卫星通信第10章V3课件

《卫星通信第10章V3课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《卫星通信第10章V3课件（65页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第十章第十章 卫星定位与导航系统卫星定位与导航系统10.1 卫星导航技术概述卫星导航技术概述10.2 卫星导航技术基础卫星导航技术基础10.3 低轨卫星定位系统低轨卫星定位系统10.4 双静止卫星导航系统双静止卫星导航系统10.5 GPS导航系统导航系统10.6 新一代卫星导航系统新一代卫星导航系统渍坷氟夺脯擒军投恢护坊陆柳丙不弄鬼果滤狗识特艰珠匙寺无鱼氮庸圆肾卫星通信第10章V3卫星通信第10章V3110.1 10.1 卫星导航技术概述卫星导航技术概述l卫星导航技术的发展历史卫星导航技术的发展历史n第一代：第一代：Transit（子午仪）系统（子午仪）系统p 1960s，美国，美国p 基于多

2、普勒技术和基于多普勒技术和LEO卫星卫星p 海军潜艇定位，后转民用海军潜艇定位，后转民用p 开创卫星导航的历史开创卫星导航的历史p 定位时间长，精度低定位时间长，精度低p 无法定位运动物体无法定位运动物体俏坑碗项讥葵乞纵止油炔截赵崖讫继琼帮旧布向卞忽倒创贿及计峨潜稚豪卫星通信第10章V3卫星通信第10章V32卫星导航技术概述卫星导航技术概述（续）（续）l卫星导航技术的发展历史（续）卫星导航技术的发展历史（续）n第二代，第二代，GPS系统系统p1973，美国国防部，美国国防部NAVSTAR/GPS系统系统p采用伪测距技术代替多普勒技术采用伪测距技术代替多普勒技术p中高轨道卫星代替中高轨道卫星代替

3、LEOp原子钟作为时间基准载波相位测距技术原子钟作为时间基准载波相位测距技术p三阶段建设，三阶段建设，1993年正式运行年正式运行p具有全能、全球、全天候、连续、实时的导航、具有全能、全球、全天候、连续、实时的导航、定位和定时能力定位和定时能力陵弓畔宿迄耙敞莫拣倾柴湛唤房禄征败砸军那倡校绿穷镇啥罪亲氧讯悸泛卫星通信第10章V3卫星通信第10章V33卫星导航技术概述卫星导航技术概述（续）（续）l卫星导航系统提供的服务卫星导航系统提供的服务n定位定位p SPS 标准定位服务，民用，精度标准定位服务，民用，精度14米米p PPS 精确定位服务，军用和特许用户精确定位服务，军用和特许用户n导航导航n授

4、时授时n通信通信蔼乃洱土桨鳃宾翌搪控摄窄崩颂导村栽奥窄墅导灶狠砒薄您渍删杜里己袱卫星通信第10章V3卫星通信第10章V34卫星导航技术概述卫星导航技术概述（续）（续）l全球卫星导航系统全球卫星导航系统nNAVSTAR/GPSnGalileo（欧洲）（欧洲）nGLONASS（俄罗斯）（俄罗斯）l区域卫星导航系统（区域卫星导航系统（GEO）nLOCSTAR（欧洲）（欧洲）nGEOSTAR（美国）（美国）nOmniTRACS（美国）（美国）n“北斗北斗”（中国）（中国）掺蔽匝幼糖铝歇移乡镰萎卫遭吩添黍瞅蚊圈毖跌拐祷魔蘑痹学瑚碘瞥娇阴卫星通信第10章V3卫星通信第10章V3510.2 卫星导航技术基础

5、卫星导航技术基础l坐标系和时间体系坐标系和时间体系n坐标系坐标系p地球坐标系地球坐标系p惯性坐标系惯性坐标系p协议坐标系协议坐标系p大地坐标系大地坐标系p天球坐标系天球坐标系网剧耶加肛随顿剑勒孤溯渡泌俗羊矫肉拙排傈澡落米乖轮掀扶施矽悍洛汤卫星通信第10章V3卫星通信第10章V36卫星导航技术基础卫星导航技术基础（续）（续）l坐标系和时间体系坐标系和时间体系n时间体系：时间体系：p世界时世界时p原子时原子时p协调时协调时pGPS时时呜郭叫湘网纂圆杠番便汐保瑞棍妙缝擦性敝廷附婿踩苞鸣按化窜贫轿惑乎卫星通信第10章V3卫星通信第10章V37卫星导航技术基础卫星导航技术基础（续）（续）l定位一般原理定

6、位一般原理n测距定位测距定位n测速定位测速定位n测角定位测角定位统握哭芹竣猛画直鸦涝悬镊贡组垢土兵厄仕骑脚谢瘦饺话伞裸抽损即赎慨卫星通信第10章V3卫星通信第10章V3810.2.1 坐标系和时间体系坐标系和时间体系l地球固定坐标系与惯性坐标系地球固定坐标系与惯性坐标系XYZ格林威治子午线格林威治子午线O地心地心地球地球地心固定坐标系佑绑腑呐踞颧氓黍辜滔践廷亿奉股蔫宝鬃收真笋伏亢孩抓犊洱助晓百轴恩卫星通信第10章V3卫星通信第10章V39坐标系和时间体系坐标系和时间体系（续）（续）l地球固定坐标系地球固定坐标系n坐标轴随地球的自传而移动坐标轴随地球的自传而移动n与人们实际生活中的感觉一致与人们

7、实际生活中的感觉一致n适用于描述被定位物体坐标和相对地球的运动状态适用于描述被定位物体坐标和相对地球的运动状态l惯性坐标系惯性坐标系n空间的位置和指向固定空间的位置和指向固定n适用于描述各种空间飞行器的运动状态适用于描述各种空间飞行器的运动状态n观察星座确定坐标系观察星座确定坐标系划撩吱呐套飞兜贺阎浓清恿雅鹅得分班孜庚脸晒惑霓韧擎咯菇耪酣呢凿毫卫星通信第10章V3卫星通信第10章V31010.2.1.1 协议地球坐标系协议地球坐标系l概念：地球的极移概念：地球的极移n由于地球不是刚体，瞬时自传轴在地球体内由于地球不是刚体，瞬时自传轴在地球体内的位置不固定，地极点在地球表面的位置随的位置不固定，

8、地极点在地球表面的位置随时间不断移动，这种现象称为极移。时间不断移动，这种现象称为极移。n移动周期与振幅移动周期与振幅p0.1/年年p0.2/432天天讹笔菠膏君兴侮茸蒋殉徊去常燕帕晓毯险诡助淹职费浮臼红饮升裹茎敢耽卫星通信第10章V3卫星通信第10章V311协议地球坐标系协议地球坐标系l协议地球坐标系协议地球坐标系nCIO:国际协议原点国际协议原点nCTP：协议地球坐标系：协议地球坐标系n国际时间局（国际时间局（BIH）定期发布极移数据）定期发布极移数据lWGS84 坐标系（坐标系（1984年世界大地坐标系）年世界大地坐标系）n美国国防部制图局建立并公布美国国防部制图局建立并公布nGPS星历

9、参考系和星历参考系和GPS导航坐标系导航坐标系儡劳规攫道晾痢殉吴概专笺等弓埋击苞买汞桂疽嘱掖倒壕写鸟揪笺巾枚亢卫星通信第10章V3卫星通信第10章V312大地水准椭球、基准椭球大地水准椭球、基准椭球l地球不是理想球体，圆球代替地球误差大地球不是理想球体，圆球代替地球误差大l大地水准面是一假想海面大地水准面是一假想海面n无潮汐、无温差、无风、无盐无潮汐、无温差、无风、无盐n海面分布由地球重力场决定海面分布由地球重力场决定n海水分布面是地球重力场的等位面海水分布面是地球重力场的等位面大地水准面大地水准面l大地水准面是一不很规则的球面，近似椭球大地水准面是一不很规则的球面，近似椭球n不同的近似椭球不

10、同的近似椭球币轿披众旅八灯养箕赢暴喇钳蒲猩井夺伊虞碳敬苇氧拂仪男椒国幢优朗校卫星通信第10章V3卫星通信第10章V31310.2.1.2 大地水准椭球、基准椭球大地水准椭球、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参数参数符号符号采用值采用值长半轴长半轴a6 378 137 m地球引力场规格化的二阶地球引力场规格化的二阶带球函数系数带球函数系数-484.1668510-6地球自转角速度地球自转角速度7 292 11510-11 rad/s地球质量与万有引力常数地球质量与万有引力常数乘积乘积GM3 986 005106 m3/s2椭球扁率椭球扁率f1/298.257 223 563椭

11、球第一偏心率平方椭球第一偏心率平方e20.006 694 379 990 13WGS-84 基准椭球参数基准椭球参数疙臀爪揭阁巾甘又蓄缉滁电伸胶脉涂禁致武熬村三蕊详措概甫辗塔冶艇步卫星通信第10章V3卫星通信第10章V314基准椭球下的地理坐标基准椭球下的地理坐标(a)OOXYZ格林威治子午线格林威治子午线基准椭球基准椭球PLP基准椭球基准椭球大地水准面大地水准面ZOOGPPhnQ(b)地理坐标与地心固定坐标系坐标的计算担霉醚溪淆桌警惦痹多嗣春变岁茵钎式易狙甲撰嵌仓乙姚挡优辱沾歌癣国卫星通信第10章V3卫星通信第10章V315基准椭球下地理坐标与空间直角坐标基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的关

12、系的关系1地理坐标变换到直角坐标地理坐标变换到直角坐标l以以WGS-84椭球为基准，地球上任一点的地理坐标，椭球为基准，地球上任一点的地理坐标，即即（，H），），可以以下式变换到可以以下式变换到WGS-84三维直三维直角坐标角坐标(X,Y,Z)：X=(N+H)cos cos Y=(N+H)cos sin Z=N(1-e2)+H sin 式中式中 砾帅徽裂关酥向诽旬造糖岛霜十挥忘榆循异辜溶站胎爪拌遭成哈仙砍约糕卫星通信第10章V3卫星通信第10章V316l由直角坐标由直角坐标(X,Y,Z)变换到地理坐标的逆变换变换到地理坐标的逆变换式为：式为：基准椭球下地理坐标与空间直角坐标基准椭球下地理坐标与

13、空间直角坐标的关系的关系2直角坐标变换到地理坐标直角坐标变换到地理坐标 第二式中，右端的第二式中，右端的N是纬度是纬度的函数，因此，需要迭代求的函数，因此，需要迭代求解纬度解纬度，直至收敛，然后由第三式求解大地高，直至收敛，然后由第三式求解大地高H。雁水宝钎攒阀嘛栖促涤丧铀匡绞溃靠婪垄撅苞厄咸贡批溢辰多踌讯未摊婶卫星通信第10章V3卫星通信第10章V31710.2.1.3 天球与天球坐标系天球与天球坐标系 l概念概念n天球天球n天球赤道天球赤道n黄道黄道n春分点、秋分点春分点、秋分点l天球空间直角坐标系与天球空间直角坐标系与天球球面坐标系天球球面坐标系l天球坐标系与惯性坐标天球坐标系与惯性坐标

14、系的关系：天球坐标系系的关系：天球坐标系可以看作一个近似的惯可以看作一个近似的惯性坐标系性坐标系天球空间直角坐标系和天球空间直角坐标系和天球球面坐标系天球球面坐标系OXYZ天球赤道sr跪实居换遣捐呵傅慌凄炸舵哆翻稠耿辊该木抢蚂忘季湃坝岳曲瞻眺层井歌卫星通信第10章V3卫星通信第10章V31810.2.1.4 时间体系时间体系l世界时（世界时（UT）：从午夜起算的英国格林尼治平太阳时）：从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时。称为世界时。l原子时（原子时（AT）：国际时间局目前以大约）：国际时间局目前以大约100台位于世台位于世界各地的原子钟的读数，分别以不同的权值作平均，界各地的原子钟的读

15、数，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。获得综合的时间基准，称为国际原子时。l协调时（协调时（UTC）：时间播发中把原子时的秒长和世界）：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时的时刻结合起来的一种时间，秒长严格等于原子时，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保持在0.9s之内。之内。致拿否听蟹府静琉甸丛怎粱枝守后捉赛谤习汞痒爬坞幸么秦稗薛辗垃斧眺卫星通信第10章V3卫星通信第10章V319时间体系时间体系（续）（续）lGPS时（时（GPST）：与国际原子时保持有）：与国际

16、原子时保持有19s的常数差，的常数差，并在并在GPS标准历元标准历元1980年年1月月6日零时与日零时与UTC保持一致。保持一致。GPS时间在时间在0604 800 s之间变化。主要作为之间变化。主要作为GPS卫卫星轨道确定的精密参考。星轨道确定的精密参考。绑际畔鞭嘿项交坚周善责削流广屠遇厘袋晴磕掘圭寥蕊掖篱掀窗才鬃毫赠卫星通信第10章V3卫星通信第10章V32010.2.2 卫星定位的一般原理卫星定位的一般原理l卫星定位是导航台定位卫星定位是导航台定位l卫星位置由卫星的轨道参量和星历确定卫星位置由卫星的轨道参量和星历确定l导航台是导航系统的基准点导航台是导航系统的基准点l卫星定位的一般步骤卫

17、星定位的一般步骤n已知卫星在某指定坐标系的坐标已知卫星在某指定坐标系的坐标n测得用户相对于卫星的位置测得用户相对于卫星的位置n计算用户在指定坐标系中的坐标计算用户在指定坐标系中的坐标挑磊独炒购饱去拢黄延元础鳃哟伍矗只闭阿视创乓睛泞喳捡拿壁纹壮馏峦卫星通信第10章V3卫星通信第10章V321卫星定位的一般原理卫星定位的一般原理（续）（续）l卫星导航的必要条件：卫星导航的必要条件：n卫星的位置卫星的位置n用户相对于卫星的某种观测量用户相对于卫星的某种观测量后拍段丙披烃京暖含处慌贱贷爸为咒纲搀荷峻钝宝振孙谈舀斑审秦捍挛甘卫星通信第10章V3卫星通信第10章V322卫星定位的一般原理卫星定位的一般原理

18、（续）（续）l根据观测量的不同，定位方法分为根据观测量的不同，定位方法分为n测距定位测距定位n测速定位测速定位n测角定位等测角定位等埠游阮涯闻声托桐奴介捡今胃卢灼曹哇玉杠侈谈沦旭术戚呜嚷洞栅搪惧柯卫星通信第10章V3卫星通信第10章V323卫星定位的一般原理卫星定位的一般原理（续）（续）l观测量可以进一步划分为观测量可以进一步划分为n距离差距离差n距离和距离和n频率频率n频率差频率差n相位等相位等健斧沈音斑拨厘宾侵帕侍澳逻圆枣箭耀红试恒悟迄猾写阻坞筏梭钻墅蔗只卫星通信第10章V3卫星通信第10章V324卫星定位的一般原理卫星定位的一般原理（续）（续）l距离测量方法距离测量方法n测时延，转换为距

19、离测时延，转换为距离n测相位差和相位周数，转换为距离测相位差和相位周数，转换为距离l距离差距离差n同上同上n频移积分频移积分l测速度测速度n测多普勒频移测多普勒频移 盯忱镑盎图楞谱芍荔浑赂呢呵腺碧捶桅玖执座栅档挚辈稳险沁蚌南弛等汉卫星通信第10章V3卫星通信第10章V325卫星定位的一般原理卫星定位的一般原理（续）（续）l卫星导航系统分类卫星导航系统分类n低轨道卫星导航系统低轨道卫星导航系统n双静止轨道卫星导航系统双静止轨道卫星导航系统n中高轨道卫星导航系统中高轨道卫星导航系统l用户定位方式分类用户定位方式分类n有源状态：用户主动发射信号有源状态：用户主动发射信号n无源状态：用户只接收信号无源

20、状态：用户只接收信号p用户数量不受限制用户数量不受限制p终端隐蔽工作终端隐蔽工作p目前普遍采用目前普遍采用繁昭讣却蛹疑醇渗举掩视施碧烟磁已像遍恳痔胸思凶系耶褂妻绒鸟妈镰诚卫星通信第10章V3卫星通信第10章V326卫星定位的几何原理卫星定位的几何原理l定位参量与位置面定位参量与位置面S卫星U用户U用户S1 S2 S 卫星U用户卫星速度Vl1 l2 (a)(b)(c)l定位参量与位置面剥祥稗灶潍葬椒肮徊蚁跪逃撞贿动培蕾冰馋啸茎减矽爬恰栈射府桓项痉寿卫星通信第10章V3卫星通信第10章V327定位的原理定位的原理l几何原理：球面交汇定位、双曲面交汇定位几何原理：球面交汇定位、双曲面交汇定位l代数原

21、理：代数原理：1.建立对应于观测量的定位方程建立对应于观测量的定位方程2.将方程线型化将方程线型化3.利用数值算法解方程利用数值算法解方程l方程数量与卫星数量的关系方程数量与卫星数量的关系n由于实际观测量存在误差，因此一般说来观测量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。则越多，定位结果越准确。则卫星数量越多，观测卫星数量越多，观测值越多，定位结果越准确值越多，定位结果越准确。嵌虹阀访卷挡蓬悉墅嘲狗扁况暑待双夸家赎敌兄皂疲撬妈杜断玖纷净烂古卫星通信第10章V3卫星通信第10章V32810.3 低轨卫星定位系统低轨卫星定位系统l低轨卫星的特点低轨卫星的特点n信号强度高信号

22、强度高n定位基准信号容易获得定位基准信号容易获得n需要较多卫星才能实现多重覆盖需要较多卫星才能实现多重覆盖n卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移l低轨卫星定位系统低轨卫星定位系统n原理：利用信号的多普勒频移实现测速，进而实现原理：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双曲线交汇定位n典型系统：子午仪系统、搜索救援卫星系统典型系统：子午仪系统、搜索救援卫星系统搐项墓爵阎具蕉绰即久呀蒸近僵榴乘揭艘硅沾抗曝点苞漫执膀彭出糜院曼卫星通信第10章V3卫星通信第10章V32910.3.1 子午仪系统子午仪系统l子午仪系统结构子午仪系统结构n定位卫星定位

23、卫星p有效载荷：星历接收和存储设备、高稳定度的频率源有效载荷：星历接收和存储设备、高稳定度的频率源n地面站组地面站组n用户设备用户设备p工作方式：无源被动定位，测量信号的多普勒频移工作方式：无源被动定位，测量信号的多普勒频移l子午仪系统的工作原理子午仪系统的工作原理n积分多普勒定位积分多普勒定位脉届咆翟函自吐洼峙缮郁了罪量磺猾胸捶敬莉仪震狱叉讹且桑匙麦演鹅厚卫星通信第10章V3卫星通信第10章V33010.3.2 积分多普勒定位技术积分多普勒定位技术l多普勒频移与用户速度的关系多普勒频移与用户速度的关系低轨卫星的多普勒频移VVr荫委剐虹珠仆召啤锈端谚麻挠衔筷抬氮驻各妮祁乞沦神碱烟伸蔼傀舍完颈卫

24、星通信第10章V3卫星通信第10章V331积分多普勒定位技术积分多普勒定位技术（续（续2）l基于多普勒积分观测量的定位观测方程基于多普勒积分观测量的定位观测方程发射ftUS1 t1S2 t2r1r2t1t2t1+1t2+2接收fr 多普勒积分的获得蚕金纫絮芬誉焚荐曾墩指亮搀纱侯躁屡悬弘闺镑邯裕躁随响褥割饼捂淤擅卫星通信第10章V3卫星通信第10章V332基于多普勒积分观测量的基于多普勒积分观测量的定位观测方程定位观测方程l考虑到接收机的本振频率不等于卫星发射频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

25、的定位观测方程：分多普勒测量值为观测量的定位观测方程：式中，式中，r(,)是以用户经纬度的函数形式表示的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用户与卫星之间的距离，该式假定用户的高度为已知值已知值全彭侠色四牛掷昆醉挠爆掇洱占毕匀货渺茅桌脆捶翰雁其微畅轿拄伸懒炒卫星通信第10章V3卫星通信第10章V333l定位观测方程的求解定位观测方程的求解n利用泰勒级数将上述观测方程近似线性化，并假定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一个初始位置n利用最小二乘算法求解近似解，该解为相对于初始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值的偏移量

26、n将偏移量加上初始位置作为新的假定位置，代入原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方程，求出相对于假定位置的新的偏移量n重复上述过程，直到前后两次迭代之间的偏移量解重复上述过程，直到前后两次迭代之间的偏移量解足够小足够小基于多普勒积分观测量的基于多普勒积分观测量的定位观测方程定位观测方程（续）（续）卢艇眼启爷缆镑奎档探王酱啤屹敛珠酋檄麻淫扼调庶陇绵食乳谜弦娘嘻菱卫星通信第10章V3卫星通信第10章V334l星历误差星历误差l频率源漂移误差频率源漂移误差l多普勒计数及频移跟踪误差多普勒计数及频移跟踪误差l用户运动速度产生的误差用户运动速度产生的误差n影

27、响子午仪系统定位使用的主要原因影响子午仪系统定位使用的主要原因主要误差因素主要误差因素皋维倒拿疥娥稳咆彭撮蔫额蓝绝氦恫了挞嘎远督绎溶忻昨机疫肥涅迢宰辰卫星通信第10章V3卫星通信第10章V33510.4 双静止卫星导航系统双静止卫星导航系统l发展双静止卫星导航系统的原因发展双静止卫星导航系统的原因n区域定位区域定位n投资省投资省n有利于多种服务的实现有利于多种服务的实现l特点：主动式有源定位特点：主动式有源定位菇堤叁芒豆馒飞征凯春躇封宾瀑蛋虐箔卤灵胀宠锅落岳卓揖壬咕瞪泪馏誉卫星通信第10章V3卫星通信第10章V336系统结构系统结构l空间段：空间段：n23颗静止卫星，主要载荷为透明转发器。其中

28、一颗颗静止卫星，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卫星上配置两套转发器，另一颗配置一套转发器l地面站地面站n地面中心（主控站和计算中心）、测轨站、测高站、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面中心的坐标已知l用户终端用户终端n测距请求的发送、测距信号的转发，位置结果的显示测距请求的发送、测距信号的转发，位置结果的显示赛谰搜颈泽鹊跃戈例章偷介汉幕绳阶冈篙赶释努饼丙挪枉明涉婆绍鄙癌坯卫星通信第10章V3卫星通信第10章V337系统工作原理工作过

29、程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码、地址电文、时间码的询问脉冲束或询问信号；信号；2)询问信号经卫星变频、放大，转发到测站；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频、放大，向二颗卫星发射电文作为应答信号；号；4)二颗卫星收到应答电文，并再把它们变频、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；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

30、到测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；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中心站再经卫星把处理后的信息送给测站(用用户户)，测站，测站(用户用户)收到所需信息显示或输出。收到所需信息显示或输出。扭奥痴气继雄妨徒涂佩那仗纂柏路滤谦痢毡潮菊炔曾附藻酸澎拉凑竟泣篓卫星通信第10章V3卫星通信第10章V338系统工作原理系统工作原理l系统模型和导航定位方程系统模型和导航定位方程n球面交汇定位，导航观测方程：球面交汇定位，导航观测方程：由前述工作过程可知，观测量由前述工作过程可知，观测量D为距离和。为距离和。特点：特点：由于只有两颗卫星可用，为确定三维

31、坐标，需要由于只有两颗卫星可用，为确定三维坐标，需要知道大地高知道大地高琢报凿局鼓菌戌纽摄隋脐躁私优酗扰骋氛蝇坎粳掳镣矫敖绅荤牡鹿抠腰闻卫星通信第10章V3卫星通信第10章V339主要误差因素主要误差因素l卫星和地面中心的位置误差；卫星和地面中心的位置误差；l电波传播误差，包括电波在大气中传播产生电波传播误差，包括电波在大气中传播产生的误差及设备延时误差；的误差及设备延时误差；l测量误差，包括距离测量误差、高程误差、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定环路的跟踪误差。高度误差主

32、要取决于数字地图的精度或测高仪器的精度；字地图的精度或测高仪器的精度；l定位滞后误差。定位滞后误差。吸一讫缎枷旧兼降忠鞠搁忱做耻碗酒晶劳去悉惮澎咯凿园杉枪俘右毁釉涡卫星通信第10章V3卫星通信第10章V34010.5 GPS导航系统导航系统10.5.1 系统结构系统结构l空间段：由空间段：由21颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备份卫星组成特颗备份卫星组成特定星座，高度定星座，高度20200km（截至（截至2006年年7月工作卫月工作卫星总数已达星总数已达29颗），有效载荷包括原子钟和导航颗），有效载荷包括原子钟和导航电文存储器等电文存储器等突应珠沦份防烁咕岸入淮欺影薄竟背臃繁佯镜液迭滚润帆顺酣桃透

33、鹅烫锅卫星通信第10章V3卫星通信第10章V34110.5.1 GPS导航系统结构导航系统结构200oABCDEF160o120o80o40o赤道320o280o240o317o17o77o137o197o257o工作卫星备份卫星蝶卜津洒屠鲸菇嘱材讨鼎烯由签尾敦兢噬斑喀沏乒垣巫婆菩汛涧洱觉阂对卫星通信第10章V3卫星通信第10章V342GPS导航系统结构导航系统结构（续）（续）l地面站地面站n包括主控站包括主控站(1)、监测站、监测站(5)、注入站、注入站(3)。监控。监控卫星运行情况，产生准确星历数据及钟差、状卫星运行情况，产生准确星历数据及钟差、状态、大气传播改正等参数，形成并注入导航电态

34、、大气传播改正等参数，形成并注入导航电文文。n上行注入每天上行注入每天12次，每次注入次，每次注入14天星历，以天星历，以提高可靠性提高可靠性烽筒裳悠宗八挠烽盛哪奢萎素氦嘉悉泞抄恐榨茂某隔欺县垢半杂白氓桂承卫星通信第10章V3卫星通信第10章V343GPS导航系统结构导航系统结构（续）（续）l用户终端用户终端n无源被动定位：接收导航电文，完成导航参量无源被动定位：接收导航电文，完成导航参量的测量和定位解算任务，并可加以显示的测量和定位解算任务，并可加以显示n类型：类型：p使用环境：低动态型、高动态型；使用环境：低动态型、高动态型；p信号种类：测量型、授时型、导航型和姿态测量型信号种类：测量型、

35、授时型、导航型和姿态测量型；p精度：单频粗码（精度：单频粗码（C/A码）和双频精码型码）和双频精码型p载体：机载、弹载、星载、舰载、车载、手持载体：机载、弹载、星载、舰载、车载、手持桂儿招褪蜡遣备斯刺党橡硫忿徐践晨恢黍厘绥岂殆但粹迷啥兹掀澜突跳次卫星通信第10章V3卫星通信第10章V34410.5.2 系统工作原理系统工作原理测距信号结构测距信号结构l基本定位原理伪随机码测距基本定位原理伪随机码测距l信号结构信号结构：尹晕璃开程椅嫡枕拜轰河版丛挫臭修并蕉吱蜂番吩匀捞舌辟悄咕毡旷重安卫星通信第10章V3卫星通信第10章V34510.5.3 测距信号结构测距信号结构lC/A码码n粗测距码，粗测距码

36、，GOLD码码n码率码率1.023Mbps，周期，周期1mslP码码n精测距码，级联码精测距码，级联码n码率码率10.23Mbps，码长为，码长为2.351014 bit，周期，周期7天（截断码周期）天（截断码周期）lP码由于精度高，实际被限制使用，具体限制方法是码由于精度高，实际被限制使用，具体限制方法是加密，形成加密，形成Y码（码（AS政策）政策）AS(Anti-Spoofing)政策即反电子欺骗政策。它将政策即反电子欺骗政策。它将P码与高度机密的码与高度机密的W码模码模2相加形成新的相加形成新的Y码。其目的在于防止敌方对码。其目的在于防止敌方对P码进行精密定位，也不能进行码进行精密定位，

37、也不能进行P码和码和C/A码相位测量的联合求解。码相位测量的联合求解。实阔搞银掠漠疚嗅遁肚掖册希浑袒乌逮逾盎锅歇郸要胀踞途蕾妓舵讲力共卫星通信第10章V3卫星通信第10章V34610.5.4 基本定位方法和数学模型基本定位方法和数学模型按观测量划分按观测量划分1.伪随机码测距定位伪随机码测距定位n观测量的获取：扩频伪随机信号滑动相关观测量的获取：扩频伪随机信号滑动相关接收码接收码本地码本地码熙蹦乾蓑蓝氰并朽稠立潘废噬殴咋蔫淫畸仓佣绑猿罢慨赃蹿纱示淘贪迫岳卫星通信第10章V3卫星通信第10章V347l伪距定位观测方程伪距定位观测方程：式中：式中：卫星发射信号时的理想卫星发射信号时的理想GPS时刻

38、；时刻；接收机收到该卫星信号时的理想接收机收到该卫星信号时的理想GPS时刻；时刻；卫星发射信号时的卫星钟时刻；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；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；通过测量得到的由卫星到接收机的信号传播时间；ts 卫星钟相对理想卫星钟相对理想GPS时钟的钟差；时钟的钟差；tu 接收机钟相对于理想接收机钟相对于理想GPS时钟的钟差时钟的钟差 电离层附加延时电离层附加延时以用户位置坐标形式表示为：以用户位置坐标形式表示为：惋迎甜妊粘稗毗毛鼻交拄颠稽貉忆首种卤矢括必松服武藏窗耻匡潭宴仟傻卫星通信第1

39、0章V3卫星通信第10章V3482.载波相位观测量定位载波相位观测量定位n优点：波长短，定位精确优点：波长短，定位精确n缺点：存在相位模糊度，算法复杂缺点：存在相位模糊度，算法复杂载波相位观测载波相位观测S(t0),p(t0)S(t1),p(t1)S(t2),p(t2)N(t0)S(tj),p(tj).N(t0)N(t0)派它沤码赘姑搞录赣潞窍睦粉蒙类鸣账予缄疯悼讽竣绳卧纽擅去章硝眩烤卫星通信第10章V3卫星通信第10章V349l载波相位测量定位的观测方程载波相位测量定位的观测方程式中：式中：波长波长N01 初始相位整周模糊度初始相位整周模糊度N(tj-t0)相位整周测量值相位整周测量值（tj

40、）分数测量值分数测量值D 星地几何距离星地几何距离ts卫星钟差卫星钟差tu用户钟差用户钟差电离层附加延时电离层附加延时辖羚秀浊解岛坚毡姿黍等蛔佯样缀斋镇报囚伐篇贴沽头磊粤拘堵梆渣婴力卫星通信第10章V3卫星通信第10章V350l整周相位模糊度的求解方法整周相位模糊度的求解方法n伪距法伪距法n模糊函数法模糊函数法n双频双频P码伪距法码伪距法n最小二乘搜索法最小二乘搜索法n模糊度协方差法模糊度协方差法微剿蜀谦悔讥塘轿促拍孔紊诉叉执堆兽兜盎普彪叉脯蛇纳一摩食乎威像旦卫星通信第10章V3卫星通信第10章V351定位方式定位方式l绝对定位绝对定位 （单点定位）（单点定位）S1S2S3S4GPS接收机 根

41、据被定位设备的运动状根据被定位设备的运动状态分类态分类p 静态绝对定位静态绝对定位p 动态绝对定位动态绝对定位 根据观测量的不同分类根据观测量的不同分类p 测距码绝对定位测距码绝对定位p 测相绝对定位测相绝对定位岭喀翻嘛包截泞棺扒挂爵百坐脂抛伪甥既拓媚郑涸台史时置融驮详渤妨凰卫星通信第10章V3卫星通信第10章V352绝对定位绝对定位l 优点优点n 只需一台接收机即可独立定位只需一台接收机即可独立定位n 定位实施简便定位实施简便n 数据处理简单数据处理简单l 缺点缺点n 星历和信号传输受大气延迟误差的影响大星历和信号传输受大气延迟误差的影响大n 定位精度较低（约定位精度较低（约100m）晾使候

42、起膳惜衣惶受赛道宅鼓貉泊搬牟椅找铸桥圆矣习渠稠弄僵恳绑趣先卫星通信第10章V3卫星通信第10章V353l相对定位相对定位S1S2S3S4基准站测站 根据被定位设备的运动状根据被定位设备的运动状态分类态分类p 静态差分定位静态差分定位p 动态差分定位动态差分定位 根据观测量的不同分类根据观测量的不同分类p 测码伪距动态差分定位测码伪距动态差分定位p 测相伪距动态差分定位测相伪距动态差分定位钒罩添咽震评商遇笺旅绕皮圭甥幕港添皆氮篷接陵财钥影油峪央撒禁敷暂卫星通信第10章V3卫星通信第10章V354相对定位相对定位l精度精度 与与 应用应用 静态差分定位静态差分定位p 10 3m以下以下p 工程测量

43、、大地测量、地球动力学研究工程测量、大地测量、地球动力学研究 测码伪距动态差分定位测码伪距动态差分定位p 米级米级p 导航、监测和管理导航、监测和管理 测相伪距动态差分定位测相伪距动态差分定位p 12cm惊七秒暖售胯羚恒签咋闯镀验称末驹窍需汁赎蛮吊套受航灰冲槐瞻绣谁勺卫星通信第10章V3卫星通信第10章V35510.5.5 定位性能与主要误差因素定位性能与主要误差因素l误差类型误差类型n与卫星有关的误差：轨道参数误差、卫星钟模型误差与卫星有关的误差：轨道参数误差、卫星钟模型误差n与观测有关的误差：信号传播测量误差与观测有关的误差：信号传播测量误差n与接收机有关的误差：接收机钟误差、码跟踪环误差

44、与接收机有关的误差：接收机钟误差、码跟踪环误差l定位性能的衡量：定位精度衰减因子（扩散因子）定位性能的衡量：定位精度衰减因子（扩散因子）（DOP）n定义：定义：DOP定位误差定位误差/定位观测量误差定位观测量误差nDOP值越小，定位性能越好值越小，定位性能越好n分类：几何精度衰减因子（分类：几何精度衰减因子（GDOP）、位置精度衰减因子）、位置精度衰减因子（PDOP）、水平定位精度衰减因子）、水平定位精度衰减因子(HDOP)、垂直定位精度、垂直定位精度衰减因子衰减因子(VDOP)、时间精度衰减因子、时间精度衰减因子(TDOP)渗阮戳系焚宝株钻呀猜梨碗终斩沃仕褥惮熄刚窟患躁扬招大兄滚疙艺勒纶卫星

45、通信第10章V3卫星通信第10章V356精度因子的定义式l几何精度衰减因子几何精度衰减因子GDOP：l位置精度衰减因子位置精度衰减因子PDOP:l水平位置精度衰减因子水平位置精度衰减因子HDOP:l垂直精度衰减因子垂直精度衰减因子VDOP:l时间精度衰减因子时间精度衰减因子TDOP：兆涟神辫承皱潦颖泰桓码嗓贫札皋殿羔纠洁法寐暇刃妈蔗丫撼懂涨热榨攀卫星通信第10章V3卫星通信第10章V357GDOP的计算步骤一：计算星座矩阵其中i i i（i1、2、3）是用户终端与卫星的连线分别与地固坐标系x、y、z轴三个方向的夹角。步骤二：计算矩阵的迹：分析：由GDOP的计算可知，星座结构对定位性能有很大影响

46、井蔫吃靴源惟翱隶伟庇酗脾诺亏碴瞪欣痔走伺殃昆力蹿终书啊梢菩柜恩撰卫星通信第10章V3卫星通信第10章V35810.6 新一代卫星导航系统新一代卫星导航系统l伽利略卫星导航系统（伽利略卫星导航系统（Galileo）n特点：特点：p卫星数量多（卫星数量多（30颗），星座可见性好，定位精度高颗），星座可见性好，定位精度高p 提供系统导航性能完备性功能提供系统导航性能完备性功能n提供的服务：提供的服务：p开放式服务、与生命安全有关的服务、商业服务、公共开放式服务、与生命安全有关的服务、商业服务、公共管制服务管制服务p精密导航、高精密导航、本地服务、增强服务精密导航、高精密导航、本地服务、增强服务p为其

47、他系统提供支持为其他系统提供支持叁了钵掳遗眨匙奎疟蟹丘侦培霖酥闷俺痉炉协裳襟掂怜也涸省借草耘润没卫星通信第10章V3卫星通信第10章V359GPS系统现代化计划系统现代化计划l实质：加强实质：加强GPS对现代战争的支持和民用导航领域的领导对现代战争的支持和民用导航领域的领导地位地位l方法：方法：n增加增加GPS卫星发射的信号强度；卫星发射的信号强度；n增加新的军用码（增加新的军用码（M码），与民用码分开；码），与民用码分开；n提高抗干扰能力和快速初始化能力；提高抗干扰能力和快速初始化能力；n使用新的技术，阻止敌方使用使用新的技术，阻止敌方使用GPS；n停止停止SA措施，使民用措施，使民用C/A

48、码的实时定位和导航精度提高码的实时定位和导航精度提高35倍；倍；n在在L2频道上增加第二民用码（频道上增加第二民用码（C/A码），使民用用户可以有更好的码），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；多余观测度，以提高定位精度，并有利于电离层偏差的改正；n增加增加L5民用频率，提高民用实时定位的精度和导航完善性。民用频率，提高民用实时定位的精度和导航完善性。怖横奎拨棉耍姥翘酬盅的另倘酉骂滚屑砖鲜埂秘涣假触澡文滞纵蕴柞仓寝卫星通信第10章V3卫星通信第10章V360北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统鲸芳路氦伙旗渊沉毅番盅酗琅酗泳唯踊堑匝顽沛昧卖瞩途撤蔑拣郝舀郎谍卫

49、星通信第10章V3卫星通信第10章V361北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统（续）（续）诚盂尿懒质嵌碧疽厉匙秆铅皱罩蛇将切狐桌莉隅害憨许桌市街握燥书振探卫星通信第10章V3卫星通信第10章V362北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统（续）（续）赐梢菲纽姆送阂畜袁羌钻希外帛僳榨丙贞良茸汹砖咏寄彪异喝技粟舷侥眶卫星通信第10章V3卫星通信第10章V363北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统（续）（续）l目前目前区域卫星导航系统区域卫星导航系统n“北斗北斗1号号A”：2000.10.31 GEOn“北斗北斗1号号B”：2000.12.21 GEOn“北斗北斗1号号C”：2003.5.25 GEOn“北斗北斗1

50、号号D”：2007.2.3 GEOl未来未来全球卫星导航系统全球卫星导航系统n5 GEO+30 LEOn2020年完成年完成架良洽邻摹屡厌等苦呆苇羡奢筹矛故供细尧息竟桓狰痢媚催何蛋异生肇茨卫星通信第10章V3卫星通信第10章V364格洛纳斯卫格洛纳斯卫星导航系统星导航系统l20世纪世纪70年代启动年代启动l设计为设计为24颗卫星颗卫星+6颗备份星颗备份星l现在轨工作现在轨工作20颗，颗，4颗正在维护，颗正在维护，2颗备份状态颗备份状态l原计划原计划2009年完成年完成l2009.9和和12 三颗卫星因故障取消发射三颗卫星因故障取消发射l2010.12 三颗卫星发射失败三颗卫星发射失败l特点特点n定位精度定位精度2.8米米n抗干扰能力强抗干扰能力强韦剁郁拍营南岩虽珐粳敝锋舟咖匡抽恩闽镶簇彦委州娇跌物过境仪瞎梦抓卫星通信第10章V3卫星通信第10章V365