卫星通信第10章v3概要

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1、1,第十章 卫星定位与导航系统,10.1 卫星导航技术概述 10.2 卫星导航技术基础 10.3 低轨卫星定位系统 10.4 双静止卫星导航系统 10.5 GPS导航系统 10.6 新一代卫星导航系统,2,10.1 卫星导航技术概述,卫星导航技术的发展历史 第一代：Transit（子午仪）系统 1960s，美国 基于多普勒技术和LEO卫星 海军潜艇定位，后转民用 开创卫星导航的历史 定位时间长，精度低 无法定位运动物体,3,卫星导航技术概述 （续）,卫星导航技术的发展历史（续） 第二代，GPS系统 1973，美国国防部NAVSTAR/GPS系统 采用伪测距技术代替多普勒技术 中高轨道卫星代替L

2、EO 原子钟作为时间基准载波相位测距技术 三阶段建设，1993年正式运行 具有全能、全球、全天候、连续、实时的导航、定位和定时能力,4,卫星导航技术概述 （续）,卫星导航系统提供的服务 定位 SPS 标准定位服务，民用，精度14米 PPS 精确定位服务，军用和特许用户 导航 授时 通信,5,卫星导航技术概述 （续）,全球卫星导航系统 NAVSTAR/GPS Galileo（欧洲） GLONASS（俄罗斯） 区域卫星导航系统（GEO） LOCSTAR （欧洲） GEOSTAR（美国） OmniTRACS（美国） “北斗”（中国）,6,10.2 卫星导航技术基础,坐标系和时间体系 坐标系 地球坐标

3、系 惯性坐标系 协议坐标系 大地坐标系 天球坐标系,7,卫星导航技术基础（续）,坐标系和时间体系 时间体系： 世界时 原子时 协调时 GPS时,8,卫星导航技术基础（续）,定位一般原理 测距定位 测速定位 测角定位,9,10.2.1 坐标系和时间体系,地球固定坐标系与惯性坐标系,10,坐标系和时间体系 （续）,地球固定坐标系 坐标轴随地球的自传而移动 与人们实际生活中的感觉一致 适用于描述被定位物体坐标和相对地球的运动状态 惯性坐标系 空间的位置和指向固定 适用于描述各种空间飞行器的运动状态 观察星座确定坐标系,11,10.2.1.1 协议地球坐标系,概念：地球的极移 由于地球不是刚体，瞬时自

4、传轴在地球体内的位置不固定，地极点在地球表面的位置随时间不断移动，这种现象称为极移。 移动周期与振幅 0.1/年 0.2/432天,12,协议地球坐标系,协议地球坐标系 CIO: 国际协议原点 CTP：协议地球坐标系 国际时间局（BIH）定期发布极移数据 WGS84 坐标系（1984年世界大地坐标系） 美国国防部制图局建立并公布 GPS星历参考系和GPS导航坐标系,13,大地水准椭球、基准椭球,地球不是理想球体，圆球代替地球误差大 大地水准面是一假想海面 无潮汐、无温差、无风、无盐 海面分布由地球重力场决定 海水分布面是地球重力场的等位面大地水准面 大地水准面是一不很规则的球面，近似椭球 不同

5、的近似椭球,14,10.2.1.2 大地水准椭球、基准椭球,WGS-84 基准椭球参数,15,基准椭球下的地理坐标,(a),(b),地理坐标与地心固定坐标系坐标的计算,16,基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的关系1地理坐标变换到直角坐标,以WGS-84椭球为基准，地球上任一点的地理坐标，即（，H），可以以下式变换到WGS-84三维直角坐标 (X, Y, Z )： X = ( N + H ) cos cos Y = ( N + H ) cos sin Z = N (1 - e2 ) + H sin 式中,17,由直角坐标(X, Y, Z ) 变换到地理坐标的逆变换式为：,基准椭球下地理坐标与空间

6、直角坐标的关系2直角坐标变换到地理坐标,第二式中，右端的N是纬度的函数，因此，需要迭代求解纬度，直至收敛，然后由第三式求解大地高H。,18,10.2.1.3 天球与天球坐标系,概念 天球 天球赤道 黄道 春分点、秋分点 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系 天球坐标系与惯性坐标系的关系：天球坐标系可以看作一个近似的惯性坐标系,19,10.2.1.4 时间体系,世界时（UT）：从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时。 原子时（AT）：国际时间局目前以大约100台位于世界各地的原子钟的读数，分别以不同的权值作平均，获得综合的时间基准，称为国际原子时。 协调时（UTC）：时间播发中把原子时的秒长和

7、世界时的时刻结合起来的一种时间 ，秒长严格等于原子时的秒长，采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内。,20,时间体系 （续）,GPS时（GPST）：与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。GPS时间在0604 800 s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定的精密参考。,21,10.2.2 卫星定位的一般原理,卫星定位是导航台定位 卫星位置由卫星的轨道参量和星历确定 导航台是导航系统的基准点 卫星定位的一般步骤 已知卫星在某指定坐标系的坐标 测得用户相对于卫星的位置 计算用户在指定坐标系中的坐标,22,卫星定位的一般原理 （续

8、）,卫星导航的必要条件： 卫星的位置 用户相对于卫星的某种观测量,23,卫星定位的一般原理（续）,根据观测量的不同，定位方法分为 测距定位 测速定位 测角定位等,24,卫星定位的一般原理（续）,观测量可以进一步划分为 距离差 距离和 频率 频率差 相位等,25,卫星定位的一般原理（续）,距离测量方法 测时延，转换为距离 测相位差和相位周数，转换为距离 距离差 同上 频移积分 测速度 测多普勒频移,26,卫星定位的一般原理（续）,卫星导航系统分类 低轨道卫星导航系统 双静止轨道卫星导航系统 中高轨道卫星导航系统 用户定位方式分类 有源状态：用户主动发射信号 无源状态：用户只接收信号 用户数量不受

9、限制 终端隐蔽工作 目前普遍采用,27,卫星定位的几何原理,定位参量与位置面,28,定位的原理,几何原理：球面交汇定位、双曲面交汇定位 代数原理： 建立对应于观测量的定位方程 将方程线型化 利用数值算法解方程 方程数量与卫星数量的关系 由于实际观测量存在误差，因此一般说来观测量越多，定位结果越准确。则卫星数量越多，观测值越多，定位结果越准确。,29,10.3 低轨卫星定位系统,低轨卫星的特点 信号强度高 定位基准信号容易获得 需要较多卫星才能实现多重覆盖 卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移 低轨卫星定位系统 原理：利用信号的多普勒频移实现测速，进而实现双曲线交汇定位 典型系统：子午仪系统、

10、搜索救援卫星系统,30,10.3.1 子午仪系统,子午仪系统结构 定位卫星 有效载荷：星历接收和存储设备、高稳定度的频率源 地面站组 用户设备 工作方式：无源被动定位，测量信号的多普勒频移 子午仪系统的工作原理 积分多普勒定位,31,10.3.2 积分多普勒定位技术,多普勒频移与用户速度的关系,32,积分多普勒定位技术（续2）,基于多普勒积分观测量的定位观测方程,33,基于多普勒积分观测量的 定位观测方程,考虑到接收机的本振频率不等于卫星发射频率，上述等式可稍作修改，经整理可得以积分多普勒测量值为观测量的定位观测方程：,式中，r(,)是以用户经纬度的函数形式表示的用户与卫星之间的距离，该式假定

11、用户的高度为已知值,34,定位观测方程的求解 利用泰勒级数将上述观测方程近似线性化，并假定一个初始位置 利用最小二乘算法求解近似解，该解为相对于初始值的偏移量 将偏移量加上初始位置作为新的假定位置，代入原方程，求出相对于假定位置的新的偏移量 重复上述过程，直到前后两次迭代之间的偏移量解足够小,基于多普勒积分观测量的 定位观测方程 （续）,35,星历误差 频率源漂移误差 多普勒计数及频移跟踪误差 用户运动速度产生的误差 影响子午仪系统定位使用的主要原因,主要误差因素,36,10.4 双静止卫星导航系统,发展双静止卫星导航系统的原因 区域定位 投资省 有利于多种服务的实现 特点：主动式有源定位,3

12、7,系统结构,空间段： 23颗静止卫星，主要载荷为透明转发器。其中一颗卫星上配置两套转发器，另一颗配置一套转发器 地面站 地面中心（主控站和计算中心）、测轨站、测高站、校准站等。完成测距信号发送、集中式位置解算。地面中心的坐标已知 用户终端 测距请求的发送、测距信号的转发，位置结果的显示,38,系统工作原理工作过程,1)地面中心对其中一颗卫星连续发射含有测距码、地址电文、时间码的询问脉冲束或询问信号； 2)询问信号经卫星变频、放大，转发到测站； 3)测站接收询问信号，并注入必要信息，再变频、放大，向二颗卫星发射电文作为应答信号； 4)二颗卫星收到应答电文，并再把它们变频、放大，转发到地面中心站

13、； 5)地面中心站处理接收到的应答电文，得到测站坐标或交换电报信息； 6)中心站再经卫星把处理后的信息送给测站(用户)，测站(用户)收到所需信息显示或输出。,39,系统工作原理,系统模型和导航定位方程 球面交汇定位，导航观测方程：,由前述工作过程可知，观测量D为距离和。 特点： 由于只有两颗卫星可用，为确定三维坐标，需要知道大地高,40,主要误差因素,卫星和地面中心的位置误差； 电波传播误差，包括电波在大气中传播产生的误差及设备延时误差； 测量误差，包括距离测量误差、高程误差、钟误差等。距离测量误差主要取决于伪码锁定环路的跟踪误差。高度误差主要取决于数字地图的精度或测高仪器的精度； 定位滞后误

14、差。,41,10.5 GPS导航系统,10.5.1 系统结构 空间段：由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成特定星座，高度20200km（截至2006年7月工作卫星总数已达29颗），有效载荷包括原子钟和导航电文存储器等,42,10.5.1 GPS导航系统结构,43,GPS导航系统结构 （续）,地面站 包括主控站(1)、监测站(5)、注入站(3)。监控卫星运行情况，产生准确星历数据及钟差、状态、大气传播改正等参数，形成并注入导航电文 。 上行注入每天12次，每次注入14天星历，以提高可靠性,44,GPS导航系统结构 （续）,用户终端 无源被动定位：接收导航电文，完成导航参量的测量和定位解算任务，并可

15、加以显示 类型： 使用环境：低动态型、高动态型； 信号种类：测量型、授时型、导航型和姿态测量型 ； 精度：单频粗码（C/A码）和双频精码型 载体：机载、弹载、星载、舰载、车载、手持,45,10.5.2 系统工作原理 测距信号结构,基本定位原理伪随机码测距 信号结构：,46,10.5.3 测距信号结构,C/A码 粗测距码，GOLD码 码率1.023Mbps，周期1ms P码 精测距码，级联码 码率10.23Mbps ，码长为2.351014 bit ，周期7天（截断码周期） P码由于精度高，实际被限制使用，具体限制方法是加密，形成Y码（AS政策）,47,10.5.4 基本定位方法和数学模型 按观

16、测量划分,1.伪随机码测距定位 观测量的获取：扩频伪随机信号滑动相关,伪距定位观测方程：,式中：, 卫星发射信号时的理想GPS时刻； 接收机收到该卫星信号时的理想GPS时刻； 卫星发射信号时的卫星钟时刻； 接收机收到该卫星信号时的接收机钟时刻； tus 通过测量得到的由卫星到接收机的信号传播时间； ts 卫星钟相对理想GPS时钟的钟差； tu 接收机钟相对于理想GPS时钟的钟差 电离层附加延时,以用户位置坐标形式表示为：,49,2. 载波相位观测量定位 优点：波长短，定位精确 缺点：存在相位模糊度，算法复杂,载波相位测量定位的观测方程,式中：, 波长 N01 初始相位整周模糊度 N(tj-t0)相位整周测量值 （tj）分数测量值 D 星地几何距离 ts卫星钟差 tu用户钟差 电离层附加延时,51,整周相位模糊度的求解方法 伪距法 模糊函数法 双频P码伪距法 最小