第三章GPS原理與應(yīng)用(1)

1、 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測繪學(xué)院測繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPS全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)原理與應(yīng)用原理與應(yīng)用華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第三章第三章GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用1GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 第一部分第一部分 GPS簡介簡介 什么是什么是GPS GPS的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展 哪些國家或者地區(qū)有衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)哪些國家或者地區(qū)有衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) GPS的特點(diǎn)的特點(diǎn) GPS的系統(tǒng)組成的系統(tǒng)組成 GPS在各領(lǐng)域中的應(yīng)用在各領(lǐng)域中的應(yīng)用2GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 GPS的英文是的英文是 Glob

2、al Position System其意為其意為“導(dǎo)航星測時(shí)與測距全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航星測時(shí)與測距全球定位系統(tǒng)”，或簡稱全球定，或簡稱全球定位系統(tǒng)。位系統(tǒng)。（一）什么是（一）什么是GPS系統(tǒng)系統(tǒng) 是一種可以授時(shí)和測距的空間是一種可以授時(shí)和測距的空間交會定點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng)交會定點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng),可向全球用可向全球用戶提供戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三的三維維位置位置，三維，三維速度速度和和時(shí)間時(shí)間信息。信息。3GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用二、二、GPS的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展 19571957年年1010月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功 19581958

3、年底，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室，開始著手建年底，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室，開始著手建立為美國海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即立為美國海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（Navy Navigation Satellite Navy Navigation Satellite SystemNNSSSystemNNSS）。）。19641964年建成。年建成。 19671967年美國政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。年美國政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。4GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用二、二、GPS的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展 目的目的 在全球范圍內(nèi)，提供實(shí)時(shí)、連續(xù)、在全球范圍內(nèi)，提供實(shí)時(shí)、連續(xù)、全天候

4、的導(dǎo)航定位及授時(shí)服務(wù)全天候的導(dǎo)航定位及授時(shí)服務(wù)19731973年美國國防部開始研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航年美國國防部開始研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃，這就是目前所稱的全球定位系統(tǒng)系統(tǒng)的計(jì)劃，這就是目前所稱的全球定位系統(tǒng)（GPSGPS）。）。19941994年投入使用，年投入使用，19951995年完全建成。年完全建成。5GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用三、目前擁有定位系統(tǒng)的國家或地區(qū)三、目前擁有定位系統(tǒng)的國家或地區(qū)2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代中期開始啟動年代中期開始啟動、19821982年年1010月月1212日發(fā)射第一顆日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星、衛(wèi)星、19961996年年1 1月月181

5、8日，完成日，完成2424顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工作能力）作能力）系統(tǒng)由系統(tǒng)由3030顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在3 3個(gè)軌道面上。提供精個(gè)軌道面上。提供精確的時(shí)間和誤差不超過一米的全球精確定位服務(wù)確的時(shí)間和誤差不超過一米的全球精確定位服務(wù)6GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用有人說過，只有我們想不到的，沒有有人說過，只有我們想不到的，沒有GPSGPS做不到的。做不到的。有人預(yù)言，有人預(yù)言， GPS GPS將改變我們的生活方式。將改變我們的生活方式。7GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用（五）（五）GPS 的系統(tǒng)組成的系統(tǒng)組成 空間部分空間部分24顆顆G

6、PS衛(wèi)星組成衛(wèi)星組成用戶部分用戶部分 GPS接收機(jī)接收機(jī)控制部分控制部分 1個(gè)主控站個(gè)主控站 5個(gè)監(jiān)控站個(gè)監(jiān)控站 3個(gè)注入站個(gè)注入站 注入站注入站 監(jiān)控站監(jiān)控站主控站主控站8GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用2424顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星(21+3)(21+3)6 6個(gè)軌道平面?zhèn)€軌道平面5555軌道傾角軌道傾角20200km20200km軌道高度軌道高度( (地面高度地面高度) )1111小時(shí)小時(shí)5858分分( (恒星時(shí)恒星時(shí)) )軌道周期軌道周期5 5個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上( (每顆星每顆星) )在全球各處能觀測到高度角在全球各處能觀測到高度角1515的衛(wèi)星的衛(wèi)星 4 4 顆以上

7、顆以上GPSGPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座9GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分控控 制制 部部 分分 1 個(gè)個(gè) 主主 控控 站站 3 個(gè)個(gè) 注入站注入站 5 個(gè)個(gè) 監(jiān)監(jiān) 控控 站站10GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GSPGSP地面控制站地面控制站一個(gè)主控站：一個(gè)主控站：科羅拉多科羅拉多斯必靈司斯必靈司三個(gè)注入站：三個(gè)注入站：阿松森阿松森(Ascencion)(Ascencion)大西洋大西洋 迭哥迭哥伽西亞伽西亞(Diego Garcia)(Diego Garcia)印度洋印度洋 卡瓦加蘭卡瓦加蘭(kwajalein)(kwajalein)太平洋太平洋五個(gè)監(jiān)測站五個(gè)監(jiān)測站

8、= 1= 1個(gè)主控站個(gè)主控站+3+3個(gè)注入站個(gè)注入站+ +夏威夷夏威夷(Hawaii)(Hawaii)5555H HawaiiawaiiA AscencionscencionDiego Diego GarciaGarciakwajaleikwajalein nColorado Colorado springssprings11GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 GPS 用戶部分用戶部分12 1. GPS接收機(jī)的功能接收機(jī)的功能跟蹤、接收、放大、處理衛(wèi)星信號，測跟蹤、接收、放大、處理衛(wèi)星信號，測量出信號從衛(wèi)星到天線的傳播時(shí)間。量出信號從衛(wèi)星到天線的傳播時(shí)間。解譯導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)解算測站三維位置解譯導(dǎo)航

9、電文，實(shí)時(shí)解算測站三維位置。2. GPS接收機(jī)的類型接收機(jī)的類型 （2）按信號頻率分：）按信號頻率分： 單頻（單頻（L1） 雙頻（雙頻（L1和和L2）（1）按用途分：）按用途分：導(dǎo)航型導(dǎo)航型授時(shí)型授時(shí)型測地型測地型GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在軍事中的應(yīng)用在軍事中的應(yīng)用GPS導(dǎo)航的艦載飛彈導(dǎo)航的艦載飛彈 配備配備GPS的士兵的士兵 美國海軍核潛艇美國海軍核潛艇 13（六）（六）GPS在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在交通運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用在交通運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用 航運(yùn)、航空搜索航運(yùn)、航空搜索 陸路交通（車輛導(dǎo)航、監(jiān)控）陸路交通（車輛導(dǎo)航、監(jiān)控） 船舶遠(yuǎn)洋

10、導(dǎo)航和進(jìn)港引水船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水14GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測量中的應(yīng)用 建立和維持全球性的參考框架建立和維持全球性的參考框架15GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測量中的應(yīng)用 板塊運(yùn)動和監(jiān)測板塊運(yùn)動和監(jiān)測16GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測量中的應(yīng)用 建立各級國家平面控制網(wǎng)建立各級國家平面控制網(wǎng)17GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測量中的應(yīng)用市話網(wǎng)市話網(wǎng)市話網(wǎng)市話網(wǎng)市話網(wǎng)深圳市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)示意圖深圳市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)示意圖市電信局監(jiān)控分析中心衛(wèi)星

11、定位信號發(fā)射臺FM電臺基準(zhǔn)站1基準(zhǔn)站2基準(zhǔn)站3基準(zhǔn)站4基準(zhǔn)站5進(jìn)入移動電話系統(tǒng)用戶用戶全向天線定向天線Modem 布設(shè)城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進(jìn)行各布設(shè)城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進(jìn)行各種工程測量種工程測量18GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測量中的應(yīng)用 在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應(yīng)用應(yīng)用19GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用 精細(xì)農(nóng)業(yè)精細(xì)農(nóng)業(yè) 遙感遙感 衛(wèi)星定軌衛(wèi)星定軌 資源勘探資源勘探 個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn) 電力、廣播、電視、通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步、電力、廣播、電視

12、、通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步、時(shí)間傳遞時(shí)間傳遞 .20GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系GPSGPS坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng) 第二部分第二部分 坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)21GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用（一）天球坐標(biāo)系（一）天球坐標(biāo)系22GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用v坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素A (B,L,H )BLH0起 始 子 午 面赤 道 z y x A(X,Y,Z) Z Y X O 起始子午面起始子午面 赤道赤道 v坐標(biāo)軸指向坐標(biāo)軸指向v表示坐標(biāo)的參數(shù)表示坐標(biāo)的參數(shù) 天球坐標(biāo)系是以天球及天球上的點(diǎn)線天球坐

13、標(biāo)系是以天球及天球上的點(diǎn)線圈為基礎(chǔ)所建立的坐標(biāo)系圈為基礎(chǔ)所建立的坐標(biāo)系23GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用1.1.直角坐標(biāo)系的定義直角坐標(biāo)系的定義 原點(diǎn)原點(diǎn)O O與地球質(zhì)心重合，與地球質(zhì)心重合，Z Z軸指向地球北極，軸指向地球北極，X X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點(diǎn)，軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點(diǎn)，Y Y軸在赤道平面里與軸在赤道平面里與XOZXOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系。構(gòu)成右手坐標(biāo)系。（二）（二） 地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系圖圖2-2 直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系2.2.大地坐標(biāo)系的定義大地坐標(biāo)系的定義地球橢球的中心與地球質(zhì)心重地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合橢球的短軸與地球自

14、轉(zhuǎn)軸重合橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合?？臻g點(diǎn)位置在該坐標(biāo)系中合。空間點(diǎn)位置在該坐標(biāo)系中表述為（表述為（L L，B B，H H）。）。 地球直角坐標(biāo)系和地球大地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系可用圖地坐標(biāo)系可用圖2-22-2表示：表示：24GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用vWGS-84WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系（三）（三） GPS GPS坐標(biāo)系坐標(biāo)系v國際地球參考框架國際地球參考框架(ITRF)(ITRF)v北京北京5454舊坐標(biāo)系舊坐標(biāo)系v西安西安8080坐標(biāo)系坐標(biāo)系25GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 WGS-84WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù)橢球及其有關(guān)常數(shù)：WGS-84WGS-84采用的橢球是采用的橢

15、球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第1717屆大會大地測屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其量常數(shù)推薦值，其四個(gè)基本參數(shù)四個(gè)基本參數(shù) WGS-84WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系 WGS-84WGS-84的定義的定義：WGS-84WGS-84是修正是修正NSWC9Z-2NSWC9Z-2參考系參考系的原點(diǎn)和尺度變化，并旋轉(zhuǎn)其參考子午面與的原點(diǎn)和尺度變化，并旋轉(zhuǎn)其參考子午面與BIHBIH定義定義的零度子午面一致而得到的一個(gè)新參考系。的零度子午面一致而得到的一個(gè)新參考系。 WGS-84 WGS-84坐標(biāo)系的坐標(biāo)系的原點(diǎn)原點(diǎn)在地球質(zhì)心，在地球質(zhì)心，Z Z軸軸指向指向BIH1984.0BIH

16、1984.0定義的協(xié)定地球極（定義的協(xié)定地球極（CTPCTP）方向，）方向，X X軸軸指向指向BIH1984.0BIH1984.0的零度子午面和的零度子午面和CTPCTP赤道的交點(diǎn)，赤道的交點(diǎn)，Y Y軸軸和和Z Z、X X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一個(gè)地固坐標(biāo)系。軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一個(gè)地固坐標(biāo)系。 26GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用長半徑：長半徑： a=6378137 a=63781372 2（m m）；）；地球引力常數(shù)：地球引力常數(shù)： GM=3986005 GM=3986005108m3s-2108m3s-20.60.6108m3s-2108m3s-2；正?；A帶諧系數(shù)：正?；A帶諧系數(shù)

17、： C20= -484.16685 C20= -484.1668510-610-61.31.310-910-9； J2=108263 J2=10826310-810-8 地球自轉(zhuǎn)角速度：地球自轉(zhuǎn)角速度： =7292115=729211510-11rads-110-11rads-10.1500.15010-11rads-110-11rads-127GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用國際地球參考架國際地球參考架 （ITRFITRF）國際地球參考架國際地球參考架 (ITRF) (ITRF)是是IERS IERS (International Earth Rotation (International E

18、arth Rotation Service)Service)制定，由全球數(shù)百個(gè)制定，由全球數(shù)百個(gè)SLRSLR、VLBIVLBI和和GPSGPS站所構(gòu)成站所構(gòu)成IGSIGS精密星歷精密星歷 Z Z軸指向軸指向CIO CIO ，利用，利用SLRSLR、VLBIVLBI和和GPSGPS等等 技術(shù)維持技術(shù)維持. . 提供站坐標(biāo)及速度場信息提供站坐標(biāo)及速度場信息28GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用（1 1）橢球參數(shù)有較大誤差。）橢球參數(shù)有較大誤差。19541954年北京坐標(biāo)系（年北京坐標(biāo)系（BJ54BJ54） 坐標(biāo)原點(diǎn)：前蘇聯(lián)的普爾科沃。坐標(biāo)原點(diǎn)：前蘇聯(lián)的普爾科沃。 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。參考橢球：

19、克拉索夫斯基橢球。 平差方法：分區(qū)分期局部平差。平差方法：分區(qū)分期局部平差。 存在的問題：存在的問題：29（2 2）參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西）參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西 向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。（4 4）定向不明確。）定向不明確。（3 3）幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考）幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考 面不統(tǒng)一面不統(tǒng)一。GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。參考橢球：參考橢球：19751975年國際橢球。年國際橢球。19801980年國家大地坐標(biāo)系（年國家大地坐標(biāo)系（GDZ80GDZ80）

20、平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1 1）采用）采用19751975年國際橢球。年國際橢球。30（2 2）參心大地坐標(biāo)系是在）參心大地坐標(biāo)系是在19541954年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立起來的。年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立起來的。（3 3）橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)最為密合，是多點(diǎn)定位。）橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)最為密合，是多點(diǎn)定位。（4 4）定向明確。）定向明確。（5 5）大地原點(diǎn)地處我國中部。）大地原點(diǎn)地處我國中部。（6 6）大地高程基準(zhǔn)采用）大地高程基準(zhǔn)采用19561956年黃海高程。年黃海高程。GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用（四）（四） 時(shí)間系統(tǒng)

21、時(shí)間系統(tǒng)沙瓶沙瓶 - Sandglass31GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用v 世界時(shí)（世界時(shí)（UTUT）：格林尼治零子午線處的民用時(shí)稱為世界時(shí)。）：格林尼治零子午線處的民用時(shí)稱為世界時(shí)。時(shí)間系統(tǒng)的分類時(shí)間系統(tǒng)的分類v 力學(xué)時(shí)（力學(xué)時(shí)（DTDT）：根據(jù)天體動力學(xué)理論而來。）：根據(jù)天體動力學(xué)理論而來。v 原子時(shí)（原子時(shí)（ATAT）：從）：從19581958年年1 1月月1 1日世界的零時(shí)開始啟用。日世界的零時(shí)開始啟用。 v GPSGPS時(shí)（時(shí)（GPSTGPST）：由）：由GPSGPS星載原子鐘和地面監(jiān)控站原子鐘組成星載原子鐘和地面監(jiān)控站原子鐘組成32v 協(xié)調(diào)時(shí)（協(xié)調(diào)時(shí)（UTCUTC）：將原子時(shí)的秒

22、長和世界時(shí)的時(shí)刻結(jié)合。）：將原子時(shí)的秒長和世界時(shí)的時(shí)刻結(jié)合。 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 第三部分第三部分衛(wèi)星運(yùn)動基礎(chǔ)及衛(wèi)星運(yùn)動基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷 u 概述概述u 衛(wèi)星的無攝運(yùn)動衛(wèi)星的無攝運(yùn)動u 衛(wèi)星的受攝運(yùn)動衛(wèi)星的受攝運(yùn)動u GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷33GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 軌道軌道：衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡。：衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡。 軌道參數(shù)軌道參數(shù)：描述衛(wèi)星位置及狀態(tài)的參數(shù)；軌道參數(shù)：描述衛(wèi)星位置及狀態(tài)的參數(shù)；軌道參數(shù) 取決于衛(wèi)星所受到的各種力的作用。取決于衛(wèi)星所受到的各種力的作用。3.1 概概 述述一、衛(wèi)星在空間的瞬時(shí)位置一、衛(wèi)星在空間的瞬時(shí)位置34GPS原理及其應(yīng)用

23、原理及其應(yīng)用 衛(wèi)星的受力情況：衛(wèi)星的受力情況：地球的引力地球的引力 日月引力日月引力 潮汐力潮汐力 大氣阻力大氣阻力 光壓力光壓力 均質(zhì)球體引力均質(zhì)球體引力非均勻球形部分引力非均勻球形部分引力第一類力第一類力：地球的質(zhì)心引力：地球的質(zhì)心引力中心引力中心引力第二類力第二類力：攝動力：攝動力非中心引力，包括地球引非中心引力，包括地球引 力場攝動力（地球非球形對稱引起）、力場攝動力（地球非球形對稱引起）、 日月引力、大氣阻力、太陽光壓、地球日月引力、大氣阻力、太陽光壓、地球 潮汐力等。潮汐力等。35GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用無攝運(yùn)動無攝運(yùn)動（二體問題）：僅考慮（二體問題）：僅考慮地球的質(zhì)心引力地

24、球的質(zhì)心引力 研究衛(wèi)星相對于地球的運(yùn)動。在天體力研究衛(wèi)星相對于地球的運(yùn)動。在天體力 學(xué)中，稱之為學(xué)中，稱之為二體問題二體問題。無攝軌道無攝軌道：理想的衛(wèi)星軌道。：理想的衛(wèi)星軌道。受攝運(yùn)動受攝運(yùn)動：在考慮第一類力（：在考慮第一類力（中心引力中心引力）的同時(shí)）的同時(shí) 也考慮第二類力（也考慮第二類力（攝動力攝動力）的影響來）的影響來 研究地球的運(yùn)動。研究地球的運(yùn)動。受攝軌道受攝軌道：在受攝運(yùn)動下所運(yùn)行的軌跡。：在受攝運(yùn)動下所運(yùn)行的軌跡。 二、衛(wèi)星的運(yùn)動二、衛(wèi)星的運(yùn)動返回返回36GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 衛(wèi)星圍繞著地球運(yùn)行，作衛(wèi)星圍繞著地球運(yùn)行，作二體問題二體問題研究，必須滿研究，必須滿足以下條

25、件：足以下條件： 必須在必須在慣性系慣性系下考慮問題。下考慮問題。 衛(wèi)星作為衛(wèi)星作為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)。衛(wèi)星的體積小，與其到地球的。衛(wèi)星的體積小，與其到地球的 距離相比，可忽略不計(jì)，即距離相比，可忽略不計(jì)，即衛(wèi)星可作為質(zhì)點(diǎn)計(jì)衛(wèi)星可作為質(zhì)點(diǎn)計(jì)。 地球作為地球作為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)。地球可分成均質(zhì)地球和非均質(zhì)。地球可分成均質(zhì)地球和非均質(zhì) 地球兩部分。均質(zhì)地球?qū)ν獠奎c(diǎn)的引力等于球地球兩部分。均質(zhì)地球?qū)ν獠奎c(diǎn)的引力等于球 心質(zhì)點(diǎn)的引力。因此，如果把非均質(zhì)地球的引心質(zhì)點(diǎn)的引力。因此，如果把非均質(zhì)地球的引 力作為攝動力的話，力作為攝動力的話，均質(zhì)地球可作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)均質(zhì)地球可作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。3.2 衛(wèi)星的無攝運(yùn)動衛(wèi)星的無攝運(yùn)動3

26、7GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 目的意義目的意義均質(zhì)球體引力均質(zhì)球體引力決定著衛(wèi)星運(yùn)動的決定著衛(wèi)星運(yùn)動的主要規(guī)律主要規(guī)律和和 特征特征，它是，它是衛(wèi)星運(yùn)動的近似描述衛(wèi)星運(yùn)動的近似描述；二體問題是二體問題是惟一惟一能得到能得到嚴(yán)密解嚴(yán)密解的問題，而的問題，而多多 體問題體問題還還不能不能得到嚴(yán)密解；得到嚴(yán)密解；二體問題是二體問題是精確研究衛(wèi)星運(yùn)動的基礎(chǔ)精確研究衛(wèi)星運(yùn)動的基礎(chǔ)。 38GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.3 衛(wèi)星的受攝運(yùn)動衛(wèi)星的受攝運(yùn)動攝動力對攝動力對GPS 定位的影響定位的影響39GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用衛(wèi)星在攝動力的作用下，會產(chǎn)生攝動改正。衛(wèi)星在攝動力的作用下，會產(chǎn)生攝動改

27、正。 a， e， ， i， ， V（M）dtda，dtde，dtd，dtdi，dtd，dtdM （為六參數(shù)的變化率）（為六參數(shù)的變化率） t0時(shí)刻：（時(shí)刻：（a0，e0，0，i0，0， M0）均已知）均已知t時(shí)刻：（時(shí)刻：（a，e，i， M）待求。）待求。 t=t- t0a=a=dtdat t a= a0+a 在受攝力的作用下，在受攝力的作用下，軌道參數(shù)軌道參數(shù)是時(shí)間的一個(gè)是時(shí)間的一個(gè)變量函數(shù)變量函數(shù)。在二體問題下，。在二體問題下，加上各項(xiàng)攝動改正加上各項(xiàng)攝動改正，就可得到任一時(shí)刻比較精確的軌道參數(shù)。就可得到任一時(shí)刻比較精確的軌道參數(shù)。 返回返回40GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3.4 GPS

28、衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷GPS衛(wèi)星星歷：描述衛(wèi)星運(yùn)動軌道的信息（一組對衛(wèi)星星歷：描述衛(wèi)星運(yùn)動軌道的信息（一組對 應(yīng)某一時(shí)刻的軌道參數(shù)及其變化率）。應(yīng)某一時(shí)刻的軌道參數(shù)及其變化率）。一、預(yù)報(bào)星歷一、預(yù)報(bào)星歷預(yù)報(bào)星歷預(yù)報(bào)星歷：通過衛(wèi)星發(fā)射的：通過衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息含有軌道信息的導(dǎo)航電的導(dǎo)航電 文傳遞給用戶的，用戶接收機(jī)接收到這文傳遞給用戶的，用戶接收機(jī)接收到這 些信號，經(jīng)過解碼器便可獲得所需要的些信號，經(jīng)過解碼器便可獲得所需要的 衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷（通常包括相對（通常包括相對某一參考?xì)v元某一參考?xì)v元 的的開普勒軌道參數(shù)開普勒軌道參數(shù)和必要的和必要的軌道攝動改軌道攝動改 正項(xiàng)參數(shù)正項(xiàng)參數(shù)，它是根據(jù)監(jiān)測站約

29、一周的觀，它是根據(jù)監(jiān)測站約一周的觀 測資料推算的）。測資料推算的）。41GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)。：實(shí)時(shí)。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：精度較低，一般約：精度較低，一般約20-40m.預(yù)報(bào)星歷的內(nèi)容包括：預(yù)報(bào)星歷的內(nèi)容包括： 參考?xì)v元瞬間的參考?xì)v元瞬間的開普勒開普勒6個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)， 反映反映攝動力影響的攝動力影響的9個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)， 以及以及參考時(shí)刻參考時(shí)刻和和星歷數(shù)據(jù)齡期星歷數(shù)據(jù)齡期， 共計(jì)共計(jì)17個(gè)星歷參數(shù)。個(gè)星歷參數(shù)。42GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用年年11月月9日日 2時(shí)時(shí)0秒秒199743GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用二、后處理星歷二、后處理星歷后處理星歷：根據(jù)后處理星歷：根據(jù)地面跟

30、蹤站地面跟蹤站所獲得的所獲得的精密觀測資精密觀測資 料計(jì)算料計(jì)算而得到的星歷，是一種不包含而得到的星歷，是一種不包含 外推誤差的外推誤差的實(shí)測星歷實(shí)測星歷。監(jiān)測站監(jiān)測站如：在我國領(lǐng)土內(nèi)，有一些高精如：在我國領(lǐng)土內(nèi)，有一些高精 度坐標(biāo)的地面控制點(diǎn)，用地度坐標(biāo)的地面控制點(diǎn)，用地 面點(diǎn)交會出面點(diǎn)交會出t時(shí)刻衛(wèi)星的精確時(shí)刻衛(wèi)星的精確 位置。這種星歷不是通過位置。這種星歷不是通過GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文向用戶傳遞，衛(wèi)星的導(dǎo)航電文向用戶傳遞， 而是利用磁帶或通過電視、而是利用磁帶或通過電視、電電 傳、衛(wèi)星通訊等方式有償?shù)膫?、衛(wèi)星通訊等方式有償?shù)臑闉?所需要的用戶服務(wù)。所需要的用戶服務(wù)。 44GPS原理及其應(yīng)

31、用原理及其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 軌道參數(shù)非常準(zhǔn)確，也稱精密星歷。軌道參數(shù)非常準(zhǔn)確，也稱精密星歷。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 不能做到實(shí)時(shí)。不能做到實(shí)時(shí)。后處理星歷的編制和傳送過程：后處理星歷的編制和傳送過程：建立衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)建立衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)計(jì)算衛(wèi)星星歷計(jì)算衛(wèi)星星歷用磁帶或通過電視、電傳、衛(wèi)星通訊等方式，用磁帶或通過電視、電傳、衛(wèi)星通訊等方式，向用戶提供以往觀測時(shí)刻的星歷。向用戶提供以往觀測時(shí)刻的星歷。45GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用第四部分第四部分 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號 4.1 GPS4.1 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文衛(wèi)星導(dǎo)航電文4.2 G

32、PS4.2 GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號4.3 GPS4.3 GPS接收機(jī)基本工作原理接收機(jī)基本工作原理46GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用4.1 GPS4.1 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星的導(dǎo)航電文GPSGPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（簡稱衛(wèi)星衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（簡稱衛(wèi)星電文又叫數(shù)據(jù)碼（電文又叫數(shù)據(jù)碼（D D碼）：碼）：是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它主要包括：衛(wèi)星據(jù)基礎(chǔ)。它主要包括：衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)星歷、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延碼轉(zhuǎn)換到捕獲延碼轉(zhuǎn)換到捕獲P P碼的信息。碼的信息。 它的基本單位是長它的基本單位是長1500bit1500bit的的一個(gè)主幀（如圖一個(gè)主幀（如圖4-14-

33、1所示），所示），傳輸速率是傳輸速率是50bit/s,3050bit/s,30秒鐘秒鐘傳送完畢一個(gè)主幀。一個(gè)主傳送完畢一個(gè)主幀。一個(gè)主幀包括幀包括5 5個(gè)子幀，第個(gè)子幀，第1 1、2 2、3 3子幀每子幀每3030秒鐘重復(fù)一次，內(nèi)秒鐘重復(fù)一次，內(nèi)容每小時(shí)更新一次。第容每小時(shí)更新一次。第4 4、5 5子幀的全部信息則需要子幀的全部信息則需要750750秒秒鐘才能夠傳送完。即第鐘才能夠傳送完。即第4 4、5 5子幀是子幀是12.512.5分鐘播完一次，分鐘播完一次，然后再重復(fù)之，其內(nèi)容僅在然后再重復(fù)之，其內(nèi)容僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。得以更新。 47GPS原理及

34、其應(yīng)用原理及其應(yīng)用4.1.14.1.1遙測碼（遙測碼（TLWTLW，即，即Telemetry WordTelemetry Word）遙測碼位于各子幀的開頭遙測碼位于各子幀的開頭，它用來表明衛(wèi)星注入，它用來表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)，以次指示用戶是否選用該顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的狀態(tài)，以次指示用戶是否選用該顆衛(wèi)星。4.1.24.1.2轉(zhuǎn)換碼（轉(zhuǎn)換碼（HOW,HOW,即即Hand Over WordHand Over Word）轉(zhuǎn)換碼位于轉(zhuǎn)換碼位于每個(gè)子幀的第二個(gè)字碼每個(gè)子幀的第二個(gè)字碼，其作用是提，其作用是提供幫助用戶從所捕獲的供幫助用戶從所捕獲的C/AC/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲碼轉(zhuǎn)換到捕獲P P碼的碼的Z Z計(jì)數(shù)，它

35、表示從每星期天零時(shí)到星期六計(jì)數(shù)，它表示從每星期天零時(shí)到星期六2424小時(shí)小時(shí)，P P碼子碼碼子碼X1X1的周期（的周期（1.51.5秒）重復(fù)數(shù)。秒）重復(fù)數(shù)。48GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用4.1.34.1.3第一數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊 WNWN衛(wèi)星時(shí)間計(jì)數(shù)器衛(wèi)星時(shí)間計(jì)數(shù)器 調(diào)制碼標(biāo)識調(diào)制碼標(biāo)識 URAURA衛(wèi)星測距精度衛(wèi)星測距精度 表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)是否正常表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)是否正常 T TGDGD電離層延遲改正參數(shù)電離層延遲改正參數(shù) AODCAODC時(shí)鐘數(shù)據(jù)齡期時(shí)鐘數(shù)據(jù)齡期 toctoc衛(wèi)星時(shí)鐘參數(shù)對應(yīng)的參考時(shí)刻衛(wèi)星時(shí)鐘參數(shù)對應(yīng)的參考時(shí)刻 衛(wèi)星鐘改正參數(shù)衛(wèi)星鐘改正參數(shù)49GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用4.1

36、.4 4.1.4 第二數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊包含第包含第2 2和第和第3 3子幀，其內(nèi)容表示子幀，其內(nèi)容表示GPSGPS衛(wèi)星衛(wèi)星的星歷，這些數(shù)據(jù)為用戶提供了有關(guān)的星歷，這些數(shù)據(jù)為用戶提供了有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)動位置的信息。描述衛(wèi)星計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)動位置的信息。描述衛(wèi)星的運(yùn)行及其軌道的參數(shù)包括下列三類的運(yùn)行及其軌道的參數(shù)包括下列三類。（如圖。（如圖4-24-2所示）所示）1.1.開普勒六參數(shù)開普勒六參數(shù)這這6 6個(gè)參數(shù)為：個(gè)參數(shù)為： ，e,i0,0e,i0,0，M M0 0 2.2.軌道攝動九參數(shù)軌道攝動九參數(shù)這這9 9個(gè)參數(shù)為：個(gè)參數(shù)為：nn， , , ，Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,CisCuc,C

37、us,Crc,Crs,Cic,Cis（其含義同（其含義同 3.43.4）3.3.時(shí)間二參數(shù)時(shí)間二參數(shù)(1)(1)從星期日子夜零點(diǎn)開始度量的星歷參從星期日子夜零點(diǎn)開始度量的星歷參考時(shí)刻考時(shí)刻toetoe；(2)(2)星歷表的數(shù)據(jù)齡期星歷表的數(shù)據(jù)齡期AODEAODE，有，有: :AODEAODEtoe-t1toe-t1式中式中t1t1為作預(yù)報(bào)星歷測量的最后觀測時(shí)間為作預(yù)報(bào)星歷測量的最后觀測時(shí)間，因此，因此AODEAODE就是預(yù)報(bào)星歷的外推時(shí)間就是預(yù)報(bào)星歷的外推時(shí)間長度。長度。a50GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用4.1.5 4.1.5 第三數(shù)據(jù)塊（歷書數(shù)據(jù)）第三數(shù)據(jù)塊（歷書數(shù)據(jù)） 1-241-24顆

38、衛(wèi)星的歷書（概略星歷）顆衛(wèi)星的歷書（概略星歷） 衛(wèi)星健康狀況和衛(wèi)星健康狀況和GPSGPS星期編號星期編號 識別符識別符 25-3225-32顆衛(wèi)星的歷書顆衛(wèi)星的歷書 反電子欺騙的特征符反電子欺騙的特征符 電離層延時(shí)改正模型電離層延時(shí)改正模型51GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用Global Positioning System524.2 GPS衛(wèi)星信號衛(wèi)星信號一、概述一、概述1、GPS是一種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)是一種無線電導(dǎo)航系統(tǒng) 觀測量是時(shí)間延遲或載波變化周數(shù)觀測量是時(shí)間延遲或載波變化周數(shù) GPS信號包含三種成分：數(shù)據(jù)碼（信號包含三種成分：數(shù)據(jù)碼（D碼）、測距碼（碼）、測距碼（C/A碼和碼和P碼）、載

39、波信號（碼）、載波信號（L1和和L2）GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用Global Positioning System532、GPS信號應(yīng)滿足的要求信號應(yīng)滿足的要求 GPS衛(wèi)星廣播信號能實(shí)現(xiàn)保密通訊，提高抗干衛(wèi)星廣播信號能實(shí)現(xiàn)保密通訊，提高抗干擾能力擾能力 能對各衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行區(qū)分選擇能對各衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行區(qū)分選擇 實(shí)現(xiàn)精密定位和實(shí)時(shí)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)精密定位和實(shí)時(shí)導(dǎo)航GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用Global Positioning System54二、二、 C/A碼與碼與P碼碼 測距碼是用于測定衛(wèi)星至接收機(jī)間的距離的二進(jìn)制碼測距碼是用于測定衛(wèi)星至接收機(jī)間的距離的二進(jìn)制碼。 GPS衛(wèi)星采用兩種測距碼，即衛(wèi)星采用兩種測距碼，即C/A碼和碼和P碼，它們均碼，它們均屬于偽隨機(jī)碼。屬于偽隨機(jī)碼。 C/A碼也稱粗碼，碼也稱粗碼，P碼也稱精碼。各衛(wèi)星所采用的測碼也稱精碼。各衛(wèi)星所采用的測距碼互不相同且互相正交距碼互不相同且互相正交GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用Global Positioning System551、C/A碼碼定義定義：用于分址、搜捕衛(wèi)星信號和粗測距，是具有一定抗干擾能力用于分址、搜捕衛(wèi)星信號和粗測距，是具有一定