衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)課件

第九章衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無線電導(dǎo)航原理與系統(tǒng)第九章衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無線電導(dǎo)航原理與系統(tǒng)1一.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星作為導(dǎo)航臺的星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球的陸、海、空、宇的各類運(yùn)載體和其它用戶，提供全天候、不間斷、高精度、實(shí)時的三維位置、速度和時間信息。

世界上第一個投入運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)，亦稱子午儀(Transit)系統(tǒng)。

一.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星作為導(dǎo)航臺的2一.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)。歐洲2000年開始建設(shè)“伽利略”系統(tǒng)，該系統(tǒng)是專門為民用而設(shè)計(jì)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2010年建成，將比GPS更先進(jìn)、更有效和更可靠。中國于九十年代末建成了區(qū)域衛(wèi)星通信和定位系統(tǒng)“北斗一號”。系統(tǒng)發(fā)射的是地球同步靜止衛(wèi)星，提供有源二維定位功能，定位精度較GPS和GLONASS要差。

一.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS3一.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展趨勢相關(guān)技術(shù)支持微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)軟/硬件技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)電子數(shù)字地圖技術(shù)接收機(jī)發(fā)展趨勢小型化數(shù)字化硬件軟化多功能組合化衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用范圍導(dǎo)彈制導(dǎo)、情報(bào)搜集戰(zhàn)場指揮、軍事測繪車船導(dǎo)航、時間同步陸?？战煌ü芾?/p>

衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)悄悄滲透到人們的日常生活中，成為繼移動通信之后二十一世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。一.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展趨勢相關(guān)技術(shù)支持接收機(jī)發(fā)展趨4一.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述一般的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由三部分組成：空間的人造衛(wèi)星地面測控站用戶接收定位設(shè)備一.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述一般的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由三部分組成：5二.衛(wèi)星軌道

運(yùn)行軌道理想軌道 如只考慮地球引力，且假設(shè)地球?yàn)橘|(zhì)量分布均勻的圓球情況下，衛(wèi)星的運(yùn)行軌道將是一條封閉的橢圓軌道，其地心處于橢圓的一個焦點(diǎn)上，稱為理想軌道。攝動軌道 衛(wèi)星的運(yùn)行會受到多種因素（如其他天體的引力、太陽輻射壓力、大氣阻力等的作用）的影響，衛(wèi)星的軌道實(shí)際上是復(fù)雜的空間曲線。這條曲線既不在一個平面內(nèi)，也不是封閉的，稱為攝動軌道。二.衛(wèi)星軌道運(yùn)行軌道6二.衛(wèi)星軌道

開普勒衛(wèi)星方程 對于理想宇宙空間繞地球作無動力飛行的衛(wèi)星，開普勒關(guān)于行星運(yùn)動的三條定律同樣適用，即為：第一定律：地球衛(wèi)星的飛行軌跡是以地心為焦點(diǎn)的橢圓；第二定律：衛(wèi)星矢徑在單位時間內(nèi)所掃過的面積為一常數(shù)；第三定律：衛(wèi)星軌道周期的平方與半長軸的三次方的比值為常數(shù)。

衛(wèi)星軌道六參量a:橢圓半長軸、e:偏心率、i:軌道傾角、:升交點(diǎn)赤經(jīng)、:近地點(diǎn)幅角、:真近點(diǎn)角衛(wèi)星軌道參數(shù)示意圖二.衛(wèi)星軌道開普勒衛(wèi)星方程衛(wèi)星軌道六參量衛(wèi)星軌道參數(shù)示7二.衛(wèi)星軌道

衛(wèi)星軌道參數(shù)（續(xù)）軌道半長軸a 描述軌道尺寸的大小，為橢圓軌道長軸的一半。根據(jù)開普勒定律，它決定了衛(wèi)星沿軌道飛行一周所需的時間：軌道偏心率e 描述橢圓軌道的形狀，為軌道橢圓半焦距c與半長軸之比。

軌道傾角i 描述橢圓軌道在空間的定向，為角動量和z軸的夾角，取值為0到。

二.衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)（續(xù)）8二.衛(wèi)星軌道

衛(wèi)星軌道參數(shù)（續(xù)）升交點(diǎn)赤經(jīng) 描述橢圓軌道平面在空間定向的參數(shù)，取值范圍為0到2，為衛(wèi)星的升交點(diǎn)與地球系的春分點(diǎn)相對地心的角距，在赤道平面內(nèi)沿z軸右旋測量。近地點(diǎn)幅角 描述橢圓軌道在其軌道平面內(nèi)的定向參數(shù)，為衛(wèi)星的近地點(diǎn)P與衛(wèi)星的升交點(diǎn)相對地心的角距，在軌道平面內(nèi)從升交點(diǎn)沿衛(wèi)星運(yùn)行方向度量。真近點(diǎn)角 描述軌道上的運(yùn)動衛(wèi)星在t時刻相對于近地點(diǎn)P的位置，為近地點(diǎn)P與實(shí)時運(yùn)動的衛(wèi)星點(diǎn)S相對地心的角距，它是一個隨時間變化的參數(shù)，取值范圍為0到2二.衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道參數(shù)（續(xù)）9二.衛(wèi)星軌道

在軌位置衛(wèi)星軌道六要素對于描述軌道更加方便精度更高時效性更長 因此，在衛(wèi)星導(dǎo)航電文中往往播發(fā)軌道六參量給定位用戶。實(shí)際的導(dǎo)航定位應(yīng)用中，往往需要的是衛(wèi)星實(shí)時的直角位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而不是軌道六參量。因此，需要將軌道六參量轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)。

二.衛(wèi)星軌道在軌位置10二.衛(wèi)星軌道衛(wèi)星在地心地固坐標(biāo)系中的速度

計(jì)算得到衛(wèi)星的位置后，對時間求導(dǎo)即可得到衛(wèi)星的速度。

二.衛(wèi)星軌道衛(wèi)星在地心地固坐標(biāo)系中的速度11二.衛(wèi)星軌道軌道攝動

衛(wèi)星在軌道上并非僅僅受地心引力的作用，而是受到各種的攝動影響。

攝動力低軌衛(wèi)星中軌衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星引力場二階帶諧項(xiàng)10-310-310-7其他全部球諧項(xiàng)10-610-610-9大氣阻力4×10-5-10-90太陽輻射壓力2×10-9-10-9-10-9太陽引力3×10-85×10-72×10-7月球引力6×10-810-75×10-7太陽潮汐力4×10-74×10-710-11月球潮汐力5×10-83×10-88×10-12衛(wèi)星所受各種攝動力（牛）二.衛(wèi)星軌道軌道攝動攝動力低軌衛(wèi)星中軌衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星引12二.衛(wèi)星軌道軌道攝動

衛(wèi)星攝動因素中比較重要的是地球非球形攝動和日月攝動。

地球非球形引力攝動 地球的攝動函數(shù)對衛(wèi)星軌道的攝動作用，表現(xiàn)為軌道六參量出現(xiàn)了時間變化率

日月引力攝動可用攝動加速度描述

二.衛(wèi)星軌道軌道攝動13三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理測量參數(shù)在經(jīng)典無線電導(dǎo)航中，電波的振幅是經(jīng)常采用的電測量參數(shù)，而在衛(wèi)星導(dǎo)航中則很少應(yīng)用：衛(wèi)星距離地面比較遙遠(yuǎn)，信號的傳播過程中衰減較大且不均勻。衛(wèi)星通信大多采用擴(kuò)頻通信，信號功率跟噪聲的功率相當(dāng)，因而也很難從電波的振幅中提取出導(dǎo)航信息。

三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理測量參數(shù)14三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理測量參數(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常都是利用脈沖測距或相位測距的手段，并有其典型的導(dǎo)航定位方法。衛(wèi)星定位技術(shù)中引入了一個很重要的概念，即偽距：三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理測量參數(shù)15三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理測量參數(shù)--碼偽距測量偽碼又稱作偽隨機(jī)碼，是現(xiàn)代擴(kuò)頻通信中廣泛采用的一種信道編碼方式。偽隨機(jī)碼具有類似于隨機(jī)二進(jìn)制序列“0”、“1”的分布特性，有寬的頻譜和優(yōu)良的相關(guān)特性，但并不是真正的隨機(jī)序列。三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理測量參數(shù)--碼偽距測量16三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理測量參數(shù)--碼偽距測量偽隨機(jī)碼的特性

三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理測量參數(shù)--碼偽距測量偽隨機(jī)碼的特性17三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理碼偽距測量原理概述衛(wèi)星發(fā)射經(jīng)偽碼擴(kuò)頻調(diào)制的載波信號。用戶本地接收機(jī)產(chǎn)生一個可能與衛(wèi)星發(fā)射的偽碼不同相的本地偽碼信號。接收機(jī)搜索衛(wèi)星發(fā)射的信號，對信號進(jìn)行相關(guān)檢測，也就是對本地偽碼的相位進(jìn)行粗調(diào)。一旦捕捉到信號，便轉(zhuǎn)入對信號的跟蹤調(diào)整，偽隨機(jī)碼延時鎖定環(huán)路使用戶產(chǎn)生的本地偽隨機(jī)序列的相位始終跟蹤被接收的偽隨機(jī)序列。三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理碼偽距測量原理概述18三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理偽距測量原理示意圖

三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理偽距測量原理示意圖19三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理碼偽距測量原理偽距的測量方法 在精確鎖定的情況，本地偽隨機(jī)序列將與被接收的衛(wèi)星信號序列相位同步，而后將本地偽隨機(jī)序列變換成便于進(jìn)行時間測量的脈沖，將此脈沖在用戶本地的時間軸上讀數(shù)，同時從電文中解讀出衛(wèi)星發(fā)射該脈沖的時刻，兩者之間的時間差值就相應(yīng)于所要測量的偽距所對應(yīng)的時間。偽隨機(jī)序列測距的精度主要取決于碼跟蹤環(huán)路的跟蹤精度，而碼環(huán)路之所以有高的跟蹤精度主要是利用了偽隨機(jī)序列良好的相關(guān)特性。采用窄帶的環(huán)路濾波器也有利于壓制噪聲。

三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理碼偽距測量原理20三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理載波相位測量偽距載波相位測量偽距，原理和用偽隨機(jī)碼測量偽距相同，但它是以載波波長作為測量時延的尺度。載波相位測量的觀測量是接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星載波信號與本振參考信號的相位之差。接收機(jī)收到的信號是衛(wèi)星發(fā)播的調(diào)制信號，欲利用其載波進(jìn)行測量首先要去調(diào)制。載波相位測量示意圖三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理載波相位測量偽距載波相位測量示意圖21三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理相位測量問題多普勒效應(yīng) 接收的載波頻率與本地參考信號頻率不同鐘差和空間傳播誤差載波與參考信號產(chǎn)生相位差值

通常的相位(或相位差)測量只能給出一周以內(nèi)的相位值（0～2π），因此存在整周模糊問題。載波相位測量的精度很高，約為(1/100～1/200)的載波波長。但需要采取措施解決載波相位測量存在的載波整周多值性問題(整周模糊度)。三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理相位測量問題22三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理定位原理單星定位雙星定位三星定位四星定位單星定位 最早的子午儀(Transit)系統(tǒng)的定位原理就是單星定位，它采用序貫（連續(xù)）偽距測量的方式獲得用戶的位置

單星定位的偽距公式三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理定位原理單星定位的偽距公式23三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理單星定位如果衛(wèi)星的位置或者衛(wèi)星的鐘差未知，再多的測量方程也不能對用戶定位，每多一個方程就多一個未知量，故無確定解。因此，總是要假定衛(wèi)星在任意時刻的位置皆是準(zhǔn)確已知的（即由星歷確定），而衛(wèi)星時鐘是與地面同步的，偽距公式可簡化為：這時,導(dǎo)航位置可解算要滿足兩個條件用戶的鐘差不應(yīng)當(dāng)是時間獨(dú)立未知量用戶的位置也不應(yīng)當(dāng)是時間獨(dú)立的未知量

三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理單星定位這時,導(dǎo)航位置可解算要滿足兩個條件24地面中心地面中心用戶用戶雙收單發(fā)單收雙發(fā)視距模式地面中心用戶三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理雙星定位（一） 雙星定位采用的是有源工作模式，即用戶和地面中心之間要建立雙向通信。通常有三種定位模式，即雙發(fā)單收、單收雙發(fā)和視距模式。雙星定位模式原理圖地面中心地面中心用戶用戶雙收單發(fā)單收雙發(fā)視距模式地面中25三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理雙星定位（二）非視距模式

地面中心通過衛(wèi)星S1或S2向用戶發(fā)射詢問信號，用戶接收并轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)答信號，應(yīng)答信號再通過S1、S2兩顆衛(wèi)星返回地面中心，在地面中心測得距離,視距模式視距模式與非視距模式稍有不同，用戶的應(yīng)答信號不是按原路徑返回地面中心，而是由用戶直接返回地面中心

三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理雙星定位（二）26三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理雙星定位的特點(diǎn)在系統(tǒng)工作過程中，衛(wèi)星必須位于地面中心的視界之內(nèi)，用戶則須處于衛(wèi)星S1、S2的共同覆蓋區(qū)域之內(nèi)。（同步衛(wèi)星滿足這種要求）。給出的是二維的定位數(shù)據(jù)，第三維數(shù)據(jù)可通過特定條件（如在海平面上）得知，或采取其它手段（如氣壓測高、電子地圖等）得到。三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理雙星定位的特點(diǎn)27三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理雙星定位的特點(diǎn)地面中心集中了所有用戶的位置信息和通訊信息，便于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中所有用戶的監(jiān)視、指揮和控制。但當(dāng)用戶數(shù)目過大時，地面中心會因其處理、計(jì)算和控制容量有限而產(chǎn)生系統(tǒng)飽和問題。系統(tǒng)中用戶設(shè)備只是轉(zhuǎn)發(fā)信號和解調(diào)必要的信息，設(shè)備可做得很簡單，但因用戶要發(fā)射電波，易被偵測，尤其不利于軍事用戶對無線電隱蔽的要求。三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理雙星定位的特點(diǎn)28三.衛(wèi)星導(dǎo)航原理三星定位兩顆衛(wèi)星的無源測距定位要求衛(wèi)星和用戶都帶有精密時鐘，其使用和維護(hù)的成本太昂貴。增加一顆衛(wèi)星S3，三顆衛(wèi)星都帶有相互同步的精密時鐘，用戶同時接收三顆衛(wèi)星的電波，解調(diào)出時鐘信號，或分別測量S1與S2衛(wèi)星、S2與S3衛(wèi)星的傳播延時差，相應(yīng)得到距離差r1-r2