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1、全球卫星导航系统全球卫星导航系统资料整理：资料整理：王三多、熊忠志、高鹏、王三多、熊忠志、高鹏、周模飞、李孟霖、冯周模飞、李孟霖、冯卡门卡门PPTPPT制作：制作：何海何海主要内容主要内容n卫星通信、卫星导航简介卫星通信、卫星导航简介n全球四大卫星导航系统全球四大卫星导航系统卫星通信卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地面站之间进行的通信卫星通信优点（一）n远：卫星通信的距离远。n同步通信卫星可以“看”到地球最大跨度达一万八千余公里。在这个覆盖区内的任意两点都可以通过卫星进行通信，n微波通信一般是50公里左右设一个中继站，一颗同步通信卫星的覆盖距离相当于三百多个微波中继
2、站。卫星通信优点（二）n多：指通信路数多、容量大。n一颗现代通信卫星，可携带几个到几十个转发器，可提供几路电视和成千上万路电话。卫星通信优点（三）n好：指通信质量好、可靠性高。n卫星通信的传输环节少，不受地理条件和气象的影响，可获得高质量的通信信号。卫星通信优点（四）n活：指运用灵活、适应性强。n它不仅可以实现陆地上任意两点间的通信，而且能实现船与船，船与岸上、空中与陆地之间的通信，它可以结成一个多方向、多点的立体通信网。卫星通信优点（五）n省：指成本低。n在同样的容量、同样的距离下，卫星通信和其他的通信设备相比较，所耗的资金少，卫星通信系统的造价并不随通信距离的增加而提高，随着设计和工艺的成
3、熟，成本还在降低。卫星导航n采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。n1964年美国建成“子午仪”卫星导航系统，并交付海军使用，1967年开始民用。1973年又开始研制“导航星”全球定位系统。卫星导航组成卫星导航组成导航卫星：卫星导航系统的空间部分，导航卫星：卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。由多颗导航卫星构成空间导航网。地面台站：跟踪、测量和预报卫星轨道地面台站：跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理，通并对卫星上设备工作进行控制管理，通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分。入站及
4、时间统一系统等部分。用户定位设备：通常由接收机、定时器、用户定位设备：通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。数据预处理器、计算机和显示器等组成。卫星导航系统美国美国GPS卫星导航系统卫星导航系统俄罗斯俄罗斯GLONASS卫星导航系统卫星导航系统欧洲欧洲Galileo卫星导航系统卫星导航系统中国中国北斗北斗卫星导航系统卫星导航系统美国美国GPS卫星导航系统卫星导航系统由由 来来20世纪世纪70年代，美国年代，美国陆海空三军联合研制陆海空三军联合研制 经过经过20余年的研究实余年的研究实验，耗资验，耗资300亿美元亿美元 1994年年3月，全球覆月，全球覆盖率高达盖率高达98%
5、的的24颗颗GPS卫星卫星 GPS构成构成空间部分空间部分 地面控制系统地面控制系统 用户设备部分用户设备部分 空间部分空间部分 21颗工作卫星颗工作卫星 距地表距地表20200km 均匀分布在均匀分布在6 个轨道面个轨道面 3 颗有源备份卫星颗有源备份卫星 全球任何地方、任何全球任何地方、任何时间都可观测到时间都可观测到4 颗以颗以上上随着时间的推移，导随着时间的推移，导航精度会逐渐降低航精度会逐渐降低 地面控制系统地面控制系统 监测站监测站 主控制站主控制站 地面天线地面天线 主控制站位于美国科主控制站位于美国科罗拉多州春田市罗拉多州春田市 负责收集由卫星传回负责收集由卫星传回之讯息之讯息
6、,并计算卫星并计算卫星星历、相对距离星历、相对距离,大大气校正等数据。气校正等数据。用户设备部分 捕获，跟踪卫星的捕获，跟踪卫星的运行运行 测量出接收天线至测量出接收天线至卫星的伪距离和距卫星的伪距离和距离的变化率离的变化率 计算出用户所在地计算出用户所在地理位置的经纬度、理位置的经纬度、高度、速度、时间高度、速度、时间等信息等信息 原理及精度GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文射导航电文 民用的民用的C/A码和军用的码和军用的P(Y)码码 精度约为精度约为20米左右和米左右和2米左右米左右GPS功用功用陆地应用陆地应用 车辆导航车辆导航 应急反
7、应应急反应 大气物理观测大气物理观测 资源勘探资源勘探 工程测量工程测量 变形监测变形监测 市政规划市政规划 海洋应用海洋应用 远洋船最佳航程航线测定远洋船最佳航程航线测定 船只实时调度与导航船只实时调度与导航 水文地质测量水文地质测量 航空航天航空航天 飞机飞机导航导航 低轨卫星定轨低轨卫星定轨 导弹导弹制导制导 汽车导航系统汽车导航系统 是在全球定位系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型基础上发展起来的一门新型技术技术 车辆调度车辆调度 管理管理车辆调度 管理每辆安装有每辆安装有GPS终端设备的车终端设备的车辆，不断地从卫星上接收辆，不断地从卫星上接收GPS定位数据定位数据通过
8、通过GSM或或GPRS无线通讯网无线通讯网 络，将定位数据发送到中国移络，将定位数据发送到中国移动的通讯服务器动的通讯服务器 上面装有上面装有GPRS/GSM通讯服务通讯服务程序的软件程序的软件 控制中心的计算机通过控制中心的计算机通过INTERNET连接到该通讯服务器连接到该通讯服务器后，后，即可接收到所管辖车辆的即可接收到所管辖车辆的所有定位信息、当前车速、上所有定位信息、当前车速、上报的箱（单证）号、以及车辆报的箱（单证）号、以及车辆运行的其它信息运行的其它信息 调度中心可以直接向车辆调度中心可以直接向车辆发送调度命令、设定其回发送调度命令、设定其回报的时间间隔和次数等等报的时间间隔和次
9、数等等 车载GPS=智能手机 当通过硬件和软件做成当通过硬件和软件做成GPS定位终端用于车辆定定位终端用于车辆定位的时候，称为车载位的时候，称为车载GPS 光有定位还不行光有定位还不行 ，还要把这个定位信息传到报警，还要把这个定位信息传到报警中心或者车载中心或者车载GPS持有人那里，我们称为第三方。持有人那里，我们称为第三方。所以所以GPS定位系统中还包含了定位系统中还包含了GSM网络通讯（手网络通讯（手机通讯），通过机通讯），通过GSM网络用短信的方式把卫星定网络用短信的方式把卫星定位信息发送到第三方。位信息发送到第三方。同样能把防盗报警信息发送到第三方同样能把防盗报警信息发送到第三方 把这
10、个报警电话、短信直接发送到车主手机上，把这个报警电话、短信直接发送到车主手机上，完成车载完成车载GPS防盗报警防盗报警 手持手持GPS导航产品导航产品对目的地及周边环境的精准查询需求带对目的地及周边环境的精准查询需求带动了动了GPS导航产品市场的繁荣。导航产品市场的繁荣。欧美国家导航设备普及率达到欧美国家导航设备普及率达到90%，日，日本更是超过本更是超过95%。有分析师认为，手持导航仪会象有分析师认为，手持导航仪会象MP3、数码相机等日常消费者电器一样，市场数码相机等日常消费者电器一样，市场的发展速度将大大快于车载导航仪市场的发展速度将大大快于车载导航仪市场 中国将最终成为世界上最大的手持导
11、航中国将最终成为世界上最大的手持导航产品消费国产品消费国 GLONASS卫星导航系统卫星导航系统格洛纳斯格洛纳斯GLONASS”是俄语中是俄语中“全球卫星导航系统全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。作用类似于美国的的缩写。作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统。最早开发于苏联时期，后由俄罗欧洲的伽利略卫星定位系统。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯斯继续该计划。俄罗斯 1993年开始独自建立本国的全球卫星导年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。按计划，该系统将于航系统。按计划，该系统将于2007年年底之前开始运营，
12、届时年年底之前开始运营，届时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年年底前，其年年底前，其服务范围将拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、服务范围将拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。格洛纳斯的正式组网比格洛纳斯的正式组网比GPS还早，还早，这也是美国加快这也是美国加快GPS建设的建设的重要原因之一。不过苏联的解体让格洛纳斯受到很大影响，正重要原因之一。不过苏联的解体让格洛纳斯受到很大影响，正常运行卫星数量大减，甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航常运行卫星数量
13、大减，甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航服务，更不要说和服务，更不要说和GPS竞争。到了竞争。到了21世纪初随着俄罗斯经济的世纪初随着俄罗斯经济的好转，格洛纳斯也开始恢复元气，推出了格洛纳斯好转，格洛纳斯也开始恢复元气，推出了格洛纳斯-M和更现代和更现代化的格洛纳斯化的格洛纳斯-K卫星更新星座。卫星更新星座。简介简介系统概述系统概述n数量数量24颗卫星组成n精度精度10米左右n用途用途军民两用n进展进展目前已有17颗卫星在轨运行，计划2008年全部部署到位研制研制历程历程 第一阶段（第一阶段（1982-1990年）年）n到到1984-1985年，由年，由4颗卫星组成的试验颗卫星组成的试验系统达
14、到验证系统的基本性能指标。空间系统达到验证系统的基本性能指标。空间星座从星座从1986年开始逐步扩展，到年开始逐步扩展，到1990年年系统第一阶段的测试计划已经完成，当时系统第一阶段的测试计划已经完成，当时空间星座已有空间星座已有10颗卫星，颗卫星，“格洛纳斯格洛纳斯”系统示意图布置在轨道面系统示意图布置在轨道面1（6颗）和轨道颗）和轨道面面3（4颗）上。该星座每天至少能提供颗）上。该星座每天至少能提供15小时的二维定位覆盖，而三维覆盖至少可小时的二维定位覆盖，而三维覆盖至少可达达8小时。小时。研制研制历程历程 第二阶段（第二阶段（1990年年-1995年）年）nGLONASS测试计划的第二阶
15、段主要完成测试计划的第二阶段主要完成对用户设备的测试，随着空间星座对用户设备的测试，随着空间星座1996年年1月月18日最终布满日最终布满24颗工作卫星而告颗工作卫星而告结束。随后系统开始进入完全工作结束。随后系统开始进入完全工作阶段阶段。GLONASS由空间卫星系统（即空间部分）由空间卫星系统（即空间部分）、地面监测与控制子系统（即地面控制、地面监测与控制子系统（即地面控制部分）、用户设备（即用户接收设备）部分）、用户设备（即用户接收设备）三个基本部分组成。三个基本部分组成。应用应用范围范围(1)n卫星导航首先是在军事需求的推动下发卫星导航首先是在军事需求的推动下发展起来的，展起来的，GLO
16、NASS与与GPS一样可为全一样可为全球海陆空以及近地空间的各种用户提供球海陆空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续提供高精度的各种三维位全天候、连续提供高精度的各种三维位置、三维速度和时间信息（置、三维速度和时间信息（PVT信息），信息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确坦克、装甲车、炮车等提供精确导航。导航。应用应用范围范围(2)n卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、地质勘探、石油开发、地震预报、地面地质勘探、石油开发、地震预报、地面交通管理等各种国民经济领域有越来越交通管理等各种国民经济
17、领域有越来越多的应用。多的应用。GLONASS的出现，打破了美的出现，打破了美国对卫星导航独家笼断的地位，消除了国对卫星导航独家笼断的地位，消除了美国利用美国利用GPS施以主权威慑给用户带来施以主权威慑给用户带来的后顾之忧，的后顾之忧，GPS/GLONASS兼容使用兼容使用可以提供更好的精度几何因子，消除可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的的SA影响，从而提高定位精度。影响，从而提高定位精度。伽利略伽利略卫卫星定位系星定位系统统简介n伽利略伽利略定位系统，定位系统，是欧盟一个正在建造是欧盟一个正在建造中的卫星定位中的卫星定位系统系统.伽利略伽利略系统的基本服系统的基本服务有导航、定位、授时
18、；特殊服务有搜务有导航、定位、授时；特殊服务有搜索与救援；扩展应用服务系统有在飞机索与救援；扩展应用服务系统有在飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业。调度、精准农业。2010年年1月月7日，欧盟日，欧盟委员会称，欧盟的伽利略定位系统将从委员会称，欧盟的伽利略定位系统将从2014年起投入运营。年起投入运营。计划阶段n论证阶段（论证阶段（2000年年2001年），论证年），论证计划的必要性、可行性以及落实具体的计划的必要性、可行性以及落实具体的实施措施；实施措施；伽利略卫星效果图系
19、统研制伽利略卫星效果图系统研制和在轨验证阶段（和在轨验证阶段（2001年年2005年）；年）；n星座星座布设阶段（布设阶段（2006年年2007年）；年）；n运营运营阶段（从阶段（从2008年开始）其任务是系年开始）其任务是系统的保养和维护，提供运营服务，按计统的保养和维护，提供运营服务，按计划更新卫星等。划更新卫星等。应用n特许经营服务，用于政府、军队特许经营服务，用于政府、军队 n成为政府的大规模道路改建的参考工具，成为政府的大规模道路改建的参考工具，加强欧洲新航天交通的控制系统，可为加强欧洲新航天交通的控制系统，可为飞行员及时调整飞行路线。飞行员及时调整飞行路线。应用n免费的定位服务免费
20、的定位服务 n借助借助“伽利略伽利略”可实施自动交通指示，可实施自动交通指示，在事故盲点、道路转弯处及危险路口及在事故盲点、道路转弯处及危险路口及时提醒司机，提高交通安全。同时，在时提醒司机，提高交通安全。同时，在发生紧急事件时，医疗、消防、警察公发生紧急事件时，医疗、消防、警察公共服务部门可以利用更准确信号及时到共服务部门可以利用更准确信号及时到达目的地。达目的地。应用n伽利略卫星定位系统模拟图伽利略卫星定位系统模拟图n随着随着“卫星导航卫星导航”能力的慢慢拓宽与深能力的慢慢拓宽与深入，将拓展诸如移动通讯等新领域。尽入，将拓展诸如移动通讯等新领域。尽可能开发联网手机卫星定位的潜在用途，可能开
21、发联网手机卫星定位的潜在用途，比如帮助使用者找到最近的旅馆或者提比如帮助使用者找到最近的旅馆或者提款机。款机。41中国中国北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 中国自上世纪80年代决策建设独立自主的卫星导航系统。2003年，北斗卫星导航试验系统建成，并在多个领域进行了很好的应用。目前，北斗卫星导航系统正在建设当中。42开放性开放性自主性自主性兼容性兼容性渐进性渐进性 基本原则基本原则43 基本原则基本原则44u开放性开放性 北斗卫星导航系统将为用户免费提供高质量的开放服务，并且欢迎全世界的用户使用北斗系统。中国将与其他国家就卫星导航有关问题进行广泛深入的交流，以推动GNSS及其相关技术和产业的发展
22、。基本原则基本原则45u自主性自主性 中国将独立自主地发展和运行北斗卫星导航系统。北斗系统能够独立为全球用户提供服务，尤其是将为亚太地区提供更高质量的服务。基本原则基本原则46u兼容性兼容性 北斗系统将致力于实现与其他卫星导航系统的兼容和互操作。基本原则基本原则47u渐进性渐进性 北斗卫星导航系统将依据中国的技术和经济发展实际，遵循循序渐进的模式建设。北斗系统将通过改进系统性能，确保系统建设阶段平稳过渡，为用户提供长期连续的服务。系统描述系统描述48系统组成系统组成信号特征信号特征时间系统时间系统坐标系统坐标系统服务和性能服务和性能系统组成系统组成星座星座GEO 卫卫星星MEO 卫卫星星u空间
23、段空间段5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星49 地面段由主控站、上行注入站和监测站组成。系统组成系统组成u地面段地面段50 用户段由北斗用户终端以及与其他GNSS兼容的终端组成。北斗系统的用户终端北斗系统的用户终端u用户段用户段系统组成系统组成51时间系统时间系统52u北斗时（BDT）溯源到协调世界时UTC（NTSC），与UTC的时间偏差小于100纳秒。BDT的起算历元时间是2006年1月1日零时零分零秒（UTC）。uBDT与GPS时和Galileo时的互操作在北斗设计时间系统时已经考虑，BDT 与GPS时和Galileo时的时差将会被监测和发播。u北斗系统采用中国2000大地坐标系统（
24、CGS2000）。uCGS2000与国际地球参考框架ITRF的一致性约为5个厘米，对于大多数应用来说，可以不考虑CGS2000 和 ITRF 的坐标转换。坐标系统坐标系统53服务和性能服务和性能u两种全球服务 u开放服务：免费、开放定位精度:10 m授时精度:20 ns测速精度:0.2 m/su授权服务:确保高可靠应用（甚至是在复杂条件下）。54服务和性能服务和性能u两种区域服务u广域差分服务定位精度:1 mu短报文通信服务55部署步骤部署步骤u第一步第一步北斗卫星导航试验系统北斗卫星导航试验系统 北斗第一阶段北斗第一阶段56 2000年以来，成功发射3颗GEO卫星，建成北斗卫星导航试验系统。
25、系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务。2000年年10月月31日日140E2000年年12月月21日日80E2003年年5月月25日日110.5E 作为全球系统，北斗卫星导航系统首先在2012年左右覆盖亚太地区，并将在2020年前覆盖全球。北斗系统第二阶段北斗系统第二阶段 北斗系统第三阶段北斗系统第三阶段2012年左右年左右 2020年前年前部署步骤部署步骤u第二步第二步全球系统全球系统57 2007年4月，北斗卫星导航系统的首颗MEO（COMPASS-M1）卫星成功发射，确保了ITU频率资料，并完成了大量技术试验。COMPASS-M1发射发射58COMPASS-G2发射发射 2009
26、年4月15日，北斗卫星导航系统的首颗GEO卫星（COMPASS-G2）在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭成功发射，验证了GEO导航卫星相关技术。59新的新的GEO卫星发射卫星发射 2010年1月17日，北斗卫星导航系统的第三颗组网卫星在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭成功发射，该卫星也是系统的第二颗GEO卫星。60u2010年1月22日，卫星定点于东经160度并开始发射信号。目前，卫星正在进行在轨测试。u截至2012年底，将由长征系列运载火箭陆续发射10余颗卫星。62应用应用63u北斗卫星导航试验系统已在多个领域发挥了非常重要的作用，包括：-测绘-通信-水利-减灾-海事-交通-勘探-森林防火等等u目前，北斗系统建设正在顺利进行。u作为重要的GNSS系统之一，北斗系统愿意与其它卫星导航系统积极开展合作，共同促进卫星导航系统和产业的发展。结论结论64