测量与传感器5位置确定2课时.ppt

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1、5.位置的确定：位置的确定：6.航向测量系统给出飞机在大气空间相对于某一基准线的方位角，也就航向测量系统给出飞机在大气空间相对于某一基准线的方位角，也就是指明了其是指明了其飞行的方向飞行的方向，现在面临的是，现在面临的是如何给出其在地球坐标系中的位置如何给出其在地球坐标系中的位置？7.在在GPS卫星定位导航系统发明之前，飞机是如何进行飞行位置的确定卫星定位导航系统发明之前，飞机是如何进行飞行位置的确定呢？呢？p飞机航向飞机航向+导航地图导航地图+地标；地标；p无线电；无线电；p地面引导；地面引导；p雷达。雷达。12/7/202225.位置的确定：位置的确定：p时间：时间：1988年年7月月11

2、日；日；p机型：机型：Tupolev-154M/B2603；p公司：中国新疆航空公司；公司：中国新疆航空公司；p航线：乌鲁木齐广州上海。航线：乌鲁木齐广州上海。飞机进入湖北、安徽、江西三省交界区域，由于遇雷雨区，飞机作机动飞飞机进入湖北、安徽、江西三省交界区域，由于遇雷雨区，飞机作机动飞行，离开正常航路，进行绕飞行，离开正常航路，进行绕飞。之后由于航向仪故障，无法确定飞机飞行方。之后由于航向仪故障，无法确定飞机飞行方向，导致无法进入正确航道，途中遇飞机燃油报警。再因向，导致无法进入正确航道，途中遇飞机燃油报警。再因地面雷达设备的落地面雷达设备的落后，无法给出飞机准确位置后，无法给出飞机准确位置

3、。飞行员只能降低飞机高度。飞行员只能降低飞机高度寻找地标寻找地标，但天气条，但天气条件不好，风险极大！这时，地面导航人员终于报告飞机较为准确位置，并引件不好，风险极大！这时，地面导航人员终于报告飞机较为准确位置，并引导飞机改变航向飞向南昌机场。同时，飞行员发现附近有一简易机场，考虑导飞机改变航向飞向南昌机场。同时，飞行员发现附近有一简易机场，考虑到到备降燃油不足备降燃油不足，飞行员决定就地降落。，飞行员决定就地降落。此机场为一军用机场，此机场为一军用机场，1972年废弃，跑道长年废弃，跑道长1250米，宽米，宽50米，砂石土质结米，砂石土质结构，现扩建为民航庐山机场。构，现扩建为民航庐山机场。

4、虽然空中能迷路，不过开战机出身的飞行员技术上确实不含糊，在如此虽然空中能迷路，不过开战机出身的飞行员技术上确实不含糊，在如此复杂环境、天气状况、能见度差的情况下，完全没有地面设备辅助，成功迫复杂环境、天气状况、能见度差的情况下，完全没有地面设备辅助，成功迫降十里堡机场，降十里堡机场，162名中外旅客及名中外旅客及11名机组人员全部安全。名机组人员全部安全。12/7/202235.位置的确定：位置的确定：定位：定位：所谓定位就是通过所谓定位就是通过测定飞机到地面上的两个已知其精确位置的导航台的测定飞机到地面上的两个已知其精确位置的导航台的距离距离，或，或利用测定到一个导航台的距离和方位角利用测定

5、到一个导航台的距离和方位角，来确定飞机的位置。，来确定飞机的位置。12/7/202245.位置的确定：位置的确定：定位：定位：无线电导航是利用无线电保障运载工具安全、准时地从一地航行到另一无线电导航是利用无线电保障运载工具安全、准时地从一地航行到另一地的技术和方法。地的技术和方法。导航和定位密切相关导航和定位密切相关，连续定位实质上就是导航连续定位实质上就是导航。p发展历史发展历史：20世纪世纪2030年代，无线电测向是航海和航空仅有的一种导航手段，而且年代，无线电测向是航海和航空仅有的一种导航手段，而且一直沿用至今，一直沿用至今，不过它后来已成为一种辅助手段不过它后来已成为一种辅助手段。第二

6、次世界大战期间，无。第二次世界大战期间，无线电导航技术迅速发展，出现了各种导航系统。线电导航技术迅速发展，出现了各种导航系统。雷达雷达也开始在舰船和飞机上也开始在舰船和飞机上用作导航手段。飞机着陆开始使用用作导航手段。飞机着陆开始使用雷达和仪表着陆系统雷达和仪表着陆系统。60年代出现年代出现子午仪子午仪卫星导航系统卫星导航系统。70年代年代微波着陆引导系统微波着陆引导系统研制成功。研制成功。80年代，同步测距全球年代，同步测距全球定位系统研制成功。定位系统研制成功。12/7/202255.位置的确定：位置的确定：定位：定位：p 基本特性基本特性：无线电导航主要利用电磁波传播的无线电导航主要利用

7、电磁波传播的基本特性基本特性：电磁波在在均匀理想媒质中，：电磁波在在均匀理想媒质中，沿直线（或最短路径）传播沿直线（或最短路径）传播；电磁波在自由空间的；电磁波在自由空间的传播速度是恒定的传播速度是恒定的；电磁；电磁波在传播路线上遇到障碍物或在不连续媒质的界面上时波在传播路线上遇到障碍物或在不连续媒质的界面上时会发生反射会发生反射。无线电导航就是利用上述特性：无线电导航就是利用上述特性：通过无线电波的接收、发射和处理，导航设备能测量出所在载体相对于导航通过无线电波的接收、发射和处理，导航设备能测量出所在载体相对于导航台的台的方向、距离、距离差、速度方向、距离、距离差、速度等导航参量（几何参量）

8、；等导航参量（几何参量）；通过测量无线电导航台发射信号通过测量无线电导航台发射信号(无线电电磁波无线电电磁波)的时间、相位、幅度、频率参的时间、相位、幅度、频率参量，可确定运动载体相对于导航台的量，可确定运动载体相对于导航台的方位、距离和距离差等方位、距离和距离差等几何参量，从而几何参量，从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此实现对运动载体的定位和确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此实现对运动载体的定位和导航。导航。12/7/202265.位置的确定：位置的确定：无线电测高和雷达测高：无线电测高和雷达测高：飞行高度是飞机的重要飞行参数，前面介绍的是利用飞行高度是飞机的重要飞行

9、参数，前面介绍的是利用大气静压大气静压随高度升随高度升高而减小的规律进行飞行高度测量的方法，这一方法具有普遍性。但对于精高而减小的规律进行飞行高度测量的方法，这一方法具有普遍性。但对于精度要求较高的场合，该方法是不能保证的。度要求较高的场合，该方法是不能保证的。无线电测高和雷达测高是利用无线电波的无线电测高和雷达测高是利用无线电波的反射特性反射特性 进行飞行高度测量的进行飞行高度测量的方法。方法。12/7/202275.位置的确定：位置的确定：无线电测距：无线电测距：无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的恒速恒速

10、直线传播特性直线传播特性。p分类分类：a)脉冲测距脉冲测距（直接测量方法）：（直接测量方法）：b)相位测距（间接测量方法）；相位测距（间接测量方法）；c)频率测距（间接测量方法）。频率测距（间接测量方法）。12/7/202285.位置的确定：位置的确定：无线电测距：无线电测距：无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的恒速恒速直线传播特性直线传播特性。p分类分类：a)脉冲测距脉冲测距：ABD12/7/202295.位置的确定：位置的确定：无线电测距：无线电测距：无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线

11、电的无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的恒速恒速直线传播特性直线传播特性。p分类分类：b)相位和频率测距相位和频率测距:c)用一种连续波（无线电波，精密光波测距仪采用光波）作为用一种连续波（无线电波，精密光波测距仪采用光波）作为“运输工运输工具具”（称为载波），通过一个调制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化（称为载波），通过一个调制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化。测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相做周期性变化。测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传播时间位变化，间接地确定传播时间t，进而求得待测距离

12、，进而求得待测距离D。12/7/2022105.位置的确定：位置的确定：无线电测距：无线电测距：无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的恒速恒速直线传播特性直线传播特性。p脉冲测距之脉冲测距之独立定时器独立定时器测距测距：a)要求要求t10=t20；b)脉冲频率要精确相等；脉冲频率要精确相等；c)要求回报！要求回报！12/7/2022115.位置的确定：位置的确定：无线电测距：无线电测距：无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的恒速恒速

13、直线传播特性直线传播特性。p脉冲测距之脉冲测距之无源反射式无源反射式测距测距：a)发射机功率要大；发射机功率要大；b)接收机灵敏度要高；接收机灵敏度要高；c)雷达运行的基本方式。雷达运行的基本方式。12/7/2022125.位置的确定：位置的确定：无线电测距：无线电测距：无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的无线电测距，即用无线电的方法测量距离，基本原理是利用无线电的恒速恒速直线传播特性直线传播特性。p脉冲测距之脉冲测距之询问问答式询问问答式测距测距：a)应用范围较广；应用范围较广；b)雷达监测回馈系统常用的方式。雷达监测回馈系统常用的方式。12/7/2022135.位置

14、的确定：位置的确定：卫星定位：卫星定位：卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，的一种导航技术，基本模式还是采用基本模式还是采用无线电波无线电波。p 工作原理工作原理：导航卫星位于高空轨道，作有规律运动，其位置在每时每刻都是导航卫星位于高空轨道，作有规律运动，其位置在每时每刻都是精确确精确确定定的。当具有无线电接收机时，可接收卫星发出的无线电导航信号，通过的。当具有无线电接收机时，可接收卫星发出的无线电导航信号，通过时时间测距间测距或者或者多普勒测速多普勒测速便可分别获得接收机相对于卫星的便可分

15、别获得接收机相对于卫星的距离及速度距离及速度等导航等导航参数；并根据卫星发送的时间、轨道等参数便可直到是哪一颗卫星是信号源，参数；并根据卫星发送的时间、轨道等参数便可直到是哪一颗卫星是信号源，从而解算出从而解算出接收机的坐标接收机的坐标。一般来说，卫星的位置精确可知，在观测中，我们可得到卫星到接收机一般来说，卫星的位置精确可知，在观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成颗卫星，就可以组成3个方程式，个方程式，解出解出观测点的位置观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实考虑到卫星的

16、时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有际上有4个未知数，个未知数，X、Y、Z和和钟差钟差，因而需要引入第，因而需要引入第4颗卫星，形成颗卫星，形成4个方程个方程式进行求解，从而得到观测点的式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。位，从而提高精度。12/7/2022145.位置的确定：位置的确定：卫星定位：卫星

17、定位：卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，的一种导航技术，基本模式还是采用基本模式还是采用无线电波无线电波。p 主要卫星定位系统主要卫星定位系统：a)中国北斗卫星导航系统；中国北斗卫星导航系统；b)美国美国GPS(Global Positioning System)全球定位系统；全球定位系统；c)俄罗斯俄罗斯GLONASS(Global Navigation Satellite System)卫星导航系统；卫星导航系统；d)欧盟伽利略卫星导航系统欧盟伽利略卫星导航系统。12/7/202215

18、5.位置的确定：位置的确定：卫星定位：卫星定位：卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，的一种导航技术，基本模式还是采用基本模式还是采用无线电波无线电波。p GPS全球定位系统全球定位系统：是是20世纪世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目

19、的，是美国独航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资余年的研究实验，耗资300亿美元，到亿美元，到1994年年3月，全球覆盖率高达月，全球覆盖率高达98%的的24颗颗GPS卫星星座己布设完成。卫星星座己布设完成。全球定位系统全球定位系统由三部分构成：由三部分构成：p地面控制部分地面控制部分，由主控站，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的负责管理、协调整个地面控制系统的 工作工作)、地面天、地面天线线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站、监测站(

20、数据自动收集中心数据自动收集中心)和通和通讯辅助系统讯辅助系统(数据传输数据传输)组成；组成；p空间部分空间部分，由，由24颗卫星组成，分布在颗卫星组成，分布在6个道平面上；个道平面上；a)用户装置部分用户装置部分，主要由主要由GPS接收机接收机和和卫星天线卫星天线组成。组成。12/7/2022165.位置的确定：位置的确定：卫星定位：卫星定位：卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，的一种导航技术，基本模式还是采用基本模式还是采用无线电波无线电波。p GPS全球定位系统全球定位系统：全球定位系

21、统的主要特点：全球定位系统的主要特点：全天候；全球覆盖；三维定速定时高精度；快速省时高效率；应用广泛全天候；全球覆盖；三维定速定时高精度；快速省时高效率；应用广泛等。等。定位精度高定位精度高：定位精度优于定位精度优于10m，采用，采用差分定位差分定位，精度可达厘米级和毫米级。应用实践已，精度可达厘米级和毫米级。应用实践已经证明，经证明，GPS相对定位精度在相对定位精度在50KM以内可达以内可达10-6，100-500KM可达可达10-7，1000KM可达可达10-9。在。在300-1500M工程精密定位中，工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于其平面位

22、置误差小于1mm，与，与ME-5000电磁波测距仪电磁波测距仪测定得边长比较，其边测定得边长比较，其边长较差最大为长较差最大为0.5mm,校差中误差为校差中误差为0.3mm。b)观测时间短观测时间短：随着随着GPS系统的不断完善，系统的不断完善，软件软件的不断更新，目前，的不断更新，目前，20KM以内相对以内相对静态定静态定位位，仅需，仅需15-20分钟；快速分钟；快速静态相对定位静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距测量时，当每个流动站与基准站相距在在15KM以内时，流动站观测时间只需以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟

23、。只需几秒钟。12/7/2022175.位置的确定：位置的确定：卫星定位：卫星定位：卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，的一种导航技术，基本模式还是采用基本模式还是采用无线电波无线电波。p GPS全球定位系统全球定位系统：全球定位系统的主要用途：全球定位系统的主要用途：p陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、探、工程测量、变形监测、地壳运动监测地壳运动监测、市政规划控制等；市

24、政规划控制等；p海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；p航空航天应用，包括飞机导航、航空遥航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。导、航空救援和载人航天器防护探测等。12/7/2022185.位置的确定：位置的确定：卫星定位：卫星定位：卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星

25、进行定位卫星定位系统是借助于在预订空间轨道上运行的人造地球卫星进行定位的一种导航技术，的一种导航技术，基本模式还是采用基本模式还是采用无线电波无线电波。p GPS全球定位系统全球定位系统：GPS卫星接收机：卫星接收机：种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。经过经过20余年的实践证明，余年的实践证明，GPS系统系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性多用途、多机型的国际性高新技术产业高新技术产业。芯片级生产厂家芯片级生产厂家：SiRF、Nemerix、TI、Atmel、意法半导体、意法半导体、Maxim等；等；模块级生产厂家模块级生产厂家：NovaTel、Trimble、北斗星通北斗星通、合纵斯壮合纵斯壮等。等。12/7/202219