GPS全球定位系统及其应用(ch1-ch10)

GPS测量原理与应用目录GPS测量原理与应用测量原理与应用（Global Positioning System-GPS）2021/7/11GPS测量原理与应用目录第一章 绪绪 论论1.1 1.1 卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 1.2 GPS1.2 GPS系统组成系统组成 1.3 GPS1.3 GPS在国民经济建设中的应用在国民经济建设中的应用2021/7/12GPS测量原理与应用目录1.1 PS卫星定位技术的发展.早期的卫星定位技术 缺点：缺点：受可见条件和天气条件影响，费时费力，定位精度低，被多普勒定位技术所代替。卫星三角网卫星三角网 以人造地球卫星作为空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影测量，测定测站至卫星的方向，来确定地面点的位置的三角网。2021/7/13GPS测量原理与应用目录.子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷 子午卫星导航系统子午卫星导航系统(NNSS)(NNSS)将卫星作为空间动态已知点，通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号，利用多普勒定位技术，进行测速、定位的卫星导航系统。优点优点:经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制。缺点缺点:不能实时定位、定位时间长、定位精度低等缺点。2021/7/14GPS测量原理与应用目录1.1.3 全球定位系统的建立从1972年开始至1994年建成，耗资200亿美元 24颗卫星分布在6个轨道平面上 卫星寿命78年 采用码分多址（CDMA）技术 军民两用系统 受美国国防部控制2021/7/15GPS测量原理与应用目录GPSGPS计划实施的三个阶段计划实施的三个阶段 方案论证和初步设计阶段方案论证和初步设计阶段 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。全面研制和试验阶段全面研制和试验阶段 从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。实用组网阶段实用组网阶段 1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。2021/7/16GPS测量原理与应用目录全球定位系统的特点全球定位系统的特点全球通用全球通用 2424小时可以定位，测速和授时小时可以定位，测速和授时 用户设备成本低廉用户设备成本低廉 确保美国军事安全，服务于全球战略确保美国军事安全，服务于全球战略 导航精度可达导航精度可达1020m 1020m 取代现存各种导航系统取代现存各种导航系统 这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队。其作用在海湾战争中已得到相当充分的显示。2021/7/17GPS测量原理与应用目录1.1.4 GLONASS全球导航卫星系统 前苏联于1982年开始发射GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。主要特点：主要特点：1、GLONASS卫星的识别方法采用频分复用制。L1频率为1.6021.616GHz,频道间隔为0.5625MHz；L2频率为1.2461.256GHz,频道间隔为0.4375MHz。2、可进行卫星测距。3、民用无任何限制，不收费。4、民用的标准精度通道（CSA）精度为：水平精度为：水平精度为：505070m 70m 垂直精度为：垂直精度为：75m 75m 测速精度为：测速精度为：15cm/s 15cm/s 授时精度为：授时精度为：1s1s2021/7/18GPS测量原理与应用目录1.1.5 伽利略(Galileo)GNSS系统 Galileo系统建设始于2002年，计划2008年投入使用，我国参与了该系统的投资建设，是一个全开放型的高精度的民用卫星导航定位系统。卫星星座：卫星星座：30颗卫星均匀分布在3个 中高度圆轨道平面上，轨道 高度23616km，倾角56度。任一地区接收机至少可见 4颗卫星，与 GPS/GLONASS有 机地兼容，增强系统使用的 安全性和完善性。2021/7/19GPS测量原理与应用目录卫星系统卫星系统 GLONASS GPS GLONASS GPS GalileoGalileo卫星数（颗）21+3 21+3 27+3 轨道面数（个）3 6 3 轨道倾角（度）64.8 55 56 平均高度（km）19100 20200 23616 周期（hm）11h15m 11h58m 14h 卫星射电频率L1 1602-1616MHz 1575.42MHz 1575.42MHz 卫星射电频率L2 1246-1256MHz 1227.6 MHz 1207.14MHz C/A码频率 511 kHz 1.023 MHz 1176.75 MHz(E5a)C/A码码长 511 bit 1023 bit _三种卫星系统比较2021/7/110GPS测量原理与应用目录1.1.6 双星导航定位系统（北斗一号）空间部分：空间部分：2 2 1(1(备用备用)地球同步卫星地球同步卫星 地面中心站：地面应用系统、测控系统地面中心站：地面应用系统、测控系统 用户部分：低动态、静态用户机用户部分：低动态、静态用户机 服务范围：服务范围：70700 0E E1451450 0E E，5 50 0N N55550 0N N 定位精度：平面定位精度：平面 20m20m，高程，高程 20m 20m 功能：快速定位、简短通信、精密授时功能：快速定位、简短通信、精密授时 定位原理：三球交会测量定位定位原理：三球交会测量定位 工作步骤：工作步骤：l地面控制中心向两枚卫星发送询问信号；地面控制中心向两枚卫星发送询问信号；l卫星将询问信号转发给地面用户；卫星将询问信号转发给地面用户；l用户响应询问信号，向卫星发回回应信号；用户响应询问信号，向卫星发回回应信号；l卫星将用户的响应信号转发给地面控制中心；卫星将用户的响应信号转发给地面控制中心；l地面控制中心接收用户的响应信号，并解读出用地面控制中心接收用户的响应信号，并解读出用 户申申请的服的服务内容，内容，计算出相算出相应的内容；的内容；l地面控制中心将服务内容经卫星转发给用户。地面控制中心将服务内容经卫星转发给用户。2021/7/111GPS测量原理与应用目录北斗一号系统组成图2021/7/112GPS测量原理与应用目录1.2 GPS 系统的组成GPS 由三个主要部分组成 空间部分：空间部分：空间部分：发射星历和时间信息发射星历和时间信息发射星历和时间信息 发射伪距和载波信号发射伪距和载波信号发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息提供其它辅助信息提供其它辅助信息 地面控制部分：地面控制部分：地面控制部分：地面控制部分：地面控制部分：地面控制部分：中心控制系中心控制系中心控制系中心控制系中心控制系中心控制系统统统 实现时间实现时间实现时间同步同步同步同步同步同步 跟踪跟踪跟踪跟踪跟踪跟踪卫卫卫星星星星星星进进进行定行定行定行定行定行定轨轨轨 用用用用用用户户户部分部分部分部分部分部分：接收并接收并接收并接收并接收并接收并处理处理处理处理处理处理卫卫卫星信号星信号星信号星信号星信号星信号 记录处记录处记录处理数据理数据理数据理数据理数据理数据 定位信息定位信息定位信息定位信息定位信息定位信息 提供提供提供提供提供提供导导导航航航航航航2021/7/113GPS测量原理与应用目录1.2.1 GPS工作卫星 及其星座1）卫星数21+3颗；2）6个卫星轨道面，轨道倾角55度；3）卫星高度为20200km,卫星运行周期为11小时58分；4）载波L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。GPSGPS卫星星座的基本参数：卫星星座的基本参数：2021/7/114GPS测量原理与应用目录GPS工作卫星在轨重量843.68kg，设计寿命七年半；在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；有12根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为30度的电磁波束；由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫星天线始终对准地心。G GP PS S卫星星的的发展展概概况况 卫星类型 卫星数量/颗 发射时间/年 用途 第一代第二代第三代 Block II,IIA112833 197819851989199619972010 试验正式工作改进GPS系统 Block IBlock IIR,IIF2021/7/115GPS测量原理与应用目录GPS工作卫星的图片2021/7/116GPS测量原理与应用目录1.2.2 地面监控系统一个主控站一个主控站：科罗拉多法尔孔法尔孔 三个注入站：三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站：五个监测站：1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)5555HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado Falcon2021/7/117GPS测量原理与应用目录1.2.3 GPS信号接收机天线天线天线天线 前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器 电源部分电源部分电源部分电源部分 射电部分射电部分射电部分射电部分 微处理器微处理器微处理器微处理器 数据存储器数据存储器数据存储器数据存储器 显示控制器显示控制器显示控制器显示控制器 供电信号信息命令数据供电，控制 供电数据控制 GPSGPS接收机的结构图接收机的结构图2021/7/118GPS测量原理与应用目录1.3 GPS在国民经济建设中的应用 1.3.1 GPS系统的特点1 1、定位精度高定位精度高 2 2、观测时间短观测时间短 3 3、测站间无须通视测站间无须通视 4 4、可提供三维坐标可提供三维坐标 5 5、操作简便操作简便 6 6、全天候作业全天候作业 7 7、功能多、应用广功能多、应用广2021/7/119GPS测量原理与应用目录1.3.2 GPS系统应用前景1 1、GPSGPS系统用途广泛系统用途广泛 2 2、多元化空间资源环境的出现多元化空间资源环境的出现 3 3、发展发展GPSGPS产业产业 4 4、GPS GPS 的应用将进入人们的日常生活的应用将进入人们的日常生活 有人预言：有人预言：GPS GPS 将将 改改 变变 我我 们们 的的 生生 活活 方方 式式 ！2021/7/120GPS测量原理与应用目录1.3.3 我国的GPS定位技术应用和发展情况 大地测量方面大地测量方面 利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网 全国GPS定位大会战，建立A级、B级网 海岛与全国大地网的联测2021/7/121GPS测量原理与应用目录 在工程测量方面在工程测量方面l布设工程控制网，加密图根控制点；l应用RTK技术测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。在航空摄影测量方面在航空摄影测量方面l应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等。在地球动力学测量方面在地球动力学测量方面l全球板块运动监测、区域板块运动监测、地壳断裂运动和地壳形变观测。在其它方面的应用与研究在其它方面的应用与研究2021/7/122GPS测量原理与应用目录本章小结介绍了几种主要的卫星定位系统；详细介绍了GPS系统的组成；介绍了GPS的应用。2021/7/123GPS测量原理与应用目录第二章 坐标系统和时间系统2021/7/124GPS测量原理与应用目录 全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此，首先要设立适当的坐标系。坐标系统是由原点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球坐标系。由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。不管采用什么形式，坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去。2.1 2.1 天球坐标系和地球坐标系天球坐标系和地球坐标系2021/7/125GPS测量原理与应用目录图2-1 直角坐标系与球面坐标系 1.天球空间直角坐标系的定义天球空间直角坐标系的定义 地球质心O为坐标原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。2.1.1 2.1.1 天球坐标系天球坐标系 2天球球面坐标系的定义天球球面坐标系的定义 地球质心O为坐标原点，春分点轴与天轴所在平面为天球经度（赤经）测量基准基准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。空间点的位置在天球坐标系下的表述为（r，）。天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图2-1表示：2021/7/126GPS测量原理与应用目录2.1.1 2.1.1 天球坐标系天球坐标系3.直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换 对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：(2-1)(2-2)2021/7/127GPS测量原理与应用目录2.1.2 2.1.2 地球坐标系地球坐标系1地球直角坐标系的定义地球直角坐标系的定义 地球直角坐标系的定义是：地球直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。图2-2 直角坐标系和大地坐标系2.地球大地坐标系的定义地球大地坐标系的定义 地球大地坐标系的定义是：地球大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图2-2表示：2021/7/128GPS测量原理与应用目录2.1.2 2.1.2 地球坐标系地球坐标系对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：3.直角坐标系与大地坐标系参数间的转换直角坐标系与大地坐标系参数间的转换2021/7/129GPS测量原理与应用目录2.1.3 2.1.3 站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系与站心地平直角坐标系1站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系 如图2-3，P1 是测站点，O为球心。以O为原点建立球心空间直角坐标系 。以P1 为原点建立与 相应坐标轴平行的坐标系 叫站心赤道直角坐标系。显然，同 坐标系有简单的平移关系：（2-5)2021/7/130GPS测量原理与应用目录2.1.3 2.1.3 站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系与站心地平直角坐标系2站心地平直角坐标系站心地平直角坐标系以P1 为原点，以P1 点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴（向北为正），y轴与x，z垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直角坐标系。站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换关系式：2021/7/131GPS测量原理与应用目录2.1.3 2.1.3 站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系与站心地平直角坐标系2站心地平直角坐标系站心地平直角坐标系以P1 为原点，以P1 点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴（向北为正），y轴与x，z垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直角坐标系。站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换关系式：2021/7/132GPS测量原理与应用目录2.1.4 2.1.4 卫星测量中常用坐标系卫星测量中常用坐标系 选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，建立天球坐标系平天球坐标系，坐标系原点与真天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现。（1）岁差旋转变换）岁差旋转变换 ZM（t0)表示历元J2000.0年平天球坐标系z轴指向，ZM（t）表示所论历元时刻t真天球坐标系z轴指向。两个坐标系间的变换式为：(2-11)式中：A ，A，ZA为岁差参数。（2）章动旋转变换）章动旋转变换 类似地有章动旋转变换式：（2-12）式中：为所论历元的平黄赤交角，分别为黄经章动和交角章动参数。2.固定极天球坐标系固定极天球坐标系平天球坐标系平天球坐标系2021/7/133GPS测量原理与应用目录2.1.4 2.1.4 卫星测量中常用坐标系卫星测量中常用坐标系3.固定极地球坐标系固定极地球坐标系平地球坐标系平地球坐标系极移极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称 极移。瞬时极瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的 地 球极轴，相应的极点称为瞬时极。国际协定原点国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至 1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为 地球的固定极称为国际协定原点CIO。图2-5为瞬时极与平极关系。2021/7/134GPS测量原理与应用目录2.1.4 2.1.4 卫星测量中常用坐标系卫星测量中常用坐标系平地球坐标系：平地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道 面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与 xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：（2-13）下标em表示平地球坐标系，et表示t 时的瞬时地球坐标系，为t时刻以角度表示的极移值。2021/7/135GPS测量原理与应用目录2.2 WGS-842.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系WGS-84的定义的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数 长半径：a=63781372（m）；地球引力常数：GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2；正常化二阶带谐系数：C20=-484.1668510-61.310-9；J2=10826310-8 地球自转角速度：=729211510-11rads-10.15010-11rads-1 2.2.1 WGS-842.2.1 WGS-84坐标系坐标系2021/7/136GPS测量原理与应用目录2.2 WGS-842.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系2.2.2 2.2.2 国家大地坐标系国家大地坐标系1.1954年北京坐标系（年北京坐标系（BJ54旧）旧）坐标原点：坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：平差方法：分区分期局部平差。存在的问题：存在的问题：（1）椭球参数有较大误差。（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。（4）定向不明确。2021/7/137GPS测量原理与应用目录2.2 WGS-842.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系2.1980年国家大地坐标系（年国家大地坐标系（GDZ80）坐标原点：坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：平差方法：天文大地网整体平差。特点：（1）采用1975年国际椭球。（2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。（4）定向明确。（5）大地原点地处我国中部。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。2021/7/138GPS测量原理与应用目录2.2 WGS-842.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系3.新新1954年北京坐标系（年北京坐标系（BJ54新）新）新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。坐标原点：坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：平差方法：天文大地网整体平差。BJ54BJ54新的特点新的特点 ：（1）采用克拉索夫斯基椭球。（2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。（3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。（4）定向明确。（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。（7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。（8）BJ54旧 与BJ54新 无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。2021/7/139GPS测量原理与应用目录2.3 2.3 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换 2.3.1 2.3.1 不同空间直角坐标系统之间的转换不同空间直角坐标系统之间的转换2.微分旋转矩阵微分旋转矩阵 由于一般 为微小角，可取：（2-14）1.旋转矩阵旋转矩阵2021/7/140GPS测量原理与应用目录2.3 2.3 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换3.不同空间直角坐标系统转换公式不同空间直角坐标系统转换公式（2-15）上式即为两个不同空间直角坐标系的转换模型，通过该模型，利用重合点的两套坐标值（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）采取平差的方法可以求得转换参数。求得转换参数后，再利用上述模型进行各点的坐标转换。2021/7/141GPS测量原理与应用目录2.4 2.4 时间系统概述时间系统概述2.4.1 2.4.1 恒星时恒星时ST ST 定义定义：以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为 恒星时。计量时间单位计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒；一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒分类分类：真恒星时和平恒星时。2.4.2 2.4.2 平太阳时平太阳时MT MT 定义定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳 时。计量时间单位计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒；一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒。平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示 的时刻正是平太阳时。2.4.3 2.4.3 世界时世界时UT UT 定义定义：以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。2021/7/142GPS测量原理与应用目录2.4.4 2.4.4 原子时原子时IATIAT原子时原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。原子时的尺度标准原子时的尺度标准：国际制秒（SI）。原子时的原点原子时的原点由下式确定：AT=UT2-0.0039(s）（2-16）2.4.5 2.4.5 协调世界时协调世界时UTC UTC 为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷的时间系统，称为协调世界时协调世界时UTC。根据国际规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽可量与世界时接近。协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示：IAT=UTC+1sn （2-17）式中n为调整参数。2.4.6 GPS2.4.6 GPS时间系统时间系统GPST GPST GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点与国际原子时IAT相差19s。有关系式：IAT-GPST=19（s）（2-18）GPS时间系统与各种时间系统的关系见图2-6所示：2021/7/143GPS测量原理与应用目录第三章第三章 卫星运动基础及卫星运动基础及GPSGPS卫星卫星星历星历2021/7/144GPS测量原理与应用目录1.1.作用在作用在卫星上的力星上的力作用在卫星上的力 卫星轨道 轨道理论地球引力（1）：地球正球（质点）的引力人卫正常轨道人卫正常轨道理论（二体问题）摄 动 力地球引力（2）：形状摄动力 日、月引力 大气阻力 光压力 其它作用力轨道摄动人卫正常摄动理论总和人卫真实轨道人卫轨道理论3.1 3.1 概述概述2021/7/145GPS测量原理与应用目录3.1 3.1 概述概述二体问题二体问题：研究两个质点在万有引力作用下的运动规律问题称为二体问题。卫星轨道卫星轨道：卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道。卫星轨道参数卫星轨道参数：描述卫星轨道状态和位置的参数称为轨道参数。无摄运动：无摄运动：仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。无摄轨道：无摄轨道：无摄运动的卫星轨道称为无摄轨道。2.2.与与卫星运星运动有关的几个概念有关的几个概念2021/7/146GPS测量原理与应用目录英文名称中文名称符号意义Inclination of orbital plane轨道平面倾角i 决定轨道平面 的空间位置Right ascension of the ascending node升交点赤经Semi-major axis of orbital ellipse 轨道椭圆的长半径a决定轨道椭圆的大小Nunerial eccentricity of ellipse 轨道椭圆的偏心率e决定轨道椭圆的形状Argument of perigee近地点角距（幅角）决定近地点在轨道椭圆上的位置Mean anomaly 平近点角M卫星以平均角速度n0运行的角度3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动3.2.1 3.2.1 卫星运动的轨道参数卫星运动的轨道参数2021/7/147GPS测量原理与应用目录3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 在图3-1中所示的二体问题中，依据万有引力定律可知，地球O作用于卫星S上的引力F为：式中：G万有引力常数，G=(66724.1)10-14 Nm2/kg2；M,m地球和卫星的质量；r卫星的在轨位置矢量。由牛顿第二定律可知，卫星与地球的运 动方程：3.2.2 3.2.2 二体问题的运动方二体问题的运动方程程2021/7/148GPS测量原理与应用目录3.2.2 3.2.2 二体问题的运动方程二体问题的运动方程设为卫星S相对于O的加速度，则：由于M远大于m，通常不考虑m的影响，则有：取地球引力常数=GM=1，此时（3-4）式可写成为：2021/7/149GPS测量原理与应用目录3.2.2 3.2.2 二体问题的运动方程二体问题的运动方程设以O为原点的直角坐标系为O-XYZ，S点的坐标为（X，Y，Z），则卫星S的地心向径r=（X，Y，Z），加速度 ，代入（3-4）得二体问题的运动方程：左边(3-6)方程解的一般形式为：2021/7/150GPS测量原理与应用目录3.2.3 3.2.3 二体问题微分方程的二体问题微分方程的解解1 1、卫星运动的轨道平面方程、卫星运动的轨道平面方程 直接由微分方程（3-6）求积分，可得卫星运动的轨道平面方程：式中，X,Y,Z是卫星在地心天球坐标系中的坐标，2021/7/151GPS测量原理与应用目录2 2、卫星运动的轨道方程、卫星运动的轨道方程 卫星运动的轨道方程为：由于 ，所以（3-10）式可以真近点角V表示：另外由二体运动的微分方程可求出常用的表示卫星运动速度U的活力积分：3.2.3 3.2.3 二体问题微分方程的解二体问题微分方程的解2021/7/152GPS测量原理与应用目录3 3、用偏近点角、用偏近点角E E代替真近点角代替真近点角V V 从表示偏近点角E与真近点角V的关系的图3-2，不难证明:另外还可导出V和E的关系：3.2.3 3.2.3 二体问题微分方程的解二体问题微分方程的解2021/7/153GPS测量原理与应用目录3.2.3 3.2.3 二体问题微分方程的解二体问题微分方程的解4 4、开普勒方程、开普勒方程 设卫星的运动周期为T，则卫星平均角速度为：由此得到开普勒第三定律的数学表达式：建立轨道坐标系：坐标原点O在地心，X轴指向椭圆轨道近地点P，Y轴为轨道椭圆的短轴，Z轴为轨道椭圆的法向。在此坐标系下可以得出著名的开普勒轨道方程：2021/7/154GPS测量原理与应用目录3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历卫星星历：卫星星历：是描述卫星运动轨道的信息。也可以说卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。预报星历：预报星历：又叫广播星历。通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道根数和必要的轨道摄动改正项参数。后处理星历：后处理星历：是一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。参考星历：参考星历：相应参考历元的卫星开普勒轨道根数也叫参考星历。GPSGPS卫星星星星历传送方式：送方式：（1）C/A码星历，其中星历精度为数十米。（2）P码星历，精度提高到5m左右。2021/7/155GPS测量原理与应用目录2021/7/156GPS测量原理与应用目录2021/7/157GPS测量原理与应用目录2021/7/158GPS测量原理与应用目录GPSGPS卫星广播星历预报参数及其定义如下：卫星广播星历预报参数及其定义如下：（参见（参见SNR/8000SNR/8000用户手册）用户手册）toe星历表参考历元（秒），IODE（AODE）星历表数据量（N），M0按参考历元toe计算的平均点角（弧度），N密星历算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度），e轨道偏心率，轨道长半径的平均根（0.5m），0按参考历元toe计算的升交点赤经（弧度），i0按参考历元toe计算的轨道倾角（弧度），近地点角距（弧度），3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历2021/7/159GPS测量原理与应用目录 升交点赤径变化率（弧度/秒）卫星轨道面倾角变化率Cuc纬度幅角的余弦调和项改正的振幅（弧度），Cus纬度幅角正弦调和项改正的振幅（弧度），Crc轨道半径的余弦调和项改正的振幅（米），Crs轨道半径的正弦调和项改正的振幅（米），Cic道倾角的余弦调角和项改正的振幅（弧度），Cis轨道倾角的正弦调角和项改正的振幅（弧度），GPD周数（周），Tgd信号在卫星内部的延迟改正（秒），3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历2021/7/160GPS测量原理与应用目录3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历IODC星钟的数据量（N），0卫星钟差（秒）时间偏差，1卫星钟速（秒/秒）频率偏差系数，2卫星钟速变率（秒/秒2）漂移系数，卫星精度（N），卫星健康（N）。其中n中包括了轨道根数w。n中主要是二阶带谐项引起的w的长期漂移，包括了日、月引力摄动和太阳光压摄动。在 中主要是二阶带谐项引起的长期漂移，也包括了极移的影响。2021/7/161GPS测量原理与应用目录第四章第四章 GPS GPS卫星的导航电文和卫卫星的导航电文和卫星信号星信号2021/7/162GPS测量原理与应用目录4.1 GPS4.1 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文GPS卫星的导航电文卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码）：所谓导航电文，就是包含了有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获码等导航信息的数据码(或D码)。它分为预报星历、和精密星历。是用户用来定位和导航的数据基础。2021/7/163GPS测量原理与应用目录它的基本单位是长1500bit的一个主帧（如图4-1所示），传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。4.1 GPS4.1 GPS卫星的导航电文卫星的导航电文2021/7/164GPS测量原理与应用目录导航电文的结构导航电文的结构2021/7/165GPS测量原理与应用目录4.1.1 遥测字(TLMTelemetry Word)，位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了个同步的起点，使用户便于解释电文数据。4.1.2 交接字(HOWHand Over Word），紧接着各子帧开头的遥测字，主要是向用户提供用于捕获P码的Z计数。所谓Z计数是从每星期六星期日子夜零时起算的时间计数它表示下一子帧开始瞬间的GPS时。但为了实用方便，Z计数一般表示为从每星期六星期日子夜零时开始发播的子帧数。因为每一子帧播送延续的时间为6秒，所以，下一子帧开始的瞬时即为6x Z。通过交接字可以实时地了解观测瞬时在P码周期中所处的准确位置，以便迅速地捕获P码。导航电文的结构导航电文的结构2021/7/166GPS测量原理与应用目录导航电文的结构导航电文的结构4.1.3 第一数据块，含有关于卫星钟改正参数及其数据龄期、星期的周数编号以及电离层改正参数和卫星工作状态等信息。现对其中的主要内容介绍于下：1时延差改正Tgd 第7字码的第1724比特表示信号在卫星内部的延迟改正（秒），Tgd。2数据龄期AODC 第3字码的第23、和第24比特,以及第8字码的第18比特，均表示卫星时钟的数据龄期AODC。GPS试验卫星的AODC只占8个比特，而GPS工作卫星却扩展到了10个比特。A0DC是时钟改正数的外推时间间隔，它向用户指明对卫星时钟改正数的置信度，且知 AODCtoc-tl (4-1)式中:toc为第一数据块的参考时刻，tl是计算时钟参数所作测量的最后观测时间。2021/7/167GPS测量原理与应用目录导航电文的结构导航电文的结构3.星期序号WN。表示从1980年1月6日协调时零点起算的GPS时星期数。4.卫星钟改正参数：a0、a1、a2，分别表示该卫星的钟差、钟速及钟速的变化率。当巳知这些参数后，便可按下式计算任意时刻t的钟改正数t ta0十a1(ttoc)十a2(ttoc)2 (4-2)4.1.4 第二数据块 包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。该数据块一般称为卫星星历，其主要包括的参数及符号如表(p41)33所列。数据块二提供了用户利用GPS实时导航和定位的基本数据。2021/7/168GPS测量原理与应用目录导航电文的结构导航电文的结构4.1.4 第二数据块 包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星坐标位置的信息。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类。（如图4-2所示）2021/7/169GPS测量原理与应用目录3.时间二参数 (1)从星期日子夜零点开始度量的星历参考时刻toe；(2)星历表的数据龄期AODE，有：AODEtoe-t1 （）式中tl为作预报星历测量的最后观测时间，因此AODE就是预报星历的外推时间长度。卫星的运行及其轨道的参数1.开普勒六参数 这6个参数为：a，e,i0,0,M0（其含义同 3.4）。2.轨道摄动九参数 这9个参数为：n，idot,Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis（其含义同 3.4）表2-1导航电文中的参数-2021/7/170GPS测量原理与应用目录导航电文的结构导航电文的结构4.1.5 第三数据块 第三数据块包括第4和第5两个子帧，其内容包括了所有GPS卫星的历书数据。1.第4子帧 (1)第2，3，4，5，7，8，9，10页面提供第2532颗卫星 的历书；(2)第17页面提供专用电文，第18页面给出电离层改正模型参数和UTC数据；(3)第25页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特征符和第2532颗卫星的健康状况；(4)第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24页作备用，第13，14，15页为空闲页。2021/7/171GPS测量原理与应用目录导航电文的结构导航电文的结构2.第5子帧 (1)第1 24页面给出第1 24颗卫星的历书；(2)第25页面给出第1 24颗卫星的健康状况和星期编号。在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页面的第3字码，其开始的8个比特是识别字符，且分成两种形式：（a）第1和第2比特为电文识别（DATA ID）；(b)第3 8比特为卫星识别（SV ID）。第三数据块的作用：当接收机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。2021/7/172GPS测量原理与应用目录4.2 GPS4.2 GPS卫星信号卫星信号在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。GPS使用两种载波：L1载波：fL1=154f0=1575.42MHz,波长1=19.032cm,L2载波：fL2=120f0=1227.6MHz,波长2=24.42cm。选择这两个载波的目的是：测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。1 两种载波2021/7/173GPS测量原理与应用目录GPSGPS卫星信号卫星信号2、测距码 GPS卫星的测距码是用调相技术调制到载波上的。调制码幅值只取0或1。如果当码值取0时，对应的码状态取为-1，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波和相应的码状态+1相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时，其相位改变180。所以当码值从0变1或从1变为0时，都将使载波相位改变180。这时的载波信号实现了调制码的相位调制（见图4-4a）。2021/7/174GPS测量原理与应用目录GPSGPS卫星信号卫星信号3、数据码 数据码即为4.1节中的导航电文。根据这一原理，GPS中的三种信号将按图4-4b的线路进行合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以接收到的GPS信号。2021/7/175GPS测量原理与应用目录GPSGPS卫星信号卫星信号3、数据码 数据码即为4.1节中的导航电文。根据这一原理，GPS中的三种信号将按图4-4b的线路进行合成，然后向全球发射，形成今天随时都可以接收到的GPS信号。2021/7/176GPS测量原理与应用目录4.2.2 伪随机噪声码的产生及特性伪随机码1随机噪声码 码是用以表达某种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列。而这一序列又可以表达成以0和1为幅度的时间的函数，假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但其出现的概率均为12。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，通常称为随机码序列，也叫做随机噪声码序列。它是一种非周期序列，无法复制。随机码的特性是其自相关性好，而自相关性的好坏，对于提高利用GPS卫星码信号测距的精度是极其重要的。2021/7/177GPS测量原理与应用目录4.2.2 伪随机噪声码的产生及特性2伪随机噪声码及其特性 虽然随机码具有良好的自相关特性，但由于它是一种非周期性的序列，不服从任何编码规则，所以实际上无法复制和利用。因此，为了实际的应用，GPS采用了一种伪随机噪声码(Pseudo Random NoisePRN)，简称伪随机码或伪码。这种码序列的主要特点是，不仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且具有某种确定的编码规则。它是周期性的，可以容易地复制。伪随机码的产生：“多极反馈移位寄存器”的装置产生 移位寄存器的控制脉冲有两个：钟脉冲和置“l”脉冲。特性：伪随机码既只有与随机码相类似的良好自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。这样，用户接收机便可容易地复制卫星所发射的伪随机码，以便通过接收码与复制码的比较，可准确地测定其间的时间延迟。注：模二相加：1+1=0；0+1=1；1+0=1；0+0=02021/7/178GPS测量原理与应用目录状态编号各级状态 模二加反馈+末级输出的二进制数1 1 1 1 1012 1 1 1 0013 1 1 0 0014 1 0 0 0115 0 0 0 1006 0 0 1 0007 0 1 0 0108 1 0 0 1119 0 0 1 10010 0 1 1 01011 1 1 0 10112 1 0 1 01113 0 1 0 11014 1 0 1 11115 0 1 1 110表表4-1 4-1 四级反馈移位寄存器状态序列四级反馈移位寄存器状态序列 2021/7/179GPS测量原理与应用目录4.2.3 C/A 码1、产生方式产生方式 C/A码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。两个移位寄存器于每星期六/日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于1状态，同时在码率1.023MHz驱动下，序列G1（t）和G2（t）。G2(t)序列经过相位选择器，输入一个与G2（t）平移等价的m序列，然后与G1(t)模2相加，便得到C/A码。2021/7/180GPS测量原理与应用目录4.2.3 C/A 码2 2、C/AC/A码特点码特点 CA码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获CA码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对CA码逐个进行搜索。因为CA码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约205秒便可达到目的。由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的CA码所提供的信息，又可以方便地捕获GPS的P码。所以通常C/A也称为捕获码。3 3、C/AC/A码精度码精度 CA码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/101/100，则这时相应的测距误差可达29.32.9m。由于其精度较低，所以CA码也称为粗码。2021/7/181GPS测量原理与应用目录 4.2.4 P码 1、产生方式 P码是卫星的精测码，码率为10.23MHz。它是由两个伪随机码PN1(t)和PN2(t)的乘积得到的。2、P码精度 由于P码的码元宽度为CA码的110，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l10l100，则由此引起的相应距离误差约为293-029m，仅为CA码的110。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。3、P码特点 根据美国国际部规定，P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。即使如此，美国国防部又宣布实施AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对禁止非特许用户应用。2021/7/182GPS测量原理与应用目录卫星运行的平均角速度:n=n0+n GM=398600.5(KM)3/s2;、n均从卫星导航电文中获得4.3 GPS 4.3 GPS 卫星位置的计算卫星位置的计算在用GPS信号进行导航定位时，为了解算用户在地心固定坐标系中的位置，需要联合使用接收机所测得的站星距离和卫星在同一坐标系中的坐标，后者是根据卫星电文所提供公式计算的。计算方法：1计算卫星运行的平均角速度n2021/7/183GPS测量原理与应用目录4.3 GPS 4.3 GPS 卫星位置的计算卫星位置的计算2、对观测时刻t作卫星钟差改正 计算值GPS卫星的轨道参数是相对于参考时间而言的，因此，某观测时刻t 归化到GPS时则为：t=t-t t=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2 tk=t-toe a0、a1、a2、toe均从卫星导航电文中获得式中tk称作相对于参考时刻toe的归化时间，但应计及一个星期（604800s）的开始或结束，亦即当tk302400s时，则应减去604800s，当tk-302400s时，tk应加上604800s。2021/7/184GPS测量原理与应用目录4.3 GPS 4.3 GPS 卫星位置的计算卫星位置的计算3计算观测瞬间的卫星平近点角 卫星电文巳给出参考时刻的平近点角M0,故知 Mk=M0+ntk 4计算偏近点角Ek 根据卫星电文已给出的偏心率es和算得的Ms，可知：Ek=Mk+es*sin Ek (Mk、Ek,以弧度计)上列开普勒方程可用迭代法进行解算，即先令Ek=Mk 然后带入。因为GPS卫星轨道的偏心率es约为0.01左右，通常进行两次迭代计算便可求得偏近点角Es。5、计算真近点角Vk cosVk(cos Ek-es)(1-es cos Ek)sinVk(sin Ek)(1-es cos Ek)2021/7/185GPS测量原理与应用目录4.3 GPS 4.3 GPS 卫星位置的计算卫星位置的计算6计算升交距角k k=Vk+式中为卫星电文给出的近地点角距。7、计算摄动改正项u、r、i u=CUCCOS(2k)+CUSSIN(2k)r=CRCCOS(2k)+CRSSIN(2k)i=CICCOS(2k)+CISSIN(2k)8、计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk、和轨道倾角ik u kk+u r k=a(1-es cos Ek)+r 2021/7/186GPS测量原理与应用目录4.3 GPS 4.3 GPS 卫星位置的计算卫星位置的计算9计算卫星在轨道平面上的位置 在轨道平面直角坐标系(X轴指向升交点)中，卫星的位置是:xk=r k cos u k yk=r k sin u k 10、计算观测时刻的升交点经度k 观测时刻的升交点经度k为该时刻升交点赤经(春分点和升交点之间的角距)与格林尼治视恒星时GAST(春分点和格林尼治起始子午线之间的角距)之差为了根据上述预报的卫星星历参数，计算卫星在协议地球坐标系中的位置，应当知道卫星升交点在观测历元t的经度。如果取：为观测历元t的升交点赤经，GAST为观测历元t时春分点的格林尼治恒星时，则可以写出以下简单关系：k=-GAST (423)2021/7/187GPS测量原理与应用目录0=oe-GASTw、toe的值可从卫星电文中获取;e=7.2921156710-5rad/s为地球自转的速率=oe+tk (4-24)GAST=GASTw+et (4-25)由（4-23）式得：k=0+（-e)tk-etoe (4-27)4.3 GPS 4.3 GPS 卫星位置的计算卫星位置的计算2021/7/188GPS测量原理与应用目录4.3 GPS 4.3 GPS 卫星位置的计算卫星位置的计算11、计算卫星在地心坐标系中空间直角坐标 把卫星在轨道平面直角坐标系中的坐标进行旋转变换，可得出卫星在地心固定坐标系中的三维坐标：2021/7/189GPS测量原理与应用目录12.卫星在协议地球坐标系中的坐标计算卫星在协议地球坐标系中的坐标计算考虑极移的影响，卫星在协议地球坐标系中的坐标为:4.3 GPS 4.3 GPS 卫星位置的计算卫星位置的计算2021/7/190GPS测量原理与应用目录4.44.4GPSGPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理1.按接收机的用途分类按接收机的用途分类可分为：(1)(1)导航型接收机航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。单点实时定位精度较低，一般为25m,有SA影响时为100m。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/s以上，因此对接收机的要求更高。4.4.1 GPS接收机的分类2021/7/191GPS测量原理与应用目录(2)(2)测地型接收机地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3)(3)授授时型接收机型接收机 这类接收机主要利用GPS卫星提供的高