第三篇 衛(wèi)星導(dǎo)航

第三篇衛(wèi)星導(dǎo)航原理§3.1衛(wèi)星導(dǎo)航基本設(shè)計思想§3.2GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述§3.3GPS的時空參考系統(tǒng)§3.4GPS衛(wèi)星位置計算§3.5GPS衛(wèi)星的星歷§

3.6由衛(wèi)星預(yù)報星歷計算GPS衛(wèi)星坐標(biāo)§3.1衛(wèi)星導(dǎo)航基本設(shè)計思想的由來

1957年10月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星上天．當(dāng)時美國約翰·霍普金斯大學(xué)(JohnsHpkinsUniversity)應(yīng)用物理實驗室的研究人員格亦爾(william

H.Guier)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)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，接收頻率比發(fā)射頻率要低。這種現(xiàn)象稱為“多普勒效應(yīng)”，衛(wèi)星發(fā)射頻率與地面觀測站接收到的頻率之差稱為“多普勒頻移”。

后來，在該應(yīng)用物理實驗室工作的另外兩名研究人員FrankT.Mcclure博士和RichardB.Kershner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，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，便可以確定出觀測者在地球上的位置。這就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本設(shè)計思想。地面站（位置）衛(wèi)星（軌道、頻率）多普勒頻移測量研究人員進(jìn)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，于是便建立了一個地面站對衛(wèi)星進(jìn)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普勒頻移曲線來測定衛(wèi)星的運行軌道并獲得試驗成功。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)星天線電波中的多普勒頻移，就可以確定出衛(wèi)星的軌道。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)航臺放在人造地球衛(wèi)星上罷了。目前影響最大的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。另外還有歐空局的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、我國的北斗II衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、日本“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及印度的衛(wèi)星導(dǎo)航計劃?！?.2GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述3.2.1GPS定位技術(shù)的發(fā)展1957年10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(jìn)行定位和導(dǎo)航的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美國軍用艦艇服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“navynavigationsatellitesystem(NNSS)”,1964年1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)。第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

的局限性

1.衛(wèi)星少，不能實時定位。2.軌道低，難以精密定軌。

3.頻率低，難以補償電離層效應(yīng)的影響。GPS(GlobalPositioningSystem)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。?1973年12月美國開始建立新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GPS全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem)?該系統(tǒng)分三個階段進(jìn)行：1.論證方案階段：1973年12月組成聯(lián)合辦公室。

2.工程研制階段：1978年2月22日第一顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。第二、三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：3.生產(chǎn)作業(yè)階段：1989年2月14日第一顆GPS工作衛(wèi)星

發(fā)射成功。

1994年6月完成第二代衛(wèi)星發(fā)射。1996年開始發(fā)射第三代（BlockIIR)

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BlockI111978~1984試驗性第二代BlockIIBlockIIA281989~1994正式工作第三代BlockIIIBlockIIR2020世紀(jì)末90年代改進(jìn)GPS系統(tǒng)GPS衛(wèi)星發(fā)射情況GPSBLOCKIIR衛(wèi)星：(一)GPS相對于其它導(dǎo)航系統(tǒng)的特點

1.全球地面連續(xù)覆蓋。

2.功能多，精度高。

3.實時定位速度快。

4.抗干擾性能好，保密性強。二、GPS的特點(二)GPS應(yīng)用于定位方面的特點

1.觀測站之間無需通視。

2.定位精度高。

3.觀測時間短。

4.提供三維坐標(biāo)。

5.操作簡便。

6.全天候作業(yè)。3.2.2GPS定位系統(tǒng)的組成

GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L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，并計算出接收機天線所在的位置。因此，GPS定位系統(tǒng)是由以下三個部分組成：（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）（3）GPS信號接收機（用戶設(shè)備部分）。這三部分有各自獨立的功能和作用，對于整個全球定位系統(tǒng)來說，它們都是不可缺少的。GPS衛(wèi)星星座組成共24顆衛(wèi)星，其中3顆備用，分布在6個軌道面上。軌道面相對地球赤道面的傾角為55度，各軌道平面升交點赤經(jīng)相差60度，相鄰軌道上衛(wèi)星的升交距角相差30度。軌道平均高度約20200km，運行周期11h58m。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4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5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4顆，最多達(dá)11顆。GPS系統(tǒng)的空間部分由GPS衛(wèi)星組成，稱為衛(wèi)星星座。衛(wèi)星星座的分布設(shè)置要保證地球上任何地點，任何時刻可以同時觀測到高度角15度以上的至少四顆衛(wèi)星。GPS星座參數(shù)衛(wèi)星：24顆軌道：面6個長半軸：26609km偏心率：0.01軌道面相對赤道面的傾角：55°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：30°衛(wèi)星高度：20200km衛(wèi)星運行周期：11小時58分鐘GPS衛(wèi)星的基本功能1接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，。2利用衛(wèi)星上的微處理機，對部分必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3通過星載的原子鐘提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)。4向用戶發(fā)送定位信息。5接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和軌道修正，或啟用備用衛(wèi)星。GPS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PRN編號（偽隨機噪聲碼）GPS地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的5個地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（5個）、主控站（1個）和注入站（3個）1、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GPS接收機、高精度原子鐘、計算機1臺和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測資料由計算機進(jìn)行初步處理，存儲并傳輸?shù)街骺卣荆源_定衛(wèi)星軌道。2、主控站除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站。2）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，測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送入注入站。3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運行。4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。3、注入站：主要設(shè)備為1臺直徑3.6m的天線、1臺S波段發(fā)射機和1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。整個GPS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)化。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L1L2S波段GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星GPS地面控制部分的作用負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作：監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌道運行跟蹤計算衛(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)送給用戶保持各顆衛(wèi)星的時間同步必要時對衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度GPS用戶設(shè)備部分GPS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(jìn)行導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)，而用戶只有使用GPS接收機才能實現(xiàn)其定位、導(dǎo)航的目的。用戶部分組成

GPS信號接收機及相關(guān)設(shè)備GPS接收機接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的無線電設(shè)備GPS接收機的組成天線、接收機、處理器、控制顯示單元、電源GPS接收機的作用接收GPS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)處理而完成定位工作3.2.3美國對利用GPS的限制政策美國實行所謂“選擇可用性”—SA政策(SelectiveAvailability)提供兩種定位服務(wù)方式：

1.精密定位服務(wù)(PPS)—P碼(精碼)2.標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)—C/A碼(粗碼)（二)用戶擺脫SA限制政策的措施：

1.建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)；

2.加強GPS差分定位技術(shù)的研究與開發(fā)；

3.開發(fā)GPS/GLONASS兼容接收機

4.建立獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)?！?.3GPS的時空參考系統(tǒng)GPS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。因此首先要確定坐標(biāo)系基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是GPS的基本參考系統(tǒng)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)3.3.1坐標(biāo)系參考系統(tǒng)GPS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GPS衛(wèi)星在其軌道上的運動規(guī)律，選擇不隨地球自轉(zhuǎn)的地心坐標(biāo)系是方便的。在GPS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定位，因此引用與地球固聯(lián)的坐標(biāo)系是必要的。對于GPS衛(wèi)星，坐標(biāo)基準(zhǔn)是天球坐標(biāo)系對于用戶，坐標(biāo)基準(zhǔn)是地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系原點Z軸X軸標(biāo)準(zhǔn)歷元平天球坐標(biāo)系（CIS協(xié)議天球系）地心標(biāo)準(zhǔn)歷元平天極平春分點瞬時平赤道天球坐標(biāo)系地心瞬時平天極瞬時平春分點瞬時真赤道坐標(biāo)系地心瞬時真天極瞬時真春分點地球坐標(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(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。二種地球坐標(biāo)系之間可以進(jìn)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(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換GPS衛(wèi)星的參考系是WGS-84坐標(biāo)系，是一種地固坐標(biāo)系3.3.2GPS的時間參考系統(tǒng)在GPS定位系統(tǒng)技術(shù)中，要研究分析人造天體GPS衛(wèi)星、GPS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)來精確刻畫研究對象的運動狀態(tài)（位置、速度、姿態(tài)等）。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，而原點可以根據(jù)實際應(yīng)用加以選定。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)具備連續(xù)性、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。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)。恒星時（ST）、平太陽時（MT）、世界時（UT）原子時（AT）協(xié)調(diào)世界時（UTC）GPS時間系統(tǒng)（GPST）地球動力學(xué)時（TDT）§3.4GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星軌道參數(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)稱為衛(wèi)星軌道參數(shù)。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。稱為開普勒軌道參數(shù)（軌道根數(shù)）。a——橢圓軌道長半軸e——橢圓離心率升交點赤經(jīng)軌道面傾角近地點角距真近點角在衛(wèi)星的6個軌道參數(shù)中，前5個是常量，不隨時間變化而變化，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f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)f。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)：一個是偏近點角E，另一個是平近點角M。偏近點角E：由近地點P至S‘的圓弧所對應(yīng)的圓心角即為衛(wèi)星S所對應(yīng)的偏近點角。僅當(dāng)衛(wèi)星位于近地點和遠(yuǎn)地點時，偏近點角E與真近點角f的數(shù)值是相同的。在其他位置，偏近點角E與真近點角f是不同的。由圖，得到E和f的關(guān)系式：將上式兩端平方，再相加，得到上式即為以偏近點角E為自變量的軌道方程。由上述三個式子，可得平近點角軌道直角坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點O在地心，X軸指向橢圓軌道近地點P，Y軸為軌道橢圓的短軸，Z軸為軌道橢圓的法向。平近點角：以tp作為起始時刻，在時刻t，衛(wèi)星以平均角速度n繞地心在軌道平面中轉(zhuǎn)過的角度M，稱為平近點角。平近點角與偏近點角的關(guān)系：開普勒方程計算真近點角f思路：通過平近點角計算偏近點角，由偏近點角計算真近點角。上式是一個超越方程，不易由M直接求得E。一般采用迭代算法，迭代法的初值可近似取GPS衛(wèi)星的瞬時位置思路：對于任意觀測歷元t，根據(jù)衛(wèi)星的平均運行速度n，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t相對于地球的瞬時空間位置。軌道直角坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置軌道直角坐標(biāo)系下，GPS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GPS衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系中的位置。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3個軌道參數(shù)來確定。由軌道直角坐標(biāo)系繞Zs軸轉(zhuǎn)過角，再繞Xo軸轉(zhuǎn)過角，最后繞Zo軸轉(zhuǎn)過角，則軌道直角坐標(biāo)系就與天球坐標(biāo)系重合了。地球坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置瞬時地球直角坐標(biāo)系和天球坐標(biāo)系的關(guān)系§3.5GPS衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星星歷：描述任一時刻t，衛(wèi)星在空間的位置的一組參數(shù)稱為衛(wèi)星星歷。GPS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）。GPS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toe的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動改正項參數(shù)。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)過解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷。在衛(wèi)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GPS監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星約一周