（简称全球定位系统（GPS）。）。2022年8月11日7卫星导航定位系统介绍GPSGPS方案之一方案之一u起初的起初的GPS方案由方案由24颗卫星组成，这些卫星颗卫星组成，这些卫星分布在互成分布在互成120的三个轨道平面上，每个的三个轨道平面上，每个轨道平面分布轨道平面分布8颗卫星，这样的卫星布局可颗卫星，这样的卫星布局可保证在地球上的任何位置都能同时观测到保证在地球上的任何位置都能同时观测到69颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高系统的抗干扰能力和保

6、密能力，采用了直接系统的抗干扰能力和保密能力，采用了直接序列扩频技术（序列扩频技术（DS-SS），整个系统相当于），整个系统相当于一个码分多址系统（一个码分多址系统（CDMA）。）。2022年8月11日8卫星导航定位系统介绍GPSGPS方案之二方案之二u1978年，在第二方案中系统的卫星数由年，在第二方案中系统的卫星数由24颗减少颗减少到到18颗，并调整了卫星的布局，颗，并调整了卫星的布局，18颗卫星分布在颗卫星分布在互成互成60的的6个轨道平面上，每个轨道平面分布个轨道平面上，每个轨道平面分布3颗卫星，这样的配置基本能够保证在地球上任何颗卫星，这样的配置基本能够保证在地球上任何位置均能同时观

7、测到至少位置均能同时观测到至少4颗卫星。颗卫星。u在在1990年对第二方案进行了修改，最终方案是由年对第二方案进行了修改，最终方案是由21颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备用卫星组成整个系统，颗备用卫星组成整个系统，6个个轨道平面的每个平面上分布轨道平面的每个平面上分布4颗卫星，这样的配置颗卫星，这样的配置使同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地使同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为点而异，最少为4颗，最多可达颗，最多可达11颗。颗。2022年8月11日9卫星导航定位系统介绍u从从1973年到年到1993年，年，GPS系统的建立经历了系统的建立经历了近近20年，耗资年，耗资30

8、0亿美元，它是继阿波罗登亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划计划。u共发射共发射3939颗卫星（颗卫星（Block I 15Block I 15颗，颗，Block II Block II 2424颗）保证在世界任何地方至少同时看到颗）保证在世界任何地方至少同时看到4 4颗卫星。颗卫星。uGPS系统能提供实时、连续、全天候的导航系统能提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务。定位及授时服务。2022年8月11日10卫星导航定位系统介绍GPSGPS系统组成系统组成uGPSGPS系统由三部分组成系统由三部分组成l1 1、空间星座部分

9、、空间星座部分l2 2、地面控制部分、地面控制部分l3 3、用户设备部分、用户设备部分2022年8月11日11卫星导航定位系统介绍空间部分：空间部分：提供星历和时间信息提供星历和时间信息发射伪距和载波信号发射伪距和载波信号提供其它辅助信息提供其它辅助信息用户部分：用户部分：接收并测定卫星信号接收并测定卫星信号记录原始数据记录原始数据得到导航定位信息得到导航定位信息地面控制部分：地面控制部分：解算中心控制参数解算中心控制参数实现时间同步实现时间同步跟踪卫星并进行定轨跟踪卫星并进行定轨2022年8月11日12卫星导航定位系统介绍GPSGPS的空间星座部分的空间星座部分2022年8月11日13卫星导

10、航定位系统介绍GPSGPS卫星卫星作用：作用：l 接收、存储导航电文接收、存储导航电文l 生成用于导航定位的信号（测距码、载波）生成用于导航定位的信号（测距码、载波）l 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）和导航电文）l 接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作l 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备主要设备l 太阳能电池板太阳能电池板l 原子钟（原子钟（2 2台铯钟、台铯钟、2 2台铷钟）台铷钟）l 信号生成与发射装置信号生成与发射装置2022年8月1

11、1日14卫星导航定位系统介绍GPSGPS卫星卫星Block IIABlock IIRBlock IIABlock IIRBlock IIRBlock IIF2022年8月11日15卫星导航定位系统介绍GPSGPS的地面监控部分的地面监控部分u主控站：主控站：1 1个（个（美国科罗拉多州法尔孔空军基地）美国科罗拉多州法尔孔空军基地）u监测站：监测站：5 5个（个（夏威夷、主控站及三个注入站）夏威夷、主控站及三个注入站）u注入站：注入站：3 3个（个（阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）、卡瓦加兰（太平洋）洋）、卡瓦加兰（太平洋）u通讯与辅助系统通讯与辅

12、助系统GPS卫星注入站监测站主控站2022年8月11日16卫星导航定位系统介绍GPSGPS的用户部分的用户部分u组成：组成：l 用户用户l 接收设备接收设备u接收设备：接收设备：l GPSGPS信号接收机信号接收机l 其它仪器设备其它仪器设备2022年8月11日17卫星导航定位系统介绍GPSGPS系统定位原理系统定位原理uGPS系统采用高轨测距体制，以观测站至系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。卫星之间的距离作为基本观测量。u主要采用两种方法：主要采用两种方法：l一是测量一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪

13、距测量；接收机的传播时间，即伪距测量；l一是测量具有载波多普勒频移的一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。差，即载波相位测量。2022年8月11日18卫星导航定位系统介绍GPSGPS系统特点系统特点主要特点是：主要特点是：u全球地面连续覆盖。全球地面连续覆盖。u功能多、精度高。功能多、精度高。u实时定位速度快。实时定位速度快。u抗干扰性能好、保密性强。抗干扰性能好、保密性强。2022年8月11日19卫星导航定位系统介绍GPSGPS系统应用系统应用u1、对舰船而言，它能在海上协同作战，

14、海、对舰船而言，它能在海上协同作战，海洋交通管制，海洋测量，石油勘探，海洋捕洋交通管制，海洋测量，石油勘探，海洋捕鱼，浮标建立，管道铺设，浅滩测量，暗礁鱼，浮标建立，管道铺设，浅滩测量，暗礁定位，海港领航等方面作出贡献。定位，海港领航等方面作出贡献。u 2、对飞机而言，它可以在飞机进场、着陆，、对飞机而言，它可以在飞机进场、着陆，中途导航，飞机会合和空中加油，武器准确中途导航，飞机会合和空中加油，武器准确投掷及空中交通管制等方面进行服务。投掷及空中交通管制等方面进行服务。2022年8月11日20卫星导航定位系统介绍GPSGPS系统应用系统应用u 3、在陆地上，可用于各种车辆、坦克、陆、在陆地上

15、，可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位，还军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位，还可用于大地测量、摄影测量、野外调查和勘可用于大地测量、摄影测量、野外调查和勘探的定位，甚至可以深入到每个人的生活中探的定位，甚至可以深入到每个人的生活中去，如用于汽车、旅行、探险、狩猎等方面。去，如用于汽车、旅行、探险、狩猎等方面。u4、在空间技术方面，可以用于弹道导弹的、在空间技术方面，可以用于弹道导弹的引航和定位，空间飞行器的导航和定位等。引航和定位，空间飞行器的导航和定位等。2022年8月11日21卫星导航定位系统介绍二、美国政府的二、美国政府的GPS政策政策2022年8月11日22卫星

16、导航定位系统介绍美国政府的美国政府的GPSGPS政策政策uSPS与与PPSlSPS 标准定位服务标准定位服务使用使用C/A码，民用码，民用2DRMS水平水平=100 m2DRMS垂直垂直=150-170 m2DRMS时间时间=340 nslPPS 精密定位服务精密定位服务可使用可使用P码，军用码，军用2DRMS水平水平=22 m2DRMS垂直垂直=27.7 m2DRMS时间时间=200 ns2022年8月11日23卫星导航定位系统介绍美国政府的美国政府的GPSGPS政策政策uSA技术（技术（1990.3.252000.5.1）lSelective Availability 选择可用性选择可用性

17、l人为降低普通用户的测量精度。方法人为降低普通用户的测量精度。方法:技术：降低星历精度（加入随机变化）技术：降低星历精度（加入随机变化）技术：卫星钟加高频抖动技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）（短周期，快变化）uAS技术（技术（1994.1.31至今）至今）lAnti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗lP码加密，码加密，P+WY2022年8月11日24卫星导航定位系统介绍GPSGPS现代化现代化u1999年年1月月25日，美国副总统戈尔宣布，将日，美国副总统戈尔宣布，将斥资斥资40亿美元，进行亿美元，进行GPS现代化。现代化。uGPS现代化实质是要加强现代化实质是要加强GPS对美军

18、现代化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战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。领导地位。2022年8月11日25卫星导航定位系统介绍GPSGPS现代化现代化uGPS现代化的内涵：现代化的内涵：l保护。即保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；性能，加强抗干扰能力；l阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；等；l保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户保持。即是保持在有威胁地区以外的民用

19、用户有更精确更安全的使用。有更精确更安全的使用。2022年8月11日26卫星导航定位系统介绍GPSGPS现代化现代化uGPS现代化第一阶段现代化第一阶段l发射发射12颗改进型的颗改进型的BLOCK R型卫星。型卫星。u GPS现代化第二阶段现代化第二阶段l发射发射6颗颗GPS BLOCK F（“FLite”）。）。uGPS现代化计划的第三阶段现代化计划的第三阶段l发射发射GPS BLOCK 型卫星，在型卫星，在2003年前完成年前完成代号为代号为GPS 的的 GPS完全现代化计划设计工作。完全现代化计划设计工作。2022年8月11日27卫星导航定位系统介绍三、其他卫星导航定位系统的概况三、其他

20、卫星导航定位系统的概况2022年8月11日28卫星导航定位系统介绍其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASSGLONASSuGLONASS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）（全球导航卫星系统）u开发者开发者l俄罗斯（前苏联）俄罗斯（前苏联）u系统构成系统构成l卫星星座卫星星座l地面控制部分地面控制部分l用户设备用户设备2022年8月11日29卫星导航定位系统介绍GLONASS constellationGLONASS satellite其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASS2022年8月11日30卫星导航定位系

21、统介绍uGLONASS与与GPS的比较的比较参 数GLONASSNAVSTAR GPS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）11h15min11h58min卫星信号的区分FDMACDMAL1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz2022年8月11日31卫星导航定位系统介绍其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASSGLONASSu卫星运行状况卫星运行状况l从从1982年年10月月12日发射第一颗日发射第一颗GL

22、ONASS卫星起，卫星起，至至1995年年12月月14日共发射了日共发射了73颗卫星。颗卫星。l由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。不能维持正常工作。l到目前为止（到目前为止（2006年年3月月20日）日）,GLONASS系统系统共有共有17颗卫星在轨。其中有颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作颗卫星处于工作状态，状态，2颗备用，颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到斯计划到2007年使年使GLONASS系统的工作卫星数系统的

23、工作卫星数量至少达到量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。颗，开始发挥导航定位功能。2022年8月11日32卫星导航定位系统介绍其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GalileoGalileou伽俐略（伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统）卫星导航定位系统l2002年年3月月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统星导航定位系统 Galileo系统。系统。lGalileo卫星星座将由卫星星座将由27颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备用卫颗备用卫星组成，这星组成，这30颗卫星将均匀分布在颗卫星将均匀分布在3个轨道平面个轨道平面上，卫星高度为上，卫星高度

24、为23616km，轨道倾角为，轨道倾角为56。lGalileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。后两种服务则需经过批准后才能使用。2022年8月11日33卫星导航定位系统介绍the Galileo satellite constellation altitude 23616 kmSMA 29993.707 kminclination 56 degrees perio

25、d 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG G G GA A L LI IL LE E O OA A L LI IL 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其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统Galileo2022年8月11日34卫星导航定位系统介绍其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GalileoGalileou2005年年12月月28日第一颗

26、日第一颗Galileo试验卫星（试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功进入）成功进入高度为高度为2.3万万Km的预定轨道。的预定轨道。2006年年1月月12日，日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。已开始向地面发送信号。u这标志着总投资为这标志着总投资为34亿欧元（约合亿欧元（约合41亿美元）的计亿美元）的计划已进入实施阶段。到划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射年欧洲将发射30颗服役颗服役期约为期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。署工作。u伽利略系统建成后，美欧两大相

27、互兼容的导航定位伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。2022年8月11日35卫星导航定位系统介绍GIOVE A GIOVE B the GIOVE Satellite其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GalileoGalileouGIOVE的主要目标的主要目标:l 频率信号测试；频率信号测试；l 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；l 轨道环境特征测试；轨道环境特征测试；l 并行并行2或或3通道信号传输测试。通道信号传输测试。2022年8月1

28、1日36卫星导航定位系统介绍其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 u我国自行研制的两颗北斗我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于导航试验卫星分别于2000年年10月月31日和日和12月月20日从日从西昌卫星发射中心升空并西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步准确进入预定的地球同步轨道（东经轨道（东经80和和140的赤的赤道上空），此外另一颗备道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道用卫星也被送入预定轨道（东经（东经110.5的赤道上空），的赤道上空），标志着我国拥有了自己的标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统BD1。2022

29、年8月11日37卫星导航定位系统介绍北斗1代卫星导航系统组成图其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统u“北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。户终端三部分构成。u空间部分包括两颗地球空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的间的双向无线电信号的中继任务。中继任务。2022年8月11日38卫星导航定位系统介绍其它卫星导

30、航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统用户终端分为用户终端分为:定位通信终端定位通信终端集团用户管理站集团用户管理站终端终端差分终端差分终端校时终端等校时终端等2022年8月11日39卫星导航定位系统介绍其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统u与与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。地面

31、控制中心站还负责整个系统的监控管理。u与与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系等国外的卫星导航系统相比，统相比，BD1有自己的优点。如投资少，组建快；有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。量重、能耗大等。2022年8月11日40卫星导航定位系统介绍其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统uBD2l为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（星导航定位系统（BD2）。从导航体制、测距）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，卫星，IGSO卫星和卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为卫星组成。此项工作将成为”十一十一五五”期间的一项重要工作。期间的一项重要工作。2022年8月11日41卫星导航定位系统介绍2022年8月11日42