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第一章定位:
定位是在一个特定的坐标系中确定一个目标的空间位置的一门技术。
目标可以是相对静止的,也可以是运动的。
定位与某个特定的时间和坐标相关联。
能够实现定位的装置就是定位系统。
导航:
引导载体(飞机、船舶、车辆、航天器等)或者个人,沿着所选定的路线安全、准时地到达目的地的一门技术。
通信:
信息的传递卫星通信:
利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波,在两个或多个用户之间进行的通信特点:
覆盖区大,通信距离远,三颗同步卫星可覆盖全球频带宽,容量大机动性好,不受地理条件限制通信可靠性高,质量好,稳定费用与距离无关有多址能力,组网灵活可实现区域及全球个人移动通信卫星导航:
利用人造地球卫星为参照物及其发射或转发的无线电波来实现定位、导航与授时。
四种导航系统:
无线电、天文、惯性、卫星。
(比较见第九章)GNSS全球导航卫星系统:
具有全球导航定位能力的系统,GPS,GLONASS,GALILEO,COMPSASS区域卫星导航系统:
准天顶卫星系统QZSS,印度区域导航卫星系统IRNSSGPS:
码分多址;6个轨道面;WGS-84坐标系统;UTC时间系统;星座:
21+3;两种服务---标准定位服务---精密定位服务GLONASS:
频分多址;三个轨道面;PZ-90坐标系统;UTC(Russia)时间;星座:
21+3;两种服务-----标准精密导航信号(SP)---高精密导航信号(HP)。
GALILEO:
码分多址;三个轨道面;大地参考框架(GTRF);GST时间;星座:
27+3;五种服务-------公开服务(OS)---生命安全服务(SoLS)---商业服务(CS)---公共特许服务(PRS)---搜救(SAR)服务卫星通信发展趋势:
同步通信卫星向大容量,多波束,智能化发展低轨卫星群与蜂窝技术相结合,实现全球个人通信小型卫星通信地面站(VSAT)广泛应用电视直播(DVB)和数字声广播(DAB)步入家庭和个人用户多媒体通信和因特网接入微小卫星和纳卫星讨论:
1.什么是卫星导航?
什么是卫星通信?
简述各种GNSS的特点?
谈谈GPS的应用前景?
GPS有哪些应用盲点?
GPS的脆弱性?
2.3.4.5.6.第二章GPS的基本任务:
用户在空间的位置(Positioning);用户的行动导航(Navigation);用户的时间(Timing)GPS定位的基本原理:
GPS接收机的位置是通过测量卫星的位置和卫星与接收机间的距离来实现的。
空间固定坐标系(天球坐标系)vs地固坐标系(地球坐标系)天球坐标系:
天球、天球赤道面、天球黄道、春分点天球空间直角坐标系vs天球球面坐标系地球形状、岁差、章动、平北天极、平春分点、真北天极、真春分点瞬时极天球坐标系vs平天球坐标系vs协议天球坐标(CIS)地球坐标系:
地球椭球及其基本几何参数按坐标原点的不同分类:
地心坐标系统(地心空间直角坐标系、地心大地坐标系)参心坐标系统(参心空间直角坐标系、参心大地坐标系)站心坐标系统(垂线站心坐标系、法线站心坐标系)极移现象:
地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的,地极点在地球表面上的位置随时间发生变化。
(瞬间地球自转轴,瞬时极)瞬时(真)地球坐标系vs平地球坐标系vs协议地球坐标系GPS采用WGS-84坐标系(WorldGeodicalSystem-84,世界大地坐标系-84),是一个地心地固坐标系统。
高程系统大地高:
地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离。
大地高系统是以地球椭球面为基准面的高程系统。
正高:
由地面点沿通过该点的铅垂线至大地水准面的距离。
正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统正常高:
由地面点沿通过该点的铅垂线至似大地水准面的距离正常高系统以似大地水准面为基准的高程系统大地水准面:
假设海洋处于静止平衡状态时(即没有波浪、潮汐、水流和大气庄变化等引起的扰动),把71%海平面(假设静止不动)延伸到大陆内部的水准面。
大地水准面差距:
大地水准面到地球椭球面的距离hg高程异常:
似大地水准面和地考椭球面之间的距离时间的作用:
一是记录历元,即某一现象和观测发生的瞬间;二是计量间隔,即在某一时间尺度中度量的两历元之间消逝的时间。
时间系统由时间原点和时间单位定义。
M?
n春分点G天球赤道e天球黄道PnPs?
s恒星时ST:
以春分点为参考点,由它的周日视运动即春分点两次经过本地子午线的时间间隔所确定的时间称为一个恒星日。
真恒星时vs平恒星时平太阳时MT:
以平太阳作为参考点,由它的周日视运动所确定的时间。
通常钟表所指示的时刻正是平太阳时世界时UT:
以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时,是世界统一的时间系统。
原子时:
是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。
AT=UT2-0.0039(s)协调世界时UTC:
协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致,在时刻上则要求尽可量与世界时接近。
IAT=UTC+1snGPS时间系统GPST:
GPST属于原子时系统,它的秒长即为原子时秒长,GPST的原点与国际原子时IAT相差19s。
有关系式:
IAT-GPST=19(s)GPS历元表示:
历元常用GPS星期加GPS秒表示,GPS星期为从1980年1月6日0时时刻的整星期数,GPS秒为从刚过去的星期日0时开始至当前时刻的秒数。
讨论GPS时间(周、秒)至民用时间(年月日小时分秒)的相互转换函数相同基准下三维空间直角坐标至大地坐标转换的函数三维空间直角坐标至站心坐标计算函数及站心空间直角坐标至站心极坐标的转换第三章卫星轨道参数卫星所受的作用力地球质心引力;摄动力开普勒运动开普勒三定律1.开普勒第一定律:
卫星运动的轨道是一个椭圆,而该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。
2.开普勒第二定律卫星在过地球质心的平面内运动,其向径在相同的时间内所扫过的面积相等。
3.开普勒第三定律卫星运行周期的平方,与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量,而该常量等于地球引力常数GM的倒数。
平均角速度为n,则n=2/T(s)开普勒参数:
as为轨道椭圆的长半轴es为轨道椭圆的偏心率为升交点赤经i为轨道面倾角s为近地点角距fs为卫星的真近点角由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系开普勒方程:
Es=Ms+essinEsGMaTss2324=2/13sa=GMnEs偏近点角Ms平近点角(假设量)Ms=n(t-t0)偏近点角与真近点角之间的关系卫星瞬时位置计算、卫星的有摄运动(以上见ppt)GPS系统组成:
空间部分;主控站;地面天线;(用户部分)GPS卫星星座设计:
GPS卫星:
Block-II、Block-IIA(13)、Block-IIR(12)、Block-IIR-M(5)、Block-IIF在Block-IIR卫星的基础上,Block-IIRM在L1和L2频段增加了军用的M码,并在L2频段上增加了新的民用C/A码信号;Block-IIF卫星的改进主要是为了满足导航战的要求。
星载高稳定度的频率标准:
(石英、铷钟)、铯钟、(氢钟)GPS卫星基本功能:
1接收和存储由地面监控站发来的导航信息,接收并执行监控站的控制指令2卫星上设有微处理机,进行部分必要的数据处理工作3通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准4向用户发送导航定位信号。
包括:
载波(L1、L2、L5)调制在载波上的伪噪声码C/A码和P码5在地面监控站的指令下,通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星地面监控系统包括:
1个主控站、3个注入站和5个监测站主控站功能:
采集数据;编辑导航电文;诊断功能;调整卫星。
GPS卫星星历:
是描述卫星运动轨道的信息,或者说是一组对应于某一时刻的卫星轨道根数及其变率。
据此计算卫星位置及速度。
预报(广播)星历:
通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数(参考星历)和必要的轨道摄动改正项参数。
(有17个星历参数:
参考历元瞬间的开普勒6个参数,反映摄动力影响的9个参数,以及参考时刻和星历数据龄期)RINEX是TheReceiverIndependentExchangeFormat(与接收机无关的数据交换格式)的缩写,是GPS测量领域中的一种广为使用的数据格式后处理(精密)星历:
不包含外推误差,可为用户提供观测时刻的卫星精密星历精度:
米级以后有望提高到分米级。
后处理星历是非实时的,技术复杂,投资大,因此,利用GPS预报星历进行精密定位工作仍是目前一个重要的研究和开发领域。
讨论1.简述卫星轨道运动的开普勒三定理。
画图并解释开普勒轨道6参数的几何及物理意义。
什么是广播星历?
什么是精密星历?
两者的区别是什么?
2.3.第四章GPS卫星所发播的信号包括三种信号分量:
GPS卫星时钟频率选用10.23MHzL1载波:
L1=154X0=1575.42MHz,波长1=19.03cmL2载波:
L2=120X0=1227.6MHz,波长2=24.42cmL5载波:
L5=115X1176.45MHz,波长5=25.48cmGPS卫星信号的产生与构成是比较复杂的,考虑了以下几方面的要求:
适应多用户系统的要求满足实时定位的要求满足高精度定位的需求满足军事保密的要求码、数码率(Bit/s||BPS)、随机码、伪随机噪声码(PRN:
具有随机码的良好自相关性;具有某种确定的编码规则;可以容易地复制)C/A码粗码:
码长Nu=210-1=1023比特,码元宽为tu=1/f1=0.97752s,相应的距离为293.1m。
周期为Tu=Nutu=1ms,数码率为1.023Mbit/s。
(捕获码、粗捕获码)P码精码:
码长Nu2.351014比特,码元宽为tu=1/f0=0.097752s,相应的距离为29.3m。
周期为Tu=Nutu267d,数码率为10.23Mbit/s。
P码的周期被分成38部分,1部分闲置,5部分给地面监控站使用,32部分分配给不同卫星。
卫星导航电文包括:
卫星星历、卫星钟改正参数、卫星工作状况、时间系统、大气折射修正参数、遥测码及由C/A码确定P码的交换码等导航信息。
遥测码(每个子帧的第一个字码都是遥测码,作为捕获导航电文的前导);转换码(每个子帧的第二个字码是转换码,它的主要作用是帮助用户从捕获的C/A码转换到P码的捕获)。
三个数据块(星历在第二数据块中)讨论1.什么是广播星历?
什么是精密星历?
两者的区别是什么?
2.导航电文的格式和内容第五章静态定位vs动态定位绝对定位vs相对定位几何距离vs伪距GPS定位测量:
通过测量GPS卫星至用户机之间的距离伪距测量法;载波相位测量法1.伪距测量:
=c=tc测定步骤:
1,2,3,4自相关系数几何距离与伪距之间的关系式假定:
a)电离层和对流层折射改正均可精确求得b)卫星钟和接收机钟的改正数、精确已知(将观测时刻接收机的钟改正数作为一个未知数。
这样在任何一个观测瞬间,用户至少需要同时观测4颗卫星,以便解算4个未知数)特点:
2.载波相位测量(整周不确定性)载波重建法方:
码相关法和平方法整周未知数N0的确定方法:
伪距法;经典法;多普勒法(三差法);快速确定整周未知数法。
整周跳变(失周):
卫星信号失锁,使接收机的整周计数不正确,但不到一整周的相位观测值仍是正确的。
这种现象称为周跳。
(原因,特点)周跳探测GPS动态测量导航动态定位特点:
用户多样性;速度多异性;定位实时性;数据短时性;精度要求多变性;讨论:
1.简述伪距法GPS定位的方法、观测方程、定位原理和计算方法简述载波相位法GPS定位的方法、观测方程、定位原理和计算方法GPS动态定位的基本原理和应用领域2.3.GPS绝对定位精度主要取决于:
卫星分布的集合图形;观测量精度(0)。
精度因子DOP:
GDOP几何精度因子表征星座结构对定位精度影响的总指标HDOP平面位置精度因子VDOP高程精度因子PDOP空间位置精度因子TDOP接收机钟差精度因子GPS测量误差与卫星有关的误差与传播途径有关的误差与接收设备有关的误差其他误差(因素)GPS定位误差与卫星有关的误差卫星轨道误差abtTtc====/~baaTtbVV+)(abtTtropioncVcV+++=~~atVbTVbtV0332211=++=PDOPMqqqPDOPP02211=+=HDOPMqqHDOPH033==VDOPMqVDOPV044==TDOPMqTDOPT02244332211)()(=+=+++=GDOPMTDOPPDOPqqqqGDOPG===========+=+===54573.254573.13928.06469.015412021541201902154213.402121222221212221222222212122212221212221222211212ionogrionogrionogrionogrionogrionogrionogrVVVVVVffffAffffAffffAfAfAfAfASSLLfATECA故:
即:
得:
则:
,实际的站星距为,星距为上的测距码所测定的站、设:
采用,即有电离层延迟令卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应信号干扰源与接收设备有关的误差天线相位中心的偏差和变化接收机钟差接收机内部噪声误差消除减弱的措施和方法误差改正模型求差法参数法回避法利用差分技术,第一部分误差完全可以消除,第二部分误差大部分可以消除,其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离,第三部分误差则无法消除。
GPS差分类型差分GPS根据其系统构成的基准站个数可分为:
单基准差分多基准差分(局域差分)VRS广域差分WAAS根据发送的信息方式又可分为:
位置差分伪距差分相位平滑伪距差分载波相位差分(RTK)讨论卫星几何分布精度因子定义与GPS授时方法?
GPS定位中的误差来源及消除、消弱的措施和方法,其中哪些误差可以通过差分处理予以消除或消弱?
差分GPS定位原理及其应用?
广域差分GPS的工作流程与系统特点?
第六章GPS接收机结构:
分为天线单元、接收单元、电源接收机类型工作原理:
码相关型、平方型、混合型通道:
时序、多路复用、多通道器件:
模拟式、数字式、混合式用途:
导航、测时、测量各类GPS网的用途:
GPS测量工作分为三个阶段:
测前准备;测量实施;数据处理GPS接收机采集记录的是:
GPS接收机天线至卫星伪距、载波相位、卫星星历等数据。
GPS测量数据处理可以分为:
观测值的粗加工、预处理、基线向量解算(相对定位处理)和GPS基线向量与地面网数据的联合处理等基本步骤讨论GPS接收机的结构、类型GPS测量作业基本方法GPS数据处理的主要内容第七章卫星通信定义:
利用人造地球卫星作为中继站,通过转发无线电波而实现的地面站间的通信方式卫星通信特点:
卫星通信系统的组成:
由空间段和地面段组成空间分系统通讯卫星通信地球站分系统跟踪遥测及指令分系统监控管理分系统卫星通信系统的分类:
按轨道:
低轨道(LEO)通信卫星;:
500km┈1500km中轨道(MEO)通信卫星;:
10000km左右静止轨道(GEO)通信卫星;:
36000km左右按通信范围:
国际通信卫星、区域性通信卫星、国内通信卫星按用途:
综合业务通信卫星;军事通信卫星;海事通信卫星;电视直播卫星;气象卫星按转发能力:
无源有源:
无星上处理能力,有星上处理能力按频段:
1979年国际电联的世界行政大会对卫星广播频段进行了分配,分为L、S、C、Ku、Ka、Q、V七个频段,中国分在KU频段第三区,并使用C频段(3.7--4.2GHZ)的线极化波。
按重量:
大型卫星、小卫星、微小卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星讨论简述卫星通信的概念简述卫星通信的特点卫星通信系统主要是由几个部分组成,各部分主要作用是什么?
第八章多址分类:
频分多址(FDMA)---按频率划分用户,频率独享,时间共享码分多址(CDMA)---按码型划分用户,时隙/频率共享时分多址(TDMA)---按时隙划分用户,时隙独享,频率共享空分多址(SDMA)---按空间划分用户,频率/时隙/码型共享频分多址(FDMA)-GLONASS属此优点:
技术成熟,设备简单,工作可靠工作于大容量线路时效率高,特别适合站少而容量大的场合。
缺点:
转发器要同时放大多个载波,容易形成互调干扰。
应用:
模拟/数字蜂窝移动通信系统时分多址(TDMA)特点:
采用数字制;在任何时刻都只有一个站发出的信号通过转发器;克服了FDMA方式中的互调干扰;要有精确的同步,各站的突发信号之间要有保护时间间隔。
应用:
GSM系统码分多址(CDMA)GPS、GLALILEO、COMPASS属此优点:
具有较强的抗干扰能力,有一定的保密能力,改变地址比较灵活。
缺点:
要占用很宽的频带,频带利用率一般较低;要选择数量足够的可用地址码较为困难;接收时对地址码的捕获与同步需有一定时间。
CDMA方式特别适用于容量小,移动性大的系统空分多址(SDMA)优点:
卫星天线增益高;卫星功率可以得到合理有效的利用;不同区域地球站所发信号在空间互不重叠,即使在同一时间用相同频率,也不会相互干扰,因而可以实现频率重复使用,这会成倍地扩大系统的通信容量。
缺点:
SDMA方式对卫星的稳定及姿态控制提出很高的要求;卫星天线及馈线装置也比较庞大和复杂。
多址分配及方式(预分配、按需分配)讨论各种多址方式的原理、优缺点。
第九章导航系统比较:
无线电导航定位系统的主要缺点在于:
覆盖的工作区域小;电波传播受大气影响;定位精度不够天文导航系统虽然覆盖的工作区域很大,但定位精度不高,且可见光的传播受气象影响惯性导航系统虽然能自主提供连续、实时准确定位等信息,在短期内定位精度比较高(厘米级),但其定位误差随时间而积累,误差较大卫星是设置无线电导航发射机的理想位置,在适当轨道上的卫星星座可以使导航信号覆盖整个地球GNSS组合导航系统:
可同时接收与处理两个或两个以上卫星导航系统的信号,并进行用户位置、速度、时间(PVT)解算的接收机终端。
结构、类型优点:
提高了系统的完善性、可靠性、精度以及导航连续性问题:
信号接收问题、统一归算问题、用户成本问题。
惯性导航系统(INS):
通过利用惯性敏感元件测量飞行器的加速度,进行二次积分来推算出飞行器的姿态、方位、速度和位置。
INS是一个自主式的空间基准保持系统,由惯性测量装置、控制显示装置、状态选择装置、导航计算机和电源等组成。
重要元器件:
加速度计和陀螺仪平台式vs捷联式优点:
不依赖于外部信息,不受外界电磁干扰的影响;也不向外部辐射能量,隐蔽性好。
可全天候、全球性、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下。
能提供位置、速度、航向和姿态角数据,所产生的导航信息连续性好而且噪声低。
数据更新率高、短期精度和稳定性好.缺点:
由于导航信息经过积分而产生,定位误差随时间而增大,长期精度差,需要不断地修正;每次使用之前需要较长的初始对准时间;设备的价格较昂贵;不能给出时间信息。
GPS/INS原理:
利用GPS的长期稳定性与适中精度,来弥补INS的误差随时间传播或增大的缺点;利用INS的短期高精度来弥补GPS接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点。
非耦合方式vs松耦合方式vs紧耦合方式讨论各种导航系统的优缺点惯性导航系统原理GPS/INS组合导航系统原理
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