GPS測量技術(shù)第一章第二章

課程內(nèi)容GPS衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展概況；GPS系統(tǒng)的組成；衛(wèi)星運行軌道及GPS星歷；GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號；GPS衛(wèi)星定位基本原理；GPS測量的誤差來源及其影響；坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)；GPS測量的設(shè)計與實施；GPS測量數(shù)據(jù)處理；GPS實時動態(tài)定位原理；GPS應(yīng)用。什么是GPS？GPS的英文全稱是

NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem

簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTARGPS。其意為“導(dǎo)航衛(wèi)星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，或簡稱全球定位系統(tǒng)。項目一：GPS測量技術(shù)概述任務(wù)一：衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)任務(wù)二：GPS系統(tǒng)概述1-2-1GPS系統(tǒng)組成1-2-2GPS衛(wèi)星運行及其軌道1-2-3GPS衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星位置的計算1-2-4GPS衛(wèi)星信號及信號接收機任務(wù)一：衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)常規(guī)定位方法及其局限性衛(wèi)星定位技術(shù)概況衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)美國的GPS政策及各國的應(yīng)對措施我國的國家GPS大地控制網(wǎng)1.1常規(guī)定位方法及其局限性近、現(xiàn)代的常規(guī)定位方法采用的儀器設(shè)備尺：銦鋼尺光學(xué)儀器：經(jīng)緯儀，水準儀電磁波或激光儀器：測距儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀觀測值角度或方向觀測距離觀測天文觀測方法

常規(guī)定位方法的局限性測站間需保持通視需要修建覘標邊長受到限制作業(yè)難度大效率低：無用的中間過渡點無法同時精確確定點的三維坐標觀測受氣候、環(huán)境條件限制受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光難以建立地心坐標需事先布設(shè)大量控制點/地面站1.2衛(wèi)星定位技術(shù)概況1.2.1衛(wèi)星定位技術(shù)的產(chǎn)生標志：1957年，蘇聯(lián)成功發(fā)射世界上第一顆人造衛(wèi)星。背景：衛(wèi)星定位技術(shù)提供精確的地心坐標提供全球統(tǒng)一的坐標能在長距離上進行高精度定位的技術(shù)全天候的，更為快捷、精確、簡便的定位技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ)：衛(wèi)星定位技術(shù)空間技術(shù)現(xiàn)代通信技術(shù)現(xiàn)代電子技術(shù)計算機技術(shù)1.2.2衛(wèi)星定位技術(shù)

早期的衛(wèi)星定位技術(shù)是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的。僅僅將衛(wèi)星作為空間測量目標，后來發(fā)展到了把衛(wèi)星作為動態(tài)已知點的高級階段。早期衛(wèi)星定位技術(shù)子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（NNSS）全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星激光測距(SCR)(SatelliteLaserRanging)在ABC三個已知點上同時測定至衛(wèi)星S1的三個距離，可以計算出S1的空間坐標；同理可測定S2、S3的坐標。在未知點D上和ABC三點同步觀測衛(wèi)星S1、S2、S3的距離值，同樣可以計算出D點的坐標。

測距及相對定位精度可達厘米級。

儀器構(gòu)成：激光發(fā)射、接收望遠鏡，衛(wèi)星跟蹤望遠鏡，光電轉(zhuǎn)換器件，計數(shù)器，驅(qū)動機構(gòu)，控制部分等。

測程：50M~8000KM

測距精度：厘米級衛(wèi)星定位技術(shù)的優(yōu)點：測站間無須通視；

既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu)，這一直是經(jīng)典測量技術(shù)在實踐方面的困難問題之一。衛(wèi)星定位技術(shù)不要求觀測站之間相互通視，因而不再需要建造覘標，這一優(yōu)點既可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間，同時也使點位的選擇變得甚為靈活。數(shù)學(xué)模型簡單且能同時確定點的三維坐標；待定點的三維坐標只要兩組方程就可以求得，不涉及重力場、橢球面上的復(fù)雜運算。易于實現(xiàn)全天候的觀測。

GPS觀測工作，可以在任何地點，任何時間連續(xù)地進行，一般也不受天氣狀況的影響。在長距離上仍可獲得高精度的定位結(jié)果。利用空間技術(shù)進行相對定位時，其觀測值的精度與測站間的間距基本無關(guān)，即使在數(shù)千公里的長邊上仍能獲得厘米級甚至毫米級的定位精度。子午衛(wèi)星系統(tǒng)（衛(wèi)星多普勒系統(tǒng)）系統(tǒng)簡介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）采用利用多普勒效應(yīng)進行導(dǎo)航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)美國研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導(dǎo)航定位信號（信號：4.9996MHz30=149.988MHz；4.9996MHz80=399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座–由6顆衛(wèi)星構(gòu)成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺用戶部分多普勒接收機大地測量多普勒接收機-1（MX1502）大地測量多普勒接收機-2（CMA751）應(yīng)用領(lǐng)域海上船舶的定位大地測量精度單點定位：15次合格衛(wèi)星通過（兩次通過之間的時間間隔為0.8h~1.6h），精度約為10m聯(lián)測定位：各站共同觀測17次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m子午衛(wèi)星系統(tǒng)局限性系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測時間和間隔時間長，無法提供實時導(dǎo)航定位服務(wù)導(dǎo)航定位精度低衛(wèi)星信號頻率低，不利于補償電離層折射效應(yīng)的影響衛(wèi)星軌道低，難以進行精密定軌1.3衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPSGLONASSGalileo北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)1.3.1GPS1973年批準研制GPS系統(tǒng)；1974~1993先后經(jīng)歷了方案論證、系統(tǒng)論證、生產(chǎn)試驗三個階段。GPS的發(fā)展簡史——方案論證階段1973年12月，美國國防部批準研制GPS。1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。GPS的發(fā)展簡史——全面研制和試驗階段從1979年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設(shè)計標準。22GPS的發(fā)展簡史——實用組網(wǎng)階段1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。1993年底實用的GPS網(wǎng)，即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

1995年7月17日，GPS達到FOC–完全運行能力（FullOperationalCapability）。23GPS衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星

GPS衛(wèi)星星座24顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道面?zhèn)€數(shù)6個，衛(wèi)星高度20200KM，軌道傾角55度，運行周期11小時58分，載波頻率為1575和1227MHZ，GPS衛(wèi)星在軌重量為843.68KG，設(shè)計壽命七年半。

GPS技術(shù)的特點全球地面連續(xù)覆蓋

GPS衛(wèi)星數(shù)目較多，且分布合理，地球上任何地點，均可連續(xù)同步觀測到4顆衛(wèi)星，實現(xiàn)了全球、全天候連續(xù)實時地三維定位。功能多，精度高GPS可為各類用戶連續(xù)地提供動態(tài)目標的三維位置、三維速度和時間信息。實時定位應(yīng)用廣泛GPS系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、變形測量、地籍測量、航空攝影測量和海上測繪等。1.3.2GLONASSGLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）開發(fā)者俄羅斯（前蘇聯(lián)）系統(tǒng)構(gòu)成衛(wèi)星星座地面控制部分用戶設(shè)備GLONASS衛(wèi)星運行狀況

從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至1995年12月14日共發(fā)射了73顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經(jīng)濟狀況欠佳，無法及時補充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。到目前為止（2010年）,GLONASS系統(tǒng)共有26顆衛(wèi)星在軌。其中有21顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，2顆備用，3顆維護。目前，GLONASS系統(tǒng)新發(fā)射衛(wèi)星上新增CDMA信號，提高其與其它系統(tǒng)的互操作性。近十年來GLONASS在軌衛(wèi)星數(shù)目變化情況GLONASSconstellationGLONASSsatelliteP24GLONASSconstellationGLONASS與GPS的比較參數(shù)GLONASSNAVSTARGPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)21＋321＋3軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8°55°軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min12h衛(wèi)星信號的區(qū)分FDMACDMAL1頻率1602~1615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率1246~1256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHzGLONASS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的比較一是衛(wèi)星發(fā)射頻率不同。GPS的衛(wèi)星信號采用碼分多址體制。而GLONASS采用頻分多址體制，GLONASS可以防止整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時被敵方干擾，因而，具有更強的抗干擾能力。二是坐標系不同。GPS使用世界大地坐標系（WGS-84），而GLONASS使用前蘇聯(lián)地心坐標系（PE-90）。三是時間標準不同。GPS系統(tǒng)時與世界協(xié)調(diào)時相關(guān)聯(lián)，而GLONASS則與莫斯科標準時相關(guān)聯(lián)。31GLONASS系統(tǒng)的問題目前GLONASS工作不穩(wěn)定，衛(wèi)星工作壽命短；GLONASS用戶設(shè)備發(fā)展緩慢，生產(chǎn)廠家少，設(shè)備體積大而笨重；由于GLONASS采用的是FDMA，所以用戶接收機中頻率綜合器復(fù)雜；對GPS/GLONASS兼容接收機，需解決兩系統(tǒng)的時間和坐標系統(tǒng)問題。1.3.3Galileo伽俐略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進展2002年3月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——Galileo系統(tǒng)2005年12月28日第一顆Galileo試驗衛(wèi)星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功進入高度為2.3萬Km的預(yù)定軌道。2006年1月12日，GlOVE-A已開始向地面發(fā)送信號。這標志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計劃已進入實施階段。預(yù)計到2015年歐洲將發(fā)射30顆服役期約為20年的正式衛(wèi)星，完成伽利略衛(wèi)星星座的部署工作。Galileo系統(tǒng)概況Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為56°。Galileo系統(tǒng)是一種多功能的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有公開服務(wù)、安全服務(wù)、商業(yè)服務(wù)和政府服務(wù)等功能，但只有前兩種服務(wù)是自由公開的，后兩種服務(wù)則需經(jīng)過批準后才能使用。伽利略系統(tǒng)建成后，美歐兩大相互兼容的導(dǎo)航定位系統(tǒng)將大大有助于提供導(dǎo)航定位的精度和可靠性。GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatelliteP29GIOVESatelliteGIOVE的主要目標:

頻率信號測試；驗證一些關(guān)鍵技術(shù)（比如銣原子鐘、氫原子鐘）；軌道環(huán)境特征測試；并行2或3通道信號傳輸測試。中歐導(dǎo)航系統(tǒng)之爭“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已陷入困境，不僅經(jīng)費難以為繼，連頻率也被“北斗二代”優(yōu)先占用。

中國的“北斗”衛(wèi)星依照“誰先用誰先得”的原則，已使用了原本“伽利略”系統(tǒng)計劃使用的頻率?！百だ浴庇媱澟艛D中國自己反被排擠

36中歐衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率爭奪歷程蜜月期（2003年-2004年）中歐優(yōu)勢互補反對單極世界轉(zhuǎn)折期（2005年-2007年）歐洲政治轉(zhuǎn)向聯(lián)美排擠中國競爭期（2008年-2009年）“北斗”橫空出世技壓“歐系”衛(wèi)星371.3.4北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)我國自行研制的兩顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月20日從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空并準確進入預(yù)定的地球同步軌道（東經(jīng)80o和140o的赤道上空）另一顆備用衛(wèi)星也被送入預(yù)定軌道（東經(jīng)110.5o的赤道上空），標志著我國擁有了自己的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——BD–1。北斗1代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成圖P32“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”系統(tǒng)是由空間衛(wèi)星、地面控制中心站和北斗用戶終端三部分構(gòu)成?？臻g部分包括兩顆地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）組成。衛(wèi)星上帶有信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，完成地面控制中心站和用戶終端之間的雙向無線電信號的中繼任務(wù)。定位原理“北斗一號”衛(wèi)星定位系出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面，和以兩顆衛(wèi)星為焦點的橢球面之間的交線上。另外中心控制系統(tǒng)從存儲在計算機內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶處于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統(tǒng)可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶。工作流程北斗衛(wèi)星的工作流程如圖所示，地面控制中心向衛(wèi)星I和衛(wèi)星II同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播。用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號，然后根據(jù)用戶申請的服務(wù)內(nèi)容進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。工作流程圖工作流程對定位申請，中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲：一是從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，經(jīng)某一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到達用戶，用戶發(fā)出定位響應(yīng)信號，經(jīng)同一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲；二是從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達用戶，用戶發(fā)出響應(yīng)信號，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲。由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是已知的，可以由上述兩個延遲量計算出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和。時間延遲示意圖用戶終端分為定位通信終端集團用戶管理站終端差分終端校時終端等與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較與GPS系統(tǒng)不同，所有用戶終端位置的計算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗終端用戶機的位置及時間信息。同時，地面控制中心站還負責(zé)整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理。與GPS、GLONASS、Galileo等國外的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，BD–1有自己的優(yōu)點。如投資少，組建快；具有通信功能；捕獲信號快等。但也存在著明顯的不足和差距，如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；用戶的設(shè)備體積大、重量重、能耗大等。BD–2為了使我國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能有實質(zhì)性的提高，中央已決定研制組建第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BD–2）。從導(dǎo)航體制、測距方法、衛(wèi)星星座、信號結(jié)構(gòu)及接收機等方面進行全面改進。衛(wèi)星星座計劃由GEO衛(wèi)星，IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星組成。中國航天部門于2006年年底公布了“北斗”系統(tǒng)的未來藍圖。據(jù)信，預(yù)計在“十一五”期間全面啟動的第二期工程，整個系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)將有全面提高。尤其是在戰(zhàn)時生存能力方面，此項工作將成為”十一五”期間的一項重要工作。1.4美國的GPS政策及各國的應(yīng)對措施SPS與PPSSPS–標準定位服務(wù)使用C/A碼，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS時間=340nsPPS–精密定位服務(wù)可使用P碼，軍用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS時間=200ns1.4.1美國政府的GPS政策SA技術(shù)（1990.3.25~2000.5.1）SelectiveAvailability–選擇可用性人為降低普通用戶的測量精度。方法:ε技術(shù)：降低星歷精度（加入隨機變化）δ技術(shù)：衛(wèi)星鐘加高頻抖動 （短周期，快變化）AS技術(shù)（1994.1.31~至今）Anti-Spoofing–反電子欺騙P碼加密，P+WY1.4.2應(yīng)對GPS限制政策的措施改進GPS精密定位方法及軟件，削弱SA和AS技術(shù)的影響我國已建立中國的GPS廣域差分系統(tǒng)，可以使受SA干擾的GPS民用碼接收機的定位精度由百米級修正到數(shù)米級，可以更好的促進GPS在民間的利用。建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)使用能同時接受GPS和GLONASS信號的接收機建立獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)1.5我國的國家GPS控制網(wǎng)我國A級和B級GPS大地控制網(wǎng)分別于1996年和1997年完成意義：①改善和加強了我國傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)（克服傳統(tǒng)天文大地網(wǎng)精度不均勻、系統(tǒng)誤差大的缺點）；②建立起了地心參考框架和我國國家大地坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；③提高我國大地水準面的精度。任務(wù)二：GPS系統(tǒng)概述

1-2-1GPS系統(tǒng)組成1-2-2GPS衛(wèi)星運行及其軌道1-2-3GPS衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星位置的計算1-2-4GPS衛(wèi)星信號及信號接收機1-2-1GPS系統(tǒng)的組成GPS定位系統(tǒng)的三大部分：空間星座部分——GPS衛(wèi)星星座

地面監(jiān)控部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)

用戶部分——GPS接收機和用戶1.1空間星座部分GPS空間星座的組成：GPS衛(wèi)星星座24顆衛(wèi)星（21顆工作衛(wèi)星+3顆在軌備用衛(wèi)星）；6個軌道面；軌道平均高度20200km（衛(wèi)星距離地球表面高度）；軌道傾角55°，各軌道面之間相距60°；軌道周期約為12恒星時（11小時58分）；位于地平線以上衛(wèi)星顆數(shù)4-11顆。GPS衛(wèi)星編號方式按衛(wèi)星發(fā)射的先后順序編號；根據(jù)GPS衛(wèi)星所采用的偽隨機噪聲碼PRN編號；根據(jù)美國和加拿大聯(lián)合組成的北美空軍指揮部給定的內(nèi)部距離操作碼IRON編號；根據(jù)美國航空航天局在其序列文件中編的NASA編號；根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射年代與該年代中的發(fā)射序列編的識別號。編號用于導(dǎo)航定位識別碼用于供用戶查詢衛(wèi)星有關(guān)數(shù)據(jù)衛(wèi)星空間布局GPS衛(wèi)星的空間布局和運行速度決定了地面觀測者具備下列觀測條件：（1）同一衛(wèi)星每天可提前四分鐘出現(xiàn)，其在地平線以上的可見運行時間為五小時。（2）由于觀測者所處的位置和時間的不同，可同時觀測的衛(wèi)星個數(shù)也各異，但最少能觀測到4顆衛(wèi)星，最多可觀測到11顆。（3）GPS定位精度與被觀測衛(wèi)星的位置分布有關(guān)。對于只能觀測到4顆衛(wèi)星的情況，因在這一時間段內(nèi)別無選擇，其定位精度一般較差，這個短暫的時間段稱為“時間間隙段”。在時間間隙段內(nèi)須用新型的GPS/GLONASS集成式接收機同時接收GPS信號和GLONASS信號才能消除“間隙段”的影響。“間隙段”僅出現(xiàn)在極少數(shù)地區(qū)，而廣大范圍內(nèi)不會出現(xiàn)這種情況。工作衛(wèi)星之所以采用二萬公里高近于圓形的軌道，一方面是為了增大覆蓋面積，另一方面是為了使覆蓋均勻，從而達到信號強度均勻、接收時間也均勻的目的。

GPS衛(wèi)星的主要作用：在衛(wèi)星飛越注入站上空時，接收由地面注入站用S波段（10cm波段）發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他信號；接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令，修正其在軌運行偏差及啟用備用時鐘等；用L波段兩個無線載波(19cm波段和20cm波段)連續(xù)不斷的向廣大用戶發(fā)送導(dǎo)航定位信息，并用導(dǎo)航電文的形式提供衛(wèi)星自身的現(xiàn)勢位置與其他在軌衛(wèi)星的概略位置，以便用戶接收使用。57GPS衛(wèi)星主要設(shè)備太陽能電池板原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）信號生成與發(fā)射裝置類型

試驗衛(wèi)星：BlockⅠ工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡ：存儲星歷能力為14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲星歷能力為180天，SV35和SV36帶有激光反射棱鏡BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛(wèi)星,增設(shè)第三民用頻率

改善衛(wèi)星BlockⅢ（計劃在2014年要發(fā)射

）58GPS衛(wèi)星改進GPS衛(wèi)星（試驗衛(wèi)星）60BlockⅠ衛(wèi)星BlockⅠ試驗衛(wèi)星也稱原型衛(wèi)星，衛(wèi)星重774KG，設(shè)計壽命為5年。GPS衛(wèi)星（工作衛(wèi)星BLOCKⅡ,BLOCKⅡA,BLOCKⅡR,BLOCKⅡF）61BlockⅡ衛(wèi)星BLOCKⅡ衛(wèi)星重約1.5T，設(shè)計壽命為7.5年，平均使用時間預(yù)期為6年。一個主控站：科羅拉多?斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥?伽西亞(DiegoGarcia) 卡瓦加蘭(kwajalein)五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)地面監(jiān)控站的分布組成1.2地面監(jiān)控部分一個主控站：科羅拉多?斯必靈司（ColoradoSprings）三個注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)

卡瓦加蘭(kwajalein)五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷（Hawaii)主控站主控站設(shè)在美國本土科羅拉多州斯平土（ColoradoSprings）作用：收集數(shù)據(jù)：收集各監(jiān)測站監(jiān)測獲得的偽距和積分多普勒觀測值、衛(wèi)星時鐘和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、氣象、監(jiān)測站自身狀態(tài)以及參考星歷等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理：根據(jù)收集的數(shù)據(jù)計算各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星狀態(tài)、時鐘改正、大氣傳播改正等，將這些數(shù)據(jù)按一定格式編制成導(dǎo)航電文，并將導(dǎo)航電文傳送給注入站。監(jiān)測與協(xié)調(diào)：一是承擔(dān)控制和協(xié)調(diào)各監(jiān)測站和注入站的工作；二是監(jiān)測整個地面監(jiān)控系統(tǒng)是否正常，檢查注入衛(wèi)星的電文是否正確，監(jiān)控衛(wèi)星是否按預(yù)定狀態(tài)將電文發(fā)送給用戶。調(diào)度衛(wèi)星：修正衛(wèi)星的運行軌道，調(diào)用備用衛(wèi)星去接替失效衛(wèi)星的工作。監(jiān)控站監(jiān)控站設(shè)備：一臺雙頻接收機；一臺高精度原子鐘；一臺計算機；若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器；監(jiān)控站監(jiān)控站是無人值守的數(shù)據(jù)自動采集中心，其位置經(jīng)精密測定其主要作用是接收衛(wèi)星信號、監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)。監(jiān)控站根據(jù)其接收到的衛(wèi)星擴頻信號求出相對于其原子鐘的偽距和偽距差，檢測出所測衛(wèi)星的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。利用環(huán)境傳感器測出當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。監(jiān)控站的作用

監(jiān)控站偽距導(dǎo)航數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)主控站測量傳送

注入站設(shè)有3.66m拋物面天線，1臺C波段發(fā)射機和一臺電子計算機。其主要作用是將主控站需傳輸給衛(wèi)星的資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲器中，供衛(wèi)星向用戶發(fā)送。

整個地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。

地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作程序方框圖如右圖所示。監(jiān)控系統(tǒng)工作程序

注入站地面監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

1.3用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備部分用戶接收部分的基本設(shè)備，就是GPS信號接收機，其作用是接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星所發(fā)射的GPS信號，以達到導(dǎo)航和定位的目的。GPS信號接收機用戶設(shè)備數(shù)據(jù)后處理軟件GPS接收機一般包括主機、天線單元和電源。天線單元：由天線和前置放大器組成，靈敏度高，抗干擾性強。接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存儲器及顯示器組成。電源:分為外接和內(nèi)接電池（12V），機內(nèi)還有一鋰電池。GPS接收機天線前置放大器GPS信號接收機射電部分微處理器電源部分數(shù)據(jù)存器顯示控制器供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制GPS接收機GPS軟件軟件部分是構(gòu)成現(xiàn)代GPS測量系統(tǒng)的重要組成部分之一。一般來說，軟件包括內(nèi)軟件和外軟件。內(nèi)軟件是指裝在存儲器內(nèi)的自測試軟件、衛(wèi)星預(yù)報軟件、導(dǎo)航電文解碼軟件、GPS單點定位軟件或固化在中央處理器中的自動操作程序等。這類軟件已和接收機融為一體。而外軟件主要是指GPS觀測數(shù)據(jù)后處理軟件包。GPS儀器廠家目前生產(chǎn)GPS測量儀器的廠家有幾十家，產(chǎn)品有幾百種，但擁有較為成熟產(chǎn)品的不外乎幾家，在我國測繪市場占有份額較大的有Trimble（天寶）、Leica（萊卡）、Ashtech（阿什泰克）、Javad（Topcon）、Thales（DSNP）加拿大諾瓦太（NoVAteL）等。圖片：Trimble接收機圖片：徠卡(Leica)接收機圖片：

Ashtech、JAVAD、Thales

接收機按用途按接收機結(jié)構(gòu)分類

按接收機作業(yè)模式按載波頻率

GPS分類分體式接收機、整體式接收機、手持式接收機圖片：大地型GPS接收機單頻機L1雙頻機L1+L2圖片：導(dǎo)航型GPS機手持型GPS機圖片：GPS與GLONASS兼容的接收機84水上測量/導(dǎo)航用GPS系統(tǒng)85個人旅游休閑及戶外運動用GPS產(chǎn)品86帶電子地圖的導(dǎo)航型GPS接收機知識點回顧GPS系統(tǒng)組成；GPS系統(tǒng)組成及基本參數(shù)；GPS衛(wèi)星的作用；GPS地面監(jiān)控部分的組成；地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的功能。1-2-2GPS衛(wèi)星運行及其軌道主要內(nèi)容：

二體問題的運動方程開普勒定律衛(wèi)星無攝運動的軌道參數(shù)

真近點角V的計算

衛(wèi)星的受攝運動概述（一）問題的提出

①研究GPS軌道運動理論是運用GPS衛(wèi)星定位的必須條件；

②描述衛(wèi)星空間運行軌跡需要衛(wèi)星軌道參數(shù)；

③軌道參數(shù)取決于衛(wèi)星所受各種力的作用。

因此，研究衛(wèi)星的受力是研究衛(wèi)星運動軌跡的基礎(chǔ)。（二）衛(wèi)星的受力：衛(wèi)星受到的各種具體作用力：地球?qū)πl(wèi)星的引力日月對衛(wèi)星的引力大氣阻力太陽光壓地球潮汐力等可將作用力歸納分為兩類：地球質(zhì)心引力（中心引力）；地球非中心引力—攝動力（與地球質(zhì)心引力相比，僅為10e-3量級）。（三）衛(wèi)星的運動：二體問題--僅考慮地球質(zhì)心引力的衛(wèi)星運動稱為二體問題。受攝運動—考慮到攝動力的作用的衛(wèi)星運動。二體運動求解衛(wèi)星相對地球的位置基于萬有引力的分析解衛(wèi)星相對地球的真實位置考慮攝動力的影響（四）GPS定位對軌道精度的要求：

利用GPS衛(wèi)星進行定位，要求達到目10-7的相對定位精度，則要求GPS衛(wèi)星定軌的精度達到2m。交付民用的廣播星歷軌道誤差為30m，對GPS基線測量的影響為1.2×10-6。對于高精度定位，必須提高衛(wèi)星定軌精密。對于衛(wèi)星的精密定位來說，在只考慮地球質(zhì)心引力的情況下計算衛(wèi)星的運動狀態(tài)是不能滿足精度要求的，必須考慮攝動力對衛(wèi)星運動狀態(tài)的影響。下面通過二體問題的研究，學(xué)習(xí)衛(wèi)星軌道是如何獲取的？2.1衛(wèi)星的無攝運動

所謂衛(wèi)星的無攝運動是將地球視作勻質(zhì)球體，且不顧其他攝動力的影響，衛(wèi)星只是在地區(qū)質(zhì)心引力作用下二運動。研究意義：

衛(wèi)星運動的第一近似描述；唯一能得到嚴密分析解的運動；全部作用下的衛(wèi)星運動更精確解的基礎(chǔ)。2.1.1衛(wèi)星的無攝運動—二體問題二體問題（無攝運動）

（1）將地球和衛(wèi)星當作兩個質(zhì)點在萬有引力作用下的運動稱為二體運動；（2）開普勒定律確定了衛(wèi)星的運行軌道；（3）采用開普勒軌道參數(shù)（軌道根數(shù)）描述衛(wèi)星軌道與地球赤道的相對位置關(guān)系及衛(wèi)星的位置。yxz軌道春分點升交點近地點衛(wèi)星地心赤道iv二體問題下衛(wèi)星的運動方程前提：在忽略攝動力的影響因素下，衛(wèi)星和地球可看成質(zhì)量集中于質(zhì)心的質(zhì)點。研究內(nèi)容：研究二個質(zhì)點在萬有引力作用下的運動規(guī)律問題

依據(jù)萬有引力定律，衛(wèi)星和地球之間存在相互作用力。

地球受衛(wèi)星引力可由下式表示：

②根據(jù)牛頓第三定律，可得衛(wèi)星受到的作用力

③根據(jù)牛頓第二定律F=ma,可得地球及衛(wèi)星的運動方程：

④由上式相減，得到二體意義下衛(wèi)星相對物體的運動方程：開普勒定律開普勒（JohannesKepler）國籍:

德國生卒日期:

1571.12.27－1630.11.15主要成就:

發(fā)現(xiàn)了行星運動三定律衛(wèi)星在地球引力場中的無攝運動成為開普勒運動，其規(guī)律顆用開普勒三要素描述。

①開普勒第一定律衛(wèi)星運行的軌道為一橢圓，該橢圓有固定的形狀和大小，橢圓的一個焦點與地球質(zhì)心重合。此定律闡明了衛(wèi)星運行軌道的基本形態(tài)及其與地心的關(guān)系。由萬有引力定律可得衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運動的軌道方程。r為衛(wèi)星的地心距離，a為開普勒橢圓的長半徑，e為開普勒橢圓的偏心率；v為真近點角，它描述了任意時刻衛(wèi)星在軌道上相對近地點的位置，是時間的函數(shù)。abMms近地點遠地點Vr

②開普勒第二定律衛(wèi)星的地心向徑在單位時間內(nèi)所掃過的面積相等。

依據(jù)能量守恒定理，衛(wèi)星運動過程中動能和勢能為一常量，由此表明衛(wèi)星在橢圓軌道上的運行速度是不斷變化的，在近地點處速度最大，在遠地點處速度最小。近地點地心遠地點

③開普勒第三定律

衛(wèi)星運行周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量，等于GM的倒數(shù)。假設(shè)衛(wèi)星運動的平均角速度為n，則n=2/T，可得

當開普勒橢圓的長半徑確定后，衛(wèi)星運行的平均角速度也隨之確定，且保持不變。2.1.2衛(wèi)星無攝運動的軌道參數(shù)a為軌道的長半徑,e為軌道橢圓偏心率，這兩個參數(shù)確定了開普勒橢圓的形狀和大小。為升交點赤經(jīng)：即地球赤道面上升交點與春分點之間的地心夾角。i為軌道面傾角：即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。這兩個參數(shù)唯一地確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間的相對定向。yxz軌道春分點升交點近地點衛(wèi)星地心赤道ivyxz軌道春分點升交點近地點衛(wèi)星地心赤道iv為近地點角距：即在軌道平面上，升交點與近地點之間的地心夾角，表達了開普勒橢圓在軌道平面上的定向。v為衛(wèi)星的真近點角：即軌道平面上衛(wèi)星與近地點之間的地心角距。該參數(shù)為時間的函數(shù)，確定衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置。由上述6個參數(shù)所構(gòu)成的坐標系統(tǒng)稱為軌道坐標系，廣泛用于描述衛(wèi)星運動。真近點角V當衛(wèi)星處于軌道上任一點m時，衛(wèi)星的在軌位置便取決于mMP角，這個角就被稱為真近點角，以V表示。偏近點角E

若以長半軸a做輔助圓，衛(wèi)星m在該輔助圓上的相應(yīng)點為m″，圓弧m″P所對的圓心角稱為偏近點角，以E表示。平近點角M0按若衛(wèi)星的平均角速度，則平近點角為1052.1.3真近點角V的計算m″m′m

aMrab真近點角V的計算6個開普勒軌道參數(shù)中，只有真近點角V是時間的函數(shù)，其余參數(shù)均為常數(shù)。所以確定衛(wèi)星的瞬時位置的關(guān)鍵是在于確定參數(shù)V。106根據(jù)開普勒方程，偏近點角與平近點角的關(guān)系為：

已知時，可以采用迭代法按上式計算。迭代計算時先令，因偏心率僅為0.01左右，所以迭代兩次便可求得偏近點角。偏近點角E與平近點角有一下重要關(guān)系：其次，為了計算衛(wèi)星的瞬時位置，還需要確定真近點角V與偏近點角之間的關(guān)系。于是將上式代入軌道方程（2.5），則得由式上可得真近點角V與偏近點角E之關(guān)系：

衛(wèi)星運動的攝動力地球的非中心引力太陽的引力和月球的引力太陽的直接與間接輻射壓力太陽的阻力地球的潮汐作用磁力等2.2衛(wèi)星的受攝運動在攝動力的作用下，衛(wèi)星的運動稱為受攝運動，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。衛(wèi)星受到的攝動力地球引力場攝動力影響約為10-3量級，其他攝動力影響大多小于或接近于10-6量級。地球非球形引力的攝動北凸南凹的梨形地球

在地球引力場攝動力的作用下，升交點將沿地球赤道產(chǎn)生緩慢的運動，使升交點赤經(jīng)產(chǎn)生周期性變化，設(shè)其變化速率為,時升交點赤經(jīng)為Ω，對于任一時刻t的升交點位置表示為112

事實上，衛(wèi)星的升交點還同時受到其他攝動力的影響，所以升交點赤經(jīng)的變化率也不是常量。

2.2.1地球非球形引力的攝動對衛(wèi)星軌道的影響

在引力場攝動力的作用下，近地點將在軌道面內(nèi)轉(zhuǎn)動，使近地點角距發(fā)生緩慢變化。若取近距點角距的變率為，則任一時刻t的近距點角距為113同樣在引力場攝動力的作用下，衛(wèi)星軌道平近點角也隨時間變化，任一時刻t的平近點角為若設(shè)，則對GPS衛(wèi)星可得。2.2.2地球非球形引力的攝動對衛(wèi)星軌道的影響引起軌道面在空間的旋轉(zhuǎn)使升交點沿地球赤道產(chǎn)生緩慢的移動，進而使升交點的赤經(jīng)產(chǎn)生周期性變化。引起近地點在軌道面內(nèi)旋轉(zhuǎn)使得開普勒橢圓在軌道面內(nèi)定向改變，引起軌道近地點角距的緩慢變化。引起平近點角的變化日月引力又稱第三體引力不僅影響衛(wèi)星的運行，而且影響地球自轉(zhuǎn)，因此，日月引力攝動應(yīng)為日月引力對衛(wèi)星軌道及其對地球作用之差對衛(wèi)星產(chǎn)生的攝動加速度約為510-6m/s2太陽引力的影響，僅約為月球引力的0.46倍2.2.3日月引力的攝動太陽輻射壓力2.2.4太陽光壓的影響入射作用力發(fā)射作用力反照壓力（被地球反射的太陽光產(chǎn)生的壓力，為輻射壓力的1%，可忽略）太陽光壓對衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度，約為10-7m/s2量級地球固體潮在日月引力作用下，地球產(chǎn)生的如潮汐般的變形。海潮大氣潮2.2.5地球潮汐攝動力地球潮汐攝動力，對于在36000km高度的衛(wèi)星（GPS衛(wèi)星高度為20200km），攝動量約為110-10，故常被忽略。對低軌道衛(wèi)星影響較大對于GPS衛(wèi)星（高度為20200km）的影響可忽略2.2.6大氣阻力攝動力對衛(wèi)星的影響地球的實際運動受到攝動力作用的影響，結(jié)果是開普勒軌參數(shù)不再是常數(shù)而成為時間的函數(shù)。1、地球形狀不規(guī)則，質(zhì)量分布不均勻的影響：衛(wèi)星的運動軌道并不在一個平面上，而是在空間劃出一條螺旋狀曲線；2、日月引力影響：日月引力影響對衛(wèi)星軌道的影響是長周期的，主要影響來自月球，太陽的影響力大略是月球的46％，在3h的軌道弧段上，大略會造成50－150m的位置誤差；3、太陽光壓的影響：太陽光壓的影響大略會使衛(wèi)星在在3h的軌道弧段上，產(chǎn)生5－10m的位置誤差；4、其他攝動力影響：大氣的攝動影響、固體潮及海洋潮汐的影響對于一般的GPS用戶，可以忽略不計。120知識點回顧衛(wèi)星運動軌道基本參數(shù)真近點角的計算1-2-3GPS衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星位置計算GPS衛(wèi)星星歷GPS衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)位置的計算3.1

GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息。衛(wèi)星星歷描述某一時刻的衛(wèi)星運動軌道參數(shù)及其變率。根據(jù)衛(wèi)星星歷，可以計算出任一時刻的衛(wèi)星位置及其速度。精確的軌道信息是得到衛(wèi)星瞬時位置的必要條件，也是精密定位的基礎(chǔ)。123GPS衛(wèi)星星歷GPS衛(wèi)星星歷可以分為：預(yù)報星歷（廣播星歷，broadcastephemeris）；后處理星歷（精密星歷，preciseephemeris）。1243.1.1預(yù)報星歷預(yù)報星歷，通過衛(wèi)星發(fā)射的、含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶,用戶使用接收機接收到信號后，經(jīng)過解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷。包括相對某一參考歷元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動項改正參數(shù)。125參考歷元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)稱為參考星歷（或密切軌道參數(shù)），是根據(jù)GPS監(jiān)測站約1周的監(jiān)測資料推算的。參考星歷只代表衛(wèi)星在參考歷元的瞬時軌道參數(shù)。在攝動力的影響下，衛(wèi)星的實際軌道將偏離其參考軌道。偏離的程度主要取決于:觀測歷元與所選參考歷元間的時間差。一般來說，如果用軌道參數(shù)的攝動項對已知的衛(wèi)星參考星歷加以改正，可以外推出任意觀測歷元的衛(wèi)星星歷。如果觀測歷元與所選參考歷元間的時間差很大（外推時間較長），為了保障外推軌道參數(shù)具有必要的精度，就必須采用更嚴密的攝動力模型和考慮更多的攝動因素，由此帶來了建立更嚴格攝動力模型的困難，因而可能降低預(yù)報軌道參數(shù)的精度。只要保證外推時間間隔不太長，可以保證衛(wèi)星預(yù)報星歷的精度。為了保證衛(wèi)星預(yù)報星歷的必要精度，一般采用限制預(yù)報星歷外推時間間隔的方法。衛(wèi)星導(dǎo)航電文的獲取是通過地面的監(jiān)控站時刻觀測衛(wèi)星的運行軌道、主控站每天更新衛(wèi)星的參考星歷、注入站每天向衛(wèi)星注入新的參考星歷。GPS跟蹤站每天利用觀測資料，更新用以確定衛(wèi)星參考星歷的數(shù)據(jù)，計算每天衛(wèi)星軌道參數(shù)的更新值，每天按時將其注入相應(yīng)的衛(wèi)星并存儲。據(jù)此GPS衛(wèi)星發(fā)播的廣播星歷每小時更新一次。128如果將計算參考星歷的參考歷元toe選在兩次更新星歷的中央時刻，則外推時間間隔最大不會超過0.5小時，從而可以在采用同樣攝動力模型的情況下，有效地保持外推軌道參數(shù)的精度。預(yù)報星歷的精度，目前一般估計為20-40m。

由于預(yù)報星歷每小時更新一次，在數(shù)據(jù)更新前后，各表達式之間將會產(chǎn)生小的跳躍，其值可達數(shù)分米，一般可利用適當?shù)臄M合技術(shù)（如切比雪夫多項式）予以平滑。GPS用戶通過衛(wèi)星廣播星歷可以獲得的有關(guān)衛(wèi)星星歷參數(shù)共17個，其中包括:2個參考時刻;6個相應(yīng)參考時刻的開普勒軌道參數(shù);9個反映攝動力影響的參數(shù)。3.1.2GPS衛(wèi)星的后處理星歷后處理星歷預(yù)報星歷包含外推誤差，且由于SA技術(shù)的影響，廣播星歷的精度被人為降低，其精度不能滿足某些需要精密定位服務(wù)的用戶要求。后處理星歷，是根據(jù)地面跟蹤站所獲得的精密觀測資料計算而得到的星歷，是一種不包含外推誤差的實測星歷?？蔀橛脩籼峁┯^測時刻的精密衛(wèi)星星歷，精度可達米級，以后將達到分米級。131后處理星歷是一些國家的某些部門根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資料，應(yīng)用與確定預(yù)報星歷相似的方法，計算的衛(wèi)星星歷。這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測時的衛(wèi)星精密軌道信息，因此稱后處理星歷或精密星歷。該星歷的精度目前可達分米。后處理星歷不是通過衛(wèi)星廣播的。需要通過無線電、網(wǎng)絡(luò)等通信方式向用戶傳遞。是有償服務(wù)。1323.2GPS衛(wèi)星位置的計算

-根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算思路首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系下的坐標然后將上述坐標分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-k角，求出衛(wèi)星在地心系下的坐標軌道平面坐標系軌道參數(shù)衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位置計算

計算真近點角Vk計算衛(wèi)星運行的平均角速度n計算歸化時間tk計算升交距角u0計算經(jīng)過攝動改正的升交距角、衛(wèi)星的地心距離及軌道傾角計算衛(wèi)星的軌道平面直角坐標計算軌道平面1：計算衛(wèi)星運行的平均角速度n

計算過程計算衛(wèi)星運行的平均角速度

〉GPS系統(tǒng)及其信號>GPS衛(wèi)星在軌位置的計算軌道平面2：計算歸化時刻tk

〉GPS系統(tǒng)及其信號>GPS衛(wèi)星在軌位置的計算軌道平面3：計算觀測時刻的平近點角Mk

4：計算偏近點角Ek

5：衛(wèi)星向徑r0計算t時刻衛(wèi)星的平近點角計算偏近點角計算衛(wèi)星向徑（未加攝動改正）

〉GPS系統(tǒng)及其信號>GPS衛(wèi)星在軌位置的計算軌道平面6：計算計算衛(wèi)星真近點角Vk、升交點角距u07：計算攝動改正項δu、δr、δi

計算真近點角計算升交距角計算攝動改正項MωVkrk衛(wèi)星k軌道平面9：計算經(jīng)過攝動改正的升交距角Uk

、衛(wèi)星的地心距離rk和軌道傾角ik

10：計算衛(wèi)星在軌道平面上的位置進行攝動改正計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的位置衛(wèi)星在地心空間直角坐標系中的位置計算計算觀測時刻的升交點經(jīng)度ΩK計算衛(wèi)星在地心空間直角坐標系中的坐標

計算地心坐標1：計算觀測時刻的升交點經(jīng)度k觀測時刻的升交點經(jīng)度k為該時刻升交點赤經(jīng)（春分點和升交點間角距）與格林尼治恒星時GAST（春分點和格林尼治起始子午線間角距）之差，即：k=-GAST觀測時刻t時的升交點赤經(jīng)：=oe-（t-

toe）

由電文中可求式中，

oe

為toe的升交點赤經(jīng)；為變率；電文中每小時更新一次toe和

〉GPS系統(tǒng)及其信號>GPS衛(wèi)星在軌位置的計算地心坐標2：計算觀測時刻的升交點經(jīng)度k

〉GPS系統(tǒng)及其信號>GPS衛(wèi)星在軌位置的計算

GAST隨地球自轉(zhuǎn)而增加，其增值速率為地球自轉(zhuǎn)速率，設(shè)一個星期開始時刻的格林尼治恒星時為GAST，則導(dǎo)航電文給我們提供的不是時的升交點赤經(jīng)，而是始于格林尼治起始子午線到升交點的準經(jīng)度，它們之間的關(guān)系是將式（2.30）、（2.31）、（2.32）一并代入式（2.29），則得升交點的經(jīng)度為：

計算衛(wèi)星在地心空間直角坐標系中的坐標

由式（2.28）可求出衛(wèi)星在其軌道平面直角坐標系中的坐標，在該坐標系統(tǒng)中衛(wèi)星的空間位置可表示為：

此時軸過地心指向軌道平面的垂直方向。地心坐標3：衛(wèi)星在地心坐標系中的位置地心坐標3：衛(wèi)星在地心坐標系中的位置續(xù)

〉GPS系統(tǒng)及其信號>GPS衛(wèi)星在軌位置的計算

根據(jù)衛(wèi)星在軌道平面上的直角坐標->地心坐標系：

沿地心—升交點軸旋轉(zhuǎn)i角，使軌道平面與赤道平面重合。沿Z軸旋轉(zhuǎn)k角，使升交點與格林尼治子午線重合。這樣，便得到衛(wèi)星在地心坐標系中的直角坐標（X、Y、Z）。其數(shù)學(xué)表達式如：1-2-4GPS衛(wèi)星信號及信號接收機GPS信號的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)GPS測距碼GPS的導(dǎo)航電文GPS信號接收機4.1GPS衛(wèi)星信號的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)GPS衛(wèi)星信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波。GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號包含：載波信號、測距碼、導(dǎo)航電文。4.1.1載波信號

可運載調(diào)制信號的高頻震蕩波為載波GPS發(fā)射位于L波段的兩種頻率的載波信號：L1載波：fL1=154×f0=1575.42MHZ，波長λ1=19.032cm；L2載波：fL2=120×f0=1227.6MHZ，波長λ2=24.42cm；GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上的過程稱為調(diào)制被加載的頻率較低的信號稱為調(diào)制信號GPS衛(wèi)星的L1和L2載波上攜帶測距信號和導(dǎo)航電文GPS衛(wèi)星的測距碼和導(dǎo)航電文是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的，由于偽隨機碼只有“1”和“0”兩種狀態(tài)。當碼值取0時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為＋1，而碼值取1時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為－1。在載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后便實現(xiàn)了載波的調(diào)制，此時碼信號被加載到載波上，經(jīng)過播發(fā)可供用戶接收。

當碼的波型為”1”時，與載波相乘，不會改變載波的相位；當碼的波型為”-1”時，與載波相乘，載波相位改變180度。當碼值(調(diào)制信號)從1變成0，或從0變成1時，將使載波相位改變180度。調(diào)制以后的衛(wèi)星信號經(jīng)由衛(wèi)發(fā)射天線向用戶播發(fā)。載波信號的作用：攜帶測距信號和導(dǎo)航電文傳送給用戶；在載波相位測量中用作測距信號（其測距精度比偽距測量的精度高2~3數(shù)量級）；精確測定多普勒頻移特點所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層延遲影響（電離層折射延遲與信號的頻率有關(guān)）選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層延遲作用測距性質(zhì)為偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）特點確定的編碼規(guī)則可復(fù)制性周期性自相關(guān)性4.1.2測距碼產(chǎn)生若干多級反饋移位寄存器所產(chǎn)生的m序列經(jīng)復(fù)雜處理后形成包含C/A碼、P（Y）碼測量原理隨機碼序列與復(fù)制的隨機碼序列通過平移碼元素，相應(yīng)碼元素相互對其不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1有關(guān)碼的基本概念表達不同信息的二進制數(shù)（“0”和“1”）及其組合，稱為碼在二進制中，一位二進制數(shù)稱為一個碼元或比特（bit，被取為碼的度量單位）將各種信息，如聲音、文字和圖像等，按某種預(yù)定的規(guī)則，表示為二進制數(shù)的組合形式，這個過程稱為編碼例如：兩位二進制數(shù)的不同組合11,10,01,00，這些組合形式被稱為碼，其中每個碼含有兩個碼元

偽隨機噪聲碼又叫偽隨機碼或者偽噪聲碼，簡稱：PRN，是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。他不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關(guān)特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。具有周期性、易被復(fù)制等特性。GPS信號中使用了偽隨機碼技術(shù)，識別和分離各顆衛(wèi)星信號，并提供無模糊度的測距數(shù)據(jù)。偽隨機噪聲碼的產(chǎn)生方式很多。GPS技術(shù)采用m序列，即產(chǎn)生于最長線性反饋移位寄存器。4.2GPS衛(wèi)星信號偽隨機噪聲碼偽隨機碼的產(chǎn)生--M序列線性反饋移位寄存器M序列的特性:1.均衡性：一周中1與0基本相等。1比0多1個。不允許全0。2.游程分布：相同碼元連在一起為一游程。左圖4級M序列為8個游程：長度為1的4個，長度為2的2個，長度為3的1個，長度4的1個。3.移位相加特性：一個M序列與其移位后另一M序列相加仍是M序列。4級M序列的周期m=154.自相關(guān)特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m5.偽噪聲特性：M序列為偽隨機碼或人工復(fù)制噪聲碼。a3a2a1a0初始10001100111011110111…………4級M序列的產(chǎn)生方框圖輸出M序列:000111101011001輸出m序列偽隨機噪聲碼的自相關(guān)特性對齊時：000111101011001未對齊時：000111101011001000111101011001100011110101100A=15,D=0,R=（A-D）/m=1A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15

每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(基準頻率?)

兩種載波(L1和L2)

兩種碼信號(C/A碼和P碼)

一組導(dǎo)航電文(信息碼，D碼)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要包括：衛(wèi)星星歷時鐘改正衛(wèi)星工作狀態(tài)信息電離層延遲修正參數(shù)這些信息按照一定的數(shù)據(jù)幀格式播發(fā)給用戶，成為數(shù)據(jù)碼（D碼）。4.1.3GPS導(dǎo)航電文導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上發(fā)送，頻率為50HZ用戶利用導(dǎo)航信息計算某一時刻衛(wèi)星在軌道上的位置，因此導(dǎo)航信息也被稱為廣播星歷導(dǎo)航電文亦是二進制數(shù)碼，依規(guī)定的格式組成，按幀向外播送，每幀電文的長度為1500bit，播送速率為50bit/s。導(dǎo)航電文的組成每25幀構(gòu)成一個主幀25顆衛(wèi)星的星歷4.2.1C/A碼定義粗捕獲碼，即用于進行粗略測距和捕獲精碼的測距碼屬于偽隨機噪聲碼（PRN碼）頻率C/A碼頻率f1=1/10×f0=1.023MHZ，僅被調(diào)制在L1載波上特征公開明碼、民用、測距精度±（2~3）m4.2GPS測距碼C/A碼特征：C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生碼長Nu=210-1=1023比特碼元寬tu=1/f1≈0.977752μs

空間失距=293.1m（碼元寬與C的乘積）

周期Tu=Nutu=1ms

數(shù)碼率=1.023Mbit/sC/A碼特性易于捕獲C/A碼碼長較短(周期小于1ms)，對C/A碼進行逐個搜索，用時短，易于捕獲；通過捕獲的C/A碼得到的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信息，又可方便的捕獲P碼，因此C/A碼被通稱為捕獲碼測距誤差大C/A碼的碼元寬度和空間矢距較大，若兩序列的碼元對其誤差為碼元寬度的1/10~1/100，則對應(yīng)的測距誤差可達2.9~29.3m；

由于C/A碼的測距精度低，因此也被稱為粗捕獲碼4.2.2P碼定義精碼，即用于精確測定從GPS衛(wèi)星至接收機距離的測距碼屬于偽隨機噪聲碼（PRN碼）頻率C/A碼頻率f1=f0=10.23MHZ，被調(diào)制在L1和L2載波上特征保密Y碼、軍用、測距精度高P碼特征：碼長Nu≈2.35*1014比特碼元寬度tu≈0.0977752μs

空間失距=29.3m

周期Tu=Nutu≈267d

數(shù)碼率=10.23Mbit/sP碼特性常規(guī)方法不易捕獲，需借助于C/A碼信息P碼碼長較長(周期小于1ms)，對P碼進行逐個搜索，用時長，不易捕獲；通過捕獲的C/A碼得到的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信息，可方便的捕獲P碼。測距精度高C/A碼的碼元寬度較C/A碼小，空間矢距較大，若兩序列的碼元對其誤差為碼元寬度的1/10~1/100，則對應(yīng)的測距誤差可達0.293~2.93m；P碼的測距誤差僅為C/A碼的1/10。C/A碼和P碼主要特征指標特征指標C/A碼P碼產(chǎn)生物理單元10級反饋移位寄存器12級反饋移位寄存器碼長Nu=2r-11023bit2.35×1014bit頻率f0.1f0（1.023MHz）f0（10.23MHz）碼寬tu=1/f0.97752μs0.097752μs周期=Nu×tu1ms267d碼寬等效距離λ=c×tu293.1m29.3m測距誤差(1/10-1/100碼寬)29.3-2.9m2.93-0.29m特征粗碼、開放、二值精碼、保密、二值4.2.3L2C碼L2C碼稱為城市碼，被調(diào)制在L2載波上；包括2個PRN碼，CM碼和CL碼；L2C碼可以提供高質(zhì)量（低相噪、高靈敏度）的數(shù)據(jù)來進行導(dǎo)航定位；增設(shè)L2C碼可以用于解決C/A碼只調(diào)制在L1載波，無法精確消除電離層延遲的問題。4.2.4GPS信號的傳播擴頻：將原擬發(fā)送的幾十比特的速率的電文變換成發(fā)送幾兆甚至上十兆比特速率的由電文和偽隨機噪聲碼組成的組合。GPS采用信號擴頻調(diào)制，把窄帶信號擴展到一個很寬的頻帶上發(fā)出。高斯白噪聲干擾下，通信系統(tǒng)信息容量為：由上述公式可以得出：在信息容量一定時，增大頻帶寬度B,可以減少信噪比S/N。信噪比，即SNR（SignaltoNoiseRatio）又稱為訊噪比，狹義來講是指放大器的輸出信號的電壓與同時輸出的噪聲電壓的比，常常用分貝數(shù)表示。信噪比越大表示輸出信息越大，噪聲越小。一組不包含我們想要的有用信息的量稱為噪聲擴頻技術(shù)的作用省電（解決發(fā)射功率問題）保密（信噪比低，不易被捕獲）有抗干擾作用4.3GPS導(dǎo)航電文第一數(shù)據(jù)塊第二數(shù)據(jù)塊第三數(shù)據(jù)塊4.3.1遙測碼（telemetryword,TLW）遙測碼位于每個子幀的開頭，用于表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)。第1～8bit是同步碼（10001001），為各子幀編碼脈沖提供一個同步起點。第9～22bit是遙測電文，包括地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時的狀態(tài)信息、診斷信息等。第22、24bit是連接碼。第25～30bit是奇偶校驗碼。奇偶校驗碼一個字碼（30bit）包含6bit奇偶校驗碼。每一個bit的奇偶校驗碼對應(yīng)前面24bit的數(shù)據(jù)碼。例如：111001011101000110111010101110數(shù)據(jù)碼文校驗碼文1110101010110110001110111101004.3.2轉(zhuǎn)換碼（handoverword,HOW）轉(zhuǎn)換碼位于每個子幀的第二個子碼。作用：提供用戶從捕獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的Z計數(shù)。Z計數(shù)位于轉(zhuǎn)換碼的第1～17bit，從每周六/周日零時起算的時間計數(shù)。通過Z計數(shù)，可以知道觀測瞬間在P碼周期中所處的準確位置，以便迅速捕獲P碼。轉(zhuǎn)換碼的第25～30bit為奇偶校驗碼。4.3.3第一數(shù)據(jù)塊第一數(shù)據(jù)塊位于第1子幀的第3～10字碼。主要包括標識碼、時延差改正、星期序號、衛(wèi)星的健康狀況、數(shù)據(jù)齡期及衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)等。時延差改正Tgd電離層會使GPS在L1、L2上的信號發(fā)生時延。Tgd改正觀測結(jié)果，提高定位精度。數(shù)據(jù)齡期AODC數(shù)據(jù)齡期是時鐘改正數(shù)的外推時間間隔，表明衛(wèi)星時鐘改正數(shù)的置信度。AODC=t0c-tt其中t0c是第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻，tt是計算時鐘改正參數(shù)所用數(shù)據(jù)的最后觀測時刻。星期序號WNWN是從1980年1月6日子夜零時（UTC）起算的星期數(shù)，是GPS星期數(shù)。衛(wèi)星時鐘改正GPS時間系統(tǒng)以地面主控站的原子鐘為基準。GPS時間和UTC時間存在差值，導(dǎo)航電文把差值播發(fā)給廣大用戶。4.3.4第二數(shù)據(jù)塊導(dǎo)航電文的第2和第3子幀組成第二數(shù)據(jù)塊，內(nèi)容為GPS衛(wèi)星星歷。內(nèi)容包括：開普勒軌道6參數(shù)；軌道攝動9參數(shù)；時間參數(shù)。GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)4.3.5第三數(shù)據(jù)塊第三數(shù)據(jù)塊包括4、5兩個子幀，內(nèi)容包括了所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。當接收機捕獲到某顆GPS衛(wèi)星信號后，根據(jù)第三數(shù)據(jù)塊提供的其它衛(wèi)星的概略星歷、時鐘改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用戶可以選擇工作正常、位置適當?shù)男l(wèi)星，并較快地捕獲到所選擇的衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星信號的構(gòu)成作業(yè)1、試標出GPS衛(wèi)星無攝運動軌道參數(shù)，并概述各參數(shù)的概念或含義2、GPS系統(tǒng)由哪幾部分組成，簡述各部分作用1-2-4GPS衛(wèi)星信號及信號接收機GPS信號的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)GPS測距碼GPS的導(dǎo)航電文GPS信號接收機4.1GPS衛(wèi)星信號的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)GPS衛(wèi)星信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波。GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號包含：載波信號、測距碼、導(dǎo)航電文。4.1.1載波信號

可運載調(diào)制信號的高頻震蕩波為載波GPS發(fā)射位于L波段的兩種頻率的載波信號：L1載波：fL1=154×f0=1575.42MHZ，波長λ1=19.032cm；L2載波：fL2=120×f0=1227.6MHZ，波長λ2=24.42cm；GPS衛(wèi)星信號的調(diào)制將頻率較低的信號加載在頻率較高的載波上的過程稱為調(diào)制被加載的頻率較低的信號稱為調(diào)制信號GPS衛(wèi)星的L1和L2載波上攜帶測距信號和導(dǎo)航電文GPS衛(wèi)星的測距碼和導(dǎo)航電文是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的，由于偽隨機碼只有“1”和“0”兩種狀態(tài)。當碼值取0時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為＋1，而碼值取1時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為－1。在載波和相應(yīng)的碼狀態(tài)相乘后便實現(xiàn)了載波的調(diào)制，此時碼信號被加載到載波上，經(jīng)過播發(fā)可供用戶接收。

當碼的波型為”1”時，與載波相乘，不會改變載波的相位；當碼的波型為”-1”時，與載波相乘，載波相位改變180度。當碼值(調(diào)制信號)從1變成0，或從0變成1時，將使載波相位改變180度。調(diào)制以后的衛(wèi)星信號經(jīng)由衛(wèi)發(fā)射天線向用戶播發(fā)。載波信號的作用：攜帶測距信號和導(dǎo)航電文傳送給用戶；在載波相位測量中用作測距信號（其測距精度比偽距測量的精度高2~3數(shù)量級）；精確測定多普勒頻移特點所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層延遲影響（電離層折射延遲與信號的頻率有關(guān)）選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層延遲作用測距性質(zhì)為偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）特點確定的編碼規(guī)則可復(fù)制性周期性自相關(guān)性4.1.2測距碼產(chǎn)生若干多級反饋移位寄存器所產(chǎn)生的m序列經(jīng)復(fù)雜處理后形成包含C/A碼、P（Y）碼測量原理隨機碼序列與復(fù)制的隨機碼序列通過平移碼元素，相應(yīng)碼元素相互對其不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1有關(guān)碼的基本概念表達不同信息的二進制數(shù)（“0”和“1”）及其組合，稱為碼在二進制中，一位二進制數(shù)稱為一個碼元或比特（bit，被取為碼的度量單位）將各種信息，如聲音、文字和圖像等，按某種預(yù)定的規(guī)則，表示為二進制數(shù)的組合形式，這個過程稱為編碼例如：兩位二進制數(shù)的不同組合11,10,01,00，這些組合形式被稱為碼，其中每個碼含有兩個碼元

偽隨機噪聲碼又叫偽隨機碼或者偽噪聲碼，簡稱：PRN，是一個具有一定周期的取值0和1的離散符號串。他不僅具有高斯噪聲所有的良好的自相關(guān)特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。具有周期性、易被復(fù)制等特性。GPS信號中使用了偽隨機碼技術(shù)，識別和分離各顆衛(wèi)星信號，并提供無模糊度的測距數(shù)據(jù)。偽隨機噪聲碼的產(chǎn)生方式很多。GPS技術(shù)采用m序列，即產(chǎn)生于最長線性反饋移位寄存器。4.2GPS衛(wèi)星信號偽隨機噪聲碼偽隨機碼的產(chǎn)生--M序列線性反饋移位寄存器M序列的特性:1.均衡性：一周中1與0基本相等。1比0多1個。不允許全0。2.游程分布：相同碼元連在一起為一游程。左圖4級M序列為8個游程：長度為1的4個，長度為2的2個，長度為3的1個，長度4的1個。3.移位相加特性：一個M序列與其移位后另一M序列相加仍是M序列。4級M序列的周期m=154.自相關(guān)特性：R=（A-D）/（A+D）=（A-D）/m=1或-1/m5.偽噪聲特性：M序列為偽隨機碼或人工復(fù)制噪聲碼。a3a2a1a0初始10001100111011110