卫星通信导论上课课件第9章 卫星定位与导航系统

第九章卫星定位与导航系统内容：概述卫星导航技术基础低轨卫星定位系统双静止卫星导航系统GPS导航系统新一代卫星导航系统9.1概述卫星导航技术的发展历史Transit系统（多普勒技术）GPS系统（伪码测距技术、载波相位测距技术）卫星导航系统提供的服务定位（SPS，PPS）导航授时通信9.2卫星导航技术基础坐标系和时间体系坐标系：惯性坐标系、地球坐标系、协议坐标系、大地坐标系、天球坐标系时间体系：世界时、原子时、协调时、GPS时定位一般原理测距定位测速定位测角定位9.2.1坐标系和时间体系地球固定坐标系与惯性坐标系XYZ格林威治子午线O地心地球图9－地心固定坐标系协议地球坐标系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坐标系大地水准椭球、基准椭球实际地球面大地水准面大地水准面与实际地球面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基准椭球参数基准椭球下的地理坐标(a)φλOO′XYZ格林威治子午线基准椭球PLP′基准椭球大地水准面ZOO′GPP′ψφhnQ′(b)图9－地理坐标与地心固定坐标系坐标的计算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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。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图9－天球空间直角坐标系和天球球面坐标系δαOXYZ天球赤道sr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。9.2.2卫星定位的一般原理卫星导航的必要条件：卫星的位置用户相对于卫星的某种观测量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、相位等卫星定位的几何原理定位参量与位置面S卫星U用户U用户S1S2S卫星U用户卫星速度Vl1l2α(a)(b)(c)l图9－定位参量与位置面定位的原理几何原理：球面交汇定位、双曲面交汇定位代数原理：1.建立对应于观测量的定位方程2.将方程线型化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，定位结果越准确。则卫星数量越多，观测值越多，定位结果越准确。9.3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9.3.1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9.3.2积分多普勒定位技术－1多普勒频移与用户速度的关系图9－低轨卫星的多普勒频移VγVrcosrdttVVfffcc9.3.2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发射ftUS1t1S2t2r1r2t1t2t1+τ1t2+τ2接收fr多普勒积分的获得22222222d111111112222r21dt1111(),ttttdtrtrttttttdtttNfdtffdtfdtfdtVrrNfdtfdtfcc一方面，另一方面，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定位观测方程的求解利用泰勒级数将上述观测方程近似线性化，并假定一个初始位置利用最小二乘算法求解近似解，该解为相对于初始值的偏移量将偏移量加上初始位置作为新的假定位置，代入原方程，求出相对于假定位置的新的偏移量重复上述过程，直到前后两次迭代之间的偏移量解足够小基于多普勒积分观测量的定位观测方程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影响子午仪系统定位使用的主要原因主要误差因素9.4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。地面中心用户2)3)3)4)4)5)卫星1卫星21)6)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。9.3GPS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（包括BlockII/IIA/IIR/IIR-M类型－来自）），有效载荷包括原子钟和导航电文存储器等200oABCDEF160o120o80o40o赤道320o280o240o317o17o77o137o197o257o工作卫星备份卫星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、大气传播改正等参数，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：图9－1GPS信号结构L11575.42MHzC/A码1.023MbpsP码10.23MbpsL21227.6MHzP码10.23MbpsD码50bpsD码50bps基本频率f010.23MHz×154×120÷10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伪距定位观测方程：()()usususDctctGPStGPSctct式中：usDcctct——卫星发射信号时的理想GPS时刻；——接收机收到该卫星信号时的理想GPS时刻；——卫星发射信号时的卫星钟时刻；——接收机收到该卫星信号时的接收机钟时刻；∆tus——通过测量得到的由卫星到接收机的信号传播时间；δts——卫星钟相对理想GPS时钟的钟差；δtu——接收机钟相对于理想GPS时钟的钟差τ——电离层附加延时()stGPS()utGPSstut以用户位置坐标形式表示为：222()()()SUSUSUusDXXYYZZcctct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，算法复杂图9－载波相位观测S(t0),p(t0)S(t1),p(t1)S(t2),p(t2)N(t0)S(tj),p(tj)….N(t0)N(t0)载波相位测量定位的观测方程100()()jjusNNtttDcctct式中：λ——波长N01——初始相位整周模糊度N(tj-t0)——相位整周测量值△φ（tj）——分数测量值D——星地几何距离δts——卫星钟差δtu——用户钟差τ——电离层附加延时整周相位模糊度的求解方法伪距法模糊函数法双频P码伪距法最小二乘搜索法模糊度协方差法2.定位方式绝对定位S1S2S3S4GPS接收机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相对定位S1S2S3S4基准站测站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)精度因子的定义