第10章卫星定位与导航系统

1第10章卫星定位与导航系统2目录（一）概述（二）卫星导航技术基础（三）低轨卫星定位系统（四）双静止卫星导航系统（五）GPS导航系统（六）新一代卫星导航系统3（一）概述•卫星导航技术的发展历史–Transit（子午仪）系统：利用多普勒频移定位–GPS系统：伪码测距，载波相位测距•卫星导航系统提供的服务–定位（SPS，PPS）–导航–授时–通信4（二）卫星导航技术基础•坐标系和时间体系–坐标系：地心固定坐标系、协议地球坐标系–时间体系：世界时、原子时、协调时、GPS时•卫星定位一般原理•星历:由卫星向用户接收机发送的数据之一，用以描述该卫星时空位置的参量。5坐标系和时间体系•地心固定坐标系地心固定坐标系：以地心为原点、Z轴为地球自转轴并指向北极，XOY平面与地球赤道面重合，OX轴穿过格林尼治本初子午线和赤道的交点，OY轴在赤道平面内并与OX、OZ轴构成右手系•惯性坐标系6协议地球坐标系•概念：地球的极移•协议地球坐标系：–CIO:国际协议原点–CTP：协议地球坐标系•WGS84坐标系：1984年世界大地坐标系，以地心为坐标原点，其坐标轴的方向与BIH1984.0系统中定义的方向一致，Z轴指向此BIH系统所定义的协议地极CTP的方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面与CTP赤道的交点。7大地水准椭球、基准椭球2,0C参数符号采用值长半轴a6378137m地球引力场规格化的二阶带球函数系数-484.16685×10-6地球自转角速度ω7292115×10-11rad/s地球质量与万有引力常数乘积GM3986005×106m3/s2椭球扁率f1/298.257223563椭球第一偏心率平方e20.00669437999013WGS-84基准椭球参数8基准椭球下的地理坐标9基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的关系1－地理坐标变换到直角坐标•以WGS-84椭球为基准，地球上任一点的地理坐标，即（λ，φ，H），可以以下式变换到WGS-84三维直角坐标(X,Y,Z)：X=(N+H)cosφcosλY=(N+H)cosφsinλZ=[N(1-e2)+H]sinφ式中21sinaNe10•由直角坐标(X,Y,Z)变换到地理坐标的逆变换式为：基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的关系2－直角坐标变换到地理坐标arctanYX222()arctan(1)ZNHNeHXY2(1)sinZHNe第二式中，右端的N是纬度φ的函数，因此，需要迭代求解纬度φ，直至收敛，然后由第三式求解大地高H。11天球与天球坐标系•概念：天球赤道、黄道、春分点、秋分点•天球空间直角坐标系与天球赤道坐标系•天球坐标系与惯性坐标系的关系：天球坐标系可以看作一个近似的惯性坐标系12时间体系•世界时（UT）：从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时。•原子时（AT）：国际时间局目前以大约100台位于世界各地的原子钟的读书，分别以不同的权值作平均，获得综合的时间基准，称为国际原子时。•协调时（UTC）：时间播发中把原子时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间，秒长严格等于原子时的秒长，采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内。•GPS时（GPST）：与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。GPS时间在0～604800s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定的精密参考。13卫星定位的一般原理•卫星定位步骤：–卫星在某坐标系的坐标–用户相对于卫星的位置–计算用户在该坐标系的坐标•根据观测量的不同，定位方法可以分为：测距定位、测速定位、测角定位等•观测量可以进一步划分为：距离差、距离和、频率、频率差、相位等14卫星定位的几何原理•定位参量与位置面15定位的原理•几何原理：球面交汇定位、双曲面、圆锥面交汇定位•代数原理：1.建立对应于观测量的定位方程2.将方程线性化3.利用数值算法解方程方程数量与卫星数量的关系由于实际观测量存在误差，因此一般说来观测量越多，定位结果越精确。卫星数量越多，观测值越多，定位结果越精确。16（三）低轨卫星定位系统•低轨卫星的特点–轨道高度低、需要较多卫星才能实现多重覆盖–卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移。•低轨卫星定位系统–原理：利用信号的多普勒频移实现测速，进而实现双曲线交汇定位–典型系统：子午仪系统、搜索救援卫星系统17子午仪系统•子午仪系统结构–定位卫星•有效载荷：高稳定度的频率源–地面站组–用户设备•工作方式：无源被动定位，测量信号的多普勒频移•子午仪系统的工作原理–积分多普勒定位18积分多普勒定位技术－1•多普勒频移与用户速度的关系19积分多普勒定位技术－2•基于多普勒积分观测量的定位观测方程20基于多普勒积分观测量的定位观测方程•考虑到接收机的本振频率不等于卫星发射频率，上述等式可稍作修改，经整理可得以积分多普勒测量值为观测量的定位观测方程：112122433365(,)()(,)()(,)()llllllrNFttrNFttrNFtt•式中，△r(λ,φ)是以用户经纬度的函数形式表示的用户与卫星之间的距离，该式假定用户的高度为已知值21•星历误差•频率源漂移误差•多普勒计数及频移跟踪误差•用户运动速度产生的误差主要误差因素22（四）双静止卫星导航系统•发展双静止卫星导航系统的原因–区域定位–投资省–有利于多种服务的实现•特点：主动式有源定位23系统结构•空间段：–2～3颗静止卫星，主要载荷为透明转发器。其中一颗卫星上配置两套转发器，另一颗配置一套转发器•地面站–地面中心（主控站和计算中心）、测轨站、测高站、校准站等。完成测距信号发送、集中式位置解算。地面中心的坐标已知•用户终端–测距请求的发送、测距信号的转发，位置结果的显示24系统工作原理－工作过程1)地面中心对其中一颗卫星连续发射含有测距码、地址电文、时间码的询问脉冲束或询问信号；2)询问信号经卫星变频、放大，转发到测站；3)测站接收询问信号，并注入必要信息，再变频、放大，向二颗卫星发射电文作为应答信号；4)二颗卫星收到应答电文，并再把它们变频、放大，转发到地面中心站；5)地面中心站处理接收到的应答电文，得到测站坐标或交换电报信息；6)中心站再经卫星把处理后的信息送给测站(用户)，测站(用户)收到所需信息显示或输出。25系统工作原理•系统模型和导航定位方程–球面交汇定位，导航观测方程：1122(,)(,)SUSUDFXXDFXX由前述工作过程可知，观测量D为距离和。特点：由于只有两颗卫星可用，为确定三维坐标，需要知道大地高26主要误差因素•卫星和地面中心的位置误差；•电波传播误差，包括电波在大气中传播产生的误差及设备延时误差；•测量误差，包括距离测量误差、高程误差、钟误差等。距离测量误差主要取决于伪码锁定环路的跟踪误差。高度误差主要取决于数字地图的精度或测高仪器的精度；•定位滞后误差。27（五）GPS导航系统•系统结构–空间段：由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成特定星座，高度20200km（截至2006年7月工作卫星总数已达29颗，有效载荷包括原子钟和导航电文存储器等28•系统结构–地面站•包括主控站、监控站、注入站。监控卫星运行情况，产生准确星历数据及钟差、状态、大气传播修正等参数，形成并注入导航电文。–用户终端•无源被动定位：接收导航电文，完成导航参量的测量和定位解算任务，并可加以显示•类型：低动态型、高动态型；测量型、授时型、导航型和姿态测量型；单频粗码（C/A码）和双频精码型29系统工作原理－测距信号结构•基本定位原理－伪随机码测距•信号结构30测距信号结构•C/A码：粗测距码，GOLD码，码率为1.023Mbps，周期为1ms。•P码：精测距码，级联码，码率10.23Mbps，码长为2.35×1014bit，周期7天（截断码周期）•P码由于精度高，实际被限制使用，具体限制方法是加密，形成Y码（AS政策）。•为限制定位精度，曾经采用精度降低措施，即SA政策（时钟信号上加入高频随机抖动），现已取消31基本定位方法和数学模型－按观测量划分•1.伪随机码测距定位–观测量的获取：扩频伪随机信号滑动相关接收码本地码32•2.载波相位观测量定位–优点：波长短，定位精确缺点：存在相位模糊度，算法复杂33定位方式•绝对定位根据被定位设备的运动状态，分为静态绝对定位、动态绝对定位；根据观测量的不同，分为测距码绝对定位和测相绝对定位。34•相对定位按定位物体运动状态静态差分定位、动态差分定位；按观测量可分为伪距差分、相位差分等定位。35定位性能与主要误差因素•误差类型：–与卫星有关的误差：轨道参数误差、卫星钟模型误差–与观测有关的误差：信号传播测量误差–与接收机有关的误差：接收机钟误差、码跟踪环误差•定位性能的衡量：定位精度衰减因子（扩散因子）（DOP）–定义：DOP＝定位误差/定位观测量误差–DOP值越小，定位性能越好–分类：几何精度衰减因子（GDOP）、位置精度衰减因子（PDOP）、水平定位精度衰减因子(HDOP)、垂直定位精度衰减因子(VDOP)、时间精度衰减因子(TDOP)36精度因子的定义式37（六）新一代卫星导航系统•伽利略卫星导航系统（Galileo）–特点：•卫星数量多（30颗），星座可见性好，定位精度高•提供系统导航性能完备性功能–提供的服务：•开放式服务、与生命安全有关的服务、商业服务、公共管制服务•精密导航、高精密导航、本地服务、增强服务•为其他系统提供支持38•GPS系统现代化计划–实质：加强GPS对现代战争的支持和民用导航领域的领导地位–方法：•增加GPS卫星发射的信号强度；•增加新的军用码（M码），与民用码分开；•提高抗干扰能力和快速初始化能力；•使用新的技术，阻止敌方使用GPS；•停止SA措施，使民用C/A码的实时定位和导航精度提高3～5倍；•在L2频道上增加第二民用码（C/A码），使民用用户可以有更好的多余观测度，以提高定位精度，并有利于电离层偏差的改正；•增加L5民用频率，提高民用实时定位的精度和导航完善性。