《卫星导航系统与定位技术》课件

卫星导航系统与定位技术本课程将带您深入了解卫星导航系统与定位技术，从基本原理到实际应用，并探讨未来发展趋势。课程简介与目标课程目标了解卫星导航系统的基本原理掌握定位技术的关键技术熟悉GNSS的应用领域展望未来发展趋势课程内容本课程涵盖卫星导航系统的发展历程、全球导航卫星系统（GNSS）、卫星信号结构、定位原理、误差分析、定位精度指标、差分定位技术、组合导航技术、GNSS应用、北斗系统特色与优势、未来发展趋势等内容。卫星导航系统的发展历程11957年苏联发射第一颗人造卫星，标志着太空时代的开启21960年代美国开始研制导航卫星系统，并于1964年发射第一颗导航卫星31970年代美国研制成功GPS系统，并于1978年开始正式运行41980年代苏联开始研制GLONASS系统51990年代欧盟启动Galileo系统研制62000年代中国开始研制北斗卫星导航系统全球导航卫星系统（GNSS）概览GPS美国研制，是世界上第一个全球定位系统，也是目前最成熟的系统GLONASS俄罗斯研制，与GPS类似，具有良好的兼容性Galileo欧盟研制，致力于提供全球高精度、高可靠的定位服务BeiDou中国研制，已实现全球覆盖，并不断提升服务性能GPS：全球定位系统系统特点全球覆盖全天候工作高精度定位军用和民用双重用途系统结构由空间部分、地面控制部分和用户设备部分组成，拥有31颗工作卫星，分布在6个轨道面上GLONASS：格洛纳斯系统系统特点全球覆盖兼容GPS信号定位精度较高军用为主，民用开放系统结构由24颗工作卫星组成，分布在3个轨道面上，拥有与GPS类似的结构Galileo：伽利略系统系统特点全球覆盖高精度、高可靠民用为主兼容GPS和GLONASS系统结构由30颗工作卫星组成，分布在3个轨道面上，拥有与GPS类似的结构BeiDou：北斗卫星导航系统系统特点全球覆盖定位精度高具有短报文通信功能支持多种定位模式系统结构由35颗工作卫星组成，分布在3个轨道面上，拥有与GPS类似的结构，并提供多种增值服务GNSS组成部分：空间部分卫星轨道GNSS卫星通常采用中地球轨道（MEO），高度约为20,000公里卫星星座设计卫星星座设计是为了确保全球范围内始终有足够数量的卫星可被用户接收，以便进行定位卫星轨道与星座设计轨道类型GNSS卫星通常采用中地球轨道（MEO），高度约为20,000公里，也包括地球同步轨道（GEO）和低地球轨道（LEO）星座设计卫星星座设计是为了确保全球范围内始终有足够数量的卫星可被用户接收，以便进行定位，通常采用多轨道面、多颗卫星的配置，以提高定位精度和可靠性GNSS组成部分：地面控制部分地面监控站地面监控站用于监测卫星运行状态、接收卫星数据，并向卫星发送控制指令数据处理中心数据处理中心负责处理卫星数据，生成精密星历和钟差数据，并向用户提供定位服务地面监控站与数据处理中心地面监控站地面监控站分布全球，用于监测卫星运行状态、接收卫星数据，并向卫星发送控制指令数据处理中心数据处理中心负责处理卫星数据，生成精密星历和钟差数据，并向用户提供定位服务，确保定位精度的稳定性和可靠性GNSS组成部分：用户设备部分接收机硬件结构接收机主要包括天线、射频前端、信号处理模块、数据处理模块等接收机软件算法接收机软件算法负责接收卫星信号、解码导航电文、进行定位计算等接收机硬件结构1天线接收卫星信号2射频前端放大和滤波卫星信号3信号处理模块对接收到的信号进行处理，提取导航信息4数据处理模块进行定位计算，并将结果输出接收机软件算法信号接收接收机接收卫星信号，并进行放大和滤波导航电文解码解码导航电文，获取卫星轨道信息、时间信息等定位计算根据接收到的信号信息，进行定位计算，确定用户位置卫星信号结构：码、载波与数据伪随机噪声码（PRN码）用于识别不同的卫星，以及进行时间同步导航电文内容包含卫星轨道信息、时间信息、卫星钟差等数据伪随机噪声码（PRN码）码的特点序列长度固定自相关性好互相关性差码的功能用于识别不同的卫星，以及进行时间同步，提高定位精度导航电文内容关键信息卫星轨道信息时间信息卫星钟差电离层延迟模型参数信息更新导航电文信息会定期更新，以确保定位精度的准确性卫星定位原理：距离测量距离测量方法伪距测量技术载波相位测量技术定位精度定位精度取决于测量误差、卫星几何分布等因素伪距测量技术测量原理通过测量接收机收到卫星信号的时间与卫星发送信号的时间差，计算出接收机与卫星之间的距离误差来源伪距测量技术会受到卫星钟差、大气延迟、多路径效应等误差的影响载波相位测量技术测量原理通过测量接收机与卫星之间信号的相位差，计算出接收机与卫星之间的距离优势相位测量技术比伪距测量技术精度更高，但需要进行相位模糊度的解算定位方程的建立与求解方程建立根据接收机与卫星之间的距离，可以建立定位方程方程求解利用最小二乘法或卡尔曼滤波等方法求解定位方程，确定用户位置最小二乘法定位方法原理最小二乘法通过最小化观测值与理论值之间的误差平方和，求解定位方程优势简单易行，计算效率高，适用于静态定位卡尔曼滤波定位方法原理卡尔曼滤波是一种递归算法，它根据之前的状态估计和当前的观测值，估计系统的状态优势适用于动态定位，可以有效滤除噪声，提高定位精度误差来源与误差分析1电离层延迟误差电离层会使卫星信号发生延迟，影响定位精度2对流层延迟误差对流层也会使卫星信号发生延迟，影响定位精度3多路径效应误差卫星信号在传播过程中会被反射和散射，造成多路径效应，影响定位精度4卫星钟差与轨道误差卫星钟差和轨道误差也会影响定位精度5接收机噪声误差接收机内部噪声也会影响定位精度电离层延迟误差影响因素太阳活动电离层密度消除方法利用电离层模型或双频技术进行消除对流层延迟误差影响因素气压温度湿度消除方法利用对流层模型进行消除多路径效应误差误差原理卫星信号被反射和散射，造成多个信号到达接收机，影响定位精度消除方法利用天线设计、信号处理等方法进行消除卫星钟差与轨道误差误差来源卫星钟不稳定轨道预测不准消除方法利用导航电文中提供的卫星钟差和轨道信息进行消除接收机噪声误差噪声类型热噪声闪烁噪声消除方法利用信号处理技术进行滤波和降噪定位精度指标：精度、可靠性、完好性1精度指定位结果与真实位置之间的偏差，通常以米或厘米表示2可靠性指定位系统持续正常工作的概率，通常以百分比表示3完好性指定位系统能够及时发现并避免错误信息出现的程度，通常以时间或概率表示DOP值（DilutionofPrecision）DOP值定义DOP值反映了卫星几何分布对定位精度的影响，值越小，定位精度越高DOP值种类GDOP：几何精度衰减PDOP：位置精度衰减HDOP：水平精度衰减VDOP：垂直精度衰减差分定位技术（DGPS）技术原理利用参考站接收到的卫星信号数据，对用户接收到的信号数据进行校正，提高定位精度应用场景广泛应用于航海、航空、测绘等领域，可以将定位精度提升至米级实时动态定位技术（RTK）技术原理利用参考站接收到的卫星信号数据，对用户接收到的信号数据进行实时校正，实现厘米级的定位精度应用场景广泛应用于工程测量、精密农业、无人驾驶等领域，具有高精度、实时性的特点网络RTK技术技术原理利用多个参考站组成网络，对用户接收到的信号数据进行实时校正，实现厘米级甚至毫米级的定位精度应用场景适用于大范围的实时高精度定位，应用于精准农业、无人机控制等领域组合导航技术：GNSS与惯性导航技术原理将GNSS与惯性导航系统（INS）结合，利用各自的优势，互补不足，实现更高精度、更可靠的定位优势可以克服GNSS信号遮挡、多路径效应等问题，提高定位精度和可靠性GNSS与其他传感器融合融合技术将GNSS与其他传感器，如摄像头、雷达、声呐等融合，实现更丰富、更准确的信息获取应用领域广泛应用于无人驾驶、机器人导航、环境监测等领域GNSS在测量测绘中的应用应用领域地形测绘地籍测量工程测量优势提高测量效率和精度，降低成本GNSS在交通运输中的应用应用领域车辆导航交通管理船舶定位航空导航优势提高交通运输的安全性和效率，减少交通事故发生GNSS在精准农业中的应用应用领域自动驾驶拖拉机精准施肥精准灌溉优势提高农业生产效率和资源利用率，降低生产成本，提高农业效益GNSS在无人机（UAV）中的应用应用领域航拍遥感监测精准喷洒优势提高无人机飞行精度和安全性，拓展无人机应用范围GNSS在智能手机中的应用应用领域地图导航位置共享运动记录优势为人们的生活带来便利，提高生活质量GNSS在应急救援中的应用应用领域人员搜救灾情评估物资运输优势提高救援效率和准确性，减少人员伤亡和财产损失GNSS在电力系统中的应用应用领域电力线路巡检电力设备监控电力调度优势提高电力系统的安全性和可靠性，降低运行成本GNSS在智慧城市中的应用应用领域城市规划交通管理环境监测公共安全优势提高城市管理效率，提升城市居民生活质量北斗系统特色与优势系统特点自主可控服务性能高兼容性好增值服务丰富系统优势北斗系统拥有自主知识产权，服务性能优良，兼容国际主流导航系统，并提供短报文通信、星基增强系统（SBAS）等增值服务短报文通信功能功能特点北斗卫星导航系统支持短报文通信功能，可以实现卫星与地面之间的双向通信应用场景应用于应急救援、海上搜救、灾害监测等领域星基增强系统（SBAS）功能特点SBAS利用卫星广播差分校正信息，提高用户接收机定位精度应用场景适用于航空、航海、陆地交通等领域，提高定位精度和可靠性地基增强系统（GBAS）功能特点GBAS利用地面基站广播差分校正信息，进一步提高用户接收机定位精度应用场景适用于机场、港口、高速公路等区域，实现高精度、实时定位未来GNSS发展趋势1多系统融合与互操作不同GNSS系统之间实现互操作，提供更可靠的定位服务2高精度定位技术不断提升定位精度，实现厘米级甚至毫米级定位3室内定位技术发展室内定位技术，实现室内环境下的精确定位4量子导航技术探索量子导航技术，实现更高精度、更可靠的导航定位多系统融合与互操作融合优势提高定位精度、可靠性和可用性互操作性实现不同GNSS系统之间的数据共享和互操作，提供更全面的服务高精度定位技术技术发展利用更先进的信号处理技术、精密星历和钟差数据等，提高定位精度应用场景应用于无人驾驶、精密农业、工程测量等领域室内定位技术技术类型Wi-Fi定位蓝牙定位超宽带定位应用场景适用于商场、医院、博物馆等室内环境，提供精准的室内导航和位置服务量子导航技术技术原理利用量子效应进行导航定位，具有高精度、抗干扰等特点未来展望量子导航技术有望成为未来导航领域的重要技术方向GNSS安全问题与防护安全问题信号干扰信号欺骗防护措施采用抗干扰技术，提高GNSS系统的抗干扰能力信号干扰与欺骗干扰类型主动干扰被动干扰欺骗类型伪造信号信号重放抗干扰技术技术方法信号处理技术天线设计技术加密技术应用场景应用于军事、航空、航海等领域，提高GNSS系统的安全性和可靠性课程重点回顾1GNSS系统概览了解GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等全球导航卫星系统2卫星信号结构与定位原理掌握卫星信