1、第九章 卫星导航系统无线电导航原理与系统一.卫星导航系统概述卫星导航系统是以人造地球卫星作为导航台的星基无线电导航系统，能为全球的陆、海、空、宇的各类运载体和其它用户，提供全天候、不间断、高精度、实时的三维位置、速度和时间信息。世界上第一个投入运行的卫星导航系统是美国海军导航卫星系统NNSS(Navy Navigation Satellite System)，亦称子午仪(Transit)系统。一.卫星导航系统概述美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。欧洲2000年开始建设“伽利略”系统，该系统是专门为民用而设计的全球卫星导航定位系统，预计2010年建成，将比GPS更先进、更有效和更可靠
2、。中国于九十年代末建成了区域卫星通信和定位系统“北斗一号”。系统发射的是地球同步静止卫星，提供有源二维定位功能，定位精度较GPS和GLONASS要差。一.卫星导航系统概述卫星导航发展趋势相关技术支持微电子技术计算机软/硬件技术网络通信技术电子数字地图技术接收机发展趋势小型化数字化硬件软化多功能组合化卫星导航应用范围导弹制导、情报搜集战场指挥、军事测绘车船导航、时间同步陆海空交通管理 卫星导航已经悄悄渗透到人们的日常生活中，成为继移动通信之后二十一世纪新的经济增长点。一.卫星导航系统概述一般的卫星导航系统主要由三部分组成：空间的人造卫星地面测控站用户接收定位设备 二.卫星轨道 运行轨道 理想轨道
3、如只考虑地球引力，且假设地球为质量分布均匀的圆球情况下，卫星的运行轨道将是一条封闭的椭圆轨道，其地心处于椭圆的一个焦点上，称为理想轨道。摄动轨道卫星的运行会受到多种因素（如其他天体的引力、太阳辐射压力、大气阻力等的作用）的影响，卫星的轨道实际上是复杂的空间曲线。这条曲线既不在一个平面内，也不是封闭的，称为摄动轨道。二.卫星轨道 开普勒卫星方程对于理想宇宙空间绕地球作无动力飞行的卫星，开普勒关于行星运动的三条定律同样适用，即为：第一定律：地球卫星的飞行轨迹是以地心为焦点的椭圆；第二定律：卫星矢径在单位时间内所扫过的面积为一常数；第三定律：卫星轨道周期的平方与半长轴的三次方的比值为常数。卫星轨道六
4、参量a:椭圆半长轴、e:偏心率、i:轨道倾角、:升交点赤经、:近地点幅角、:真近点角 卫星轨道参数示意图 二.卫星轨道 卫星轨道参数（续）轨道半长轴a描述轨道尺寸的大小，为椭圆轨道长轴的一半。根据开普勒定律，它决定了卫星沿轨道飞行一周所需的时间：轨道偏心率e描述椭圆轨道的形状，为轨道椭圆半焦距c与半长轴之比。轨道倾角i描述椭圆轨道在空间的定向，为角动量和z轴的夹角，取值为0到 。2/13)/(2aP 二.卫星轨道 卫星轨道参数（续）升交点赤经描述椭圆轨道平面在空间定向的参数，取值范围为0到2 ，为卫星的升交点与地球系的春分点相对地心的角距，在赤道平面内沿z轴右旋测量。近地点幅角描述椭圆轨道在其
5、轨道平面内的定向参数，为卫星的近地点P与卫星的升交点相对地心的角距，在轨道平面内从升交点沿卫星运行方向度量。真近点角描述轨道上的运动卫星在t时刻相对于近地点P的位置，为近地点P与实时运动的卫星点S相对地心的角距，它是一个随时间变化的参数，取值范围为0到2二.卫星轨道 在轨位置 卫星轨道六要素对于描述轨道更加方便精度更高时效性更长因此，在卫星导航电文中往往播发轨道六参量给定位用户。实际的导航定位应用中，往往需要的是卫星实时的直角位置坐标数据，而不是轨道六参量。因此，需要将轨道六参量转化为卫星的位置数据。二.卫星轨道卫星在地心地固坐标系中的速度 计算得到卫星的位置后，对时间求导即可得到卫星的速度。
6、222cossin()1cos()sincos1cos()sin()sin1cos()coscos1cos()1cos()sin1cos()anE taneE tieE tXanE taneE tiYeE tZaneE tieE t 二.卫星轨道轨道摄动 卫星在轨道上并非仅仅受地心引力的作用，而是受到各种的摄动影响。摄动力低轨卫星中轨卫星地球同步卫星引力场二阶带谐项10-310-310-7其他全部球谐项10-610-610-9大气阻力410-5-10-90太阳辐射压力210-9-10-9-10-9太阳引力310-8510-7210-7月球引力610-810-7510-7太阳潮汐力410-741
7、0-710-11月球潮汐力510-8310-8810-12卫星所受各种摄动力（牛）二.卫星轨道轨道摄动卫星摄动因素中比较重要的是地球非球形摄动和日月摄动。地球非球形引力摄动地球的摄动函数对卫星轨道的摄动作用，表现为轨道六参量出现了时间变化率 日月引力摄动可用摄动加速度描述 三.卫星导航原理 测量参数 在经典无线电导航中，电波的振幅是经常采用的电测量参数，而在卫星导航中则很少应用：卫星距离地面比较遥远，信号的传播过程中衰减较大且不均匀。卫星通信大多采用扩频通信，信号功率跟噪声的功率相当，因而也很难从电波的振幅中提取出导航信息。三.卫星导航原理 测量参数 卫星导航系统通常都是利用脉冲测距或相位测距
8、的手段，并有其典型的导航定位方法。卫星定位技术中引入了一个很重要的概念，即伪距：rr三.卫星导航原理 测量参数-码伪距测量 伪码又称作伪随机码，是现代扩频通信中广泛采用的一种信道编码方式。伪随机码具有类似于随机二进制序列“0”、“1”的分布特性，有宽的频谱和优良的相关特性，但并不是真正的随机序列。三.卫星导航原理 测量参数-码伪距测量伪随机码的特性 三.卫星导航原理 码伪距测量原理概述卫星发射经伪码扩频调制的载波信号。用户本地接收机产生一个可能与卫星发射的伪码不同相的本地伪码信号。接收机搜索卫星发射的信号，对信号进行相关检测，也就是对本地伪码的相位进行粗调。一旦捕捉到信号，便转入对信号的跟踪调
9、整，伪随机码延时锁定环路使用户产生的本地伪随机序列的相位始终跟踪被接收的伪随机序列。三.卫星导航原理 伪距测量原理示意图 三.卫星导航原理 码伪距测量原理 伪距的测量方法在精确锁定的情况，本地伪随机序列将与被接收的卫星信号序列相位同步，而后将本地伪随机序列变换成便于进行时间测量的脉冲，将此脉冲在用户本地的时间轴上读数，同时从电文中解读出卫星发射该脉冲的时刻，两者之间的时间差值就相应于所要测量的伪距所对应的时间。伪随机序列测距的精度主要取决于码跟踪环路的跟踪精度，而码环路之所以有高的跟踪精度主要是利用了伪随机序列良好的相关特性。采用窄带的环路滤波器也有利于压制噪声。三.卫星导航原理 载波相位测量
10、伪距载波相位测量伪距，原理和用伪随机码测量伪距相同，但它是以载波波长作为测量时延的尺度。载波相位测量的观测量是接收机所接收到的卫星载波信号与本振参考信号的相位之差。接收机收到的信号是卫星发播的调制信号，欲利用其载波进行测量首先要去调制。载波相位测量示意图 三.卫星导航原理 相位测量问题 多普勒效应 接收的载波频率与本地参考信号频率不同钟差和空间传播误差 载波与参考信号产生相位差值 通常的相位(或相位差)测量只能给出一周以内的相位值（02），因此存在整周模糊问题。载波相位测量的精度很高，约为(1/1001/200)的载波波长。但需要采取措施解决载波相位测量存在的载波整周多值性问题(整周模糊度)。
11、三.卫星导航原理 定位原理 单星定位双星定位三星定位四星定位单星定位最早的子午仪(Transit)系统的定位原理就是单星定位，它采用序贯（连续）伪距测量的方式获得用户的位置)()()()()()()()()(222tttttztztytytxtxtsusususu单星定位的伪距公式三.卫星导航原理 单星定位 如果卫星的位置或者卫星的钟差未知，再多的测量方程也不能对用户定位，每多一个方程就多一个未知量，故无确定解。因此，总是要假定卫星在任意时刻的位置皆是准确已知的（即由星历确定），而卫星时钟是与地面同步的，伪距公式可简化为：)()()()()(222ttztzytyxtxtusususu这时,导
12、航位置可解算要满足两个条件 用户的钟差不应当是时间独立未知量 用户的位置也不应当是时间独立的未知量 地面中心 地面中心用户用户双收单发单收双发视距模式地面中心用户三.卫星导航原理 双星定位（一）双星定位采用的是有源工作模式，即用户和地面中心之间要建立双向通信。通常有三种定位模式，即双发单收、单收双发和视距模式。双星定位模式原理图 三.卫星导航原理 双星定位（二）非视距模式地面中心通过卫星S1或S2向用户发射询问信号，用户接收并转发应答信号，应答信号再通过S1、S2两颗卫星返回地面中心，在地面中心测得距离 ,视距模式视距模式与非视距模式稍有不同，用户的应答信号不是按原路径返回地面中心，而是由用户
13、直接返回地面中心 11rrs22rrs三.卫星导航原理 双星定位的特点在系统工作过程中，卫星必须位于地面中心的视界之内，用户则须处于卫星S1、S2的共同覆盖区域之内。（同步卫星满足这种要求）。给出的是二维的定位数据，第三维数据可通过特定条件（如在海平面上）得知，或采取其它手段（如气压测高、电子地图等）得到。三.卫星导航原理 双星定位的特点地面中心集中了所有用户的位置信息和通讯信息，便于实现对系统中所有用户的监视、指挥和控制。但当用户数目过大时，地面中心会因其处理、计算和控制容量有限而产生系统饱和问题。系统中用户设备只是转发信号和解调必要的信息，设备可做得很简单，但因用户要发射电波，易被侦测，尤
14、其不利于军事用户对无线电隐蔽的要求。三.卫星导航原理 三星定位 两颗卫星的无源测距定位要求卫星和用户都带有精密时钟，其使用和维护的成本太昂贵。增加一颗卫星S3，三颗卫星都带有相互同步的精密时钟，用户同时接收三颗卫星的电波，解调出时钟信号，或分别测量S1与S2卫星、S2与S3卫星的传播延时差，相应得到距离差r1-r2、r2-r3。这两个参量表示两个旋转双曲面，如再加上地球面，三个位置面的交点，即为用户位置。系统为二维定位，并且定位误差受高度误差的影响较大，几何精度衰减因子和系统覆盖不能同时达到较好效果。三.卫星导航原理 四星定位伪距方程中通常含有本地和卫星之间的钟差这一未知变量，因此利用伪距技术除完成定位外还要同时解算出钟差，从而要解算的未知数增加到四个，从解方程的角度考虑至少需要四个独立的伪距测量方程，即至少需要四颗卫星。四星定位的方程如下：2221111222222222233332224333()()()()()()()()()()()()ssssssssssssxxyyzzc txxyyzzc txxyyzzc txxyyzzc t
