第三篇 衛(wèi)星導(dǎo)航

1、第三篇第三篇 衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航原理3.1 衛(wèi)星導(dǎo)航基本設(shè)計思想衛(wèi)星導(dǎo)航基本設(shè)計思想3.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述3.3 GPS的時空參考系統(tǒng)的時空參考系統(tǒng)3.4 GPS衛(wèi)星位置計算衛(wèi)星位置計算3.5 GPS衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星的星歷 3.6 由衛(wèi)星預(yù)報星歷計算由衛(wèi)星預(yù)報星歷計算GPS衛(wèi)星坐標(biāo)衛(wèi)星坐標(biāo)3.1 衛(wèi)星導(dǎo)航基本設(shè)計思想的由來衛(wèi)星導(dǎo)航基本設(shè)計思想的由來 1957年年10月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星上天當(dāng)時美國約翰上天當(dāng)時美國約翰霍普金斯大學(xué)霍普金斯大學(xué)(Johns Hpkins University)應(yīng)用物理實應(yīng)用物理實驗室的研究人員格亦爾驗室的研究

2、人員格亦爾(william H.Guier)博土和威芬拜克博土和威芬拜克(Geoge C.Weiffenback)博士在觀測衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號時發(fā)博士在觀測衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號時發(fā)現(xiàn)，盡管衛(wèi)星以固定頻率發(fā)射連續(xù)的無現(xiàn)，盡管衛(wèi)星以固定頻率發(fā)射連續(xù)的無線電波，但當(dāng)衛(wèi)星由遠(yuǎn)而近飛臨地面觀線電波，但當(dāng)衛(wèi)星由遠(yuǎn)而近飛臨地面觀測站上空時，地面接收到的電波頻率比測站上空時，地面接收到的電波頻率比衛(wèi)星實際發(fā)射的頻率要高；當(dāng)衛(wèi)星在觀衛(wèi)星實際發(fā)射的頻率要高；當(dāng)衛(wèi)星在觀測站上空時，接收頻率與發(fā)射頻率相等；測站上空時，接收頻率與發(fā)射頻率相等；當(dāng)衛(wèi)星飛離地面觀測站上空時，接收頻當(dāng)衛(wèi)星飛離地面觀測站上空時，接收頻率比發(fā)

3、射頻率要低。這種現(xiàn)象稱為率比發(fā)射頻率要低。這種現(xiàn)象稱為“多多普勒效應(yīng)普勒效應(yīng)”，衛(wèi)星發(fā)射頻率與地面觀測，衛(wèi)星發(fā)射頻率與地面觀測站接收到的頻率之差稱為站接收到的頻率之差稱為“多普勒頻多普勒頻移移”。 后來，在該應(yīng)用物理實驗室工作的另外兩名研究人員后來，在該應(yīng)用物理實驗室工作的另外兩名研究人員Frank T.Mcclure博士和博士和Richard B.Kershner提出了與提出了與此相反的設(shè)想，即如果已經(jīng)準(zhǔn)確知道了衛(wèi)星的運行軌道，此相反的設(shè)想，即如果已經(jīng)準(zhǔn)確知道了衛(wèi)星的運行軌道，那么只要在地面上用接收機測量出衛(wèi)星電波中的多普勒那么只要在地面上用接收機測量出衛(wèi)星電波中的多普勒頻移，便可以確定出觀

4、測者在地球上的位置。這就是頻移，便可以確定出觀測者在地球上的位置。這就是衛(wèi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本設(shè)計思想星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本設(shè)計思想。地面站地面站（位置）（位置）衛(wèi)星衛(wèi)星（軌道、頻率）（軌道、頻率）多普勒多普勒頻移測量頻移測量研究人員進一步發(fā)現(xiàn)多普勒頻移曲線與衛(wèi)星研究人員進一步發(fā)現(xiàn)多普勒頻移曲線與衛(wèi)星運行軌道之間存在著十分密切的關(guān)系，于是運行軌道之間存在著十分密切的關(guān)系，于是便建立了一個地面站對衛(wèi)星進行長期跟蹤觀便建立了一個地面站對衛(wèi)星進行長期跟蹤觀測，通過測量衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號中的多測，通過測量衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號中的多普勒頻移曲線來測定衛(wèi)星的運行軌道并獲得普勒頻移曲線來測定衛(wèi)星的運行軌道并獲得試

5、驗成功。這次試驗的成功表明：在已知的試驗成功。這次試驗的成功表明：在已知的地面接收點，精密地測量出衛(wèi)星天線電波中地面接收點，精密地測量出衛(wèi)星天線電波中的多普勒頻移，就可以確定出衛(wèi)星的軌道。的多普勒頻移，就可以確定出衛(wèi)星的軌道。v 衛(wèi)星導(dǎo)航就是天文導(dǎo)航與無線電導(dǎo)衛(wèi)星導(dǎo)航就是天文導(dǎo)航與無線電導(dǎo)航的結(jié)合物，不過是把無線電導(dǎo)航航的結(jié)合物，不過是把無線電導(dǎo)航臺放在人造地球衛(wèi)星上罷了。臺放在人造地球衛(wèi)星上罷了。v 目前影響最大的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有目前影響最大的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有GPSGPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GLONASSGLONASS衛(wèi)星導(dǎo)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。另外還有歐空局的伽利略航系統(tǒng)。另外還有歐空局的伽利

6、略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、我國的北斗IIII衛(wèi)星衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、日本導(dǎo)航系統(tǒng)、日本“準(zhǔn)天頂準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星導(dǎo)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及印度的衛(wèi)星導(dǎo)航計劃。航系統(tǒng)以及印度的衛(wèi)星導(dǎo)航計劃。 3.2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述3.2.1 GPS定位技術(shù)的發(fā)展定位技術(shù)的發(fā)展1957年年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。從此，利用衛(wèi)星進行定位和導(dǎo)航的射成功。從此，利用衛(wèi)星進行定位和導(dǎo)航的研究引起了各國軍事部門的高度重視。研究引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器試驗室著手研制為年底，美國海軍武器試驗室著手研制為美國軍用艦艇服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系

7、統(tǒng)美國軍用艦艇服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“navy navigation satellite system (NNSS)”,1964年年1月該系統(tǒng)研制成功，成為月該系統(tǒng)研制成功，成為世界上第一個投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。世界上第一個投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的局限性的局限性v 1.衛(wèi)星少，不能實時定位。衛(wèi)星少，不能實時定位。v 2.軌道低，難以精密定軌。軌道低，難以精密定軌。v 3.頻率低，難以補償電離層效應(yīng)的頻率低，難以補償電離層效應(yīng)的影響。影響。uGPS(Global Positioning System)是美國研是美國研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。是一種可以制的

8、新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。是一種可以定時和測距的空間交會定點導(dǎo)航系統(tǒng)，它可定時和測距的空間交會定點導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三以向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息，滿足軍事部維位置，三維速度和時間信息，滿足軍事部門和民用部門的需求。門和民用部門的需求。v1973年年12月美國開始建立新一代的衛(wèi)星月美國開始建立新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)GPS全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)v （Global Positioning System)v該系統(tǒng)分三個階段進行：該系統(tǒng)分三個階段進行：v 1.論證方案階段：論證方案階段：1973年年12月組成月組成v 聯(lián)合辦公室

9、。聯(lián)合辦公室。v 2.工程研制階段：工程研制階段：1978年年2月月22日第日第v 一顆一顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。第二、三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：第二、三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：v3.生產(chǎn)作業(yè)階段：生產(chǎn)作業(yè)階段：v 1989年年2月月14日第一顆日第一顆GPS工作衛(wèi)星工作衛(wèi)星v 發(fā)射成功。發(fā)射成功。v 1994年年6月完成第二代衛(wèi)星發(fā)射。月完成第二代衛(wèi)星發(fā)射。v 1996年開始發(fā)射第三代（年開始發(fā)射第三代（Block IIR)v 衛(wèi)星。衛(wèi)星。 名稱代別衛(wèi)星類型衛(wèi)星數(shù)/顆 發(fā)射時間用途第一代Block I1119781984試驗性第二代Block IIBlock IIA2819891994正

10、式工作第三代Block IIIBlock IIR2020世紀(jì)末90年代改進GPS系統(tǒng)GPS衛(wèi)星發(fā)射情況衛(wèi)星發(fā)射情況GPS BLOCK II R 衛(wèi)星：(一一)GPS相對于其它導(dǎo)航系統(tǒng)的特點相對于其它導(dǎo)航系統(tǒng)的特點 1.全球地面連續(xù)覆蓋。全球地面連續(xù)覆蓋。 2.功能多，精度高。功能多，精度高。 3.實時定位速度快。實時定位速度快。 4.抗干擾性能好，保密性強?？垢蓴_性能好，保密性強。二、GPS的特點(二二)GPS應(yīng)用于定位方面的特點應(yīng)用于定位方面的特點 1.觀測站之間無需通視。觀測站之間無需通視。 2.定位精度高。定位精度高。 3.觀測時間短。觀測時間短。 4.提供三維坐標(biāo)。提供三維坐標(biāo)。 5.

11、操作簡便。操作簡便。 6.全天候作業(yè)。全天候作業(yè)。3.2.2 GPS定位系統(tǒng)的組成v GPS定位技術(shù)是利用高空中的定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向衛(wèi)星，向地面發(fā)射地面發(fā)射L波段的載頻無線電測距信號，由地波段的載頻無線電測距信號，由地面上用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出面上用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機天線所在的位置。因此，接收機天線所在的位置。因此，GPS定位系定位系統(tǒng)是由以下三個部分組成：統(tǒng)是由以下三個部分組成：v（1）GPS衛(wèi)星星座（衛(wèi)星星座（空間部分空間部分）v（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分地面控制部分）v（3）GPS信號接收機（信號接收機（用戶設(shè)備部分

12、用戶設(shè)備部分）。）。 這三部分有各這三部分有各自獨立的功能自獨立的功能和作用，對于和作用，對于整個全球定位整個全球定位系統(tǒng)來說，它系統(tǒng)來說，它們都是不可缺們都是不可缺少的。少的。GPS衛(wèi)星星座組成衛(wèi)星星座組成v共共24顆衛(wèi)星，其中顆衛(wèi)星，其中3顆備用，分布在顆備用，分布在6個軌道個軌道面上。軌道面相對地球赤道面的傾角為面上。軌道面相對地球赤道面的傾角為55度，度，各軌道平面升交點赤經(jīng)相差各軌道平面升交點赤經(jīng)相差60度，相鄰軌道度，相鄰軌道上衛(wèi)星的升交距角相差上衛(wèi)星的升交距角相差30度。軌道平均高度度。軌道平均高度約約20200km，運行周期，運行周期11h58m。v 因此，同一測站上每天出現(xiàn)的

13、衛(wèi)星分布圖因此，同一測站上每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有天約有5小時在地平線以上，同時位于地平線小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時間地點而異，最少以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時間地點而異，最少4顆，顆，最多達(dá)最多達(dá)11顆。顆。vGPS系統(tǒng)的空間系統(tǒng)的空間部分由部分由GPS衛(wèi)星衛(wèi)星組成，稱為衛(wèi)星組成，稱為衛(wèi)星星座。星座。v衛(wèi)星星座的分布衛(wèi)星星座的分布設(shè)置要保證地球設(shè)置要保證地球上任何地點，任上任何地點，任何時刻可以同時何時刻可以同時觀測到高度角觀測到高度角15度以上的至少四度以上的至少四顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。GPS星座參

14、數(shù)星座參數(shù)衛(wèi)星：衛(wèi)星：24 顆顆軌道：面軌道：面6個個長長 半半 軸：軸：26609km偏偏 心心 率：率：0.01軌道面相對赤道面的傾角：軌道面相對赤道面的傾角：55各軌道面升交點赤經(jīng)相差：各軌道面升交點赤經(jīng)相差：60相鄰軌道衛(wèi)星升交距角相差：相鄰軌道衛(wèi)星升交距角相差：30衛(wèi)星高度：衛(wèi)星高度：20200km衛(wèi)星運行周期：衛(wèi)星運行周期：11小時小時58分鐘分鐘GPS衛(wèi)星的基本功能衛(wèi)星的基本功能v1 接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，。接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，。v2 利用衛(wèi)星上的微處理機，對部分必要的數(shù)據(jù)進行處利用衛(wèi)星上的微處理機，對部分必要的數(shù)據(jù)進行處理。理。v3 通過星載的

15、原子鐘提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)。通過星載的原子鐘提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)。v4 向用戶發(fā)送定位信息。向用戶發(fā)送定位信息。v5接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令，通過推進器調(diào)整衛(wèi)接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令，通過推進器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和軌道修正，或啟用備用衛(wèi)星。星姿態(tài)和軌道修正，或啟用備用衛(wèi)星。vGPS衛(wèi)星采用多種編號識別系統(tǒng)。在導(dǎo)航定位中通常衛(wèi)星采用多種編號識別系統(tǒng)。在導(dǎo)航定位中通常采用采用PRN編號（偽隨機噪聲碼）編號（偽隨機噪聲碼）GPS地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分vGPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的的地面監(jiān)控部分由分布在全球的5個地面站組個地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（5個）、主控站（個）、

16、主控站（1個）個）和注入站（和注入站（3個）個）v1、 監(jiān)測站：是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動采集監(jiān)測站：是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、接收機、高精度原子鐘、計算機計算機1臺和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測資料由臺和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測資料由計算機進行初步處理，存儲并傳輸?shù)街骺卣?，以確計算機進行初步處理，存儲并傳輸?shù)街骺卣?，以確定衛(wèi)星軌道。定衛(wèi)星軌道。v2、 主控站主控站v除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：v1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編制）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推

17、算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站。據(jù)傳送到注入站。v2）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送入測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送入注入站。注入站。v3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運行。）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運行。v4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。v3、注入站：、注入站：v 主要設(shè)備為主要設(shè)

18、備為1臺直徑臺直徑3.6m的天線、的天線、1臺臺S波段發(fā)射波段發(fā)射機和機和1臺計算機。主要任務(wù)是在主控站的控制下，臺計算機。主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。并監(jiān)測注入信息的正確性。v 整個整個GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子鐘人值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子鐘和計算機的驅(qū)動和控制下，實現(xiàn)高度的自動化標(biāo)準(zhǔn)和計算

19、機的驅(qū)動和控制下，實現(xiàn)高度的自動化標(biāo)準(zhǔn)化?；?。地面監(jiān)控系統(tǒng)流程圖地面監(jiān)控系統(tǒng)流程圖接收機調(diào)制解調(diào)器銫鐘氣象傳感器監(jiān)測站觀測星歷與時鐘主控站計算誤差編算注入導(dǎo)航電文調(diào)制解調(diào)器高功率放大器指令發(fā)生器數(shù)據(jù)存儲器和外部設(shè)備注入站數(shù)據(jù)處理機數(shù) 據(jù)處理機L1 L2S波段波段GPS衛(wèi)星衛(wèi)星GPS衛(wèi)星衛(wèi)星GPS地面控制部分的作用地面控制部分的作用v負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作：負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作：v監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌道監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌道運行運行v跟蹤計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由跟蹤計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送

20、給用戶v保持各顆衛(wèi)星的時間同步保持各顆衛(wèi)星的時間同步v必要時對衛(wèi)星進行調(diào)度必要時對衛(wèi)星進行調(diào)度GPS用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分vGPS的空間星座部分和地面監(jiān)控部分是用戶應(yīng)用該的空間星座部分和地面監(jiān)控部分是用戶應(yīng)用該系統(tǒng)進行導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)，而用戶只有使用系統(tǒng)進行導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)，而用戶只有使用GPS接接收機才能實現(xiàn)其定位、導(dǎo)航的目的。收機才能實現(xiàn)其定位、導(dǎo)航的目的。v用戶部分組成用戶部分組成 GPS信號接收機及相關(guān)設(shè)備信號接收機及相關(guān)設(shè)備vGPS接收機接收機 接收、跟蹤、變換和測量接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的無線電設(shè)備信號的無線電設(shè)備vGPS接收機的組成接收機的組成 天線、接收機、處理器、控制

21、顯示單元、電源天線、接收機、處理器、控制顯示單元、電源vGPS接收機的作用接收機的作用 接收接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，以獲得必要的衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，以獲得必要的定位信息和觀測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而完成定位工定位信息和觀測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而完成定位工作作3.2.3 美國對利用美國對利用GPS的限制政策的限制政策v美國實行所謂美國實行所謂“選擇可用性選擇可用性” SA政策政策 (Selective Availability)v提供兩種定位服務(wù)方式：提供兩種定位服務(wù)方式： 1.精密定位服務(wù)精密定位服務(wù)(PPS)P碼碼 (精碼精碼) 2.標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)C/A碼碼(粗碼粗碼

22、)（二（二)用戶擺脫用戶擺脫SA限制政策的措施：限制政策的措施： 1.建立獨立的建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)；衛(wèi)星測軌系統(tǒng)； 2.加強加強GPS差分定位技術(shù)的研究與開發(fā)；差分定位技術(shù)的研究與開發(fā)； 3.開發(fā)開發(fā)GPS/GLONASS兼容接收機兼容接收機 4.建立獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。建立獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。 3.3 GPS的時空參考系統(tǒng)vGPS的最基本任務(wù)是確定用戶在空間的位置。的最基本任務(wù)是確定用戶在空間的位置。所謂用戶的位置，實際上是指該用戶在特定所謂用戶的位置，實際上是指該用戶在特定坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，位置是相對于參考坐坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，位置是相對于參考坐標(biāo)系而言的。因此首先

23、要確定坐標(biāo)系基準(zhǔn)和標(biāo)系而言的。因此首先要確定坐標(biāo)系基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。時間基準(zhǔn)。v坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是GPS的基本參考系統(tǒng)的基本參考系統(tǒng)v確定的時空參考系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運動、處理確定的時空參考系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運動、處理觀測數(shù)據(jù)、表達(dá)用戶位置的物理與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)、表達(dá)用戶位置的物理與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)3.3.1 坐標(biāo)系參考系統(tǒng)vGPS衛(wèi)星主要受地球引力作用而繞地心旋轉(zhuǎn)，衛(wèi)星主要受地球引力作用而繞地心旋轉(zhuǎn)，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。因此描述與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。因此描述GPS衛(wèi)星在其軌衛(wèi)星在其軌道上的運動規(guī)律，選擇不隨地球自轉(zhuǎn)的地心道上的運動規(guī)律，選擇不隨地球自轉(zhuǎn)的地心坐標(biāo)系是方便的。坐標(biāo)系是方便的。v在在

24、GPS定位中，用戶往往固定在地球表面或定位中，用戶往往固定在地球表面或地球附近，對用戶的定位往往是相對于地球地球附近，對用戶的定位往往是相對于地球定位，因此引用與地球固聯(lián)的坐標(biāo)系是必要定位，因此引用與地球固聯(lián)的坐標(biāo)系是必要的。的。v對于對于GPS衛(wèi)星，坐標(biāo)基準(zhǔn)是天球坐標(biāo)系衛(wèi)星，坐標(biāo)基準(zhǔn)是天球坐標(biāo)系v對于用戶，坐標(biāo)基準(zhǔn)是地球坐標(biāo)系對于用戶，坐標(biāo)基準(zhǔn)是地球坐標(biāo)系v天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系原點原點Z軸軸X軸軸標(biāo)準(zhǔn)歷元平天球標(biāo)準(zhǔn)歷元平天球坐標(biāo)系（坐標(biāo)系（CIS協(xié)協(xié)議天球系）議天球系）地心地心標(biāo)準(zhǔn)歷元平標(biāo)準(zhǔn)歷元平天極天極平春分點平春分點瞬時平赤道天球瞬時平赤道天球坐標(biāo)系坐標(biāo)系地心地心瞬時

25、平天極瞬時平天極 瞬時平春分瞬時平春分點點瞬時真赤道坐標(biāo)瞬時真赤道坐標(biāo)系系地心地心瞬時真天極瞬時真天極 瞬時真春分瞬時真春分點點 地球坐標(biāo)系瞬時地球系協(xié)議地球系三種天球坐標(biāo)系之間可以進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。三種天球坐標(biāo)系之間可以進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。二種地球坐標(biāo)系之間可以進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換二種地球坐標(biāo)系之間可以進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系之間也可以進行坐天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系之間也可以進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換標(biāo)轉(zhuǎn)換GPS衛(wèi)星的參考系是衛(wèi)星的參考系是WGS-84坐標(biāo)系，是一坐標(biāo)系，是一種地固坐標(biāo)系種地固坐標(biāo)系3.3.2 GPS的時間參考系統(tǒng) v在在GPS定位系統(tǒng)技術(shù)中，要研究分析人造天定位系統(tǒng)技術(shù)中，要研究分析人造天體體GP

26、S衛(wèi)星、衛(wèi)星、GPS接收機的運動規(guī)律和位置。接收機的運動規(guī)律和位置。有關(guān)研究對象的運動描述，不僅需要空間參有關(guān)研究對象的運動描述，不僅需要空間參照系（坐標(biāo)系），而且需要時間參照系（時照系（坐標(biāo)系），而且需要時間參照系（時間基準(zhǔn)）作為重要的基準(zhǔn)來精確刻畫研究對間基準(zhǔn)）作為重要的基準(zhǔn)來精確刻畫研究對象的運動狀態(tài)（位置、速度、姿態(tài)等）。象的運動狀態(tài)（位置、速度、姿態(tài)等）。v時間參考系統(tǒng)包括時間原點（起始?xì)v元）和時間參考系統(tǒng)包括時間原點（起始?xì)v元）和時間單位（尺度），其中時間的尺度是關(guān)鍵，時間單位（尺度），其中時間的尺度是關(guān)鍵，而原點可以根據(jù)實際應(yīng)用加以選定。而原點可以根據(jù)實際應(yīng)用加以選定。v時間參考

27、系統(tǒng)的物理實現(xiàn)必須具有可觀測時間參考系統(tǒng)的物理實現(xiàn)必須具有可觀測的周期運動。這種周期運動應(yīng)具備的周期運動。這種周期運動應(yīng)具備連續(xù)性連續(xù)性、穩(wěn)定性穩(wěn)定性和和復(fù)現(xiàn)性復(fù)現(xiàn)性。v實踐中，由于所選擇的周期現(xiàn)象不同，便實踐中，由于所選擇的周期現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時間系統(tǒng)。產(chǎn)生了不同的時間系統(tǒng)。v恒星時（恒星時（ST）、平太陽時（）、平太陽時（MT）、世界時）、世界時（UT） v原子時（原子時（AT）v協(xié)調(diào)世界時（協(xié)調(diào)世界時（UTC）vGPS時間系統(tǒng)（時間系統(tǒng)（GPST）1.地球動力學(xué)時（地球動力學(xué)時（TDT） 3.4 GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星位置的計算v衛(wèi)星軌道參數(shù)（軌道根數(shù)）：衛(wèi)星在空間運行的軌衛(wèi)星

28、軌道參數(shù)（軌道根數(shù)）：衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為衛(wèi)星軌道，描述衛(wèi)星軌道狀態(tài)和位置的參數(shù)跡稱為衛(wèi)星軌道，描述衛(wèi)星軌道狀態(tài)和位置的參數(shù)稱為衛(wèi)星軌道參數(shù)。稱為衛(wèi)星軌道參數(shù)。v衛(wèi)星的無攝運動可由一組經(jīng)過選擇的軌道參數(shù)來描衛(wèi)星的無攝運動可由一組經(jīng)過選擇的軌道參數(shù)來描述，他們是述，他們是 。稱為開普勒軌。稱為開普勒軌道參數(shù)（軌道根數(shù)）。道參數(shù)（軌道根數(shù)）。va橢圓軌道長半軸橢圓軌道長半軸ve 橢圓離心率橢圓離心率feai和、升交點赤經(jīng)升交點赤經(jīng)軌道面傾角軌道面傾角近地點角距近地點角距真近點角真近點角v在衛(wèi)星的在衛(wèi)星的6個軌道參數(shù)中，前個軌道參數(shù)中，前5個是常量，不隨時間個是常量，不隨時間變化而變化，它們的大

29、小是由衛(wèi)星的發(fā)射條件所決變化而變化，它們的大小是由衛(wèi)星的發(fā)射條件所決定的。只有真近點角定的。只有真近點角f是時間的函數(shù)。因此，計算衛(wèi)是時間的函數(shù)。因此，計算衛(wèi)星瞬時位置的關(guān)鍵，在于計算參數(shù)星瞬時位置的關(guān)鍵，在于計算參數(shù)f。v計算真近點角計算真近點角f 在計算真近點角時，要用到兩個輔助參數(shù)：一個是在計算真近點角時，要用到兩個輔助參數(shù)：一個是偏近點角偏近點角E，另一個是平近點角，另一個是平近點角M。偏近點角偏近點角E：由近地點：由近地點P至至S的圓弧所對應(yīng)的圓心角即的圓弧所對應(yīng)的圓心角即為衛(wèi)星為衛(wèi)星S所對應(yīng)的偏近點角。僅當(dāng)衛(wèi)星位于近地點所對應(yīng)的偏近點角。僅當(dāng)衛(wèi)星位于近地點和遠(yuǎn)地點時，偏近點角和遠(yuǎn)地

30、點時，偏近點角E與真近點角與真近點角f的數(shù)值是相同的數(shù)值是相同的。在其他位置，偏近點角的。在其他位置，偏近點角E與真近點角與真近點角f是不同的。是不同的。v由圖，得到由圖，得到E和和f的關(guān)系式：的關(guān)系式：v將上式兩端平方，再相加，得到將上式兩端平方，再相加，得到v上式即為以偏近點角上式即為以偏近點角E為自變量的軌道方程。為自變量的軌道方程。v由上述三個式子，可得由上述三個式子，可得EeaEbfraeEafrsin1sinsincoscos2)cos1 (EearEeEefEeeEfcos1sin1sincos1coscos22tan11cos1sin2tanEeefffv平近點角平近點角v軌道

31、直角坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點軌道直角坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點O在地心，在地心，X軸指軸指向橢圓軌道近地點向橢圓軌道近地點P，Y軸為軌道橢圓的短軸，軸為軌道橢圓的短軸，Z軸為軌道橢圓的法向。軸為軌道橢圓的法向。v平近點角：以平近點角：以tp作為起始時刻，在時刻作為起始時刻，在時刻t，衛(wèi)，衛(wèi)星以平均角速度星以平均角速度n繞地心在軌道平面中轉(zhuǎn)過的繞地心在軌道平面中轉(zhuǎn)過的角度角度M，稱為平近點角。，稱為平近點角。v平近點角與偏近點角的關(guān)系：平近點角與偏近點角的關(guān)系： 開普勒方程開普勒方程MttnEeEp)(sinv計算真近點角計算真近點角fv思路：通過平近點角計算偏近點角，由偏近思路：通過平近點角計算偏近點角，由偏近

32、點角計算真近點角。點角計算真近點角。v上式是一個超越方程，不易由上式是一個超越方程，不易由M直接求得直接求得E。一般采用迭代算法，迭代法的初值可近似取一般采用迭代算法，迭代法的初值可近似取EeMEsinME 0GPS衛(wèi)星的瞬時位置v思路：對于任意觀測歷元思路：對于任意觀測歷元t，根據(jù)衛(wèi)星的平均，根據(jù)衛(wèi)星的平均運行速度運行速度n，求平近點角。再采用迭代的方法，求平近點角。再采用迭代的方法求出偏近點角，由偏近點角可以唯一確定相求出偏近點角，由偏近點角可以唯一確定相應(yīng)的真近點角。由真近點角就可以求出應(yīng)的真近點角。由真近點角就可以求出GPS衛(wèi)星在任意觀測歷元衛(wèi)星在任意觀測歷元t相對于地球的瞬時空間相對

33、于地球的瞬時空間位置。位置。v軌道直角坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置軌道直角坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置0sin)1 ()(cos0sincos212EeeEaffrzyxsssv軌道直角坐標(biāo)系下，軌道直角坐標(biāo)系下，GPS衛(wèi)星位置的表達(dá)，衛(wèi)星位置的表達(dá)，只是一種過渡性表達(dá)。我們的目的是求出只是一種過渡性表達(dá)。我們的目的是求出GPS衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系中的位置。衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系中的位置。v求天球坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置求天球坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置軌道直角坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的關(guān)系由軌道直角坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系的關(guān)系由3個軌個軌道參數(shù)道參數(shù) 來確定。由軌道直角坐標(biāo)系繞來確定。由軌道直角坐標(biāo)系繞Zs軸軸 轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過 角，再繞角，再繞Xo軸轉(zhuǎn)

34、過軸轉(zhuǎn)過 角，最角，最后繞后繞Zo軸轉(zhuǎn)過軸轉(zhuǎn)過 角，則軌道直角坐標(biāo)系就角，則軌道直角坐標(biāo)系就與天球坐標(biāo)系重合了。與天球坐標(biāo)系重合了。、ii)()()(zxzIsRiRRCv地球坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置地球坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置v瞬時地球直角坐標(biāo)系和天球坐標(biāo)系的關(guān)系瞬時地球直角坐標(biāo)系和天球坐標(biāo)系的關(guān)系0sin)1 ()(cos212EeaeEaCzyxIsIII0sin)1 ()(cos)(212EeaeEaCGASTRzyxIszCTS 3.5 GPS衛(wèi)星的星歷v衛(wèi)星星歷：描述任一時刻衛(wèi)星星歷：描述任一時刻t，衛(wèi)星在空間的位，衛(wèi)星在空間的位置的一組參數(shù)稱為衛(wèi)星星歷。置的一組參數(shù)稱為衛(wèi)星星歷。vGPS衛(wèi)星

35、星歷有兩種方式：預(yù)報星歷（廣播衛(wèi)星星歷有兩種方式：預(yù)報星歷（廣播星歷）和后處理星歷（精密星歷）。星歷）和后處理星歷（精密星歷）。vGPS衛(wèi)星的預(yù)報星歷是這樣一組參數(shù)：它包衛(wèi)星的預(yù)報星歷是這樣一組參數(shù)：它包含相對于某一參考?xì)v元含相對于某一參考?xì)v元toe的開普勒軌道參數(shù)的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動改正項參數(shù)。和必要的軌道攝動改正項參數(shù)。v預(yù)報星歷是由衛(wèi)星廣播發(fā)射的導(dǎo)航電文傳遞預(yù)報星歷是由衛(wèi)星廣播發(fā)射的導(dǎo)航電文傳遞到用戶的，用戶接收機捕獲到這些信號，經(jīng)到用戶的，用戶接收機捕獲到這些信號，經(jīng)過解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷。過解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷。v在衛(wèi)星星歷中，其中相應(yīng)于某參考?xì)v元的開在衛(wèi)

36、星星歷中，其中相應(yīng)于某參考?xì)v元的開普勒軌道參數(shù)，是根據(jù)地面普勒軌道參數(shù)，是根據(jù)地面GPS監(jiān)測站對監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星約一周的跟蹤觀測資料推算出來的。衛(wèi)星約一周的跟蹤觀測資料推算出來的。vGPS衛(wèi)星發(fā)射的廣播星歷，每小時更新以此，衛(wèi)星發(fā)射的廣播星歷，每小時更新以此，供用戶使用。供用戶使用。vGPS衛(wèi)星的廣播星歷一共有衛(wèi)星的廣播星歷一共有16個星歷參數(shù)。個星歷參數(shù)。包括一個參考?xì)v元包括一個參考?xì)v元toe，6個相應(yīng)于參考?xì)v元的個相應(yīng)于參考?xì)v元的開普勒橢圓軌道參數(shù)和開普勒橢圓軌道參數(shù)和9個反映攝動力影響的個反映攝動力影響的改正項參數(shù)。改正項參數(shù)。其中，其中，AODE表示從最后一表示從最后一次注入電文時次注入電文時起算到外推星起算到外推星歷時刻的外推歷時刻的外推時間間隔，稱時間間隔，稱為