衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

1、第七章 衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng),第七章概要,衛(wèi)星定位與導(dǎo)航概述 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ) 衛(wèi)星定位的基礎(chǔ)原理 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù) 雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),7.1 衛(wèi)星定位與導(dǎo)航概述,第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：子午儀(Transit)系統(tǒng) 出現(xiàn)于20世紀60年代 利用低軌衛(wèi)星的多普勒頻移效應(yīng)進行定位 最初為美國海軍提供潛艇提供高精度二維定位服務(wù)，1967年開放為民用 系統(tǒng)缺點：衛(wèi)星數(shù)量少、軌道高度低、軌道精度保持低，使得定位時間間隔長，精度差,7.1 衛(wèi)星定位與導(dǎo)航概述 續(xù)1,第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：GPS 1973年開始方案和原理研究 1993年7月，24顆GPS衛(wèi)星部署完成 1993

2、年12月8日，美國國防部正式宣布GPS具有初始運行能力 采用基于時間測量確定距離的偽距定位技術(shù) 標準定位服務(wù)SPS提供民用，精密定位服務(wù)PPS提供軍用和特許用戶,7.1 衛(wèi)星定位與導(dǎo)航概述 續(xù)2,第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：GPS 2001年以前，美國政府對GPS施加了SA和AS政策 SA：選擇可用性政策，在GPS的基準頻率上施加高頻抖動噪聲信號，降低衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)中軌道參數(shù)的精度 采用SA時的SPS定位精度約100米左右，取消后定位精度達14米左右 AS：反電子欺騙政策，其目的是保護P碼，限定非特許用戶的使用,7.1 衛(wèi)星定位與導(dǎo)航概述 續(xù)3,其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 俄羅斯GLONASS：偽碼測距定位 區(qū)域

3、性導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，采用GEO衛(wèi)星 歐洲的LOCSTAR 美國的GEOSTAR 美國Qualcomm公司的OmniTRACS 中國的“北斗一號,7.1 衛(wèi)星定位與導(dǎo)航概述 續(xù)4,衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)提供的服務(wù) 定位 導(dǎo)航 授時 通信,7.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ),坐標系 地球坐標系：以地心為原點，地球自轉(zhuǎn)軸為Z軸，以地球赤道面為基準平面的地心固定坐標系 極移：地極點在地球表面移動的現(xiàn)象，使得地心固定坐標系坐標軸的指向發(fā)生變化 國際協(xié)議原點CIO：1967年國際天文學(xué)聯(lián)合會和國際大地測量學(xué)協(xié)會建議，采用國際上5個緯度服務(wù)站在1900-1905年的平均緯度所確定的平均極地位置，作為地極的基準點，對應(yīng)的坐標

4、原點為CIO,7.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ) 續(xù)1,坐標系 與CIO和地極基準點所對應(yīng)的地球赤道平面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面，坐標系稱為協(xié)議地球坐標系(CTS) 以瞬時地極對應(yīng)的地區(qū)固定坐標系，稱為瞬時地球坐標系 目前，由國際時間局(BIH) 所公布的瞬時地極坐標所對應(yīng)的坐標基準點就是BIH系統(tǒng)中的協(xié)議地極原點,7.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ) 續(xù)2,WGS84坐標系 1984年世界大地坐標系，由美國國防部制圖局建立并公布 是GPS衛(wèi)星廣播星歷和精密星歷的參考系 是GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中標識被定位用戶坐標所采用的坐標系 是一個地心固定坐標系，坐標軸方向與BIH1984.0系統(tǒng)中定義的方向一致，是CTS-84的一個

5、實現(xiàn)，是目前最高水平的衛(wèi)星定位與全球大地測量參考系統(tǒng),7.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ) 續(xù)3,大地水準橢球和基準橢球,7.2 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)基礎(chǔ) 續(xù)4,時間體系 世界時(UT)：以地球自轉(zhuǎn)周期為基準，從午夜起算的英國格林尼治平太陽時稱為世界時 原子時(ATM)：國際時間局目前以大約100臺位于世界各地的原子鐘的讀數(shù)，分別以不同的權(quán)值作平均，獲得綜合的時間基準 協(xié)調(diào)時(UTC)：時間播發(fā)中把原子時的秒長和世界時的時刻結(jié)合起來的一種時間 ，秒長嚴格等于原子時的秒長，采用整數(shù)調(diào)秒的方法使協(xié)調(diào)時與世界時之差保持在0.9s之內(nèi) GPS時(GPST)：與國際原子時保持有19s的常數(shù)差，并在GPS標準歷元1980年1

6、月6日零時與UTC保持一致。GPS時間在0604800 s之間變化。主要作為GPS衛(wèi)星軌道確定的精密參考,7.3 衛(wèi)星定位的基礎(chǔ)原理,衛(wèi)星定位的必要條件 衛(wèi)星在坐標系內(nèi)的精確位置 用戶相對于衛(wèi)星的某種觀測值 定位方法，根據(jù)觀測值的不同可以分為 測距定位 測速定位 測角定位 觀測量包括距離差、距離和、頻率、頻率差、相位等,7.3 衛(wèi)星定位的基礎(chǔ)原理 續(xù)1,定位參量與位置面 測距定位：球面交匯定位 距離差定位：雙曲面交匯 測速定位,7.3 衛(wèi)星定位的基礎(chǔ)原理 續(xù)2,定位的幾何原理 球面交匯定位 雙曲面交匯定位 定位的代數(shù)原理 建立對應(yīng)于觀測量的定位方程 將方程線型化 利用數(shù)值算法解方程 由于實際觀

7、測量存在誤差，因此一般說來觀測量越多，定位結(jié)果越準確，即衛(wèi)星數(shù)量越多，觀測值越多，定位結(jié)果越準確,7.4 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù),低軌衛(wèi)星的特點 軌道高度低、需要較多衛(wèi)星才能實現(xiàn)多重覆蓋 衛(wèi)星運動速度快，信號有較大的多普勒頻移 低軌衛(wèi)星定位系統(tǒng) 利用信號的多普勒頻移實現(xiàn)測速，進而實現(xiàn)雙曲線交匯定位 典型系統(tǒng)為子午儀系統(tǒng)、搜索救援衛(wèi)星系統(tǒng),7.4 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù) 續(xù)1,多普勒頻移與用戶速度,7.4 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù) 續(xù)2,基于多普勒積分觀測量的定位觀測方程,7.4 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù) 續(xù)3,考慮到接收機的本振頻率不等于衛(wèi)星發(fā)射頻率，上述等式可稍作修改，經(jīng)整理可得以積分多普勒測量值為觀測量的定位觀測方程

8、 式中，r(,)是以用戶經(jīng)緯度的函數(shù)形式表示的用戶與衛(wèi)星之間的距離，該式假定用戶的高度為已知值,7.4 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù) 續(xù)4,定位觀測方程的求解 利用泰勒級數(shù)將上述觀測方程近似線性化，并假定一個初始位置 利用最小二乘算法求解近似解，該解為相對于初始值的偏移量 將偏移量加上初始位置作為新的假定位置，代入原方程，求出相對于假定位置的新的偏移量 重復(fù)上述過程，直到前后兩次迭代之間的偏移量解足夠小,7.4 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù) 續(xù)5,主要誤差因素 星歷誤差 頻率源漂移誤差 多普勒計數(shù)及頻移跟蹤誤差 用戶運動速度產(chǎn)生的誤差：影響子午儀系統(tǒng)定位使用的主要原因,7.5 雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的

9、推動原因 區(qū)域定位需求 投資省，見效快 有利于多種服務(wù)的實現(xiàn) 雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特征 主動式有源定位,7.5 雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)1,系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 空間段：23顆靜止衛(wèi)星，主要載荷為透明轉(zhuǎn)發(fā)器。其中一顆衛(wèi)星上配置兩套轉(zhuǎn)發(fā)器，另一顆配置一套轉(zhuǎn)發(fā)器 地面段：地面中心（主控站和計算中心）、測軌站、測高站、校準站等。完成測距信號發(fā)送、集中式位置解算。地面中心的坐標已知 用戶終端：測距請求的發(fā)送、測距信號的轉(zhuǎn)發(fā)，位置結(jié)果的顯示,7.5 雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)2,系統(tǒng)工作原理 1) 地面中心對其中一顆衛(wèi)星連續(xù)發(fā)射含有測距碼、地址電文、時間碼的詢問脈沖束或詢問信號 2) 詢問信號經(jīng)衛(wèi)星變頻、放大，轉(zhuǎn)發(fā)到測站

10、 3) 測站接收詢問信號，并注入必要信息，再變頻、放大，向二顆衛(wèi)星發(fā)射電文作為應(yīng)答信號 4) 兩顆衛(wèi)星收到應(yīng)答電文，并再把它們變頻、放大，轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心站 5) 地面中心站處理接收到的應(yīng)答電文，得到測站坐標或交換電報信息 6) 中心站再經(jīng)衛(wèi)星把處理后的信息送給測站(用戶)，測站(用戶)收到所需信息顯示或輸出,7.5 雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)3,導(dǎo)航定位方程 球面交匯定位，導(dǎo)航觀測方程 由前述工作過程可知，觀測量D為距離和 由于只有兩顆衛(wèi)星可用，為確定三維坐標，需要知道大地高,7.5 雙靜止衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)4,主要誤差因素 衛(wèi)星和地面中心的位置誤差 電波傳播誤差，包括電波在大氣中傳播產(chǎn)生的誤差及設(shè)

11、備延時誤差 測量誤差，包括距離測量誤差、高程誤差、鐘誤差等。距離測量誤差主要取決于偽碼鎖定環(huán)路的跟蹤誤差。高度誤差主要取決于數(shù)字地圖的精度或測高儀器的精度 定位滯后誤差,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 空間段：由21顆工作衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星組成特定星座，高度20200km（截至2006年7月工作衛(wèi)星總數(shù)已達29顆。衛(wèi)星有效載荷包括原子鐘和導(dǎo)航電文存儲器等,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)1,系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 地面站：包括主控站、監(jiān)控站、注入站。監(jiān)控衛(wèi)星運行情況，產(chǎn)生準確星歷數(shù)據(jù)及鐘差、狀態(tài)、大氣傳播改正等參數(shù)，形成并注入導(dǎo)航電文 用戶終端 無源被動定位：接收導(dǎo)航電文，完成導(dǎo)航參量的測量和定位解算任務(wù)，并可

12、加以顯示 類型：低動態(tài)型、高動態(tài)型；測量型、授時型、導(dǎo)航型和姿態(tài)測量型 ；單頻粗碼（C/A碼）和雙頻精碼型,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)2,系統(tǒng)工作原理 偽隨機碼測距 信號結(jié)構(gòu),7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)3,測距信號結(jié)構(gòu) C/A碼：粗測距碼，GOLD碼，碼率為1.023Mbps，周期為1ms P碼：精測距碼，級聯(lián)碼，碼率10.23Mbps ，碼長為2.351014 bit ，周期7天（截斷碼周期） P碼由于精度高，實際被限制使用，具體限制方法是加密，形成Y碼（AS政策） 為限制定位精度，曾經(jīng)采用精度降低措施，即SA政策（時鐘信號上加入高頻隨機抖動），現(xiàn)已取消,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)4,偽隨機

13、碼測距定位 觀測量的獲?。簲U頻偽隨機信號滑動相關(guān),7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)5,偽距定位觀測方程,式中,衛(wèi)星發(fā)射信號時的理想GPS時刻； 接收機收到該衛(wèi)星信號時的理想GPS時刻； 衛(wèi)星發(fā)射信號時的衛(wèi)星鐘時刻； 接收機收到該衛(wèi)星信號時的接收機鐘時刻； tus 通過測量得到的由衛(wèi)星到接收機的信號傳播時間； ts 衛(wèi)星鐘相對理想GPS時鐘的鐘差； tu 接收機鐘相對于理想GPS時鐘的鐘差 電離層附加延時,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)6,偽距定位觀測方程 以用戶位置坐標形式表示為,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)7,載波相位觀測量定位 優(yōu)點：波長短，定位精確 缺點：存在相位模糊度，算法復(fù)雜,7.6 GPS導(dǎo)航

14、系統(tǒng) 續(xù)8,載波相位測量定位的觀測方程,式中,波長 N01 初始相位整周模糊度 N(tj-t0)相位整周測量值 （tj）分數(shù)測量值 D 星地幾何距離 ts衛(wèi)星鐘差 tu用戶鐘差 電離層附加延時,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)9,整周相位模糊度的求解方法 偽距法 模糊函數(shù)法 雙頻P碼偽距法 最小二乘搜索法 模糊度協(xié)方差法,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)10,定位方式 絕對定位 根據(jù)被定位設(shè)備的運動狀態(tài)，分為靜態(tài)絕對定位、動態(tài)絕對定位 根據(jù)觀測量的不同，分為測距碼絕對定位和測相絕對定位,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)11,定位方式 相對定位 按定位物體運動狀態(tài)靜態(tài)差分定位、動態(tài)差分定位 按觀測量可分為偽距差分

15、、相位差分等定位,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)12,定位性能與主要誤差因素 誤差類型 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：軌道參數(shù)誤差、衛(wèi)星鐘模型誤差 與觀測有關(guān)的誤差：信號傳播測量誤差 與接收機有關(guān)的誤差：接收機鐘誤差、碼跟蹤環(huán)誤差,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)13,定位性能與主要誤差因素 定位性能的衡量：定位精度衰減因子(擴散因子, DOP) DOP定位誤差/定位觀測量誤差 DOP值越小，定位性能越好 分類：幾何精度衰減因子（GDOP）、位置精度衰減因子（PDOP）、水平定位精度衰減因子(HDOP)、垂直定位精度衰減因子(VDOP)、時間精度衰減因子(TDOP,7.6 GPS導(dǎo)航系統(tǒng) 續(xù)14,精度因子的定義式 幾何精度衰減因子GDOP： 位置精度衰減因子PDOP: 水平位置精度衰減因子HDOP: 垂直精度衰減因子VDOP: 時間精度衰減因子TDOP,7.7 新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo) 特點 衛(wèi)星數(shù)量多（30顆），星座可見性好，定位精度高 提供系統(tǒng)導(dǎo)航性能完備性功能 提供的服務(wù) 開放式服務(wù)、與生命安全有關(guān)的服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、公共管