GNSS-无线电导航、天文导航与惯性导航

陈秀万吴才聪2011第一章概论1.1无线电导航、天文导航与惯性导航1.2卫星定位技术产生的背景1.3GNSS的发展概况1.4GNSS的分类1.5GNSS应用与产业全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)一种空间无线电定位系统包括由多个卫星组成的星座可为地球表面、近地表和地球外空任意地点用户提供24小时三维位置、三维速率和时间信息全球定位系统，即GPS全球轨道导航卫星系统也即轨道导航系统，即GLONASS目前，GNSS有两个核心组成部分：1.1无线电导航、天文导航与惯性导航在卫星定位系统出现之前，远程的导航与定位系统可采用三种方法：1）无线电导航系统；2）天文导航系统；和3）惯性导航系统。在实际应用中，可以是这三种方法中的两种或三种组合。无线电导航工作在100kHz，采用脉冲相位双曲线定位（下表）。无线电导航（1）：罗兰-C导航系统罗兰-C与GPS的比较Long-RangeNavigation(LORAN)RadionavigationSystem无线电导航（2）：Omega（奥米加）导航系统天文导航系统惯性导航系统（INS）结论1.2卫星定位技术产生的背景1.2.1军事需要1.2.2技术水平无线电导航技术卫星技术：1957年10月世界上第一颗卫星发射成功通信技术计算机技术1.2.3经济发展1.3GNSS的发展概况1.3GNSS的发展概况GPS系统具有比其它导航系统优越的特点：（1）全能性：能在空中、海洋、陆地等全球范围内进行导航、授时和定位及测速。（2）全球性：在全球的任何地点都可进行定位。（3）全天候：白天黑夜都可以定位。第二阶段：全面研制和试验1979~1984年又陆续发射了7颗试验卫星。这一阶段称之为BlockI。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。试验表明，GPS的定位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到14m。由此证明，GPS是成功的。第三阶段：实用组网1984~1994年1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设阶段。这种工作卫星称为BlockⅡ和BlockⅡA卫星。这两组卫星的差别是：BlockⅡA卫星增强了军事应用功能，扩大了数据存储容量；BlockⅡ卫星只能存储供14天用的导航电文（每天更新三次）；而BlockⅡA卫星能存储供180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即（21＋3）GPS星座建成。2008年5月22日，洛克希德•马丁公司的GPSIII团队成功地完成了初步设计评审阶段。GPSIII将改善定位导航和定时服务，并提供先进的抗干扰能力，提高接收系统的安全性、准确性和可靠性。GPS最新进展2009年3月24日，GPS卫星IIR-20(M)成功发射，首次发送了L5频段（1176.45ZHz）的测试信号，该信号主要是为民用航空领域提供安全导航服务L5是继L1C/A码信号之后第二个民用信号频率，用户可以不增加任何费用在各个领域利用信号L5改善现有的定位精度和可靠性。2011年7月16日凌晨2时41分（美国东部时间），联合发射联盟德尔塔-4火箭将第二颗GPSIIF卫星送入太空。6时14分，位于印度洋迪戈加西亚地面站的任务控制人员确认首次与卫星取得联系。GPSIIF卫星是计划中12颗GPSIIF卫星的第二颗，进入轨道后编号为SVN-63。GLONASS的情况1996年1月GLONASS达到完全工作状态，有24颗工作卫星在轨；2001年11月卫星数量降到最低点，为7颗；2007年4月，俄罗斯共有19颗GLONASS卫星在轨，其中12颗处于正常运行状态；截至2010年9月1日，GLONASS系统在轨卫星总数为23颗，其中21颗正常工作，另外2颗处于备用状态。2010年12月5日，三颗GLONASS-M卫星于发射后坠落太平洋；2011年2月26日6时07分（莫斯科时间），俄罗斯GLONASS系统首颗新一代GLONASS-K卫星成功进入预定轨道。该卫星由联盟21-B火箭从普列谢茨克发射场发射，9时39分，卫星进入预定轨道并按计划与Fregat火箭上面级分离。这是俄罗斯完成其天基导航系统组网需要的最后一颗卫星。GLONASS的补网计划（北斗网讯记者李玲丽）第二届中国卫星导航学术年会期间，俄罗斯联邦中央机械制造研究所定位导航与授时信息分析中心国际协调员TatianaMirgorodskaya女士接受北斗网采访，介绍了俄罗斯GLONASS系统建设最新进展。2010年12月5日，3颗GLONASS-M卫星发射失败，导致俄罗斯GLONASS未能按照原计划在2010年底完成组网建设。TatianaMirgorodskaya女士介绍说，俄罗斯将在今年发射5颗GLONASS-M卫星，完成组网建设。下一步将在2012-2025年主要开展提高系统性能相关的研究项目。人民网莫斯科6月20日电（记者张晓东）到2011年底，俄罗斯GLONASS卫星导航系统将达到设计目标即实行全球覆盖，这是俄罗斯总理普京20日在俄联邦2012~2014年预算编制会议上作出以上表示的。据外媒报道，2011年4月，俄罗斯GLONASS系统的码分多址（CDMA）信号首次被成功捕获。该信号来自新一代卫星GLONASS-K1。继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后，许多国家和地区都在尝试建立自己的卫星导航系统，其中最引人注意的是欧盟的欧洲导航卫星系统（ENSS）即伽利略（GALILEO）计划。该计划总的战略意图是：建立一个高效经济的民用导航及定位系统；使之具备欧洲运输业可以信赖的高度安全性，且确保任何未来系统完全置于欧洲人的控制之下。Galileo是“纯”民用系统从民用需求设置多种(五种)服务公开服务，商业服务，生命安全服务，公共特许服务，搜索救援服务公私合营机制，最终运营控制权在民间公私共建，EC和ESA投入前期定义和测试验证阶段的钱，部署阶段和运营阶段主要由企业投资，并加以运作Galileo是“纯”民用系统(续)Galieo有广泛的国际合作，为开放式系统，Galileo不仅限于欧盟成员国，还对外开放。Galileo推行GNSS的兼容与互操作，其基本策略之一，是公开透明，实现公开服务的兼容与互操作。Galileo是“纯”民用系统(续)Galileo由于存在收费服务，有保障服务的承诺，不会有GPS采取局部不工作的方式，而是全天时、全球性确保服务。Galileo在重视经济效益的同时，也重视社会效益，关键是不控制在单个国家，尤其是不在军方手中，给人以可信感和安全感。2008年4月27日，欧洲GALILEO系统第二颗在轨验证卫星GIOVE-B成功发射。GIOVE-B将试验伽利略项目的各项关键技术，包括送入轨道的最先进的原子钟等，可将时间精度保持在24小时内优于1纳秒。GALILEO2011年5月23日，欧盟委员会官员宣布伽利略计划的首批两颗正式卫星预计将于10月20日从设在法属圭亚那的库鲁航天中心发射升空。“北斗导航系统”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，此系统由二颗卫星、控制站和接收机组成，卫星编号分别为“北斗一号”和“北斗*号”，分别于2000年10月31日凌晨0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。2003年5月25日零时34分，在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗"北斗一号"导航定位卫星送入太空。这标志着我国已自主建立了完善的卫星导航系统，对我国国民经济建设将起到积极作用。利用地球同步轨道卫星进行导航定位和通信在地球赤道36000km高空布设二颗卫星定位系统有一个地面中心站和若干个卫星地面监测站“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°-55°，东经70°-140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100米，设立标校站之后为20米。工作频率：2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。CAPS概念图中国区域定位导航运行系统卫星导航的差分和增强系统卫星导航定位系统民用精度有限（从约100m到6~7m），为了满足不同用户的需要，需采用对卫星导航的监测和增强技术，包括差分技术和卫星完好性监测。增强系统有两种，即本地增强系统（LAAS）和广域增强系统（WAAS）LAAS（LocalAreaAugmentationSystem）系统由于采用伪据差分，其差分精度随着用户机与基台距离加大而减退。WAAS（WideAreaAugmentationSystem）系统是将测量误差中与空间分布相关的误差（电离层延迟误差）及与空间分布不相关的误差（卫星星历误差、星钟误差）分别计算，分别修正。这样只需再布置少量基准台站就能满足大面积差分要求。1.4GNSS的分类根据不同的特点，卫星导航系统有不同的分类。按用户是否发射信号分类（2）：无源系统仅由卫星发射信号，用户只需装备接收设备，就可以接收该系统的信号进行导航定位。这种无源系统也称为被动卫星导航系统，GPS、GLONASS、NAVSAT都是属于被动式卫星导航系统。由于用户不发射信号，所以隐蔽性好，且用户数量不受限制。但卫星设备和用户设备都较复杂。有源系统用户设备要同时发射和接收信号，隐蔽性不好，但卫星设备和用户设备较简单。有源系统也称主动式卫星导航系统，如GEOSTAR。按测量的参数分类（5）：测距导航系统通过测量卫星与用户之间的距离进行定位的系统。可分为无源测距和有源测距。测距的方法有电磁波测距和激光测距两种。激光测距比电磁波测距精确，但成本高，因而使用较少。测距离差导航系统在同一时刻对几颗卫星进行距离测量，或在几个位置上对同一卫星测量距离，利用距离差来定位。卫星多普勒导航系统卫星在轨道上运行，由于卫星与卫导仪之间的距离在变化，要产生多普勒效应，使卫导仪接收到的卫星信号频率和卫星发射频率之间相差一个多普勒频率，或称多普勒频移。多普勒频率与卫星和卫导仪之间的距离变化率成正比，所以用它来确定卫导仪与卫星的相对位置。用测量卫星多普勒频率实现导航定位的系统，称为卫星多普勒导航系统。子午卫星导航系统就是一种卫星多普勒导航系统。测角导航系统用确定一颗或者多颗卫星相对于某一基准方向的夹角（例如仰角）来实现定位。混合系统同时采用两种以上测量方法的系统。例如测距法和测量多普勒频移积分值相结合。按卫星运行轨道的高度分类（3）：低轨道（近地轨道）900~2,700km中高轨道13,000~20,000km同步轨道36,000km按是否连续定位分类（2）：连续定位的卫星导航系统间断定位的卫星导航系统按工作区域分类（2）：全球覆盖系统区域覆盖系统以GPS为代表的卫星导航应用产品，能很好地与其它系统结合（GPS+X），形成大量的新应用、新产品，迅速地进入人们日常工作、学习、生活和娱乐中。GNSS的应用十分广泛1.5GNSS应用与产业遭美国导弹打击的坎大哈机场公众出行导航GNSS用户群体分类用户群体大众市场安全市场专业市场海(水)陆空天政府团体个人飞机舰船无人机汽球航天器车辆个人生命安全市场航空铁路航海内陆水运医疗救护警察/消防搜索救援人员保护交通监视危品运输ADAS大众消费市场个人通信与导航汽车与摩托车卡车与公交车轻型商务车个人户外娱乐其它……专业应用市场石油与天然气车队管理物流管理气象预报精密测量精细农业渔业与EEZ车辆控制与机器人建筑与民用工大地测量学陆地测量与GIS矿业时间环境空间完好性（无误差）标准法规连续性可用性精度高精密高精度高可靠性低价位低功耗小型化友好型高性能1995年的预测愿景2006年均成为现实Chipyourself!Satellitestrackyouafteryou’rekidnappedinMexico…Thechipscost$4,000plusanannualfeeof$2,200…GPS跟踪器美国一家专门生产定位设备的公司推出名为“PocketFinder”的装置，可以带在小孩子、宠物以及贵重的行李上，外形小巧、便于携带、完全防水，可应付恶劣的天气条件，售价在130美元左右。普京为爱犬戴上GLONASS定位项圈随着俄罗斯GLONASS导航系统功能日益完善，普京为爱犬戴上GLONASS定位项圈，以便随时随地掌握其行踪。这种装有特殊移动传感器的电子项圈仅重170克。GPS夹克设计人员将柔软的半导体元件植入到夹克中，这样夹克就具有了显示信息的功能，成为了一款名副其实的移动显示器。另外，这件夹克中还内置了GPS模块，不仅可以方便自己查阅，还可以为其他人提供帮助。当有人问路时，还可以直接在夹克上显示出地图及位置信息。GPS信件跟踪器无论选择何种邮件传递方式，利用它都可以追踪到邮件在什么地方。并且支持直接在GoogleEarth上显示。GPS鞋在遇到紧急情况时，穿鞋的人只要把鞋上的一个按钮按住至少6秒钟，就能启动定位芯片，把紧急呼叫信号送到24小时监测服务站，而一个月的费用只要20美元。这种运动鞋每双售价350美元（约合人民币2708元）。 GNSS应用产品产业是当前国际上八大无线产业之一GNSS也是目前世界上发展最快的三大信息产业（互联网、移动通信、卫星导航）之一GNSS与GSM和CDMA的结合已成为全球通信导航界的热点GNSS与PDA（个人数字助理）和PAN（人域网）消费类组合是个巨大的潜在市场GNSS应用的发展特点2009年卫星导航产业特色卫星导航手机异军突起，市场销量成倍增长，达到近千万台，成为第一大产品；PND继续恢复增长，CPND正在悄然兴起；室内定位技术已经引起广泛注意，但是还是缺乏主体解决方案，尚无成功案例；车辆信息系统（Telematics)正在开步走；汽车后装市场出现长足进步，预示前装市场规模化、标配化时代会很快到来。我国卫星导航产业发展重大机遇北斗系统建设重大专项战略性新兴产业统筹经济建设与国防建设……复习参考题：世界上主要GNSS系统的基本情况（星座、地面系统、开发目标与应用领域、精度、实施过程、现状、未来考虑、应用现状与前景等）（要求：简述3种系统的基本情况）已建和在建的广域增强系统有哪些国内外GNSS应用及其产业发展现状