北斗衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展及其應(yīng)用

1、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展及其應(yīng)用一、導(dǎo)航o什么是導(dǎo)航o導(dǎo)航的故事o導(dǎo)航的發(fā)展o什么是導(dǎo)航 -測(cè)量靜態(tài)點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)載體在空間坐標(biāo)系的三維位置。-導(dǎo)航（Navigation）技術(shù)是實(shí)時(shí)地測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體在途行進(jìn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)，以便為運(yùn)動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃（導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、飛機(jī)引導(dǎo)）提供依據(jù)。運(yùn)動(dòng)載體某時(shí)刻的狀態(tài)包括載體在空間坐標(biāo)系的三維位置和三維姿態(tài)，因此導(dǎo)航包括定位與定姿。(x,y,z)( , , )( , )( , , )( , )x y zx y z o導(dǎo)航的故事明朝初期，鄭和七下西洋在航行中采用“往返牽星為記”來(lái)導(dǎo)航，完成了“鄭和航海圖”。公元前200多年，亞歷山大圖書(shū)館館長(zhǎng)、“地理學(xué)之父”埃拉托斯特尼

2、提出地圓學(xué)說(shuō)與經(jīng)緯網(wǎng)的概念。1999年，美國(guó)對(duì)南聯(lián)盟空中軍事打擊，使用了大量精確制導(dǎo)武器。2003年，伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航優(yōu)勢(shì)。o導(dǎo)航的發(fā)展二、衛(wèi)星導(dǎo)航o衛(wèi)星導(dǎo)航的由來(lái)o衛(wèi)星導(dǎo)航定位的原理o目前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)o衛(wèi)星導(dǎo)航由來(lái)1957年10月4日 第一顆人造衛(wèi)星多普勒效應(yīng) 無(wú)線(xiàn)電波的頻率隨空間衛(wèi)星的移動(dòng)產(chǎn) 生變化。1957年10月4日 第一顆人造衛(wèi)星（人造衛(wèi)星定位）1958年12月，美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室委托霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理研究室研制美國(guó)海軍導(dǎo)彈潛艇用的衛(wèi)星系統(tǒng)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation Salellite System） NNSS 6個(gè)低軌衛(wèi)星 400MHz 150

3、MHz 平均地面高度 1100km 運(yùn)行一周 107 分鐘 90傾角 定位精度 0.20.5n mile軌道經(jīng)過(guò)地球南北極與地球子午線(xiàn)相一致，因此又稱(chēng)子午儀（Transit）系統(tǒng)。o衛(wèi)星導(dǎo)航定位的原理 四個(gè)衛(wèi)星四個(gè)衛(wèi)星 定一個(gè)目標(biāo)定一個(gè)目標(biāo) 衛(wèi)星導(dǎo)航,是接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào),并以導(dǎo)航衛(wèi)星作為動(dòng)態(tài)已知點(diǎn),實(shí)時(shí)地測(cè)定運(yùn)動(dòng)載體的在航位置和速度,進(jìn)而完成導(dǎo)航。其基本作用是向各類(lèi)用戶(hù)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確、連續(xù)的位置、速度和時(shí)間信息。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星為導(dǎo)航臺(tái)站的天基無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng),可發(fā)送高精度、全天時(shí)、全天候的導(dǎo)航、定位和授時(shí)信息,是當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)不可或缺的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施

4、。o衛(wèi)星導(dǎo)航定位的原理 參照三球交匯定位的原理，根據(jù)3顆衛(wèi)星到用戶(hù)終端的距離信息，根據(jù)三維的距離公式，就依靠列出3個(gè)方程得到用戶(hù)終端的位置信息，即理論上使用3顆衛(wèi)星就可達(dá)成無(wú)源定位，但由于衛(wèi)星時(shí)鐘和用戶(hù)終端使用的時(shí)鐘間一般會(huì)有誤差，而電磁波以光速傳播，微小的時(shí)間誤差將會(huì)使得距離信息出現(xiàn)巨大失真，實(shí)際上應(yīng)當(dāng)認(rèn)為時(shí)鐘差距不是0而是一個(gè)未知數(shù)t，如此方程中就有4個(gè)未知數(shù)，即客戶(hù)端的三位坐標(biāo)（X，Y，Z），以及時(shí)鐘差距t，故需要4顆衛(wèi)星來(lái)列出4個(gè)關(guān)于距離的方程式，最后才能求得答案，即用戶(hù)端所在的三維位置，根據(jù)此三維位置可以進(jìn)一步換算為經(jīng)緯高和海拔高度。222()()()iiiixxyyzzc o目前的

5、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)美國(guó)GPS (24+) 1994年GPS正式建成，是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。俄羅斯GLONASS (30) 該系統(tǒng)由前蘇聯(lián)在1976年啟動(dòng)，截止到1996年1月18日 共有24顆運(yùn)行，由于多種原因該系統(tǒng)陷入年久失修階段。歐盟Galileo (27+3)由歐洲航天局（ESA）發(fā)起，是歐盟正在建設(shè)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，有“歐洲版GPS”之稱(chēng)。中國(guó)北斗/Compass (27+3IGSO+5GEO)是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航o為什么要建北斗o中國(guó)的北斗計(jì)劃o北斗的特點(diǎn)o為什么要建北斗 一談到衛(wèi)星導(dǎo)航，作為普通人的你我，往往會(huì)發(fā)出這樣的疑

6、問(wèn)：GPS導(dǎo)航不是挺好用的嗎，為何還建北斗導(dǎo)航系統(tǒng)？ “不，一定要有自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?？縿e人永遠(yuǎn)不如靠自己！”這是血與火的啟示，也是各大國(guó)不約而同的共識(shí)。 維護(hù)國(guó)家信息安全的需要維護(hù)國(guó)家信息安全的需要 應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害的保障應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害的保障 經(jīng)濟(jì)效益顯著經(jīng)濟(jì)效益顯著o中國(guó)的北斗計(jì)劃 按照三步走的總體規(guī)劃分步實(shí)施：第一步，1994年啟動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)，2000年形成區(qū)域有源服務(wù)能力；第二步，2004年啟動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，2012年形成區(qū)域無(wú)源服務(wù)能力；第三步，2020年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成全球無(wú)源服務(wù)能力。o中國(guó)的北斗計(jì)劃 發(fā)展路線(xiàn)圖o北斗的特點(diǎn)n 最大的特點(diǎn)就是把導(dǎo)航和

7、通信緊密結(jié)合起來(lái)，具有短報(bào)文功能，使用戶(hù)之間能夠相互交流。n 分步開(kāi)通，與其他導(dǎo)航系統(tǒng)具有很好的兼容互操作性。n 首次集納多種軌道設(shè)計(jì)于一身，這樣的混合軌道能夠提供更多可見(jiàn)衛(wèi)星，支持更長(zhǎng)的連續(xù)觀測(cè)時(shí)間和更高精度。 n 使用三頻信號(hào)來(lái)更好的消除高階電離層影響，提高定位 精度，增強(qiáng)可靠性和抗干擾能力。四、北斗發(fā)展及其應(yīng)用o北斗的發(fā)展歷程o北斗的應(yīng)用o北斗的發(fā)展歷程 20世紀(jì)70年代末，我國(guó)開(kāi)始積極探索適合我國(guó)國(guó)情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)途徑和方案。1983年，航天專(zhuān)家陳芳允院士首次提出在中國(guó)利用兩顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)區(qū)域快速導(dǎo)航定位的設(shè)想。o北斗的發(fā)展歷程 1994年，我國(guó)啟動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系

8、統(tǒng)建設(shè)。2000年10月和12月，在西昌發(fā)射兩顆衛(wèi)星，2003年發(fā)射第三顆衛(wèi)星，建成區(qū)域有源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，標(biāo)志著我國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。o北斗的發(fā)展歷程 其實(shí)在北斗試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí)，我國(guó)已開(kāi)始新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的研制。2004年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)工程正式立項(xiàng)。2007年，我國(guó)北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)第一顆中圓軌道衛(wèi)星發(fā)射成功，拉開(kāi)了北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)的序幕。 2003年09月，中國(guó)打算加入歐盟的伽利略定位系統(tǒng)計(jì)劃，并在接下來(lái)的幾年中投入了2.3億歐元的資金。中國(guó)與歐盟在2004年10月09日正式簽署伽利略計(jì)劃技術(shù)合作協(xié)議。因?yàn)槟承┰?，雙方終止合作。中國(guó)推出北斗二代

9、與伽利略定位系統(tǒng)在亞洲市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。o北斗的發(fā)展歷程 從2004年到2012年，短短8年時(shí)間，我國(guó)完成了16星密集發(fā)射、快速組網(wǎng)提供服務(wù)的壯舉。中國(guó)以讓人難以置信的速度，全面完成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)，形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力。 截止到2016年3月30號(hào)，中國(guó)成功發(fā)射第22顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。o北斗的應(yīng)用當(dāng)你進(jìn)入不熟悉的地方時(shí)，你可以使用裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的手機(jī)或車(chē)載衛(wèi)星導(dǎo)航裝置找到你要走的路線(xiàn)。 個(gè)人個(gè)人位置服務(wù)位置服務(wù)o北斗的應(yīng)用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星氣象應(yīng)用的開(kāi)展，可以促進(jìn)我國(guó)天氣分析和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候變化監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，也可以提高空間天氣預(yù)警業(yè)務(wù)水平，提升我國(guó)氣象防災(zāi)減災(zāi)的能力。除此之外，北斗導(dǎo)

10、航衛(wèi)星系統(tǒng)的氣象應(yīng)用對(duì)推動(dòng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星創(chuàng)新應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)拓展也具有重要的影響。 氣象應(yīng)用氣象應(yīng)用o北斗的應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航將促進(jìn)傳統(tǒng)運(yùn)輸方式實(shí)現(xiàn)升級(jí)與轉(zhuǎn)型。例如，在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，通過(guò)安裝衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，可極大縮短列車(chē)行駛間隔時(shí)間，降低運(yùn)輸成本，有效提高運(yùn)輸效率。未來(lái)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將提供高可靠、高精度的定位、測(cè)速、授時(shí)服務(wù)，促進(jìn)鐵路交通的現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度向智能交通管理的轉(zhuǎn)型。 鐵路智能交通鐵路智能交通o北斗的應(yīng)用衛(wèi)星衛(wèi)星導(dǎo)航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過(guò)在車(chē)輛上安裝衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)，車(chē)輛的位置信息就能在幾秒鐘內(nèi)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。這些位置信息可用于道路交通管理。 道路交

11、通管理道路交通管理o北斗的應(yīng)用 海運(yùn)和水運(yùn)海運(yùn)和水運(yùn)海運(yùn)和水運(yùn)是全世界最廣泛的運(yùn)輸方式之一，也是衛(wèi)星導(dǎo)航最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類(lèi)船舶大多都安裝了衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備，使海上和水路運(yùn)輸更為高效和安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在任何天氣條件下，為水上航行船舶提供導(dǎo)航定位和安全保障。o北斗的應(yīng)用當(dāng)飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)跑道著陸時(shí)，最基本的要求是確保飛機(jī)相互間的安全距離。利用衛(wèi)星導(dǎo)航精確定位與測(cè)速的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)時(shí)確定飛機(jī)的瞬時(shí)位置，有效減小飛機(jī)之間的安全距離，甚至在大霧天氣情況下，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)盲降，極大提高飛行安全和機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率。 航空運(yùn)輸航空運(yùn)輸o北斗的應(yīng)用在發(fā)生地震、洪災(zāi)等重大災(zāi)害時(shí)，救援成功的關(guān)鍵在于及時(shí)了解災(zāi)情并迅速到達(dá)救援地點(diǎn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除導(dǎo)航定位外，還具備短報(bào)文通信功能，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可及時(shí)報(bào)告所處位置和受災(zāi)情況，有效縮短救援搜尋時(shí)間，提高搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)效，大大減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失。 應(yīng)急救援應(yīng)急救援o北斗的應(yīng)用精確的時(shí)