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第1章 緒論,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) NNSS／Transit——始于1960年，美國 CICADA——始于1965年，前蘇聯(lián) 1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) GPS——始于1973年，美國 GLONASS——始于1982年，前蘇聯(lián) NAVSAT——始于1982年，歐洲空間局 CASP——始于2000年，中國 Galileo——始于2005年，歐洲,1,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NNSS（Navy Navigation Satellite System）／Transit 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),2,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NNSS的組成 衛(wèi)星星座 6顆獨(dú)立軌道的極軌衛(wèi)星 地面系統(tǒng) 4個(gè)衛(wèi)星跟蹤站、1個(gè)計(jì)算中心、1個(gè)控制中心、2個(gè)注入站、1個(gè)天文臺(tái),3,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NNSS的技術(shù)特點(diǎn) 定軌精度 在衛(wèi)星跟蹤技術(shù)條件一定，使用相同的地球重力場(chǎng)模型且攝動(dòng)修正精度一定的情況下，衛(wèi)星定軌精度主要取決于地面跟蹤站的數(shù)量及其分布，一般來說跟蹤站越多、分布越廣計(jì)算出的衛(wèi)星軌道就越精確。,4,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NNSS的技術(shù)特點(diǎn) 廣播星歷 是由美國本土的4個(gè)衛(wèi)星跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算的。因測(cè)站數(shù)量及分布范圍都小，故衛(wèi)星定軌精度不高。廣播星歷所預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置的切向誤差±17m；徑向誤差±26m；法向誤差±8m。 精密星歷 是由美國國防制圖局根據(jù)全球20個(gè)衛(wèi)星跟蹤站的觀測(cè)資料解算的，因測(cè)站數(shù)量多且分布范圍廣故衛(wèi)星定軌精度較高。精密星歷所預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置精度為± 2m。,5,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),衛(wèi)星性能 限于早期火箭的運(yùn)載能力，子午衛(wèi)星的重量、體積都很小。星體直徑約為50公分，衛(wèi)星重量為45~73公斤。如此輕巧的衛(wèi)星如何保持姿態(tài)穩(wěn)定，使衛(wèi)星天線始終指向地面在當(dāng)時(shí)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)（使用衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)無法解決燃料的長期供應(yīng)，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的）。美國科學(xué)家巧妙地利用重力梯度穩(wěn)定，使衛(wèi)星的天線始終指向地面。他們?cè)谛l(wèi)星天線的指向端接了一條30米長的穩(wěn)定桿，桿端配有一個(gè)1.4公斤的重錘，在重力的作用下重錘始終把長桿和天線拉向下方，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定。衛(wèi)星還裝有4塊太陽能電池板，給衛(wèi)星提供所需的電能。,6,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),衛(wèi)星信號(hào) 衛(wèi)星配有一臺(tái)頻率相當(dāng)穩(wěn)定的鐘，由此產(chǎn)生一個(gè)頻率為4.9996MHz基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過倍頻器分別倍頻30和80倍后，形成兩個(gè)頻率為149.988MHz和399.968MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供衛(wèi)星使用。,7,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),定位精度 多普勒定位儀利用廣播星歷的單機(jī)定位精度一般為10m左右,若觀測(cè)100次衛(wèi)星通過后的測(cè)量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為3～5m地心坐標(biāo)；如果利用精密星歷觀測(cè)40次衛(wèi)星通過的測(cè)量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為0.5~1m地心坐標(biāo)；為了消除公共誤差提高定位精度，可利用2臺(tái)以上的多普勒定位儀進(jìn)行聯(lián)測(cè)，一般聯(lián)測(cè)的定位精度為0.5m 。,8,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NNSS的定位原理 子午衛(wèi)星的定位原理是通過測(cè)定同一顆衛(wèi)星不同間隔時(shí)段其信號(hào)的多普勒效應(yīng)，從而確定衛(wèi)星在各時(shí)段相對(duì)觀察者的視向速度和視向位移，再利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給定的t1、t2、t3、t4…時(shí)刻的衛(wèi)星空間坐標(biāo)，結(jié)合對(duì)應(yīng)的視向位移則可解算出測(cè)站空間坐標(biāo)P（X，Y，Z）。,9,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),多普勒定位的幾何原理 衛(wèi)星在t1、t2、t3、t4…點(diǎn)上的坐標(biāo)是已知的，而任意兩個(gè)相鄰已知點(diǎn)到待定點(diǎn)P的距離差（即視向位移）已通過多普勒效應(yīng)測(cè)定。在數(shù)學(xué)上我們知道，一個(gè)動(dòng)點(diǎn)P到兩個(gè)定點(diǎn)的距離差為一定值時(shí)，該動(dòng)點(diǎn)P則構(gòu)成一個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，這兩個(gè)定點(diǎn)就是該雙曲面的焦點(diǎn)。于是以衛(wèi)星所在的t1、t2、t3、t4…任意兩個(gè)相鄰已知,10,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),定點(diǎn)作焦點(diǎn)，未知點(diǎn)P作動(dòng)點(diǎn)均構(gòu)成對(duì)應(yīng)的特定旋轉(zhuǎn)雙曲面。其中兩個(gè)雙曲面相交為一曲線（P點(diǎn)必在該曲線上），曲線與第三個(gè)雙曲面相交于兩點(diǎn)（其中一點(diǎn)必為P點(diǎn)），第四個(gè)雙曲面必與其中一點(diǎn)相交——該點(diǎn)就是待定的P（X、Y、Z）點(diǎn)。因此要解算P點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須對(duì)同一顆衛(wèi)星要有四個(gè)積分間隔時(shí)段的觀測(cè)，得出衛(wèi)星在四段時(shí)間間隔的視向位移。從而獲得四個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，它們的公共交點(diǎn)就是待定點(diǎn)P（X、Y、Z）。,11,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NNSS的缺陷 衛(wèi)星少，不能實(shí)時(shí)定位 軌道低，難以精密定軌 頻率低，難以補(bǔ)償電離層效應(yīng)的影響,12,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),CICADA CICADA是前蘇聯(lián)海軍于1965年開始建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。與NNSS系統(tǒng)相似，CICADA系統(tǒng)也為第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由12顆所謂的宇宙衛(wèi)星構(gòu)成CICADA衛(wèi)星星座。,13,1.1 早期的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),主要參數(shù) （1）衛(wèi)星高度：1000km （2）與赤道面夾角：83° （3）衛(wèi)星的運(yùn)行周期：105min （4）衛(wèi)星重量：680～700kg （5）導(dǎo)航信號(hào)的發(fā)送頻率：150MHz（作為載波傳送導(dǎo)航電文）／400 MHz（僅用于削弱電離層效應(yīng)的影響）,14,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NAVSTAR （Navigation by Satellite Timing and Ranging ）／GPS（Global Positioning System） 衛(wèi)星測(cè)時(shí)測(cè)距導(dǎo)航／全球定位系統(tǒng),15,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS的組成 衛(wèi)星星座 全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由分布在六個(gè)獨(dú)立軌道的24顆GPS衛(wèi)星組成（其中包括3顆備用衛(wèi)星），平均每個(gè)軌道上分布4顆衛(wèi)星，各軌道升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°。衛(wèi)星軌道傾角i =55°；衛(wèi)星運(yùn)行周期T=11h58m（恒星時(shí)12小時(shí)）；衛(wèi)星高度H=20200km；衛(wèi)星通過天頂附近時(shí)可觀測(cè)時(shí)間為5小時(shí)，在地球表面任何地方任何時(shí)刻高度角15度以上的可觀測(cè)衛(wèi)星至少有4顆，平均有6顆，最多達(dá)11顆。,16,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),地面系統(tǒng) 地面設(shè)有5個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)跟蹤站； 1個(gè)主控站；3個(gè)信息注入站。5個(gè)監(jiān)測(cè)站分別位于夏威夷、科羅拉多、阿松森、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)、大氣數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星工作狀態(tài)。通過主控站的遙控指令監(jiān)測(cè)站自動(dòng)采集各種數(shù)據(jù)：對(duì)可見GPS衛(wèi)星每6分鐘進(jìn)行一次偽距測(cè)量和多普勒積分觀測(cè)、采集氣象要素等數(shù)據(jù)，每15分鐘平滑一次觀測(cè)數(shù)據(jù)。所有觀測(cè)資料經(jīng)計(jì)算機(jī)初處理后儲(chǔ)存和傳送到主控站，用以確定衛(wèi)星的精確軌道。計(jì)算機(jī)初處理后儲(chǔ)存和傳送到,17,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),主控站，用以確定衛(wèi)星的精確軌道。主控站設(shè)在美國科羅拉多州的一個(gè)軍事基地的山洞里。主控站主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)各監(jiān)測(cè)站資料，推算預(yù)報(bào)各衛(wèi)星的星歷、鐘差和大氣修正參數(shù)編制導(dǎo)航電文；對(duì)監(jiān)測(cè)站的鐘差、偏軌或失效衛(wèi)星實(shí)行調(diào)控和調(diào)配。并將導(dǎo)航電文、指令傳送到注入站。3個(gè)注入站分別位于阿松森、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭——赤道帶附近的美國海外空軍基地。注入站主要任務(wù)是：將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文、控制指令注入相應(yīng)的衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)GPS衛(wèi)星注入信息的正確性。,18,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS的技術(shù)特點(diǎn) 定軌精度 目前的GPS衛(wèi)星的跟蹤技術(shù)條件，以及地球重力場(chǎng)模型的球階函數(shù)的引力攝動(dòng)修正等等精確定軌的推算技術(shù)手段，都比70年代高明得多，因此衛(wèi)星定軌精度也比過去高得多。 衛(wèi)星性能 GPS衛(wèi)星直徑1.5米；重量為843.68公斤（包括310公斤燃料）；GPS衛(wèi)星通過12根螺旋陣列天線發(fā)射張角約,19,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),為30度的電磁波束垂直指向地面。GPS衛(wèi)星采用陀螺儀與姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成的三軸穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定，從而使天線始終指向地面。衛(wèi)星還裝有8塊太陽能電池翼板（7.2 m2），三組15A的鎳鎘蓄電池為衛(wèi)星提供所需的電能。 衛(wèi)星信號(hào) 衛(wèi)星配有4臺(tái)頻率相當(dāng)穩(wěn)定（量時(shí)精度為10-13秒）的原子鐘（2臺(tái)銫鐘，2臺(tái)銣鐘），由此產(chǎn)生一個(gè)頻率為: 10.23MHz的基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過倍頻器降低10倍的頻率后，成為頻率為1.023MHz測(cè)距粗碼（C/A,20,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)的頻率10.23MHz，直接成為測(cè)距精碼（P碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)經(jīng)過倍頻器降低204600倍的頻率后，成為頻率為50BPS數(shù)據(jù)碼（衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文的編碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)再經(jīng)過倍頻器倍頻150倍和120倍頻后，分別形成頻率為1575.42MHz（L1）與1227.60MHz（L2）載波信號(hào)。測(cè)距用的碼頻信號(hào)控制著移位寄存器的觸發(fā)端，從而產(chǎn)生與之頻率一致的偽隨機(jī)碼（測(cè)距碼），測(cè)距碼與數(shù)據(jù)碼模二相加后再調(diào)制到L1 L2載波信號(hào)上通過衛(wèi)星天線陣列發(fā)送出去。值得指出的是：無論是測(cè)距碼的波長還是載波信號(hào)的波長，都是測(cè)量GPS衛(wèi)星到觀測(cè)點(diǎn)距離的物理媒體，它們的頻率越高波長越短所測(cè)量的距離精度就越高，定位精度也就越高。另外C/A碼除了用于測(cè)距外，它還用于識(shí)別鎖定衛(wèi)星和解調(diào)導(dǎo)航電文以及捕獲P碼。,21,,,22,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),定位精度 利用偽隨距碼（測(cè)距碼）的信號(hào)單機(jī)測(cè)量，理論上按照目前測(cè)距碼的對(duì)齊精度約為碼波長的1/100計(jì)算，測(cè)距粗碼 （C/A碼）的測(cè)距精度約為±3m； 而測(cè)距精碼（P碼）的測(cè)距精度約為±0.3m 。為了消除公共誤差提高定位精度，可利用2臺(tái)以上的載波相位GPS定位儀實(shí)行聯(lián)測(cè)定位，對(duì)于載波信號(hào)單頻機(jī)的相對(duì)定位精度可達(dá):±（5mm+2ppm×D）其中D為兩臺(tái)儀器的相對(duì)距離；對(duì)于載波信號(hào)雙頻機(jī)，它能有效的消除電離層延時(shí)誤差，其相對(duì)定位精度可達(dá):±(1mm+1ppm×D)；,23,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),全球定位技術(shù)不但精度高，而且定位速度快，可以滿足飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等高速運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航定位的需要。,24,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS的定位原理 GPS定位的幾何原理并不復(fù)雜，它是利用測(cè)距交會(huì)的原理確定測(cè)點(diǎn)位置的。,25,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),美國對(duì)GPS用戶的限制性政策 對(duì)不同的GPS用戶提供不同的服務(wù)方式 GPS系統(tǒng)在信號(hào)設(shè)計(jì)方面就區(qū)分了兩種精度不同的定位服務(wù)方式：標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)方式（SPS）和精密定位服務(wù)方式（PPS）。 SPS通過美國軍方已經(jīng)公開的粗／截獲碼（C/A碼）解調(diào)廣播星歷的導(dǎo)航電文，進(jìn)行定位測(cè)量，其單點(diǎn)定位精度約為20～40m。 PPS是美國軍方或者美國同盟國的特許用戶使用的，其,26,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),單點(diǎn)定位精度約為2～4m。使用這種服務(wù)方式一定要事先知道加密碼（W碼）和精碼（P碼）的編碼結(jié)構(gòu)。否則便無法解調(diào)鎖定的P碼進(jìn)而解讀精密星歷，實(shí)施精密測(cè)距。因此W碼與P碼對(duì)于非特許用戶是絕對(duì)保密的。 選擇性可用（SA）政策——對(duì)SPS實(shí)施干擾 為了進(jìn)一步降低SPS的定位精度，以保障美國政府的利益與安全，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的衛(wèi)星信號(hào)實(shí)施δ技術(shù)和ε技術(shù)的人為干擾。,27,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),δ技術(shù)——將鐘頻信號(hào)加入高頻抖動(dòng)使C/A碼波長不穩(wěn)定。 ε技術(shù)——將廣播星歷的衛(wèi)星軌道參數(shù)加入人為誤差，降低定位精度。 在SA政策的影響下，SPS的垂直定位精度降為±150m，水平定位精度降為±100m。科學(xué)家利用GPS差分技術(shù)，可以明顯削弱SA政策導(dǎo)致的系統(tǒng)性誤差的影響。但對(duì)于使用PPS的特許用戶，則可以通過密匙自動(dòng)消除SA影響。 SA政策1991年7月1日實(shí)施，因影響美國商業(yè)利益，于2000年5月2日取消SA政策。,28,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),反電子欺騙（AS）技術(shù)——對(duì)P碼實(shí)施加密 盡管P碼的碼長是一個(gè)非常驚人的天文數(shù)字（碼長為2.35×1014比特）至今無法破譯，但是美國軍方還是擔(dān)心一旦P碼被破譯，在戰(zhàn)時(shí)敵方會(huì)利用P碼調(diào)制一個(gè)錯(cuò)誤的導(dǎo)航信息，誘騙特許用戶的GPS接收機(jī)錯(cuò)鎖信號(hào)——導(dǎo)致錯(cuò)誤導(dǎo)航。為了防止這種電子欺騙，美國軍方將在必要時(shí)引入W碼，并通過P碼與W碼的模二相加轉(zhuǎn)換為Y碼，即對(duì)P碼實(shí)施加密保護(hù)：由于W碼對(duì)非特許用戶是嚴(yán)格保密的，所以非特許用戶將無法應(yīng)用破密的P碼進(jìn)行精密定位和實(shí)施上述電子欺騙。,29,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GLONASS（Global Navigation Satellite System） 全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng),30,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GLONASS的組成 衛(wèi)星星座 由24顆衛(wèi)星組成（另加1顆備用衛(wèi)星），平均每個(gè)軌道上分布8顆衛(wèi)星，各軌道升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差120°；軌道偏心率e=0.01；衛(wèi)星軌道傾角i =64.8°；衛(wèi)星運(yùn)行周期T=11h15min（恒星時(shí)11.28小時(shí)）；衛(wèi)星高度H=19100km；衛(wèi)星設(shè)計(jì)的使用壽命為4.5年，直至1995年衛(wèi)星星座布成，經(jīng)過數(shù)據(jù)加載、調(diào)整和檢驗(yàn)，已于1996年1月18日整個(gè)系統(tǒng)正式運(yùn)轉(zhuǎn)。,31,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),地面系統(tǒng) 地面控制站組（GCS）設(shè)有1個(gè)系統(tǒng)控制中心（在莫斯科區(qū)的Golitsyno-2），1個(gè)指令跟蹤站（CTS），整個(gè)跟蹤網(wǎng)絡(luò)分布于俄羅斯境內(nèi)；CTS跟蹤遙測(cè)著所有GLONASS可視衛(wèi)星，對(duì)其進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)的采集和處理，并向各衛(wèi)星發(fā)送控制指令和導(dǎo)航信息。在GCS內(nèi)裝有激光測(cè)距設(shè)備對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)作周期修正，為此所有的GLONASS衛(wèi)星上都裝有激光反射鏡。,32,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GLONASS的技術(shù)特點(diǎn) 衛(wèi)星信號(hào) 每顆GLONASS衛(wèi)星配有銫原子鐘，以便為所有星載設(shè)備提供高穩(wěn)定的時(shí)標(biāo)信號(hào)。GLONASS衛(wèi)星同樣向地面發(fā)射兩種載波信號(hào)，L1載波信號(hào)的頻率為1602~1616MHz ；L2載波信號(hào)的頻率為1246~1256MHz ；其中L1載波信號(hào)為民用，L2載波信號(hào)為軍用。GLONASS衛(wèi)星之間的識(shí)別方法采用頻分復(fù)用制（FDMA），L1載波信號(hào)的頻道間隔為0.5625 MHz，L2載波信號(hào)的頻道間隔為0.4375 MHz 。,33,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GLONASS衛(wèi)星測(cè)距粗／截獲碼（C/A碼）的碼頻0.511MHz 碼長為511比特，重復(fù)周期為1ms ；GLONASS衛(wèi)星也采用類似GPS信號(hào)的P碼， 盡管前蘇聯(lián)嚴(yán)格保密，英國立茨大學(xué)G.R.Lennen博士還是成功地破譯了P碼。 定位精度 （1）水平精度：±50～70m；垂直精度：±75m； （2）測(cè)速精度：±15cm/s； 授時(shí)精度：±1μs GLONASS的定位原理與GPS相同,34,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),俄羅斯聯(lián)邦政府對(duì)GLONASS的使用政策 早在1991年俄羅斯聯(lián)邦政府就首先宣稱：GLONASS可供國防和民間使用，不帶任何限制、不引入“選擇可用性（SA）”機(jī)制，也不計(jì)劃對(duì)用戶收費(fèi)，該系統(tǒng)將在完全布滿星座后遵照以公布的性能運(yùn)行至少15年。俄羅斯空間部隊(duì)的合作科學(xué)信息中心作為GLONASS系統(tǒng)狀態(tài)信息的用戶接口，正式向用戶公布GLONASS系統(tǒng)咨詢通告。1995年3月7日俄羅,35,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),斯聯(lián)邦政府簽署了一項(xiàng)“有關(guān)GLONASS面向民用得行動(dòng)指導(dǎo)”的法令，確認(rèn)了由民間用戶早期啟用GLONASS系統(tǒng)的可能性。俄羅斯聯(lián)邦政府對(duì)GLONASS系統(tǒng)的使用政策，使得美國的GPS定位儀的生產(chǎn)商對(duì)美國政府實(shí)施的SA政策大為不滿，考慮到美國的商業(yè)利益美國政府最后不得不于2000年5月2日取消SA政策。,36,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NAVSAT（Navigation Satellite） 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),37,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),歐洲空間局于1982年提出建議，希望通過國際合作，建立一種民用的NAVSAT（Navigation Satellite）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以滿足海、空導(dǎo)航、搜索、營救、進(jìn)出港、民航機(jī)著陸等需要。,38,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),NAVSAT 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)采用6顆地球同步衛(wèi)星（GEO）和12顆高橢圓軌道衛(wèi)星（HEO）組成混合衛(wèi)星星座。12顆HEO衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)相互對(duì)稱的軌道平面內(nèi)，軌道傾角為63.45°。衛(wèi)星高度為20178km，運(yùn)行周期約為11h58min。6顆GEO衛(wèi)星同處于一個(gè)軌道平面內(nèi)。地面上任何一點(diǎn)任何時(shí)間至少可以看到4顆NAVSAT衛(wèi)星，達(dá)到全天候、實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位。,39,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),CASP “北斗一號(hào)” 導(dǎo)航定位系統(tǒng),40,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),1982年7月，美國L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose三位科學(xué)家提出主動(dòng)式衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)，并于1982年12月完成了總體設(shè)計(jì)，定名為GEOSTAR。該系統(tǒng)是一個(gè)局域?qū)崟r(shí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，據(jù)1991年9月的報(bào)導(dǎo)，由于GEOSTAR系統(tǒng)缺乏競(jìng)爭(zhēng)能力，擬投資的用戶日漸減少，最后不得不中斷該系統(tǒng)的建設(shè)。 中國類似GEOSTAR系統(tǒng)的“北斗一號(hào)” 導(dǎo)航定位系統(tǒng)CASP是我國完全自主完成的導(dǎo)航定位的衛(wèi)星系統(tǒng)。系統(tǒng)由兩顆靜止在赤道上空,41,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),的同步衛(wèi)星構(gòu)成，是2000年10月31日和12月31日分別用長征三號(hào)甲火箭在西昌發(fā)射基地發(fā)射的，為雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星分別定位于東經(jīng)80°和140°的準(zhǔn)同步軌道上。其服務(wù)范圍包括中國大陸、臺(tái)灣、南沙及其它島嶼、中國海、日本海、太平洋部分海域及我國部分周邊地區(qū)。該系統(tǒng)的第三顆同步靜止定位衛(wèi)星，在2003年5月25日發(fā)射，于6月3日5時(shí)順利定點(diǎn)，系統(tǒng)大功告成。它標(biāo)志看中國擁有自主的衛(wèi)星,42,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),導(dǎo)航系統(tǒng)了。美國第一個(gè)擁有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），繼前蘇聯(lián)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）后，我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是世界上第三個(gè)具有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。,43,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),CASP的主要功能 快速定位 確定用戶地理位置，為用戶及主管部門提供導(dǎo)航。水平定位精度100m，差分定位精度小于20m。定位響應(yīng)時(shí)間：1類用戶5s、2類用戶2s、3類用戶1s。定位更新時(shí)間小于1s。一次性定位成功率95％。,44,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),簡(jiǎn)短通信 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數(shù)字報(bào)文通信能力，一般1次可傳輸36個(gè)漢字，經(jīng)核準(zhǔn)的用戶利用連續(xù)傳送方式還可以傳送120個(gè)漢字。 精密授時(shí) 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向2種授時(shí)功能，根據(jù)不同的精度要求，利用定時(shí)用戶終端，完成與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時(shí)間和頻率同步，提供100ns（單向授時(shí)）和20ns（雙向授時(shí)）的時(shí)間同步精度。,45,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),CASP的定位原理 1982年提出“雙星主動(dòng)式衛(wèi)星定位系統(tǒng)”，采用3球交會(huì)測(cè)星原理進(jìn)行定位。2顆衛(wèi)星為球心，2球心至用戶的距離為半徑可作2球面；另一個(gè)球面是以地心為球心，以用戶所在點(diǎn)至地心的距離為半徑的球面；3個(gè)球面的會(huì)交點(diǎn)即為用戶的位置。,46,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),CASP的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單投資少.而最大缺點(diǎn)是他只能實(shí)施局域定位，接收發(fā)射機(jī)功率大且笨重還會(huì)暴露用戶目標(biāo)，在戰(zhàn)時(shí)這是兵家最忌諱的事情。,47,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),顯然，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的工作過程是比較繁瑣的，但是它采用碼分多址（CDMA）制式，抗干擾能力大大優(yōu)于現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)民用交通系統(tǒng)雖然存在著用戶數(shù)量有限，每秒鐘容納用戶150個(gè)左右，不能覆蓋全球，對(duì)數(shù)字地圖的依賴性等不足之處。但是，它是我國自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不受他國的制約，深遠(yuǎn)意義不言而喻。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是具有通信功能，充分發(fā)揮它的潛力，作用是非常大。,48,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),ENSS（European Navigation Satellite System）／GNSS-2／Galileo 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),49,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),Galileo計(jì)劃是一種中高度圓軌道衛(wèi)星定位方案。 Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建立將于2007年底之前完成，2008年投入使用，總共發(fā)射30顆衛(wèi)星，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為候補(bǔ)衛(wèi)星。衛(wèi)星高度為24126km，位于3個(gè)傾角為56度的軌道平面內(nèi)。該系統(tǒng)除了30顆中高度圓軌道衛(wèi)星外，還有2個(gè)地面控制中心。,50,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),Galileo定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) Galileo系統(tǒng)是世界上第一個(gè)基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在2008年投入運(yùn)行后，全球的用戶將使用多制式的接收機(jī)，獲得更多的導(dǎo)航定位衛(wèi)星的信號(hào)，將無形中極大地提高導(dǎo)航定位的精度，這是Galileo計(jì)劃給用戶帶來的直接好處。另外，由于全球?qū)⒊霈F(xiàn)多套全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，從市場(chǎng)的發(fā)展來看，將會(huì)出現(xiàn)GPS系統(tǒng)與Galileo系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的局面，競(jìng)爭(zhēng)會(huì)使用戶得到更穩(wěn)定的信號(hào)、更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。世界上多套全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)并存，相互之間的制約和互補(bǔ)將是各國大力發(fā)展全球?qū)Ш蕉ㄎ划a(chǎn)業(yè)的根本保證。,51,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),Galileo計(jì)劃是歐洲自主、獨(dú)立的全球多模式衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提供高精度，高可靠性的定位服務(wù)，實(shí)現(xiàn)完全非軍方控制、管理，可以進(jìn)行覆蓋全球的導(dǎo)航和定位功能。 Galileo系統(tǒng)還能夠和美國的GPS、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)內(nèi)的相互合作，任何用戶將來都可以用一個(gè)多系統(tǒng)接收機(jī)采集各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或者各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組合來實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的要求。,52,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),Galileo系統(tǒng)可以發(fā)送實(shí)時(shí)的高精度定位信息，這是現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所沒有的，同時(shí)Galileo系統(tǒng)能夠保證在許多特殊情況下提供服務(wù)，如果失敗也能在幾秒鐘內(nèi)通知客戶。與美國的GPS相比， Galileo系統(tǒng)更先進(jìn)，也更可靠。美國GPS向別國提供的衛(wèi)星信號(hào)，只能發(fā)現(xiàn)地面大約10米長的物體，而Galileo的衛(wèi)星則能發(fā)現(xiàn)1米長的目標(biāo)。一位軍事專家形象地比喻說，GPS系統(tǒng)，只能找到街道，而Galileo則可找到家門。,53,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),GPS與GLONASS系統(tǒng)的比較 GPS和GLONASS系統(tǒng)有很多相似之處，但很明顯GLONASS努力采用較少的衛(wèi)星數(shù)量。對(duì)于較高的緯度，GLONASS由于具有較高的軌道傾角而更受青睞。 GLONASS的碼率大約為GPS的一半，若GPS的精度不受SA的約束，GLONASS則不會(huì)有定位精度的優(yōu)勢(shì)。,54,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的分類 按用戶是否發(fā)射信號(hào)分類 （1）無源系統(tǒng) 僅由衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，用戶只需裝備接收設(shè)備，就可以接收該系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位。這種無源系統(tǒng)也稱為被動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS、GLONASS、NAVSAT都是屬于被動(dòng)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。由于用戶不發(fā)射信號(hào)，所以隱蔽性好，且用戶數(shù)量不受限制。但衛(wèi)星設(shè)備和用戶設(shè)備都較復(fù)雜。,55,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),（2）有源系統(tǒng) 用戶設(shè)備要同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)，隱蔽性不好，但衛(wèi)星設(shè)備和用戶設(shè)備較簡(jiǎn)單。有源系統(tǒng)也稱主動(dòng)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如GEOSTAR。 按測(cè)量的參數(shù)分類 （1）測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng) 通過測(cè)量衛(wèi)星與用戶之間的距離進(jìn)行定位的系統(tǒng)?？煞譃闊o源測(cè)距和有源測(cè)距。測(cè)距的方法有電磁波測(cè)距和激光測(cè)距兩種。激光測(cè)距比電磁波測(cè)距精確，但成本高，因而使用較少。,56,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),（2）測(cè)距離差導(dǎo)航系統(tǒng) 在同一時(shí)刻對(duì)幾顆衛(wèi)星進(jìn)行距離測(cè)量，或在幾個(gè)位置上對(duì)同一衛(wèi)星測(cè)量距離，利用距離差來定位。 （3）衛(wèi)星多普勒導(dǎo)航系統(tǒng) 衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行，由于衛(wèi)星與衛(wèi)導(dǎo)儀之間的距離在變化，要產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，使衛(wèi)導(dǎo)儀接收到的衛(wèi)星信號(hào)頻率和衛(wèi)星發(fā)射頻率之間相差一個(gè)多普勒頻率，或稱多普勒頻移。多普勒頻率與衛(wèi)星和衛(wèi)導(dǎo)儀之間的距離變化率成正比，所以用它來確定衛(wèi)導(dǎo)儀與衛(wèi)星的相對(duì)位置。用測(cè)量衛(wèi)星多普勒頻率實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的系統(tǒng)，稱為衛(wèi)星多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)。子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是一種衛(wèi)星多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)。,57,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),（4）測(cè)角導(dǎo)航系統(tǒng) 用確定一顆或者多顆衛(wèi)星相對(duì)于某一基準(zhǔn)方向的夾角（例如仰角）來實(shí)現(xiàn)定位。 （5）混合系統(tǒng) 同時(shí)采用上述兩種及以上測(cè)量方法的系統(tǒng)。例如測(cè)距法和測(cè)量多普勒頻移積分值相結(jié)合。,58,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),按衛(wèi)星運(yùn)行軌道的高度分類 （1）低軌道（近地軌道）：900～2,700km （2）中高軌道：13,000～20,000km （3）同步軌道：36,000km 按是否連續(xù)定位分類 （1）連續(xù)定位的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （2）間斷定位的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),59,1.2 目前的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),按工作區(qū)域分類 全球覆蓋系統(tǒng) 區(qū)域覆蓋系統(tǒng),60,