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1、卫星导航原理及应用技术,北京航空航天大学电子信息工程学院204教研室,秦 红 磊,电话：01082316491 Email:,第1章: 绪论 第2章: GNSS简介 第3章: GPS 坐标和时间系统 第4章: GPS 卫星轨道 第5章: GPS 信号结构和导航电文 第6章: GPS 接收机 第7章: GPS 导航观测量和误差分析 第8章: GPS 定位原理 第9章: 整周模糊度技术,卫星导航原理及应用技术,第10章: 差分GPS技术 第11章: 速度、姿态和时间测量 第12章：干扰和抗干扰技术 第13章：高灵敏度接收机技术 第14章：完好性监测技术 第15章：组合导航技术 第16章：其它应用技
2、术,卫星导航原理及应用技术,第1章: 概述,1.1 什么是导航？ 1.2 我们为什么需要导航? 1.3 导航历史回顾 1.4 现代导航系统 1.5 导航系统应用,什么是导航?,导航就是安全有效的从一个地点到达另一个地点.,但是这里是哪里?,我们为什么需要导航?,你就在这里.,我在哪?,你在哪?,你能在地图上找到你现在的位置吗? 你能在黑夜里返回你现在的位置吗?,导航历史,早在公元前3500年前，人类就有历史记载用大船装在货物进行商业贸易的历史。这标志了人类导航艺术的诞生。 早期的导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来辨别方向的。他们通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。他们没有
3、航海图，但他们列出了所需的方向，类似于今天的巡航向导. .,导航历史,当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨别南北方向。,早期的航海家们总是在靠近海岸线的附近白天活动，当天气不好或者晚上的时候不出海活动。在中世纪，欧洲的航海家们在整个冬季都不出海活动。这样就自然的限制的他们的活动范围。大范围的航海活动必然会带来风险。,导航历史,古代导航工具,直角器（Cross-staff）,标尺（Back-staff）,四分仪（Quadrant）,航海员星盘 （Mariners Astrolabe）,星盘（Astrolabe ）,夜间记时仪器（Nocturnal ）,
4、古代导航工具,指南针-中国古代导航工具,汉朝 （BC.206AD.220）,南宋 （AD.1127-1279）,北宋 （AD.960-1127）,北宋 （AD.960-1127）,导航的两个关键因素,确定地球上的位置 现在时间是几点?,航海过程,在 James Cook（17281779）以前，船的安全行驶依靠原始的导航技术，这些技术能够粗略的给出船的位置。 在航海的过程中，船员们需要知道两条信息：他们在地球上的经度和纬度的位置坐标，以及精确的将坐标值映射到地图上。,纬度和经度,航海过程,纬度可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来判断。 经度的判断比较困难，必须计算出地球上不同地点的时差。,纬度
5、和经度,0 位于赤道 90N 在北极点 北京市的纬度是多少？ 南极的纬度是多少？,纬度,经度,经线位于南北几点之间的连线。 0 经过英国的格林威治。 负的经度为西经，正的为东经 北京市的经度是多少？,地图,18世纪的“精度”地图能够给我们提供很多信息，告诉我们当时的导航精度有多高。人民曾经很长一段时间用来测量大地经度和纬度的值，并且取得了很大成功。,专业工具,航海家们早期使用的工具只能粗略的定位 六分仪 六分仪能够测量位于水平面以上物体的仰角（北极星、太阳等），经常用于寻找纬度,指南针 用于指引方向,通过记录通过 的步伐来测量距离 或者速度、经历过 的时间等,航位推测法,航位推测法在长距离的航
6、行中会带来很大误差 如果从纽约到伦敦，当旅行结束时，在95的定位精度下，将会累积175英里的误差,早期导航工具的弱点,早期的导航工具有着众多的不确定性因素，以至于绘制的世界地图不够精确 指南针依赖于北地磁极点与北地球自传轴点重合（事实不是这样！） 陆地导航依靠地面地标的辅助，然后将这些地名映射到地图上来对行车进行校准 这些技术不适于海上应用,海上导航,文艺复兴时期，海上航线遇到的最大困难就是怎么确定经度问题。 六分仪能够为海上航线提供纬度位置 指南针能够为航海提供方向信息 但是你却不知道向东或者向西行驶了多少,一个很好的例子,经度,1707年，10月22号，由于航位推测法的错误，导致2000多
7、人死亡的海难。 1717年，anne 女皇宣称，如果谁能够将航海的经度准确度保持到1/2度（相当于在平行于赤道行驶30英里），将对他悬赏20000英镑。,主要导航系统,INS : 惯性导航系统 CNS : 天文导航系统 TAN : 地形辅助导航 RNS : 无线电导航系统 GNSS :全球导航系统 新导航定位技术,惯性导航原理,惯性导航原理,惯性导航原理,按照惯性测量装置在载体上的安装方式，可分为: 平台式惯性导航系统 捷联式惯性导航系统,平台方式: 保持传感器的姿态,这种方法将IMU相对于周边环境的姿态保持不变。,捷联方式: 固定惯性测量单元（IMU）,这种方法适用于安装小的和高精度的惯性测
8、量单元。这比平台方法先进的多，适用于重量轻、体积小、功率低和高精度的场合。底侧必须安装一个带有范围大的角度计的陀螺仪来感知机身的运动，以及一台高速的计算机来进行坐标转换运算。,惯性导航系统（INS）,惯性导航系统的结构图,捷联惯性导航单元结构图,惯性导航系统（INS）,环行激光陀螺仪,MEMS-INS,CNS-天球导航系统,天球导航是人类利用太阳、星星、月亮和行星来定位的一门艺术和科学。,CNS-天球导航系统,CNS-天球导航系统,地形辅助导航系统（TANS）,地形辅助导航系统（TANS）,典型的无线电导航系统,1伏尔(VOR)导航系统 2多普勒导航系统 3罗兰C导航系统 4塔康导航系统 5奥
9、米加导航系统 6. 联合战术信息分发系统JTIDS,有源和无源无线电导航系统,电子测距系统,典型的无线电导航系统,伏尔(VOR)导航系统 VHF Omnidirectional RangeVOR 空中导航用的甚高频全向信标。这种系统能使机上接收机在伏尔地面台任何方向上和伏尔信号覆盖范围内测定相对于该台的磁方位角。伏尔导航系统出现于30年代，是为了克服中波和长波无线电信标传播特性不稳定、作用距离短的缺点而研制的导航系统,是甚高频（108118兆赫）视线距离导航系统。飞机飞行高度在 4400米以上时，稳定的作用距离可达200公里以上。,典型的无线电导航系统,它由机载甚高频全向信标接收机、显示器和地
10、面甚高频全向方位导航台组成。导航台发射以30转秒旋转的心脏线方向图，在机载接收机输出端产生30赫的正弦波，其相位随飞机相对导航台的位置而变化，称为可变相位信号。与此同时，导航台还发射一个以固定30赫参考频率调制的全向信号。在机载接收机输出端又得到一个不变相位的30赫正弦波，称为基准相位信号。在地面导航台中使这两个30赫低频信号的相位在磁北子午线上相同。比较机载接收机输出的两个信号的相位，可确定地面导航台相对飞机的方位角，并将这方位角显示在显示器上。如果与测距器（DME）组成伏尔-DME标准近程导航系统,还可测出飞机至导航台的距离，据此可确定飞机在空间的位置。,典型的无线电导航系统,伏尔（VOR
11、）,典型的无线电导航系统,多普勒导航系统 利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统。它由脉冲多普勒雷达、航向姿态系统、导航计算机和控制显示器等组成。它也是用航位推算法利用航行速度三角形定位和定向。70年代以后，多普勒导航系统已和飞行控制系统、发动机控制系统、火力控制系统等组成综合航空电子系统，统一显示，综合控制。,典型的无线电导航系统,典型的无线电导航系统,典型的无线电导航系统,罗兰C导航系统 远程双曲线无线电导航系统，简称远程导航，作用距离为2000km。采用几何定位法。它由设在地面的一个主台与23个副台合成的台链和飞机上的接收设备组成。测定主、副台脉冲信号的时间差和相位差即获得飞机到两台的距
12、离差不变的的航迹是一条双曲线。再测定主台与另一副台的距离差又得到一条双曲线，两条双曲线的交点是飞机在空中的位置。,罗兰-C,罗兰-C 是由美国的海岸警卫队在 50 年代末研制成功的。 导航方式跟罗兰-A 基本相同，但作用距离可以达到 1000 海里，可以用作远程导航系统。 目前，北大西洋、北太平洋、地中海、中国沿海、美国本土和苏联（现在的俄罗斯）总共建设了 60 多个台站。 1975 年，罗兰-C 被美国宣布为标准航海导航系统。,罗兰-C 双曲线定位原理,罗兰-C 信号,脉冲结构和序列,罗兰-C 接收机,T.I. 9000,罗兰-C 在北美的基站位置,罗兰-C 范围,典型的无线电导航系统,塔康
13、导航系统近程极坐标式无线电导航系统，作用距离为400500km。它由机上发射与接收设备、显示器和地面台组成。它也采用几何定位法其测向原理与伏尔导航系统相似，也是测地面相对飞机的方位角相距离。 奥米加导航系统超远程双曲线无线电导航系统，作用距离可达l万多公里 只要设置8个地面台，就可以覆盖全球。它由机上接收装置、显示器和地面发射台组成，其原理与罗兰C导航系统相似，是双曲线几何定位法。,JTIDS,全球导航卫星系统,全球导航卫星系统,新型导航定位技术,脉冲星导航,新型导航定位技术,量子导航,新型导航定位技术,重力导航,新型导航定位技术,磁力导航,新型导航定位技术,冷原子导航,新型导航定位技术,视觉导航,坦克,汽车,航空母舰,巡洋舰,潜 艇,民 航,战斗机,导弹,旅行者号航天飞船,
