GPS发展简史与服务概述.ppt

GPS导航原理,控制理论与制导技术研究中心 卢鸿谦,19 GPS发展简史与服务概述,控制理论与制导技术研究中心,本次课的主要内容,1. GPS简介 2. GPS发展历史 3. GPS应用概述 4. 参考书目,什么是导航,导航：指引某运动体，由某位置出发，达到某目标点。 导航的基本功能是回答“我在哪里”。 常用导航系统：惯性导航、无线电导航、天文导航、卫星导航等 。 不同导航设备给出的导航信息种类是不同的：位置、姿态、速度、角速度,GPS简介,GPS中文名称： (导航星)全球定位系统 GPS英文名称： (NAVSTAR )Global Positioning System 基本用途：定位 技术途径：利用卫星 使用范围：全球 用户范围：全球用户 由美国国防部控制 类别从属卫星导航系统,几个相似的缩写代表完全不同的概念,GPS GIS: Geographic Information System,地理信息系统(本质是一个数据库管理系统) GPRS: General Packet Radio Service通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。 GPS ONE(A-GPS): 需要手机运营商提供支持，将GPS技术与手机无线信号定位技术结合，实现户外、室内定位。 I-GPS:室内GPS,GPS技术的影响,应用 二次开发，应用广泛 技术扩展 室内GPS 火星车的导航,各类导航系统的优缺点,惯性导航优点： 自主、区域极广、实时,惯性导航缺点： 误差随时间积累,各类导航系统的优缺点,天文导航优点： 误差不积累、区域极广,天文导航缺点： 定位间隔时间长、动态低、需要星图受天气影响,各类导航系统的优缺点,无线电导航：区域受限,卫星导航： 与无线电导航系统比，有效区域广，具有全球定位能力； 与惯导比：误差不随时间积累； 与天文导航比：全天候。 缺点：实时性、动态较差， 信号易受干扰遮蔽，受政治 因素影响。,现有卫星导航系统简介,美国-GPS：若干地面支持设施，24颗卫星，分6个轨道面，由美国国防部操作，军民两用，通讯使用L1,L2两个载波频率，码分多址(CDMA)技术。实际在轨卫星数目多于24颗。 俄罗斯-GLONASS: 若干地面支持设施，24颗卫星，分3个轨道面，由俄罗斯国防部操作，军民两用，通讯使用频分多址技术。轨道低，卫星寿命短，需经常补网。由于受俄经济状况影响，导航星座不全。2011年已经重新恢复全工作能力。,现有卫星导航系统简介,欧洲-GNSS: 建设中，第二阶段Galileo计划，2002年3月26日正式批准启动。 2005年12月发射第一颗试验卫星。,GNSS组成示意图,现有卫星导航系统简介,中国-北斗系统： 一代2颗卫星，亚太地区定位。 二代与GPS相似。 发射一代第一颗星：2000年10月31日； 2007年4月14日零时28分，发射第四颗北斗导航试验卫星（二代第1颗）。 2012年达到正式区域服务水平。 2013年12月27日，正式发布了北斗系统公开服务性能规范（1.0版）和北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）两个系统文件。 （定位误差10m置信度95%）,中国北斗I系统定位示意图,中国北斗II系统定位示意图,北斗II,类似GPS：定位精度优于10m，授时精度优于50ns，测速误差优于0.2m/s。 北斗系统公开服务性能规范（1.0版） 2011年12月（10颗星左右）的误差水平：平面10m,高程15m,测速0.2m/s,授时50ns. 建设原则 开放性 独立性 兼容性 渐进性 计划 2012年覆盖亚太地区 2020年覆盖全球,GPS提供的服务,GPS的基本功能 输出PVT,提供的基本服务（美国国防部与交通部规定） PPS（精密定位服务/Precise Positioning Service） 服务对象：美国军方，政府特别批准的民用用户 1995年春达到全工作能力 定位精度：水平22m，垂直27.7m，授时精度200ns（2drms,95%） SPS（标准定位服务/Standard Positioning Service） 服务对象：全球民用用户 1993年12月达到全工作能力 定位精度：水平100m，垂直156m，授时精度340ns （2drms,95%）（最初的规定）,定位,测速,授时,&,&,定位基本原理,平面2点定位,定位基本原理,空间3点定位 已知空间某固定点(卫星)坐标 已知用户与该点距离R 用户必然在以卫星为球心，半径为R的球面上。,定位基本原理,空间3点定位,分别已知空间某2个固定点(卫星)坐标 分别已知用户与2颗卫星距离 用户必然在左图2个球面的交线上,定位基本原理,空间3点定位,分别已知空间某3个固定点(卫星)坐标 分别已知用户与3颗卫星距离 用户必然在左图3个球面的交点上 实际使用4颗卫星定位,Why？,请听后文分解,GPS服务的特点,定位高精度：mm30m 一般手持机能够达到12m误差左右； 根据FAA（Federal Aviation Administration）的数据，某些高品质接收机SPS定位精度可优于3m。 无源：接收机本身不发射信号，保密性好 免费：用户只需购买接收机，即可享受免费定位服务 全天候、全球,GPS发展历史（1）,前期： 1957年10月，苏联发射世界上第一颗人造卫星。 美国霍普金斯大学应用物理实验室苇芬巴赫（G.C.Weiffenbach） 利用多普勒频移定轨。 同实验室的麦克雷(F.T.Meclure)提出了反问题，成为最早的利用人造卫星进行定位的设想。,1958年底，美国海军武器实验室对该实验室的研究进行了资助海军导航卫星系统(NNSSNavy Navigation Satellite System)的诞生。 1959年九月发射第一颗卫星。 1964年交付美国海军使用。 1967年7月，正式组网允许民用。 由于轨道通过地极，因此又称子午仪系统（Transit） 。,GPS发展历史（2）,子午仪系统的特点： 组成：6颗卫星，近圆形轨道，轨道倾角90deg左右，周期107min，轨道高度1000km。 定位精度对运动舰船为200m至80m；而对固定点可达100m至0.1m。 全球、全天候二维定位。 为北极星核潜艇提供定位服务。 我国在上世纪70年代引入使用。 南极长城站的定位就使用了子午仪系统。,中国长城站 S621259.811 0.015 W58 5752.665 0.019 ,误差还不到1米！,缺点： 定位时间长、动态低 两次定位间隔时间1.54小时。 定位一次需要的测量为2分钟以上。 一台接收机需要15次合格观测才能达到10m精度。,GPS发展历史（3）,看到了卫星导航的巨大潜力：上世纪60年代，美国海、空军开始独立发展自己的卫星导航系统。,海军TIMATION计划,TIMATION：1218颗卫星，卫星高度约10000km，近圆形。周期8小时，1967年和1969年先后发射两颗试验卫星。（不能满足空军的高动态应用要求）,空军621B计划,621B计划:34个星群，每个星群45颗卫星。同步轨道。每个星群需要一个地面控制站为它服务。 (通过伪卫星技术进行了验证),1973年12月合并，成立联合计划局，在洛杉矶空军航天处内设立办事机构，组成人员包括美国陆、海军、海军陆战队、国防制图局、交通部、北大西洋公约组织和澳大利亚代表。,GPS,GPS发展历史（4）,GPS实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段（1978年1979年）。 发射4颗试验卫星（BLOCK I）。 建立地面跟踪网。 研制地面GPS接收机。 对系统软、硬件进行试验。 第二阶段为全面研制和试验阶段(1979年1984年)。 陆续发射7颗试验卫星(BLOCK I)。 研制各种类型接收机。 第三阶段为实用组网阶段。,1999年提出GPS卫星现代化。,实施SA（选择可用性/Selective Availability）与AS（反电子欺骗/Anti-Spoofing）政策，SA政策在C/A码中人为引入了误差，使水平定位精度下降到100米，垂直定位精度下降到157米；AS政策则对P码实行加密。,GPS发展历史（5）,后果：远远不能满足民用需要。自动车辆驾驶，船舶停靠，飞机进场，精细农业等即使无SA，也不能得到满足。,第2阶段实验表明，GPS粗码定位精度可达14m，P码可达3m，远远超过设计标准（粗码100m）。 目前的精度：粗码定位误差12m，授时误差20ns。,GPS发展历史（6）,应对SA的对策： 各家公司和研究单位纷纷研制在实施SA政策下提高实时定位精度的技术。代表差分技术。 建设国际化导航卫星星座：GNSS,GPS发展历史（7）,差分技术 坐标差分 伪距差分 广域差分 载波相位差分 差分技术的影响： 几乎去除SA政策的影响 大幅减小电离层、对流层影响,GPS发展历史（8）,建设国际化导航卫星星座：GNSS 在承认GPS和GLONASS已经存在的前提下，首先把GPS和GLONASS作为主体使用，然后逐步增加民间成分，在增发民间卫星的基础上逐渐减少对某一国军方控制系统的依赖，最终试图实现一个民间化，国际化的GNSS星座。,GPS发展历史（9）,美国对策： GNSS方案遭到美国国防部的指责。 美联邦航空局（FAA）提出WAAS（广域增强系统），但WAAS给美国和国际安全带来威胁。 美国国防部表示“暂时同意按计划实施WAAS，但WAAS能否投入使用取决于该系统的试验结果和政府、军队高层部门和评估意见”。 国防部还保留根据试验结果在战时或在特定地域对WAAS信号进行干扰的权利。同时要求GNSS保留SA与AS能力。 1999年提出GPS现代化。,GPS发展历史（10）,GPS现代化 1999年1月25日美国副总统以文告的形式发表 。 内涵 ： 一是保护，即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力； 二是阻止：即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等； 三是保持，即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。,GPS发展历史（11）,措施（军用）： 1. 增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。 2. 在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），要与民用码分开。M码要有更好的抗破译的保密和安全性能。 3. 军事用户的接受设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能 4. 创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。,GPS发展历史（12）,措施（民用）： 1. 2000年5月1日零点开始取消SA。美国不打算重新启用全球性的SA政策，在BLOCK III中去除了相关特性；但美军方已经掌握了对局部区域GPS施加干扰的技术(localized denial)，即GPS可以在局部区域内使敌对方利用GPS时严重降低定位精度，无法用于军事行动，却不影响其它区域的用户正常使用。 2. 在L2频道上增加第二民用码，即L2C(C/A at L2)码。这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正。 (2005，BLOCK IIR(M)开始有，但目前未调制有用导航数据) 3. 增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。 目的：改善民用导航和定位的精度； 扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性； 提高导航的完好性（integrity）； 保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；,2009年3月24日，GPS IIR-20(M)发射升空。 带有L5演示试验载荷，1176.45MHz。 星历不完整，为未来的GPS IIF 和GPS III做准备。 2014年2月20日，GPS IIF成功发射。,SA取消的影响,民用定位精度提高。 无需差分的条件下精度也可满足许多民用需要。,GPS的应用概述（1）,3S的支柱技术之一 3SGPS,GIS(地理信息系统/Geography Information System) ,RS(遥感/Remote Sensing) 民用：为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航 。如： 1.船舶远洋导航和进港引导 2.飞机航路引导和进场降落 3.汽车自主导航 4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理：出租、警用车辆、运钞车、私家车辆、公共汽车、消防、救护 5.紧急救生 6.环保与生物保护 7.个人旅游及野外探险 8.个人通讯终端（与手机，电子地图等集成一体）,GPS的应用概述（2）,测地应用,机载应用,车载应用,手持应用,GPS的应用概述（3）,航天 国际空间站 科学卫星 航天飞机在轨、再入、着陆 军用 精密制导武器：灵巧炸弹等 飞机、战车 单兵装备,GPS的应用概述（4）,其它 1. 电力，邮电，通讯等网络的时间同步 2.准确时间的授入 3.准确频率的授入 4.各种等级的大地测量，控制测量 5.道路和各种线路放样 6.水下地形测量 7.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测 9.工程机械控制 10.精细农业,本章小结,涉及到的基本概念： 目前世界上建成和正在建设中的几个卫星导航系统：GPS、GLONASS、GNSS、北斗系统 GPS可提供的服务PPS、SPS 区别：pps (pulse per second) GPS的基本功能：PVT测量,课程的特点,GPS技术受政治因素影响大。其技术的发展、取舍与国家间的安全、利益矛盾转化发展息息相关。 技术发展灵活多变，涉及的应用领域众多，与其它专业的结合点众多。 卫星导航技术前景广阔。 仍在发展的热门技术，以社会需求为导向。 学习建议 1）听课 2）主要是概念的理解，术语、缩写的积累与记忆 3）平时