GPS理論與應用第一章緒論導航的基本概念導航系統的技術指標與分類無線電導航定位GPS的特點、組成與應用北斗衛星和其它導航衛星GIS技術

31.導航的基本概念導航的定義：引導人、或者平臺(飛機、艦船、車輛等載體)，準確地沿著所選定的路線，按照規定的時間到達目的地。

導航的基本任務：

Who:載體或個人

When:時間

Where:位置----線路、精度

4導航的實例磁針的北極指向地理的南極，利用這一性能可以辨別方向。判別方位的簡單儀器，常用于航海、測量、旅行及軍事。司南（磁羅盤）指南針

5導航的實例飛機導航：確定所在地與目的地，選擇航線、確定距離、安排時間表。

飛機導航的任務：使飛機遵照事先安排的時間表，沿著所選定的航線，在某一方向上(航向)、以一定的速度飛行。

6飛機導航航向角HX：由飛機所在位置的經線北端順時針測量到航向線的角度。空速V：是發動機推動飛機相對于空氣的運動速度。風速U：是空氣流動速度。地速W：飛機在地面上的投影點的移動速度。

7飛機導航地速方向和機頭朝向一致。無側風時的飛行路線

8飛機導航航跡角HJ：從經線北端順時針量到航跡去向的角度。偏流角PL：航向線與航跡線之間的夾角。有側風時的飛行路線

9飛機導航

10引導環航向和航速環控制環飛機導航

11導航的功能按傳統的觀點，導航系統就是定位系統。

極高的飛行速度：航向和距離

交通密度增加：需要連續的、實時的駕駛信息提供航行中的位置、方向、距離和速度等導航參量。導航的研究：就是要弄清楚導航參量的測量和運用。

導航的實踐：就是運用導航參量來保證載體安全而有效地航行。

122.導航系統的分類與技術指標觀測導航航標方法，比如目視方法，就是借助信標或參照物實現導航。簡單、可靠，比如飛機進場著陸；航標法飛行：以地面參照物作為路標，即目視飛行，飛行員入門課程；缺點：沒有導航儀器，飛得慢又飛得低，能見度低、難以辨認標志；在海洋、沙漠中等無航標地區無法導航。

13推算導航根據載體的運動方向和所航行的距離(或速度、時間)的測量，從過去已知的位置來推算當前位置，或預測將來位置，從而得到運動軌跡。它克服了觀測導航的缺點，不受天氣、地理條件的限制。隨著航行時間和航行距離的增長，位置積累誤差越來越大，需進行位置校準，比如慣性導航。導航系統的分類

14天文導航天空中的星體(太陽、月亮、其他行星、恒星等)相對于地球有一定的相對運動軌道和位置。通過觀測多個星體的位置參數，來確定觀測者在地球上的位置。廣泛應用于航空、航天。與推算導航一樣，不需要地面支撐設施，可用來校正推算導航的積累誤差。缺點：受時間、氣象條件限制，定位時間長，計算復雜。導航系統的分類

15無線電導航

通過測量無線電波從導航發射臺到載體接收機的傳輸時間來定位。陸基無線電導航：導航臺位于地面

衛星無線電導航：導航臺設在衛星上不受時間、天氣的限制，設備簡單、可靠；精度高，定位時間短，可以連續實時地定位。導航系統的分類

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自主式導航系統：由載體設備直接產生導航信息。前面三種方法都屬于自主式。具有保密性強，安全，不易干擾的優點。

它備式導航系統：通過導航臺發布導航信息，載體上的設備接收導航信息實現導航定位。無線電導航屬于它備式。必須要輻射和接收無線電波，易被發現和干擾。導航系統的分類

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精度：導航系統為載體所提供的位置與載體當時的真實位置之間的重合度。導航誤差是隨機變量，通常采用定位誤差不超過一個數值的概率來描述。

2σ表示每次測量結果有95%的可能性其誤差小于等于這個值。3σ對應99%的可能性。比如：1m(2σ)

ppm(partpermillion)百萬分之...(相對于基線)導航系統的技術指標

182DRMS表示距離誤差均方根值。CEP(圓概率誤差)表示一個以載體真實位置為圓心的圓的半徑，每次測量結果有50%的可能性其誤差落在這個圓內，即相當于有50%的置信度。比如：1m(CEP)

±2m+5ppm(2DRMS)通常，2DRMS值是CEP的2.5倍左右。導航系統的技術指標

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覆蓋范圍：指在一個面積或立體空間內，導航系統可以規定的精度確定載體位置。受幾何關系、發射信號功率、接收機靈敏度、傳播環境等影響。北斗一代是覆蓋我國本土的區域導航系統。覆蓋范圍東經約70－140度,北緯5-55度。北斗二代覆蓋亞太地區。

GPS覆蓋全球。導航系統的技術指標

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連續性：導航系統可連續提供導航服務的能力。

可用性：導航系統為載體提供可用的導航服務的時間的百分比。可靠性：導航系統在給定的使用條件下在規定的時間內以規定的性能完成其功能的概率。平均無故障時間(MTBF)：表明系統發生故障的頻度。導航系統的技術指標

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信息更新率：導航系統在單位時間內提供定位或其他導航數據的次數。單位Hz。比如：信息更新率10Hz，每秒10次對更新率的要求與載體的航行速度和所執行的任務有關系。要求信息更新率與載體操作速度相當，或者與載體運動速度相當。導航系統的技術指標

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系統容量：指導航系統可以同時供多少載體使用的能力。無限系統容量和有限系統容量兩種。比如：GPS系統是無限容量北斗一代是有限容量。導航系統的技術指標

23全球覆蓋，容量無限絕對準確度和相對準確度都必須很高準確度應不受環境影響實時反應，可隨運動而連續變動無多值解系統穩定無故障，體積、重量和電源消耗都要小。導航系統的技術指標

243.無線電導航定位通過電磁波的發射、接收和處理，無線電導航設備能夠測量出所在載體相對于導航臺的方向、距離、距離差和速度等導航參量。ρ-θ定位θ-θ定位雙曲線定位距離交會定位

25ρ-θ定位利用測距系統的圓形位置線與測向系統的直線位置線相交的方法，可以確定接收點的具體位置M，也稱為極坐標定位。

氣象雷達塔康系統(TacticalAirNavigationSystem,TACAN)

26θ-θ定位通過測定對于兩個導航臺的方位，可以獲得兩條徑向直線，從而通過這兩條直線的交點可確定飛機的位置。

伏爾系統(VeryHighFrequencyOmnidirectionalRanging,VOR)

27雙曲線定位通過測量到一組導航臺的距離差，可以得到一組雙曲線；同時測量到另一組導航臺的距離差，又可以得到另一組雙曲線。利用這兩組雙曲線的交點，即可確定飛機的位置。

羅蘭

(Longrangenavigation,Loran)

28距離交會定位利用2個或3個測距臺，即可進行ρ-ρ或ρ-ρ-ρ定位。

29常用航空無線電導航系統無線電高度表（RA）自動定向機（ADF）甚高頻全向信標(VOR)測距機(DME)儀表著陸系統(ILS)微波著陸系統(MLS)

空中交通管制(ATC)系統精密進近雷達(PAR)

氣象雷達（WXR）羅蘭(LORAN)系統多卜勒導航雷達(Transit，CICADA)塔康(TACAN)系統全球定位系統(GPS)全球導航衛星系統（GLONASS）北斗（Compass)系統

304.GPS的特點與組成GPS——GlobalPositioningSystemGPS是美國研制的新一代衛星導航定位系統，可向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。

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1957年，世界上第一顆人造地球衛星發射成功1958年，美國海軍武器實驗室開始建立“海軍導航衛星系統”（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）多普勒衛星定位系統，也稱“子午(Transit)衛星系統”。1964年系統建成啟用。該系統不受氣象條件的限制，自動化程度高，具有良好的定位精度。NNSS是低軌道衛星，雙曲線定位，1000公里，定位速度1至2天，精度3至5米，難以滿足導航要求。GPS的發展

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1969年，為滿足軍事和民用對連續實時和三維導航的迫切要求，美國國防部開始組織陸海空三軍，共同研究建立新一代衛星導航系統的計劃；1973年，由GPS聯合計劃辦公室制定了NAVSTARGPS計劃，簡稱GPS。

NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem,NAVSTARGPS導航衛星授時測距/全球定位系統GPS的發展

331973-1978年：方案論證階段，發射了4顆衛星1979-1989年：系統論證階段，發射了7顆衛星1990-1999年：建成實驗階段，1993年滿24顆，

1995年達到預定工作能力2000-2030年：改進更新階段GPS的實施計劃

34GPS定位系統由三個部分組成：GPS衛星星座（空間部分）地面監控系統（地面控制部分）GPS信號接收機（用戶設備部分）GPS的組成

35空間部分：

提供星歷和時間信息

發射偽距和載波信號

提供其它輔助信息用戶部分：

接收并測定衛星信號

記錄原始數據

得到導航定位信息地面控制部分：

解算中心控制參數

實現時間同步

跟蹤衛星并進行定軌GPS的組成

36GPS的特點軌道面相對地球赤道面的傾角為55°，各軌道平面升交點赤經相差60°。同一測站上每天出現衛星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛星每天約有5小時在地平線以上，位于地平線以上的衛星數目隨時間地點而異，最少4顆，最多達11顆。

37GPS的測量精度

38全球性連續覆蓋，全天候工作定位精度高觀測時間短測站間無需通視可提供三維坐標操作簡便GPS的優點

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SPS與PPS