【GNSS】01/绪论

一、原始的导航定位方法

1、利用天体进行定向 ：日、月及特定的星体或星座；

2、利用自然景观 ：高山、河流；

3、利用自然现象 :树木的生长态势，植物的生 长态势（如苔藓）；

4、采用人造的器械：指南针（罗盘）；

5、利用人工建筑 ：烽火台。

二、近现代的导航定位方法

1、天文导航 ：如六分仪（18世纪）

2、地面测量仪器 ：

        （1）尺：铟钢尺 ；

        （2）光学仪器：经纬仪，水准仪

        （3）激光和红外仪器：测距仪

        （4）综合多种技术的仪器：全站仪

三、近现代的导航定位方法

1、惯性导航系统

2、地基无线电导航系统

（1）出现于20世纪30年代末，成熟于20世纪40年代，最初应 用于飞机着陆系统，后来应用于炸弹投掷 。例如， 罗兰C系统（2~4千公里，460m），奥米加系统（1.5万公里，3.7～7.4 km）

（2）优点：不受天气的影响

（3）缺点：有效使用范围被限制在无线电发送器周围的有限空间，只有在视距或近似视距范围内才有可能实现高精度定位。

四、子午卫星系统

（一）介绍

1、概况

（1）正式名称：NNSS，Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统）

（2）由于其卫星轨道为近圆形极轨道，故也称为 Transit（子午卫星系统）

2、组成

  （1） 空间部分

<1> 卫星星座由6颗卫星构成，6个轨道面，轨 道高度1075 km，运行周期为107min

<2> 发送导航定位信号（信号：4.9996MHz ×30 = 149.988MHz；4.9996MHz ×80 = 399.968MHz；星历）

（2）地面控制部分（编算卫星星历）

        包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制 中心和海军天文台

（3）用户部分

        多普勒接收机

（二）子午卫星系统的定位原理：

1、原理：多普勒测量

        观测值：多普勒计数->距离差

2、精度（单次卫星通过）

（1）定位：约200m；

（2）时间同步：约50ms。

（三）子午卫星系统的局限性

1、一次定位时间过长

（1）原因

<1>   存在一个对同一卫星的信号多普勒计数进行时间积分的过程；

<2>   为获得良好的几何图形，通常需要观测一次完整的卫星通过 （约8~18min）。

（2）、引发问题：

✓ 无法为高动态用户服务；

✓ 为缩短定位所需时间，采用了低轨卫星，增加了卫星定轨的难度；

✓ 对于低动态用户，需进行位置归算，影响了导航定位精度。

2、无法进行连续定位，无法独立提供完整的导航定位服务

（1）原因

✓ 卫星数少

✓ 不同卫星采用相同频率的信号

（2）引发问题

✓ 两次卫星通过的平均间隔长（中低纬地区约为1.5h）

✓ 相邻轨道卫星信号可能相互干扰，导致有时必须关闭其中一颗卫星的信号

3、对测量应用存在许多不利因素

（1）观测时间偏长，作业效率偏低（分米级精度需50~100次合格 卫星通过，耗时约1周）

（2）定位精度偏低，原因为

✓ 卫星和接收机钟不够稳定，增加处理难度，影响定位精度；

✓ 信号频率较低，对电离层延迟改正不利；

✓ 卫星轨道精度低，影响定位精度；

五、全球定位系统

（一）概况

1、建立国家：美国

2、名称： NAVigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System – NAVSTAR GPS（导航星测时与测距/ 全球定位系统）

3、卫星星座（设计方案）：24颗GPS卫星

4、载波信号频率两个：L1，L2

5、信号调制：载波信号上调制有测距码（L1上为C/A码和P码， L2上为P码）和导航电文

6、系统基本功能：定位（P）、测速（V）、授时（T）

（二）基本定位方式

（三）建立过程

1、前期准备

（1）美国海军Timation计划

        ✓ 始于1964年

        ✓ 利用卫星播发精确的时间参考信号进行测 距和时间传递

        ✓ 1967年和1969年分别发射了Timation-1和 Timation-2，搭载石英钟

        ✓ 1974年发射NTS-1（Navigation Technology Satellite 1），首次搭载原子钟（2台铷钟）

         ✓ 1977年发射NTS-2，首次搭载铯钟

（2）美国空军621B计划

✓ 采用伪随机噪声（PRN – Pseudo Random Noise）码进行距离测量

✓ 在1968至1971年间利用飞机进行试验

2、项目开展 – 方案论证、工程研制和生产作业

（1）1973年，美国国防部成立联合工作办公室（JPO – Joint Program Office），JPO综合TRANSIT、Timation和621B等方案的优点，提出 了NAVSTAR/GPS项目方案

（2）1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制 阶段的开始

（3）1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进 入了生产作业阶

（4） 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战

（5）1993年12月8日，宣布系统具备初步工作能力（IOC – Initial Operational Capability）

（6）1995 年 4 月 27 日 ， 宣 布 系 统 具 备 完 全 工 作 能 力 （ FOC – Full Operational Capability）

（四）SPS 与PPS

1、SPS （Standard Positioning Service ）

（1）标准定位服务

（2）使用C/A码，民用

（3）精度（2DRMS/实施SA ）

        ✓ 水平：100 m

         ✓ 垂直：150~170 m

         ✓ 时间：340 ns

2、PPS （Precise Positioning Service ）

（1）精密定位服务

（2）可使用P码，军用

（3）精度（ 2DRMS ）

         ✓ 水平：22 m

        ✓ 垂直：27.7 m

         ✓ 时间：200 n

（五）SA与AS

1、名称 ：SA（Selective Availability） – 选择可用性

2、制定目的：降低民用定位精度

3、实施方法

        技术：在广播星历中认为加入误差（50~150m），降低 卫星星历的精度

        技术：有意识地使卫星钟频产生一种快速抖动，影响 约50m

4、实施时间：1990.3.25~2000.5.1

1、名称：AS（Anti-spoofing） – 反电子欺骗

2、制定目的：防止敌对方对GPS卫星信号进行电子欺骗和电子干扰

3、实施方法：在P码上加上严格保密的W码，产生完全保密的Y码

4、实施时间：1994.1.31-至今

5、后果：非特许用户无法使用Y码；增加L2载波相位测量的难度；

六、北斗卫星导航系统

（一）北斗卫星导航系统 （ Beidou Navigation Satellite System，简称北斗或BDS）是我国独立自主建设的卫星导航 系统

（二）北斗卫星导航系统三步走战略

1、第一步：1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，2000年形成区域有源服务能力；

2、第二步：建设北斗卫星导航系统，2012年左右形成覆盖亚太 大部分地区的服务能；

3、第三步：2020年，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。