西电导航原理4.2北斗导航系统.ppt.ppt

绪论北斗卫星导航系统GPS卫星导航系统,本章节提纲,北斗前身北斗1号发展简史系统简介系统的局限性与不足与GPS系统的比较北斗2号发展简史双星定位通信系统简介双星系统的基本工作过程和基本定位方程双星系统的定位解算方法双星系统的误差分析,北斗卫星导航系统提纲,1983年，我国“两弹一星”功勋奖章获得者陈芳允院士及其合作者提出利用两颗同步定点卫星进行导航的设想，经过分析和和初步实地试验，证明效果良好。1986年初，我国正式以双星快速定位通信系统为名开始进行整个计划，并由北京跟踪与通信技术研究所负责研发。当时专家的研究报告提出多种卫星导航定位系统的构想，经过深入评析，多数专家认为，利用2颗或3颗位于地球同步轨道的通信卫星进行导航定位的方案比较适合我国。,北斗卫星导航系统 北斗前身,北斗前身(1),1986年的方案提出是由于当时我国航天科技实力，已具有制造与发射同步轨道通信卫星的能力，也已建立卫星地面跟踪网，有相当规模的卫星轨道数据处理中心，所以有利于发挥既有的卫星资源与地面设施功能；另一方面也顾及到当时经济实力有限，因为此项发展需要24颗卫星类似美国GPS的卫星导航定位系统，需要大量经费，当时我国尚无此财力。,北斗卫星导航系统 北斗前身,北斗前身(2),1986年底我国相关单位就提出了总体技术方案和试验方案，预估只要3年时间，就可利用已在轨道的2颗同步卫星进行试验，验证导航定位原理，并检验系统实用性，寻找实现双星导航定位的技术途径。1989年9月5日凌晨5点，我国科研人员以库尔勒、南宁等4个用户机进行第一次定位试验，结果证明，利用双星定位可实现定位、定时、简短通信三大功能，而且比当时GPS的民用码精度高好几倍。,北斗卫星导航系统 北斗前身,北斗前身(3),备注：就在筹备双星定位系统期间，我国相关专家发现1982年美国已有3名科学家开始发展一个利用3颗同步轨道卫星，名为GEOSTAR的定位系统，还获得多项专利。但是后来因为功能更佳的GPS全球定位系统发展迅速，使得研发中的GEOSTAR系统资金被撤走，在1991年宣告失败。由于GEOSTAR最后也将使用3颗卫星定位改为双星定位，因此仍倾向于认为使用双星定位的概念是我国最早提出并实现的。,北斗卫星导航系统 北斗前身,北斗前身(4),1994年1月，我国正式批准了北斗卫星导航系统的研制，双星快速定位通信系统正式命名为“北斗”卫星导航定位系统，其工程代号为“北斗一号”,被列为我国“九五计划”重大项目。双星快速定位系统试验的成功，为“北斗”系统奠定了技术基础，先后发射了两颗北斗一号静止轨道卫星。接下来的6年多里，北京跟踪与通信技术研究所又完成地面控制中心等应用系统的总体设计方案，建立“北斗”系统的完整体系。,北斗卫星导航系统 北斗一号,发展简史(1),北斗卫星导航系统 北斗一号,发展简史(2),北斗1号卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统由三颗（两颗工作星（80E和140E）、一颗备用星）北斗一号、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。该系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达数十纳秒的同步精度，其精度与GPS相当。,北斗卫星导航系统 北斗一号,系统简介,北斗卫星导航系统 北斗一号,定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得。主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣。,北斗卫星导航系统 北斗一号,地面数据处理中心：利用北斗用户的实时运行轨迹和相关地图对动态用户进行导航和交通管制遥测北斗用户接收机的工作状态，报警用户收发机的故障，识别用户身份，控制用户使用响应并回复集团用户对下属用户的定位审查,北斗卫星导航系统 北斗一号,1、二维定位的问题 由于“北斗”卫星导航定位系统是双星系统，因此，其用户接收机只能测得二维(平面)的定位数据。用户若位于海平面上，因高度为零，可以直接求得三维(平面和高度)的定位数据；但用户若位于陆地或空中，就需要利用地面控制中心的数字地图或用户自备的测高仪才能求得用户的高度，并进一步确定用户的三维坐标。若控制中心的数字地图数据库数据不够准确，尤其是要拿到非本国的地理精确数据并不容易，定位出的位置数据就会有问题。,北斗卫星导航系统 北斗一号 系统的局限性与不足,2、定位时间的问题 用户的定位申请要送回地面控制中心，经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料之后再发回用户。无线电信号从地面发出，经卫星返回地面的上下行时间约为0.24-0.28秒，从用户接收器应答测距信号到接收定位结果，信号经过两次上下行链路的传送，时间约需0.56秒，加上中心控制系统的计算时间，整个定位时间约需1秒钟，即用户接收机约可在1秒钟完成定位。这1秒的定位时间对飞机、导弹这种高速运动用户嫌时间长，会加大定位的误差，因此若要进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较适合。,北斗卫星导航系统 北斗一号 系统的局限性与不足,3、有源应答的问题(1)由于“北斗”卫星导航定位系统的客户端要请求定位服务时，必须发出应答信号，即“有源应答”，如果使用者是军方单位就会使自身失去隐蔽性，且这个定位服务要求的信号也可被敌方定位，而招致攻击。另外，客户端除了要和卫星一样接收来自地面控制中心的询问信号，也要发出应答信号，因此，整个系统的同一时间内服务用户的数量便受用户可使用的通信频率数量、询问信号速率和用户的响应速率等条件的限制。,北斗卫星导航系统 北斗一号 系统的局限性与不足,3、有源应答的问题(2)“北斗”卫星导航定位系统的用户设备容量是有限的，每秒钟只能容纳150个用户。虽然每个客户端都有专用识别码，不过一旦被破解，很容易使整个系统被敌人或有心人士以伪冒信号加以饱和，使系统瘫痪或者是传送假信息，迷惑友军。由于“北斗”卫星导航定位系统中地面控制中心扮演着系统关键角色，如：承转卫星信息、解算用户位置等，因此，一旦地面控制中心被毁，整个系统就不能运作了，这也是“北斗”系统的致命伤。,北斗卫星导航系统 北斗一号 系统的局限性与不足,4、用户机的问题 系统使用的卫星是同步轨道卫星，这意味着落地信号功率很小，因此用户机需要有较大天线(直径达20厘米)才能接收信号，而且因有源应答运作方式，所以，用户机还要包含发射机，因此在体积(普通型用户机长20厘米、宽17.5厘米、高5.2厘米)、重量、耗电量，甚至价格都远比GPS接收机来得大、重、耗电与贵，而且这么大且重的用户机，不要说是装在导弹上，就是单兵使用都是一大负担。,北斗卫星导航系统 北斗一号 系统的局限性与不足,5、抗干扰的问题 系统“有源应答”的运作模式，使得数据更新速度较慢，原本就不利于速度较快的飞机和导弹做精确定位。所以一旦配备“北斗”的飞机或导弹，被敌方干扰，其误差值要比使用GPS制导被干扰要来得大。,北斗卫星导航系统 北斗一号 系统的局限性与不足,1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70140，北纬555。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。,北斗卫星导航系统 北斗一号 与GPS系统的比较,2、卫星数量和轨道特性：北斗1号导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，两颗卫星的赤道角距约60。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55，轨道面赤道角距60。GPS卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。,北斗卫星导航系统 北斗一号 与GPS系统的比较,3、定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。由地面中心控制系统解算，提供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。北斗系统的这种工作原理带来两个方面的问题：用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，在军事上相当不利；设备必须包含发射机，在体积、重量、价格和功耗方面处于不利的地位。,北斗卫星导航系统 北斗一号 与GPS系统的比较,4、定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码已由16m提高到6m，C/A 码目前已由25100m 提高到12m，授时精度约20ns。,北斗卫星导航系统 北斗一号 与GPS系统的比较,5、用户容量：北斗导航系统由于是主动双向测距的询问-应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率，用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS 的用户设备容量是无限的。,北斗卫星导航系统 北斗一号 与GPS系统的比较,6、生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，北斗系统基于中心控制系统和卫星而工作，但是北斗系统对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星间横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而北斗系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。,北斗卫星导航系统 北斗一号 与GPS系统的比较,7、实时性：北斗用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，北斗卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS 所不具备的。,北斗卫星导航系统 北斗一号 与GPS系统的比较,“北斗”卫星导航定位系统基本上是以满足民用服务为主，虽然目前军事用途仍有限，不过其仍具有雄厚的军事应用潜力。理由很简单，虽然我国卫星导航定位应用近年来发展迅速，但是绝大多数的军民应用范畴都是建立在美国GPS之上。一旦发生战争，美国关闭GPS或加大民用码误差，对我国而言，后果不堪设想，所以我们必须未雨绸缪，发展自主的卫星导航定位系统。,北斗卫星导航系统 北斗一号 军事用途,其实“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS 类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载体发射位置的快速定位，以缩短反应时间；人员搜救、水上排雷定位等。不过，因运行方式不同，“北斗”卫星导航定位系统有一些GPS没有的军事功能，其中最重要的就是部队的指挥管制。,北斗卫星导航系统 北斗一号 军事用途,由于北斗卫星导航定位系统的简短通信功能可进行“群呼”，如集团用户中心发出的各种指令经“北斗”指挥型用户机上传至“北斗”卫星接着转给地面控制中心，再经出站链路传至北斗卫星向目标用户转发，使得集团用户中心可对其下属用户进行指挥调度。另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户知道自己的测定位置，而且负责调度指挥的上层单位或其他有关单位也可得知用户所在位置。,北斗卫星导航系统 北斗一号 军事用途,这项功能用在军事上，意味着可主动进行各级部队的定位，也就是说各级部队一旦配备“北斗”卫星导航定位系统，除了可供自身定位导航外，高层指挥部也可随时通过北斗系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执行有相当大的好处。换言之，我们可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。,北斗卫星导航系统 北斗一号 军事用途,海湾战争期间，伊军使用的GPS干扰设备的效能到底如何?因伊拉克和联军双方都没有公布相关资料，因此很难判断。不过由一些外电报道也许可推出一些端倪，刚开战时，很多报道都指称联军精准武器准到房子被炸，而屋前的汽车却毫发无伤，但随着战事推展，联军误击巴格达市场和住宅区造成平民死伤的事件，便不时发生。尤其是像市场这种大目标也会误炸，有外电报道指可能是伊拉克发射的防空导弹未爆落回地面造成的，除此之外实在令人很难不联想到是否这些误炸事件是因联军精确制导武器被伊军干扰所致。,北斗卫星导航系统 北斗一号 军事用途,不过要注意的是，这种GPS干扰设备一旦激活后因本身也发出电波，很容易被敌军定位而暴露行踪，反而成为敌军攻击目标。美伊战争期间，联军受干扰后，立即以战机摧毁伊军使用的GPS干扰设备，由此可知这些干扰设备确实有效。我国近年来在GPS差分定位技术，即DGPS(Differential GPS)的发展上不遗余力，目的就是要提高GPS定位精度，使得GPS定位更加实时精确，应用范围更广泛。,北斗卫星导航系统 北斗一号 军事用途,“GPS差分定位”的原理如下：在一个经过测量得知其精确位置数据的固定地点(站台)，以1个C/A码(民用码)用户接收器接收GPS的信号而获得该站台的“所测位置数据”，比较其与“精确位置数据”的差异就可得到GPS定位误差修正量。然后以无线电发射机将这些“定位误差修正量”传播出去，供该地区使用中的大量C/A码用户接收机接收，修正其接收机器的定位数据。通过差分式GPS系统，可使C/A码接收器的定位精度提高约10倍之多。,北斗卫星导航系统 北斗一号 军事用途,而“北斗”的“03星”虽是备份星，目的在“01星”或“02星”发生故障时，可接替其工作，但“01星”和“02星”都运作正常的情况下，则可利用“03星”进行差分修正服务、附加导航等工作，以提高定位精度。不过即使“03星”用来作为差分修正服务，“北斗”的客户端只能收到3颗卫星信号，精度还是比不上GPS用户至少可收到4颗卫星信号。所以除了发展北斗系统与GPS的双模用户机外。将来也可能利用已在我国普设GPS差分基地站，发射北斗系统的定位误差修正量，使北斗系统用户能接收到第4个定位信号，以提高定位精度。,北斗卫星导航系统 北斗一号 军事用途,双星导航定位系统是我国迄今为止最复杂的卫星系统。它需要两颗卫星才能正常工作，对卫星的可靠性提出了很高的要求。它的地面应用系统也是目前国内最复杂的,而且涉及了很多高新技术。它的建成，不但使我军获得独立自主和快速有效的定位手段,而且也标志着我国在卫星导航技术领域取得了重大突破。,北斗卫星导航系统 北斗一号,北斗前身北斗1号北斗2号发展简史卫星组成卫星提供的服务,北斗卫星导航系统提纲,2004年8月31日，我国拥有完全自主知识产权的“北斗二号”卫星导航系统立项。,北斗卫星导航系统 北斗2号 发展简史,北斗二号卫星导航系统空间段计划由5颗静止轨道卫星(GEO)和30颗非静止轨道卫星组成，30颗非静止轨道卫星由27颗中轨卫星(MEO)和3颗倾斜同步卫星(IGSO)组成。27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里。为了满足高纬度地区进行信号增强工作的需求，增设了3颗IGSO轨道卫星。高度和静止轨道卫星相同，但倾角不为0，克服了GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题，可以对高纬度地区进行有效的信号增强。3颗IGSO卫星轨道最北到北纬55，可对我国领土范围内进行有效的精度增强。,北斗卫星导航系统 北斗2号 卫星组成,北斗卫星导航系统 北斗2号 卫星组成,北斗2号卫星导航系统提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务信息。北斗卫星导航系统与GPSGLONASS系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。,北斗卫星导航系统 北斗2号 卫星提供的服务,GPS/GLONASS系统参数比较,北斗前身北斗1号北斗2号发展简史双星定位通信系统简介双星系统的基本工作过程和基本定位方程双星系统的定位解算方法双星系统的误差分析,北斗卫星导航系统提纲,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,由通信导航卫星、地面测控网和用户设备系统组成。,1）导航通信卫星 系统中的卫星是空间导航站，即在空间的位置基准点，也是通信中继站，它是离地约36000km 高的地球静止卫星。由三颗北斗一号卫星组成，两颗卫星分别定点在东经80、东经140上空,另一颗在轨备份卫星定点在东经 110.5上空。每颗卫星由有效载荷、电源、测控、姿态和轨道控制、推进、热控、结构等分系统组成。卫星上设置两套转发器，一套构成地面中心到用户的通信链，另一套构成由用户到地面中心的通信链。卫星波束覆盖我国领土和周边地区，主要满足国内导航通信需要。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,双静止卫星定位通信系统的通信链路,2)地面测控网(1)主控站(计算中心)、测轨站、气压测高站和校准站。主控站设在北京，控制整个系统工作，主要任务有：接收卫星发射的遥测信号；向卫星发送遥控指令，控制卫星的运行、姿态和工作。控制各测轨站的工作，收集它们的测量数据，对卫星进行测轨、定位，结合卫星的动力学、运动学模型，制作卫星星历。实现中心与用户间的双向通信，并测量电波在中心、卫星、用户间往返的传播时间(或距离)。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,2)地面测控网(2)主控站利用测得的主控站、卫星与用户间电波往返的传播时间、气压高度数据、误差校正数据和卫星星历数据，结合存储在计算中心的系统覆盖区数字地图，对用户进行精确定位。系统中各用户通过与计算中心的通信，间接地实现用户与用户之间的通信。由于主控站集中了系统中全部用户的位置、航迹等信息，可方便地实现对覆盖区内的用户进行识别、监视和控制。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,2)地面测控网(3)测轨站设置在位置坐标准确已知的地点，作为对卫星定位的位置基准点，测量卫星和测轨站间电波传播时间(或距离),以多边定位方法确定卫星的空间位置。一般需设置三个或三个以上的测轨站,各测轨站之间应尽可能地拉开距离,以得到较好的几何精度系数。三个测轨站分别设在佳木斯、喀什和湛江。各测轨站将测量数据通过卫星发送至主控站，由主控站进行卫星位置的解算。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,2)地面测控网(4)校准站亦分布在系统覆盖区内，其位置坐标应准确已知。校准站的设备及其工作方式与用户机及其工作方式完全相同。由主控站对其进行定位，将主控站解算出的校准站的位置坐标与校准站的实际位置坐标相减，求得差值，由此差值形成用户定位修正值。一个校准站的修正值一般可用来作为其周围100200km区域内用户的定位修正值。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,2)地面测控网(5)测高站设置在系统覆盖区内，用气压式高度计测量测高站所在地区的海拔高度。通常一个测高站测得的数据粗略地代表其周围100200km地区的海拔高度。海拔高度与该地区大地水准面高度之代数和,即为该地区实际地形离基准椭球面的高度。各测高站将测量的数据通过卫星发送至主控站。一般的测轨站、测高站、校准站均是无人值守自动数据测量、收集中心，在主控站控制下工作。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,3)用户设备(1)用户设备是带有全向收发天线的接收、转发器，用于接收卫星发射的S波段信号，从中提取出由主控站传送给用户的数字信息。用户设备仅是接收、转发设备，设备可做得简单,成本也可降低。对于一个容量极大的系统，降低用户设备的价格是扩大系统用户，提高系统使用效率的关键，也是提高系统竞争能力的关键因素之一。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,3)用户设备(2)北斗系统用户设备具有三大特点：开机快速定位功能。用户开机几秒钟就可以进行定位，而 GPS等其他卫星导航系统需几分钟。位置报告功能。用户与用户、用户管理部门，以及地面中心之间均可实行双向报文通信，传递位置及其他信息，是目前其他卫星导航系统所不具备的。双向授时功能。可以为用户提供双向授时服务，也是目前其他卫星导航系统所不具备的。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,3)用户设备(3)根据用户机和应用环境和功能的不同，通常分为：普通型：只能进行定位和点对点的通信，适合于一般车辆、船舶等用户的定位导航应用，可接收和发送定位及通信信息，与中心站及其它用户终端双向通信。通信型：适合于野外作业、水文测量、环境检测等各类数据采集和数据传输用户，可接收和发送短信息、报文，与中心站和其它用户终端进行双向或单向通信。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,3)用户设备(4)授时型：适合于授时、校时、时间同步等用户，可提供数十纳秒级的时间同步精度。多模型用户机：此种用户机既能接收北斗卫星定位和通信信息，又可利用GPS系统或GPS增强系统导航定位，适合于对位置信息要求比较高的用户。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,3)用户设备(5)指挥型：指挥型用户机是供拥有一定数量用户的上级集团管理部门所使用，除具有普通用户机所有功能外，还能够播发通播信息和接收中心控制系统发给所属用户的定位通信信息。分为一、二、三级。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,三级指挥型用户机,二级指挥型用户机,一级指挥型用户机,普通型用户机,二级指挥型用户机,二级指挥型用户机,一级指挥型用户机,一级指挥型用户机,普通型用户机,普通型用户机,3)用户设备(5),北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统构成,技术指标(1)服务区域:经度区间 东经70145纬度区间 北纬555 其服务区域如右图所示。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统技术指标,技术指标(2)动态性能及环境条件：系统适合于用户机载体瞬时速度小于1000km/h 的动、静态用户使用。陆上各类用户机在公路上行进时在树木有轻微遮挡条件下能正常使用。用户容量：系统可为以下用户提供每小时 54 万次的服务。其中一类用户机 1000020000 个，适合于单兵携带用户，510min 服务一次。二类用户机 5500 个，适合于汽车、坦克、装甲车、舰船及直升机等用户，1060S 服务一次。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统技术指标,技术指标(3)系统阻塞率小于 10-3。数据误码率小于 10-5。定位精度：平面位置精度(1)20m(不设标校机区域100m)；高程控制精度(1)10m。(注：1表示达到指标的概率为0.68)简短报文通信能力：用户每次最多可以传送 120 个汉字的信息。授时精度（相对于控制中心时间系统)：单向传递精度为 100ns；双向传递精度为 20ns。,北斗卫星导航系统双星定位通信导航系统简介系统技术指标,北斗前身北斗1号北斗2号发展简史双星定位通信系统简介双星系统的基本工作过程和基本定位方程双星系统的定位解算方法双星系统的误差分析,北斗卫星导航系统提纲,定位基本原理(1)双星通信导航定位系统采用双星定位体制，系统中用户的点位是利用卫星位置、用户至卫星的斜距以及用户的大地高计算出来的，如何由卫星位置、两条斜距和大地高计算用户的位置就是系统的定位原理问题。系统的定位原理可以从几何和代数两个方面来描述。,北斗卫星导航系统双星系统定位的基本原理,定位基本原理(2)几何原理 以卫星为球心，以卫星至测站(用户)的斜距为半径，可以作两个大球，在满足定条件下，两大球面相交形成交线圆，并穿过赤道面，在地球的南半球和北半球各有一个交点、其中一个交点就是用户的点位，在已知用户大地高时，可惟一确定用户的位置。,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,定位基本原理(3)根据系统定位的几何原理和几何分析，要惟一确定用户的点位必须满足以下3个条件：两卫星间的弦长必须小于两斜距之和，即两卫星间的最大夹角不得超过162。否则以卫星至用户的斜距为半径的两个大球不能形成交线圆。当两卫星的弧距为60时，几何精度最好。交线圆必须与用户水平面相交，否则产生同步卫星定位的“模糊区”。必须已知用户点的大地高。,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,定位基本原理(4)代数原理 是指如何利用已知的卫星位置、观测站应答询问信号之后的观测量与测站点位坐标之间的函数关系，进行测站(用户)的位置解算。一个测站（用户）应答询问信号之后可得两个观测量方程。,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,Xs和Xu分别为卫星坐标矢量和测站(用户)坐标矢量,(式1),定位基本原理(5)用户坐标Xu是空间三维坐标，即式1的两个方程含三个未知数。若能给出用户的第三维坐标，则可求解用户的其余两维坐标。用户坐标可以是地固直角坐标(X,Y,Z)或大地坐标(,H)，日常生活中多用大地坐标表示地点位位。利用该式可以得到含大地高度的大地经纬度 和 的表达式，只有给定用户的大地高H，才能求出、的具体数值，即双星定位需要知道大地高。,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,(式1),定位基本原理(6),北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,双星系统定位原理图,定位基本原理(7),用户所在点大地高为H，用户点位纬度处的卯酉圈曲率半径(卯酉圈曲率半径恰好等于椭球面和短轴之间的一段法线的长度，亦即卯酉圈的曲率中心位于椭球的旋转轴上)Ne。N=Ne+H，可看成是一个观测量，则又可以组成一个观测方程,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,Xo为过用户的法线与短轴交点O坐标矢量，其值为,这样在给定用户大地高 H 时，此式与上式联立得到三个观测方程，便可解算出用户三维坐标。实际工作中用户大地高H由地面中心的数字化地形图或用户携带的气压测高仪提供。,(式2),定位基本原理(8)更具体的表述：定位采用三球交会测量原理。地面中心通过两颗卫星向用户广播询问信号(出站信号),根据用户响应的应答信号(入站信号)测量并计算出用户到两颗卫星的距离；然后根据中心存储的数字地图或用户自带测高仪测出的高程，算出用户到地心的距离，根据这三个距离就可以确定用户的位置，并通过出站信号将定位结果告知用户。授时和报文通信功能也在这种出、入站信号的传输过程中同时实现。,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,基本工作过程(1)系统的工作过程是：首先由地面中心向卫星1和卫星2同时发送出站询问信号(C 波段)；两颗工作卫星接收后，经卫星上的出站转发器变频放大后，向服务区内的用户广播(S 波段)；用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送入站响应信号(用户的申请服务内容包含在内，L 波段),经卫星转发回地面中心(C 波段)；地面中心接收解调用户发送的信号，分别测量出用户所在点至两颗卫星的距离和，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,基本工作过程(2),北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,基本工作过程(3)对定位申请：根据测量出的两个距离和，加之从储存在计算机内的数字地图中查寻到的用户高程值(或由用户携带的气压测高仪提供),计算出用户所在点的坐标位置，然后置入出站信号中发送给用户，用户收此信号后便可知自己的坐标位置。对通信申请:地面中心根据通信地址将通信内容置入出站信号发给相应用户。系统采用广域差分定位方法，利用标校机的观测信息，确定服务区内电离层、对流层及卫星轨道位置误差等校准参数，从而为用户提供更高精度的定位服务。,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,系统的信息流程图,基本定位方程(1)系统测量的是电波在测控中心、两颗卫星和用户之间往返传播的时间。双星测距示意图如图所示。换算为相应的距离,则有,北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,式中1,2分别为用户至卫星1、卫星2的距离；S1,S2分别为中心至卫星1、卫星2的距离；L1,L2为实际观测量。通过测量L1和L2,利用上式和已知的用户高程，可联立解得用户的空间直角坐标系坐标(X,Y,Z)。根据解算方法的不同,可分为代入法、相似椭球法、三点交会法和近似椭球法等。,(式3),基本定位方程(2),北斗卫星导航系统双星系统的基本工作过程和基本定位方程,双星测距示意图,北斗前身北斗1号北斗2号发展简史双星定位通信系统简介双星系统的基本工作过程和基本定位方程双星系统的定位解算方法双星系统的误差分析,北斗卫星导航系统提纲,系统的定位方法是地面中心在接收到测站(用户)收发机应答信号之后组成观测量，进行测站点位置计算的方法。系统的定位方法有：单点定位法、差分定位法和时差图定位法。单点定法和差分定位法是最常用的两种定位方法。时差图定位法是提供高精度相对定位服务的计算方法。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法,单点定位法 单点定位法是仅由一个观测站应答询问信号之后所得的两个观测量和测站所在点的大地高计算测站位置的方法。单点定位的典型计算方法如下图。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,1)代入法 令地面中心至卫星的距离分别为S1和S2，测站到卫星的距离分别为1和2，测站的观测量是电波在地面中心、卫星、测站之间往返传播的时间，相应的距离为L1和L2，则观测方程重写为,(式3),设卫星1、卫星2 和地面中心站的地固直角坐标（地固坐标系即地球坐标系，x 轴通过零经度线）分别为(Xs1,Ys1,Zs1)，(Xs2,Ys2,Zs2)和(X0,Y0,Z0)，测站的地固直角坐标为(X,Y,Z),则Si,i(i=1，2)的表达式为,(式4),北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,(式4)两个方程中，两个方程，三个未知数，必须另外得到一个方程。当预先知道测站点的大地高，两个方程中只剩下两个未知数，应用解二元一次方程的一般方法可逐步求出未知数。由(式3)解出用户到卫星的两个距离，代入(式4)的第二式得：,aX+bY=G,Y=G/b aX/b,Ne为测站点卯酉圈曲率半径；ae为参考椭球长半轴半径；e为参考椭球偏心率；为测站点纬度；H为测站点的大地高。,(式5),q1和q2就是用户到卫星的距离1 和2。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,(式5)Y=G/b aX/b 代入(式4)第2式的1计算式，,由(式6)解出X。由于是一元二次方程，有两个根，根据测站的概略坐标，容易判断是真根还是增根。再由(式5)解出Y。,(式6),北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,由于计算测站Z 值使用的是测站概略纬度，必须迭代计算。,计算纬度，再计算直角坐标Z,重新求出X和Y，继续迭代，直到满足精度要求,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,2)相似椭球法 设想测站位于地球的相似椭球上。地球的相似椭球，是指中心重合、三轴平行、偏心率相等的椭球。测站的两条观测边和过该站的相似椭球面可组成三个方程，从而可解出测站的三维空间坐标，如图所示。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,2)相似椭球法 测站在相似椭球面上，其坐标满足：,设相似椭球的长短半径a，b和卯酉圈曲率半径N与地球的对应项ae、be 和Ne的关系,a=ae+a，b=be+b，N=Ne+H,由相似椭球可以推出：,a/a=b/b=H/N,于是，可以推出,因而相似椭球法的观测方程组为,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,2)相似椭球法引入以下记号：,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,2)相似椭球法 观测方程组写为,上式为非线性方程组，使用线性化方法在用户近似坐标r0处展开并写成矩阵形式,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,2)相似椭球法系数矩阵记为,求导并化简得,式中,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,2)相似椭球法最后求逆解得用户坐标改正数向量,具体计算时可由先给出的用户近似坐标(,)查询或计算H或Ne的值，然后再用计算出的较精确的经纬度迭代查询H和重新计算Ne的值。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,3)三边交会法 设想测站位于三条边1，2和3的交点上，在已知三边长度和三点坐标的情况下，便可交会出测站的三维坐标，如图所示。地球同步卫星1和卫星2的位置已知，1，2是观测边长，而3=Ne+H，3 的起始点O的地固直角坐标为,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,3)三边交会法 所以观测方程为,同样对上式进行线性化求解，可得测站的三维坐标。由于观测方程中用到的Ne和sin是概值，所以需要迭代计算，迭代方法与相似椭球法中所述相同。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,4)近似椭球法 设想测站位于地球椭球的近似椭球上。近似椭球指此椭球与地球椭球中心重合，三轴平行，只是偏心率不同。如图所示。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,4)近似椭球法 测站点所在的近似椭球方程为,令近似椭球的偏心率为,则测站观测方程为,与前面的方法相同，需进行线性化求解，可得到测站三维坐标。此方法需要迭代计算，迭代方法同前。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,单点定位类方法总结 单点定位的4 种定位计算方法计算精度接近，计算时间所差无几，程序量相差不多。从精度、时间和程序量3 个指标综合考虑，以三边交会法为最优。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法单点定位法,差分定位法 差分定位是指利用用户机和定位标校机在同一时刻获得的测距信息进行差分处理，为用户提供高精度的定位数据。差分定位的计算方法有两种：位置改正法和边长改正法。这两种方法分别来自于两种假设。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,1)位置改进法 假设：标校机和用户机在准同步的时间内，位置的观测矢量和实际矢量之差相等，即,用户观测点的实际位置矢量为,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,这种差分计算方法叫做位置改正法(或位置补偿法)，即观测点的位置等于观测位置与改正位置之和，改正位置是标校机的已知值与计算值之差。,1)位置改进法 位置改正法的实现过程是：首先按单点定位法分别计算观测站与标校站的点位；然后计算标校站的已知值与计算值之差；最后将差值加到观测站的计算点位上，从而得到差分改正的观测站坐标。,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,2)边长改正法 假设：标校机和用户机在准同步的时间内，对卫星的观测边长与实际边长之差相等即,用户观测点至卫星的实际边长为,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,这种差分计算方法叫做边长改正法(或伪距差法)，即测站点实际边长等于观测边长与改正边长之和。,2)边长改正法 边长改正法差分定位的实现方法是：首先把用户机观测量与标校机观测量之差组成观测方程，由这个观测方程组解出的观测站坐标就是差分改正后的用户坐标。这是因为上式可得：,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,即实际边长之差等于观测边长之差。,2)边长改正法系统定位的观测方程如下：对用户观测站而言,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,将上述两组方程组相减，分两种情况讨论。,对校准站而言,2)边长改正法（i）两观测同步时,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,就是用用户测站和校准站的观测量之差组成观测方程组，解出后的观测站坐标就是差分改正后的坐标。,2)边长改正法（ii）两观测非同步时,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,因为卫星运动，测站的观测方程与校准站的观测方程中的S1，S2不同（同步卫星的轨道要不断调整，并非相对地球完全不动），与时间有关。用户观测站的S1和S2应为S1(tu)，S2(tu)，校准站的S1和S2应为S1(tA)，S2(tA)。,解此方程组便得到测站点差分改正后的坐标。解法与单点定位法相同,北斗卫星导航系统双星系统的定位解算方法差分定位法,分析并比较两种差分定位方法的假设和实现过程，可以看出：位置改正法与边长改正法不完全等价