GPS卫星导航系统

GPS卫星导航系统（精选十篇）

GPS卫星导航系统篇1

GPS系统在军事领域已经具有十分重要的地位,已经广泛应用于陆、海、空各种平台、巡航导弹及精确制导炸弹,这些接收机不仅能够为载体提供位置、速度和时间信息,还能提供实时的姿态信息。随着GPS现代化工作的不断推进,将为用户提供三频导航定位服务,这给GPS姿态测量接收机的发展带来了机遇:首先,可以提高整周模糊度求解的效率和成功率,提高定姿精度和实时性;其次,利用双频组合测量可消除电离层的影响,提高接收机的定位精度;最后,多频组合也有利于检测和修复周跳,改善定姿解算的可靠性。因此,研制基于GPS多频导航信号的定位/定姿接收机将是卫星导航领域的热点。

1 多频姿态测量接收机方案

为了实现载体三维姿态测量,GPS姿态测量接收机将由天线、测量单元、姿态解算单元3个独立测量单元组成,如图1所示。测量单元由3个GPS多频接收机组成,由公共时钟提供时频信号。另一个核心单元是定姿解算与设备监控单元,包括预处理模块、定姿解算模块、结果与状态显示模块组成。

载体姿态如图2(a)所示,是指载体坐标系相对于当地地理坐标系的3个姿态角:航向角ϕ、俯仰角θ和横滚角φ。3个天线放置成直角三角形如图2(b)所示。

2 关键技术研究

2.1 多频周跳检测技术

组合噪声残差模型可表示为:

$\begin{array}{l} Φ_{ε} = w_{1} \cdot Φ_{1} + w_{2} \cdot Φ_{2} + w_{3} \cdot Φ_{3} = \\ (w_{1} + w_{2} + w_{3}) (ρ + C \cdot d t_{r} - C \cdot d t_{s} + d_{o r b} + d_{t r o p}) - \\ (\frac{w_{1}}{f_{1}^{2}} + \frac{w_{2}}{f_{2}^{2}} + \frac{w_{3}}{f_{3}^{2}}) \cdot Κ + (w_{1} Ν_{1} λ_{1} + w_{2} Ν_{2} λ_{2} + w_{3} Ν_{3} λ_{3}) + w_{1} ε_{Φ 1} + w_{2} ε_{Φ 2} + w_{3} ε_{Φ 3} 。 \end{array}$

式中,w1,w2,w3为组合系数;载波噪声εΦ1、εΦ2、εΦ3包含多路径影响。为了消去观测量中的几何距离、卫星钟差和接收机钟差等快变量,w1,w2,w3满足:

$w_{1} + w_{2} + w_{3} = 0 ‚ \frac{w_{1}}{f_{1}^{2}} + \frac{w_{2}}{f_{2}^{2}} + \frac{w_{3}}{f_{3}^{2}} = 0$ 。

于是,组合噪声残差模型可进一步写为:

Φε=(w1N1λ1+w2N2λ2+w3N3λ3)+w1εΦ1+w2εΦ2+w3εΦ3。

利用模糊度应为常数的特点,可以将组合噪声前后历元差值作为周跳检测量,称为组合噪声差值,即

δΦε=(w1δN1λ1+w2δN2λ2+w3δN3λ3)+

w1δεΦ1+w2δεΦ2+w3δεΦ3。

式中,δ为时间差分;δN1,δN2,δN3分别为载波B1,B2,B3上的周跳,没有周跳时,其值为0。通过优选组合系数w1,w2,w3,可以将组合噪声w1δεΦ1+w2δεΦ2+w3δεΦ3控制在较小范围之内。

在没有周跳情况下,δΦε数值较小。如果载波出现周跳,组合周跳w1δN1λ1+w2δN2λ2+w3δN3λ3将以粗差的形式出现在δΦε序列中。此时可以利用粗差探测方法来探测周跳。假设各载波观测噪声在时间上不相关,忽略电离层变化量影响,依据误差传播定律,δΦε均方根可表示为:

$σ_{δ Φ_{ε}} = \sqrt{2} \cdot \sqrt{w_{1}^{2} σ_{Φ 1}^{2} + w_{2}^{2} σ_{Φ 2}^{2} + w_{3}^{2} σ_{Φ 3}^{2}}$ 。

式中, $\sqrt{2}$ 反映了前后历元时间差分的噪声影响。

若各频点载波方差相等,即σ $_{Φ 1}^{2}$ =σ $_{Φ 2}^{2}$ =σ $_{Φ 3}^{2}$ =σ $_{Φ}^{2}$ ,则上式可进一步表示为:

$σ_{δ Φ_{ε}} = \sqrt{2} \cdot \sqrt{w_{1}^{2} + w_{2}^{2} + w_{3}^{2}} \cdot σ_{Φ}$ 。

此外,也可以利用无周跳条件下的载波数据,实时统计δΦε均方根:

$σ_{δ Φ_{ε}} = \sqrt{\frac{\sum_{k = 0}^{n} δ Φ_{ε, k}^{2}}{n}}$ 。

如果在某一历元,δΦε满足δΦε>t·σδΦε,即认为该卫星载波有周跳发生。式中,t=3(99.7%的置信度)。

2.2 多频模糊度实时解算技术

模糊度解算是GPS测姿设备的核心关键技术,论文拟采用基线长度约束的改进LAMBDA法,依据最小二乘准则:

$\min_{a, X} ∥ l - A_{1} X - A_{2} a ∥_{Q_{l}}^{2} ‚ a \in Ζ^{m} ‚ X \in R^{3} ‚ ∥ X ∥_{Ι}^{2} = b^{2}$ 。

式中,‖·‖ $_{Q_{l}}^{2}$ =(·)TQ $_{l}^{- 1}$ (·),Q $_{l}^{}$ 为双差观测值协方差阵;b为已知的基线长度;由于模糊度整数约束a∈Zm,上式实际上属于整数最小二乘问题。依据最小化原则,上式各分量互相正交,进一步写为:

$\begin{array}{l} \min_{a \in Ζ^{m}, X \in R^{3}, ∥ X ∥_{_{Ι}}^{^{2}} = b^{2}} ∥ l - A_{1} X - A_{2} a ∥_{Q_{l}}^{2} = \\ ∥ v ∥_{Q_{l}}^{2} + \min_{a \in Ζ^{m}} (∥ \hat{a} - a ∥_{Q_{\hat{a}}}^{2} + \\ \min_{X \in R^{3}, ∥ X ∥_{_{Ι}}^{^{2}} = b^{2}} (∥ \hat{X} (a) - X ∥_{Q_{\hat{X} (a)}}^{2})) 。 \end{array}$

式中,v为最小二乘残差, $v = l - A_{1} \hat{X} - A_{2} \hat{a}$ ; $\hat{a}$ 为模糊度实数解; $\hat{}$ 为模糊度实数解下的基线解; $\hat{X} (a)$ 为模糊度实数解条件下的基线解;X(a)为模糊度固定解条件下的基线解; $X (a) = \hat{X} (a) - Q_{\hat{X} \hat{a}} Q_{\hat{a}}^{- 1} (\hat{a} - a)$ 。上式利用LAMBDA方法进行模糊度解算。

第1步,首先确定含有备选模糊度组合的搜索空间。模糊度搜索空间由下式确定:

$(\bar{a} - a)^{Τ} Σ_{\bar{a}}^{- 1} (\bar{a} - a) \leq χ^{2}$ 。

第2步,对模糊度降相关处理,优化搜索空间:

$z = Ζ^{Τ} a ‚ \bar{z} = Ζ^{Τ} \bar{a} ‚ Σ_{\bar{z}} = Ζ^{Τ} Σ_{\bar{a}} Ζ$ 。

于是 $(\bar{a} - a)^{Τ} Σ_{\bar{a}}^{- 1} (\bar{a} - a) = (\bar{z} - z)^{Τ} Σ_{\bar{z}}^{- 1} (\bar{z} - z)$ 。

式中,Z为转换矩阵,保持了模糊度的整数特性,维持搜索空间的体积不变,且原搜索空间和转换后的搜索空间之间存在一一对应的关系。

第3步,模糊度搜索。

模糊度实数解经过降相关处理后,对上式中的模糊度解实施序贯条件最小二乘平差,则有

$(\bar{z}_{i | Ι} - a_{i})^{2} \leq l_{i} σ_{z_{i | Ι}}^{2} χ^{2}$ ,i=1,…m。

式中, $l_{i} = (1 - χ_{i - 1}^{2} / χ^{2}) ‚ χ_{i - 1}^{2} = \sum_{j = 1}^{i - 1} (\bar{z}_{j | J} - z_{j})^{2} / σ_{z_{j | J}}^{2}$ 。由于搜索空间优化后,利用上式来搜索模糊度的效率将显著提高,搜索时间大大缩短。经过搜索获得唯一确认的转换后的模糊度整数解 $\bar{z}$ ,回代即可获得模糊度整数解和基线解:

a=(ZT)-1z, $X (a) = \hat{X} (a) - Q_{\hat{X} \hat{a}} Q_{\hat{a}}^{- 1} (\hat{a} - a)$ 。

第4步,模糊度确认。

几何约束检验:备选模糊度a计算所得基线长度、仰角、方位角与已知值差值小于给定阀值δb, δγ,δβ,即

$| \bar{b} (a) - b_{0} | \leq δ b, \bar{b} (a) = | \bar{X} (a) |$ ,

$| \bar{γ} (a) - γ_{0} | \leq δ γ, \bar{γ} (a) = \arctan (\bar{d} x (a) / \bar{d} y (a))$ ,

$\begin{array}{l} | \bar{β} (a) - β_{0} | \leq δ β, \\ \bar{β} (a) = \arctan (\bar{d} z (a) / \sqrt{\bar{d} x_{}^{2} (a) + \bar{d} y_{}^{2} (a)}) 。 \end{array}$

如果备选模糊度不符合上述给定条件,则从备选模糊度中消去该模糊度组。

Ratio比值检验:将次最小整数估值残差平方和与最小整数估值残差平方和比值作为检验量:

Ratio= $\frac{∥ \hat{a} - a_{2} ∥_{Q_{\hat{a}}}^{2} + ∥ \hat{X} (a) - X (a_{2}) ∥_{Q_{\hat{X} (a)}}^{2}}{∥ \hat{a} - a ∥_{Q_{\hat{a}}}^{2} + ∥ \hat{X} (a) - X (a) ∥_{Q_{\hat{X} (a)}}^{2}}$ 。

式中,a2为次最优模糊度组。Ratio值大于2或3时,最小整数估值残差平方和对应的模糊度组确认为正确的模糊度。

3 试验结果与分析

为验证测姿接收机关键技术解决程度和工程样机达到的定向水平,在基线场进行了单频和多频接收机的定向精度测试,并与商用GPS接收机进行了比较。从结果上看,研制的测姿样机与商用GPS接收机定向成功率相当,定向精度上略好,折算到1 m基线,单频时为0.23°,多频时为0.2°,如表1所示。

从结果上也可以验证测姿接收机的特点,无论是多频还是单频测姿接收机,定向精度在基线长度和星座一定的条件下,主要取决于载波相位测量精度,双频与单频测姿接收机的载波相位测量精度是相当的,只是多了一个频率的观测数据,多了一种检验条件,可以更快地确定整周模糊度,并提高整周模糊度解决的正确性,进而提高了姿态测量的成功率。

4 结束语

为满足各种平台的姿态测量使用需求,设计了基于现代化GPS卫星导航系统的多频姿态测量设备,给出了基于多频卫星导航系统的姿态测量系统总体方案,并重点研究了基于GPS三频(L1、L2C和L5)组合噪声残差法实时探测与修复周跳、基于几何约束的单历元模糊度解算等关键技术,利用模拟器搭建了室内有线试验环境,试验结果充分证明该技术和方案具备可行性,但在测姿解算成功率方面还有待进一步提高。 

参考文献

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[3]杨铁军,黄顺吉.基于DSP的GPS双天线实时姿态测量系统实现[J].电波科学学报,2002,17(6):661-665.

[4]廖向前,黄顺吉.GPS载波相位的周跳检测方法[J].电子科技大学学报,1997,26(6):590-594.

[5]廖向前,黄顺吉,张晓玲.GPS双基线载体姿态测量研究[J].航空学报,1999,19(5):531-535.

GPS卫星导航系统篇2

对基于EKF算法的相对导航滤波器和基于全球卫星定位系统(GPS)伪距测量的伴飞星定轨进行了研究.用几何法与相对动力学方法联合获得目标星轨道信息,给出了伴飞卫星伪距测量定位的模型.仿真结果表明:该定轨方法可用于低轨卫星实时定位导航,定轨精度较高.

作者：杨文博李英波施常勇周曜作者单位：杨文博,李英波,施常勇(上海航天控制工程研究所,上海,33)

周曜(中智上海经济技术合作公司,上海,200030)

伽利略导航卫星系统欧版GPS 篇3

伽利略计划经过2年的系统方案论证后于2001年4月进入为期4年的“设计、研发和在轨验证阶段”。这个阶段主要由欧空局组织实施。如果一切顺利，2007～2008年将进入星座部署阶段，2008年以后将由一家公私合营的企业长期运营。原计划耗资32亿欧元建成，现在估计需要约40亿欧元，而且工程可能延期到2010年才能完工。

伽利略系统由分布在3个轨道面上的30颗卫星组成，每个轨道面上均匀配置10颗卫星，轨道高度23616千米，倾角56度，运行周期14小时04分。全系统由空间段、地面段和用户段组成。


伽利略计划星座图	伽利略卫星

伽利略卫星在厂房中

GPS星座图	GPS卫星

南极考察队使用GPS	野外使用GPS

车载GPS

GPS在战争中大显神威

目前伽利略工业集团正在研发在轨验证所用的卫星。首颗卫星将于2005年下半年发射，紧接着还将发射另外3颗卫星，构成由空间、地面和用户设备段组成的在轨验证系统，以检验和测试全系统的整体体系结构及其性能指标是否满足设计要求，然后依据在轨验证的结果，改进、定型并批量生产部署阶段所需卫星。

伽利略、GPS大比拼

伽利略全球导航卫星系统与美国GPS系统从导航原理、所用频段到系统组成都大同小异，几乎是GPS的翻版。二者的差异主要有如下几点：

·发展战略与目标不同

欧洲发展伽利略系统是为未来欧盟在战略上的独立性和产业上的经济利益，其主要目标是车辆导航与监控。

卫星导航系统如同铁路、电信、机场和港口一样，是一种重要的国家基础设施，它所发送的信息可为陆海空天的无数军用、民用和商业用户提供动态或静态的精确三维位置、速度和时间，用途十分广泛。欧盟发表的研究报告认为，如果欧洲在如此重要的战略性基础设施上长期依赖美国，将会影响其政治、经济、外交和军火出口等许多领域上的独立自主性。此外，全球卫星导航产业在未来15～20年将形成数千亿美元的市场规模，而美国GPS长期垄断全球的格局是欧洲人不能接受的。欧洲必须打破垄断，并在这一巨大市场上占有较大份额，获取较大的经济利益。更重要的是，欧洲人决不能把全欧数千万辆汽车卫星导航的未来命运掌握在美国人手里。

美国发展GPS的主要目的是为军事服务，其次才是民用，其发展战略是在重要的军用与民用领域独霸全球，技术上遥遥领先，推行美国GPS标准占领和垄断全球市场。因此，尽管美国军方也非常重视改善GPS的民用信号，以增强其竞争能力，但未来的第三代GPS将按导航战的理念，增强GPS的抗干扰能力。这种导航战的概念主要包含如下三层内涵，即在危机和战争期间，保护美国及其盟友安全使用GPS，采取的重要措施是抗干扰和反欺骗；阻断敌方使用卫星导航信号，采取局部干扰或故意降低导航定位精度等；保护战区之外的GPS民用用户不受干扰的影响，照常使用GPS。

·投资、运作和管理模式不同

伽利略系统是世界上第一个允许非欧洲国家加盟的民用导航卫星系统。它由欧盟和欧空局策划和组织实施，欧洲各国政府和企业分摊建设费用，中国、印度和以色列参与，采用公私伙伴关系的商业运作模式共同运营和管理的卫星系统。但该系统所发送的公共特许服务（PRS）信号也可用于军事目的。而美国GPS是由政府全额投资、军方严格控制的军民两用系统。

·既合作又竞争，既兼容又独立

根据欧美双方2004年6月达成的有关伽利略与GPS两大系统合作协议，美国未来的第三代GPS民用信号将与欧洲伽利略系统采用相同的信号结构。这意味着两大系统将实现全面兼容，不但可以互相利用，而且欧美民用导航接收机也将采用相同的标准。届时，两大系统既是彼此互不干扰的独立系统，也是相互兼容的备份系统。全球民用用户将能同时从两大系统共约60颗卫星中更快地捕获到更多卫星信号，导航定位精度优于10米。但在危机或战争时期，欧盟允许美国对伽利略系统的信号实施局部干扰，以阻止敌方使用卫星导航信息。

伽利略系统打破了美国在卫星导航领域独霸全球的垄断局面，预计欧美将在全球市场展开激烈竞争。

·星座配置和入轨方式不同

轨道面：伽利略星座由3个轨道面组成，GPS星座由6个轨道面组成。

轨道高度：伽利略星座轨道高度为23616千米，GPS星座轨道高度约为20000千米。

倾角：伽利略星座每个轨道面的倾角为56°，GPS星座为65°。

GPS卫星导航系统篇4

关键词：GPS北斗异同

1 北斗卫星定位系统与GPS全球定位系统的构成与技术原理

GPS全球定位系统是一个全球性、全天候、高精度的导航定位和时间传递系统。24颗卫星在其空间中运行。分为军用和民用两个系统运行, 服务分两个不同的等级提供。GPS定位采用空间被动式原理, 在测站上安置GPS用户接收系统, 以各种可能的方式接收卫星发送的信号, 卫星不间断地发送自己的星历参数和时间信息, 用户接收后, 由计算机求出接收机的三维位置, 三维方向及运动速度和时间信息, 简称“三球定位”原理。首先假定卫星的位置为已知, 准确测定※点距离卫星的长度, 结果※点就是位于以卫星为中心的圆球上, 圆球的半径等于所测得距离。下一步, 再测量※点距离另一卫星的长度, 结果※点必然位于这两个圆球相交形成的环上。再继续测量距离第三个卫星的长度, 最终※点必然在三个圆球相交形成的两个点上。再根据地理知识, 去掉那个不合理的点。其实继续再测量※点距离另一个卫星的长度, 也能直接定位※点。GPS的作用除了导航外, 还有很多, 像地震学家用它能监测地壳的微小移动最终帮助预测地震。

北斗卫星导航系统分为三段:空间、地面、用户。空间段计划由35颗卫星组成, 包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°, 中地球轨道卫星运行在3个轨道面上, 轨道面之间为相隔120°均匀分布。服务方式有两种:开放式、授权式。开放式服务:免费定位、测速、授时, 定位精度为10m。授权式服务, 向授权客户提供的定位、测速、授时和通信服务更安全, 信息更系统完整。可向客户二十四小时定位服务即时, 定位精度可达数十柰秒 (ns) 的同步精度, 其精度与GPS相当。

2 北斗卫星导航定位系统和GPS全球定位系统的异同

目前, 北斗卫星导航系统是由我国自主研发、独立运行的区域卫星导航系统, 缩写为BDS, 与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统, 并称全球四大卫星导航系统。在全球卫星定位系统方面, 现在使用范围最广的就是美国的GPS全球定位系统, 我国自行研制的“北斗一号”和美国的GPS虽然都是卫星定位、导航系统, 但是它们在各方面都有着较大的差异, 这种差异主要体现在以下几个方面:

(1) 首先都是导航定位系统, 采用的定位技术不同, 定位的范围也有区别。北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围约东经70度到140度, 北纬5度到55度;GPS是覆盖全球的全天候定位系统。目前, 北斗还不是全球定位, 当然北斗开始的晚, 部署需要时间, GPS也用了20年时间才布置完毕全天候覆盖全球的。 (2) 其次, 二者的定位理论不同, 北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。由地面中心控制系统解算, 再向用户提供三维定位数据;而GPS已经部署完毕由用户设备独立解算自己三维定位数据。所以北斗卫星导航定位系统定位理论更新, 可以用于国家经济建设, 为中国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务, 应用前景十分广阔。 (3) 卫星数量和轨道特性:北斗卫星导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星且两颗卫星间的赤道角距约六十度。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星, 轨道赤道倾角五十五度, 轨道面赤道角距六十度, 为准同步轨道, 绕地球一周11h58m。 (4) 定位精度:我们的北斗系统可以对所有终端机进行监控管理, 就这一点GPS就根本不可能做到。可以通过确定用户地理位置, 为用户及主管部门提供导航。水平定位精度100米, 差分定位精度小于20米。定位响应时间:Ⅰ类用户5秒;Ⅱ类用户2秒;Ⅲ类用户1秒。定位更新时间小于1秒, 一次性定位率达百分之九十五。GPS三维定位精度P码目前己由16米提高到6米, C/A码目前己由25-100米提高到12米, 授时精度日前约20柰秒。 (5) 用户容量:北斗卫星导航系统具有用户之间、用户和地面控制中心之间双向数字报文通信能力, 通常每次能通信三十六个汉字, 核准过的用户使用连续通信方式最多能通信一百二十个汉字。北斗卫星导航系统有两种精密授时功能:单向和双向, 依据具体的精度需求, 利用定时用户终端, 完成与北斗卫星导航系统之间时间和频率同步, 提供100ns (单向授时) 和20M (双向授时) 的时间同步精度。GPS全球定位系统是单向测距系统, 用户只要单向使用设备接收GPS发出的导航电文即可进行测距定位, 所以GPS全球定位系统的用户设备容量没有上限。

3 鉴于以上浅析北斗卫星导航系统和GPS全球定位系统的异同

而且我国必须发展自主的全球卫星导航系统, 那就必须坚持原则, 这个原则就是既要开放、独立又要兼容、渐进。北斗卫星导航系统虽然和GPS全球定位系统相比有一定的差距, 但是随着北斗卫星导航系统的建设发展, 北斗卫星导航系统必将迎来“规模化、社会化、产业化、国际化”的重大历史机遇, 当然这机遇也对北斗卫星导航系统提出了更高的要求。北斗卫星导航系统是中国独立自主研发的卫星导航系统, 其成功有着非凡的战略意义, 标志着中国打破了美、俄在卫星导航定位系统的垄断地位, 填补了中国没有自主卫星导航系统的空白。根据军队和地方签订的协议, 中国需要在2015年前完成北斗卫星导航系统产品标准、民用服务资质等法规体系建设, 该体系要权威、标准统一。还要在首都建成一个国家级检测中心, 在地方上按区域建设七个区域级授权检测中心, 加快推动北斗卫星导航系统进入国家认证认可体系, 进入国家标准系列。

GPS卫星导航系统篇5

16日，在太空运行的北斗导航卫星准确接收到西安卫星测控中心发出的第3次远地点点火指令，测量数据显示，卫星顺利进入工作轨道，星上设备工作正常，卫星转入正常工作模式，开通导航信号。

这颗北斗导航卫星将参与中国北斗导航系统建设计划。卫星的发射成功，标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。

卫星导航系统为人类带来了巨大的社会和经济效益，目前世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。我国先后于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日以及今年2月3日发射了四颗北斗导航试验卫星，成功建立了具有我国自主知识产权的区域性卫星导航系统——北斗卫星导航试验系统。该系统一直运行稳定、状态良好，已在测绘、交通运输、电信、水利、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用，应用前景十分广阔。

据介绍，我国将在未来几年里，陆续发射系列北斗导航卫星，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统，主要用于国家经济建设，满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求。

本次成功发射的北斗导航卫星由航天科技集团公司所属的中国空间技术研究院研制生产。

执行卫星发射任务的长三甲火箭由航天科技集团公司所属的中国运载火箭技术研究院为主研制。

据悉，北斗卫星导航系统的发射任务将全部由长三甲系列火箭承担。由于该系统由不同轨道卫星组成，因此火箭会适时进行技术状态更改。此次发射，火箭进行了较大的技术状态变化。最大的变化是发射的卫星轨道由前12次的地球同步轨道变为中圆轨道。另外，此次发射还首次在火箭上使用了地面预置瞄准起飞滚转定向和高空双风向补偿技术，火箭三级发动机第一次采用一次工作模式，首次采用远距离测发控模式发射等等。这是该火箭连续第13次成功飞行，是长三甲系列火箭第20次成功发射。

此次发射是长征系列火箭第97次发射，是自1996年10月以来，该系列火箭连续55次成功发射。

GPS卫星导航系统篇6

北斗在通信领域凸显三大意义

据悉, 北斗系统历经的12年研发与测试时间在卫星导航领域已“相当迅速”, 通过16颗在轨卫星, 北斗系统已经可以达到平面10米、高程10米的定位精度, 授时精度单向50纳秒, 还可提供双向高精度授时和短报文通信服务。

继亚太区之后, 北斗系统还定出了“2020年覆盖全球”的目标。此前, 美国GPS系统从军事走向民用, 引领了世界范围内的高精度位置服务潮流。中国卫星导航定位协会咨询中心主任曹冲接受《通信世界》记者采访时表示, 对于北斗系统在军用领域有显著意义之外, 对于通信领域, 北斗系统在三个方面体现出重要意义。

一是北斗系统的授时 (时间传递) 与同步功能在通信系统中具有明显应用, 尤其是在宽带和高速无线电通信中, 时间基准是个重要参量, 在码分多址通信中, 通信传输系统的时间参照和时间统一问题是件大事, 移动基站通常都有专门的利用卫星导航的高精度时间模块;二是通信与导航是天然的最佳组合, 基于位置的服务就是一个典型;三是未来的产业融合发展将出现导航通信的一体化集成, 形成一个新兴的产业集群, 是将新一代新兴技术和智能信息产业推向新的发展阶段的重要关键、基础、共性技术, 是通信与导航技术发展的重大方向。

“泛在智能服务”目标

在信息时代, 卫星导航还集合了大数据、智能化、无线革命等特点, 对于“北斗对于目前移动互联网重点发展的位置服务会带来什么样的创新”这一问题, 曹冲表示, 位置服务是导航与通信的结合的范例, 是移动互联网的标准配置。北斗和其它传感网络在一起, 是解决全源感知和大数据的问题, 而云计算和软件系统等现代计算机技术解决的是数据处理和分发, 把它们关联起来, 是为了实现泛在智能服务的终极目标。

“未来, 北斗系统的双向短信通信功能会进一步发挥通信作用。通信与导航系统的融合也将是全方位的。总有一天, 在卫星上将实现通信与导航的融合, 形成一体化服务, 这需要经过实际研发, 2020年之后有望实施建设。”鉴于北斗带来的巨大科技效应与经济效应, 此前很多GPS企业也都转向北斗产业, 但产业链尚未真正完善也是业内提及最多的问题。

曹冲表示, 我国的北斗系统建设比美国的GPS晚近30年, 在系统整体上赶超国际先进水平尚需时日, 但是从产业应用技术而言, 北斗可以发挥后发优势, 集中突破若干关键的技术瓶颈, 实现产业的快速、可持续、跨越式发展还是有可能的。“但企业要结合市场需求和自己的优势, 创新产品和服务, 做出各自的特色和差异化。”

GPS卫星导航系统篇7

自主驾驶智能车辆的研究受到许多国家的重视, 并成为研究的重要内容。车辆实现无人驾驶的前提是其配备的导航系统能够实时、准确地提供车辆的状态信息。其中以惯性导航系统(INS) 和全球定位系统(GPS) 提供信息更为丰富完备。车载导航系统常采用多传感器进行组合导航,常见组合形式有INS/GPS组合导航。文献[1]将GPS观测姿态信息引入组合导航滤波模型,提高了组合导航系统的估计精度,且提高了方位失准角的估计速度,但是没顾及在城市化道路中GPS信号易受建筑群遮挡, 造成信号丢失或跳变的问题, 因此有很多学者提出INS / GPS / 视觉的组合方式。文献[ 2 ] 采用此方法, 但该方法矩阵维数较高, 易出现数值不稳定情况, 存在不合理性。针对以上问题,本文提出一种新的组合导航方法,通过摄像头采集的周围环境信息对GPS的卫星数据进行筛选后再进行组合导航。并通过实车实验验证了其可靠的导航性能和突出的容错性,具有较高的实用价值。

1 基于视觉筛选的组合导航方法系统框架

本文提出的导航系统框架如图1 所示, 通过机器视觉采集周围环境信息,处理得到周围建筑物对车体遮挡角度并与GPS接收到的卫星与地面夹角信息进行对比,判定GPS卫星有效性并筛选。由于GPS基于无线电定位技术,其中视距传播(Line of Sight ,LOS)是准确定位的必要条件。而移动端与基站间大多通过反射、散射、衍射方式到达接收端,多为非视距传播(Not Line of Sight,NLOS),因此对GPS卫星数据的准确性筛选很有必要。

2 基于视觉筛选的GPS卫星有效性判定

2 . 1 视觉模块坐标定义

摄像头成像变换涉及不同坐标系之间的转换。在视觉系统中需将大地坐标系换算成摄像头坐标系,大地坐标系原点Ow在车体重心正下方地面上,zv轴垂直向上,xv轴平行地面指向车体前进方向,yv轴在图中垂直纸面向外。 Oc为摄像机坐标系原点,与Ow点的水平距离为l1,与地面的垂直距离为l2。 α , β , γ 分别为摄像头旋转角度, 本文摄像头只绕x,y,z轴旋转, 该轴与水平面倾斜角为 α,旋转角度 β、γ 为0。如图2 所示,(xc,yc,zc)T为摄像头坐标系,大地坐标系中点(xw,yw,zw)T换算到(xc,yc,zc)T为摄像头坐标系采用式(1)的方法[3,4,5]。

其中(tx,ty,tz)T为平移向量,R为旋转矩阵。

本文以大地坐标系为主坐标系,统一其他坐标系[16]。视觉坐标系中X轴的正方向为行驶方向的负方向,Y轴的正方向垂直于X轴,水平向右。建筑物的特征点其在视觉坐标系中的坐标定义为(xpvision, ypvision) 。摄像头在大地坐标系中的位置是由GPS实时获得的,其坐标为(xv, yv) ,通过此坐标和智能车航向角可以将视觉坐标系转换到大地坐标系下,求出目标点在大地坐标系下的坐标(xp, yp) 。建筑物特征点在大地坐标中的坐标与视觉坐标系中的坐标可表示为:

其中,由GPS提供车辆行驶航向角 φv。

2 . 2 周围环境图像处理方法

图像经处理后提取出代表建筑物特征的候选点。为了寻找建筑物上下角点, 对图像做Canny变换以累计概率霍夫变换寻找连续性较高的、近水平和竖直方向的直线簇作为建筑边缘。寻找水平和竖直方向建筑边缘的交点作为建筑物上角点, 以上角点作垂线, 与最大填充域的交点最为建筑物下角点。然后,分别计算各交点到车体的距离。最后求处于同一垂直线上的点(大于一个的)到车体点距离的余弦值[6]。

建筑物的俯仰角换算方法定义如下:

其中,表示车体位置到前方第n个建筑物下隅角的向量,表示车体位置到前方第n个建筑物上隅角的向量。最终得到前方楼宇上隅角与车体连线相对水平线的角度, 本文将其定义为楼宇遮挡角度Ebn, 将其与GPS接收卫星角度Ea进行对比,进行非视距环境下卫星信号可用性检测。

2 . 3 非视距环境下卫星信号可用性检测

本文采用改进的NLOS识别方法,主要为判断车体周围的建筑物是否遮挡了GPS提供的卫星信号,原理如图3 所示。

其中,a,b分别表示被建筑物遮挡而进行非视距传播的卫星与未被遮挡直接进行视距传播的卫星。如果卫星的高度Ea、Eb以及与航向角夹角Aa、 Ab属于建筑物Bn遮挡区域, 此卫星被定义为NLOS情况。卫星高度与车体所在位置水平切线的夹角定义为:

其中,rs为卫星轨道半径,re为地球半径,Ls为卫星所处纬度,Le为参照点所处纬度,ls为卫星所处经度,le参考点的经度。

因此,若cos(Ea) < cos ( Ebn) , 则说明卫星Sa俯仰角度大于前方建筑物Bn的俯仰角度, 接收机接收到的Sa卫星传输数据属于视距传播,精确度高。若cos(Ea) ≥ cos ( Ebn)则说明卫星Sa俯仰角度小于前方建筑物Bn的俯仰角度,接收机接收到的Sa卫星传输数据属于NLOS传播方式,精确度相对较低,此颗卫星提供的数据信息被筛掉,不参与下一步的组合导航。由于采用双目摄像头可以直接采集车体到前方建筑物距离信息,因此采用此方法计算量小,实时性好,能很好地满足实际工程需求。

经过视觉筛选后的GPS数据与INS采用松组合模式,状态变量取为15 维, 包括3 个相对平面坐标系的位置及速度误差、姿态角误差、加速度计偏差、陀螺漂移[7,8]。

其中F为系统状态转移矩阵,u为状态过程噪声向量。

组合导航数据融合采用松耦合方式, 取GPS/INS输出的位置和速度之差作为观测值,构造观测量。

3 实验分析

本文以无人驾驶智能车BJUT-IV为实验对象如图4所示。 BJUT-IV实验平台安装应用载波相位技术的差分GPS , 设备组为Flex Pak - G2 系列GPS接收处理机和PDL4535 数传电台及GPS - 702 - GG接收天线。将摄像机安装在导航车前端的支架上, 距离地面高度为1.73 m,与水平面平行,距车体中心约1 m。

BJUT - IV组合导航控制系统以Microsoft VS2008 为软件开发平台并引入Map X地图控件, 编写了导航与定位系统软件,利用此软件平台进行实验验证。

实车实验环境及周边环境情况如图5 所示, 试验路段为一段两侧有连续建筑物群遮挡的NLOS路段, 如下图所示。

BJUT - IV采用本文所提出的基于摄像头的组合导航系统, 重新定义坐标原点O于北纬39.871 9° , 东经116 . 478 9 ° ( 即图6 中N8 点为原点) 。实验中GPS / INS组合导航处理结果呈现于一台移动电脑上, 如图6 所示,视觉模块单独在一台移动电脑上运行,如图7 所示。

试验车辆严格按照试验道路中线以低于20 m/s的速度沿实验路线低速行驶5 次, 为未采用视觉筛选法GPS数据, 选取其中一次结果进行分析讨论, 如图8 所示,画圈部分未有较大偏差,究其原因,由于道路周围存在较高建筑物, 遮挡了部分GPS卫星信号, 导致其传播方式为NLOS, 即使采用跟踪强度较高平滑度较好的滤波算法仍造成定位精度下降,图8 中N6 到N7 段路线出现多处偏差甚至跳变,此种情况和前文分析周围建筑物群密集情况相符。

如图9 所示,采用本文提出的导航方法对GPS数据信号进行筛选后,依旧行驶在建筑物密集的N6 至N7 路段轨迹, 估计数据稳定准确, 且在其他有建筑物遮挡的路段均未发生大偏差。

4 结论

无人驾驶智能车行驶在城市道路上, 其配备导航系统容易受到连续建筑物群遮挡,进而造成接收机接收到的GPS信号为NLOS传播方式, 最终导致定位偏差甚至跳变的问题。本文提出的基于视觉筛选GPS信号的组合导航方法首先通过摄像头采集到的车体周围环境信息,处理得出周围建筑物与车体当前位置形成的遮挡角度,并与此时接收机接收到的GPS导航的卫星所处俯仰角进行对比, 若建筑物的遮挡角度大于卫星的俯仰角,则建筑物遮挡了部分卫星信号, 造成卫星信号非视距传播, 导致定位精度下降, 因此通过视觉模块对此类卫星信号进行剔除。将经过视觉模块筛选后的GPS卫星数据信息与惯导进行组合导航,从而最大限度降低由于建筑物群遮挡对车辆定位系统准确性造成的影响。实车实验表明,无人驾驶汽车采用本文提出的基于机器视觉筛选的组合导航系统,能在道路两侧存在连续建筑物遮挡的情况下, 保证定位信息不发生跳变, 与传统方法相比定位精度明显提高,满足了无人驾驶智能汽车在城市路况下导航需求,方法新颖且具有很高的工程实用价值。

摘要：针对无人驾驶智能车在城市道路环境中全球定位系统信号以非视距传播而造成伪距估计偏差,导致定位不准确的问题,提出了一种以视觉信息为筛选条件的组合导航方法。该系统通过摄像头采集到车体周围环境信息图像并处理,最终得到建筑物上隅角与下隅角的差值,换算出建筑物相对车体所形成的遮挡角度,以此筛选GPS卫星有效信息,采用容积卡尔曼滤波对组合导航信息进行滤波估计,提高导航信息准确性。实验证明,该系统能有效弥补无人驾驶智能车城市道路环境中GPS信号偏差的缺点,较传统组合方式相比具有较高的可靠性及实用价值。

关键词：组合导航,非视距传播,机器视觉,城市环境

参考文献

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[7]赵其杰,屠大维,高健,等.基于Kalman滤波的视觉预测目标跟踪及其应用[J].光学精密工程,2008(5):937-942.

GPS卫星导航系统篇8

1 北斗卫星导航系统服务

北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务, 包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务, 定位精度10 m, 测速精度0.2 m/s, 授时精度10 ns。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户, 提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。2011年12月27日起, 开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。中国以后生产定位服务设备的产商, 都将会提供对GPS和北斗系统的支持, 会提高定位的精确度。根据系统建设总体规划, 2012年左右, 系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力;2020年左右, 建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

2 北斗卫星导航系统特色

北斗导航终端与GPS、“伽利略”和“格洛纳斯”相比, 优势在于短信服务和导航结合, 增加了通讯功能;北斗系统用户终端具有双向报文通信功能, 可以达到一次传送多达120个汉字的信息。向全世界提供的服务都是免费的, 在提供无源定位导航和授时等服务时, 用户数量没有限制, 且与GPS兼容;北斗的用户终端实际是具有收发功能, 而GPS只具有接收功能, 它通过接收才知道位置, 而北斗是具有收发功能, 它的定位需要发射然后再得到位置, 同时它的位置可能传给你也可以传给关心你的人, 实际上北斗是具有一个定位和通信双重功能的设备。特别适合集团用户大范围监控与管理, 以及无依托地区数据采集用户数据传输应用。

3 其它三种导航系统简介

3.1 GPS

GPS是英文Global Positioning System (全球定位系统) 的简称。该系统包括太空中的24颗GPS卫星;地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机[3]。

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点, 是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进, 硬、软件的不断完善, 应用领域正在不断地开拓, 目前已遍及国民经济各种部门, 并开始逐步深入人们的日常生活。

3.2 伽利略

伽利略定位系统 (Galileo Positioning System) , 是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统。伽利略系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统, 投入运行后, 全球的用户将使用多制式的接收机, 获得更多的导航定位卫星的信号。

伽利略系统可以发送实时的高精度定位信息, 这是现有的卫星导航系统所没有的, 同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服务, 如果失败也能在几秒钟内通知客户。伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统, 因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。

3.3 格洛纳斯

格洛纳斯GL O N AS是“GL O B AL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。最早开发于苏联时期, 后由俄罗斯继续该计划。格洛纳斯的正式组网比GPS还早, 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服务, 更不要说和GPS竞争。到了21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-M和更现代化的格洛纳斯-K卫星更新星座。该系统在轨卫星群已有28颗卫星, 达到了设计水平[1]。随着地面设施的发展, 格洛纳斯系统预计将在2015年完全建成。届时, 其定位和导航误差范围将从目前的5~6 m缩小为1 m左右, 就精度而言该系统将处于全球领先地位。

4 未来发展

4.1 GPS独占鳌头

捷足先登是成功的第一步, GPS在这方面遥遥领先。GPS具有性能好、精度高、应用广的特点, 是迄今最好的导航定位系统。GPS能覆盖全球, 用户数量不受限制。其所发射的信号编码有精码与粗码。精码保密, 主要提供给本国和盟国的军事用户使用;粗码提供给本国民用和全世界使用。GPS系统能够连续、适时、隐蔽地定位, 用户不发射任何电磁信号, 只要接受卫星导航信号即可定位, 所以可全天候昼夜作业, 隐蔽性好。目前看, 还没有哪个系统能挑战GPS的霸主地位。

4.2 GLONASS不甘落后

随着俄罗斯经济的好转, 政府在政策和资金方面给予了GLONASS充分的支持。同时, 俄罗斯还要与各国开展广泛的军事政治合作和军事技术合作, 与欧盟、印度等国签署格洛纳斯卫星导航系统的使用协定, 把俄罗斯的卫星信号传播到世界各地, 争取与美国的GPS信号“平分秋色”。这是当前俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统的一个主要发展方向。

4.3 伽利略一波三折

伽利略卫星导航定位系统的建立原计划于2007年底之前完成, 2008年投入使用, 后因资金等问题推迟。2010年1月7日, 欧盟委员会称, 欧盟的伽利略定位系统将从2014年起投入运营。但是从目前来看, 伽利略卫星导航定位系统的发展仍然非常缓慢。

北斗二号横空出世, 不仅使欧洲伽利略系统准备与美国GPS一争高下的愿望大打折扣, 也冲淡了伽利略未来的市场前景。按照国际电信联盟通用的程序, 中国已经向该组织通报了准备使用的卫星发射频率, 这一频率正好是欧洲“伽利略”系统准备用于“公共管理服务”的频率。按照“谁先使用谁先得”的国际法原则, 中国和欧盟成了此频率的竞争者。然而, 中国在2009年发射三颗“北斗”二代卫星, 正式启用该频率, 而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐, 从而失去对频率的所有权。

4.4 北斗迎头赶上

我国卫星导航定位系统相对美、俄起步晚, 研究力量相对薄弱, 需要下大力气缩短这方面差距, 支撑北斗系统可持续发展。目前北斗卫星设计已经达到国外导航卫星水平, 在未来发展中要不断自主创新, 争取在国际导航卫星研制领域处于领先地位。兼容互操作是全球卫星导航定位系统主要供应商达成的共识, 我们也要致力于推进全球卫星导航定位系统兼容互操作进程。

面向未来, 卫星导航系统需要持续的发展建设, 以满足用户更高的使用要求, 需要国家持续的经费投入、人才培养、产业推广, 以确保我国北斗卫星导航系统在未来发展与国际竞争中处于不败之地。

摘要：本文主要介绍了北斗、GPS、伽利略、格洛纳斯四种卫星导航系统的各自特点及主要应用。

关键词：GNSS,GPS,北斗,伽利略,格洛纳斯

参考文献

[1]柴霖.GLONASS的最新进展及可用性分析[J].电讯技术, 2007 (4) .

[2]刘基余.GNSS全球导航卫星系统的新发展[J].遥测遥控, 2010 (2) .

惯性/卫星组合导航系统篇9

关键词：导航,惯性,GPS,组合

1 惯性导航和卫星导航的发展

上个世纪50年代, 麻省理工学院 (MIT) 开发出第一套飞机使用的惯性导航系统, 此系统通过测量飞行器的惯性加速度, 并自动进行导航计算, 获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据, 不受外界的环境影响即可测量并提供所有的导航资料, 包括载体的精确位置、对地速度、姿态与航向等, 提供给飞行员参考。

到60年代, 美国海军开发出一套TRANSIT导航卫星供舰船即潜艇定位使用, 70年代美国空军开始研究开发一种三维空间的精确卫星导航系统;1973年美国国防导航卫星部门联合海军的新实验系统与空军的“Program 621B”计划成果, 扩大成为一种更迅速、更精确的GPS (Global Positioning System) 全球卫星定位系统。

2 INS及GPS基本原理

2.1 INS基本原理

2.1.1 系统组成

惯性导航系统通常由惯性测量装置、导航计算机、控制显示器等部分组成, 惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪, 又称惯性导航组合。三个自由度陀螺仪用来测量飞行器的单个转动运动;三个加速度计用来测量飞行器的三个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号积分计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数, 还可以进行必要的控制操作, 如输入初始数据等。

2.1.2 系统分类

按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式, 惯性导航系统分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。

在平台式系统中, 加速度计及陀螺仪均置放于同一物理参考平台上, 利用陀螺通过伺服电机驱动稳定平台, 使其始终仿真一个空间直角坐标系, 而敏感轴始终位于该坐标系三轴方向上的三个加速度计, 就可以测得三轴方向上的加速度值, 维持系统其测量及导航的运算。平台式系统比较精确, 而且容易校正 (不需执行坐标转换, 利用地球重力场可自动对北校正) , 但是其结构比较大、重、成本高且可靠性差。

至于捷联式系统, 传感器是直接安装在载机上, 惯性原件的敏感轴安置在所谓的载机坐标系三轴方向上, 运动过程中, 陀螺测定载机相对于惯性坐标系的运动角速度, 并由此计算载机坐标系至导航坐标系的坐标变换矩阵, 以便能在惯性坐标系中完成导航运算, 由于捷联式系统省去惯性参考平台, 所以结构简单、体积小、维护方便, 可靠性高并且成本大大降低。

2.1.3 误差分析

在惯性导航系统内, 对于系统精确度及特性的评估, 一般而言均存在有大量的误差源, 例如:主要为与陀螺仪及加速度计品质相关的角速度漂移率误差及灵敏度偏差, 其它如重力场变化、起始位置、初始方位输入值、安装误差及随机误差等。额外的误差则来自于导航系统的结算、校正等, 当然系统本身的品质, 因价格的不同, 仍有很大的差异。在没有补偿的情况下, 所有惯性导航系统误差均会随时间而改变, 而一些误差 (如位置等) 则会随时间增加而发散, 其它则会受到限制而产生震荡。因此惯性导航的精确度与传感器品质、导航系统机构及载机动态等等有很大的关系。

2.2 GPS基本原理

2.2.1 系统组成

整个GPS系统结构可分为三大部分 (卫星导航系统结构基本相同)

(1) 太空部分。主要是卫星本体及卫星群, 太空中总共有24颗 (21颗正式运行, 3颗备份) , 分布在6个离地20200公里的轨道上, 每一条轨道相互成55度倾角, 一条轨道上配置四颗卫星, 周期约12小时, 经此安排, 在地球上任何时间、地点均可看到四颗卫星, 作为三维空间定位使用。

(2) 地面监控部分。有五个监测站及三个雷达通讯站, 分布在全球自由地区。这些监测到的卫星资料, 立即送到美国科罗拉多州的主控中心, 经高速计算机算出每颗卫星轨道参数、修正指令等, 将此结果经由雷达上连接到轨道上的卫星上。使卫星保持精确的状态, 作为载体导航的依据。

(3) 用户接收机。用户的装备很简单, 包括一个频带天线、资料处理单元、显示组件及按键单元, 只要天线不被干扰或遮蔽, 同时能收到三颗以上卫星信号, 就可显示经纬度坐标位置。

2.2.2 导航原理

卫星环绕地球运行, 不管它是椭圆形轨道、圆形轨道或是同步轨道, 它始终以一定周期, 周而复始的飞驰。卫星与地心的距离为已知, 如果我们能测量出飞行器与卫星的直线距离, 则飞行器对地球的坐标关系, 就可反推算出来, 获得定位导航资料。GPS基本工作原理是三角测距法, 采用多星、高轨、测距体制, 以距离作为基本关测量。

用户GPS接收机同时接收三颗卫星的信号, 可以计算出用户GPS接收机所在的三维空间位置;同时, 利用对在测量时间内获得的距离进行时间微分, 根据线性速度与多普勒频率的关系, 用户GPS接收机可测量出卫星的多普勒频率, 从而计算出自身的运动速度。由于用户接收机的时钟基准, 相对于GPS的原子钟基准存在误差, 为了确定用户GPS接收机所在的三维位置并对其时钟误差进行校准, 必须至少同时跟踪接收GPS导航星座中的四颗卫星的信号, 才能完成导航计算任务。

测量距离最常用的方法就是无线电波传送时间乘以光速, 然而, 用时间来标定起始点, 容易受外界干扰, 精度差。另一种方式, 就是计算卫星到天线的波长数, 从相位关系来结算它的精确度, 因此波长不变, 所以它的准确度可以达到厘米级水平, 这种方式称为“载波相位测量”。但在接收机追踪GPS卫星时, 有时会因为下列原因脱锁:主要是载体或外界物体阻挡信号、地形或环境减弱信号、来自外部传输部件的干扰或飞行姿态等。

GPS导航系统能够对经授权的用户提供精确的三维空间位置、速度及时间, GPS系统的使用范围广泛, 又不受天气影响, 且接收机价格低廉、尺寸小、重量轻、功率需求小又具有高可靠性, 所以GPS是值得推广应用与导航系统的。

2.3 GPS/INS组合原理

在单独应用的情况下, INS可以在短时间载体高机动情况下提供连续的精确辅助数据, 而GPS则是在长时间情况下提供离散且精确的辅助数据, 换句话说就是在短时间与即时的情况下, INS拥有比GPS更小的误差, 但长时间使用时, 就必须通过GPS离散的测量数值来提供修正, 才可达到精确导航的目的。从整体看, 只有GPS和INS结合在一期, 才能获得十全十美的导航系统。

GPS/INS两者组合的关键器件, 是作为两者的接口并起数据融合作用的卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波技术是由R.C.卡尔曼和R.S.布西于20世纪60年代初期, 为满足应用高速数字式计算机进行人造地球卫星轨道和导航等计算要求, 而提出的一类新的线性滤波的模型和方法, 通称为卡尔曼滤波。采用卡尔曼滤波器, 可以将惯导系统的误差、陀螺的随机漂移、加速度计的误差, 作为状态变量列出离散化的状态方程, 建立描述系统的统计数学模型, 然后用该状态方程和测量方程共同描述卫星定位/惯性导航 (GPS/INS) 组合系统的动态特性, 由滤波方程经数据处理, 给出系统状态变量的最优估值, 控制器根据这些误差的最优估值对惯导系统进行校正综合, 使组合系统的导航定位误差为最小, 由于卡尔曼滤波器是一种具有无偏性的递推线性最小方差估计, 即其估计误差的均值或其数学期望为零。

卡尔曼滤波作为对随机信号作估计的算法之一, 是以状态空间技术发展的一种递推式滤波算法, 该算法的优点是不要求保留储存过去的测量数据, 当新的数据测得之后, 根据新的数据和前一时刻的状态参数估计值, 籍由系统本身的状态方程, 即可算出新的状态参数估计值, 所得估计在线性估计中精度最佳。

组合系统中拥有一套卡尔曼滤波器, 可以处理通过GPS得到的位置及速度的测量值, 估算出GPS测量值与INS真实值之间的误差, 并用来将最后结果以反馈方式来修正INS, 以提供精确的导航数值。

3 结束语

北斗卫星导航系统发展之路篇10

一、竞相发展的全球卫星导航系统

近40多年来，全球卫星导航系统竞相发展，呈现出GPS一路领先，GLONASS曲折前进，北斗分步迈进、伽利略踯躅前行的态势。导航卫星在轨数量逐步增加，服务性能稳步提升，应用领域日益扩展，成为人类社会不可或缺的空间信息基础设施。

系统状态：4大系统卫星在轨数量情况

GPS系统建成后，卫星数量相对稳定；GLONASS建成后由于各种原因，数量急剧下降，近年来，卫星数逐步增加；北斗系统2000年开始，发星、试验、组网；伽利略系统2005年开始，发星试验。根据计划，2020年左右，4大全球系统的卫星数量都将达到30颗以上。

服务性能：导航信号发展情况、空间信号精度提升情况

为提升服务性能和导航战能力，2005年后，GPS增加了新的导航信号。为促进应用，GLONASS新增了民用导航信号。为加强兼容互操作，北斗和伽利略系统对信号进行了适应性调整。在空间信号精度方面，GPS自2001年、GLONASS自2007年底得到大幅提升。

应用：卫星导航应用增长情况

近30年来，卫星导航从最初服务于军事需求，逐步扩展到各个专业应用领域和大众消费市场。近年来，卫星导航服务性能，特别是精度的提高，使导航应用得到了爆发式增长，导航终端销量激增，全球产值大幅提高。

二、北斗对中国的贡献

建成试验系统，实现从无到有。2000年，我国发射了两颗北斗导航试验卫星，建成了北斗卫星导航试验系统，解决了卫星导航系统的有无问题。

星箭组批生产，启动组网发射。2004年，启动了北斗卫星导航系统建设，首次开始批量研制生产卫星和运载火箭，密集组网发射，探索航天工业新的发展模式。

关键技术攻关，致力持续发展。通过技术攻关和工程实践，攻克了星载原子钟、高精度星地时间比对、监测接收机和用户终端等多项关键技术，为北斗建设和可持续发展奠定了基础。

发挥系统特色，应用初见成效。由于具有导航通信相结合的服务特色，试验系统经过几年发展，逐步被国内用户认可，在渔业、交通、电力和国家安全等诸多领域得到了应用。特别是在汶川、玉树抗震救灾中发挥了重要作用。

培育人才队伍，奠定发展基础。经过十几年来的工程实践，大量的工程管理和技术人员得到了锻炼，同时，还培养了一批系统应用方面的人才，为系统的未来发展提供了保障。

三、北斗对世界的贡献

新增导航频率资源，开辟新的发展空间。2000年，与有关国家和组织密切合作，争取到了新的卫星导航频率资源。世界各主要卫星导航系统部使用或将使用该频段提供服务，为系统发展和应用开辟了新的空间。

促进全球竞争合作，推动系统共同发展。2007年，北斗卫星导航系统成为I CG(全球导航卫星系统国际委员会)确定的全球系统核心供应商之一。北斗系统的建设，促进了全球卫星导航领域的竞争合作，推动了全球卫星导航系统的发展。

世界卫星导航系统的竞争是不争的事实，竞争的焦点是竞相发展自主的更高性能、更加可靠、更高效益的卫星导航系统。我国决心建设北斗卫星导航系统，既有历史机遇，也有现实挑战。

挑战一：建设高性能的北斗卫星导航系统

系统间的竞争实质上是技术上的角力，而系统性能是竞争的核心。最近有文章提到，4大系统的竞争，将是一场世界大赛，领先者将占据主导，落后者将被边缘化。这并非危言耸听，而是卫星导航系统全球化竞争下的残酷现实。

建设高性能的北斗卫星导航系统，核心是拥有一套富有特色、拥有自主知识产权的新体制、新方案，包含多项关键技术。

挑战二：建设高可靠的北斗卫星导航系统

用户享受定位导航授时服务，就像我们使用水和电一样，不能中断。航空使用关乎生命安全，电力、通信、金融使用关乎经济社会安全，大众使用关乎公共安全。一个承诺提供可靠服务的卫星导航系统，要采取各种可靠性措施来保障。如果卫星可靠性不高，则系统频繁补星带来高额的运行维护费用，即使一个经济大国也难以承受。必须在研制建设阶段，就将系统可靠性摆在重要位置，将建设和运行统筹，以求系统可靠高效。

建设高可靠的北斗卫星导航系统，核心是实现与世界其他全球卫星导航系统同等甚至更优的可用性、连续性和完好性的系统指标，这将是我国航天史上一项系统极为复杂、规模庞大的可靠性工程。例如：

系统可靠性设计——提高系统可靠性的关键在于设计。我们的航天工程，从试验卫星到应用卫星，从单星系统到多星组网系统，不仅是系统复杂度的提高，更主要的是可靠性要求的大幅提升。从经验教训中，我们越来越认识到，可靠性设计水平是系统可靠性的决定性因素。而提升可靠性设计水平，需要我们在观念上、体制上和方法上有质的突破。实现北斗系统的可靠性目标，需要在基础研究、方法培训和工程实践中加大投入力度，需要更多的专业人才付出巨大的努力。

星箭批产和高密度发射——建成全球卫星导航系统，我们要用1 0年左右的时间研制、生产、发射50多颗导航卫星，这是一项非常艰巨的任务。因此，我们必须解决星箭批量生产的问题，必须解决高密度发射的问题。

大型复杂星座控制与管理——北斗系统的空间段将由30多颗不同轨道类型的卫星组成，地面段由测控网、主控站、注入站和数量众多的监测站组成。我们对这样一个星地一体的卫星网络的管控，没有多少经验。我们需要在技术、管理上深入研究探索，尽早形成能力。

挑战三：发展高效益的北斗卫星导航系统

我国卫星导航市场的竞争力受限于我们的发展阶段，相比国外产业进入成熟期，我们还处在成长期。这一差别本身不是挑战，真正的挑战是弥补这一差距的机制。

发展高效益的北斗卫星导航系统，核心是在国外系统竞争的情况下，在较短日寸间内完成北斗在国家经济安全领域的推广应用和在大众市场的迅速扩展。主要挑战有：

核心自主知识产权的接收机芯片一自主知识产权的挑战是不言而喻的。目前，在卫星导航芯片这一核心技术领域，我们的专利还寥寥无几，而国外厂商仅基带芯片已拥有2000多项专利。我们完全有理由担忧，在不远的将来，会不会出现又一个“有机无芯”的产业。解决这一问题，十分紧迫，需要创造更好的机制，鼓励在基础研究、产品开发等方面自主创新，掌握核心技术，保护自主知识产权，

提高核心竞争力。

有竞争力的应用解决方案和规模推广策略——目前，GPS已占据我国卫星导航应用绝大部分市场，在这种情况下，北斗系统产业化面临巨大挑战。我国拥有全球卫星导航应用的最大市场，紧紧抓住应用的基础市场，充分发挥北斗服务特色，创造性地提出应用解决方案和规模化推广策略，是北斗系统应用推广和产业化的关键。

面临的历史机遇：

国家战略需求迫切：卫星导航系统是国家重要的空间信息基础设施。保障国家安全、转变经济发展方式、促进国家信息化建设、培育战略性新兴产业，是全球卫星导航系统最有力的需求牵引。

国家经济实力保障：卫星导航系统的建设和发展需要国家巨额投入。目前，随着经济实力不断增强，国家为建设自主系统提供了经费保障。

实施导航重大专项：国家已批准实施北斗卫星导航系统重大科技专项。在政策扶持、资金投入、组织管理等方面予以有力支撑，更加凸显了其国家行为。

把握机遇，迎接挑战，实现“质量、安全、应用、效益”的目标，需要创新组织管理模式，建立科学的竞争、激励、监督、评价机制，关注政策、标准、人才、合作、文化、知识产权等。

世界卫星导航愿景中的北斗

未来1 0年，全球将出现4大卫星导航系统共存互补的局面，天上将会有100多颗导航卫星。用户将享有更低成本、更高精度、更加可靠、更加多样的定位导航授时服务，卫星导航将以更大的规模，应用在更广泛的领域。作为其中的一员，独具中国特色的北斗系统将发挥重要作用。

一、中国特色的北斗

2020年前，建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统，达到国际一流水准，并具有中国特色。

发展策略：突出区域、面向全球