导航系统-导航基础
GPS教学课件：第3章 - GPS系统导航定位基础
中南大学测绘与国土信息工程系
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GPS时间系统的两种定义方式
● 主 钟 方 式 ： 由 主 控 站 的 主 钟 定 义 ， GPS 系 统 时 间 在 1991年6月17日以前由在科罗拉多的GPS主控站的 主钟产生。
●合成钟方式：由所有地面钟和卫星钟组成的钟组定义 ，系统时间尺度由各个钟的加权平均得到。这就是合 成钟（Composite Clock, CC）的概念。合成钟又 称‘纸’钟，由所有监测站和卫星钟组成。
➢ WGS84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议 地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z 轴构成右手系。
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世界大地坐标参考系统(WGS84)
➢ 椭球常数：
长半轴： a = 6378137.0 m
气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。 ➢ 受摄轨道：同时考虑摄动力作用下的卫星运动轨道。 ➢ 受摄轨道的确定：先通过研究无摄运动确定无摄轨道，再研究
各种摄动力对卫星运动的影响，并对卫星的无摄轨道加以修正 ，从而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征。
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卫星受摄运动
中南大学测绘与国土信息工程系
中南大学测绘与国土信息工程系
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大地坐标系
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地球坐标系两种表达形式的转换
对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间转换关系如下：
X (N H ) cos B cos L
Y (N H ) cos B sin L
Z [(N (1 e2 ) H ) sin B]
中南大学测绘与国土信息工程系
北斗卫星导航系统基础知识
卫星导航定位需求—定位
定位是确定在哪儿
迷路是不知道自己在哪里，不能和已 知的位置建立起方位和距离的联系。
定位，解决我在哪儿的问题。
怎么定位？
指南针
地图
灯塔
卫星导航定位需求—定位
定位是确定在哪儿
无线电定位
手机信号定位
卫星定位
卫星导航定位需求—导航
导航是确定怎ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ去
导航解决怎么走的问题。规划 路径，安排时间，力求省时省力。
地球形变测量
内容概要
卫星导航定位需求 北斗系统的发展 卫星定位基本原理
北斗系统的发展—四大系统
四大导航系统
• GPS 全球定 位系统
• 24颗卫星
美国
俄罗 斯
• GLONASS格 洛纳斯
• 24颗卫星
• 北斗BDS • 14颗卫星
中国
欧盟
• GALILEO伽 利略
• 4颗卫星
北斗系统的发展—四大系统
应用服务领域
北斗系统的发展—机遇与挑战
面临挑战
• 北斗频率资源紧缺 • 北斗卫星时钟稳定性与国际先进水
平有较大差距 • 北斗卫星地面跟踪站仅限国土范围
，几何结构较差 • 北斗具有三种不同的星座（GEO、
IGSO、MEO），但必须有无缝的 运控管理 • GPS已占领全球主要导航市场，而 北斗必须拥有属于自己的市场空间 • 相关政策、法规、标准需要进一步 健全 • 技术创新体系、应用服务体系和产 业推进体系尚不完善，产业环境亟 待优化
• 大众位置服务市场产业链较长，缺 乏有效的商业模式
• 对国际市场、国际用户需求、导航 产业国际化发展顶层谋划研究不足
北斗系统的发展—用户终端应用
GPS基础知识二
GPS复习题1．名词解释导航：通过实时地测定运载体在途中行进时的位置和速度，引导运载体沿一定航线经济而安全地到达目的地的技术。
极移:地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移。
历元：在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。
多路径效应: 多路径效应也称多路径误差,即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。
整周模糊度:一般是未知的，通常称为整周未知数（整周待定值或整周模糊度）周跳:gps卫星信号中断时，初始整周计数发生变化的现象。
天线相位差:卫星天线几何中心与相位中心的偏差绝对定位；在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。
相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。
整数解：将平差计算所得的整周未知数取为相近的整数，并作为已知数代入原方程，重新解算其它待定参数。
当观测误差和外界误差（或残差）对观测值影响较小时，该方法较有效，一般应用于基线较短的相对定位中。
非整数解：如果外界误差影响较大，求解的整周未知数精度较低(误差影响大于半个波长)，将其凑成正数，无助于提高解的精度。
此时，不考虑整周未知数的整数性质，平差计算所得的整周未知数，不再进行凑整和重新计算。
一般用于基线较长相对定位中大地高：某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。
大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。
正高：某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示正常高：常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。
某点的正常高正是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。
高程异常：似大地水准面到参考椭球面的距离，称为高程异常，记为 。
1．简答题1简述导航技术的发展历程。
推算定位-天文导航-惯性导航-无线电导航2简述导航系统的分类并举例。
GNSS卫星导航定位基础
• 中国高程系统（常用）： • 黄海高程系 1956年旳水准原点高程为
72.289m； •109.0821599国m8家5高国程家基高准高程程基数准据=1199568年5年黄海旳高水程准数据原- 点高
程为72.260m；
验潮室
中国85黄海高程系统 示意图
人类认识地球旳过程经过了2-3千年旳过程
杭州
北纬 30° 25′ 53″ 东经 120° 14′ 88″
怎样拟定空间点旳位置
拟定一种二维空间点位需要至少两个量
S1 S2
拟定一种三维空间点位需要至少三个量(上例测量 出房子脚比树脚处高或低多少)
一般采用(1)一种高程+两个二维坐标量(2)三个三维 坐标量
大地水准面
垂
线
水准测量原理
• 基本原理：利用水准仪提供旳“水平视线”，测量两 点间高差，从而由已知点高程推算出未知点高程。
地球自然表面
图 地球旳形状和大小
水准面 大地水准面 参照椭球面
高程（绝对高 程、海拔）： 地面点到大地 水准面旳铅垂 距离。
•
高
HB
差
假定（相对） 高程：地面点 到假定水准面 旳铅垂距离。
此高程系统直到20世纪50年代仍为福建省水利水文系统 广泛应用。经1956年中国东南部地域精密水准网平差，罗星 塔基点旳1956年黄海高程为0.564m
换算关系为罗星塔高程－2.179m＝1956年黄海高程
吴淞高程
光绪九年（1883年）巡工司根据咸丰十年至光绪九年在张华 浜信号站测得旳最低水位作为水尺零点。后又于光绪二十六 年，根据同治十年至光绪二十六年（1871～1923年）在该站 观察旳水位资料，制定了比实测最低水位略低旳高程作为水 尺零点，并正式拟定为吴淞零点（）。 以吴淞零点计算高程旳称为吴淞高程系，上海历来采用这个 系统。民国23年（1923年），扬子江水利委员会技术委员会 拟定长江流域均采用吴淞高程系。1951年，华东水利部要求 ，华东区水准测量临时以吴淞零点为高程起算基准。 吴淞高程系与国家1956年黄海高程系旳差值，在上海市境内 为1.6297米。
车载多媒体娱乐导航系统基础知识
车载多媒体娱乐导航系统基础知识车载多媒体娱乐导航系统基础知识1·简介车载多媒体娱乐导航系统是一种集成了多媒体播放、导航功能以及车辆信息显示等功能于一体的设备。
它能够提供丰富的娱乐内容和实时导航服务，为车主和乘客带来更加便利和愉快的出行体验。
2·硬件组成2·1 主控单元主控单元是车载多媒体娱乐导航系统的核心部件，负责处理各个功能模块之间的信息交互和控制指令。
它通常由一块高性能处理器、内存、存储器等组成。
2·2 显示屏显示屏是车载多媒体娱乐导航系统的主要输出设备，用于显示导航地图、音乐播放界面、影片等内容。
目前市场上常见的显示屏类型有液晶显示屏和触摸屏两种。
2·3 音频设备音频设备包括扬声器和放大器，用于播放音乐、语音导航等声音内容。
一些高端车载多媒体娱乐导航系统还会支持环绕声效果和噪音降低技术。
2·4 导航模块导航模块通过接收卫星信号，实现车辆位置的定位和导航功能。
它通常由GPS芯片和相关的导航软件组成。
2·5 多媒体模块多媒体模块支持各种娱乐功能，包括音乐播放、影片播放、收视电视节目等。
它通常支持多种音频和视频格式，以满足用户的不同需求。
3·功能特点3·1 导航功能车载多媒体娱乐导航系统通过导航模块提供实时的导航服务。
用户可以输入目的地信息，系统将计算最佳路线并提供具体的导航指引。
一些高级导航系统还支持实时交通信息、道路拥堵提示等功能。
3·2 娱乐功能车载多媒体娱乐导航系统提供丰富的娱乐功能，包括音乐播放、影片播放、游戏等。
用户可以通过系统的界面操作来选择喜爱的娱乐内容，并通过音频设备和显示屏进行播放。
3·3 车辆信息显示车载多媒体娱乐导航系统还可以显示一些与车辆相关的信息，如车速、油耗、胎压等。
这些信息可以帮助用户更好地了解车辆状态，提高驾驶安全性。
4·附件本文档涉及的附件包括：●车载多媒体娱乐导航系统产品手册●多媒体模块软件更新包●导航模块地图更新文件5·法律名词及注释●GPS：全球定位系统，是一种通过卫星信号进行导航的技术。
GPS的基本知识-文档资料
e) 全天候作业：GPS接收机可以在任何地点(卫星信号不被遮 挡的情况下)，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况 的影响。
2021/4/21
测站间同步观测量的单差示意图
T1
T2
测站间同步观测量的双差示意图
三差法是在双差法基础上，不同测站同步观测的 同一组卫星所得双差观测量作差分。
2021/4/21
T1
T2
测站间同步观测量的三差示意图
• 差分法载波相位测量虽然可以消去一系列 多余参数项(即指不含有测站坐标的项)，但 是在组成差分观测方程的同时，减少了观测 方程的个数，另外也增加了观测量之间的相 关性，这些都不利于提高最后解的精度。 • 一般是采用双差法求解最终结果。 • 三差法则只是用于整周跳变的探测和估计 或求得测站坐标的近似解。
2021/4/21
4 GPS测量的实施
• GPS测量：与常规测量一样,可分为外业和内业两大部分。 • GPS测量实施阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外 业观测；内业数据处理。
一、GPS网的优化设计
• GPS网的优化设计，是实施GPS测量工作的第一步，是一项 基础性的工作，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面， 实现用户要求的重要环节。
2021/4/21
(4)GPS接收机记录的数据有： • GPS卫星星历和卫星钟差参数； • 观测历元的时刻和伪距观测值及载波相位观测值； • GPS绝对定位结果； • 测站信息。
3、观测数据下载及数据预处理 • 外业观测数据在测区要及时严格检查，对外业预处理成果，按 规范要求严格检查、分析，根据情况进行必要的重测和补测。 确保外业成果无误后方可离开测区。
卫星导航基础原理
卫星导航基础原理
卫星导航基础原理是指利用卫星定位系统来确定地面或空中目标位置的基本理论。
卫星导航系统主要包括GPS、GLONASS、北斗等系统，它们都采用了类似的基本原理。
卫星导航系统的核心是卫星定位，它通过接收地面或空中目标发出的信号以及卫星发出的信号来计算目标位置。
卫星发出的信号包含了卫星的位置和时间信息，目标接收到这些信号后可以通过计算卫星与目标之间的距离来确定目标的位置。
卫星导航系统的精度主要取决于卫星数量、卫星分布、接收机性能、信号传输和处理等因素。
在现代化的卫星导航系统中，系统会通过多个卫星和接收机同时计算目标位置，从而提高精度和准确度。
总之，卫星导航基础原理是一个重要的理论基础，它不仅支撑着现代化交通运输、航空航天、军事等领域的发展，还为我们的日常生活提供了诸如导航、定位等便利。
- 1 -。
gnss空间定位基础知识总结
GNSS空间定位基础知识总结一、概述1.1 GNSS是什么？GNSS全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）是一种基于卫星的导航系统，能够在全球范围内为用户提供定位、导航和时间服务。
1.2 GNSS的发展历程1978年美国启动了第一颗GPS导航卫星Navstar-01。
随后欧盟、俄罗斯和我国纷纷推出自己的导航卫星系统，如欧盟的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯系统、和我国的北斗系统。
1.3 GNSS的应用领域GNSS技术已经广泛应用在陆地、海洋、空中等多个领域，包括交通运输、地质勘探、农业、精准定位等多个方面。
二、GNSS的组成和原理2.1 GNSS系统包括哪些导航卫星目前世界上主要的导航卫星系统有GPS（美国）、GLONASS（俄罗斯）、Galileo（欧盟）、BeiDou（我国）等。
2.2 GNSS的信号传输原理GNSS通过卫星信号传输，接收设备接收卫星的信号，并计算出自己的位置信息。
信号传输原理包括卫星信号发射、地面接收、信号处理等环节。
2.3 GNSS定位的原理GNSS的定位原理主要包括三角测量原理、时间差测量原理和相位差测量原理。
其中三角测量原理是最基本的原理，通过三个卫星的信号来定位接收设备的位置。
三、GNSS的定位精度和影响因素3.1 GNSS的定位精度GNSS的定位精度是指接收设备测得的位置与真实位置的偏差。
影响定位精度的因素包括卫星几何分布、大气延迟、多径效应等。
3.2 影响GNSS定位的因素除了定位精度外，还有一些其他因素会影响GNSS的定位效果，如天线的安装位置、接收设备的性能、遮挡物等。
3.3 GNSS定位的提高方法为了提高GNSS的定位精度，可以采用差分定位、RTK技术、增强型定位系统等方法来提高定位精度。
四、GNSS的发展趋势4.1 新一代卫星系统的推出目前，Galileo系统和BeiDou系统正在逐步完善中，相较于GPS系统，可能会带来更多的服务和更好的性能。
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孙淑光
电子工程系 2020/1/20
航空电子专业培养目标
电子信息工程专业学生培养目标
培养目标
航空电子维修
航电系统原理及 拓扑关系
系统维 修方法
飞机飞行控 飞机安全运
制系统
行系统
维修 技术
2020年1月20日
导航系统
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航空电子专业培养目标 维修观念的改变
由被动维修变主动维修与主动预防 用设计的理念来指导维修 不能满足于知其然，而应追求知道其所以然
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导航系统
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导航基础
飞机航线
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导航系统
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导航基础
大圆航线与等角航线
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导航系统
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导航基础 方位角
方位角：以经线北端为基准，顺时针量到水平面上某方向线 的角度。（表示方位时必须明确以哪一点为基准点）
飞行操纵
区域导航
GPS IRS VOR/DME
DME/DME
所需导航性 能
指标要求：精度、完好性、连续性、有效性；最 小放行清单(MEL)
基于性能的 导航
导航设施、导航规范、导航应用；最小放行清单 (MEL)
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导航系统
飞行指引 ……
自动驾驶 ……
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航空电子架构体系
飞机安全运行
通信
系统（实现手段，对应的系统）
传统导航功能实现的手段：大气数据仪表、陀螺仪表、无线 电导航
现代导航功能实现手段：RNAV（卫星导航、IRS、 DME/DME、DME/VOR）
现在及将来导航功能实现手段：PBN（RNP）
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导航系统
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课程内容
导航系统课程内容
导航基础 传统导航
导航系统
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导航基础
地理经线
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导航系统
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导航基础
位置描述—经纬度
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导航系统
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导航基础
航向、地磁概念
地球的经纬线及经纬度 地磁
地球的磁性 地磁三要素
– 磁倾 – 地磁水平分量 – 磁差
航向-----飞机纵轴与子午线在水平面上的夹角
真航向 磁航向 罗航向 大圆航向
功能与系统
系统的特点
系统的特点包含下列两个方面： 架构设计（通常由飞机制造商完成）
将功能分成各项子功能 将各子功能分配给不同的组件(传感器,计算机,作动筒,控制盒,
显示, ...) 组件的冗余 组件的类型 (是否需要监视, ...) 组件间的互联
技术实现（由部件制造商决定，飞机制造商协助）
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导航系统
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导航系统
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导航系统
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功能与系统
导航系统的功能
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导航系统
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功能与系统
导航系统
要实现的功能
告诉飞行员飞机的姿态、航向、速度、高度、相对位置等 （传统）
告诉飞行员飞机的位置（现代） 告诉飞行员飞机的位置以及该信息的可靠程度（现在及将来）
– 与飞机控制紧密相关的，如飞行控制、制导 – 与飞机的控制不太相关的，如通信、监视
系统
系统是利用一定的手段来实现要完成的功能，所以 不同的飞机，其实现手段、系统组成有可能会不同。
一个系统可能是另一个系统中的一个部件，如：操 纵系统是飞行控制系统的一个子系统
2020年1月20日
导航系统
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每一个组件的实现技术（机械的、电子的、电气的、液压 的，……）
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导航系统
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航空电子架构体系
飞机飞行控制系统
飞行计划
轨迹控制 导航
制导
性能控制
显示
飞机动力
性能优化
……
导航原理
导航实现
飞行原理
飞行控制
……
……
传统导航
ADF VOR DME ILS ADC
基本原理、基系本统原实理、系统实 现与组成 现与组成
监视
通信原理与手段 对外话音通信
通信系统
话音记录
TCAS
HF VHF SELCAL AMSS ……
EGPWS WXR ATC
……
…… ……
基本原理、系统实 现与组成
集成监视
对外数据链通信 VDL HFDL ACARS …… ……
自动相关监 视(ADS)
内话系统 飞行内话 服务内话 客舱内话
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导航系统
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功能与系统
飞机的控制
控制（Piloting，短期）
需要知道飞机沿三个轴的运动 所需要的基本参数：姿态、航向、空速、马赫数、高度及高
度变化率
制导（Guiding，长期）
引导飞机从A点运动到B点 所需要的基本参数：飞行计划、飞机的位置参数、相对位置
参数、航向、高度及高度变化率、速度
导航系统为飞机的控制及制导提供所需的参数
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导航系统
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功能与系统
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导航系统
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导航系统
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导航系统
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导航系统
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功能与系统
2020年1月20日
导航系统
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功能与系统
2020年1月20日
导航系统
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导航系统
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航空安全保障
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导航系统
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维修
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导航系统
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航空电子系统认证过程 FAA航空电子认证过程
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导航系统
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功能与系统
航空电子功能与系统
功能--完成相关要求:与动词紧密相连
如: 控制飞机按计划飞行、告诉飞机其所在位置 有两种不同的功能
仪表导航 无线电导航
区域导航
简单区域导航（DME/DME、DME/VOR） 卫星导航 惯性导航
所需导航性能
RNP参数
基于性能的导航（PBN)
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导航系统
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导航基础
地球的大小与形状
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导航系统
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导航基础
地理纬度
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（4）受磁暴影响 （时间不长）。
2020年1月20日
导航系统
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导航基础
飞机磁场及罗子午线
2020年1月20日
导航系统
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导航基础
航向概念
2020年1月20日
导航系统
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导航基础
航向、地磁概念-----航向（三）
λa
λb
ψT
B
ψD
A
大圆圈线
大圆航向=真航向-经线收敛角
其中，经线收敛角为： B A sin
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导航系统
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传统导航
航向、地磁概念----地磁
2020年1月20日
导航系统
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导航基础
航向、地磁概念-----航向（一）
真航向、磁航向间的关系
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导航系统
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导航基础
航向、地磁概念-----航向（一）
（1）各地磁差不 相同；
（2）磁性矿藏影 响大；
（3）随时间变化 （年变率）；