北斗卫星导航系统基础知识第四次课

1、北斗卫星导航系统基础知识北斗卫星导航系统基础知识内容概要内容概要卫星导航定位需卫星导航定位需求求北斗系统的发展北斗系统的发展卫星定位基本原卫星定位基本原理理卫星导航定位需求卫星导航定位需求What ？什么是导航定位？how ？卫星导航定位怎么实现的？why ？为什么需要卫星导航定位？how ？怎样更好利用导航定位服务生产生活？卫星导航定位需求卫星导航定位需求定位定位迷路是不知道自己在哪里，不能和已知的位置建立起方位和距离的联系。定位，解决我在哪儿的问题。怎么定位？指南针地图灯塔定位是确定在哪儿定位是确定在哪儿卫星导航定位需求卫星导航定位需求定位定位定位是确定在哪儿定位是确定在哪儿手机信号定位卫

2、星定位无线电定位卫星导航定位需求卫星导航定位需求导航导航导航是确定怎么去导航是确定怎么去 导航解决怎么走的问题。规划路径，安排时间，力求省时省力。 例如从上海瀚文小学到北京天安门，利用卫星导航可以准确规划出最优路径，全程约1216公里，开车前往大概需要13小时24分。卫星导航定位需求卫星导航定位需求日常生活日常生活车载导航网购物流查询公交系统公安执勤移动商店无处不在的卫无处不在的卫星导航定位星导航定位运动记录卫星导航定位需求卫星导航定位需求载体导航载体导航卫星导航定位需求卫星导航定位需求工程应用工程应用工程测量桥梁监测地球形变测量内容概要内容概要卫星导航定位需卫星导航定位需求求北斗系统的发展北

3、斗系统的发展卫星定位基本原卫星定位基本原理理四大导航系统四大导航系统北斗系统的发展北斗系统的发展四大系统四大系统 GPS 全球定位系统 24颗卫星 GLONASS格洛纳斯 24颗卫星 GALILEO伽利略 4颗卫星 北斗BDS 14颗卫星美国俄罗斯欧盟中国北斗系统的发展北斗系统的发展四大系统四大系统北斗系统建设原则北斗系统建设原则开放性免费提供高质量的开放服务自主性中国将独立自主地发展和运行北斗系统兼容性实现与其他卫星导航系统的兼容和互操作渐进性根据中国的技术和经济实际发展，逐步改进系统北斗系统的发展北斗系统的发展北斗三步走北斗三步走第一步第一步试验系统，实现从无到有试验系统，实现从无到有19

4、83年提出发展建设概念。1994年北斗卫星导航系统工程启动，之前历经8年理论论证。2000年发射第一颗卫星。2003年完成试验系统。最终成果：最终成果： 成功发射3颗GEO卫星，建成北斗卫星导航试验系统。系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务。2000年10月31日140E2000年12月21日80E2003年5月25日110.5E北斗系统的发展北斗系统的发展北斗三步走北斗三步走第二步第二步亚太组网，实现亚太区域服务亚太组网，实现亚太区域服务 2012年建成由14颗卫星组成的区域星座，区域服务覆盖亚太地区，并正式提供服务。2007年年4月月14日日MEO卫星卫星2009年年4月月15日日

5、GEO卫星卫星2010年年1月月17日日GEO卫星卫星卫星卫星运载火箭运载火箭北斗系统的发展北斗系统的发展北斗三步走北斗三步走第三步第三步全球组网，实现全球服务全球组网，实现全球服务 2020年建成由35颗卫星（5颗GEO，30颗non-GEO）组成的全球导航系统。第二步2012年第三步2020年北斗卫星导航系统的发展流程 上世纪60年代末20世纪70年代后20世纪80年代到90年代试验阶段（北斗一号）“北斗二号”区域系统全球卫星导航系统9颗“北斗导航试验卫星”共35颗“北斗卫星导航系统”北斗系统的发展北斗系统的发展系统应用系统应用应用服务领域应用服务领域北斗系统的发展北斗系统的发展机遇与挑战

6、机遇与挑战面临挑战面临挑战北斗频率资源紧缺北斗卫星时钟稳定性与国际先进水平有较大差距北斗卫星地面跟踪站仅限国土范围，几何结构较差北斗具有三种不同的星座（GEO、IGSO、MEO），但必须有无缝的运控管理GPS已占领全球主要导航市场，而北斗必须拥有属于自己的市场空间相关政策、法规、标准需要进一步健全技术创新体系、应用服务体系和产业推进体系尚不完善，产业环境亟待优化地面基础设施 欠缺 ， 分散建设 ， 未形成统一基准综合服务基础设施核心应用技术 与国际先进水平差距较大 ， 自主研发终端性能仍需改进交通 、 电信 、 金融 、 电力 、 物流等 关键领域 未全部使用中国时频基准卫星导航行业应用规模总

7、体偏小，技术和业务的深度融合不足，装备与系统应用水平较低大众位置服务市场产业链较长，缺乏有效的商业模式对国际市场、国际用户需求、导航产业国际化发展顶层谋划研究不足北斗系统的发展北斗系统的发展用户终端应用用户终端应用用户终端应用效果较好的环境用户终端应用效果较好的环境空旷地楼顶高处电磁辐射弱北斗系统的发展北斗系统的发展用户终端应用用户终端应用用户终端应用效果差的环境用户终端应用效果差的环境隧道水面高架城市高楼树林下电磁环境复杂内容概要内容概要卫星导航定位需卫星导航定位需求求卫星定位基本原卫星定位基本原理理北斗系统的发展北斗系统的发展卫星定位基本原理卫星定位基本原理系统简介系统简介美苏争霸美苏空间

8、信息激烈竞争，为卫星导航系统提供了大量的资金支持。通信技术的发展为卫星信号远距离传输提供了可能。电子技术进步为卫星的控制、制造提供了强有力的保证。经济社会的需求是卫星导航系统持续发展的源动力。卫星导航系统有三部分组成：空间星座部分，地面控制部分，用户终端设备。系统简介系统简介北斗卫星导航系统的建设二、北斗的组成（1）空间端 空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星（2）地面端 主控站、注入站和监测站等若干个地面站（3）用户终端卫星定位基本原理卫星定位基本原理系统组成系统组成地面控制部分地面控制部分 地面控制部分包括：主控站，上行注入站和监测站。负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、

9、相对距离，大气校正等数据，并向每颗卫星注入更新的导航电文。卫星地面控制部分卫星定位基本原理卫星定位基本原理定位原理定位原理原理说明原理说明卫星向地面发射电磁波，以光速传播。卫星距地面高度约为20000km。x 公里？ t 秒？卫星定位基本原理卫星定位基本原理定位原理定位原理定位原理定位原理得到卫星和接收机之间的距离后如何定位？卫星定位基本原理卫星定位基本原理定位原理定位原理平面定位原理平面定位原理卫星定位基本原理卫星定位基本原理定位原理定位原理定位原理定位原理黑色 = 可见, 红色 = 不可见, 绿色 = 视线 l 总共50颗以上卫星。l 地球任意一点可以看到5-12颗卫星。l 任一卫星的瞬时

10、位置可根据星历计算得到。美国GPS欧盟伽利略俄罗斯GLONASS中国BDS空间距离交汇定位空间距离交汇定位卫星定位基本原理卫星定位基本原理定位原理定位原理(x,y,z)为待求的接收机位置， d为卫星到接收机的距离，(xi,yi,zi)为卫星瞬时位置（由星历计算得到）。定位误差定位误差卫星定位基本原理卫星定位基本原理定位原理定位原理三方面的误差：卫星产生的误差传播路径产生的误差接收机产生的误差定位方程修正定位方程修正卫星定位基本原理卫星定位基本原理定位原理定位原理伪距定位基本观测方程伪距定位基本观测方程tC是通过延时计算的星站距离是真实的星站距离是时钟偏差引起的误差n星站距离计算u以码相位对齐测

11、出GPS信号时延u以时延计算距离n卫星定位u空间距离交会法定位u同步观测4颗以上卫星四大导航系统之一l当前全球有四大卫星定位系统，分别是美国的全球卫星导航定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯GLONASS系统,欧洲在建的 “伽利略”系统,和中国的北斗卫星导航系统。 “伽利略”系统格罗纳斯系统 GPS系统结构 北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站 .空间：北斗第二代导航卫星网l“北斗第二代导航卫星网”将由颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式：开放服务和授权服务。30颗

12、非静止轨道卫星由27颗中轨卫星和3颗倾斜同步， 27颗中轨卫星分布在倾角为55度的三个轨道平面上，每个面上有9颗卫星，轨道高度为21500公里。导航原理：双星定位用户提出申请服务项目并发送入站用户提出申请服务项目并发送入站信号，经两颗卫星转发到地面中心，信号，经两颗卫星转发到地面中心，地面中心接到此信号后，解调出用地面中心接到此信号后，解调出用户发送的信息，测量出用户至两颗户发送的信息，测量出用户至两颗卫星的距离，对定位申请计算用户卫星的距离，对定位申请计算用户的地理坐标，由于的地理坐标，由于2颗卫星的位置颗卫星的位置是已知的，分别作以两位星为两球是已知的，分别作以两位星为两球的球心，另一球面

13、是基本参数且已的球心，另一球面是基本参数且已确定的地球参考椭球面确定的地球参考椭球面3球交会点球交会点为测量的用户位置。为测量的用户位置。 功能l短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。l精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。l定位精度：水平精度100米(1)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。l系统容纳的最大用户数：每小时540000户。 应用领域l北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国家和地区，可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位 与GPS比较No1：覆盖范围：覆盖范围： 北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70-140，北纬5-55。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗) 与GPS比较lNo2:定位精度定位精度 北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100n