r
3
r1
18
1
r
2
卫星
2
卫星导航原理
卫星导航系统（GPS/BD2RNSS）
定位基本原理
• 三维空间中，若某点
卫星 [x3,y3,z33]
卫星
到三个已知参考点的 距离能获得，则该点
r
3
[xu,r1yu1,
[x1,y1,z1] 坐标可以被唯一地确 定
19
r zu]
2
r1
x1 x
• 导航是将航行体从起始点导引到目的地的技术或方法
• 导航过程中要解决三个问题，即
– 要去哪（目标位置）
– 我在哪（自身位置）
– 怎样到（行进路径）
3
• 导航的基本过程：确定目的地位置确定自身位置决定
行进方向（路线）
• 确定自身位置是导航的关键（Positioning）
• 导航系统就是能够向运载体提供位置、速度与航向等即时 运动状态信息的系统
• 原点位于地球质心
XY平面与地球赤道平面重合
X轴指向赤道上某一固定点（通常为0经度方向）
13
Y轴指向与X轴垂直
Z轴与赤道平面正交指向地理北极，形成右手坐标系
• 相对地球指向不变，适于描述航行体位置
卫星导航原理
• 在ECEF下
GSO
MEO
–地球是静止不动的
–围绕地球运行的天 体或卫星的轨道不 遵守开普勒定律
Z X 11
在某些文献中称为天球坐标系
卫星导航原理
典型ECI坐标系
J2000坐标系：用2000年1月1日UTC（USNO）
12:00时的赤道面取向作为基础。X轴的方向
从地球质心指向春分点、Y和Z轴的规定仍如
上述。
12
卫星导航原理
地心地固系
（ECEF-Earth Centered Earth Fixed）
航精度要求较低。
6
• 定位是静止状态，允许多次观测和事后处理； 而导航则多是动态的，需实时处理。
• 导航要求在时间上连续性；而定位则没有要求。
卫星导航原理
导航与制导
• 都将运载体引导至目的地。
• 导航仅提供信息，而不进行控制；而制导则
既提供信息，也进行控制其姿态和轨道。
7
卫星导航原理
什么是定位或位置确定？实际上就
B
A’ 出发点
目的地
4
卫星导航原理
确定某一点的位置是完成各种导航功
能的关键，因此导航系统也经常被称
为定位系统(Positioning System)。
5
卫星导航原理
导航与定位
• 关键问题都是确定一点的几何位置。
• 二者区别在于工作条件不同、技术要求不同。
• 定位精度要求较高（通常厘米级或更高）；导
• 从参考点向某点发送参考点的时间信息， 20 当两点间距离已知，可通过距离计算传播 时延，进而根据接收到的时间信息计算本 点的时间
卫星导航原理
结论：
找到导航接收机到导航卫星距离，
是获得PVT状态量的关键
21
卫星导航原理
“北斗一号”系统（BD2RDSS）是利用地球 同步卫星为用户提供快速定位、数字报文通信和授 时服务的一种新型、全天候、区域性的卫星导航定 位系统。
GEO
14
GEO
ECEF下卫星的运行轨道
卫星导航原理
ECI与ECEF的关系
• 取某一时刻的ECEF坐 标系，将其坐标轴固 定下来，即为ECI坐标 系
15
• ECI坐标系绕Z轴旋转 某一角度后即可得到 任意时刻的ECEF坐标 系
卫星导航原理
PVT解算
•对
– P（位置，Position）;
– V（速度，Velocity）
中测度的位置和速度矢量去描述卫星和航行体的
状态。
卫星导航原理
参考坐标系
• 笛卡儿坐标系三要素
原点
10
三轴指向 尺度
卫星导航原理
地心惯性系
（ECI-Earth Centered Inertial coordinate system）
原点位于地球质心 XY平面与地球赤道面重合
X轴相对恒星静止，指向特定方向 Z轴与XY平面垂直，指向北极方向 Y Y轴由右手坐标系规则确定 多用于描述卫星轨道
是获得某个点在一个坐标系里的坐标
值。
8
卫星导航原理
• 为了描述卫星运动、处理观测数据和表示航行体 位置，需要建立参考坐标系。
• 坐标系的选择在很大程度上取决于任务要求、完 成过程的难易程度、计算的复杂性等。
• 典型的是用笛卡尔坐标系（Cartesian
9
Coordinate System,也称为“空间直角坐标系”）
2

y1 y 2
z1 z
卫星
[2x2,y2,z2]
r2
x2
x
2

y2 y
2

z2 z
r3
x3 x
2

y3 y
2

z3 z
卫星导航原理
如何计算V/T？
• 当某一运动物体任意时刻的位置参数已知， 则可通过位置与速度的导数关系，确定物 体的速度参数
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该系统由两颗地球同步卫星、一颗在轨备份卫星、 一个中心控制系统、一个标校系统和各类用户机组 成，各部分通过出站链路（中心控制系统—卫星— 用户）和入站链路（用户—卫星—中心控制系统） 相连接。
卫星导航原理
卫星1
卫星2
卫星3
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用户机
地面控制中心
标校站
“北斗一号”工作原理图
卫星导航原理
• 实际上北斗一号使用 双球定位加地球定位， 由于还要测高，因此 在全国不同地区设置 标校站
卫星导航原理
简单导航实例
C
• 步行从一点到另一点的导航过 程：
– 确定目的地位置：可能自已已经 了解其位置，或指引路径的人已 了解此位置
– 确定自身当前位置（与建筑物A 正对，距A’约10米）
– 确定前进路径（延指向建筑物B 的公路方向前进，在花坛C所在 路口右转，之后行进100米，路 A 左侧）。如有可能，还可以目测 到花坛C的距离、并根据自身的 行进速度估计到达目的地的时间。
16
– T（时间，Time）
的计算，通常称之为PVT解算。
卫星导航原理
二维定位基本原理
R
r1
பைடு நூலகம்
r2
17
S1
S2
r1
x1 xu
2

y1 yu
2
r2
x2 xu
2

y2 yu
2
卫星导航原理
卫星导航系统（GPS/BDRNSS） 定位基本原理
卫星
3
卫星
卫星导航原理
卫星导航原理
卫星导航原理
• 导航是人类最早的需求之一；导航系统是人 类最早的科学系统之一
• 卫星导航系统是目前使用最广泛的导航系统，2 GPS是卫星导航系统的代表
• GPS已经成为美国国家基础设施，成为继 互联网后又一个十分成功的两用现代国防系 统
卫星导航原理
什么是导航(Navigation)?