1、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展歷史與應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展歷史與應(yīng)用魏苗苗 電子信息學(xué)院什么是導(dǎo)航？導(dǎo)航的歷史 早在公元前3500年前歷史記載用大船裝載貨物進(jìn)行商業(yè)貿(mào)易，在靠近海岸線用肉眼觀察陸地標(biāo)記或者大地特性來辨別方向和位置的。他們通常白天行駛，晚上找個平靜的港口拋錨。導(dǎo)航歷史當(dāng)他們在看不到大陸的時候，他們通過在白天觀察太陽的位置，晚上觀察北極星的位置來辨別南北方向。 四分儀（四分儀（Quadrant） 航海員星盤航海員星盤（Mariners Astrolabe）星盤（星盤（Astrolabe 航海鐘航海鐘（Navigation clock ）古代導(dǎo)航工具古代導(dǎo)航工具指南針指南針-

2、 -中國古代導(dǎo)航工具中國古代導(dǎo)航工具漢朝漢朝（BC.BC.206AD.AD.220） 南宋南宋（AD.1127-1279AD.1127-1279）北宋北宋（AD.960-1127AD.960-1127）北宋北宋（AD.960-1127AD.960-1127）你知道哪些導(dǎo)航系統(tǒng)？ Commonly recognized types of navigations are listed below. 1. 推算船位（推算艦位、推算航法）Dead Reckoning（DR） 2. 天文導(dǎo)航 Celestial navigation 3. 地文導(dǎo)航（陸標(biāo)定位）Terrestrial navigation

3、 4. 無線電導(dǎo)航 Radio navigation 5. 雷達(dá)導(dǎo)航 Radar navigation 6. 衛(wèi)星導(dǎo)航 Satellite navigation 7. 慣性導(dǎo)航 Inertial navigation 8. 組合導(dǎo)航（綜合導(dǎo)航）Integrated Navigation 9. 氣象導(dǎo)航 Meteorological navigation課程主要內(nèi)容、目的和任務(wù)p了解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及現(xiàn)代化歷程；p闡述衛(wèi)星導(dǎo)航、定位、授時的基本原理及其相關(guān)基礎(chǔ)知識；p介紹GPS、GLONASS、GALILEO以及我國的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)組成和信號體制；p闡述衛(wèi)星定位

4、的各種導(dǎo)航算法、誤差分析及差分增強技術(shù)；p全面介紹衛(wèi)星導(dǎo)航在導(dǎo)航領(lǐng)域的作用幾個重要的概念什么是RDSS,RNSS,GNSS?RDSS：Radio Determination Satellite Service衛(wèi)星無線電測定服務(wù)：用戶至衛(wèi)星的距離測量和位置計算由外部系統(tǒng)通過用戶的應(yīng)答來完成。特點是定位與通信相結(jié)合，有源定位系統(tǒng)。代表性系統(tǒng)：美國Geostar，歐洲LocstarRNSS：Radio Navigation Satellite System衛(wèi)星無線電導(dǎo)航服務(wù)：由用戶接收衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號，自主完成至少到4顆衛(wèi)星的距離測量，進(jìn)行用戶位置、速度等參數(shù)計算，無源定位系統(tǒng)代表性系統(tǒng)：Tran

5、sit，Tsikada，GPS，GLONASS幾個重要的概念GNSS：Global Navigation Satellite System “全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是一個能在地球表面或近地空間的任何地點為特定裝備的用戶提供24小時、三維位置坐標(biāo)、速度以及時間信息的空基無線電定位系統(tǒng)，包括一個或多個衛(wèi)星星座及其支持特定工作所需的增強系統(tǒng)”1998年聯(lián)合國第三屆太空探索與和平使用大會框架文件 “Global Navigation Satellite System-GPS,GLONASS,Galileo&more”B.Hoffmann-Wellenhof，奧地利國家導(dǎo)航研究所創(chuàng)始人，格拉次技術(shù)

6、大學(xué)衛(wèi)星大地測量與導(dǎo)航研究所所長 “A worldwide position and time determination system that includes one or more satellite constellations, aircraft recerivers and system integrity monitoring, augmented as necessary to support the required navigation performance for the intended operation.”國際民航組織公約附件10卷標(biāo)準(zhǔn)與建議措施 “GNSS:全

7、球系統(tǒng)+區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)+星基增強系統(tǒng)”曹沖，中國全球定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用協(xié)會咨詢中心主任，中國點播傳播研究所研究員幾個重要的概念主要參考教材1.曹沖北斗與GNSS系統(tǒng)概論，電子工業(yè)出版社，20162.趙琳等衛(wèi)星導(dǎo)航原理及應(yīng)用，西北工業(yè)大學(xué)出版社，20113.劉基余GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法，科學(xué)出版社，20084.S.Grewal，R.Weill，GPS，Inetial Navigation，and Integration A John Wiley &Sons，Inc，2007部分網(wǎng)絡(luò)資源 北斗網(wǎng) http:/ 美國導(dǎo)航學(xué)會 GPS測量原理與實踐（澳大利亞新

8、南威爾士大學(xué)） .au/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm 歐洲空間局伽利略系統(tǒng) http:/Our_Activities/Navigation 俄空間局信息分析中心 http:www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=202:1:13256677232912671765 國際GNSS服務(wù)網(wǎng) /主要內(nèi)容1. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀2. 其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)3. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的作用、特點4. 衛(wèi)星導(dǎo)航系

9、統(tǒng)的應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀p第一顆人造衛(wèi)星1957年10月4日前蘇聯(lián)將第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik送入了軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀p多普勒頻移50年代末美國約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的Guier W.H博士和Weiffenback G.C博士在觀測衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號時提出可以利用多普勒頻移現(xiàn)象對衛(wèi)星進(jìn)行定軌。pDoppler Johan Christian Doppler，an Austria physician，found Doppler Effect in 1842.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀p多普勒頻移同在應(yīng)用物理實驗室的另外兩位科學(xué)家，F(xiàn)rank McClu

10、re和Richard Kershner博士提出可以利用衛(wèi)星的多普勒頻移現(xiàn)象對用戶進(jìn)行定位。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pNNSS-美國 美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System，NNSS）。又稱子午儀系統(tǒng)，于1964年1月建成，1967年7月29日美國政府批準(zhǔn)將該系統(tǒng)解密，并提供民用。 系統(tǒng)構(gòu)成 衛(wèi)星、跟蹤站、注入站、海軍氣象臺、計算中心、船載設(shè)備 特點 高精度、全球、全天候pNNSS-美國7顆實驗衛(wèi)星發(fā)射（1959.9-1961.11）dateDesignationLaunch vehiclenotes1959.9.17Tran

11、sit 1AThor Able 2Launch failure1960.4.13Transit 1BThor Able-Star1960.6.22Transit 2AThor Able-Star1960.11.30Transit 3AThor Able-StarLaunch failure1961.2.22Transit 3BThor Able-Star1961.6.29Transit 4AThor Able-Star1961.11.15Transit 4BThor Able-Star第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pNNSS-美國7顆原型衛(wèi)星發(fā)射（1962.12-1963.9）datedesignatio

12、nLaunch vehiclenotes1962.12.18Transit 5AScout X-3Operational prototype1963.4.5Transit 5A-2Scout X-3Launch failure1963.6.15Transit 5A-3(7)Scout X-3Partial failure1963.9.28Trannsit 5BN-1Thor Able-StarPartial failure1963.12.5Trannsit 5BN-2Thor Able-Star1st operational Transit1964.4.21Trannsit 5BN-3Thor

13、 Able-StarLaunch failure1964.6.4Trannsit 5C(9)Scout X-4第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pNNSS-美國 衛(wèi)星數(shù)量：正式導(dǎo)航衛(wèi)星7顆，其中一顆于1976年停止使用 運行軌道：圓形極軌道，平均高度1071km，軌道傾角約90，各導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道相交于地球的兩極 運行周期：107min 發(fā)射信號：連續(xù)發(fā)射無線電信號，傳遞三種導(dǎo)航信息（衛(wèi)星星歷表、偶數(shù)分鐘的時間信號和供多普勒頻移測量用的399.968MHz和149.988MHz的載波頻率） 定位精度：1968年測定的精度為70m，1976年提高到30m第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pNNSS-美國測量了地球形狀、重力場分布

14、；探測了電離層對無線電信號傳播的影響；高層大氣阻力對衛(wèi)星運動的影響；試驗了衛(wèi)星星體設(shè)備和地面站接收設(shè)備；研究了跟蹤與預(yù)報衛(wèi)星的方法；第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pNNSS的應(yīng)用與現(xiàn)狀在全球范圍內(nèi)核潛艇、遠(yuǎn)航測量船、遠(yuǎn)洋漁船、海上石油開發(fā)鉆井定位、大型游艇等方面得到廣泛應(yīng)用。1988年發(fā)射最后一顆衛(wèi)星，1996年底結(jié)束使命。第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pCICADA-前蘇聯(lián)在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的啟發(fā)下，前蘇聯(lián)海軍于1965年開始建立了與NNSS系統(tǒng)相似的CICADA衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本參數(shù)：衛(wèi)星數(shù)量：12顆運行高度：1000公里運行周期：105min信號頻率：150MHz和400MHzpNNSS的歷

15、史意義 子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誕生預(yù)示著經(jīng)典的導(dǎo)航定位技術(shù)面臨著一場重大變革，在導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展中具有劃時代的歷史意義。第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)p第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)缺點衛(wèi)星數(shù)量少，可見時間少（平均1.5h），無連續(xù)實時定位（導(dǎo)航）能力，獲得一次導(dǎo)航解所需時間較長，不適合高動態(tài)目標(biāo)的使用；衛(wèi)星軌道高度低，難以實現(xiàn)精確定軌；大地測量應(yīng)用連續(xù)觀測3-7天；無三維定位能力；信號頻率低，難以有效補償電離層折射影響。第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pGPS六十年代末：“Timation”計劃（美國海軍）“621B”計劃（美國空軍）1973年美國國防部（DOD）批準(zhǔn)由十個單位組成聯(lián)合計劃局，充分吸收兩個計劃的優(yōu)點提

16、出全球定位系統(tǒng)GPS（全稱為Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR GPS）第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)p最初設(shè)計：24顆衛(wèi)星，3個軌道面，每個軌道面8顆衛(wèi)星，軌道傾角63地球上任何一點都能同時可見6-9顆衛(wèi)星p1978年壓縮國防預(yù)算：24顆衛(wèi)星縮減為18顆衛(wèi)星，6個軌道面，軌道傾角551986年更改為21+3顆衛(wèi)星優(yōu)化星座組合6個軌道面，任何一點可見4-11顆衛(wèi)星p1993年考慮到GPS的光明前景和巨大利益，最終為24+3顆衛(wèi)星。第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pGPS系統(tǒng)的發(fā)展第一階段（1973-1979）

17、 方案論證和初步設(shè)計階段，發(fā)射4顆實驗衛(wèi)星，研制部分地面接收設(shè)備。 1973年 國防部批準(zhǔn)GPS系統(tǒng)的Navstar衛(wèi)星制造計劃； 1974年 為檢驗銣鐘和時間傳播技術(shù)，Timation項目的第一顆GPS實驗衛(wèi)星發(fā)射升空； 1977年 第一批攜帶銫鐘的實驗衛(wèi)星發(fā)射升空，具有后來GPS衛(wèi)星的基本特征； 1978年2月22日 第一顆GPS原型導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK衛(wèi)星發(fā)射升空。第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)pGPS系統(tǒng)的發(fā)展第二階段（1979-1985） 全面研制和試驗階段。這一時期共發(fā)射七顆試驗衛(wèi)星，到1985年10月9日GPS試驗衛(wèi)星BLOCK衛(wèi)星達(dá)到11顆，其他輔助系統(tǒng)建立。（所有試驗衛(wèi)星到1993年12月31日全部停止工作） 研制了地學(xué)研究和精密測地系統(tǒng)，證實了GPS系統(tǒng)卓越的導(dǎo)航定位能力（實際偽距點定位精度：20米，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：100米）第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第三階段（1986-1996） 實際組網(wǎng)階段，24顆工作衛(wèi)星，1995年達(dá)預(yù)定工作能力。 從1989