卫星导航概述

卫星导航原理及应用技术北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室•秦红磊电话：[phone]Email:[e-mail]第1章:绪论第2章:GNSS简介第3章:GPS坐标和时间系统第4章:GPS卫星轨道第5章:GPS信号结构和导航电文第6章:GPS接收机第7章:GPS导航观测量和误差分析第8章:GPS定位原理第9章:整周模糊度技术卫星导航原理及应用技术第10章:差分GPS技术第11章:速度、姿态和时间测量第12章：干扰和抗干扰技术第13章：高灵敏度接收机技术第14章：完好性监测技术第15章：组合导航技术第16章：其它应用技术卫星导航原理及应用技术第1章:概述1.1什么是导航？1.2我们为什么需要导航?1.3导航历史回顾1.4现代导航系统1.5导航系统应用什么是导航?导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点.但是这里是哪里?我们为什么需要导航?你就在这里.我在哪?你在哪?•你能在地图上找到你现在的位置吗?•你能在黑夜里返回你现在的位置吗?导航历史早在公元前3500年前，人类就有历史记载用大船装在货物进行商业贸易的历史。这标志了人类导航艺术的诞生。早期的导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来辨别方向的。他们通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。他们没有航海图，但他们列出了所需的方向，类似于今天的巡航向导..导航历史当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨别南北方向。早期的航海家们总是在靠近海岸线的附近白天活动，当天气不好或者晚上的时候不出海活动。在中世纪，欧洲的航海家们在整个冬季都不出海活动。这样就自然的限制的他们的活动范围。大范围的航海活动必然会带来风险。导航历史古代导航工具直角器（Cross-staff）标尺（Back-staff）四分仪（Quadrant）航海员星盘（Mariner‘sAstrolabe）星盘（Astrolabe）夜间记时仪器（Nocturnal）古代导航工具指南针-中国古代导航工具汉朝（BC.206－AD.220）南宋（AD.1127-1279）北宋（AD.960-1127）北宋（AD.960-1127）航海过程在JamesCook（1728－1779）以前，船的安全行驶依靠原始的导航技术，这些技术能够粗略的给出船的位置。在航海的过程中，船员们需要知道两条信息：他们在地球上的经度和纬度的位置坐标，以及精确的将坐标值映射到地图上。纬度和经度纬度SN经度EW航海过程•纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来判断。•经度的判断比较困难，必须计算出地球上不同地点的时差。纬度和经度北极南极北极南极纬度经度子午线赤道赤道参考面•0˚位于赤道•90˚N在北极点•北京市的纬度是多少？•南极的纬度是多少？纬度经度•经线位于南北几点之间的连线。•0˚经过英国的格林威治。•负的经度为西经，正的为东经•北京市的经度是多少？地图18世纪的“精度”地图能够给我们提供很多信息，告诉我们当时的导航精度有多高。人民曾经很长一段时间用来测量大地经度和纬度的值，并且取得了很大成功。专业工具•航海家们早期使用的工具只能粗略的定位六分仪•六分仪能够测量位于水平面以上物体的仰角（北极星、太阳等），经常用于寻找纬度•指南针•用于指引方向通过记录通过的步伐来测量距离或者速度、经历过的时间等航位推测法•航位推测法在长距离的航行中会带来很大误差•如果从纽约到伦敦，当旅行结束时，在95％的定位精度下，将会累积175英里的误差早期导航工具的弱点•早期的导航工具有着众多的不确定性因素，以至于绘制的世界地图不够精确•指南针依赖于北地磁极点与北地球自传轴点重合（事实不是这样！）•陆地导航依靠地面地标的辅助，然后将这些地名映射到地图上来对行车进行校准•这些技术不适于海上应用海上导航•文艺复兴时期，海上航线遇到的最大困难就是怎么确定经度问题。•六分仪能够为海上航线提供纬度位置•指南针能够为航海提供方向信息•但是你却不知道向东或者向西行驶了多少好船最终报废！•一个很好的例子经度•1707年，10月22号，由于航位推测法的错误，导致2000多人死亡的海难。•1717年，anne女皇宣称，如果谁能够将航海的经度准确度保持到1/2度（相当于在平行于赤道行驶30英里），将对他悬赏20000英镑。•按照惯性测量装置在载体上的安装方式，可分为:–平台式惯性导航系统–捷联式惯性导航系统平台方式:保持传感器的姿态这种方法将IMU相对于周边环境的姿态保持不变。捷联方式:固定惯性测量单元（IMU）这种方法适用于安装小的和高精度的惯性测量单元。这比平台方法先进的多，适用于重量轻、体积小、功率低和高精度的场合。底侧必须安装一个带有范围大的角度计的陀螺仪来感知机身的运动，以及一台高速的计算机来进行坐标转换运算。惯性导航系统（INS）惯性导航系统的结构图捷联惯性导航单元结构图惯性导航系统（INS）环行激光陀螺仪MEMS-INSCNS-天球导航系统CNS-天球导航系统444648505254565860626466687072747678地形辅助导航系统（TANS）地形辅助导航系统（TANS）有源和无源无线电导航系统电子测距系统伏尔（VOR）罗兰-C•罗兰-C是由美国的海岸警卫队在50年代末研制成功的。•导航方式跟罗兰-A基本相同，但作用距离可以达到1000海里，可以用作远程导航系统。•目前，北大西洋、北太平洋、地中海、中国沿海、美国本土和苏联（现在的俄罗斯）总共建设了60多个台站。•1975年，罗兰-C被美国宣布为标准航海导航系统。罗兰-C双曲线定位原理罗兰-C信号脉冲结构和序列罗兰-C接收机T.I.9000罗兰-C在北美的基站位置罗兰-C范围JTIDS全球导航卫星系统全球导航卫星系统新型导航定位技术脉冲星导航新型导航定位技术量子导航新型导航定位技术重力导航新型导航定位技术磁力导航新型导航定位技术冷原子导航新型导航定位技术视觉导航坦克汽车航空母舰巡洋舰潜艇民航战斗机导弹旅行者号航天飞船