《卫星导航系统》全套教学课件

卫星导航发展历史与应用{1}--第1章卫星导航的发展历史与应用{2}--第2章卫星导航基础知识{3}--第3章卫星导航基础知识{4}--第4章卫星导航基础知识{5}--第5章系统与信号{6}--第6章系统与信号{7}--第7章GPS接收机技术{8}--第8章GPS接收机技术{9}--第9章卫星定位基本方法{10}--第10章卫星定位基本方法{11}--第11章卫星导航定位误差{12}--第12章差分定位方法{13}--第13章差分定位方法{14}--第14章差分定位方法{15}--第15章卫星导航增强系统{16}--第16章船用惯性导航系统与卫星导航系统的组合全套可编辑PPT课件什么是导航？Latin：navigareNavis——shipAgere——todirect,conductNavigation–theprocessofsafelyandefficientlydirectingthemovementsofavesselfromoneplacetoanother.Navigation你知道哪些导航系统？

Commonlyrecognizedtypesofnavigationsarelistedbelow.1.推算船位（推算舰位、推算航法）DeadReckoning(DR)2.天文导航Celestialnavigation3.地文导航（陆标定位）Terrestrialnavigation4.无线电导航Radionavigation5.雷达导航Radarnavigation6.卫星导航Satellitenavigation7.惯性导航InertialNavigation8.组合导航（综合导航）IntegratedNavigation9.气象导航Meteorologicalnavigation。。。。。。。几个很重要的概念什么是RDSS,RNSS,GNSS?RDSS:RadioDeterminationSatelliteService

卫星无线电测定服务：用户至卫星的距离测量和位置计算由外部系统通过用户的应答来完成。特点是定位与通信相结合，有源定位系统。

代表性系统：美国Geostar，欧洲Locstar，中国的……RNSS:RadioNavigationSatelliteSystem

卫星无线电导航服务：由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至少到4颗卫星的距离测量，进行用户位置，速度等参数计算，无源定位系统。

代表性系统：Transit,Tsikada,

GPS，GLONASS…几个很重要的概念GNSS：GlobalNavigationSatelliteSystem“全球导航卫星系统（GNSS）是一个能在地球表面或近地空间的任何地点为特定装备的用户提供24小时、三维位置坐标、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定工作所需的增强系统”[1998年联合国第三届太空探索与和平使用大会框架文件A/CONF.184/BP/4]“Aworldwidepositionandtimedeterminationsystemthatincludesoneormoresatelliteconstellations,aircraftreceiversandsystemintegritymonitoring,augmentedasnecessarytosupporttherequirednavigationperformancefortheintendedoperation.”

[《国际民航组织公约》附件10卷I标准与建议措施(SARPs)]“GNSS:全球系统+区域卫星导航系统+星基增强系统”

[曹冲，中国全球定位系统技术应用协会咨询中心主任，中国电波传播研究所研究员]“GNSS是一个虚拟的概念，是所有在轨运行的卫星导航系统的总称呼，没有任何国家和任何人对GNSS做过认真的规划设计。”

[北斗网：

///刘基余]“GlobalNavigationSatelliteSystem-GPS,GLONASS,Galileo&more”[B.Hoffmann-Wellenhof,奥地利国家导航研究所创始人，格拉次技术大学卫星大地测量与导航研究所所长]几个很重要的概念WAASGPSEGNOSSDCMGLONASSBDSQZSSMSASIRNSSGAGANGalileoBeiDou-IGNSS课程主要内容、目的和任务了解卫星导航系统的发展历史、现状及现代化历程；阐述卫星导航、定位、授时的基本原理及其相关基础知识；介绍GPS、GLONASS、GALILEO以及我国的“北斗”卫星导航系统的基本原理、系统组成和信号体制；阐述卫星定位的各种导航算法、误差分析及差分增强技术；全面介绍卫星导航在船舶导航领域的应用。主要参考教材赵琳等.《卫星导航原理及应用》，西北工业大学出版社，2011年刘基余.《GPS卫星导航定位原理与方法》（第2版），科学出版社，2008年S.Grewal,R.Weill.

《GPS,InertialNavigation,andIntegration

》（2ndEdition）AJohnWiley&Sons,Inc.,2007部分网络资源北斗网美国导航学会/GPS测量原理与实践（澳大利亚新南威尔士大学）.au/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm欧洲空间局伽利略系统/Our_Activities/Navigation俄空间局信息分析中心http://www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=202:1:13256677232912671765国际GNSS服务网/第一讲卫星导航发展历史与应用主要内容卫星导航系统的发展历史和现状其他卫星导航系统卫星导航系统的作用、特点卫星导航系统的应用卫星导航系统的发展历史和现状1957年10月4日前苏联将第一颗人造地球卫星Sputnik送入了轨道。Sputnik-I卫星及其发射第一颗人造卫星卫星导航系统的发展历史和现状50年代末美国约翰

霍普金斯大学（JohnsHopkinsUniv）应用物理实验室（AppliedPhysicsLab）的GuierW.H.博士和WeiffenbackG.C.博士在观测卫星发射的无线电信号时发现多普勒频移现象

50年代末美国约翰

霍普金斯大学（JohnsHopkinsUniv）应用物理实验室（AppliedPhysicsLab）的GuierW.H.博士和WeiffenbackG.C.博士在观测卫星发射的无线电信号时提出可以利用多普勒频移现象对卫星进行定轨。多普勒频移JohaanChristianDoppler,anAustriaphysician,foundDopplerEffectin1842.

JohaanChristianDoppler1803-1853Doppler卫星导航系统的发展历史和现状卫星导航系统的发展历史和现状50年代末美国约翰

霍普金斯大学（JohnsHopkinsUniv）应用物理实验室（AppliedPhysicsLab）的GuierW.H.博士和WeiffenbackG.C.博士在观测卫星发射的无线电信号时发现多普勒频移现象测站位置(未知)卫星位置(已知)测站位置(已知)卫星位置(未知)逆向观测

同在应用物理实验室（AppliedPhysicsLab）的另外两位科学家，FrankMcClure和RichardKershner博士提出可以利用卫星的多普勒频移现象对用户进行定位。多普勒频移NNSS－美国

美国海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem,NNSS)。又称子午仪系统，于1964年1月建成，1967年7月29日美国政府批准将该系统解密，并提供民用。海军导航卫星系统

系统构成卫星跟踪站注入站海军气象台计算中心船载设备特点高精度全球全天候第一代卫星导航系统

NNSS－美国7颗实验卫星发射(1959.9-1961.11)datedesignationlaunchvehiclenotes____________________________________________________17Sep59Transit1AThorAbleIILaunchfailure 13Apr60Transit1BThorAble-Star 22Jun60Transit2AThorAble-Star 30Nov60Transit3AThorAble-StarLaunchfailure 22Feb61Transit3BThorAble-Star 29Jun61Transit4AThorAble-Star 15Nov61Transit4BThorAble-Star第一代卫星导航系统datedesignationlaunchvehiclenotes_________________________________________________________ 18Dec62Transit5AScoutX-3Operationalprototype. 05Apr63Transit5A-2ScoutX-3Launchfailure. 15Jun63Transit5A-3(7)ScoutX-3Partialfailure. 28Sep63Transit5BN-1ThorAble-StarPartialfailure. 05Dec63Transit5BN-2ThorAble-Star1stoperationalTransit. 21Apr64Transit5BN-3ThorAble-StarLaunchfailure. 04Jun64Transit5C(9)ScoutX-4

NNSS－美国

7颗原型卫星发射(1962.12-1963.9)第一代卫星导航系统27颗工作卫星发射(1963.12-1988.8)卫星数量：正式导航卫星7颗，

其中一颗于1976年停止使用。运行轨道：圆形极轨道，平均高度1071km，轨道倾角约90°，各导航卫星的轨

道相交于地球的两极运行周期：107min左右发射信号：连续发射无线电信号，传递三种导航信息(卫星星历

表、偶数分钟的时间信号和供多普勒频移测量用的 399.968MHz和149.988MHz的载波频率)定位精度：1968年测定的精度为

70m，1976年提高到

30m子午仪导航星座第一代卫星导航系统NNSS－美国测量了地球形状、重力场分布；探测了电离层对无线电信号传播的影响；高层大气阻力对卫星运动的影响；试验了卫星星体设备和地面站接收设备；研究了跟踪与预报卫星的方法；第一代卫星导航系统NNSS－美国NNSS的应用与现状

在全球范围内核潜艇、远航测量船、远洋渔船、海上石油开发钻井定位、大型游艇等方面得到广泛应用。

1988年发射最后一颗卫星，1996年底结束使命。第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统CICADA－前苏联

在子午仪卫星导航系统的启发下，前苏联海军于1965年开始建立了与NNSS系统相似的CICADA卫星导航系统。基本参数卫星数量:

12颗运行高度:

1000公里运行周期:

105min信号频率:

150MHz和400MHz第一代卫星导航系统子午仪卫星导航系统的诞生预示着经典的导航定位技术面临着一场重大变革，在导航技术发展中具有划时代的历史意义。NNSS的历史意义第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统缺点卫星数量少，可见时间少(平均1.5h)，无连续实时定位(导航)能力，获得一次导航解所需时间较长，不适合高动态目标的使用；卫星轨道高度低，难以实现精确定轨；大地测量应用--连续观测3-7天；无三维定位能力；信号频率低，难以有效补偿电离层折射影响；第二代卫星导航系统NAVSTARGPSGLONASSGALILEOBDS增强系统第二代卫星导航系统六十年代末:“Timation”计划（美国海军）

“621B”

计划（美国空军)1973年美国国防部（DOD）批准由十个单位组成联合计划局，充分吸收两个计划的优点提出全球定位系统GPS（全称为NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem，NAVSTARGPS）GPS最初设计：24颗卫星，3个轨道面，每个轨道面8颗卫星，轨

道倾角63°。

——地球上任何一点都能同时可见6-9颗卫星1978年压缩国防预算：24颗卫星缩减为18颗卫星，6个轨道

面，轨道倾角55°。1986年更改为21+3颗卫星——优化星座组合

——6个轨道面，任何一点可见4-11颗卫星1993年考虑到GPS的光明前景和巨大利益，最终为24+3颗卫

星。第二代卫星导航系统GPSGPS系统的发展第一阶段（1973-1979）

方案论证和初步设计阶段。发射4颗实验卫星，研制部分地面接收设备。1973年国防部批准GPS系统的Navstar卫星制造计划;1974年为检验铷钟和时间传播技术，Timation项目的第一颗GPS实验卫星发射升空;1977年第一批携带铯钟的实验卫星发射升空，具有后来GPS卫星的基本特征;1978年2月22日第一颗GPS原型导航卫星BlockI卫星发射升空。第二代卫星导航系统GPS系统的发展第二阶段（1979-1985）

全面研制和试验阶段。这一时期共发射七颗试验卫星，到1985年10月9日GPS试验卫星BlockI卫星达到11颗，其他辅助系统建立。（所有试验卫星到1993年12月31日全部停止工作）。

研制了地学研究和精密测地系统，证实了GPS系统卓越的导航定位能力（实际伪距点定位精度:

20米，设计标准:100米）。GPSBlockI第二代卫星导航系统第三阶段（1986-1994）

实际组网阶段。24颗工作卫星，1995年达预定工作能力。从1989年2月14日第一颗工作卫星BlockⅡ发射成功至1994年3月10日第24颗GPS工作卫星BlockⅡA升空，实现98%覆盖。1996年9月12日第27颗工作卫星升空后，标志着GPS达到100%覆盖能力。GPSBlockⅡGPSBlockⅡA第二代卫星导航系统

1995年4月27日,美国防部宣布：GPS系统已具备完全运行能力(FullOperationalCapability,

FOC)

投资：300亿美元

卫星:

9颗BlockⅡ

15颗BlockⅡA

特点:全球、全天候、连续实时高精度的授时、导航和定位GPS具备完全运行能力第二代卫星导航系统卫星导航发展历史与应用第二代卫星导航系统改进时间GPS现代化内容第一阶段(2005)发射5颗BlockⅡR-M卫星，L1M，L2M，

第二民用信号L2C第二阶段(2006-2013)发射BlockⅡF卫星(24+3)，L1M，L2M，L2C，第三民用信号L5第三阶段2013-2036发射GPSblockⅢ卫星，增强L1M，第四民用信号L1CBlockI(1978-1985)BlockII&IIA(1989-1997)BlockIIR&IIR-M(1997-200x)BlockIIF(200x…..)提高卫星寿命提高定位精度增强抗干扰能力GPS现代化第二代卫星导航系统GPS现代化P(Y)C/AC/AP(Y)P(Y)P(Y)ML2CMSignalbeforeModernization(BlockII/IIA/IIR)2ndCivil;M-CodeBlockIIR-M3rdCivilBlockIIFC/AP(Y)MP(Y)L2CM1176MHz(L5)1227MHz(L2)1575MHz(L1)GPS工作卫星分别于1991年7月1日和1994年1月1日全部实施SA（即选择可用性，SelectiveAvailability）和AS（即反电子诱骗，Anti-Spoofing）技术，2000年5月2日开始取消SA限制。1985年美国国防部批准的GPS用户政策（修正稿）指出：GPS系统将对有适当装备用户提供三维导航和测地定位、三维测速和高精度授时。该系统将同时发射两种导航信息允许进行两种精密等级的定位，从精密定位服务（PPS）可以获得高精度，从标准定位精度（SPS）可以获得较低精度。GPS用户政策第二代卫星导航系统

1996年3月，美国总统签署了新的GPS国家政策，全面论述了GPS及其相关增强系统的未来管理和使用问题。新的GPS政策目的在于加强和维护美国的国家安全，促进GPS获得国际接受，提高运输和其它领域的安全性和效率，发展美国的科学和技术能力，促进GPS和平使用的国际合作。未来的GPS使用应该服务于支持和增强美国的经济竞争力和生产效率，同时要保护国家安全利益和对外政策利益。它拓展了GPS的商用市场，巩固了美国GPS工业界在这一重要技术领域的世界领先地位。第二代卫星导航系统GPS用户政策第二代卫星导航系统1982年

前苏联发射第一颗GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)卫星 1995年12月俄罗斯发射了一箭三星，完成24颗工作卫星+1颗备用卫星的布局GLONASS发展卫星数量:24轨道根数:3运行高度:19100KM轨道倾角:64.8°运行周期:11h15min信号体制:频分多址定位精度:10米左右用途:军民两用

GLONASS导航星座GLONASS导航星座

第二代卫星导航系统GLONASS系统的现状与发展

GLONASS导航系统至少需要18颗卫星才能覆盖俄罗斯全国范围，24颗才能覆盖全世界范围。第二代卫星导航系统GLONASS系统的发展2624212018181412111087111213162226161212141210903691215182124273019871988198919901991199219931994199519961997199819992000200120022003200420052006200720082009201020112012在轨工作卫星GLONASS-K卫星测试（寿命10年）GLONASS-M卫星测试（寿命7年）GLONASS具有初步运行能力。12颗卫星（寿命3年）欧洲为什么要建立Galileo导航系统缺乏完好性监测机制信号容易受到干扰20世纪七十年代建立受美国控制军事应用背景性能和服务受限服务没有保障GPS的不足第二代卫星导航系统在全球范围全天时提供各种导航服务和搜索救援服务与GPS系统全面兼容又相互独立性能至少相当于GPS(BlockIIF)卫星以及正在研制的GPSIII系统避免与其它卫星导航系统的相互干扰，特别是与现代化以后GPS军用M码Galileo系统设计要求第二代卫星导航系统

由欧洲空间局(ESA)和欧盟(EU)发起并提供主要资金支持。实现完全非军方控制与管理，旨在确定建立一个由国际组织控制的高效经济的民用导航及定位服务系统。

与其它GNSS系统兼容多样化的服务保证安全性可靠性/完全欧洲控制

与其它GNSS系统独立民用精度略高于GPSGalileo系统的特点第二代卫星导航系统Galileo系统原开发计划第二代卫星导航系统1.系统定义阶段（1999-2003）由欧盟委员会（EC）和欧空局（ESA）主持定义包括任务特点和性能参数的系统总体框架。2.开发及在轨验证阶段（2003-2006）由伽利略联合执行体（GJU）与欧洲GNSS管理局（GSA）管理，详细定义卫星、地面构成和用户测试接收机。3.系统部署阶段（2006~2013）发射工作卫星，地面设施建设。4.系统运营阶段（至少20年）通过投标竞争的方式，拥有特许权的伽利略运营公司与欧空局对伽利略系统实现公私联营。第二代卫星导航系统Galileo系统现开发计划2014.3

2005年，格林尼治时间12月28日清晨5时19分，欧洲伽利略卫星导航系统(Galileo)的首颗实验卫星GIOVE－A由俄罗斯“联盟－FG”运载火箭从哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天中心顺利进入太空。第二代卫星导航系统第一颗Galileo卫星发射全球性系统组成部分伽利略系统的核心,主要包括空间段和地面控制段.区域性系统组成部分

完好性监测网络、完好性控制中心和完好性注入站.

当地系统组成部分。在某些局部区域布设的卫星导航信号增强和增值服务设施，为用户提供差分校正信息、完好性报警信息、导航信息、位置信号不良地区的增强定位信号以及移动通信等服务.用户接收机和终端

实现伽利略系统及其它导航系统信号的接收处理功能.Galileo系统的总体结构第二代卫星导航系统自由航空；大众市场;简单的定位授时加密;有保障服务开放服务+

信号完好性加密;完好性;连续可用性接近实时;高精度;方便的信息反馈链路开放服务GalileoOpenService

OS

商业服务CommercialService，CS生命安全服务SafetyofLife，SoL公共特许服务PublicRegulatedService，

PRS导航搜索救援服务SearchandRescueService,SAR搜救Galileo系统提供的服务第二代卫星导航系统欧盟与美国的协议：

GalileoL1采用常规信号；保留导航安全能力；播发GPS/Galileo时间差；卫星导航贸易、服务等方面不互相岐视；开放服务对用户不受限制。

Galileo系统的国际合作第二代卫星导航系统与欧盟建立或拟建立Galileo合作关系的国家：中国、美国、以色列、乌克兰、印度、摩洛哥、挪威、阿根廷、俄罗斯、韩国、澳大利亚、加拿大、巴西、智利、马来西亚….

2001年，欧洲高层与中国讨论伽利略卫星导航领域的合作;2003年10月中国与欧盟签署有关伽利略计划合作协定;2004年10月

中国科学技术部和欧盟委员会在北京正式签署伽利略计划技术合作协议，中国成为参加伽利略计划的第一个非欧盟成员国，并成为伽利略联合执行体中与欧盟成员国享有同等权利和义务的一员；2005年4月中方派出3名专家前往伽利略联合执行体工作;2005年12月

中国助推的第一颗伽利略试验卫星的升空，“中欧伽利略计划”进入全面合作阶段。Galileo与中国第二代卫星导航系统第二代卫星导航系统1983年，卫星导航先驱陈芳允院士提出利用两颗同步定点卫星进行导航定位的设想1994年国家批准建设“北斗一号”卫星导航定位系统2000年10月31日发射第一颗北斗导航卫星2003年5月25日发射第三颗北斗导航卫星(备用卫星)我国成为世界上继美国、俄罗斯之后，第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2000年12月21日发射第二颗北斗导航卫星北斗一代卫星导航系统第二代卫星导航系统用户段北斗用户机(指挥型/通信型)。空间段北斗卫星定位系统由两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星(赤道面东经80度、140度和110.5度，前两颗卫星位置的经度相距60度),轨道高度为36000公里。信息传递时上行为L频段，下行为S频段。地面段地面控制中心(配备高程电子地图)、参考标校系统。北斗一代的系统构成第二代卫星导航系统北斗卫星1北斗一代中心站用户机标校点北斗卫星3北斗卫星2上行L下行S北斗一代的工作原理第二代卫星导航系统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20-100m；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；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。北斗一代的功能第二代卫星导航系统自主系统，安全、可靠、稳定工作方式:有源定位覆盖范围:北纬50_550，东经700_1400之间定位精度:水平精度100m(1σ)，设立标校站之后为20m(类似差分状态)最大用户数:每小时540000户北斗一代的特点第二代卫星导航系统双星有源导航定位体制，只能提供低动态和静态导航定位服务需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，定位精度低，隐蔽性差系统用户容量、导航定位维数有限、无冗余测距信息，在体制上不能与国际上的GPS、GLONASS及将来的GALILEO系统兼容北斗一代的缺陷第二代卫星导航系统

2007年4月，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第四颗北斗导航试验卫星送入太空。北斗二代的发展第二代卫星导航系统空间段五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成。服务

提供开放服务和授权服务两种服务方式：开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，授时精度50纳秒，测速精度0.2米每秒；授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。北斗二代卫星导航系统第二代卫星导航系统北斗二代卫星导航系统主要内容卫星导航系统的发展历史和现状其他卫星导航系统卫星导航系统的作用、特点卫星导航系统的应用其他卫星导航系统Aircraft-BasedAugmentationSystem(ABAS)Ground-BasedAugmentationSystem(GBAS)Space-BasedAugmentationSystem(SBAS)Ground-basedRegionalAugmentationSystem(GRAS)SBASARTEMISGPSMTSATINMARSATINMARSATEGNOSMSASWAASGAGANSBASWAAS全称：广域增强系统（WideAreaAugmentationSystem,WAAS）；组织机构：美国美国联邦航空局(FAA)提出。为民航整个飞行阶段而建立的一个精密导航系统；发展：1994年立项，2007年7月10日初始运行，为全美11000多个机场提供导引能力；覆盖范围：北美和墨西哥周边地区；精度：95%：水平1.6米，垂直2米。其他卫星导航系统

GAGAN组织机构:印度机场管理局（AAI）和印度空间研究组织（ISRO）；覆盖范围：整个印度空域；精度（2006年测试）:原定7.6米，试验时平均精度水平方向小于1米，垂直方向略大于1米；后续计划：印度区域导航卫星系统（IRNSS），独立的导航系统，2006年7月4日印度政府批准。全称：GPS辅助地理增强系统(GPSAndGeoAugmentedNavigation)；其他卫星导航系统

EGNOS全称:欧洲静地星导航重叠服务(EuropeanGeostationaryNavigationOverlayService)；组织机构：欧盟(EC)、欧洲空间局(ESA)和欧洲航行安全局(Euroeontro1)联合规划的合作计划，欧空局负责系统研发与技术认证；发展：1994年由ECAC提出，1998年11月开始实施，2002年5月进入研发和验证阶段。目前，系统已投入使用；覆盖范围：欧洲；其他卫星导航系统

MSAS全称：运输多功能卫星(MTSAT)增强系统（TheMTSATSatelliteAugmentationSystem）组织机构：日本运输省主持研制；发展：2004年1月开始建立，2007年初达到初步操作能力。

组成：6个地面监测站（GMS）、2个主控站（MCS）、2个监测和测距台（MRS）、2个导航岸站（NES）、1个中央处理设施（CPF）和1个通讯网络系统。

其他卫星导航系统

全球差分GPS（GDGPS）海事差分GPS/国家差分GPS（MDGPS/NDGPS）连续运行参考站（CORS）国际GNSS服务网（IGS）其他卫星导航系统

主要内容卫星导航系统的发展历史和现状其他卫星导航系统卫星导航系统的作用、特点卫星导航系统的应用卫星导航的作用大地测量

导航定位时间同步

载体测速和姿态测量卫星导航系统的作用、特点卫星导航的特点全球地面连续覆盖精度高，功能多实时定位速度快操作简便，易于安装全天候工作可组合成多种形式的观测手段抗干扰性能好，保密性强卫星导航系统的作用、特点主要内容卫星导航系统的发展历史和现状其他卫星导航系统卫星导航系统的作用、特点卫星导航系统的应用卫星导航系统的应用应用“WiththequietrevolutionofNAVSTAR,itcanbeseenthatthesepotentialusesarelimitedonlybyourimaginations.”

(BradfordW.Parkinson,1996).

GlobalPositioningSystem:TheoryandApplicationsVol.I卫星导航系统的应用From:GSAGNSSMarketReport–Issue2，May2012卫星导航系统的应用GPS系统第一次大规模使用，开始引起人们关注。军事卫星导航系统的应用WirelessComm.UnitIn-vehicleDisplayUnitITS&GPSPositioningSystemITSDataBasicComm.ServerServerAVLProcessingUnitsITSDGPSRectificationWirelessComm.NetworkControlSystemModemConnection

...Comm.Tower#1

Comm.Tower#10Dispatching#1Dispatching#7ControlCentre.........PublicSafetyControlCentreBaseStationToProcessingUnitsCAD圆形系统AVLS区域网络

–以太网络LargeProjectionScreen【WholeRegion／Sub-region／District】智能交通卫星导航系统的应用智能交通CarNavigationOn-boardnavigationFleetmanagementRoadsideassistanceStolenvehiclerecoveryEnhancedservices卫星导航系统的应用智能交通CityplanningTransportationinfrastructureRoadBillingNetworkSnowplowsEmergencyresponseLawenforcementFirefightingSearchandrescueParamedicsDisasterrelief卫星导航系统的应用地震监测大桥形变监测国土资源监测卫星导航系统的应用工业应用与日常生活Package/cargodeliveryFleetandassetmanagementTheftrecoveryPublicsafetyandservicesFarming,mining,andconstructionequipmentDGPS/RTKrequiredformanyapplications卫星导航系统的应用工业应用与日常生活Portablereceiversforfishermen,hunters,hikers,cyclists,etc.Recreationalfacilities--golfcourses,skiresortsIntegrationofGPSintocellularphonesE-911requirement卫星导航系统的应用配备GPS的变量施肥机GPS牧草监测系统农业卫星导航系统的应用CPUGPS声音同步器地图数据库盲文点字板盲人导航卫星导航系统的应用八大应用领域航空、航天、航海、武器系统、车辆、个人、测量和授时。航空应用：速度：8000米/秒（普通：515米/秒），高度：3000公里，加速度：30g，更新率：100Hz。高采样率、高动态、完好性、连续性。武器系统：高动态、强干扰、恶劣环境、位置精度、速度精度、启动速度、输出更新率等方面将得到大的改进。航海应用：全球海岸沿线、内陆主要河流DGNSS无线信标网(RBN)，远洋：10米，进港：1米。精度、连续性、可用性、完好性。挑战来自于应用环境GNSS-R：弱信号、目标多样性引起的反射信号多样性变化。高轨卫星：高动态、弱信号、遮挡。LBS应用：低动态、弱信号、强多径、遮挡(物联网、车联网、位置感知…)卫星导航的发展趋势多系统并存多元化组合导航技术的应用与无线通信结合

卫星导航基础知识卫星导航系统常用坐标系卫星轨道及卫星在轨运动卫星导航时间系统卫星通信调制技术伪随机噪声码主要内容卫星导航系统常用坐标系坐标系三要素

坐标系原点的位置坐标系轴的定向在所属坐标系中以什么参数来确定某点的位置卫星导航系统常用坐标系惯性坐标系太阳中心惯性坐标系太阳中心赤道坐标系太阳中心黄道坐标系地心惯性坐标系地球坐标系地理坐标系地心坐标系参心坐标系常用坐标系

卫星导航系统常用坐标系天球天轴天球赤道天球黄道赤经定义：在宇宙空间视为不变的坐标系。以地球质心M为原点,半径无穷大的宇宙空间，天文学上称为天球。垂直于赤道面与地球自转轴平行赤道平面与黄道平面的交线过春分点卫星导航系统常用坐标系太阳中心赤道坐标系

黄道平面赤道平面春分点XsZsYsXsZsYs垂直于黄道平面赤道平面与黄道平面的交线过春分点卫星导航系统常用坐标系太阳中心黄道坐标系

黄道平面赤道平面春分点XiZiYi赤道平面自转轴地心惯性坐标系不参与地球的自转运动三根坐标轴在惯性空间的方向保持不变原点位置随地球绕太阳公转而移动卫星导航系统常用坐标系地球坐标系XeZeYe赤道平面自转轴格林尼治子午面与地球固联一起转动称为地心地固坐标系Earth-Centered-Earth-Fixed，ECEF卫星导航系统常用坐标系地球坐标系的两种表示方法

地球坐标系笛卡尔坐标（地心空间直角坐标）大地坐标系曲线坐标（大地坐标）

P点位置表示：

直角坐标:大地坐标:关系？卫星导航系统常用坐标系直角坐标和大地坐标的关系

卫星导航系统常用坐标系直角坐标和大地坐标的关系

等价

卫星导航系统常用坐标系地心直角坐标系卫星导航系统常用坐标系地心直角坐标以地球的地心O为坐标原点，XOY平面在赤道面上，OX正向指向格林尼治子午线与赤道的交点，OZ轴指向地球北极与地球的极轴重合。该坐标系与地球紧密结合在一起，随地球的旋转而旋转。大地坐标系卫星导航系统常用坐标系从微观上来说，地球并非一个圆球体，而是近似椭球体，其极半径约为6357km，赤道半径约为6378km，相差21km，地球表面凸凹不平。大地水准面：假想的无潮汐、无温差、无风、无盐的海面。基准椭球：椭球面和大地水准面之间高度差的平方和最小。海拔高度：指该点实际地形与大地水准面之间的距离。大地水准面高度：该点大地水准面与基准椭球面之间的距离。地球上某点，常用经度、纬度和高度来表示。大地坐标系卫星导航系统常用坐标系纬度：以赤道为基准，子午线在该点的法线与赤道面的交角为改点的纬度，纬度从赤道算起，向北向南都是0o-90o，位于赤道以北的点的纬度叫北纬，记为N；位于赤道以南的点的纬度称南纬，记为S。。大地坐标系卫星导航系统常用坐标系子午线：子午线也叫经线,是在地面上连接两极的线，是人类为度量方便科学研究而假设出来的辅助线。经度：公元1884年，国际上规定以通过英国伦敦近郊的格林尼治天文台的经线作为计算经度的起点，即经度零度零分零秒，也称“本初子午线”。在它东面的为东经，共180度；在它西面的为西经，共180度。因为地球是圆的，所以东经180度和西经180度的经线是同一条经线。大地坐标系卫星导航系统常用坐标系子午线：子午线也叫经线,是在地面上连接两极的线，是人类为度量方便科学研究而假设出来的辅助线。经度：公元1884年，国际上规定以通过英国伦敦近郊的格林尼治天文台的经线作为计算经度的起点，即经度零度零分零秒，也称“本初子午线”。在它东面的为东经，共180度；在它西面的为西经，共180度。因为地球是圆的，所以东经180度和西经180度的经线是同一条经线。卫星导航基础知识卫星导航系统常用坐标系卫星轨道及卫星在轨运动卫星导航时间系统卫星通信调制技术伪随机噪声码主要内容地理坐标系

东北天地理坐标系是载体水平和方位的基准，它的原点位于载体质量中心在地球表面的投影点。地理坐标系不仅随地球自转相对惯性空间运动，而且还随载体的运动而发生变化。卫星导航系统常用坐标系地心坐标系

实际上，在外力作用下，地球自转轴在空间并不保持固定的方向,而是不断发生变化。地轴的长期运动称为岁差,而其周期运动则称为章动。岁差和章动引起天极和春分点在天球上的运动，对恒星的位置有所影响。

卫星导航系统常用坐标系岁差

地球绕地轴旋转，可以看做是巨大的陀螺旋转，由于日月等天体的影响，类似于旋转陀螺在重力场中进行运动（在旋转速度减慢时，陀螺中心线会倾斜，中心线上的点做圆周运动），地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转形成以个倒圆锥体，其锥角等于黄赤交角23.5度，旋转周期26000年，这种运动称为岁差。卫星导航系统常用坐标系章动

月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对于黄道约5度倾斜，这使得月球产生的转矩的大小和方向不断变化，从而导致地球旋转轴在岁差的基础上叠加18.6年的短周期圆周运动，振幅为9.21秒，这种现象称为章动。卫星导航系统常用坐标系行星岁差

除太阳和月球的引力外，地球还受到太阳系内其他行星的吸引，从而引起黄道面位置的不断变化，这不仅使黄赤交角改变，而且还使春分点沿赤道产生一个微小的位移（其方向与日月岁差相反），春分点的这种位移称为行星岁差。它可根据天体力学理论精确地计算出来，由已知的行星质量和行星轨道要素的数据可算出，行星岁差使春分点沿赤道每年东进约0.″13。卫星导航系统常用坐标系地心坐标系

原点：地球质心X轴：指向经度零点Z轴：同国际协议地极CIP的极轴重合测量基本单位：标准的国际米卫星导航系统常用坐标系目的是建立一个固定的、统一的坐标系，它对于航天技术、远程武器发射和地球科学研究等具有十分重要的作用。参心坐标系

建立方法：选用一个大小和形状与地球相近、与本国地表最为接近的椭球作为基本参考面，选择一参考点作为大地测量的参考点（称为大地原点，非地球质心），按椭球体短轴与地球自转轴相平行，椭球面与本地区的大地水准面充分密合的条件，将椭球体在地球内部的位置和方向确定下来。

适合本国或本地区的大地坐标系。

世界上100多个国家和地区已建立了200多个参心坐标系

卫星导航系统常用坐标系椭球体名称年代(年)长半径a(m)扁率1/

埃弗勒斯特（Euerest）18306377267300.80白塞尔（Bessel）18416377397299.15克拉克（Clarke）18806378249293.47海福特（Hayford）19106378388297.00克拉索夫斯基（Krasovsky）19406378245298.30费舍尔（Fischer）19606378166298.30卡拉（Kaula）19646378160298.25范士（Veis）19676378142298.225卫星（Satellite）19756378135298.26IAG-75（IUGG推荐）19756378140298.257卫星导航系统常用坐标系地球椭球体主要参数表

不同大地坐标系之间的坐标转换

布尔莎（M.Bursa）模型适用于地心坐标系之间的转换莫洛金斯基（Molodensky）模型

适合于参心坐标系之间的转换卫星导航系统常用坐标系常用坐标系实例

WGS-84坐标系1980年国家大地坐标系C801954年北京坐标系P54

PZ-90坐标系2000中国大地坐标系卫星导航系统常用坐标系WGS-84坐标系

原点：地球质心Z

轴：指向BIH1984.0定义的协议地极（CTP）方向X轴：指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点Y轴：与X轴、Z轴构成右手直角坐标系

长半轴：a=6378137

2（m）椭球扁率：1/a

=298.257223563椭球第一偏心率：e2=0.00669437999013地球引力常数：GM=（39860050.6）

108（m3/s2）二阶带谐系数：

=（–484.16685

1.30）

10–9（rad/s）地球自转角速度：ω=（72921150.1500）

10–11（rad/s）卫星导航系统常用坐标系1980年国家大地坐标系C80

原点:陕西省泾阳县永乐镇，简称西安原点，属于参心坐标系椭球定位和定向条件：椭球短轴和地球质心指向我国地极原点JYD1968.0的方向，起始大地子午面平行于格林尼治天文台子午面，Y轴与X轴、Z轴构成右手直角坐标系。在我国境内，椭球面和大地水准面最佳密合。长半轴：a=6378140

5（m）椭球扁率：1/α=298.257地球引力常数：GM=（39860053）

108（m3/s2）二阶带谐系数：J2=（1082631）

10–8地球自转角速度：ω=729211510–11（rad/s）卫星导航系统常用坐标系1954年北京坐标系P54

通过与原苏联1942年坐标系联测而建立的参心坐标系

。长半轴：a=6378245（m）椭球扁率：1/α=298.3大地原点:前苏联的普尔科沃参考椭球：克拉索夫斯基椭球旧P54坐标：通过联网的大地坐标计算，推算出北京点的坐标特点：参考椭球仅有两个参数，椭球基准轴定向不明确，椭球面与我国大地水准面吻合不够理想且点位坐标的精度不均匀。

新P54坐标系：C80内的空间直角坐标系经三个平移参数变换至克拉索夫斯基椭球中心。卫星导航系统常用坐标系PZ-90坐标系

Z轴：平北极（由国际天文联合会和国际大地测量协会测定）X轴：地球赤道平面零经度Y轴：与Z、X轴构成右手直角坐标系。长半轴：a=6378136（m）椭球扁率：1/α=298.257839303地球引力常数：GM=3986004.4

108（m3/s2）二阶带谐系数：J2=10826310–8地球自转角速度：ω=729211510–11（rad/s）卫星导航系统常用坐标系2000中国大地坐标系

2008年7月1日，我国正式启动了2000中国大地坐标系(CGCS2000)，也称2000国家大地坐标系，它的建立标志着我国大地基准迈入了现代大地坐标系行列。Z轴：国际地球自转与参考系服务(IERS)参考极方向X轴：IERS参考子午面与过原点且同z轴正交的赤道面的交线Y轴：与Z、X轴构成右手直角坐标系。2000中国大地坐标系与WGS84和ITRF在厘米级水平是兼容的，其实现精度约3厘米。卫星导航系统常用坐标系卫星导航基础知识主要内容卫星导航系统常用坐标系卫星轨道及卫星在轨运动卫星导航时间系统卫星通信调制技术伪随机噪声码卫星轨道及卫星在轨运动

卫星轨道分类卫星飞行的水平速度叫第一宇宙速度，即环绕速度。卫星只要获得这一水平方向的速度后，不需要再加动力就可以绕地球飞行。这时卫星的飞行轨迹叫卫星轨道。如对于卫星而言，可以把地球看成均质的球体，它的引力场即为中心力场，其质心为引力中心。要使卫星在这个中心力场中作圆周运动，就是要使卫星飞行的离心力正好抵消地心引力。如果速度稍大一些，则形成椭圆形轨道，如果达到逃逸速度，则为抛物线轨道，那时它将绕太阳飞行成为人造行星，如果达到第三宇宙速度，则为双曲线轨道，与太阳一样而绕银河系中心飞行了。卫星轨道及卫星在轨运动

卫星轨道六要素Y升交点赤经Ω轨道倾角i近地点张角

真近点角Mf轨道长半轴a

近地点赤道平面轨道偏心率升交点

Ω卫星rXωZiMfbΩ卫星轨道及卫星在轨运动

卫星轨道分类形状：圆形轨道（Circularorbit）椭圆轨道（Ellipticalorbit）倾角：赤道轨道（Equatorialorbit）极轨道（Polarorbit）

倾斜轨道（Inclinationorbit）高度：地球静止轨道（GeostationaryEarthOrbit）

低地球轨道（LowEarthOrbit）

高地球轨道（HighEarthOrbit）

中地球轨道（MediumEarthOrbit）

卫星轨道及卫星在轨运动

卫星轨道分类卫星轨道及卫星在轨运动

卫星的无摄运动

忽略摄动力影响的理想情况下，卫星在轨道上的运动称为无摄运动，也称为开普勒运动。

引力加速度:

地球对卫星的引力:

卫星匀速圆周运动的向心力:

二体问题卫星轨道及卫星在轨运动

开普勒第一定律：

卫星的运行轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与地球的质心重合。远地点近地点cca卫星轨道及卫星在轨运动

卫星的无摄运动开普勒第二定律：卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。

S2t0t1t2S1t1-t0=t2-t1S1=S2卫星轨道及卫星在轨运动

卫星的无摄运动开普勒第三定律：卫星运动周期的平方与轨道椭圆长半轴的立方之比为一常数，该常数等于地球引力常数GM的倒数。卫星运动的平均角速度：

卫星轨道及卫星在轨运动

卫星的无摄运动卫星的受摄运动

卫星在空间绕地球运行，除了受地球重力场的引力作用外，还将受到太阳、月亮和其它天体引力的影响，及太阳光压、大气阻力和地球潮汐力等因素的影响。必须建立各种摄动力模型，对卫星轨道加以修正，以满足精密定轨的要求。

卫星轨道及卫星在轨运动

摄动力对GPS卫星的影响卫星轨道及卫星在轨运动

摄动源加速度（m/s2）轨道摄动（m）3小时弧段2日弧段地球的非对称性5

10–5

2000

14000其他调和项3

10–75

80100

1500日月引力影响5

10–65

1501000

3000地球潮汐位固体潮1

10–9

0.5

1.0海洋潮汐1

10–9

0.0

2.0太阳辐射压1

10–75

10100

800反照压1

10–8

1.0

1.5地球引力场摄动力的影响地球的引力位模型：

导航卫星的轨道较高，而随高度的增加，地球非球性引力的影响迅速减小，所以只要应用展开式的较少项数，便可以满足确定导航卫星轨道的精度要求。

为摄动位，其球谐函数展开式的一般形式：卫星轨道及卫星在轨运动

地球引力场摄动力的影响引起近地点在轨道面内的旋转：开普勒椭圆在轨道平面内定向的改变，从而引起近地点张角ω的缓慢变化。引起轨道平面在空间的旋转：升交点赤经的进动速度约为-0.03

/d(或-3.3km/d)卫星轨道及卫星在轨运动

日月引力对卫星的摄动加速度

卫星的地心向径日、月的地心向径日、月的质量使导航卫星在3h的弧段上产生约为50

150m的位置误差

卫星轨道及卫星在轨运动

太阳光压的影响太阳辐射压对球形卫星所产生的摄动加速度既与卫星、太阳和地球之间的相对位置有关，也与卫星表面的反射特性、卫星的面积和质量比有关。其间关系比较复杂，一般可近似表示为：太阳光压对GPS卫星产生的摄动加速度约为10-7m/s2量级，由此将使卫星轨道在3h的弧段上产生510m的偏差。卫星轨道及卫星在轨运动

卫星导航基础知识主要内容卫星导航系统常用坐标系卫星轨道及卫星在轨运动卫星导航时间系统卫星通信调制技术伪随机噪声码卫星导航时间系统在卫星测量中，跟踪站对卫星进行定轨时，在给出卫星位置的同时，必须给出对应的瞬间时刻。当要求GPS卫星位置的误差小于1cm时，相应的时刻误差应小于2.6微秒。要准确地测定观测站至卫星的距离，必须精确地测定信号的传播时间。如果要求距离误差小于1cm时，则信号传播时间的测定误差应小于0.03ns。因此，任何一个观测量都必须给定取得该观测量的时刻。卫星导航时间系统含义：时间间隔和时刻时间间隔：客观物质运动过程所经历的时间历程时刻：客观物质运动某一状态发生的瞬间，通常以离开时间坐标轴原点的距离来表示。时间系统：原点（起始历元）和测量尺度（时间的单位）

卫星导航时间系统条件：运动的周期具有充分的稳定性，即在不同时期该基准所表征的运动周期必须一致；周期运动必须具有复现性，要求在任何地方、任何时间，该基准所表征的运动周期在实验中或观测中可以复现。确定时间的基准1.地球自转运动2.地球公转运动3.谐波振荡世界时（UniversalTime，UT）恒星时（SiderealTime，ST）平太阳时（MeanSolarTime，MT）世界时（UniversalTime，UT）历书时（EphemerisTime，ET）原子时（AtomicTime，TA）协调世界时（CoordinateUniversalTime，UTC）GPS时间系统（GPST）GLONASS时间系统（GLONASST）分类卫星导航时间系统世界时（UniversalTime，UT）

人类建立的第一个科学时间系统，以地球自转运动为基础。恒星时（SiderealTime，ST）以春分点为参考点，由春分点周日视运动确定恒星日。恒星时是地方时，在同一瞬间各地的恒星时不同。春分点受岁差和章动影响：真春分点真恒星时平春分点平恒星时

卫星导航时间系统平太阳时（MeanSolarTime，MT）

以真太阳周日视运动的平均速度为基准。

19世纪末，纽康引进了一个假想的参考点——平太阳。它在天球赤道上作匀速运动，其速度与真太阳的平均速度相等。由此定义的时间系统称为平太阳时。太阳时的基本单位是平太阳日，一个平太阳日包含24个平太阳小时。世界时（UniversalTime，UT）

以平子夜作为零时的格林尼治平太阳时，称为世界时。

通常将地球按子午线划分24个时区，每个时区以中央子午线的平太阳时为该区的区时。于是，零时区的平太阳时即为世界时。卫星导航时间系统历书时（EphemerisTime，ET）

描述天体运动方程式中采用的时间系统或天体星历表中应用的时间，称为历书时。

以地球公转运动作为定义时间测量的基准。

19世纪末，纽康根据地球绕太阳的公转运动编制了太阳星历表，人们以此作为历书时定义的基准。特点：理论上是一种均匀的时间尺度，实际测定比较困难，精度低，不连续（随天文常数改变）。卫星导航时间系统原子时（AtomicTime，TA）以物质内部原子运动的特征为基础。由于地球自转，与世界时不同步。尺度：位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级在零磁场中跃迁辐射的电磁振荡9192631770周所持续的时间，为一原子秒。

原点：1958年1月1日世界时零时的瞬间，与世界时衔接。实际原子时的原点：TA=UT2-0.0039s

卫星导航时间系统以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间测量基准。协调世界时（CoordinateUniversalTime，UTC）

卫星导航时间系统国际原子时(TempsAtomiqueInternational，TAI)

国际时间局通过对比国际上100多台原子钟(地方原子时)推算出的全世界统一的原子时。跳秒（leap

second）通常在6月30日或12月31日最后一秒；原点：1980年1月6日0时（与协调世界时UTC一致）尺度：与原子时秒长相等是否跳秒：不跳秒(与UTC存在时差)GPS时间系统（GPST）

GPST=TAI-19(s)GPST与国际原子时TAI时间差卫星导航时间系统GPST与协调世界时UTC之间的差距随时间逐渐增大，并将一直是秒的整数倍。GLONASS时间系统（GLONASST）

GLONASS时属于原子时系统，其秒长与原子时秒长相同，并与莫斯科地区的协调世界时（UTC(SU)）保持一致。

GLONASST

=

UTC(SU)

+

03h.00min与GPST的不同：与UTC（SU）同步跳秒，因而GLONASS时与协调世界时没有固定的整秒差值。

卫星导航时间系统主要内容卫星导航系统常用坐标系卫星轨道及卫星在轨运动卫星导航时间系统卫星通信调制技术伪随机噪声码卫星通信调制技术卫星导航频段卫星导航频段的选择影响导航系统的传输容量、发射功率、卫星接收天线的大小，接收设备的复杂程度以及成本的高低。电波传播衰减尽可能小天线接收的外界噪声要小

选择频段的要求：频率范围波长符号用途3Hz~30kHz104~108m甚低频VLF音频、电话、数据终端长距离导航、时标30~300kHz103~104m低频LF导航、信标、电力线通信300kHz~3MHz102~103m中频MF调幅广播、移动陆地通信、业余无线电3~30MHz10~102m高频HF移动无线电话、短波广播定点军用通信、业余无线电30~300MHz1~10m甚高频VHF电视、调频广播、空中管制、车辆、通信、导航无线电波频率频率范围波长符号用途300MHz~3GHz10~100cm特高频UHF微波接力卫星空间通信、雷达3~30GHz1~10cm超高频SHF微波接力卫星空间通信、雷