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1、1,GPS导航应用,2,第2章 导航发展简史,3,第1节 定位、测速与测时,4,何时？何地？是最常被提及的问题 时间、位置与运动状态是物体的基本外在属性,时间、位置与运动状态,？,？,5,测时、定位与测速,确定时间、位置与运动状态的技术方法就是测时、定位与测速,用于测时的原子钟,用于导航定位GPS导航仪,6,定位与导航,定位 确定目标的空间位置 导航 获取载体的空间位置，并控制其从一点到另一点的运动的过程或技术方法 定位与导航的关系 定位是导航的一项关键技术,X,Y,Z,(x, y, z),定位,导航,7,朴素的导航方法,导航方法 天体位置 自然景观 人工建筑 自然现象 生物活动 指南针/罗盘
2、,太阳,亚历山大的法洛斯灯塔,苔藓,老马识途,司南,北斗七星,8,朴素的定位方法,定位方法 最邻近法 利用最相邻的目标进行定位 参照物法 根据相对于某一参照物的方位和距离进行定位,最邻近法,参照物法,参照物,定位目标,9,朴素的授时与测时,授时与测时方法 天体位置或形态 太阳高度（角） 月相 生物活动 鸡鸣 简单计时器 沙漏 燃香,通过观察太阳来估计时间,通过雄鸡打鸣来授时,沙漏测时,通过月相来估计时间,10,科学的导航、定位与测时,导航、定位 与参照物的几何关系，通过数学计算得出,距离差交会,距离交会,方向/角度交会,11,科学的导航、定位与测时,测时 与参照物的几何关系，通过数学计算得出
3、原子运动,通过天文观测确定恒星时,原子钟,12,第2节 导航技术的发展,13,经典导航技术,14,航位推算（Dead Reckoning）,利用载体的航向和速度矢量，根据其在某一时刻的位置推算出另一时刻位置的导航方法（实际上是一种极坐标法）。,DtV,15,地标领航,利用地面或海上固定可视参照物进行目的地指引。,16,天文导航,利用天体进行导航：观测两个以上的不同天体可得多个天文船位圆，多圆相交，交点就是天文船位。,天文导航原理,六分仪,17,经典导航技术的局限,精度低 可用性差 无法进行全天候导航,18,无线电导航,19,无线电导航,概况 利用无线电信号进行导航 产生于20世纪30年代 在二
4、战期间得到广泛应用 根据信标台所处位置分类 地基/陆基无线电导航 空基无线电导航 星基无线电导航 根据工作方式分类 无线电导航台 无线电导航系统,LORAN的发射机（上）和接收机（下）,20,地基无线电导航,无线电导航台（通过定向天线确定到发射天线的方向） 康索尔(CONSOL) VOR(VHF Omni-Range),VOR,21,地基无线电导航,无线电导航系统（通过确定到多个发射天线间的距离差或距离） 罗兰C（Loran-C LOng RAnge Navigation) 奥米伽导航系统（ OMEGA Navigation System ） 塔康（TACAN Tactical Air Nav
5、igation，TACAN）,TACAN,22,地基无线电导航,地基无线电导航的局限性 工作范围小 精度低,23,人造地球卫星,人造卫星 由人类制造，并放置到围绕地球或其它天体的轨道上的物体。 人类第一颗卫星 Sputnik 1 拥有国：前苏联 发射时间： 1957.10.04 意义：证明了卫星轨道运行的可行性，也开启了人类的空间时代,Sputnik 1,24,卫星导航,卫星导航 利用星载无线电信标进行导航，即星基无线电导航,子午卫星系统,全球定位系统（GPS）,25,子午卫星系统,26,子午卫星系统的产生与发展,1957年10月4日，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星 Sputnik 1 美国
6、霍普金斯大学应用物理实验室 （JHU/APL）的吉尔（William Guier）博士和魏芬巴哈（George Weiffenbach）博士利用地面Sputnik 1信号多普勒测量资料对其进行了精确定轨 JHU/APL的麦克卢尔（Frank McClure）博士和克什纳（Richard Kershner）博士提出了利用多普勒测量方法进行定位的思想 1958年，受美国海军委托，在克什纳博士领导下，开始开展子午卫星系统的研究 1964年1月，子午卫星系统建成并投入军用 1967年7月，子午卫星系统解密并提供民用,吉尔（右）和魏芬巴哈（左）,Sputnik 1,麦克卢尔,克什纳,27,子午卫星系统的
7、概况,名称 正式名称为海军导航系统（NNSS Navy Navigation Satellite System），由于卫星采用极轨道，故也称为Transit（子午卫星导航系统）,28,子午卫星系统概况,空间部分 作用 播发导航定位信号 卫星星座 6颗卫星 6个极轨道面 轨道高度1075km 信号 频率1：149.988MHz（4.9996MHz 30） 频率2：399.968MHz（4.9996MHz 80） 星历（广播星历）,子午卫星系统的卫星星座,OSCAR,NOVA,子午卫星系统的卫星,29,子午卫星系统概况,地面控制部分 作用 系统监控 编制导航电文 构成 跟踪站 计算中心 注入站 控
8、制中心 海军天文台 用户部分 作用 接收导航信号，完成导航定位 构成 多普勒接收机,多普勒接收机（天线）,30,子午卫星定位的原理,多普勒效应 由奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒（Christian Johann Doppler）于1843年首先提出的。 波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，这一频率变化称为多普勒频移，其大小与波源-观察者之间的运动速度成正比。 多普勒测量 通过对多普勒频移的瞬时测量，可以确定载体的速度。 通过对多普勒频移的连续积分测量，可以确定载体在积分区间的距离变化。,31,子午卫星定位的原理,双曲定位 利用接收机，采用多普勒测量的方
9、法，测定其在不同时间至同一卫星的距离差 卫星轨道（位置）已知 距离差交会,子午卫星系统的定位原理,32,子午卫星系统的局限性,一次定位时间过长 需要进行多普勒积分 需要通过卫星位置的变化获取良好的定位几何条件 无法进行连续定位 卫星数少，无法实现对全球的连续覆盖 不同卫星信号频率相同，导致有时需要关闭部分卫星避免干扰 定位精度低,33,第3节 全球定位系统的产生和发展,34,全球定位系统的建立,前期准备 美国海军Timation计划 始于1964年，利用卫星播发精确的时间参考信号进行测距和时间传递 1967年和1969年分别发射了Timation-1和Timation-2，搭载石英钟 1974
10、年发射NTS-1（Navigation Technology Satellite 1），首次搭载原子钟（2台铷钟） 1977年发射NTS-2，首次搭载铯钟 美国空军621B计划 采用伪随机噪声（PRN Pseudo Random Noise）码进行距离测量 在1968至1971年间利用飞机进行试验,Timation-1,35,全球定位系统的建立,项目开展 1973年，美国防部成立联合工作办公室（JPO Joint Program Office），JPO综合TRANSIT、Timation和621B等方案的优点，提出了NAVSTAR/GPS项目方案 1973年12月17日，正式批准NAVSTAR
11、/GPS项目 1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始 1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战 1993年12月8日，宣布系统具备初步工作能力（IOC Initial Operational Capability） 1995年4月27日，宣布系统具备完全工作能力（FOC Full Operational Capability） 1998年宣布开始GPS现代化计划,36,全球定位系统概况,建立国家 美国 名称 NAVigation Satellite Timi
12、ng And Ranging Global Positioning System NAVSTAR GPS 卫星星座（设计方案） 24颗GPS卫星 载波信号频率两个 L1，L2 信号调制 载波信号上调制有测距码（L1上为C/A码和P码，L2上为P码）和导航电文 系统基本功能 定位(P)、测速(V)、授时(T),37,全球定位系统的基本定位方式,单点定位,38,第4节 其他卫星导航系统的概况,39,GLONASS,GLONASS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统） 开发者 俄罗斯（前苏联） 系统构成 卫星星座 地面控制部分 用户设备,40,GL
13、ONASS,GLONASS与GPS的比较,41,GLONASS,运行状况 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。 过去，由于卫星寿命短，以及经费不足，俄罗斯无法及时补充新卫星，导致该系统不能维持正常工作。 目前，上述状况已得到改善。到目前（2011年2月22日），GLONASS系统共有31颗卫星在轨，24颗卫星正在工作。,42,Galileo,伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统 2002年3月24日，欧盟决定研制组建 卫星星座将： 30颗卫星（27+3） 3个轨道面 轨道高度23616km 轨道倾角为56。 信号频率 E5a，
14、E5b，Eb，E2-L1-E1,Galileo,43,Galileo,伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统 服务内容 公开服务（公开） 安全服务（公开） 商业服务（特许） 政府服务（特许）,44,Galileo,伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统 运行状况 GIOVE-A GIOVE-B,GIOVE A,GIOVE B,45,中国北斗卫星导航定位系统,概况 我国独立自主建立的导航卫星系统 系统由两颗地球静止卫星构成，故又被称为双星系统 2000年10月31日发射了第一颗试验卫星 2000年12月21日发射了第二颗试验卫星,46,中国北斗卫星导航定位系统,系统组成 空间卫星部分 23颗地球静止卫星（GEO） 地面部分（以地面控制中心站为主） 北斗用户终端,47,中国新一代卫星导航定位系统,名称 CNSS（Compass Satellite Navigation System） 也被称为北斗二代 星座 30颗MEO + 5颗GEO 信号频率 B1，B2，B3,
