第1章卫星导航原理及应用技术概述PPT课件

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1、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北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室教研室秦 红 磊电话：01082316491 Email:第第1 1章章: : 绪论绪论第第2 2章章: GNSS: GNSS简介简介第第3 3章章: GPS : GPS 坐标和时间系统坐标和时间系统第第4 4章章: GPS : GPS 卫星轨道卫星轨道第第5 5章章: GPS : GPS 信号结构和导航电文信号结构和导航电文第第6 6章章: GPS : GPS 接收机接收机第第7 7章章: GPS : GPS 导航观测量和误差分析导航观测量和误差分析第第8 8章章: GPS : GPS 定位原理

2、定位原理第第9 9章章: : 整周模糊度技术整周模糊度技术卫星导航原理及应用技术卫星导航原理及应用技术第第1010章章: : 差分差分GPSGPS技术技术第第1111章章: : 速度、姿态和时间测量速度、姿态和时间测量第第1212章：干扰和抗干扰技术章：干扰和抗干扰技术第第1313章：高灵敏度接收机技术章：高灵敏度接收机技术第第1414章：完好性监测技术章：完好性监测技术第第1515章：组合导航技术章：组合导航技术第第1616章：其它应用技术章：其它应用技术第第1717章：章：GLONASSGLONASS系统系统第第1818章：章：GalileoGalileo系统系统卫星导航原理及应用技术卫星

3、导航原理及应用技术第第1 1章章: : 概述概述1.1 1.1 什么是导航？什么是导航？1.2 1.2 我们为什么需要导航我们为什么需要导航? ?1.3 1.3 导航历史回顾导航历史回顾1.4 1.4 现代导航系统现代导航系统1.5 1.5 导航系统应用导航系统应用 什么是导航什么是导航? ?但是这里是哪里但是这里是哪里?我们为什么需要导航我们为什么需要导航? ?你就在这里你就在这里.我在哪?你在哪你在哪? 你能在地图上找到你现在的位置吗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你能在黑夜里返回你现在的位置吗?导航历史导航历史 早在公元前早在公元前3500年前，人类就有历

4、史记载用大船装在货物年前，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。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。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 导航 向 导 . .导航历史导航历史 当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白当他们在看不到大陆的时候，

5、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。别南北方向。 早期的航海家们总是在靠近海岸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。大范围的航海活他们的活动范围。大范围的航海活动必然会带来风险。动必然会带来风险。 导航历史导航历史古代导航工具古代导航工具直角器（直角器（Cross-staff）标尺

6、（标尺（Back-staff）四分仪（四分仪（Quadrant） 航海员星盘航海员星盘（Mariners Astrolabe）星盘（星盘（Astrolabe夜间记时仪器夜间记时仪器（Nocturnal ）古代导航工具古代导航工具指南针指南针- -中国古代导航工具中国古代导航工具汉朝汉朝（BC.BC.206AD.AD.220） 南宋南宋（AD.1127-1279AD.1127-1279）北宋北宋（AD.960-1127AD.960-1127）北宋北宋（AD.960-1127AD.960-1127）导航的两个关键因素导航的两个关键因素 确定地球上的位置确定地球上的位置 现在时间是几点现在时间是几点

7、? ?航海过程航海过程 在在 James CookJames Cook（1728172817791779）以前，船的安全）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。出船的位置。 在航海的过程中，船员们需要知道两条信息：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。的将坐标值映射到地图上。纬度和经度纬度和经度纬度SN经度EW航海过程航海过程 纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来

8、判断。判断。 经度的判断比较困难，必须计算出地球上不同经度的判断比较困难，必须计算出地球上不同地点的时差。地点的时差。 纬度和经度纬度和经度 0 位于赤道 90N 在北极点 北京市的纬度是多少？ 南极的纬度是多少？纬度纬度经度经度 经线位于南北几点经线位于南北几点之间的连线。之间的连线。 0 经过英国的格林经过英国的格林威治。威治。 负的经度为西经，负的经度为西经，正的为东经正的为东经 北京市北京市的经度是多的经度是多少？少？地图地图 18世纪的世纪的“精度精度”地图能够给我们提供很多信息，告诉我们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当时

9、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。度和纬度的值，并且取得了很大成功。专业工具专业工具 航海家们早期使用的工具只能粗略的定位航海家们早期使用的工具只能粗略的定位 六分仪六分仪 六分仪能够测量位于水平面以上物体的仰角（北极星、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），经常用于寻找纬度太阳等），经常用于寻找纬度 指南针指南针 用于指引方向用于指引方向航位推测法航位推测法 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，在如果从纽约到伦敦，当旅行结束时，在9595的的定

10、位精度下，将会累积定位精度下，将会累积175175英里的误差英里的误差早期导航工具的弱点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！）（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这些技术不适于海上应用海上导航海上导航 文艺复兴时期，海上航线遇到的最大

11、困难就是怎文艺复兴时期，海上航线遇到的最大困难就是怎么确定经度问题。么确定经度问题。 六分仪能够为海上航线提供纬度位置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但是你却不知道向东或者向西行驶了多少经度经度 17071707年，年，1010月月2222号，由于航位推测法的错误，导号，由于航位推测法的错误，导致致20002000多人死亡的海难。多人死亡的海难。 17171717年，年，anne anne 女皇宣称，如果谁能够将航海的经女皇宣称，如果谁能够将航海的经度准确度保持到度准确度保持到1/21/2度（相当于

12、在平行于赤道行驶度（相当于在平行于赤道行驶3030英里），将对他悬赏英里），将对他悬赏2000020000英镑。英镑。主要导航系统主要导航系统 INS : 惯性导航系统惯性导航系统 CNS : 天文导航系统天文导航系统 TAN : 地形辅助导航地形辅助导航 RNS : 无线电导航系统无线电导航系统 GNSS :全球导航系统全球导航系统惯性导航原理惯性导航原理 惯性导航系统由加速度计、惯导平台、导航计算机惯性导航系统由加速度计、惯导平台、导航计算机和控制显示器几个部分组成。和控制显示器几个部分组成。 其中加速度计用来输出与载体运动加速度成一定函其中加速度计用来输出与载体运动加速度成一定函数关系的

13、信号；数关系的信号； 惯导平台用来模拟一个导航坐标系，把加速度的测惯导平台用来模拟一个导航坐标系，把加速度的测量轴稳定在导航坐标系，并用模拟的方法给出载体量轴稳定在导航坐标系，并用模拟的方法给出载体的姿态和方位信息；的姿态和方位信息； 导航计算机用来完成导航计算和平台跟踪回路中指导航计算机用来完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算；令角速度信号的计算； 控制显示器用来给定初始参数及系统需要的其它参控制显示器用来给定初始参数及系统需要的其它参数，显示各种导航信息。数，显示各种导航信息。 惯性导航原理惯性导航原理惯性导航原理惯性导航原理 按照惯性测量装置在载体上的安装方式，按照惯性测量装

14、置在载体上的安装方式，可分为可分为: :平台式惯性导航系统平台式惯性导航系统捷联式惯性导航系统捷联式惯性导航系统平台方式平台方式: : 保持传感器的姿态保持传感器的姿态 这种方法将这种方法将IMU相对于周边环境的姿态保持不变。相对于周边环境的姿态保持不变。捷联方式捷联方式: : 固定惯性测量单元（固定惯性测量单元（IMUIMU） 这种方法适用于安装小的和高精度的惯性测量单元。这比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的场合

15、。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。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（惯性导航系统（INSINS）惯性导航系统的结构图惯性导航系统的结构图捷联惯性导航单元结构图捷联惯性导航单元结构图惯性导航系统（惯性导航系统（INSINS）环行激光陀螺仪环行激光陀螺仪CNS-CNS-天球导航系统天球导航系统 天球导航是人类利用太阳、星星、月亮和行天球导航是人类利用太阳、星星、月亮和行星来定位的一门艺术和科学。星来定位的一门艺术和科学。CNS-CNS-天球导航系统天球导航系统CNS-CNS-天球导航系统天球导航系

16、统444648505254565860626466687072747678地形辅助导航系统（地形辅助导航系统（TANSTANS）典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统 1 1伏尔伏尔(VOR)(VOR)导航系统导航系统22多普勒导航系统多普勒导航系统 3 3罗兰罗兰C C导航系统导航系统 44塔康导航系统塔康导航系统 55奥米加导航系统奥米加导航系统有源和无源无线电导航系统有源和无源无线电导航系统电子测距系统电子测距系统典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统伏尔伏尔(VOR)(VOR)导航系统导航系统VHF Omnidirectional RangeVOR 空中导航用的甚高频全向信标。这种

17、系统能使机上接收机空中导航用的甚高频全向信标。这种系统能使机上接收机在伏尔地面台任何方向上和伏尔信号覆盖范围内测定相对于在伏尔地面台任何方向上和伏尔信号覆盖范围内测定相对于该台的磁方位角。伏尔导航系统出现于该台的磁方位角。伏尔导航系统出现于3030年代，是为了克服年代，是为了克服中波和长波无线电信标传播特性不稳定、作用距离短的缺点中波和长波无线电信标传播特性不稳定、作用距离短的缺点而研制的导航系统而研制的导航系统, ,是甚高频（是甚高频（108108118118兆赫）视线距离导航兆赫）视线距离导航系统。飞机飞行高度在系统。飞机飞行高度在 44004400米以上时，稳定的作用距离可达米以上时，稳

18、定的作用距离可达200200公里以上。公里以上。 典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统 它由机载甚高频全向信标接收机、显示器和地面甚高频全它由机载甚高频全向信标接收机、显示器和地面甚高频全向方位导航台组成。导航台发射以向方位导航台组成。导航台发射以3030转秒旋转的心脏线方向转秒旋转的心脏线方向图，在机载接收机输出端产生图，在机载接收机输出端产生3030赫的正弦波，其相位随飞机相赫的正弦波，其相位随飞机相对导航台的位置而变化，称为可变相位信号。与此同时，导航对导航台的位置而变化，称为可变相位信号。与此同时，导航台还发射一个以固定台还发射一个以固定3030赫参考频率调制的全向信号。在机载接赫

19、参考频率调制的全向信号。在机载接收机输出端又得到一个不变相位的收机输出端又得到一个不变相位的3030赫正弦波，称为基准相位赫正弦波，称为基准相位信号。在地面导航台中使这两个信号。在地面导航台中使这两个3030赫低频信号的相位在磁北子赫低频信号的相位在磁北子午线上相同。比较机载接收机输出的两个信号的相位，可确定午线上相同。比较机载接收机输出的两个信号的相位，可确定地面导航台相对飞机的方位角，并将这方位角显示在显示器上。地面导航台相对飞机的方位角，并将这方位角显示在显示器上。如果与测距器（如果与测距器（DMEDME）组成伏尔）组成伏尔-DME-DME标准近程导航系统标准近程导航系统, ,还可还可测

20、出飞机至导航台的距离，据此可确定飞机在空间的位置。测出飞机至导航台的距离，据此可确定飞机在空间的位置。 典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统伏尔（伏尔（VORVOR）典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统多普勒导航系统多普勒导航系统 利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统。它由脉冲多普利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统。它由脉冲多普勒雷达、航向姿态系统、导航计算机和控制显示器等组成。它也勒雷达、航向姿态系统、导航计算机和控制显示器等组成。它也是用航位推算法利用航行速度三角形定位和定向。是用航位推算法利用航行速度三角形定位和定向。7070年代以后，年代以后，多普勒导航系统已和飞行控制系

21、统、发动机控制系统、火力控制多普勒导航系统已和飞行控制系统、发动机控制系统、火力控制系统等组成综合航空电子系统，统一显示，综合控制。系统等组成综合航空电子系统，统一显示，综合控制。 典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统多普勒导航雷达导 航计 算 机地速和偏流角指示器或自动驾驶仪当前位置数据垂 直陀螺仪俯仰角和倾斜角航向系统航向预定航线方位航迹角典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统W典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统 罗兰罗兰C C导航系统导航系统 远程双曲线无线电导航系统，简称远程导航，作用距离为远程双曲线无线电导航系统，简称远程导航，作用距离为2000km2000km。采用几何

22、定位法。它由设在地面的一个主台与。采用几何定位法。它由设在地面的一个主台与2323个个副台合成的台链和飞机上的接收设备组成。测定主、副台脉冲副台合成的台链和飞机上的接收设备组成。测定主、副台脉冲信号的时间差和相位差即获得飞机到两台的距离差不变的的航信号的时间差和相位差即获得飞机到两台的距离差不变的的航迹是一条双曲线。再测定主台与另一副台的距离差又得到一条迹是一条双曲线。再测定主台与另一副台的距离差又得到一条双曲线，两条双曲线的交点是飞机在空中的位置。双曲线，两条双曲线的交点是飞机在空中的位置。 罗兰罗兰-C-C罗兰罗兰-C 是由美国的海岸警卫队在是由美国的海岸警卫队在 50 年代末研制成功的。

23、年代末研制成功的。导航方式跟罗兰导航方式跟罗兰-A 基本相同，但作用距离可以达到基本相同，但作用距离可以达到 1000 海里，可以用作远程导航系统。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）总共建设了和苏联（现在的俄罗斯）总共建设了 60 多个台站。多个台站。1975 年，罗兰年，罗兰-C 被美国宣布为标准航海导航系统。被美国宣布为标准航海导航系统。罗兰罗兰-C -C 双曲线定位原理双曲线定位原理罗兰罗兰-C -C 信号信号脉冲结构和序列罗兰罗兰-C -C 接收机接收机T.I. 90

24、00罗兰罗兰-C -C 在北美的基站位置在北美的基站位置罗兰罗兰-C -C 范围范围 典型的无线电导航系统典型的无线电导航系统 塔康导航系统塔康导航系统近程极坐标式无线电导航系统，作用距近程极坐标式无线电导航系统，作用距离为离为400400500km500km。它由机上发射与接收设备、显示器和地面台。它由机上发射与接收设备、显示器和地面台组成。它也采用几何定位法其测向原理与伏尔导航系统相似，组成。它也采用几何定位法其测向原理与伏尔导航系统相似，也是测地面相对飞机的方位角相距离。也是测地面相对飞机的方位角相距离。 奥米加导航系统奥米加导航系统超远程双曲线无线电导航系统，作用超远程双曲线无线电导航系统，作用距离可达距离可达l l万多公里万多公里 只要设置只要设置8 8个地面台，就可以覆盖全球。它个地面台，就可以覆盖全球。它由机上接收装置、显示器和地面发射台组成，其原理与罗兰由机上接收装置、显示器和地面发射台组成，其原理与罗兰C C导航系统相似，是双曲线几何定位法。导航系统相似，是双曲线几何定位法。全球导航卫星系统全球导航卫星系统坦克坦克汽车汽车航空母舰航空母舰巡洋舰巡洋舰潜潜 艇艇民民 航航战斗机战斗机导弹导弹旅行者号航天飞船