第5章-卫星导航系统101223分解培训课件.ppt

,武汉理工大学,*,Wuhan University of Technology,船载航行设备与系统,第五章 卫星导航系统,第5章-卫星导航系统101223分解,组成：,卫星,6,颗；,轨道：,1100km,，倾角,90,，,6,颗卫星分布在,3,个轨,道平面内；运行周期,106min,；,NNSS,卫星导航系统,2,.1,卫星导航系统,（,1,）,NNSS,卫星导航系统,运行规律：,每颗卫星通过地球上任一点上空约,4,次，,6,颗卫星通过地球上任一点上空约,24,次；赤道上观测卫星的最长时间为,18min,，纬度越高，观测卫星次数越多，可以实现全球、全天候二维定位。,缺点：,定位时间长、不连续，不能三维定位。,发射频率：,399.968MHz,和,149.988MHz,；,定位精度：,0.1,0.3nmile,；,随着,GPS,卫星导航系统的投入运行，,1997,年,NNSS,关闭。,3,.1,卫星导航系统,（,2,）,GPS,卫星导航系统,运行规律：,全球任何地方，在地平线,7.5,以上至少可以看到,4,颗卫星。能提供全球、全天候、高精度、连续、实时的三维定位与导航。,导航星全球定位系统（,Navistar Global Positioning System,）于,1973,年开始研制，,1995,年,10,越投入全部运作，历时,22,年。,发射频率：,1575.42MHz,和,1227.60MHz,；,定位精度：,1m,30m,100m,；,组成：,工作卫星,21,颗，备用卫星,3,颗，共,24,颗；,轨道：,20183km,，倾角,55,，,24,颗卫星分布在,6,个轨,道平面内；运行周期,717.98min,（,12h,）；,4,GPS,卫星系统组成,NAVSTAR,全球定位系统（,GPS,）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,5,.1,卫星导航系统,（,3,）,GLONASS,卫星导航系统,运行规律：,能提供全球、全天候、高精度、连续、实时的三维定位与导航。,原苏联于,1978,年研制,GLONASS,（,GLObal Navigation Satellite System,）系统，于,1995,年完成计划，是,GPS,的等同系统。,发射频率：,1602.5625,1615.5MHz,1246.4375,1256.5MHz,；,定位精度：,水平误差,16m,，垂直误差,25m,；,组成：,工作卫星,24,颗，备用卫星,1,颗，共,25,颗；,轨道：,19100km,，倾角,64,，,25,颗卫星分布在,3,个轨,道平面内；运行周期,11h15min,；,6,项目,GPS,系统,GLONASS,系统,星座卫星数,24,24,轨道面个数,6,3,轨道高度,20183,公里,19100,公里,运行周期,11,小时,58,分,11,小时,15,分,轨道倾角,55,度,65,度,载波频率,L1:1575.42MHz,L1:1602.56-1615.50MHz,L2:1227.60MHz,L2:1246.44-1256.50MHz,传输方式,码分多址,频分多址,调制码,C/A-,码和,P-,码,S,码和,P,码,时间系统,UTC,UTC,坐标系统,WGS-84,SGS-E90,SA,2000,年,5,月,1,日取消,无,AS,有,无,GPS,与,GLONASS,卫星导航系统的比较,7,.1,卫星导航系统,（,4,）,GNSS,卫星导航系统,1992,年,5,月国际民航组织（,ICAO,）决定建立一个全球性的位置和时间测定系统。到,2000,年将,GPS,、,GLONASS,、,INMARSAT,、,GAIT,及,RAIM,组合成一个混合卫星导航系统。,GAIT,为地面增强和完好性监视系统，,RAIM,为机载独立完善监控系统。,组成：,30,颗中高度卫星，,6,8,颗静止卫星；,轨道：,8,个,1,1.5,万公里的圆形轨道和,1,个椭圆轨道,平面内；运行周期,11h15min,；,GNSS,不仅能提供,GPS,、,GLONASS,类似的定位导航功能，还具有全球卫星移动通信的功能，打破超级大国独霸卫星导航的局面，有利于实现卫星导航系统所有权、控制权的国际化。,8,.1,卫星导航系统,（,5,）中国,“,北斗,”,卫星导航系统,“,北斗,”,导航卫星系统是一种全天侯、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统，通过双星定位方式工作。用两颗卫星组建导航系统是我国著名科学家陈芳允院士与美国吉奥星公司同时提出的，而中国首先实现了双星的区域性导航定位。,组成：,2,颗工作卫星（地球静止卫星）,1,颗备用卫星；,轨道：地球同步轨道,2003,年,5,月,25,日发射的,“,北斗,-3,”,导航卫星，作为备份星服役。第三颗,“,北斗,”,卫星与前两颗,“,北斗,”,工作卫星组成了完整的具有中国特色的卫星导航定位系统，它们将在太空运行,8,年。,9,.1,卫星导航系统,（,6,）,“,伽利略,”,卫星导航系统,欧盟为了减少对美国,GPS,系统的依赖，同时也为了占据未来的卫星导航定位市场，决定发展全球卫星定位系统。经过长达,3,年的论证，,2002,年,3,月，欧盟,15,国交通部长会议一致决定，启动,“,伽利略,”,导航卫星计划。,“,伽利略,”,系统与,GPS,类似，可以向全球任何地点提供精确定位信号。由于该系统主要针对民用市场，因此在设计之初，把为民用领域提供高精度的定位放在了首要位置。,定位精度：,米级；,组成：,工作卫星,27,颗，备用卫星,3,颗，共,30,颗；,轨道：,23616km,，倾角,56,，,30,颗卫星分布在,3,个轨,道平面内；运行周期,14h,；每个轨道有,1,颗备,用卫星。,10,伽利略系统体系结构,11,伽利略计划的组织实施,12,5.1,概述,.2,卫星导航系统的特点与分类,（,1,）卫星导航系统的特点,不受地理、气象、时间等条件的限制，可,全天候导航,；,少数卫星即可,覆盖全球,；,卫星数目多，可优化选择，提高,定位精度,；,可随时显示船舶的经度、纬度和其他数据，,使用方便,；,全方位导航,：地面、水面、水下以及近地、外层空间；,卫星发射功率小、抗干扰性好、保密性强；,卫星轨道有漂移，需增加扰动补偿系统；,地面工程庞大、设备昂贵；,卫星寿命短,；,卫星导航系统容易受到少数国家的,垄断和控制,。,13,5.1,概述,.2,卫星导航系统的特点与分类,（,2,）卫星导航系统的分类,按照测量的导航定位参量：测角、,测距、测速,系统；,按照工作方式：,无源系统,：用户只能接收而不发射无线电信号，对接收到的信号进行处理后用以导航和定位；,有源系统：用户可以接收和转发信号。,按照卫星运行的轨道高低：,低轨道：,900,2700km,；,中轨道：,13000,20000km,；,同步轨道,：,20000,48000km,；,14,.2,卫星导航系统的特点与分类,（,2,）卫星导航系统的分类,同步轨道,：卫星围绕地球公转的速度（或周期）与地球自转的速度（或周期）同步的轨道；,静止卫星,：同步轨道和地球赤道面重合时，轨道上的卫星相对于地球是不动的，运转周期,23h56min4.091s,。,同步卫星高度,：,35786.04km,；,静止卫星速度,：,3074.662m/s,；,静止卫星轨道上单位弧长,：,735.904km,；,轨道倾角,：,0,15,.2,卫星导航系统的特点与分类,（,2,）卫星导航系统的分类,按照工作区域：,全球覆盖,和区域覆盖；,按照工作原理：多普勒型、距离型、,混合型,。,16,5.1,概述,.3,卫星轨道参数,（,1,）开普勒定律,卫星围绕地球运动的轨道是一个椭圆，地球的质心位于这个椭圆的一个焦点上；,在卫星运行的轨道上，卫星与地心的连线即向径，在相同的时间内，卫星向径所扫过的面积相等；,卫星运行周期的平方和其轨道长半径的立方成正比。,17,S,O,北半球,南半球,赤道,P,N,P,S,P,A,远地点,近地点,N,P,A,N,R,.3,卫星轨道参数,卫星无摄运动,升交点赤经：,RON,轨道倾角：,POQ,Q,极轨道、赤道轨道,近地点幅角：,PON,轨道长半径：,AP/2,轨道偏心率,平近点角,S,开普勒方程,18,天球的基本概念,天球,天轴、天极,天球赤道,天球子午面,黄道,春分点,秋分点,19,N,R,地心直角坐标系,X,Y,Z,黄道,太阳的天球运动轨迹,天赤道,卫星轨道,春分点,R,秋分点,升交点,N,20,地心直角坐标系,21,地心直角坐标系,22,.4,卫星覆盖区,卫星可见的地球表面称为卫星覆盖区域或可见区。,23,GPS,卫星,P,A,B,O,H,R,卫星覆盖区,24,GPS,卫星,P,A,B,O,H,R,卫星覆盖区,U,25,5.2 GPS,卫星导航系统,GPS,卫星导航系统由地面站、导航卫星网和用户设备构成。,26,27,.1 GPS,地面站,（,1,）跟踪站,设置：夏威夷、科罗拉多的斯普林斯、阿森松岛（南大西洋）、迭戈加西亚岛（印度洋）、马绍尔群岛的夸贾林环礁（北太平洋）共,5,个跟踪站；,功能：利用精确原子钟和多功能,GPS,接收机，对卫星信息、电离层和气象等环境数据进行测定，并传送到主控站。,GPS,地面站由跟踪站、主控站和注入站组成。,GPS,地面站功能：,跟踪所有的卫星，测量卫星轨道参数和卫星钟误差，预测修正模型参数，星钟同步和向卫星注入新的信息。,28,.1 GPS,地面站,29,.1 GPS,地面站,（,2,）主控站,设置：科罗拉多州斯普林斯的福尔肯空军基地的联合空间工作中心。,功能：从各跟踪站收集跟踪数据，对卫星的轨道参数、时间偏差进行评价，计算出各卫星原子钟的校正参量、卫星历书、卫星星历、系统状态，再编制成导航信息码，送到注入站。,30,地面监控系统,.1 GPS,地面站,31,.1 GPS,地面站,（,3,）注入站,设置：阿森松岛（南大西洋）、迭戈加西亚岛（印度洋）、马绍尔群岛的夸贾林环礁（北太平洋）共,3,个注入站；,功能：将导航信息注入卫星，每天,1,2,次。,32,.2 GPS,导航卫星网,卫星组成,轨道高度,轨道倾角,运行周期,发射频率,33,.2 GPS,导航卫星网,卫星的设备组成：,原子钟（卫星钟）：,提供定时标准；基准时钟频率为,10.23MHz,；稳定度,10,-13,s/d,；。,导航电文存储器：,存储注入站发送的信息；,伪码发生器：,产生用于测距的伪随机序列码；,接收机、发射机：,接收地面站用,S,波段发送来的各种数据资料；使用,2200,2300MHz,的工作频率将遥测数据发送到地面。,微处理器,核爆炸监测传感器,卫星应急通信转发器,34,.3 GPS,导航卫星电文,卫星电文：,是导航卫星预报未来若干小时内卫星位置等信息的电文。,GPS,卫星所发射的信号包括载波信号、,P,码（或,Y,码）、,C/A,码和数据码（或,D,码）等多种信号分量。,GPS,卫星导航电文：,是卫星向用户提供的导航基准信息，用户通过相关接收技术接收这些信号，从中解调出,CA,码、,P,码和导航数据（,D,码）。,主要包括：卫星星历，时钟改正，电离层时延改正，卫星工作状态信息以及由,C/A,码转换到捕获,P,码的相关信息等。,35,.3 GPS,导航卫星电文,CA,码和,P,码：,主要用于识别卫星和测量导航信号的传输时间，统称为测距码。,导航数据：,主要用于计算卫星的位置。,36,.3 GPS,导航卫星电文,（,1,）,P,码（,Precision Code,）,P,码是一种连续、快速、长周期的伪随即二进制序列码，码率为,10.23MHz,，码周期为,7d,。,P,码具有精确的时间和距离测量能力。,（,2,）,C/A,码（,Clear/Acquisition Code,）,C/A,码是一低速、短周期的伪随即二进制序列码，码率为,P,码的,1/10,，即,1.023MHz,，码周期为,1ms,。,C/A,码的距离测量精度较低，具有协助获得,P,码的能力，因为,C/A,码周期短、码元速率低，容易匹配锁定。,37,.3 GPS,导航卫星电文,（,3,）导航电文,内容：,P,码系统工作状态、系统时间、卫星钟偏差校正量、卫星星历、卫星历数数据、卫星识别标志以及与卫星导航有关的其他信息。,格式：,导航电文采用不归零的二进制码；,连续发射,50bit/s,，每个二进制码,20ms,；,以帧为单元，由,5,个子帧组成一个数据帧，由,25,帧组成一份完整的历书；,每帧电文需时,30s,，接收时间为,12.5min,。,38,1,2,3,4,5,30s,6s,0.02s,0.6s,25,页,10,个字,30,比特,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,GPS,导航卫星电文的格式,39,每帧导航电文长,1500bit,，平均分成,5,个子帧，每个子帧分别含有,10,个字，每个字,30bit,，故每个子帧共,300bit,电文。电文的播发速率为每秒,50bit,，所以播发一帧电文的时间需要,30s,，而一子帧电文的持续播发时间为,6s,。,GPS,导航卫星电文的格式,为记载多达,25,颗卫星的星历，子帧,4,、,5,各含有,25,页。子帧,1,、,2,、,3,和子帧,4,、,5,的每一页构成一帧，每,25,帧电文组成一个主帧。主帧中,1,、,2,、,3,的内容每,30s,重复一次，每小时更新一次，,4,、,5,的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。,40,TLM,HOW,数据块,1,时钟修正参数,TLM,HOW,数据块,2,星历表,TLM,HOW,数据块,2,星历表继续,TLM,HOW,数据块,3,卫星历书等,TLM,HOW,数据块,3,卫星历书等,1,2,3,4,5,一个子帧,6s,长，,10,个字，每字,30,比特,1,帧,30s,1500,比特,GPS,导航卫星电文的格式,TML,（,Telemetry Word,）：同步,/,遥测字,HOW,（,Hand Over Word,）：转换字,30b,30b,8,个字,41,GPS,的伪随机测距码,（,1,）码的概念,在现代数字通信中，广泛使用二进制数（,0,和,1,）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或比特。比特为码的度量单位。,如果将各种信息如声音、图象和文字等量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。,在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为,bit/s,或记为,BPS,。,42,GPS,的伪随机测距码,（,2,）随机噪声码,既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列，则这一序列就可以表达成以,0,和,1,为幅度的时间函数。,假设一组码序列,u(t),，对某一时刻,t,来说，码元是,0,或,1,完全是随机的，但出现的概率均为,1/2,。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。,它是一种非周期序列，无法复制，但其自相关性好。而相关性的好坏，对提高利用,GPS,卫星码信号进行测距的精度，极其重要。,43,GPS,的伪随机测距码,码序列,44,.1,卫星导航系统；,.2,卫星轨道参数。,5.1,概述,5.2 GPS,卫星导航系统,.1 GPS,卫星导航系统的组成；,.2 GPS,导航卫星网；,.3 GPS,导航卫星电文。,回顾,45,思考,P318,：,1,、,2,、,4,、,5,、,6,、,7,、,8,、,9,、,11,；,课后练习题：,重点思考问题：,P318,：,1,、,4,、,8,、,9,。,46,5.3 GPS,卫星导航定位原理,GPS,是一种测距定位系统，利用测定高轨道卫星信号的传播延时（电波在空间传播的时间）和多普勒频移，计算出卫星与用户之间的距离、距离变化率，以精确地测定用户位置（三维）、速度（三维）和时间参数。,测定出用户到,3,颗卫星的距离可以得到以卫星为球心，以卫星到用户的距离为半径的三个球面，其交点就是用户的三维空间位置。,47,.1,卫星定位原理,GPS,卫星导航仪接收其视界内一组卫星信号，从中取得卫星星历、时钟校正参量、大气校正参量等数据，并且测量卫星信号的传播延时和多普勒频移。,根据,卫星星历,计算出卫星发射信号时的位置；,根据卫星信号的,传播延时,和,光速,的乘积计算出卫星与用户之间的,“,距离,”,；,根据卫星信号的,传播延时、光速和多普勒频移,计算出用户的三维运行速度。,若用户时钟无偏差，利用,3,颗卫星可以得到以卫星为球心，以卫星到用户的距离为半径的,3,个球面，其交点就是用户的三维空间位置。,若用户时钟不精确，需要利用第,4,颗卫星计算出用户的,时钟偏差,。,48,.1,卫星定位原理,“,伪距离,”,的概念,由于用户卫星导航仪时钟、卫星钟、电离层以及对流层引起的传播延迟产生的误差，使得卫星导航仪测得的不是用户到卫星的真距离，故称为,“,伪距离,”,。,误差的修正,修正卫星时钟偏差：从卫星的导航信号中提取时钟校正参量；,修正对流层折射误差：从卫星的导航信号中提取大气修正参量；,修正电离层折射误差：利用卫星发射的双频信号（,1575.42MHz,和,1227.60MHz,）。,GPS,是无源式卫星导航系统，用户不能发射无线电信号，只处理接收到的,GPS,信号进行导航定位。,49,5.3 GPS,卫星导航定位原理,.2,伪测距和伪测速,伪距离；,用户到卫星的真距离；,用户时钟误差；,卫星信号传播延时误差；,卫星钟与,GPS,时间误差；,50,.2,伪测距和伪测速,用户观测位置：,第,i,个卫星位置：,方程中的已知参数：,方程中的未知参数：,因此，只要测定,4,颗卫星的伪距，联立,4,个方程求解，获得用户三维位置和时钟偏差。,51,.2,伪测距和伪测速,测量伪距离差,用户通过测量,4,颗卫星中的每两个卫星的距离差，得到三个独立方程，即得到三个旋转双曲面，此时用户不需要精密时钟就可定位。并且，还可以计算出精度和卫星原子中同量级的精密时间。,52,.2,伪测距和伪测速,对方程进行求导：,53,.3,定位计算,O,X,Y,Z,U,S,i,54,.4 GPS,定位过程,（,1,）,GPS,卫星导航仪根据其存储的,GPS,历书，计算卫星的概略位置。初始启动时，,GPS,卫星导航仪将搜集卫星并存贮历书；,（,2,）,GPS,卫星导航仪根据推算船位、时间、精度几何因子数值，选择仰角大于,5,、几何配置较好的,4,颗或,3,颗卫星，进行检测、改选；,（,3,）,GPS,卫星导航仪根据微处理器的指令捕捉卫星，搜索并同步伪码，之后检测并存贮导航电文；,（,4,）,GPS,卫星导航仪根据星历计算出卫星发射信号时的位置，根据卫星信号的传播延时和光速计算出卫星与用户之间的,“,距离,”,；根据卫星信号的传播延时、光速和多普勒频移计算出用户的三维运行速度。根据测得的伪距，计算用户位置、钟差及速度等数据。,55,5.4 GPS,卫星导航仪,航海导航通常使用,C/A,码、单频,GPS,卫星导航仪。,.1,主要技术性能与功能,（,1,）主要技术性能,接收频率：,L,1,：,1575.421MHz,；,接收通道：必须能跟踪,4,颗以上的卫星；,接收码：,C/A,码；,跟踪速度：,100kn,左右；,定位精度：定位,15m,，速度,0.1kn,。,56,.1,主要技术性能与功能,（,2,）主要功能,显示定位的经度、纬度：分辨力为秒；,显示导航数据：航迹速、航迹向；方向和航程计算；,还可显示流速、流向；,能存储航线设计和航路点及其经纬度；,位置更新时间：,1s,；,导航数据更新时间：,3,5s;,报警功能：偏航、守锚监视、到达转向点区域、故障；,设置参数和变更坐标系；,接口功能：按照,NMEA,协议提供输入,/,输入接口；,卫星信息、星座预报；,三维定位中，高度的精度允许在,50m,内波动。,57,5.4 GPS,卫星导航仪,.2 GPS,卫星导航仪的安装,安装要求：,GPS,天线避免被大桅、卫星通信天线所遮挡；,不要安装在雷达垂直波束之内；,与,DF,、,VHF,等天线的距离：,1m,；,与,DF,环状天线的距离：,3m,；,与中、高频天线的距离：,4m,；,与卫星通信天线的距离：,5m,；,天线接头包扎防潮，远离其它发射天线。,GPS,卫星导航仪远离其他无线电设备、接地、保险。,58,5.4 GPS,卫星导航仪,.3 GPS,卫星导航仪的一般操作方法,（,1,）启动,日常启动：,正常开关机。,热启动：,船位变化不大于,100,英里；,三个月以内进行过通电接收；,GPS,导航仪搜集历书后启动。,冷启动：,船位变化大于,100,英里；,三个月以上没有通电接收；,GPS,导航仪搜集历书后启动。,第一次安装,GPS,导航仪；,GPS,历书陈旧或所有数据被清除。,59,.3 GPS,卫星导航仪的一般操作方法,（,1,）启动,冷启动时的初始化输入：,日期与时间输入：误差不超过,15min,；,船位经度、纬度：误差不超过,1,；,设置,HDOP,（水平方向精度几何因子）值：,10,；,输入天线高度；,设置定测地系：与所用海图的测地系坐标接近；,设置区时；,设置报警方位和距离。,60,.3 GPS,卫星导航仪的一般操作方法,（,2,）,GPS,定位,GPS,二维定位：,3,颗有效卫星，显示经度、纬度；,GPS,三维定位：,4,颗有效卫星，显示经度、纬度,以及,GPS,导航仪天线的高度。,GPS,卫星导航仪显示信息：,航迹向,TRK,（,Track,）,;,对地速度,GS,（,Ground Speed,）；,经度、纬度；,高度（,Altitude,）,近似为天线到海平面的高度；,显示可选择的画面。,PLOT,、,CDI,、,NAV,、,POSN,61,.3 GPS,卫星导航仪的一般操作方法,（,3,）,GPS,导航,航路点导航,进入,GPS,卫星导航仪航路点输入操作；,输入航路点的编号、名称及其经度、纬度；,输入存储航路点的日期,/,时间；,进入,GPS,卫星导航仪航路点导航功能：,显示内容：,驶向航路点的编号、名称；,航路点的方位（,BRG,）和距离（,RNG,）；,现时航迹向（,TRK,）和对地速度（,GS,）。,62,.3 GPS,卫星导航仪的一般操作方法,（,3,）,GPS,导航,航路点导航,设置偏航的界线；,航线导航：,船舶在航行过程中，依键令显示导航参数，每过一个航路点自动更换下一个航路点导航，称之为航线导航。,定点导航：,船舶在定点作业时（如锚泊），依键令显示船舶相对于定点的导航参数，按此导航参数实现定点漂泊，船舶漂泊超界时发出导航报警，这种方法称之为定点导航。,63,.3 GPS,卫星导航仪的一般操作方法,（,4,）使用,GPS,注意事项,GPS,卫星导航仪应定时根据卫星电文更新历书（参考冷启动时的初始化输入）；,不同的,HDOP,值有不同的定位精度，一般设置为,10,左右为好；,最佳选星原则：,4,颗（三维定位）或,3,颗（二维定位）卫星、,5,仰角,85,、卫星空间几何图形最好（使得,GDOP,值最小）、船载,GPS,卫星导航仪通常设置,HDOP=10,。,选择合适运动状态：,静止、低状态、高动态,；,卫星每天提前,约,4min,经过某一地区上空。,64,.1,卫星定位原理；,.2,伪测距、伪测速及定位计算。,5.3 GPS,卫星导航定位原理,5.4 GPS,卫星导航仪,.1,主要技术性能与功能；,.2 GPS,卫星导航仪的安装；,.3 GPS,卫星导航仪的一般操作方法。,回顾,65,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,