北斗卫星导航系统基础知识.

北斗卫星导航系统基础知识练柱先0140349052王玉泽01403490742014/11内容概要卫星导航定位需求北斗系统的发展卫星定位基本原理卫星导航定位需求What？什么是导航定位？how？卫星导航定位怎么实现的？why？为什么需要卫星导航定位？how？怎样更好利用导航定位服务生产生活？卫星导航定位需求—定位迷路是不知道自己在哪里，不能和已知的位置建立起方位和距离的联系。定位，解决我在哪儿的问题。怎么定位？指南针地图灯塔定位是确定在哪儿卫星导航定位需求—定位定位是确定在哪儿手机信号定位卫星定位无线电定位卫星导航定位需求—导航导航是确定怎么去导航解决怎么走的问题。规划路径，安排时间，力求省时省力。例如从上海瀚文小学到北京天安门，利用卫星导航可以准确规划出最优路径，全程约1216公里，开车前往大概需要13小时24分。卫星导航定位需求—日常生活车载导航网购物流查询公交系统公安执勤移动商店无处不在的卫星导航定位运动记录卫星导航定位需求—载体导航卫星导航定位需求—工程应用工程测量桥梁监测地球形变测量内容概要卫星导航定位需求北斗系统的发展卫星定位基本原理四大导航系统北斗系统的发展—四大系统•GALILEO伽利略•4颗卫星•北斗BDS•14颗卫星•GLONASS格洛纳斯•24颗卫星•GPS全球定位系统•24颗卫星美国俄罗斯欧盟中国北斗系统的发展—四大系统北斗系统建设原则开放性•免费提供高质量的开放服务自主性•中国将独立自主地发展和运行北斗系统兼容性•实现与其他卫星导航系统的兼容和互操作渐进性•根据中国的技术和经济实际发展，逐步改进系统北斗系统的发展—北斗三步走第一步——试验系统，实现从无到有•1983年提出发展建设概念。•1994年北斗卫星导航系统工程启动，之前历经8年理论论证。•2000年发射第一颗卫星。•2003年完成试验系统。最终成果：成功发射3颗GEO卫星，建成北斗卫星导航试验系统。系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务。2000年10月31日140E2000年12月21日80E2003年5月25日110.5E北斗系统的发展—北斗三步走第二步——亚太组网，实现亚太区域服务2012年建成由14颗卫星组成的区域星座，区域服务覆盖亚太地区，并正式提供服务。2007年4月14日MEO卫星2009年4月15日GEO卫星2010年1月17日GEO卫星卫星运载火箭北斗系统的发展—北斗三步走第三步——全球组网，实现全球服务2020年建成由35颗卫星（5颗GEO，30颗non-GEO）组成的全球导航系统。第二步2012年第三步2020年北斗系统的发展—系统应用应用服务领域北斗系统的发展—机遇与挑战面临挑战•北斗频率资源紧缺•北斗卫星时钟稳定性与国际先进水平有较大差距•北斗卫星地面跟踪站仅限国土范围，几何结构较差•北斗具有三种不同的星座（GEO、IGSO、MEO），但必须有无缝的运控管理•GPS已占领全球主要导航市场，而北斗必须拥有属于自己的市场空间•相关政策、法规、标准需要进一步健全•技术创新体系、应用服务体系和产业推进体系尚不完善，产业环境亟待优化•地面基础设施欠缺，分散建设，未形成统一基准综合服务基础设施•核心应用技术与国际先进水平差距较大，自主研发终端性能仍需改进•交通、电信、金融、电力、物流等关键领域未全部使用中国时频基准•卫星导航行业应用规模总体偏小，技术和业务的深度融合不足，装备与系统应用水平较低•大众位置服务市场产业链较长，缺乏有效的商业模式•对国际市场、国际用户需求、导航产业国际化发展顶层谋划研究不足北斗系统的发展—用户终端应用用户终端应用效果较好的环境空旷地楼顶高处电磁辐射弱北斗系统的发展—用户终端应用用户终端应用效果差的环境隧道水面高架城市高楼树林下电磁环境复杂内容概要卫星导航定位需求卫星定位基本原理北斗系统的发展卫星定位基本原理—系统简介美苏争霸•美苏空间信息激烈竞争，为卫星导航系统提供了大量的资金支持。•通信技术的发展为卫星信号远距离传输提供了可能。•电子技术进步为卫星的控制、制造提供了强有力的保证。•经济社会的需求是卫星导航系统持续发展的源动力。卫星导航系统有三部分组成：空间星座部分，地面控制部分，用户终端设备。系统简介卫星定位基本原理—系统组成地面控制部分地面控制部分包括：主控站，上行注入站和监测站。负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据，并向每颗卫星注入更新的导航电文。卫星地面控制部分卫星定位基本原理—定位原理原理说明卫星向地面发射电磁波，以光速传播。卫星距地面高度约为20000km。卫星定位基本原理—定位原理导航电文卫星定位基本原理—计算延时计算卫星信号传播时间t0:卫星发出码信号t0:接收机同步产生相同的码信号Δt=？伪随机码（PseudoRandomNoice，PRN）：以等概率产生0和1。具有良好的自相关性。编码信号移位后与原信号进行异或运算，产生新序列，自相关函数R判定自相关性：R=(N0-N1)/(N0+N1)完全对齐时，R=1，未对齐时，R接近0。卫星基于电路产生的伪随机码相位对齐方式实现时间延迟量的计算。卫星定位基本原理—定位原理定位原理得到卫星和接收机之间的距离后如何定位？卫星定位基本原理—定位原理平面定位原理卫星定位基本原理—定位原理定位原理黑色=可见,红色=不可见,绿色=视线总共50颗以上卫星。地球任意一点可以看到5-12颗卫星。任一卫星的瞬时位置可根据星历计算得到。美国GPS欧盟伽利略俄罗斯GLONASS中国BDS空间距离交汇定位卫星定位基本原理—定位原理(x,y,z)为待求的接收机位置，d为卫星到接收机的距离，(xi,yi,zi)为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。定位误差卫星定位基本原理—定位原理三方面的误差：•卫星产生的误差•传播路径产生的误差•接收机产生的误差定位方程修正卫星定位基本原理—定位原理伪距定位基本观测方程tC是通过延时计算的星站距离是真实的星站距离是时钟偏差引起的误差星站距离计算以码相位对齐测出GPS信号时延以时延计算距离卫星定位空间距离交会法定位同步观测4颗以上卫星提高定位精度卫星定位基本原理—定位原理•可以消去卫星钟的系统偏差•可以消去接收机时钟的误差PjPkSlSi•可以消去轨道（星历）误差的影响•可以削弱大气折射对观测值的影响小于15km100km以上•测距码:C/A码码长293m（）P码码长29.3m（）•载波相位:L1载波L2载波()0.3~3m0.03~0.3m119.03cm224.42cm2~3mm载波相位定位卫星定位基本原理—定位原理2.2载波相位实际观测值1t(())rrsrtt0tNN1t0()rF1()rF1()Int01鉴相器整周模糊度00(())rFN0t时刻111()[()]rFIntN时刻1t鉴相器多普勒计数器整周模糊度时刻实际观测值it()()()iiirtFInt()iitN卫星定位基本原理—定位原理卫星定位基本原理—服务能力服务能力两种全球服务开放服务：免费、开放•定位精度:10m•授时精度:20ns•测速精度:0.2m/s授权服务:确保高可靠应用（甚至是在复杂条件下）两种区域服务广域差分服务•定位精度:1m短报文通信服务