衛(wèi)星定位理論與方法-第1次課

衛(wèi)星定位理論與方法測量與導航工程系導航與定位教研室陳明劍第1次課衛(wèi)星定位系統概述課程的性質與地位本課程是測繪各專業(yè)本科的專業(yè)基礎課程；課程是理論與實際結合較強的專業(yè)基礎課程；主要目的是全面系統地掌握衛(wèi)星導航定位的基本理論和方法，了解國內外幾種主要的衛(wèi)星定位系統概況，為使用衛(wèi)星定位技術和進一步研究衛(wèi)星大地測量打下良好的理論基礎。本課程與其它課程的關系（Relation）

本課程應具備的基礎知識（BasicKnowledge）專業(yè)知識：人衛(wèi)軌道理論 時間和坐標大氣延遲無線電理論數理及其他知識：高數線性代數編程語言英語授課方法（ways）講授實習操作課堂問答思考問題解答考核方式

（ExamineMode）平時=15%；考試=85%。授課內容（Content）衛(wèi)星定位系統概述常用時間系統與坐標系統二體問題運動微分方程衛(wèi)星星歷計算和軌道計算衛(wèi)星受攝運動GPS概述衛(wèi)星的信號結構偽隨機碼測距原理精度評定衛(wèi)星定位誤差源差分GPS其它衛(wèi)星導航系統(GALILEO)其它衛(wèi)星導航系統(GLONASS)地球同步衛(wèi)星定位

參考書目（Reference）李征航等，《空間大地測量理論基礎》，武漢測繪科技大學出版社，1999，9。Seeber，《衛(wèi)星大地測量》，地震出版社，1998。周忠膜，GPS衛(wèi)星測量原理與應用，測繪出版社，1997。劉基余，全球定位系統原理及其應用，測繪出版社，1995。BradfordW.Parkson,GlobalPositioningSystem:TheoryandApplications雜志刊物及網址[1]測繪學報[2]測繪通報[3]全球定位系統[4]GPSWorld[5]JournalofGeodesy本次課主要內容幾個基本概念衛(wèi)星定位的基本原理、優(yōu)缺點衛(wèi)星導航定位系統的發(fā)展史衛(wèi)星導航定位系統應用簡介一、基本概念（BasicConcept）

導航和定位(NavigationandPositioning)導航：引導運動載體安全準確沿著選定的路線，準時到達目的地的過程。定位：準確獲得或確定載體在某參考系框架下確定的位置。一般測量定位要求的定位精度較高；導航所要求的精度較低。測量定位的點位大多處于靜止狀態(tài)，它允許采用多次觀測以取得精度，允許事后處理取得定位結果；導航測量的用戶點大多處于運動狀態(tài)，因而它求實時提供定位結果，一般也不能多次觀測以提高精度測量定位的作用范圍可以是較大的（例如數千千米），可以是較小的（例如千米，幾十千米）；現代導航還提供測速功能，測量則處于零速狀態(tài)；導航一般作用距離較大?？傮w來講，在時域和空域方面的要求存在差異，也存在不同的發(fā)展過程和方式。衛(wèi)星定位(SatellitePositioning)衛(wèi)星定位是將衛(wèi)星作為導航臺站或測量定位的已知點，由衛(wèi)星發(fā)播無線電測距信號所得觀測量來確定一點的幾何位置。定位技術（Positioningtechnology）衛(wèi)星的方向測量(Directionsfromcameraobservations)衛(wèi)星激光測距(LaserRanging)衛(wèi)星導航定位(SatelliteNavigationPositioning)衛(wèi)星測高(SatelliteAltimetry)衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星(Satellite-to-SatelliteTrackingSST)衛(wèi)星的方向測量(Directionsfromcameraobservations)在晴朗的夜晚以恒星為背景用人衛(wèi)攝影儀對衛(wèi)星進行方向觀測，根據已知的恒星坐標以及相片上恒星與衛(wèi)星間的相對位置來確定從人衛(wèi)攝影儀至衛(wèi)星的方向的方法和技術稱為衛(wèi)星的方向觀測。在良好的天氣備件下，用這種方法所測定的方向精度可達0.3秒。

衛(wèi)星激光測距(SatelliteLaserRanging)用安置在地面測站上的激光測距儀向專用的激光衛(wèi)星發(fā)射激光脈沖信號，該信號經安置在衛(wèi)星表面的反射棱鏡反射返回測站，精確測定信號往返傳播的時間并進而求出儀器到衛(wèi)星的距離的方法的技術換為衛(wèi)星激光測距。激光測距的精度已達到1cm左右。

Optical:rangemeasurementstosatellitesandmoonMethod:sendoutshortlaserpulse,countthetimeuntilyoureceiveareturnDrytroposphericsignaldelaydoesapplyWettroposphericsignaldelaydoesNOTapplyThereisNOIonosphericsignaldelayYouneedpeople(operators)neartheinstrumentDependingonlocalweatherconditions(clouds)Worldwidethereareonlyafewtrackingstations人衛(wèi)激光測距儀主要記錄從激光脈沖的發(fā)射時刻到激光經衛(wèi)星向反射鏡反射后返回儀器的時間間隔。由時間間隔可得出這一時刻衛(wèi)星與觀測站的距離，利用這些資料可進行衛(wèi)星定軌，站坐標解算以及內容廣泛的地球動力學研究。激光測距的精度已達到1cm左右。衛(wèi)星激光測距是目前精度最高的絕對（地心）定位技術，在定義全球地心參考系中起決定作用；也可精確測定極移和地球自轉不均勻；又是用衛(wèi)星重力技術確定地球重力場的低階系數的主要手段；是建立地球參考系（CTS）并轉換成天球參考系（CIS），以及研究地球動力學的基本手段。

ETALON-1Russiansatellitewith2000cornercubereflectors

Launchedon10-Jan-89NASA426cubecornerreflectors,4germaniumreflectors04.05.1976NASA426cubecornerreflectors,4germaniumreflectors22.10.1992衛(wèi)星導航定位(SatelliteNavigationPositioning)用戶用接收機測定至導航衛(wèi)星的距離或距離變化率,并依據觀測瞬間衛(wèi)星在空間的位置,用距離交會法或距離差交會法來確定自己的位置及運動速度等要素的無線電導航定位系統稱為衛(wèi)星定位系統。

美國的子午衛(wèi)星系統(Transit)，全球定位系統(GPS)；前蘇聯的CICADA和GLONASS；歐洲空間局的NAVSAT和Gallieo；法國的DORIS等。星載多普勒定軌和無線電定位系統（DopplerOrbitographyandRadio-positioningIntegratedbySatellite）是由法國國家空間研究所、法國國家大地測量研究所和法國國家地理研究所共同經過近十年的努力研制成功，主要用于衛(wèi)星精密定軌和地面精確定位。1984年建立信標機，1990年1月月31日隨著SPOT－2衛(wèi)星上天第一臺DORIS接收機上天運作?，F在TOPEX/POSEIDON和SPOT－3衛(wèi)星上裝載DORIS。DORIS/SPOT2 1990

DORIS/TOPEX 1992

DORIS/SPOT3 1993 DORIS/SPOT4 1998

DORIS/ENVISAT Mid2000

DORIS/JASON End2000DORIS/SPOT5 2001

DORISMainmissions

PreciseorbitdeterminationforTopex/PoseidonandJason:AltitudeofTopex/Poseidonaccuratetowithinthreecentimetres,onradialcomponentinsupporttoscientific(altimetry)missionperformanceJasontoprovidecentimetreaccuracyAccuratelocationofgroundbeaconstoestablishandmaintaintheterrestrialreferencesystem

usedforaltimetrymeasurementsforgeodeticandgeodynamicsapplicationsAccurateautonomousnavigationcapabilityModelsimprovements:gravityfield,airdrag,ionosphere,troposphere.衛(wèi)星測高(SatelliteAltimetry)利用安置在衛(wèi)星上的雷達測高儀測定衛(wèi)星至海平面的垂直距離，并用激光測衛(wèi)、多普勒測量和GPS測量等方法精確確定該衛(wèi)星的運行軌道，以測定海面形狀的方法和技術稱為衛(wèi)星測高。

目前測高的精度約為5cm。

19912001199819921984AltimeterSatelliteDevelopmentduringthelast20years20011990衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星(Satellite-to-SatelliteTrackingSST)從某一衛(wèi)星上用激光測距，GPS測量或多普勒測量等方法測定至另一衛(wèi)星的距離或距離變率的方法和技術稱為衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星。通常可采用兩種方式：用高軌道衛(wèi)星跟蹤低軌道衛(wèi)星，用低軌道衛(wèi)星跟蹤高軌道衛(wèi)星。

衛(wèi)星定位的優(yōu)缺點

SatellitePositioningAdvantageandDisadvantage優(yōu)勢

衛(wèi)星的覆蓋面大，衛(wèi)星定位系統的作用范圍大，能夠作用到傳統技術的非常困難或不能到達的地方，而且用數目不多的衛(wèi)星就能達到全球覆蓋。衛(wèi)星定位系統一般采用超高頻、能穿越云層的信號，能夠全天候提供服務。一般能提供多功能、高精度的服務，不僅能夠提供位置信息、還能提供速度等其它信息。測站間不需要相互通視。能夠同時提供三維坐標。操作簡單方便，攜帶方便。缺點

衛(wèi)星定位衛(wèi)星信號不能穿越障礙。易受到干擾和攻擊衛(wèi)星定位系統的分類

（TheClassifyofSatellitepositiongSystem）有源系統和無源系統有源系統是指系統中用戶不僅接收到衛(wèi)星發(fā)出的信號，而且還要轉發(fā)信號。無源系統是指用戶只接收衛(wèi)星發(fā)播的無線電信號。局域系統和全球系統測角系統、測距系統、測速系統二、衛(wèi)星定位的基本原理

PRINCIPLESOFSATELLITEPOSITIONING絕對定位(AbsolutePositioning)相對定位（RelativePositioning）絕對定位(AbsolutePositioning)一顆衛(wèi)星位置＋矢量（觀測量）這種技術的典型代表是衛(wèi)星激光測距(SatelliteLaserRanging-SLR)。多顆衛(wèi)星位置＋衛(wèi)星至測站的距離單顆衛(wèi)星位置＋衛(wèi)星至測站的距離變化率美國的TRANSIT多普勒系統相對定位（RelativePositioning）坐標。所用的坐標和觀測量都是矢量形式，是由三個分量組成的。觀測矢量可能是三個坐標分量組成，也可能是由二個方向量和一個距離量組成。時間。對于這里觀測矢量和天體的位置矢量，都強調了一個時刻t，即強調了一個同步問題。注意的問題三、衛(wèi)星定位技術的發(fā)展史HistoricalDevelopmentofSatellitePositioning被動利用參照物階段主動建立參照物階段空基定位系統地基定位系統定位技術按照定位導航所依賴的參照物，定位導航技術的發(fā)展分為兩個階段：被動利用參照物階段和主動建立參照物階段。

牽星術，就是利用天上星宿的位置及其與海平面的角高度來確定航海中船舶所走位置及航行方向的方法，因此又稱為天文航海術。早在秦漢時代，人們已經知道在海上乘船看北斗星就可以辨識方向。到印度取經學習的東晉僧人法顯乘船回國時說：「大海彌漫，無邊無際，不知東西，只有觀看太陽、月亮和星辰而進」。直到北宋發(fā)明指南針之后，人們仍以觀看星體位置及其高度，作為導航的輔助手段。大約到了元明時期，我國天文航海技術有了很大的發(fā)展，已能觀測星的高度來定地理緯度。

原始的定位方式恒星定位（六分儀）當鐘表技術可以提供精確的計時后，用精確的時間測量來判斷戰(zhàn)船所在的時區(qū)（經度）。大約在19世紀初，大英帝國開始在遍及全球的殖民地為其海軍提供精確的報時校正；在其后的幾十年里，隨著機械工藝的提高和天文測量的新成果，這項技術得到進一步發(fā)展?！傲謨x”，這種可以測量恒星和赤道面夾角的精密儀器，已經可以結合精確的時間測量來提供船只的大致經緯度坐標海岸無線電基站定位

通過測量已知位置的多個地面基站的無線電信號延遲，可以比較精確的判斷飛機、船舶的位置。20世紀的30年代，建立了用于飛機導航的“無線電燈塔群”；在二次世界大戰(zhàn)期間，這項技術突飛猛進，到60年代，美國空軍的Omega

系統已經可以提供全球的無線電基站定位，精度可以達到幾個英里，和當時的地面恒星定位精度相當。20世紀60年代人們應用微波技術測量觀測者至天體，但是所得的精度在幾百米甚至幾公里。1960年美國Mainman在實驗室內成功地研制了世界上第一臺紅寶石激光器，1963年Alley提出了用這種技術進行距離測量的可能性，與此同時美國進行了探測月球的阿波羅計劃，1964年應用脈沖紅寶石激光器測到了BE－B的衛(wèi)星距離，這種技術稱為衛(wèi)星的激光測距（SLR）。69年7月人類第一次登上月球，并把一個后向反光鏡放在了月面上，同年8月美國里克天文臺和麥克唐納天文臺收到回波，從此開始了全球激光測月（LLR）的觀測與應用。1976年美國發(fā)射了第一顆高軌的激光測距衛(wèi)星LageosI現在已有十多顆帶有后向反射的高軌、低軌衛(wèi)星。1976年加拿大成功進行甚長基線干涉技術由于技術的復雜性和組網觀測的要求。英國焦德雷爾班克76米直徑的射電望遠鏡

德國100米直徑的射電望遠鏡國阿雷西博天文臺305米直徑的射電望遠鏡美國國立射電天文臺在新墨西哥洲索科絡建設的基長基線干涉儀，射電望遠鏡可以在軌道上移動Transit1B1957年10月4日，蘇聯發(fā)射了人類歷史上的第一顆人造地球衛(wèi)星，開創(chuàng)了人造天體的新時代。

美國于１９６０年４月發(fā)射了世界上第一顆導航衛(wèi)星“子午儀”１Ｂ，并于１９６４年７月組成導航衛(wèi)星網，為核潛艇和各類海面艦船等提供全天候的導航定位，證實了遠距離星座的作用距離和高定位精度可以統一的可行性。

Transit4a1978年，美國成功發(fā)射了第一顆用于GPS系統的衛(wèi)星1982年，俄羅斯衛(wèi)星導航系統GLONASS的第一顆衛(wèi)星升空，從此開始應用于測量與導航領域其他衛(wèi)星定位系統◆國際民航組織（ICAO)的GNSS◆歐洲空間局的Galileo系統◆國際海事衛(wèi)星（INMASAT)◆中國的北斗導航衛(wèi)星系統國際海事衛(wèi)星（INMASAT)

是由各國共同建立的國際海事衛(wèi)星組織所發(fā)射的衛(wèi)星，主要作海用和空用衛(wèi)星通信，不過在1996年開始發(fā)射的3待衛(wèi)星上加載了導航艙，轉發(fā)GPS完善性監(jiān)視和廣域GPS修正信號，并發(fā)射類似GPS的導航信號，形成GPS的補充。GNSS是國際民航組織聯合世界各國推出的全球性的位置和時間測定系統。其前身是1992年投入的4顆覆蓋全球的衛(wèi)星組成的通訊和定位導航系統INMARSAT。

GNSS包括一個或幾個衛(wèi)星星座、機載接收機和系統完好性監(jiān)視系統。2000年以前建立混合系統，其構成GNSS＝GPS＋GLONSS＋INMARSAT＋GAIT＋RAIM，其中GAIT為地面增強和完好性監(jiān)視系統，RAIM為機載獨立完善監(jiān)控系統。2000年以后將建立GNSS純民間系統，此時GNSS＝30顆中高圓軌道衛(wèi)星(ICD)＋（6－8）顆商用靜止衛(wèi)星。目的是GNSS可打破一、二個國家獨霸的局面，供全球定位導航和移動通訊使用。

衛(wèi)星導航定位技術大體沿兩個方向發(fā)展以精度為主要目標，主要高精度控制網和地學研究；以高效率為主要目標，主要是工程應用。PDA一體機GPS+GLONASS系統對純GPS系統的改進可見衛(wèi)星數增加一倍提高生產效率提高觀測結果的可靠性提高觀測結果的精度2003年5月25日零時34分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運載火箭，成功地將第三顆“北斗一號”導航定位衛(wèi)星送入太空。它與前兩顆“北斗一號”工作星組成了完整的衛(wèi)星導航定位系統。前兩顆“北斗一號”衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空。這標志著我國成為繼美國全球衛(wèi)星定位系統(GPS)和前蘇聯的全球導航衛(wèi)星系統(GLONASS)后，在世界上第三個建立了完善的衛(wèi)星導航系統的國家，該系統的建立對我國國民國防和經濟建設將起到積極作用。

北斗導航系統同時具備定位與通訊功能，不需要其他通訊系統支持。該系統覆蓋范圍大，沒有通訊盲區(qū)。北斗系統覆蓋了中國及周邊國家和地區(qū)，不僅可為中國、也可為周邊國家服務。到2008年，北斗系統的用戶將達到30萬，直接產值達35億元，占中國導航定位產業(yè)的20％左右，由它帶動的相關產業(yè)將達數百億元。

北斗導航系統僅僅還是一個投資很少的初級系統，尚不能滿足今后我國對衛(wèi)星導航系統進一步發(fā)展的需求，在體制上還不能與國際上的GPS、GLONASS及歐洲伽利略系統兼容。因此，我國必須在發(fā)展北斗導航衛(wèi)星系統的基礎上，借鑒國外GPS、GLONASS的成功經驗，進一步發(fā)展第二代性能更高的衛(wèi)星導航系統。

中國政府對衛(wèi)星導航定位產業(yè)的發(fā)展高度重視，國家“十五”發(fā)展計劃綱要強調了“以信息化帶動工業(yè)化發(fā)展”的基本方針，并把衛(wèi)星導航定位確定為國家高技術工程的十二個專項之一。國家發(fā)改委于二○○二年實施了衛(wèi)星導航產業(yè)化專項，以期在不長的時間內構建中國衛(wèi)星產品研發(fā)制造、系統標準規(guī)范和信息綜合服務等三大支撐體系。十年來，中國衛(wèi)星導航定位應用在理論研究、應用技術、制造技術等方面取得長足進步。中國自主導航定位系統整體方案已付諸實施，與國際水平相近的自主系統在理論、整體設計、關鍵技術等方面均有巨大進步。同時，為加強國際交流，中國已與歐洲開展“伽利略計劃”的合作。2005年12月28日清晨，歐盟“伽利略”導航計劃的首顆人造衛(wèi)星發(fā)射升空。這一發(fā)射行動意味著歐洲在向美國全球定位系統挑戰(zhàn)中，邁出了重要一步。這顆被命名為“GIOVE-A”的“伽利略”人造衛(wèi)星利用俄“聯盟”火箭，從哈薩克斯坦的拜科努爾人造衛(wèi)星發(fā)射基地發(fā)射。 2008年可投入使用耗費資金40億美元的“伽利略”計劃最終將發(fā)射30顆人造衛(wèi)星，以結束歐洲對于美軍控制的全球定位系統的依賴性。另外，“伽利略”計劃的覆蓋面積將是美國GPS系統的兩倍，可為更廣泛的人群提供衛(wèi)星導航。歐洲伽利略計劃是中高度圓軌道（MEO）方案，該系統將由30顆中高度圓軌道衛(wèi)星和2個地面控制中心組成，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為候補。衛(wèi)星高度為24126公里，位于3個傾角為56度的軌道平面內。預計伽利略系統于2008年建成，將提供精度為1米的定位導航服務，從而也將打破美國獨霸全球衛(wèi)星導航系統的格局。有人稱，如果說通過GPS只能找到街道，而利用“伽利略”則能找到車庫的門。

中國加入伽利略計劃是非常明智的，具有重要意義。首先，中國加入伽利略計劃，將使中國擁有該系統20％的所有權和全部使用權，擁有一個有自己股權，能進行管理和控制，進而保障相關服務可靠性、穩(wěn)定性、安全性的民用衛(wèi)星導航系統。其次，有國內學者估計，我國導航衛(wèi)星的產業(yè)在2020年可達2600億元，總收入可達4200億元，而我國與歐盟的政治關系可以為我國衛(wèi)星導航提供保障；此外，合作計劃可以為我國自主開發(fā)導航衛(wèi)星系統提供重要的學習機會。中國參與伽利略計劃，除為該系統提供一定數量的資金，同時，承擔該項目的設備研制，為各系統提供技術服務外，中國的企業(yè)可以從中獲得一定數量的利潤。

與此同時，中國通過參與伽利略系統的建設，可以提高技術儲備，鍛煉隊伍。日本“準天頂”系統可以與美國全球定位系統ＧＰＳ的２４顆衛(wèi)星并用，定位精度可提高為１００多毫米，而且抗干擾能力較強。由于“準天頂”衛(wèi)星的軌道各不相同，因此，即便使用相同的頻率也不至于相互干擾，這樣可大大提高“準天頂”系統頻率的利用率。另外，“準天頂”還可彌補日本衛(wèi)星偵察的盲區(qū)。目前，日本偵察衛(wèi)星還無法偵察到地球南北極地區(qū)，而“準天頂”衛(wèi)星系統則可以彌補這些缺陷。將取代GPS“第三代衛(wèi)星無線電定位系統”還在GPS尚未全部建成之際，一種更加先進的導航衛(wèi)星定位技術又問世了，這就是被人稱為第三代導航衛(wèi)星的“衛(wèi)星無線電定位系統”，這種系統的典型代表就是美國的“吉奧星系統”。這種新系統是通過衛(wèi)星進行無線電通信，測距，用計算機技術確定用戶的精確幾何位置，并能將所獲信息傳遞給地面中心站和其他用戶的系統。它的功能包括導航，定位和移動通信。它與地面各種數據連接，可向用戶提供班機時刻，天氣預報，財政情況等多種信息。它可以提供雙向自主式通信，甚至可代替VHF頻率的無線電聯系。美國吉奧星系統可由3顆衛(wèi)星組成區(qū)域性導航系統，用6顆衛(wèi)星可組成全球導航系統，比用18顆，21顆衛(wèi)星的GPS系統更便宜、更簡單。其用戶收發(fā)信機是一個手提式儀器，1秒鐘內即可完成一次通信過程。每臺用戶收發(fā)信機只有500美元，比在海灣戰(zhàn)爭中美軍用的便宜一半，可供飛機、艦船、車輛和單個步行者使用。

應用組合衛(wèi)星導航定位系統GPSGLONASS系統組合GPSBD系統組合GPSGLONASSGallieo

組合系統研究GPSINSGLONASS組合定位系統JDAM(JointDirectAttackMunition)SLAM-ERTomahawkJSOW(?？哲娐摵戏绤^(qū)外武器)DGPS應用于制導增強EDGE衛(wèi)星導航定位系統在國民經濟建設中占有重要的位置，是國民經濟信息化建設的重要組成部分和推進力量，是建設國家信息體系的重要基礎設施，是直接關系到國家安全、經濟發(fā)展的關鍵性系統技術平臺。國家對衛(wèi)星導航定位產業(yè)的發(fā)展高度重視，“十五”計劃發(fā)展綱要確定衛(wèi)星導航定位為國家高技術工程的12個專項之一，國家發(fā)改委在2002年實施了衛(wèi)星導航產業(yè)化專項，以北斗衛(wèi)星導航試驗系統和其他衛(wèi)星定位導航系統的廣泛應用為推動力的我國衛(wèi)星導航定位產業(yè)，正進入高速發(fā)展的關鍵時期。目前，我國衛(wèi)星導航定位市場每年以30%至50%的速度增長，市場份額由2000年前不足10億元發(fā)展到2005年的120億元左右。為什么衛(wèi)星導航定位產業(yè)發(fā)展這么迅猛？應用需求的驅動，始終是產業(yè)發(fā)展的主導因素?，F在已經進入信息社會，絕大多數動態(tài)信息都離不開時間和位置參數，全球定位系統技術正是這個領域最強有力的工具。在應用廣度上，已從個別部門、個別場合的應用，逐漸過渡到國民經濟眾多部門基礎性產業(yè)平臺的應用；從少數行業(yè)的專業(yè)應用逐漸過渡到公眾的廣泛應用。在應用深度上，特別在尖端領域如基礎科學等方面已有廣泛的應用。在時間和頻率應用方面取得了真正突破，衛(wèi)星導航接收機在全球的任何地方都可獲得納秒至毫微秒級的時間信號。在精確定位上，能達到厘米至