卫星导航技术的现状与发展(一)

1、信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座解放军信息工程大学解放军信息工程大学 翟翟 翊翊信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座国际上有一个高大上的俱乐部，它只有国际上有一个高大上的俱乐部，它只有四个会员，却吸引了各国首脑的关注和众多四个会员，却吸引了各国首脑的关注和众多顶级科学家工程师的研究，这个俱乐部就是顶级科学家工程师的研究，这个俱乐部就是GNSSGNSS（全球导航卫星系统）（全球导航卫星系统） 美国美国GPSGPS 俄罗斯格洛纳斯俄罗斯格洛纳斯GLONAS

2、SGLONASS 欧洲伽利略欧洲伽利略GALILEOGALILEO 中国北斗中国北斗COMPASSCOMPASS信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座 GNSS 能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线维坐标和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。英文全称为定工作所需的增强系统。英文全称为Global Navigation Satell

3、ite System，简称，简称GNSS。主要是四大系统：主要是四大系统：GPS、GLONASS、 GALILEO和和COMPASS信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座一、绪言一、绪言二、二、GPS三、三、GLONASS四、四、GALILEO五、五、COMPASS（北斗）（北斗）六、六、GNSS的应用的应用 信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座 GNSS “四强争霸四强争霸”的格局的格局1.1.美国的美国的GPSGPS 一花独秀一花独秀2.2.俄罗斯的俄罗

4、斯的GLONASSGLONASS 不甘落后，步履蹒跚不甘落后，步履蹒跚3.3.欧洲的欧洲的“伽利略伽利略”系统（系统（GALILEO） 历经坎坷，发展慢，但可以预言：后来居上历经坎坷，发展慢，但可以预言：后来居上 4.4.中国的中国的“北斗北斗”导航定位系统导航定位系统 头角暂露头角暂露 信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座 1.GPS起源起源1957年前苏联发射了全世界第一颗人造卫星年前苏联发射了全世界第一颗人造卫星美国名叫比尔美国名叫比尔.盖伊和数学家和一位叫乔治盖伊和数学家和一位叫乔治.威威芬巴赫的物理学家研究发现多普

5、勒频移效应！芬巴赫的物理学家研究发现多普勒频移效应！这两位科学家实验研究发现：如果在地面上架这两位科学家实验研究发现：如果在地面上架设多部接收机，就可以根据接收到的信号的不设多部接收机，就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置！同频差推算出这个卫星的具体位置！有人想：如果把问题反过来，卫星就能发现地有人想：如果把问题反过来，卫星就能发现地面目标的位置！面目标的位置！这就是最早关于定位的设想。这就是最早关于定位的设想。信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座卫星导航定位系统是以卫星为空间基准点，用户卫星导航定位系统

6、是以卫星为空间基准点，用户利用接收设备测定至卫星的利用接收设备测定至卫星的距离距离等观测量来确定等观测量来确定其其位置位置和和速度速度的系统。的系统。信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座1.GNSS卫星定位原理卫星定位原理电磁波测距交会定位原理电磁波测距交会定位原理)Tc(Tjiji i t iiTtj tjjTt)tc(tjiji )(jjiitTtTcjijitctcTTc)(信息工程大学信息工程大学S u r v

7、e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座jijijitctc 考虑电离层延迟和大气折射影响时，有考虑电离层延迟和大气折射影响时，有：ij2s2s2sjitctc)Z(Z)Y(Y)X(X +)(,tjIig+)(,tjTi t tj j 可从可从导航电文中获取导航电文中获取222)()()(sssjiZZYYXX其中其中：四个未知数，位置参数四个未知数，位置参数 （ XS YS ZS） 接收机钟差接收机钟差t ti信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座卫星定位的条件卫星定位的条件1.接收机要同时收到四颗

8、以上卫星发出的测距信号接收机要同时收到四颗以上卫星发出的测距信号2.接收机要同一时刻接收到空中卫星位置接收机要同一时刻接收到空中卫星位置(以星历文件以星历文件方式提供方式提供)3.卫星和接收机要有高精度原子钟、时间基准要统一卫星和接收机要有高精度原子钟、时间基准要统一信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座1.1.组成：组成：空间星座空间星座:21:213 3颗卫星颗卫星分布在分布在6 6个轨道面上。个轨道面上。 作用：提供卫星星历、作用：提供卫星星历、高精度原子钟、高精度原子钟、L1,L2L1,L2载载波、伪随机码波、伪随机码

9、始于始于19731973年，年，19781978年首次发射试验卫星，年首次发射试验卫星，19891989年发射第一颗年发射第一颗GPSGPS工作卫星，工作卫星，19931993年全部建成。年全部建成。耗资耗资300300亿美元。卫星高度：亿美元。卫星高度：20200km20200km。信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座 地面监控部分地面监控部分: : 地面站：包括地面站：包括: : 注入站（注入站（4 4个）、主控站（个）、主控站（2 2个）、监控站（个）、监控站（5 5个）个） 作用：测定卫星轨道、计算卫星钟改正值作用：

10、测定卫星轨道、计算卫星钟改正值信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座 用户部分用户部分 GPSGPS接收机接收机 GPSGPS卫星运行周期约卫星运行周期约1212小时（小时（11h58m11h58m） 保证：任意时刻、任意地点均可观测保证：任意时刻、任意地点均可观测4 4颗以上卫星。颗以上卫星。信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座2. 2. 美国的有关美国的有关GPSGPS的举动和政策的举动和政策 关闭选择可用性关闭选择可用性(SA)(SA)软件软件 美国早

11、期对美国早期对GPSGPS用户的限制性用户的限制性(SA)(SA)政策：政策： 不同的用户实行不同的服务不同的用户实行不同的服务 C/AC/A码精度低码精度低 公开公开 P P码精度高码精度高 保密保密 实施选择可用性实施选择可用性 (SA)(SA)政策政策 降低精度措施降低精度措施 人为干扰，降低人为干扰，降低C/AC/A码精度码精度 20002000年以后取消年以后取消(SA)(SA)政策政策信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座增加新的军用增加新的军用M码，以满足军事要求，码，以满足军事要求， M码有更好码有更好的抗破译

12、功能。并有直捕功能，可快速初始化。另的抗破译功能。并有直捕功能，可快速初始化。另外增加外增加L2上发射功率，以增强抗干扰能力。上发射功率，以增强抗干扰能力。采用稳定度更高的氢原子钟，日稳定度可达到采用稳定度更高的氢原子钟，日稳定度可达到 11015，卫星寿命，卫星寿命10年。年。太阳能帆板增大到太阳能帆板增大到13.4m2，提高供电功率，提高供电功率1136w。采用新天线提高抗核辐射和抗激光辐射能力。采用新天线提高抗核辐射和抗激光辐射能力。增加卫星间通信能力和卫星间测距能力，加强了轨增加卫星间通信能力和卫星间测距能力，加强了轨道调整和自主定轨工作能力。道调整和自主定轨工作能力。在民用方面，在在

13、民用方面，在L2上增加上增加CA码，可用于电离层改正；码，可用于电离层改正；增加增加L5（1176.45MHZ)民用频率，以提高民用导航民用频率，以提高民用导航定位精度和安全。定位精度和安全。信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座3.GPS3.GPS的现代化的现代化 发射发射6 6颗颗GPS BLOCKF 星星, ,第一颗卫星第一颗卫星20052005年发射年发射 功能是：功能是： 进一步强化进一步强化M码的功率和增加发射第三民用频率，码的功率和增加发射第三民用频率，即即L5频道。频道。 2008年空中运行的年空中运行的GPS

14、卫星至少有卫星至少有18颗颗F型卫星，型卫星，以保证以保证M码的全球覆盖。码的全球覆盖。 到到2016年年GPS卫星系统应全部以卫星系统应全部以F卫星运行，共计卫星运行，共计24+3颗。颗。信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座4.4.星座设计的目的星座设计的目的 导航卫星信号的全球连续覆盖导航卫星信号的全球连续覆盖 满足系统可用性指标要求满足系统可用性指标要求 有利于实现接收机自主完好性监测有利于实现接收机自主完好性监测 获得安全可靠的高精度导航信息获得安全可靠的高精度导航信息 5.GPS5.GPS现代化方面的研究：现代化方

15、面的研究： 1 1）保护（）保护（ProtectionProtection） 采用措施保护采用措施保护GPSGPS系统不受干扰系统不受干扰; ; 增加增加GPSGPS军用信号的抗干扰能力，包括增加军用信号的抗干扰能力，包括增加GPSGPS的军用无线电信号的强度。的军用无线电信号的强度。信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座2) 2) 阻止阻止(Prevention)(Prevention) 阻止阻止“敌方敌方”利用利用GPSGPS的军用信号。的军用信号。 设计新的设计新的GPSGPS卫星型号（卫星型号（FF） 设计新的设计新的

16、GPSGPS信号结构，增加频道，将民用频道信号结构，增加频道，将民用频道L1L1、L2L2、L5L5和军用频道和军用频道L3L3、L4L4分开。分开。3) 3) 保持保持/ /改善改善(Preservation)(Preservation) 改善改善GPSGPS定位和导航的精度，在定位和导航的精度，在GPSFGPSF卫星中增加卫星中增加两个新的民用频道，即在两个新的民用频道，即在L2L2中增加中增加C/AC/A码（码（20052005年），增加年），增加L5L5民用频道（民用频道（20072007年）年）信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技

17、术讲座新技术讲座5.GPS5.GPS的应用的应用1 1）民用民用方面方面 船舶远洋导航船舶远洋导航、进港，飞机航路引导和进场降落，进港，飞机航路引导和进场降落，汽车自主导航定位，车辆跟踪和城市智能交通管理等。汽车自主导航定位，车辆跟踪和城市智能交通管理等。2 2）军用方面）军用方面 为军舰、飞机、战车、地面作战人员等提供全天候、为军舰、飞机、战车、地面作战人员等提供全天候、连续实时、高精度的定位导航连续实时、高精度的定位导航精确制导武器复合制导精确制导武器复合制导, ,提高制导精度提高制导精度！ 未配未配GPSGPS制导前制导前，美军的美军的“战斧战斧”(BGM”(BGM109C)109C)巡

18、航导巡航导弹的弹的圆概率误差约为圆概率误差约为9 9米米，在其惯性地形匹配制导系，在其惯性地形匹配制导系统中加入统中加入GPSGPS后，圆概率误差后，圆概率误差降至降至3 3米米。信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座6.GPS6.GPS的发展趋势的发展趋势1 1）卫星导航的多系统并存，使系统可用性提高，应）卫星导航的多系统并存，使系统可用性提高，应用领域更广阔；用领域更广阔；2 2）多元组合导航技术的推广应用，主要有）多元组合导航技术的推广应用，主要有GPSGPS与移动与移动通信基站定位、陀螺、航位推算等的组合应用；通信基站

19、定位、陀螺、航位推算等的组合应用；3 3）卫星导航与无线通信等其它高技术相结合，如）卫星导航与无线通信等其它高技术相结合，如GPSGPS接收机嵌入到蜂窝电话、便携式接收机嵌入到蜂窝电话、便携式PCPC、PDAPDA和手表等和手表等通信、安全和消费类电子产品中，从根本上促进了通信、安全和消费类电子产品中，从根本上促进了ITIT技术的整体发展。技术的整体发展。未来趋势：价格便宜，软件越来越多！应有越来越广未来趋势：价格便宜，软件越来越多！应有越来越广。 信息工程大学信息工程大学S u r v e y a n d M a p p i n g新技术讲座新技术讲座7.7.未来计划：未来计划：第三代第三代GPSGPS系统系统 GPS BLOCK GPS BLOCK 原型开始测试原型开始测试研发费用达研发费用达5555亿美元亿美元预计于预计于20142014年年5 5月升空。月升空。 预计到预计到2015 201