卫星定位导航系统原理及应用串讲课件.pptx

卫星定位导航系统原理与应用,1,卫星定位导航系统（GNSS）,GNSS：Global Navigation Satellite System.以导航定位卫星发射的信号来确定载体位置而进行导航的系统。,2,GPS： 美国 GLONASS： 俄罗斯 Beidou/Compass： 中国 Galileo： 欧盟,常用GNSS,3,GPS系统的特点,第一，全球地面连续覆盖 由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上的任何地点均可同时观测到至少4颗卫星，从而能达到全球、全天候连续地三维定位。,4,GPS系统的特点,第二，功能多，精度高,5,GPS系统的特点,第三，实时定位 利用GPS导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可保障运动载体沿预定航线运行，也可实时监测和修正航行路线，选择最佳航线。,6,美国政府的GPS政策,美国政府在GPS设计中计划提供两种服务:一种为精密定位服务（PPS），利用P码进行定位，只提供给本国及其盟国的军方和得到特许的民间用户使用，估计其定位精度为10m。另一种为标准定位服务(SPS)，利用C/A码定位，提供给民间用户使用。由于C/A码作为捕获P码之前的前导码，是一种粗捕获的明码，因此估计SPS的定位精度约为400m。,7,美国政府的GPS政策,但GPS试验卫星阶段的多次试验结果表明，实际定位精度远远高于预测值。利用C/A码的定位精度可达14m，利用P码的定位精度可达3m。 因此美国1984年确立了保护国家安全的两大政策： SA(Selective Availability)政策：降低C/A码定位精度。（1989年在轨GPS卫星停止服务两周进行高频振动的SA验证，1990.3-8月间更长时间进行SA技术验证） AS (Anti-Spoofing)政策：即防止敌对势力对P码信号进行干扰。,8,GPS的发展目标 美国政府还希望在21世纪内将导航系统全面向基于空间技术的系统转变，为此，需要增强GPS的性能，如提高可靠性和精确性，扩大覆盖面积，增强信号强度等。 措施一，增加在轨卫星数目，由最初的213颗增加到30颗，保证地球上任何一点接收到的卫星数不少于5颗，覆盖面积扩大到南北极、丛林地区以及 2倍的地球同步轨道高度的空间；,9,GPS的发展目标,措施二，加载第二民用 CA码和增设第三民用频率。 措施三，加强建立民用广域差分系统WAAS和军用差分增强系统WAGE。,10,GPS全球定位系统的组成,GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分,11,GPS系统组成: GPS的空间部分,GPS的空间部分的组成GPS卫星星座,6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55 周期11h 58min（地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）,12,GPS系统组成: GPS的空间部分,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（铯钟、铷钟）信号生成与发射装置,13,GPS系统组成: 地面监控部分,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,14,GPS系统组成: 地面监控部分,地面监控部分 （Ground Segment）分布,15,GPS系统组成: 地面监控部分,监测站（5个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。,16,GPS系统组成: 地面监控部分,主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。,17,GPS系统组成: 地面监控部分,注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,18,GPS系统组成: 用户部分,组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备,19,GPS系统组成: 用户部分,GPS信号接收机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,20,地球坐标系,在卫星大地测量中经常用到的地球坐标系有两种：一种是空间直角坐标系，另一种是大地坐标系。采用空间直角坐标的优点是：它不涉及参考椭球体的概念，而且在求两点之间的距离和方向时，计算公式十分简单。但其表示点位不够直观，不容易在地图上直接标出。,21,地图投影及投影变形,将某点的纬度B和经度L换算为地图坐标X和Y，称为地图投影。 x=F1(B，L) y=F2(B，L)由于椭球面是一个曲面，我们不可能把它铺展成一个平面而不产生某种褶皱和破裂，也就是不可能把整个椭球面或其一部分曲面毫无变形地表示在一个平面上，因此无论对投影函数F1和F2选得如何妥当，总是不可避免地产生变形。,22,地图投影的分类,按其变形性质分： 等角投影：投影后，地图上任意两相交短线之间的夹角保持不变。 等面积投影：投影后，地图上面积大小保持正确的比例关系。 等距投影：投影后，地图上从某一中心点到其它点的距离保持不变。 方位投影：投影后，地图上表示的任一点到某一中心点的方位角保持不变。,23,按投影面分： 平面：平面与椭球面在某一点相切； 圆锥面：圆锥体面与椭球在某一纬圈相切，或两纬圈相割； 圆柱面：圆柱面/椭圆柱面与椭球在赤道上或某一子午圈上相切。,地图投影的分类,24,按中心轴线分： 正轴投影：轴与椭球的短轴相合； 横轴投影：赤道面上，与椭球短轴正交； 斜轴投影：轴位于上述两种位置之间。,地图投影的分类,25,高斯投影,高斯于1820-1830年提出的一种投影方法，在1912年，克吕格对其进行整理和扩充，并求出实用公式。因此又称高斯-克吕格投影。目前，中国、德国以及俄罗斯等国家均采用此投影。为横轴、椭圆柱面、等角（正形）投影。轴子午线上没有长度变形，其他都有长度变形。并且其变形大小，将与点的横坐标y的平方成比例，距离轴子午线越远，变形就越大。,26,N,S,c,中央,子,午线,赤道,想象有一椭圆柱面横套在地球椭球体外面，并与某一条子午线（称中央子午线或轴子午线）相切，椭圆柱的中心轴通过椭球体中心，然后用一定的投影方法将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面展开即成为投影面。,27,UTM投影,为通用横轴墨卡托投影(Universal Transverse Mercator Projection)，是1938年美国军事测绘局提出的，1954年开始采用。其归属于高斯投影族，其基本条件为：（1）正形（等角）投影。（2）经度的起点为零子午线，纬度的起点为赤道。,UTM投影在整个投影带内的长度变形较均匀，比高斯投影的长度变形小，其计算可通过高斯坐标获得：XU=0.9996x, YU=0.9996y 。,28,WGS-84世界大地坐标系(World Geodetic System)是由美国国防制图局(defence mapping agency，DMA)建立的一种协议地球坐标系，是GPS卫星导航定位的测量成果，于1987年1月10日开始采用。WGS84系是目前最高精度水平的全球大地测量参考系统。,大地坐标系,29,其坐标原点位于地球的质心，Z轴平行于协议地球极轴，X轴指向零子午面与赤道的交点（北向），Y轴指向东向，而垂直于X轴的方向，以构成地心地固ECEF（Earth Centered Earth Fixed)的正交坐标系。,30,31,从1993年8月起，GLONASS开始采用1990年地球参数系统PE-90（前苏联PZ-90）发送星历数据。 PE-90类似于GPS所用的WGS-84的地球模型，其短半轴为：6378136，扁率为：298.25784。 虽然PE-90在全球范围内拟合的总体效果比WGS-84略差，但是在前苏联区域地球表面的拟合效果要优于WGS-84。,PE-90系,国家2000系,根据中华人民共和国测绘法，我国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系，过渡期为8-10年。我国北斗卫星导航系统即应用此坐标系。 2000坐标系是全球地心坐标系，原点为地球质心。采用的地球椭球参数如下： 长半轴：a=6378137m 扁率： f=1/298.257222101 地心引力常数：GM=3.9860044181014m3/s2 自转角速度：=7.29211510-5rad/s,32,轴向不同,旋转参数,旋转,33,轴向不同,旋转参数,旋转,原点不同,平移参数,平移,34,轴向不同,旋转参数,旋转,原点不同,平移参数,平移,尺度不同,尺度比参数,缩放,35,轴向不同,旋转参数,旋转,原点不同,平移参数,平移,尺度不同,尺度比参数,缩放,转换参数,36,GPS卫星信号结构,GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其调制波是卫星导航电文和测距码的组合码。由卫星发射的导航信号包含：卫星星历及卫星钟校正参量；测距时间标记，大气附加延时校正参量；以及与导航有关的其他信息。,37,GPS卫星信号结构,38,GPS卫星信号结构,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）GPS卫星信号的生成关键设备 原子钟,39,GPS卫星信号结构,由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,GPS卫星的基准频率 f0,40,GPS卫星信号结构-载波,作用 搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移类型 目前L1 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cmL2 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm 现代化后增加L5 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长：25.48cm,41,GPS卫星信号结构-载波,特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟与信号的频率有关）,42,GPS卫星信号结构-测距码,作用测距:通过测时实现测距。性质伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1GPS信号中使用了伪随机码编码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。,43,伪随机噪声码测距原理,卫星发射一伪随机噪声码，而接收机内也产生一伪随机噪声码，且两个码序列是相同的m序列，时间也是精确同步的。 当卫星信号经过传播距离的时间延迟到达接收机，与本地复制码进行相关处理时，移动本地码，使相关函数达到最大值，本地码所移动的延迟值就是卫星信号的传播延迟（传播时间），它乘上光速即为所测距离。,44,GPS卫星信号结构-C/A码和P码,是两种RPN序列。其作用相当于测距中的定时信号。C/A码(Coarse/Acquisition Code，粗码/捕获码):是一种短码，码率为f0/10=1.023Mbps，周期为1ms。P码（Precise Code，精码)是一种长码，其码率为f0=10.23Mbps。,45,GPS卫星信号结构-导航电文,导航电文是卫星以二进码的形式发送给用户的导航定位数据，又称为数据码（D码）。 每帧导航电文由1500位组成，分为5个子帧。每个子帧10个字，每字30位。全部导航电文共分25帧，发送完毕需要12.5min。,主要内容：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、大气延时改正参数、卫星状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息、全部卫星的概略星历等。,46,GPS信号构成图,47,卫星信号的调制,P码调制在L1和L2载波上，而C/A码仅调制在L1载波上而且与P码相位相差90度。 GPS卫星发射的信号为：,48,GPS定位原理概述,GPS利用TOA（Time of Arrival）测距以确定用户位置。借助于对多颗卫星的TOA测量，便可得到用户位置。 GPS定位的基本几何原理为三球交会原理。,已知点的坐标信号传输的时间信号传输的速度,距离,49,50,GPS定位原理概述,GPS系统的定位过程可描述为:围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经过编码调制的连续无线电信号，信号中含有卫星信号准确的发射时间，以及不同的时间卫星在空间的准确位置(由卫星运动的星历参数和历书参数描述)；卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号，测量信号的到达时间，计算卫星和用户之间的距离；用导航算法解算得到用户的位置。,51,GPS定位的基本原理,需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置如何测量出站星间距离,52,测距方法,双程测距用于电磁波测距仪单程测距用于GPS,53,利用测距码测距,距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定,54,利用测距码进行测距,利用测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构（每颗GPS卫星都采用特定的伪噪声随机码）利用测距码进行测距的优点采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如AS）,55,伪距测量的特点,优点无模糊度缺点精度低（相比载波相位测距）,56,载波相位测距,载波相位测距原理,t时刻发送相位为(t)的载波,k时刻接收载波相位为(k),(k),(t),用户到卫星的伪距 = ( (t) - (k) ) / 2 ,57,载波相位测距,伪随机码测距与载波相位测距比较,L1载波,L2载波,C/A码,P-码, =29.3 m, L2=24 cm, L1=19c m, C/A=293 m,卫星发射的载波及伪随机码,由于信号量测精度一般优于波长的1/100，所以载波的测量精度远远高于伪随机码,58,GPS载波相位测量的基本原理,理想情况,实际情况,59,载波相位观测值,观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）,载波相位观测值,60,载波相位测量的特点,优点精度高，测距精度可达0.1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题,61,GPS解算过程,4 个观测量4 个等式4 个参数,62,几何精度衰减因子（DOP）,当伪距测距误差一定时，观测站与参与定位的卫星间几何关系的差异将直接影响定位误差。为描述卫星间的相对几何关系，引入了精度衰减因子（Dilution of Precision，DOP）的概念。 假设为伪距测量中的误差， x、y、z 、t分别为对应于x、y、z和接收机钟差的误差，则有以下几种精度衰减因子的定义： 平面位置精度因子HDOP HDOP= （2x+ 2y）1/2/ ,63,几何精度衰减因子（DOP）,高度精度因子VDOP VDOP= z/ 位置精度因子PDOP PDOP= （2x+ 2y+ 2z ）1/2/ 时间精度因子TDOP TDOP= t/ 几何精度因子GDOP GDOP= （2x+ 2y+ 2z+ 2t ）1/2/ ,64,几何精度衰减因子（DOP）,GDOP反映了由于卫星几何关系的影响造成的伪距测量误差与用户误差间的比例系数。GDOP值越小，定位效果越好。它与所选的坐标系无关，可以作为用户选星的主要依据。 一般地，用户到各观测GPS卫星联线的张角都较大时，GDOP值较小。或者说，处于测站上空的4颗卫星形成的四面体的体积最大时，GDOP最小。,65,GPS系统误差分析,66,GPS系统的主要误差源,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,67,消除或消弱各种误差影响的方法,模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式所针对的误差源相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差限制：有些误差难以模型化,68,消除或消弱各种误差影响的方法,求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响。适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。所针对的误差源电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱,69,消除或消弱各种误差影响的方法,参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计,70,消除或消弱各种误差影响的方法,回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响。适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；可选择观测地点；具有特殊的设备。所针对的误差源电磁波干扰多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性。,71,卫星星历（轨道）误差,星历误差对单点定位的影响： 星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形,广播星历（预报星历）的精度(无SA) 2040米(有SA) 100米精密星历（后处理星历）的精度可达1厘米，只提供给特许用户应对方法精密定轨(后处理)相对定位或差分定位,72,卫星时钟误差,GPS测量定位实质上是一个测时-测距定位系统，所以，GPS测量定位精度与时钟误差密切相关。GPS时间系统由GPS地面监控系统确定和保持GPS卫星的原子钟，与GPS标准时之间偏差总量在10.1ms以内由此引起的等效距离误差将达30030km。 因此，必须予以精确修正。,73,卫星时钟误差,应对方法模型改正钟差改正多项式其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。 用导航电文对卫星钟差进行改正后，各卫星钟时与GPS标准时之间的差异(同步误差)可保持在20ns以内。由此引起的等效距离误差将不超过6m。相对定位或差分定位 可有效的消除美国SA政策引起的星钟误差,74,相对论效应对卫星钟的影响,狭义相对论观点 一个频率为f0的振荡器安装飞行速度为v的载体上，由于载体的运动，对地面观测者来说将产生频率变化。广义相对论观点 处于不同等位面的振荡器，其频率将由于引力位不同而发生变化。相对论效应的影响并非常数，经改正后仍有残差，它对GPS时的影响最大可达70ns，对精密定位仍不可忽略。狭义相对论广义相对论为消除相对论效应的影响，卫星上时钟应比地面调慢约4.510-3Hz,75,电离层延迟误差,由于电离层中气体分子受到太阳等天体的射线的辐射，产生强烈的电离，形成大量的自由电子和正离子。对卫星信号产生影响，使信号路径发生弯曲，传播速度也受影响。对于同一个观测站，不同观测方向其电离层延迟误差不同：天顶方向的电离层延迟误差最小，仰角越低的方向，电离层误差越大（范围大致为2150m）。不同观测站的电离层延迟误差不同；但相距不远的两点（如3050km以内）的电离层延迟误差相关性很强，可近似认为同一卫星的电离层延迟误差基本相同。,76,消除电离层延迟误差的方法,经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差双频改正方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好实测模型改正方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好相对定位或差分定位,77,对流层延迟误差及改正,78,消除对流层延迟误差的方法,利用对流层误差修正模型加以修正 存在模型误差和气象元素误差利用同步观测值求差 相对定位或差分定位,79,多路径误差和多路径效应,多路径（Multipath）误差在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。多路径效应由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。,80,减少多路径影响的措施,观测上选择合适的测站，避开易产生多路径的环境,易发生多路径的环境,81,减少多路径影响的措施,硬件上采用抗多路径误差的仪器设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等,82,应对多路径误差的方法,数据处理上加权参数法滤波法信号分析法,83,观测误差,一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。,84,接收机的钟差,定义：GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。应对方法作为未知数处理相对定位或差分定位当定位精度要求较高时，可以采用高精度的外接频标(即时间标准),85,接收机的位置偏差,定义 接收机天线的相位中心相对测站中心位置的偏差。应对方法正确的对中整平采用强制对中装置（变形监测时）,86,接收机天线相位中心偏差,接收机天线相位中心变化的改正GPS测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。可是接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方，随着GPS信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。,87,接收机天线相位中心偏差,应对方法使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）模型改正,88,载波相位观测的整周未知数,观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）,载波相位观测值,89,载波相位观测中的整周跳变,90,GPS测量定位方法分类,定位模式绝对定位（单点定位）相对定位差分定位定位时接收机天线的运动状态静态定位天线相对于地固坐标系静止动态定位天线相对于地固坐标系运动获得定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距测量载波相位测量,91,单点定位,优点：只需一台接收机便可独立定位，观测的组织与实施简便，数据处理简单，可瞬时定位。缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低应用领域：低精度导航、资源普查、军事、.,92,相对定位,定义确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方位，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准,93,相对定位,特点优点：定位精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标应用高精度测量定位及导航,相对定位,94,GPS差分定位,GPS相对定位测量的位置是相对于某一己知点的位置，而不是在WGS84坐标系中的绝对位置。差分定位DGPS（Differential GPS)：利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。,95,DGPS,差分GPS产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，不完全满足某些特殊应用的要求美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）,SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化,96,DGPS,差分定位至少需要两台GPS接收机，分别安装在待测载体和一已知坐标点上。两接收机同时对一组在视GPS卫星进行观测，基准接收机（参考站）为载体接收机（移动站）提供差分改正数。载体接收机用自己的GPS观测值和来自主站的差分信息，精确地解算出用户的三维坐标。主站通过无线电发送机（电台）发送差分信息（RTCM SC-104格式），从站通过电台接收差分信息，从而构成了DGPS数据链。,97,DGPS信息流程图,98,影响绝对定位精度的主要误差,主要误差卫星轨道误差卫星钟差大气延迟（电离层延迟、对流层延迟）多路径效应接收机相关的误差对定位精度的影响,99,DGPS的基本原理,误差的空间相关性：以上各类误差中除多路径效应和接收机的固有误差外，均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。差分GPS的基本原理：利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果,100,各种误差对差分定位结果的影响,卫星轨道误差 削弱卫星钟差 消除大气折射误差 削弱接收机钟差 消除接收机天线相位中心偏差和变化 消弱,101,DGPS,特点优点：定位精度高、可获取绝对坐标。缺点：多台接收共同作业，作业复杂数据处理复杂应用大地测量大型建筑物变形监测高精度定位及导航,102,差分GPS的主要类型,根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为4类：位置差分伪距差分相位平滑伪距差分载波相位差分。,103,GPS干扰和抗干扰技术,GPS抗干扰技术 由于在GPS系统的设计阶段，设计者并没有把该系统在干扰环境下工作的能力放到很高的地位去考虑，仅仅把它作为战争环境下一种导航辅助手段，并没有考虑在复杂电磁环境下工作，所以GPS很容易受到干扰。,104,GPS系统易受干扰的主要原因,GPS下行链路的信号强度很弱，GPS用户的接收机灵敏度高，较低功率的射频信号就可对GPS信号产生较大的干扰。GPS卫星使用高稳定的固定频率载波传送数据，因此在其卫星信号的中心频率附近的其它射频信号对其产生干扰。GPS接收机只能识别信号的结构，较难辨别信号的真伪，只要使欺骗信号与卫星信号结构相同就可达到有效欺骗的目的。GPS接收机为了正确的导航定位需要跟踪接收多颗卫星的信号，接收机天线的方向图呈半球状，因此其天线在空域对射频干扰的抑制能力较弱。 因此，GPS 在抗电磁干扰方面的能力相当薄弱。,105,GPS抗干扰措施,针对GPS易受干扰这一弱点，已经掌握及近期有望投入使用的抗干扰技术有:(1) 直接P(Y)码捕获技术(2) 采用自适应调零天线技术(3) GPS与惯性导航系统(INS)组合技术(4) 抗干扰滤波器技术(5) 研制对GPS干扰源的探测和定位系统(6) 陆基伪卫星技术(7) 改进现役的GPS接收机,106,GPS干扰技术体制,未来美国所有军用接收机将改用直接P(Y)码捕获技术，要想取得对军用GPS接收机的有效干扰，必须直接从P(Y)码信号的干扰入手。对接收机的干扰主要有下面两类方法：,压制式干扰 C/A码的瞄准式干扰 C/A码的阻塞式干扰 相关干扰,欺骗式干扰 生成式干扰 转发式干扰,107,108,GLONASS概述,GLONASS (Global Navigation Satellite System)是前苏联研制，由俄罗斯完善的全球导航卫星系统。也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。,109,GLONASS与GPS的比较,1 时间系统的差异GPS卫星时和系统时是一个连续的时标，而GLONASS卫星时和系统时是一个不连续的时标，包括UTC时在内，都包含着跳秒。 GPS系统时是以UTC时间1980年1月6日零点为起始点，并且给出星期数和星期开始的秒数。GLONASS系统时是以上一次闰年的开始时为起始点，并给出天数和每天开始时的秒数。,110,2 坐标系的差异,GLONASS采用前苏联PE-90地心坐标系，而GPS采用WGS-84世界地心坐标系。,111,3 信号特性的差异,GPS采用CDMA方式来区别不同的卫星信号，GLONASS采用FDMA方式来区别不同的卫星信号。 因此，GLONASS接收机抗干扰能力较强，但结构复杂，成本高。,112,GALILEO概述,伽利略计划，实际上是一个欧洲的全球导航服务计划。它是世界上第一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统，与GPS的原始设计目标相比，它将更加先进、有效、可靠。其总体思路具有四大特点：自成独立体系；能与其它的 GNSS 系统兼容互动；具备先进性和竞争能力；公开进行国际合作。 这与GPS系统和GLONASS系统完全由军方控制形成了鲜明的对比，也为该系统未来广阔的应用领域提供了有利的保障。,113,GALILEO概述,这套包括30颗卫星的全球定位系统耗资36多亿欧元，计划在2014年建成，可以为用户提供误差不超过1米，甚至20厘米的精确定位服务。 “伽利略”系统实现了完全非军方控制、管理。该系统是由欧空局和欧洲联盟发起并提供主要资金支持。 “伽利略”系统能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，能够保证在许多特殊情况下提供服务。,114,系统可提供的服务,虽然提供的信息仍还是位置、速度和时间，但是伽利略提供的服务种类远比 GPS 多， GPS 仅有标准定位服务 (SPS) 和精确定位服务 (PPS) 两种，而 Galileo 则提供五种服务： 公开服务 (OS：Open Service) ，与 GPS 的 SPS 相类似，免费提供； 商业服务 (CS: Commercial )； 生命安全服务 (SoLS: Safe of Life Service) ； 公共特许服务 (PRS: Public Regular Service) ； 搜救 (SAR) 服务。,115,三种系统的比较,116,双静止卫星定位通信系统,GPS、GLONASS和GALILEO均属全球无源定位导航系统。这些系统的突出优点是:用户不发射信号、仅接收卫星发射的信号，由用户完成对信号的处理以及定位解算；用户因不发射无线电波而处于隐蔽状态，不会暴露，这对于军事用户是很重要的；从理论上讲，系统可为无穷多用户提供导航服务，用户数量不受限制。,117,双静止卫星定位通信系统,无源定位系统主要不足是: 用户与用户、用户与地面系统之间无法进行通讯，地面系统不能知道系统中任何用户的位置和情况。然而，在某些情况下，用户与用户、用户与地面系统或指挥管理中心之间的信息交换是非常重要的，在这种情况下，要求系统除了导航定位功能外，还需具有通信功能。,118,双静止卫星定位通信系统,系统的组成双静止卫星定位通信系统由空间卫星部分、地面系统部分和用户3大部分组成。,119,双静止卫星定位通信系统的功能,双静止卫星定位通信系统的主要功能有：快速定位实时导航简短通信精密授时,120,北斗定位通信系统的工作原理,北斗地面中心站,北斗用户机,121,北斗定位通信系统的工作原理,对定位申请，根据测出的两距离和量，加上从储存在计算机内的数字地图查询到的用户高程值(或由用户携带的气压测高仪提供)，计算出用户所在点的坐标位置，然后置入出站信号中发送给用户，用户收此信号后便知自己的坐标位置。 对通信申请，地面中心将通信内容置入出站信号中，按收信地址转发给收信人。 对授时申请，地面中心将计算出该用户精确的定时时延修正值，然后将此时延修正值置入出站信号中发送给用户，用户按此数据调整本地时钟，使之与地面中心时钟同步(用户在发送入站信号时要测量出发送时刻与本地时钟秒信号时刻的差值)。,122,双静止卫星定位通信系统的特点,相比传统定位手段，双静止卫星定位通信系统具有以下特点: 1) 仅用2颗卫星就可以进行定位通信，资金投入少。同其他卫星导航系统相比，双静止卫星定位通讯系统工作卫星只需2颗，连同备份星34颗已足够；另外，系统的每个用户机有专门识别码，可用计费形式控制收发机的使用。系统投资少，建设周期短，效益高。 2) 用户设备比较简单。系统的数据处理完全由地面中心完成，测站收发机仅仅是个应答器，结构简单、小型轻便、操作简单、价格低廉。 3) 具有通信功能。信息高度集中，便于集中指挥控制和管理。,123,双静止卫星定位通信系统的不足,双静止卫星定位通信系统的主要不足表现在以下几个方面： 1) 系统生存能力差，定位精度有限 2) 系统采用有源工作方式，用户数量有限且隐蔽性差 3) 不能全球覆盖 4) 卫星通信能力有限 5) 双静止卫星定位系统是二维定位系统 6) 静止卫星位于地球赤道平面内，对赤道附近的测站点定位精度很差,北斗卫星导航系统的发展路线图,124,北斗卫星导航系统建设任务,主要任务： 研制生产5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星，在西昌卫星发射中心用CZ-3A系列运载火箭发射共35颗卫星，西安卫星测控中心提供卫星发射组网与运行测控支持。 2012年形成区域无源服务能力 2020年形成全球无源服务能力,125,系统组成： 空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成,Non-GEO 卫星,GEO 卫星,星座,126,地球静止轨道卫星,中高度圆轨道卫星(MEO星) 倾斜地球同步轨道卫星( IGSO星),北斗卫星导航系统建设任务,系统组成： 地面段：由主控站、上行注入站和监测站组成,北斗系统地面段,127,北斗卫星导航系统建设任务,系统组成： 用户段：由北斗用户终端以及与其它GNSS兼容的终端组成,128,北斗卫星导航系统建设任务,时间系统：北斗时（BDT）溯源到协调世界时UTC（NTSC），与UTC的时间偏差小于100纳秒。BDT的起算历元时间是2006年1月1日零时零分零秒（UTC）。BDT与GPS时和Galileo时的互操作在北斗设计时间系统时已经考虑，BDT 与GPS时和Galileo时的时差将会被监测和发播。,129,北斗卫星导航系统建设任务,坐标系统： 北斗系统采用中国2000大地坐标系（CGS2000）。 CGS2000与国际地球参考框架ITRF的一致性约为5个厘米 。,130,北斗卫星导航系统建设任务,服务和性能：,全球服务 开放服务：定位精度: 10 m测速精度: 0.2 m/s授时精度: 20 ns 授权服务,区域服务 广域差分服务定位精度: 1 m 短报文通信服务一次120个汉字,131,北斗卫星导航系统建设任务,