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1、全球卫星导航系统,卫星导航发展历史与应用魏苗苗 电子信息学院,什么是导航？,导航的历史,早在公元前3500年前历史记载用大船装载货物进行商业贸易，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和位置的。他们通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。,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。,四分仪（Quadrant）,航海员星盘（Mariners Astrolabe）,星盘（Astrolabe）,航海钟（Navigation clock）,古代导航工具,指南针-中国古代导航工具,汉朝（BC.206AD.220）,南宋（AD.112
2、7-1279）,北宋（AD.960-1127）,北宋（AD.960-1127）,你知道哪些导航系统？,Commonly recognized types of navigations are listed below.1.推算船位（推算舰位、推算航法）Dead Reckoning（DR）2.天文导航 Celestial navigation3.地文导航（陆标定位）Terrestrial navigation4.无线电导航 Radio navigation5.雷达导航 Radar navigation6.卫星导航 Satellite navigation7.惯性导航 Inertial navig
3、ation8.组合导航（综合导航）Integrated Navigation9.气象导航 Meteorological navigation,课程主要内容、目的和任务,了解卫星导航系统的发展历史、现状及现代化历程；阐述卫星导航、定位、授时的基本原理及其相关基础知识；介绍GPS、GLONASS、GALILEO以及我国的“北斗”卫星导航系统的基本原理、系统组成和信号体制；阐述卫星定位的各种导航算法、误差分析及差分增强技术；全面介绍卫星导航在导航领域的作用,几个重要的概念,什么是RDSS,RNSS,GNSS?RDSS：Radio Determination Satellite Service卫星无线
4、电测定服务：用户至卫星的距离测量和位置计算由外部系统通过用户的应答来完成。特点是定位与通信相结合，有源定位系统。代表性系统：美国Geostar，欧洲LocstarRNSS：Radio Navigation Satellite System卫星无线电导航服务：由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至少到4颗卫星的距离测量，进行用户位置、速度等参数计算，无源定位系统代表性系统：Transit，Tsikada，GPS，GLONASS,几个重要的概念,GNSS：Global Navigation Satellite System“全球导航卫星系统（GNSS）是一个能在地球表面或近地空间的任何地点为特定
5、装备的用户提供24小时、三维位置坐标、速度以及时间信息的空基无线电定位系统，包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统”1998年联合国第三届太空探索与和平使用大会框架文件“Global Navigation Satellite System-GPS,GLONASS,Galileo&more”B.Hoffmann-Wellenhof，奥地利国家导航研究所创始人，格拉次技术大学卫星大地测量与导航研究所所长“A worldwide position and time determination system that includes one or more satellite cons
6、tellations,aircraft recerivers and system integrity monitoring,augmented as necessary to support the required navigation performance for the intended operation.”国际民航组织公约附件10卷标准与建议措施“GNSS:全球系统+区域卫星导航系统+星基增强系统”曹冲，中国全球定位系统技术应用协会咨询中心主任，中国点播传播研究所研究员,几个重要的概念,主要参考教材,1.曹冲北斗与GNSS系统概论，电子工业出版社，20162.赵琳等卫星导航原理及
7、应用，西北工业大学出版社，20113.刘基余GPS卫星导航定位原理与方法，科学出版社，2008，R.Weill，GPS，Inetial Navigation，and Integration A John Wiley&Sons，Inc，2007,部分网络资源,北斗网美国导航学会GPS测量原理与实践（澳大利亚新南威尔士大学）欧洲空间局伽利略系统俄空间局信息分析中心国际GNSS服务网,主要内容,1.卫星导航系统的发展历史和现状2.其他卫星导航系统3.卫星导航系统的作用、特点4.卫星导航系统的应用,卫星导航系统的发展历史和现状,第一颗人造卫星1957年10月4日前苏联将第一颗人造地球卫星Sputnik
8、送入了轨道,卫星导航系统的发展历史和现状,多普勒频移50年代末美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室的Guier W.H博士和Weiffenback G.C博士在观测卫星发射的无线电信号时提出可以利用多普勒频移现象对卫星进行定轨。,DopplerJohan Christian Doppler，an Austria physician，found Doppler Effect in 1842.,卫星导航系统的发展历史和现状,多普勒频移同在应用物理实验室的另外两位科学家，Frank McClure和Richard Kershner博士提出可以利用卫星的多普勒频移现象对用户进行定位。,卫星导航系统的发展
9、历史和现状,第一代卫星导航系统,NNSS-美国美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System，NNSS）。又称子午仪系统，于1964年1月建成，1967年7月29日美国政府批准将该系统解密，并提供民用。系统构成卫星、跟踪站、注入站、海军气象台、计算中心、船载设备特点高精度、全球、全天候,NNSS-美国7颗实验卫星发射（）,第一代卫星导航系统,NNSS-美国7颗原型卫星发射（）,第一代卫星导航系统,NNSS-美国卫星数量：正式导航卫星7颗，其中一颗于1976年停止使用运行轨道：圆形极轨道，平均高度1071km，轨道倾角约90，各导航卫星的轨道相交于地球的两
10、极运行周期：107min发射信号：连续发射无线电信号，传递三种导航信息（卫星星历表、偶数分钟的时间信号和供多普勒频移测量用的399.968MHz和149.988MHz的载波频率）定位精度：1968年测定的精度为70m，1976年提高到30m,第一代卫星导航系统,NNSS-美国测量了地球形状、重力场分布；探测了电离层对无线电信号传播的影响；高层大气阻力对卫星运动的影响；试验了卫星星体设备和地面站接收设备；研究了跟踪与预报卫星的方法；,第一代卫星导航系统,NNSS的应用与现状在全球范围内核潜艇、远航测量船、远洋渔船、海上石油开发钻井定位、大型游艇等方面得到广泛应用。1988年发射最后一颗卫星，19
11、96年底结束使命。,第一代卫星导航系统,CICADA-前苏联在子午仪卫星导航系统的启发下，前苏联海军于1965年开始建立了与NNSS系统相似的CICADA卫星导航系统。,第一代卫星导航系统,基本参数：卫星数量：12颗运行高度：1000公里运行周期：105min信号频率：150MHz和400MHz,NNSS的历史意义 子午仪卫星导航系统的诞生预示着经典的导航定位技术面临着一场重大变革，在导航技术发展中具有划时代的历史意义。,第一代卫星导航系统,第一代卫星导航系统缺点卫星数量少，可见时间少（平均1.5h），无连续实时定位（导航）能力，获得一次导航解所需时间较长，不适合高动态目标的使用；卫星轨道高度
12、低，难以实现精确定轨；大地测量应用连续观测3-7天；无三维定位能力；信号频率低，难以有效补偿电离层折射影响。,第一代卫星导航系统,第二代卫星导航系统,GPS六十年代末：“Timation”计划（美国海军）“621B”计划（美国空军）1973年美国国防部（DOD）批准由十个单位组成联合计划局，充分吸收两个计划的优点提出全球定位系统GPS（全称为Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR GPS）,第二代卫星导航系统,最初设计：24颗卫星，3个轨道面，每个轨道面8颗卫星，轨道倾角63地球上任何一
13、点都能同时可见6-9颗卫星1978年压缩国防预算：24颗卫星缩减为18颗卫星，6个轨道面，轨道倾角551986年更改为21+3颗卫星优化星座组合6个轨道面，任何一点可见4-11颗卫星1993年考虑到GPS的光明前景和巨大利益，最终为24+3颗卫星。,第二代卫星导航系统,GPS系统的发展第一阶段（1973-1979）方案论证和初步设计阶段，发射4颗实验卫星，研制部分地面接收设备。1973年 国防部批准GPS系统的Navstar卫星制造计划；1974年 为检验铷钟和时间传播技术，Timation项目的第一颗GPS实验卫星发射升空；1977年 第一批携带铯钟的实验卫星发射升空，具有后来GPS卫星的基
14、本特征；1978年2月22日 第一颗GPS原型导航卫星BLOCK卫星发射升空。,第二代卫星导航系统,GPS系统的发展第二阶段（1979-1985）全面研制和试验阶段。这一时期共发射七颗试验卫星，到1985年10月9日GPS试验卫星BLOCK卫星达到11颗，其他辅助系统建立。（所有试验卫星到1993年12月31日全部停止工作）研制了地学研究和精密测地系统，证实了GPS系统卓越的导航定位能力（实际伪距点定位精度：20米，设计标准：100米）,第二代卫星导航系统,第三阶段（1986-1996）实际组网阶段，24颗工作卫星，1995年达预定工作能力。从1989年2月14日第一颗工作卫星BLOCK 发射成功至1994年3月10日第24颗GPS工作卫星BLOCK A升空，实现98%覆盖，1996年9月12日第27颗工作卫星升空后，标志着GPS达到100%覆盖能力。,GPS BLOCK,GPS BLOCK A,第二代卫星导航系统,GPS具备完全运行能力 1995年4月27日，美国防部宣布：GPS系统已具备完全运行能力（FULL Operational Capability，FOC）投资：300亿美元卫星：9颗BLOCK 15颗BLOCK A特点：全球、全天候、连续实时高精度的授时、导航和定位,第二代卫星导航系统,
