卫星通信第10章V3.ppt

第十章 卫星定位与导航系统 10.1 卫星导航技术概述 10.2 卫星导航技术基础 10.3 低轨卫星定位系统 10.4 双静止卫星导航系统 10.5 GPS导航系统 10.6 新一代卫星导航系统 10.1 卫星导航技术概述 卫星导航技术的发展历史 第一代：Transit（子午仪）系统 1960s，美国 基于多普勒技术和LEO卫星 海军潜艇定位，后转民用 开创卫星导航的历史 定位时间长，精度低 无法定位运动物体 10.2 卫星导航技术基础 坐标系和时间体系 坐标系 地球坐标系 惯性坐标系 协议坐标系 大地坐标系 天球坐标系 10.2.1 坐标系和时间体系 地球固定坐标系与惯性坐标系 10.2.1.1 协议地球坐标系 概念：地球的极移 由于地球不是刚体，瞬时自传轴在地球体内的位置不固定，地极点在地球表面的位置随时间不断移动，这种现象称为极移。 移动周期与振幅 0.1’’/年 0.2’’/432天 大地水准椭球、基准椭球 地球不是理想球体，圆球代替地球误差大 大地水准面是一假想海面 无潮汐、无温差、无风、无盐 海面分布由地球重力场决定 海水分布面是地球重力场的等位面——大地水准面 大地水准面是一不很规则的球面，近似椭球 不同的近似椭球 10.2.1.2 大地水准椭球、基准椭球 基准椭球下的地理坐标 基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的关系1－地理坐标变换到直角坐标 以WGS-84椭球为基准，地球上任一点的地理坐标，即（λ，φ，H），可以以下式变换到WGS-84三维直角坐标 (X, Y, Z )： X = ( N + H ) cos φ cos λ Y = ( N + H ) cos φ sin λ Z = [ N (1 - e2 ) + H ] sin φ 式中 基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的关系2－直角坐标变换到地理坐标 由直角坐标(X, Y, Z ) 变换到地理坐标的逆变换式为： 10.2.1.3 天球与天球坐标系 概念 天球 天球赤道 黄道 春分点、秋分点 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系 天球坐标系与惯性坐标系的关系：天球坐标系可以看作一个近似的惯性坐标系 10.2.1.4 时间体系 世界时（UT）：从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时。 原子时（AT）：国际时间局目前以大约100台位于世界各地的原子钟的读数，分别以不同的权值作平均，获得综合的时间基准，称为国际原子时。 协调时（UTC）：时间播发中把原子时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间 ，秒长严格等于原子时的秒长，采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内。 10.2.2 卫星定位的一般原理 卫星定位是导航台定位 卫星位置由卫星的轨道参量和星历确定 导航台是导航系统的基准点 卫星定位的一般步骤 已知卫星在某指定坐标系的坐标 测得用户相对于卫星的位置 计算用户在指定坐标系中的坐标 卫星定位的一般原理 （续） 卫星导航的必要条件： 卫星的位置 用户相对于卫星的某种观测量 卫星定位的一般原理（续） 距离测量方法 测时延，转换为距离 测相位差和相位周数，转换为距离 距离差 同上 频移积分 测速度 测多普勒频移 卫星定位的几何原理 定位参量与位置面 定位的原理 几何原理：球面交汇定位、双曲面交汇定位 代数原理： 建立对应于观测量的定位方程 将方程线型化 利用数值算法解方程 方程数量与卫星数量的关系 由于实际观测量存在误差，因此一般说来观测量越多，定位结果越准确。则卫星数量越多，观测值越多，定位结果越准确。 10.3 低轨卫星定位系统 低轨卫星的特点 信号强度高 定位基准信号容易获得 需要较多卫星才能实现多重覆盖 卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移 低轨卫星定位系统 原理：利用信号的多普勒频移实现测速，进而实现双曲线交汇定位 典型系统：子午仪系统、有哪些信誉好的足球投注网站救援卫星系统 10.3.1 子午仪系统 子午仪系统结构 定位卫星 有效载荷：星历接收和存储设备、高稳定度的频率源 地面站组 用户设备 工作方式：无源被动定位，测量信号的多普勒频移 子午仪系统的工作原理 积分多普勒定位 10.3.2 积分多普勒定位技术 多普勒频移与用户速度的关系 积分多普勒定位技术（续2） 基于多普勒积分观测量的定位观测方程 基于多普勒积分观测量的定位观测方程 考虑到接收机的本振频率不等于卫星发射频率，上述等式可稍作修改，经整理可得以积分多普勒测量值为观测量的定位观测方程： 基于多普勒积分观测量的定位观测方程 （续） 定位观测方程的求解