运载工具导航1

1运载工具导航路小波教授东南大学教育部智能运输系统工程研究中心2•第一章绪论31.1引言•导航的定义：引导运载工具（或人）从一个地方到另一个地方。•通常的方式：人的眼睛、常识、地标；时钟；汽车的里程表等。•应用中需要更复杂的导航方式，如无线电导航。•无线电导航：用无线电设备测定运载体的地理坐标，引导它们有目的地从一地向另一地运动的技术。如：飞机，轮船，车辆（公交、出租、货运公司车、特种车辆、野外车辆）。•用户的无线电导航接收机接收来自一个或多个无线电导航装置的导航信号，处理计算出位置、速度等导航信息。•卫星导航是无线电导航的一种。卫星导航系统提供全球、全天候、高精度的导航服务，越来越受到人们的欢迎。41.2卫星导航发展概况•1．子午仪卫星导航系统•早期的卫星导航系统：美国海军卫星导航系统（NNSS，NavyNavigationSatelliteSystem），称为子午仪卫星导航系统。•是世界上最早研制成功的卫星导航系统。该系统由美国海军和约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制。•起因：1957年应用物理实验室在对前苏联发射的第一颗人造地球卫星观测时，发现地面接收站的位置一定时，在卫星通过接收站视界的时间内，所接收的无线电信号的多普勒频移曲线与卫星的轨道有一一对应关系。这意味固定于地面的接收站，只要测得卫星通过其视界期间的多普勒频移曲线，就可确定卫星的轨道。若卫星的运行轨道是已知的，根据接收站测得的多普勒频移曲线，便能确定接收站在地面的位置。于是提出了研制卫星导航系统的建议。1958年12月正式开始研制，定名为海军卫星导航系统（NNSS）。1964年1月正式投入使用，1967年7月美国政府宣布该系统兼供民用。51.2卫星导航发展概况•多普勒效应：波源与接收者有相对运动时，接收者收到的信号频率和两者相对静止时收到的信号频率不同。是奥地利物理学家多普勒（C.J.Doppler）于1842年发现的。•多普勒频移：接收者收到的信号频率与波源发出的信号频率之差称为多普勒频移。它与波源的频率和其运动速度、方向有关。波源接近接收者运动时，接收频率高于波源频率，波源背离接收者运动时，接收频率低于波源频率。•多普勒频移值的大小，可以表示波源接近/远离速度的大小。•子午仪卫星导航系统在卫星导航定位技术发展史上具有划时代的意义。缺点：卫星数目少（6颗），运行高度低，观测到卫星的间隔长（1.5小时），定位时间长，定位精度较低，且不能确定用户的位置高度。61.2卫星导航发展概况•2．全球定位系统（GPS）•1973年美国开始研制导航星系统（NAVSTAR，NAVigationSatelliteTimingAndRanging），也称全球定位系统（GPS,GlobalPositioningSystem），此系统比子午仪卫星导航系统有更高的精度，且能连续提供三维位置（经度，纬度，高度）、速度和时间，实现连续实时的导航定位。•GPS的研制分为三个阶段:•第一阶段（1973-1978）是方案论证阶段。•第二阶段（1979-1985）是工程研制和系统试验阶段，测试结果表明系统达到预定设计目标。•第三阶段为改善系统性能，整个系统投入使用阶段。1993年12月系统达到初始运行能力，1995年4月系统达到全运行能力。•美国把发展GPS作为促进整个无线电导航系统现代化的核心，把建成GPS系统作为无线电导航领域进入21世纪的重要标志。71.2卫星导航发展概况•GPS提供两种服务：标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。标准定位服务为民用。精密定位服务为美国核准的军方用户和选定的政府部门用户使用。•精密定位服务（PPS）：精度高。使用受到控制。通过反欺（Antispoofing，AS）和选择可用性（SelectiveAvailability，SA）两种加密特性实现。AS是一种防止欺骗干扰的机制；实施SA是为了让SPS用户不能充分得到系统的精度。SA使卫星时钟发生“颤动”，因此使TOA（到达时间）测量精度变差。同时，SA还在所广播的导航数据参数中引入误差。PSP用户通过密码机制去掉SA的影响。•标准定位服务（SPS）：全世界所有用户均可使用。SA是SPS导出定位值的主要误差源。2000年5月1日，美国政府取消了限制民用精度的SA政策，使民用C/A码的精度大大提高。81.2卫星导航发展概况•改善与提高GPS定位精度的措施：差分GPS；组合式导航系统。•差分GPS：在实际应用中，需要更高的定位精度。需要采用能提高GPS本身性能的技术：差分GPS。其方法是消除两个（或更多）对同样一些卫星进行距离测量的接收机之间的相关的（共同的）误差。将在第4章讨论。•组合式导航系统：在GPS信号中断期间（天线被遮挡或外部干扰），可采用其它传感器辅助导航（最常用的传感器是惯性传感器），形成组合式导航系统。将在第5章讨论。91.2卫星导航发展概况•自从子午仪卫星导航系统应用以来，卫星导航显示出巨大的优越性，促进世界各国积极参与研究和发展工作。•3．全球卫星导航系统（GLONASS）•前苏联在1967-1968年建立了类似子午仪系统的奇卡达（Tsikada）卫星导航系统。1978年，前苏联又开始研制全球卫星导航系统（GLONASS，GlobalNavigationSatelliteSystem），它类似与GPS系统，于1982年10月发射第一颗GLONASS卫星。到1996年，13年时间内历经周折，虽然遭遇了苏联解体，由俄罗斯接替部署，但始终没有中断，到1995年，完成了24颗工作卫星加1颗备用卫星的布局。经数据加载、调整和检验，该系统于1996年1月正常运行。改变美国GPS一统天下的局面。它既可为用户提供独立的导航服务，又可与GPS结合，增强GPS性能。101.2卫星导航发展概况•4．伽利略（Galileo）GNSS系统•欧盟委员会（EuropeanCommission）和欧洲空间局（ESA）1982年提出通过国际合作，建立一种欧洲自主、独立的民用全球卫星导航系统，以满足民用导航的需要。从1994年12月开始，欧盟开始对全球民用卫星导航系统GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）（伽利略（Galileo）计划）进行方案论证。2000年欧盟在世界无线电大会上获得了建立GNSS系统的L频段的频率资源。2002年3月，欧盟15国一致同意伽利略（Galileo）GNSS系统的的建设。•伽利略（Galileo）GNSS系统由30颗卫星（27颗工作卫星和3颗备用卫星）组成，总投资约35亿欧元，在欧洲建立两个控制中心。计划2008年完成全系统部署并投入使用。•GNSS系统最主要的设计思想是：与军用目的为主的美国GPS、俄罗斯GLONASS不同，完全从民用出发，对客户保证24小时信号畅通，不会出现由于“军事目的”造成的信号中断，建立一个高精度的全开放型系统；•伽利略卫星信号接收装置与GPS、GLONASS有机兼容，增强系统使用的安全性和完善性，客户能够通过调整装置接收频率享受两个系统的服务，如同双模手机。11•GNSS系统的建立，将打破GPS垄断的局面，用户可使用多制式的接收机，获得更多的导航定位信号，提高定位精度，多套系统并存，相互制约、互补，促进发展。121.2卫星导航发展概况•中国参与伽利略计划•2003年10月30日，国家科技部代表中国政府与欧盟及其成员国正式签署了《中华人民共和国和欧洲共同体及其成员国关于民用全球卫星导航（伽利略计划）合作协议》，确定了中欧双方伽利略计划的合作框架。•2004年10月9日，国家遥感中心与欧洲伽利略联合执行体(GalileoJointundertaking)在北京签署了《中国国家遥感中心和伽利略联合执行体关于伽利略计划合作协议》，进一步明确了中欧双方在伽利略计划中的合作范围和具体内容。（技术合作协议）•在国家科技部的支持和领导下，由中国航天科工集团公司、中国电子科技集团公司、中国卫星通信集团公司和中国空间技术研究院四大股东共同组建了一家从事卫星导航系统技术开发、应用和运营服务的有限责任公司——（中国）伽利略卫星导航有限公司。(中国)伽利略卫星导航有限公司将以伽利略全球卫星导航系统为平台，对应欧洲伽利略工业公司(Galileoindustries)和未来的伽利略特许运营公司,联合国内各有关部门和单位,共同参与伽利略计划系统开发和验证阶段、系统部署阶段的建设,积极拓展伽利略卫星导航系统在国内的应用领域,并开展相关运营服务和其它增值服务，推动中国卫星导航产业的发展。131.2卫星导航发展概况•为更好地执行中国国家遥感中心与欧盟伽利略联合执行体“合作协议”，保证中方在参加伽利略计划中权利和义务的实现活动，推动国内卫星导航产业的发展，国家遥感中心与（中国）伽利略卫星导航有限公司于2005年3月9日，在北京签署了关于执行《中国国家遥感中心和伽利略联合执行体关于伽利略计划合作协议》的总承包协议。•该协议的签署，标志着中国国内就中方参加伽利略计划权利和义务的具体落实。协议确定了（中国）伽利略卫星导航有限公司在参加中欧伽利略计划中的作用，明确了国家遥感中心和（中国）伽利略卫星导航有限公司在共同完成中欧伽利略计划合作项目中权利、义务以及知识产权等具体内容。•根据该协议,（中国）伽利略卫星导航有限公司受国家遥感中心的委托,将开展中欧“合作协议”中所涉及的相关项目和活动；组织国内相关工业界、高校、科研机构以及其他相关单位共同完成该“合作协议”中规定的相关任务,促进中国和欧盟国家在卫星导航领域的技术合作,带动国内民用卫星导航产业的发展。141.2卫星导航发展概况151.2卫星导航发展概况•目前，中国、印度、以色列、摩洛哥、沙特阿拉伯及乌克兰6个非欧盟国家参与了“伽利略”计划；•还有巴西、阿根廷等多个国家正与欧盟及欧洲航天局就加入该计划展开磋商。•东南大学成立了“伽利略”计划研究所161.2卫星导航发展概况•“伽利略”实验卫星成功入轨•格林尼治时间2005年12月28日5时19分，•由俄罗斯“联盟-FG”火箭运载的“伽利略”•计划首颗实验卫星“GIOVE-A”顺利发射升•空并进入预定轨道，这一成功意味着世界•将从美国主导卫星定位系统走向竞争合作•共存的新局面。171.2卫星导航发展概况•4．双星导航定位系统（北斗一号）•2000年底，我国发射了两颗“北斗导航试验卫星”，加上地面中心站和用户一起构成了双星导航定位系统（北斗一号）。双星导航定位系统空间部分由三颗地球静止轨道卫星（其中一颗在轨备用）组成；地面中心站包括地面应用系统和测控系统。用户部分即车辆、船舶、飞机等用户。181.3卫星导航系统的组成、特点及分类•1．卫星导航系统的组成•卫星导航系统是以卫星作为导航台的无线电导航系统，通常由三部分组成：•（1）卫星：它是空间导航台，其功能是接收和储存地面站制备的导航信息，再顺序向用户发射。它还接收地面站的控制指令并向地面站发射卫星的遥测数据。•（2）地面支持网：由多种地面站和计算中心组成。其功能是收集来自卫星及与系统工作有关的信息源数据，并对数据进行处理，产生导航信号和控制指令，再由地面注入站注入卫星。•（3）用户设备：接收和处理导航信号，进行定位计算，对用户进行导航。•以上三部分将在第3章结合GPS系统进行进一步说明。191.3卫星导航系统的组成、特点及分类•2．卫星导航系统的主要特点•（1）全球全天候导航•卫星的运行轨道一般离地面很高，离地面越高，可见的地球表面（称卫星覆盖区域）越大。只需几颗很高高度的卫星就可同时覆盖全球。•导航范围：地面，水面，空间。不受气候条件、昼夜、地形的影响。•（2）高精度•地球上任何地点的用户都可以选用几何位置配合最好的一些卫星来进行导航定位，使卫星导航系统在全球都保持几乎同样良好的精度。•（3）多功能•具有定位、测量、测速、授时等多种功能。•（4）庞大、复杂性201.3卫星导航系统的组成、特点及分类•3．卫星导航系统分类•（1）按测量的导航定位参数分：测角系统，测距系统，测距差（和）系统。（见书p.4）•（2）按工作方式分