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1、1,卫星应用概论,卫星导航,武汉大学 测绘学院 黄劲松,2,1.概述,3,概述,导航定义安全、高效地从一点到另一点的方法或科学。要求了解的信息起点和终点的位置由起点到终点需要经过的路径当前的位置所需工具定位的方法或工具（系统）地图,4,概述,导航简史导航的起源航海导航方法罗盘天文导航雷达导航地基无线电导航惯性导航卫星导航,5,2.地基无线电导航系统,6,地基无线电导航系统,无线电导航无线电导航利用无线电设备测定船舶、飞机及其它运动载体的地理坐标，引导它们有目的地从一地向另一地运动的一门技术。地基无线电导航无线电导航信号发射台安设在地球表面的导航系统，称为地基无线电导航系统。空基无线电导航若将无
2、线电导航信号发射台安置在人造地球卫星上，就构成导航卫星系统。,7,地基无线电导航系统,常用地基无线电导航系统无线电导航台康索尔(CONSOL)VOR(VHF Omni-Range)双曲无线电导航系统罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation)奥米伽导航系统（OMEGA Navigation System）塔康（TACAN Tactical Air Navigation，TACAN）,8,地基无线电导航系统,无线电导航台原理无线电导航台向外发射信号，用户接收该信号以确定到导航台的方向或方向及距离。特点纯定向型用户设备无线电定向仪，又被称为无线电罗盘,9,地基无线电导航系统
3、,无线电导航台实用系统康索尔（CONSOL）信号频率300 kHz/1 km3个间隔1公里排成一行的固定天线天线生成复杂的信号，可用于确定到信标方向甚高频全向(无线电)信标，伏尔，VHF Omni-Range(VOR)信号110 MHz/2.73 m2个天线，一个固定全向天线，一个旋转窄波束天线在天线北边，两个信号的相位同相，在天线南部，两个信号的相位反相，其余方向可根据两个信号的相位差得出,CONSOL,VOR,10,地基无线电导航系统,罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation)特点远程导航系统 采用脉冲相位双曲面定位原理工作频率是90KHz110KHz（该波段有地
4、波和天波两种传播方式）地波定位的作用距离为2000km左右波定位的作用距离是4000km地波定位精度为460m（2），重复测量和相对定位精度为1890 m（2）缺陷罗兰C台链覆盖地区有限（图3-2），定位精度也较低,11,地基无线电导航系统,罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation)工作原理系统构成：罗兰C台链 一个主站，若干辅站工作方式：按精确的时间间隔，循环轮流发送脉冲信号，主站每次9个脉冲，辅站每次8个脉冲，通过接收主、辅脉冲，确定到主、辅站的距离差定位方法：双曲定位,12,地基无线电导航系统,罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation)
5、工作原理系统要求：主、辅站间精确的时间同步 利用原子钟,Loran-C接收机及天线,Loran-C信号发射机（2001）,13,地基无线电导航系统,罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation)Loran-C台链的覆盖,14,地基无线电导航系统,奥米伽（OMECA）特点OMEGA Navigation System甚低频超远程导航系统采用相位双曲面定位原理其工作频率为10.2KHz13.6KHz作用距离可达15000km定位精度为3.77.4km(2)，相对定位精度约为460m(2)美国海军和海岸警卫队联合研制，而由美国海岸警卫队控制的；主要用于跨洋航行的船舶和在海岸上空
6、飞行的飞机导航。,15,地基无线电导航系统,奥米伽（OMECA）系统组成8个奥米伽地面发射台:NORWAY(A),LIBERIA(B),HAWAII(C),NORTH DAKOTA(D),LA REUNION(E)ARGENTINA(F),AUSTRALIA(G)AND JAPAN(H)1997年9月30日0300UT停止服务,16,地基无线电导航系统,塔康（TACAN）特点塔康（Tactical Air Navigation/战术航空导航，TACAN），由美国国防部（DOD）和美国联邦航空局（FAA）联合研制和管理的航空战术导航系统；它用地面应答站给出飞机的方位角和距离，其测量精度分别为l度
7、左右和185m(2)。,17,地基无线电导航系统,塔康（TACAN）工作原理地面旋转天线发送含有方位信息的信号用于定向机载设备与地面接收机进行应答通信确定距离,18,地基无线电导航系统,地基无线电导航系统的缺陷精度低系统覆盖区域受限,19,3.卫星导航系统的组成及其分类,20,卫星导航系统的组成及其分类,卫星导航系统的组成导航卫星(星座)/空间部分Space Segment空中的无线信标台地面支持网/地面部分Ground Segment卫星跟踪、控制、导航电文编算用户设备/用户部分User Segment接收导航定位信号,21,卫星导航系统的组成及其分类,卫星导航系统的作用定位测速授时,22,
8、卫星导航系统的组成及其分类,卫星导航系统的类型（按工作原理）多普勒型（距离差）工作原理：通过测定多普勒频移进行导航定位，属双曲定位特点：信号结构简单缺点：定位精度低，无法进行瞬时定位距离型工作原理：通过测定距离进行导航定位，属距离交会定位特点：定位精度高，可进行瞬时定位,多普勒型卫星导航系统的工作原理,23,卫星导航系统的组成及其分类,距离型卫星导航系统的工作原理,24,卫星导航系统的组成及其分类,卫星导航系统的类型（按测量方式）被动式/无源测量方式：用户接收设备只接收导航定位信号，不发送用于导航定位的信号特点：用户容量无限制，保密安全性好主动式/有源测量方式：用户接收设备向外发送导航定位用的
9、信号（应答卫星信号或主动发射信号）缺点：用户容量有限制，保密安全性差,一种主动式卫星导航系统,25,4.卫星导航定位的误差源,26,卫星导航定位的误差源,与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声,27,5.卫星导航系统的应用,28,卫星导航系统的应用,军事单兵作战战机、舰只、车辆导航武器制导联合制导攻击武器（JDAM-JOINT DIRECT ATTACK MUNITION）,29,卫星导航系统的应用,交通领域在民用航空方面，可用于：在航途中、导航、进场、着陆和地面
10、引导飞行的不同阶段。在水路方面，可用于：船载导航，包括海洋和沿岸导航、进港、港口调度和内陆水路导航.在陆路方面，可用于车载导航、出租车、货车、公共汽车的车队管理、以及辅助驾驶等。,30,卫星导航系统的应用,交通领域在铁路方面，可用于列车控制、列车管理、编组管理、跟踪测量和旅客信息服务等方面受益。在人员货物控制方面，可用于货物或人员的监视控。,31,卫星导航系统的应用,能源领域精密定时，用于优化电力在输电线路中的传送。对分布在电力网中的大量设备进行连续的监视，由这些设备所获取的信息在线路处线中断或网络发生问题时可被用于进行系统修复。水、陆地震勘探。精确确定井位及相关设施的位置及平台的方向。,32
11、,卫星导航系统的应用,金融、银行和保险用于在线金融交易，如时间戳记、基于时间的加密。用于保险方面，如控制和追踪贵重货物的方法。,33,卫星导航系统的应用,农业与渔业监控化肥、除草剂和杀虫剂的施放，以对低产地块进行补充并控制杂草和虫害（精细农业）。正常产量监控，用于维护农业环境。船舶导航、定位，鱼资源监视。确认渔船在指定水域作业，以防止侵入他国水域。建立或提高农业用地管理登记的方法。,34,卫星导航系统的应用,个人导航将定位和通信集成。基于位置的服务（LBS），对移动主叫者的位置了解以便提供合适的信息。可以根据诸如有关附近的旅馆、饭店和剧院信息以及天气预报等所选服务自动定制发送到用户手机上的数据
12、。判定主叫者的位置，其位置将被自动确定并被报告给最近的紧急服务单位。人员跟踪是另外一种应用，在该应用中能够更有效地对外勤人员进行协调，包括访问患者的医护人员和社会福利人员、警察、消防员、商业人员。该项服务能广泛用于控制和协调群体活动。提高上学途中学童的安全性。,35,卫星导航系统的应用,搜救及危机处理提高搜救能力。危机处理的快速反应及相应资源高效利用，例如对于森林火葬的有效反应是尽早呼救并得到火灾发生地可靠而精确的位置。治安和紧急服务需要了解力量部署可靠而准确位置，以便对他们进行有效的协调。其它危机情况，包括洪水、海难、井喷、地震和人道救援行动。,36,卫星导航系统的应用,工程应用测量定位放样
13、形变监测水道测量GIS数据采集,37,卫星导航系统的应用,环境监测、减灾防灾、科学研究污染范围确定、肇事船只追踪地壳运动监测地面沉降监测,38,卫星导航系统的应用,环境监测、减灾防灾、科学研究大气监测（电离层、水汽）地球重力场,39,6.国外卫星导航系统,40,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统系统简介全称：海军导航系统（NNSS Navy Navigation Satellite System）由于采用极轨道，故也被称为Transit（子午卫星导航系统）由约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)设计研制属多普勒型的卫星导航定位系统有时又被称为多普勒系统1964年1月建成196
14、7年7月解密供民用,41,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统空间部分卫星：OSCAR（1963）NOVA（1979）卫星星座 6颗卫星6个极轨道面轨道高度1075km信号频率14.9996MHz 30=149.988MHz频率24.9996MHz 80=399.968MHz星历（广播星历）,子午卫星系统的卫星星座,子午卫星系统的卫星,42,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统地面控制部分跟踪站计算中心注入站控制中心海军天文台用户部分多普勒接收机天线及前置放大器接收单元微机或微处理器输出设备,多普勒接收机,43,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统定位
15、方法单点定位方法：在一个站上用一台接收机对卫星进行观测，进而求得该站的地心坐标的方法。精度：广播星历100次卫星通过35m，精密星历40次卫星通过0.51m特点：方法简单，瞬时定位，定位精度低。,多普勒单点定位,44,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统定位方法联测定位方法：在两个测站上同时对卫星进行测量，进而求出这两站间的相对位置的定位方法。精度：，D为站间距，n为卫星通过次数特点：可消除公共误差或其影响，定位精度高。,多普勒联测定位,45,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统定位方法短弧法定位方法：在单点定位和联测定位中都把卫星星历视为已知值而固定下来。在短弧法
16、平差中却将其视为未知参数，通过平差计算同时求得精确的卫星轨道及测站坐标和其它参数。精度：广播星历，2001000km，达0.51m特点：算法复杂，当观测时间长，站间距离远时，定位精度高。,46,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,子午卫星导航系统系统的局限性一次定位所需时间长不是一个连续的导航定位系统所有卫星都使用相同频率的信号，未采用多址通讯技术，接收机在同一时间只能对一颗卫星进行观测导航定位精度低卫星和接收机的钟频稳定度不高卫星信号频率低，不利于消除电离层折射卫星轨道低，不利于获得高精度的轨道,47,国外卫星导航系统子午卫星导航系统,前苏联类似的系统前苏联海军于1965年开始也建立了一个卫星
17、导航系统，称之为CICADA军用系统PARUS民用系统Tsikada,TSYKLON(或TSIKLON）卫星,48,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）概况NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System NAVSTAR GPS。美国建立坐标参照系：WGS-84时间系统：GPST,49,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）发展简史史1973年12月，DoD批淮进行研制，总投资300亿美元系统研制和建立分方案论证、工程研制和生产作业等三个阶段 1978年2月22日
18、，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始，1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。1993年6月（12月8日宣布）系统达到初始运行能力（IOC-Initial Operational Capability）。1995年4月27日（7月17日宣布），系统达到全运行能力（FOC-Full Operational Capability）。1999年1月25日，美国宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。2000年5月1日，美国宣布，GPS停止实施SA 一种人为降低GPS导航定位精度
19、的措施。（实际停止实施SA是5月2日）。,50,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）GPS的系统组成,空间部分,地面监控部分,用户部分,GPS,51,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）GPS卫星星座设计星座21(工作卫星)+3(活动的备用卫星)轨道6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）特点保证在任何时刻，高度角15以上，能同时观测到4至8颗卫星当前星座29颗,52,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）GPS卫星星座,53,
20、国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置,54,全球定位系统（GPS）GPS卫星的类型试验卫星：Block 工作卫星：Block Block：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力Block A（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜Block R
21、（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,55,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）GPS卫星,56,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）当前的GPS卫星状态,GPS OPERATIONAL ADVISORY 269SUBJ:GPS STATUS 26 SEP 20051.SATELLITES,PLANES,AND CLOCKS(CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A.BLOCK
22、I:NONE B.BLOCK II:PRNS 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15 PLANE:SLOT F6,D7,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5 CLOCK:CS,RB,CS,RB,RB,RB,RB,CS,CS,CS,RB,RB,RB,CS BLOCK II:PRNS 16,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 PLANE:SLOT B1,E4,C3,E1,D3,E2,F4,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2 CLOCK:RB,RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,R
23、B,CS,RB,RB,RB BLOCK II:PRNS 31 PLANE:SLOT C5 CLOCK:CS,57,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）地面监控部分（Ground Segment）组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统,58,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）地面监控部分（Ground Segment）分布,59,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）地面监控部分（Ground Segment）作用主控站管理、协调地面监控系统各部分的工作编算广播星历 轨道参数、卫星钟改正数等调整卫星状态
24、调度卫星监测站对卫星进行跟踪观测记录气象数据将数据传送到主控站注入站向卫星注入导航电文和指令等通讯与辅助系统负责各部分间的通讯及数据传送,60,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）用户部分（User Segment）组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备,61,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,全球定位系统（GPS）用户部分（User Segment）GPS信号接收机的组成天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源,天线单元,接收单元,62,国外卫星导航系统全球定位系统（GPS）,63,国外卫星导航系统全球定位系统（
25、GPS）,全球定位系统（GPS）GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（Ranging Code）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）,64,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS简介GLONASS GLObal NAvigation Satellite System俄罗斯的全球卫星导航系统1976年苏联决定建立GLONASS系统坐标参照系：PZ-90时间系统：UTC（SU）,65,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASS系统组成卫星星座（空间段）地基控制设施（控制段）用户设备（用户段）,6
26、6,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASSGLONASS的卫星星座,67,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASSGLONASS的卫星星座第一颗卫星于1982年发射升空。原计划1991年成为一个完全运行系统，但直到1995/1996年星座才部署完成。卫星GLONASS：寿命3年（过去）GLONASS-M：寿命7年（当前）GLONASS-K：寿命10年（将来）,68,国外卫星导航系统GLONASS,1.STATUS Information Group GLONASS Constellation Status(September 26,2005)GLONASS Cosmos Plan
27、e/Frequ.Launch Intro Status Outagenumber number slot chann.date date date796 2413 1/01 02 26.12.2004 06.02.2005 operating 794 2402 1/02 01 10.12.2003 02.02.2004 operating 789 2381 1/03 12 01.12.2001 04.01.2002 operating 795 2403 1/04 06 10.12.2003 30.01.2004 operating 711 2382 1/05 02 01.12.2001 15.
28、04.2003 operating 701 2404 1/06 01 10.12.2003 09.12.2004 operating 712 2411 1/07 26.12.2004.797 2412 1/08 06 26.12.2004 06.02.2005 operating 787 2375 3/17 05 13.10.2000 04.11.2000 operating 783 2374 3/18 10 13.10.2000 05.01.2001 operating 792 2395 3/21 05 25.12.2002 31.01.2003 operating 791 2394 3/2
29、2 10 25.12.2002 10.02.2003 operating 793 2396 3/23 11 25.12.2002 31.01.2003 operating 788 2376 3/24 03 13.10.2000 21.11.2000 operating Note:All the dates(DD.MM.YY)are given at Moscow Time(UTC+0300),当前GLONASS卫星星座的状态,69,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASSGLONASS的导航定位信号结构载波测距码导航电文辅助码,70,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASSGLON
30、ASS的导航定位信号载波两个频率：L1，L2频分多址右旋极化,71,国外卫星导航系统GLONASS,GLONASSGLONASS的导航定位信号信号的调制L1：511 kbps的伪随机测距信号50 bps的导航电文信号100 Hz的辅助信号L2：511 kbps的伪随机测距信号100 Hz的辅助信号,72,国外卫星导航系统Galileo,Galileo简介Galileo 欧洲的民用全球卫星导航系统计划2008年建成总投资约3234亿欧元目前处于系统试验阶段，计划2005年发射12颗试验卫星坐标参照系：GTRF时间系统：GST,73,国外卫星导航系统Galileo,Galileo系统组成空间段三个
31、轨道面，30颗MEO（27+3），每轨道面10颗卫星，9颗正式工作卫星，1颗活动备用卫星，轨道倾角56。地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。用户段 用户接收机。多用途、兼容型（Galileo+GPS+Glonass）接收机。环境段 包括电离层、对流层、多径效应和无线电干扰等。,74,国外卫星导航系统Galileo,Galileo信号组成载波4个频率E5a和E5b：11641215 MHzE6：12601300 MHzE2-L1-E1：15591592 MHz右旋极化导航信号测距码导航电文完备性信息,75,国外卫星导航系统Galileo,
32、Galileo导航信号的类型OS Data Open Service（开放服务）：调制在E5a,E5b 和 E2-L1-E1，未加密。CS Data Commercial Service（商业服务）：调制在E5b,E6和E2-L1-E1上，加密。SOL Data Safety-of-life Services（生命安全服务）：调制在E5a,E5b 和 E2-L1-E1，受控。PRS Data Public Regulated Service（公共管制服务）：调制在E6和E2-L1-E1上，加密。,76,7.中国北斗导航卫星系统,77,中国北斗导航卫星系统,简介我国独立自主建立的导航卫星系统。由
33、于系统由两颗地球静止卫星构成，又被称为双星系统。2000年10月31日发射了第一颗试验卫星。2000年12月21日发射了第二颗试验卫星。,78,中国北斗导航卫星系统,系统组成空间卫星部分23颗地球静止卫星（GEO）地面部分（以地面控制中心站为主）北斗用户终端,79,中国北斗导航卫星系统,北斗用户机,手持型,车载/船载型,车载型,通讯型,授时型,80,中国北斗导航卫星系统,系统功能快速定位北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度与GPS相当。1秒内完成定位。实时导航简单通信/短报文通信北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，用户可以一次传送多达120个汉字的短报
34、文信息。精密授时北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns时间同步精度。,81,中国北斗导航卫星系统,定位的基本思想由2颗地球静止卫星（GEO）对用户双向测距由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。,82,中国北斗导航卫星系统,定位原理三球交会。以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置,83,中国北斗导航卫星系统,定
35、位原理具体过程地面中心站对其中一颗导航卫星连续发送C波段的载波，载波上的数据流含有测距信号，地址电文和时间等，它们被称为询问脉冲和询问信号。询问信号经导航卫星转发给用户设备。用户设备接收询问信号，并注入必要信息，向两颗导航卫星发射作为应答。两颗卫星收到应答信号，再将它们转发到地面中心站。地面中心站利用所接收到的应答信号，计算用户设备的坐标和交换电报信息。中心站再经卫星把处理后的信息发送给用户设备。,84,中国北斗导航卫星系统,优势同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系统支持。覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通讯盲区。特别适合集团用户大范围监控与管理和数据采集用户数据传输应用。融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，提供更丰富的增值服务。自主系统、高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。,85,中国北斗导航卫星系统,测距方法的类型测距码测距载波测距脉冲测距,86,导航卫星系统的测距方法,测距码测距伪随机噪声码（PRN码）测距码测距特点能瞬时完成无模糊度的测距精密度低，分米级厘米级,87,导航卫星系统的测距方法,载波码测距测距原理特点精密度高，毫米级亚毫米级所测距离含有模糊度,
