衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)原理及應(yīng)用第二講課件

衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)原理與應(yīng)用信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院：張繼偉第二講坐標(biāo)系點(diǎn)位的確定總是和一定的坐標(biāo)系聯(lián)系在一起的。一般地說，要確定一個(gè)坐標(biāo)系就需指明坐標(biāo)原點(diǎn)的位置、坐標(biāo)軸的指向以及確定點(diǎn)位時(shí)所用的參數(shù)這三個(gè)要素。為建立衛(wèi)星導(dǎo)航的數(shù)學(xué)公式，必須選定參考坐標(biāo)系，以便表示衛(wèi)星和接收機(jī)的狀態(tài)。在建立公式時(shí)，典型的是用在笛卡爾坐標(biāo)系中測(cè)度的位置與速度矢量去描述衛(wèi)星和接收機(jī)的狀態(tài)。坐標(biāo)系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)，為了描述GPS衛(wèi)星在其軌道上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，引用不隨地球自轉(zhuǎn)的地心坐標(biāo)系是十分自然的。它是空間固定坐標(biāo)系。同時(shí)，在GPS定位中，觀測(cè)站往往固定在地球表面，其空間位置隨同地球自轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)，于是為了便于表達(dá)觀測(cè)站的位置，引用與地球固聯(lián)的地心坐標(biāo)系亦是必要的。

因此，根據(jù)坐標(biāo)軸指向的不同，可劃分為兩大類坐標(biāo)系:天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系。天球天球極軸，春分點(diǎn)軸，加上與這兩軸垂直并位于天球赤道平面內(nèi)的第三條軸(自然是穩(wěn)定不變的軸),構(gòu)成在宇宙空間穩(wěn)定不變的參考軸系,稱為地心天球坐標(biāo)系。簡稱天球坐標(biāo)系。天球空間直角坐標(biāo)系和天球球面坐標(biāo)系歲差

指由日月行星引力共同作用的結(jié)果，使地球自轉(zhuǎn)軸在空間的方向發(fā)生周期性變化。周期約25800年。章動(dòng)北天極除歲差運(yùn)動(dòng)外，在各種天體力的影響下還存在短周期的變化,它疊加在歲差運(yùn)動(dòng)上。如果將任一觀測(cè)時(shí)刻的北天極的實(shí)際位置稱為瞬時(shí)北天極（亦稱真北天極）,瞬時(shí)北天極繞瞬時(shí)平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形軌跡，其長半徑約為9.2〞,周期約為18.6年,這種運(yùn)動(dòng)稱為章動(dòng)。歲差春分點(diǎn)的漂移方向章動(dòng)影響三種天球坐標(biāo)系瞬時(shí)真天球坐標(biāo)系（既考慮歲差又考慮章動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系）。瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系（僅考慮歲差進(jìn)去而略去章動(dòng)影響的動(dòng)坐標(biāo)系）。協(xié)議天球坐標(biāo)系（CIS）：由國際協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)歷元所對(duì)應(yīng)的平天球坐標(biāo)系。標(biāo)準(zhǔn)歷元t0：2000年1月15日TDB（太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)）。地球固連坐標(biāo)系地球固連直角坐標(biāo)系

原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，Y軸指向格林威治平子午面與地球赤道的交戰(zhàn)E，Y軸垂直于XOZ平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系

地球參考橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度φ為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度λ為過地面點(diǎn)的橢球子午面與格林威治平大地子午面之間的夾角，大地高h(yuǎn)為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。地球直角坐標(biāo)系與地球大地坐標(biāo)系示意圖極移由于地球內(nèi)部存在著物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，地球并非剛體，北地極在地球表面上隨著時(shí)間的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為地極移動(dòng)，簡稱極移。瞬時(shí)地球坐標(biāo)系

與觀測(cè)瞬時(shí)相對(duì)應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時(shí)的地球極軸，相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時(shí)地極。瞬時(shí)地極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系，被稱為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。瞬時(shí)地球坐標(biāo)系不是與地球球體固聯(lián)的坐標(biāo)系。地球瞬時(shí)坐標(biāo)系與協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系(CTS)的實(shí)現(xiàn)CTS是從理論上定義的一個(gè)地球坐標(biāo)系。在實(shí)際應(yīng)用中，由國際時(shí)間局(BIH)根據(jù)許多觀測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果，推算出極移跟蹤數(shù)據(jù)，定期發(fā)表公報(bào)，給出以角移為單位的瞬時(shí)地極坐標(biāo)，這些瞬時(shí)地極坐標(biāo)所相應(yīng)的地極原點(diǎn)稱為BIH系統(tǒng)協(xié)議地極原點(diǎn)。BIH系統(tǒng)協(xié)議地極原點(diǎn)是CIO的工程逼近，兩者差異很小。CTS的建立是靠BIH系統(tǒng)協(xié)議地極原點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際應(yīng)用的協(xié)議地球系稱為BIH系統(tǒng)的協(xié)議地球系，或稱為BIH地球參考系(BTS)。BTS是理想?yún)f(xié)議地球系(CTS)工程實(shí)現(xiàn)。地球坐標(biāo)系在衛(wèi)星大地測(cè)量中經(jīng)常用到的地球坐標(biāo)系有兩種：一種是空間直角坐標(biāo)系，另一種是大地坐標(biāo)系。采用空間直角坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是，它不涉及參考橢球體的概念，而且在求兩點(diǎn)之間的距離和方向時(shí)，計(jì)算公式十分簡單。但其表示點(diǎn)位不夠直觀，不容易在地圖上直接標(biāo)出。地圖投影過程：設(shè)想在一個(gè)透明的地球儀內(nèi)部確定一個(gè)點(diǎn)光源，在地球儀表面放上不透明的地球特征，然后在圍繞地球儀的二維表面上投影特征輪廓線。利用圍繞地球儀的圓柱、圓錐或平面模式產(chǎn)生不同的投影方式。地圖投影的分類按其變形性質(zhì)分：等角投影：投影后，地圖上任意兩相交短線之間的夾角保持不變。等面積投影：投影后，地圖上面積大小保持正確的比例關(guān)系。等距投影：投影后，地圖上從某一中心點(diǎn)到其它點(diǎn)的距離保持不變。方位投影：投影后，地圖上表示的任一點(diǎn)到某一中心點(diǎn)的方位角保持不變。按投影面分：平面：平面與橢球面在某一點(diǎn)相切；圓錐面：圓錐體面與橢球在某一緯圈相切，或兩緯圈相割；圓柱面：圓柱面/橢圓柱面與橢球在赤道上或某一子午圈上相切。按中心軸線分：正軸投影：軸與橢球的短軸相合；橫軸投影：赤道面上，與橢球短軸正交；斜軸投影：軸位于上述兩種位置之間。高斯投影為高斯于1820-1830年提出的一種投影方法，在1912年，克呂格對(duì)其進(jìn)行整理和擴(kuò)充，并求出實(shí)用公式。因此又稱高斯-克呂格投影。目前，中國、德國以及俄羅斯等國家均采用此投影。為橫軸、橢圓柱面、等角（正形）投影。每帶建立一個(gè)平面直角坐標(biāo)系，東向?yàn)閅軸，北向?yàn)閄軸，軸子午線與赤道的交點(diǎn)作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。這樣，軸子午線以東的點(diǎn)y為正，以西的點(diǎn)y為負(fù)，所以y值協(xié)議加500公里。分帶方式可以限制投影變形的程度，但也帶來了投影不連續(xù)的缺點(diǎn)。UTM投影為通用橫軸墨卡托投影(UniversalTransverseMercatorProjection)，是1938年美國軍事測(cè)繪局提出的，1954年開始采用。其歸屬于高斯投影族，其基本條件為：（1）正形投影。（2）經(jīng)度的起點(diǎn)為零子午線，緯度的起點(diǎn)為赤道。（3）帶寬為6，西經(jīng)180～西經(jīng)174為第1帶，一直到東經(jīng)180為60帶。（4）中央子午線東移500KM，投影長度比等于0.9996，而不等于1.UTM投影在整個(gè)投影帶內(nèi)的長度變形較均勻，比高斯投影的長度變形小，其計(jì)算可通過高斯坐標(biāo)獲得：XU=0.9996x,YU=0.9996y。大地坐標(biāo)系

(1)WGS84WGS-84世界大地坐標(biāo)系(WorldGeodeticSystem)是由美國國防制圖局(defencemappingagency，DMA)建立的一種協(xié)議地球坐標(biāo)系，是GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的測(cè)量成果，于1987年1月10日開始采用。WGS84系是目前最高精度水平的全球大地測(cè)量參考系統(tǒng)。其坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，Z軸平行于協(xié)議地球極軸，X軸指向零子午面與赤道的交點(diǎn)（北向），Y軸指向東向，而垂直于X軸的方向，以構(gòu)成地心地固ECEF（EarthCenteredEarthFixed)的正交坐標(biāo)系。(2)北京54系（P-54）采用原蘇聯(lián)的克拉索夫斯基的橢球，其橢球參數(shù)通過與蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系聯(lián)測(cè)建立，實(shí)際上是蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系的延伸，其大地原點(diǎn)為普爾科沃天文臺(tái)圓柱大廳中心。(2)北京54系（P-54）BJ-54系存在的主要問題是：1、橢球參數(shù)只有兩個(gè)幾何參數(shù)、且長半軸與現(xiàn)代參數(shù)相比誤差較大。2、坐標(biāo)軸指向與當(dāng)前國際、國內(nèi)采用的方向不一致。1980國家大地坐標(biāo)系（NGS-80）1980年開始改用了1975年國際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)第16屆大會(huì)推薦的橢球參數(shù)。大地原點(diǎn)（參考橢球面與大地水準(zhǔn)面的公共切點(diǎn)沿鉛垂線的相應(yīng)地面點(diǎn)）設(shè)在陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。(3)北京新54系采用克拉索夫斯基橢球參數(shù)。大地原點(diǎn)為1980的大地原點(diǎn)。高程基準(zhǔn)是以1956年青島驗(yàn)潮站求得的黃海平均海水面。三種橢球參數(shù)比較參數(shù)WGS-84北京54國家80長半軸a637813763782456378140扁率1/f=(a-b)/a298.257223563298.3298.25754高斯坐標(biāo)與84UTM坐標(biāo)的比較相同點(diǎn)：1、投影方式均為橫軸、橢圓柱面、等角投影。2、為了減小投影變形，都進(jìn)行了分帶處理。3、為了y值不為負(fù)值，都對(duì)y值協(xié)議進(jìn)行了處理，y值協(xié)議加500km和中央子午線東移500km。不同點(diǎn)：1、采用的地球橢球模型不同。2、對(duì)6o帶分帶的起始點(diǎn)不同。3、投影長度比不同。高斯投影為1，UTM投影長度比為0.996。不同國家采用不同大地坐標(biāo)系的原因：

1、各國根據(jù)自己的大地系統(tǒng)繪制了大量的地形圖，多年沿用已經(jīng)形成習(xí)慣。2、在同一的地區(qū)采用不同的橢球近似程度不一樣，希望選一個(gè)近似程度好的。 3、出于政治軍事上保密的目的。

坐標(biāo)變換大地坐標(biāo)（經(jīng)度和緯度）與平面坐標(biāo)（北向和東向）的轉(zhuǎn)換，其中包括正運(yùn)算和反運(yùn)算。不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換需要7參數(shù)。全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)時(shí)間參考系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)必須具有可觀測(cè)的周期運(yùn)動(dòng)，這種周期運(yùn)動(dòng)應(yīng)具備連續(xù)性、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。三者缺一不可全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)恒星時(shí)恒星時(shí)是以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，以地球周期性自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，具有地方性的時(shí)間系統(tǒng)。恒星時(shí)的原點(diǎn)定義為春分點(diǎn)通過本地子午圈的瞬時(shí)，恒星時(shí)在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔稱為一個(gè)恒星日。全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)平太陽時(shí)

是根據(jù)太陽在天球上周而復(fù)始的東升西降的視運(yùn)動(dòng)定義的時(shí)間系統(tǒng)。由于真太陽的視運(yùn)動(dòng)速度不均勻，因此假設(shè)一個(gè)參考點(diǎn)，其在天球上的視運(yùn)動(dòng)速度，等于真太陽在天球上的視運(yùn)動(dòng)的平均速度，這個(gè)假設(shè)的參考點(diǎn)被稱為平太陽。平太陽的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間稱為平太陽時(shí)。平太陽的原點(diǎn)定義為平太陽通過觀察者所在子午圈的瞬時(shí)，平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔為一個(gè)平太陽日。平太陽時(shí)也具有地方性，稱作地方平太陽時(shí)，簡稱地方平時(shí)。全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)世界時(shí)

地球上零子午圈所對(duì)應(yīng)的平太陽時(shí)且以平子夜為零時(shí)起算的時(shí)間系統(tǒng)，稱為世界時(shí)（UT）。UT=GMST+12(h)GMST代表平太陽相對(duì)格林尼治子午圈的時(shí)角。

由于地球自轉(zhuǎn)的速度并不均勻，且自轉(zhuǎn)軸的方向在地球內(nèi)部也不固定(極移現(xiàn)象)，所以自1956年以來，在世界時(shí)中引入了極移改正項(xiàng)△λ和季節(jié)性改正項(xiàng)△TS。UT1=UT0+△λ

UT2=UT1+△TS全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)原子時(shí)現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)內(nèi)部原子的躍遷,所輻射或吸收的電磁波頻率,具有極高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。所以根據(jù)這一物理想像所建立的原子時(shí),便成為當(dāng)代最理想的時(shí)間系統(tǒng)。1967年定義了原子時(shí)的秒長:位于海平面上的銫133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí),在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間,為一原子時(shí)秒。原子時(shí)的原點(diǎn)由下式確定:

AT=UT2-0.0039(s)

國際時(shí)間局對(duì)世界上精選出的100座原子鐘進(jìn)行相互比對(duì)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時(shí)系統(tǒng)，稱為國際原子時(shí)（internationalatomictime,IAT）。全球定位系統(tǒng)中，采用原子時(shí)作為高精度的時(shí)間基準(zhǔn)。全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinateuniversaltime，UTC)

原子鐘發(fā)布的原子時(shí),尺度更加均勻穩(wěn)定,但它并不能完全取代世界時(shí),原因是在地球科學(xué)的種種研究中,都涉及地球的瞬時(shí)位置,這些都離不開以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時(shí)。

原子時(shí)的秒長比世界時(shí)的秒長略短,這就使原子時(shí)比世界時(shí)每年約快1s（多出1s)。兩者之差逐年積累。為了避免發(fā)播的原子時(shí)與世界時(shí)之間產(chǎn)生過大的偏差,同時(shí),又要使兩種時(shí)間系統(tǒng)同時(shí)并存,就有必要建立一種兼有兩種時(shí)間系統(tǒng)各自優(yōu)點(diǎn)的新的時(shí)間。這就是從1972年起所采用的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC,簡稱協(xié)調(diào)時(shí))。

UTC的秒長,嚴(yán)格等于原子時(shí)的秒長,采用閏秒(或稱跳秒)的辦法使協(xié)調(diào)時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻相接近,當(dāng)協(xié)調(diào)時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻差超過±0.9s時(shí),便在協(xié)調(diào)時(shí)中引人一閏秒(或正或負(fù)),閏秒一般在12月31日或6月30日的最后一秒加人。具體日期由國際時(shí)間局安排并通告。全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)GPS時(shí)間系統(tǒng)（GPST）

GPST屬于原子時(shí)系統(tǒng),它的秒長即為原子時(shí)秒長,GPST的原點(diǎn)與國際原子時(shí)IAT相差19s。即

IAT–GPST=19（s）

GPST與協(xié)調(diào)時(shí)UTC之間的關(guān)系式為

GPST=UTC+1×n-19(s)

規(guī)定于1980年1月6日零時(shí)時(shí)刻調(diào)整參數(shù)為:n=19；此時(shí)GPST和UTC時(shí)刻一致。其后,隨著時(shí)間的積累,兩者之間的差別將表現(xiàn)為秒的整數(shù)倍,至1987年,調(diào)整參數(shù)n=23,兩時(shí)間系統(tǒng)之差為4s；至1992年,調(diào)整參數(shù)n=26,兩時(shí)間系統(tǒng)之差已達(dá)7s。全球定位系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)地球動(dòng)力學(xué)時(shí)（terrestialdynamictime，TDT)

在人造地球衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中所要求的一種嚴(yán)格均勻的時(shí)間尺度和獨(dú)立變量——稱為地球動(dòng)力學(xué)時(shí)(TDT)。TDT是相對(duì)于地球質(zhì)心的力學(xué)方程所采用的時(shí)間參數(shù)。

TDT的時(shí)間尺度是國際制秒(1s),它與原子時(shí)的尺度完全一致。國際天文協(xié)會(huì)規(guī)定:1977年1月1日原子時(shí)(IAT)的零時(shí)刻與地球動(dòng)力學(xué)時(shí)(IUT)的嚴(yán)格關(guān)系,定義如下:

TDT=IAT+32.184(s)時(shí)間系統(tǒng)及其之間的關(guān)系

1964年建成海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)NNSS，又稱為子午衛(wèi)星系統(tǒng)可提供三維地心坐標(biāo)

優(yōu)點(diǎn)：精度均勻、不受天氣和時(shí)間限制等

★星基電子導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)缺點(diǎn)：

1、衛(wèi)星少，不能實(shí)時(shí)定位 2、衛(wèi)星軌道低，難以精密定軌 3、衛(wèi)星信號(hào)頻率低，難以補(bǔ)償電離層效應(yīng) 4、定位速度慢，需一至兩天觀測(cè)時(shí)間GPS概述GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱。它的含義是,利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距,以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)?，F(xiàn)在國際上已經(jīng)公認(rèn):將這一全球定位系統(tǒng)簡稱為GPS?！颎PS全球定位系統(tǒng)的出現(xiàn)

目的：實(shí)現(xiàn)全天候、全球性和高精度的連續(xù)導(dǎo)航和定位

最初方案：由24顆衛(wèi)星組成，分布在3個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道8顆衛(wèi)星。保證在地球上的任何位置，均能同時(shí)觀測(cè)到6~9顆顆衛(wèi)星。

系統(tǒng)采用“高軌測(cè)距”體制，衛(wèi)星軌道平均高度為20200Km，利用偽隨機(jī)碼進(jìn)行測(cè)距。

用兩種偽隨機(jī)碼來區(qū)分軍事用戶和民事用戶的定位精度，即為精碼（P碼）和粗碼（C/A）碼。

為了區(qū)別不同的衛(wèi)星和提高抗干擾能力，系統(tǒng)采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)碼分多址（CDMA）系統(tǒng)。為了補(bǔ)償電離層效應(yīng)的影響，衛(wèi)星信號(hào)的載波頻率由NNSS衛(wèi)星的0.15GHz和0.4GHz提高到1.23GHz和1.58GHz。第二方案：

衛(wèi)星數(shù)由24顆減為18顆，分布在互成60度的6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道平面分布3顆衛(wèi)星。

該方案能夠基本保證地球上的任何位置均能同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該配置可靠度不高?，F(xiàn)行方案：

找到了經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性、可靠性的結(jié)合點(diǎn)。形成21+3的最終方案。第一階段：方案論證和初步設(shè)計(jì)階段

時(shí)間：1973年到1978年

工作：發(fā)射4顆衛(wèi)星，建立地面跟蹤 網(wǎng)，研制地面接收機(jī)★GPS實(shí)施計(jì)劃第二階段：全面研制和試驗(yàn)階段時(shí)間：1979年到1984年工作：發(fā)射7顆BlockI型試驗(yàn)衛(wèi)星，研制導(dǎo)航型和測(cè)地型接收機(jī)第三階段：使用組網(wǎng)階段時(shí)間：1985年到1993年工作：發(fā)射BlockII和BlockIIA工作衛(wèi)星，最終形成設(shè)計(jì)星座GPS衛(wèi)星的發(fā)射概況2.GPS組成GPS系統(tǒng)由三大部分組成:（1）空間部分-GPS衛(wèi)星星座（2）地面控制部分一運(yùn)行控制系統(tǒng)（3）用戶部分-GPS接收機(jī)GPS系統(tǒng)三大組成空間部分-GPS衛(wèi)星星座空間部分由高度約為20230KM的21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌熱備份衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。衛(wèi)星分布在6個(gè)等間隔的、傾角為55°的近圓軌道上,運(yùn)行周期為718min(約12小時(shí)）。GPS空間衛(wèi)星★單個(gè)衛(wèi)星特征GPS衛(wèi)星是由洛克韋爾國際公司空間部研制的,衛(wèi)星重約774Kg，采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛(wèi)星的供電部分為對(duì)日定向太陽能電池帆板，板面始終對(duì)準(zhǔn)太陽，為衛(wèi)星不斷地提供電力，同時(shí)給鎳鎘蓄電池充電，保證在地影區(qū)衛(wèi)星仍能正常工作。星體底部裝有多波束定向螺旋天線陣，能發(fā)射L1和L2波段的信號(hào)，其波束方向圖能覆蓋約半個(gè)地球。星體兩端面上裝有全向遙測(cè)遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通信。GPS衛(wèi)星上采用了銫原子鐘作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，保證了所有衛(wèi)星能夠在一個(gè)月或更長時(shí)間內(nèi)獨(dú)立工作而無需地面校正，也保證了精密定位的要求。此外，衛(wèi)星上還裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星星座示意圖GPS衛(wèi)星星座的分布GPS衛(wèi)星特點(diǎn)GPS衛(wèi)星上除了由控制衛(wèi)星自身工作的遙測(cè)、跟蹤、指令系統(tǒng)，用于軌道調(diào)整與姿態(tài)穩(wěn)定的控制和推進(jìn)系統(tǒng)，電源系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成外,主要有具有長期穩(wěn)定度的原子鐘(其誤差為1s/300萬年)、L波段雙頻發(fā)射機(jī)、S波段接收機(jī)、偽隨機(jī)碼發(fā)生器及導(dǎo)航電文存儲(chǔ)器。衛(wèi)星的主要任務(wù)是播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)。GPS提供的兩種服務(wù)衛(wèi)星采用兩種偽隨機(jī)碼對(duì)發(fā)射信息進(jìn)行調(diào)制,一種是保密的精密碼(P碼),它同時(shí)調(diào)制在f1和f2兩個(gè)頻率上,主要是向美國及其盟國的軍事用戶提供精密定位服務(wù)(PPS-PrecisePositioningService);另一種是粗捕獲碼(C/A碼),僅調(diào)制在f1頻率上,向全世界民用用戶提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS-StandardPositioningService)。衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文包括:衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘偏差校正參數(shù)、信號(hào)傳播延遲參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息、時(shí)間同步信息和全部衛(wèi)星的概略星歷。用戶通過對(duì)導(dǎo)航電文的解碼,可以得到以上各參數(shù),用于定位計(jì)算。GPS的星歷數(shù)據(jù)和用戶定位數(shù)據(jù)都采用WGS84全球測(cè)地坐標(biāo)系統(tǒng)。21+3顆GPS衛(wèi)星分布在互成60°的6個(gè)橢圓形軌道面上，軌道傾角為55°。每個(gè)軌道面上布設(shè)4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道的長半軸為26609km，偏心率為0.01，衛(wèi)星運(yùn)行高度為20200km，運(yùn)行周期為718min。此軌道參數(shù)能保證衛(wèi)星信號(hào)覆蓋地面面積38%，地球上任何一點(diǎn)任何時(shí)刻均能夠同時(shí)觀測(cè)到至少4顆GPS衛(wèi)星。衛(wèi)星運(yùn)行到軌道的任何位置上，對(duì)地面的距離和波束覆蓋面積基本上不變。在波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，用戶接收到的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度近似相等，即用于定位的衛(wèi)星信號(hào)信噪比近似相等?！镄l(wèi)星星座分布特征GPS衛(wèi)星的作用是向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)(又稱GPS信號(hào)〉，并用導(dǎo)航電文報(bào)告自己的現(xiàn)時(shí)位置以及其他在軌衛(wèi)星的概略位置，接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令如適時(shí)地改正運(yùn)行偏差，或者啟用備用時(shí)鐘等命令；在飛越注入站上空時(shí)，接收由地面注入站用S波段發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他相關(guān)信息，并通過GPS信號(hào)形成電路適時(shí)地發(fā)送給廣大用戶。★GPS衛(wèi)星的作用2.2地面控制部分地面控制部分由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站位于ColoradoSprings的聯(lián)合空間執(zhí)行中心，3個(gè)注入站分別設(shè)在大西洋、印度洋和太平洋的三個(gè)美國軍事基地內(nèi)，即大西洋的Ascension島、印度洋的DiegoGarcia島和太平洋的kwajakin島，5個(gè)監(jiān)測(cè)站設(shè)在主控站和3個(gè)注入站以及Hawaii島GPS主控站和監(jiān)控站分布圖主控站的主要任務(wù)收集和處理本站及各監(jiān)測(cè)站的跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算衛(wèi)星的軌道和鐘參數(shù)；將預(yù)測(cè)的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)及大氣傳播改正參數(shù)編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站；糾正衛(wèi)星的軌道偏離，必要時(shí)用備用衛(wèi)星取代失效的工作衛(wèi)星；檢測(cè)整個(gè)地面系統(tǒng)的工作。注入站的主要任務(wù)將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文用S波段射頻鏈上行注入到相應(yīng)衛(wèi)星上。上行注入每天1次或2次，每次注入14d的星歷；自動(dòng)向主控站發(fā)射信號(hào)，每分鐘報(bào)告一次自己的工作狀態(tài)。監(jiān)控站的主要任務(wù)監(jiān)控站配有精密的銫鐘和偽距測(cè)量接收機(jī)，為主控站提供衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)。在主控站的遙控下，每隔1.5s進(jìn)行一次偽距測(cè)量，利用電離層和氣象數(shù)據(jù)，每15min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)平滑，然后發(fā)送給主控站。GPS系統(tǒng)組成2.3GPS信號(hào)接收機(jī)GPS信號(hào)接收機(jī)是GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的終端儀器。它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的無線電接收設(shè)備。既具有常用無線電接收設(shè)備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理衛(wèi)星微弱信號(hào)的特性。接收機(jī)通常由天線單元和接收單元兩部分組成。接收機(jī)的主要功能是:接收衛(wèi)星發(fā)播的信號(hào)并利用本機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼取得距離觀測(cè)值和導(dǎo)航電文；根據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差改正信息，計(jì)算接收機(jī)的位置。2.3.1GPS接收機(jī)分類按使用環(huán)境：低動(dòng)態(tài)接收機(jī)和高動(dòng)態(tài)接收機(jī)。按所使用的信號(hào)種類和精度：單頻粗捕獲碼(C/A碼)接收機(jī)和雙頻精碼(P碼)接收機(jī)。按用途：測(cè)量型、授時(shí)型（在取消SA政策時(shí)可獲得40ns的授時(shí)精度）、導(dǎo)航型和姿態(tài)型接收機(jī)。導(dǎo)航型接收機(jī)按載體形式：機(jī)載式、彈載式、星載式、艦載式、車載式、手持式等。按封裝方式：OEM板（OriginalEquipmentManufacture)和整機(jī)。2.3.2GPS接收天線接收天線是無線電波進(jìn)入接收設(shè)備的入口地,是將電磁波還原為高頻電流的“能量變換器”。方向性圖、增益、輸入阻抗、極化和頻帶寬度，是表征天線特性的五大參數(shù)。天線方向性圖是輻射能量在空間分布狀態(tài)的三維立體圖形。極化是無線電波的電場(chǎng)矢量所指的最大輻射方向。當(dāng)電場(chǎng)的垂直分量和水平分量大小相等，而相位相差90°(或270°)時(shí)，則其合成電場(chǎng)的矢端，將以該電波的角頻率ω作圓周旋轉(zhuǎn)。這種電磁波叫做圓極化波。GPS信號(hào)接收天線應(yīng)具有圓極化特性。GPS接收機(jī)組成示意圖選用GPS接收機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)定位時(shí)間定位精度數(shù)據(jù)更新率接口方式物理特性環(huán)境適應(yīng)性坐標(biāo)系時(shí)間體系定位時(shí)間接收機(jī)確定用戶位置所需要的時(shí)間。冷啟動(dòng)時(shí)間：50S溫啟動(dòng)時(shí)間：40S熱啟動(dòng)時(shí)間：30S重捕時(shí)間：0.5S定位精度接收機(jī)可為用戶提供的位置精度，一般分為水平定位精度和垂直定位精度。在這是指接收機(jī)所測(cè)定的地面點(diǎn)位與其實(shí)際點(diǎn)位之差。如：水平1.8m(CEP)。數(shù)據(jù)更新率每秒鐘數(shù)據(jù)輸出的次數(shù)，單位：Hz如：20Hz，10Hz，1Hz等接口方式一般采用串行接口，具有COM11個(gè)或COM1/COM22個(gè)串行口電平類型：RS232或RS422，多采用RS232信號(hào)類型：RS232：RXD，TXD，GNDRS422：RXD+，RXD-，TXD+，TXD-波特率：每秒發(fā)送數(shù)據(jù)的位數(shù)（bits),如：9600bps(bitspersecond)數(shù)據(jù)位，停止位和校驗(yàn)位接收機(jī)與CPU（2個(gè)COM口）

連接方法（RS232）COM1接收機(jī)COM2COM1