全球卫星导航系统-第一讲a
北斗导航系统知识讲座教材
• 长期以来，美国对本国军方提供的是精确 定位信号，对其他用户提供的则是加了干 扰的低精度信号——也就是说，地球上任 何一个目标的准确位置，只有美国人掌握 ，其他国家只知道个“大概”。在海湾战 争时，美国还曾置欧盟各国利益不顾，一 度关闭对欧洲GPS服务。
北斗初上
提起卫星导航系统，很多人认为就是GPS。 其实，GPS是美国“全球定位系统”(Global Positioning System)的简称。 据统计，GPS在我国导航市场上所占份额在 95%以上。在电力传输、通信、金融等领域，严 重依赖GPS提供的精准时间。
俄罗斯GLONASS
中国北斗
欧盟伽利略
美国GPS
• 是世界上第一个成熟、可供全民使用的全 球卫星定位导航系统，应用范围极其广泛 。该系统由28颗地球同步卫星组成，其中4 颗为备用星，均匀的分布在距离地面20000 千米的6个轨道面上。这些卫星与地面支持 系统组成网络，每隔1~3秒向全球用户播报 信息，使地球上任何地方的用户在任何时 候均可以利用接收机同时接收到至少4颗卫 星的信号。接收机接到信号之后，可以通 过差分定位原理确定自己的位置。
• 北斗系统四大功能
• 短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文 通信功能，用户可以一次传送120个汉字的短 报文信息。 • 精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向 用户提供20ns-100ns时间同步精度。 • 定位精度：水平精度100米(1σ)，设立标校站 之后为20米(类似差分状态)。工作频率： 2491.75MHz。 • 系统容纳的最大用户数：每小时540000户。
• 军事应用：卫星导航系统是现代军事的“ 太空眼”，没有它，巡航导弹、激光制导 炸弹和战略核导弹都将成为“瞎子”。
• 美国的GPS系统相比，伽利略系统更先进 ，也更可靠。美国GPS向别国提供的卫星 信号，只能发现地面大约10米长的物体， 而伽利略的卫星则能发现1米长的目标。
卫星导航系统.
卫星导航系统简介卫星导航系统，顾名思义，就是“全球卫星导航系统”。
主要采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。
卫星导航全球性大众化民用,刚刚开始，有百种应用类型。
卫星导航的生命期至少还有50年，GPS概念的提出已有三十年，真正应用只有十来年，现在GPS现代化，GPS III新阶段，延续到2020年。
GPS国际协会已统计出GPS的117种不同类型的应用。
蜂窝通信的集成和汽车应用还是当前最大的两个市场。
卫星导航系统已经在大量应用中广泛使用，而且总的发展趋势是为实时应用提供高精度服务。
中国这个要逐步扩展为全球卫星导航系统的北斗导航系统(COMPASS)，将主要用于国家经济建设，为中国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。
建设中的中国北斗导航系统(COMPASS)空间段计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。
北斗卫星将逐步扩展为全球卫星导航系。
中国将陆续发射系列北斗导航卫星，逐步扩展为全球卫星导航系统。
全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。
其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。
经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
构成全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；(3)用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。
全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率；(5)应用广泛多功能。
全球定位系统(GPS)术语及定义
全球定位系统（GPS）术语及定义全球定位系统（GPS）术语及定义【中华人民共和国国家标准GB/T 19391-2003 】2004-12-24 5:55:151范围本标准规定了全球定位系统（GPS）常用术语及定义。
本标准适用于GPS专业范围内的各种标准的制定、各类技术文件的编制，也适用于科研、教学等方面。
2通用术语2.1全球定位系统global positioning system（GPS）导航星navigation by satellite timing and ranging（NA VSTAR）一种卫星导航定位系统。
由空间段、地面控制段和用户段三部分组成.为伞球用户提供实时的三维位置、速度和时间信息。
包括主要为军用的精密定位服务（PPS）和民用的标准定位服务（SPS）。
2.2全球导航卫星系统global navigation satellite system（GLONASS）一种全球卫星导航定位系统：为全球用户提供实时的三维位置、速度和时间信息。
包括军用和民用两种服务。
2.3伽利略系统Galileo system一种民用全球卫星导航系统；2.4全球导航卫星系统global navigation satellite system（GNSS）由国际民航组织提出的概念。
GNSS的最终目标是由多种民用卫星导航系统组成，向全球民间提供服务。
并将由多国民间参与运行和控制的卫星导航系统。
GNSS也已经为国际海事组织（IMO）所接受。
欧洲的GNSS计划分为两个阶段，即GNSS-1和GNSS-2。
GNSS-1为EGNOS（欧洲地球静止轨道卫星导航重叠服务）系统，GNSS-2为Galileo（伽利略）系统。
2.5静地星/定位星系统Geostar/Locstar system一种卫星定位系统，利用两颗地球轨道静止卫星双程测距而实现定位功能，兼有简短报文通信能力。
2.6海军导航卫星系统navy navigation satellite system（NNSS）子午仪Transit是1960年由美国研制的卫星导航系统，为固定用户或低动态用户提供不连续定位信息。
卫星导航概述ppt课件
地形辅助导航系统（TANS）
有源和无源无线电导航系统
电子测距系统
伏尔（VOR）
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
北宋 （AD.960-1127）
北宋 （AD.960-1127）
航海过程
在 James Cook（1728－1779）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。
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
CNS-天球导航系统
地形辅助导航系统（TANS）
78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44
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
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。
第一讲-全球导航卫星系统概述讲解
主控站
监测站
GPS用户 卫星轨道和钟差参数
注入站
6、卫星导航
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
两个站星距离
• 作两个球面 • 两个球面相交为圆 • 测站位于圆圈上
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
一个站星距离
• 测站位于以卫星为球心， 站星距离为半径的球面上
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
Y )2
(Zs2
Z)2
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3 s
X )2
(Ys3
Y )2
5
2、参考书目
GPS原理与应用
E.D.Kaplan著，邱万和等译，电子工业出版社
导航与定位（信息化战争的北斗星）
李跃，邱致和等著，国防工业出版社
GPS原理与接收机设计
谢钢著，电子工业出版社
GPS基本原理及其Matlab仿真
李天文编著，西安电子科大出版社
。。。
6
3、导航的定义与作用
2000年5月1日午夜取消了对GPS的SA技术干扰，使得民用 定位精度得到大幅度提升。
24
6、卫星导航
6.1 卫星导航系统
具有全球导航定位能力的卫星导航定位系统称为全球卫 星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。
现有全球卫星导航定位系统 GPS GLONASS GALILEO 中国北斗 (BDS)
14
5、卫星导航发展史
陆基无线电导航系统
系统复杂性集中于导航台，船载设备简单，可靠，易于推广； 作战角度看，依赖导航台及电波空间传播，系统生存能力、抗干扰、反利用、抗欺骗能力等不利 作用范围有限
《全球定位系统》
GPS系统的组成
GPS由三个独立的部分组成： ●空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫 星。 ● 地面控制系统：1个主控站，3个注入 站，5个监测站。 ● 用户设备部分：接收GPS卫星发射信 号，以获得必要的导航和定位信息，经数 据处理，完成导航和定位工作。GPS接收 机硬件一般由主机、天线和电源组成。
整理ppt
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空间部分
GPS的空间部分是由24 颗GPS 工 作卫星所组成的。其中21 颗为可用 于导航的卫星，3 颗为活动的备用 卫星。24 颗卫星分布在6个倾角为 55°的轨道上绕地球运行。卫星的 运行周期约为12 恒星时，每颗GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信 号，GPS 用户正是利用这些信号来 进行工作的。 目前可用的卫星通常有28颗之多。
全球定位系统
Global Position System
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概述
GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System的缩写,意为利用卫星导航进行 测时和测距,以构成全球卫星定位系统。是美国国防部主要 为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航 和定位的需要而建立的。自1973年美国军方批准成立联合 计划局开始GPS的研究工作到1993年系统建成,该工程历时 20年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞 机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人 类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得 到了广泛的应用。给导航和定位技术带来了巨大的变化。
整理ppt
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GPS系统由三部分构成，分别为空间星座部分、 地面监控部分、用户设备部分。空间星座和地面 监控部分由美国国防部控制，用户使用GPS接收 机接收卫星信号进行高精度的精密定位以及高精 度的时间传递。目前，二十多颗GPS卫星已覆盖 了全球，每颗卫星均在不间断地向地球播发调制 在两个频段上的卫星信号。在地球上任何一点， 均可连续地同步观测至少4颗GPS卫星，从而保障 了全球、全天候的连续地三维定位，而且具有良 好的抗干扰性和保密性。因此，全球定位系统已 成为美国导航技术现代化的最重要标志，并且被 视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计 划之后的又一重大科技成就。
GNSS系统概述
——四大全球卫星导航系统概述一、GPS系统二、GLONASS系统三、伽利略系统四、北斗系统俄罗斯GLONASS中国北斗美国GPS欧盟伽利略一、全球定位系统（GPS）1、GPS的演进与发展2、系统组成3、信号结构4、导航电文5、美国的GPS政策世界上第一个成功运行卫星导航系统：美国海军导航卫星系统(NNSS)，亦称子午仪(Transit)系统。
1964年投入使用。
该系统基于多普勒频移原理实现定位，不能连续定位，且定位时间长，精度低。
70年代，与苏联军备竞赛（冷战）升级，美军需要在全球范围内连续、实时、精确导航。
GPS正是在这种背景下应运而生的。
1973年4月，美国DOD批准研究创建全球定位系统（GPS）。
美国海军是卫星导航试验的先驱◦首先从原理上改进子午仪系统，提出了用伪码测距来代替多普勒测速的构想。
海军在NOVA卫星上试验了伪码测距技术。
◦1967年、1969年和1974年相继发射了3颗中高度蒂麻森(TIMATION)卫星，用铯原子钟代替石英钟获得成功，又于1977年发射了两颗导航技术卫星NTS-2和NTS-3(GPS系统的第一颗卫星)。
◦GPS系统时的标准是美国海军天文台的铯原子频标组。
❝第一阶段：可行性研究（1973-1978）◦利用安装在地面的信号发射器代替卫星，通过大量实验证实GPS接收机能够精确定位；◦并发射GPS试验卫星。
❝第二阶段：系统试验研究，部分可用（1979-1984）◦特许用户获得全球二维定位功能。
❝第三阶段：应用研究，密集发射，全球可用（1985-1995）◦建成完整星座；◦全球民用免费；◦进入全面运行能力（FOC，Full Operational Capability ）状态。
❝BLOCK I ❝BLOCK II ❝BLOCK IIAGPS设计有两种工作能力：◦初始工作能力(IOC, Initial operating capability)和军用完全工作能力(FOC, Final Operating Capability)。
全球定位系统GlobalPositioningSystem，通常简称GPS
全球定位系统Global Positioning System，通常简称GPS全球定位系统(GlobalPositioningSystem，通常简称GPS)是美国国防部研制的一种全天候的，空间基准的导航系统，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续地精确地确定三位位置和三位运动及时间的需要。
它是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。
全球卫星定位系统(GloblePositioningSystem)是一种结合卫星及通讯发展的技术,利用导航卫星进行测时和测距。
全球卫星定位系统(简称GPS)是美国从上世纪70年代开始研制,历时20余年,耗资200亿美元,于1994年全面建成。
具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
经过近十年我国测绘等部门的使用表明,全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科,取得了好的经济效益和社会效益。
现有的卫星导航定位系统有美国的全球卫星定位系统(GPS)和俄罗斯的全球卫星定位系统(GlobleNaviga2tionSatelliteSystem),简称GLONASS，以及中国北斗星，欧洲伽利略。
编辑本段美国的GPS系统GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分-GPS星座;地面控制部分-地面监控系统;用户设备部分-GPS信号接收机。
1.空间部分GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55°。
此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。
卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。
这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
GPS卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/AcquisitionCode11023MHz);一组称为P码(ProciseCode10123MHz),P码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。
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第一代卫星导航系统
NNSS-美国
测量了地球形状、重力场分布； 探测了电离层对无线电信号传播的影响； 高层大气阻力对卫星运动的影响；
试验了卫星星体设备和地面站接收设备；
研究了跟踪与预报卫星的方法；
第一代卫星导航系统
NNSS的应用与现状
在全球范围内核潜艇、远航测量船、远洋渔船、海 上石油开发钻井定位、大型游艇等方面得到广泛应 用。
信号频率低，难以有效补偿电离层折射影响。
第二代卫星导航系统
第二代卫星导航系统
GPS
六十年代末： “Timation”计划（美国海军）
“621B”计划（美国空军）
1973年美国国防部（DOD）批准由十个 单位组成联合计划局，充分吸收两个 计划的优点提出全球定位系统GPS（全 称为Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR GPS）
Transit 1A Transit 1B Transit 2A Transit 3A Transit 3B Transit 4A Transit 4B
Thor Able 2 Thor Able-Star Thor Able-Star Thor Able-Star Thor Able-Star Thor Able-Star Thor Able-Star
1988年发射最后一颗卫星，1996年底结束使命。
第一代卫星导航系统
CICADA-前苏联
在子午仪卫星导航系统的启发下，前苏联海军于1965 年开始建立了与NNSS系统相似的CICADA卫星导航系统。 基本参数： 卫星数量：12颗 运行高度：1000公里 运行周期：105min 信号频率：150MHz和400MHz
卫星导航系统的发展历史和现状
多普勒频移
同在应用物理实验室的 另外两位科学家， Frank McClure和 Richard Kershner博士 提出可以利用卫星的多 普勒频移现象对用户进 行定位。
第一代卫星导航系统
NNSS-美国
美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System， NNSS）。又称子午仪系统，于1964 年1月建成，1967年7月29日美国政 府批准将该系统解密，并提供民用。 系统构成 卫星、跟踪站、注入站、海军气象 台、计算中心、船载设备 特点 高精度、全球、全天候
几个重要的概念
什么是RDSS,RNSS,GNSS?
RDSS：Radio Determination Satellite Service
卫星无线电测定服务：用户至卫星的距离测量和位置计算由外部系统 通过用户的应答来完成。特点是定位与通信相结合，有源定位系统。
代表性系统：美国Geostar，欧洲Locstar
课程主要内容、目的和任务
了解卫星导航系统的发展历史、现状及现代化历程； 阐述卫星导航、定位、授时的基本原理及其相关基础知识； 介绍GPS、GLONASS、GALILEO以及我国的“北斗”卫星导航 系统的基本原理、系统组成和信号体制； 阐述卫星定位的各种导航算法、误差分析及差分增强技术； 全面介绍卫星导航在导航领域的作用
RNSS：Radio Navigation Satellite System
卫星无线电导航服务：由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至 少到4颗卫星的距离测量，进行用户位置、速度等参数计算，无源定 位系统 代表性系统：Transit，Tsikada，GPS，GLONASS
几个重要的概念
GNSS：Global Navigation Satellite System
Launch failure
Launch failure
第一代卫星导航系统
NNSS-美国
7颗原型卫星发射（1962.12-1963.9）
date 1962.12.18 designation Transit 5A Launch vehicle Scout X-3 notes Operational prototype
1963.4.5
1963.6.15 1963.9.28 1963.12.5 1964.4.21 1964.6.4
Transit 5A-2
Transit 5A-3(7) Trannsit 5BN-1 Trannsit 5BN-2 Trannsit 5BN-3 Trannsit 5C(9)
Scout X-3
几个重要的概念
主要参考教材
1.曹冲《北斗与GNSS系统概论》，电子工业出版社，2016 2.赵琳等《卫星导航原理及应用》，西北工业大学出版社， 2011 3.刘基余《GPS卫星导航定位原理与方法》，科学出版社， 2008 4.S.Grewal，R.Weill，《GPS，Inetial Navigation，and Integration》 A John Wiley &Sons，Inc，2007
第一代卫星导航系统
NNSS的历史意义 子午仪卫星导航系统的诞生预示着经典的导 航定位技术面临着一场重大变革，在导航技术发
展中具有划时代的历史意义。
第一代卫星导航系统
第一代卫星导航系统缺点
卫星数量少，可见时间少（平均1.5h），无连续实时定 位（导航）能力，获得一次导航解所需时间较长，不适 合高动态目标的使用； 卫星轨道高度低，难以实现精确定轨； 大地测量应用—连续观测3-7天； 无三维定位能力；
Scout X-3 Thor Able-Star Thor Able-Star Thor Able-Star Scout X-4
Launch failure
Partial failure Partial failure 1st operational Transit Launch failure
第一代卫星导航系统
部分网络资源
北斗网 美国导航学会 GPS测量原理与实践（澳大利亚新南威尔士大学） .au/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm 欧洲空间局伽利略系统 http:www.esa.int/Our_Activities/Navigation 俄空间局信息分析中心 http:www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=202:1:13256677232912671765 国际GNSS服务网 /
第一代卫星导航系统
NNSS-美国
7颗实验卫星发射（1959.9-1961.11）
date Designation Launch vehicle notes
1959.9.17 1960.4.13 1960.6.22 1960.11.30 1961.2.22 1961.6.29 1961.11.15
NNSS-美国
卫星数量：正式导航卫星7颗，其中一颗于1976 年停止使用 运行轨道：圆形极轨道，平均高度1071km，轨 道倾角约90°，各导航卫星的轨道相交于地球 的两极 运行周期：107min 发射信号：连续发射无线电信号，传递三种导 航信息（卫星星历表、偶数分钟的时间信号和 供多普勒频移测量用的399.968MHz和 149.988MHz的载波频率） 定位精度：1968年测定的精度为70m，1976年提 高到30m
主要内容
1. 卫星导航系统的发展历史和现状 2. 其他卫星导航系统
3. 卫星导航系统的作用、特点 4. 卫星导航系统的应用
卫星导航系统的发展历史和现状
第一颗人造卫星
1957年10月4日前苏联将第一颗人造地球卫星Sputnik送入 了轨道
卫星导航系统的发展历史和现状
多普勒频移
第二代卫星导航系统
最初设计：24颗卫星，3个轨道面，每个轨道面8颗卫星， 轨道倾角63°
——地球上任何一点都能同时可见6-9颗卫星
1978年压缩国防预算：24颗卫星缩减为18颗卫星，6个轨 道面，轨道倾角55°
1986年更改为21+3颗卫星——优化星座组合 ——6个轨道面，任何一点可见4-11颗卫星 1993年考虑到GPS的光明前景和巨大利益，最终为24+3颗 卫星。
全球卫星导航系统
——卫星导航发展历史与应用
魏苗苗
电子信息学院
什么是导航？
导航的历史
早在公元前3500年前历史记载用大船装载货物进行商业贸易，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和位置的。他们 通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。
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。
古代导航工具
四分仪（Quadrant）
航海钟 （Navigation clock ）
星盘（Astrolabe ） 航海员星盘 （Mariner‘s Astrolabe）
指南针-中国古代导航工具
南宋 （AD.1127-1279）
汉朝 （BC.206－AD.220）
北宋 北宋 （AD.960-1127） （AD.960-1127）
你知道哪些导航系统？
Commonly recognized types of navigations are listed below. 1. 推算船位（推算舰位、推算航法）Dead Reckoning（DR） 2. 天文导航 Celestial navigation 3. 地文导航（陆标定位）Terrestrial navigation 4. 无线电导航 Radio navigation 5. 雷达导航 Radar navigation 6. 卫星导航 Satellite navigation 7. 惯性导航 Inertial navigation 8. 组合导航（综合导航）Integrated Navigation 9. 气象导航 Meteorological navigation