2001级专升本.

coo試 27日用自E2丨MLOSTf 3師BuUik 15 j兰 CCCGPlNAtE t-n. nwm GO OUT THt 隔T XCQ.TUflNLEFr&C riSA4fi?SvOU TgVU蹈TO 60 丁secra?氐 沖乱CrmaliQii* Atmospheric dqla* Almanaca Monitor stat io nsGPS的布置和测试至1994年完成，达到全运行能力，并且以超过设计要求最佳定位指标向全球用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。GPS系统的基本概念如下：由三大部分组成：空间部分：24颗卫星，分布在6个平面，轨道倾角 55,升交点赤径相差60，轨道半径26600km,运行周期约24小时；地面控制监测部分：控制和监测卫星的 运行状况，上行加载导航数据和其他数据；用户部分：接收卫星导航数据，提供用户的时间和空间信息。测距原理：单向到达时间（TOA）。根据信号发送时刻和接收时刻之差来确定。定位原理：空间交会法。时间系统实现：采用世界协调时（UTC，卫星上装置高精度铯钟或铷钟，接收机上装置石英钟。3卫星信号：采用 CDMA技术，通过Li （1575.42MHz）和L2 （1227.6MHz）两个频率广播测Ll CARRIER 1575.42 MHzLl SIGNALC/A CODE L023MHZjimummnirNAV/SYSTEM DATA 50 HzT L rLTLr+Modulo 2 SumP CODE 10.23 MHZmruunminiuiL2 CARRIER 1227*6 MHzXX)L2 SIGNAL4#GPS SATELLITE SIGNALS距码（强相关伪随机码）和导航数据。提供信息：位置、速度和时间（PVT）。提供服务：标准定位服务（sps :水平精度loom垂直精度i56m精密定位服务（pps： 水平精度22m垂直精度27.7m。4. GPS勺应用H.Uai-：i i.-IO/WTlie Global Positioning Systmihie-at ulte-me tl hi of code-jihaie arrh*al tinirs &oni at lrast four sa/lrlli its ue med to Estbnalr folir quintitieF： piti*n in Ume iuiwnffaiif (X Ys Z) and GPS time (T),GPS和GLONAS都已从专门的军用系统变成了真正的军民双用系统。卫星导航技术被应 用于从休闲徒步到空间运载体引导的各式各样的民用与军用系统中，各种形式的交通工具都不可避免地受到卫星导航的影响。采用卫星导航的其优点是，用户不再因为陆基导航设备的精度和覆盖范围的影响而被限制在特定的航路内。只要用户处于卫星的视距之内，便能获得足够的导航精度。有人说，GPS对于定位的意义，犹如以前时钟对于计时的意义。对于GPS的应用，“只受制于人的想象”。目前，GPS的应用可以简单归纳如下：1) . GPS在大地控制测量中的应用2) . GPS在地形、地籍及房地产测量中的应用3) . GPS在公安、交通系统中的应用4) . GPS在国民经济建设中的应用5) . GPS在海洋测绘中的应用6) . GPS在航海航空导航中的应用7) . GPS在农业、林业、旅游和野外考察中的应用思考题1. 常用的导航手段有哪些？2. 简述GPS的基本情况。GPS可以应用在哪些领域？5第二讲GPS系统构成授课内容：1).系统概述，2).空间区段，3).操作控制区段，4).用户区段教学重点：空间区段和用户区段，GPS的服务计划学时：2学时教学方法：阅读，讲授，总结1系统概述GPS定位系统由三个部分组成，即空间区段、操作控制区段和用户区段。空间区段(Space Segment)即卫星星座(Constellation)，向用户设备提供测距信号和数据 电文。操作控制区段(OCS)负责监控GPS系统的跟踪和维护工作，包括主控站、监控站和注 入站。用户区段(User Segment)主要指 GPS接收机，其功能是接收和处理卫星发射的L波段信号以确定用户的位置、速度和时间(PVT)。Space segmentMonitor stationsUplink dais* Satellite ephemeris position ccnstanfs* Clock-ccrrecfion factors* Ahriospherit dab* Almanac /Downlink data* Coded ranqing signals* fasition inFormahon* Armojpheric data* Almanac1.1空间区段GPS的空间部分由24( 21+3)颗卫星构成(又称空间载体，Space Vehicle )。卫星分布在6个地心轨道平面内，每个轨道 4颗卫星，相邻轨道的卫星间隔约 40。卫星的运行周期 约半个恒星日，合11小时58分钟。各轨道接近圆形，并沿赤道以 60间隔均匀分开，轨道 与赤道面的倾斜角为 55，轨道半径大约 26600km （距地球面高度20200km）。GPS的星座布局，保证了在地球上任何地区、任何时间都能观测到高度角150以上的4颗卫星，用以解算用户位置。GPS Nominal Constellation24 Satellites in 6 Orbital Planes4 Satellites in each Plane20,201)km Altitude 55 Degree Inclination7Peter H Dana an/95Orbit PlanesADEFA4aF1aC2a12080A3aD1a(T Equator沪 Spare320a=Active280A1aC3a2402005177137Right Ascension of the Ascending Node160Argument of LatitudeE2a1B1aB2aF4aE4aC4aD4aF2aE3aOrbit X Position I JEJ8Simplified Representation of Nominal GPS Constellation#GPS卫星已经布置了三批(Block l,Blockll 和BlockllA)，还有二批(BlockllR 和BlockllF )正在发展之中。目前正在工作的 BlockllA 卫星重1500kg，设计寿命7.5年，星上装备了无线收发两用 机、铯原子钟或铷原子钟(其稳定度达到10-1410-13)、计算机、太阳能翼板及其他装备。每颗卫星以两个 L波段频率发射载波无线电信号：9Li=1575.42MHz （波长约 19cm）L2=1227.6MHz （波长约 24cm）载波上调制了测距码和导航电文， 用以计算卫星位置和测定用户天线至卫星的距离。其中，精密码（P码）提供精密定位服务 （PPS,供美国军方和特许用户使用； 粗/捕获码（C/A 码）提供标准定位服务，供普通用户使用。为了区分各个卫星， 对它们都进行了编号。编号的方式有三种，即按轨道号、按卫星序列号（SVN和按伪随机码（PRN分另编号。女口 A1、B3, SVN10 SVN15 PRN02 PRN19等。 PRN是最常用的卫星编码方式。1.2操作控制区段操作控制区段（OCS）简称控制区段，负责监控GPS系统的工作，包括主控站、监控站和注入站。OCS负责将SV保持在正确的轨道上，监视卫星的健康状况，并根据需要更新卫星 的时钟、星历和历书。OCS的基本结构如下：1）.主控站（Master Control Station, MCS ）:位于 Colorado Springs 附近的 Falcon 空军基地，其任务是收集各监控站（Mon itor Stati on, MS）送来的跟踪数据，计算卫星轨道和钟差参数并发送至各注入站，转发至各个卫星。主控站本身还是监控站，可以诊断卫星的工 作状态，进行调度。2）.监控站：共5个。除主控站外，还在夏威夷、北太平洋上的 Kwajalein岛、印度洋的DiogoGarcia岛、大西洋的 Ascension岛设置。在监控站，装备有P码接收机和精密铯钟，对所接收到的卫星信号进行连续的P码伪距跟踪测量，并将每隔1.5s的观测结果，借助电离层和气象数据，采取平滑方法，每获得15分钟的数据，将其传送到主控站。3) .注入站：与三大洋上的Kwajalein 岛、Diogo Garcia岛、Ascension岛上的监控站并置，其主要功能是将主控站发送来的卫星星历和钟差信息，每天一次地注入到卫星上的存贮器中。(若因注入站故障无法注入新数据，则可利用卫星上的存贮器进行预报，最长可预报14天的数据，但精度由10m下降到200m)。11MCS和MS的分布如下图。H Dana 52735Master ControlHawaii olltor Station X M onitDr StationFalcon AFB Colorado SpAscension IslandMonitor StationKwajkLeinMonitor StationGarciaMonitor S tad onGlobal Positioning System (GPS) Master Control and Monitor Station N芒twoTk1.3用户区段GPS的用户区段由GPS接收机和用户通信系统构成。接收机接收卫星信号，并对其进行 处理，解算出用户的PVT参数。根据GPS的定位原理，要确定用户的四维参数 (X, Y, Z, T), 至少需要同时观测并接收到四颗卫星的信号。进行三维导航是GPS设计的基本要求，而导航的工具就是GPS接收机。根据应用领域的 不同，GPS接收机可分为多种类型，但总的来说，其组成部分有5个：天线、信号处理器、控制显示单元、记录装置和电源模块。1) .天线：要求灵敏度和抗干扰性能强，覆盖范围大，配备前置放大器。2) .信号处理器：是GPS接收机的核心，要进行中频放大、滤波和信号处理，解码广播电文,并获得定位结果。3) .控制显示单元：控制作业过程，提供直观显示效果。4) .记录装置：根据需要，对定位结果进行记录，供事后处理。5) .电源模块：外接或内置电源。2. GPS应用举例1) .车载GPS自导航产品介绍2) .数字海河工程思考题1. 简述GPS的组成区段及各区段的作用。2. 简述GPS星座的构成。3. 简述GPS的操作控制区段。GPS接收机由那些部分组成，各部分主要功能是什么?13第三讲GPS系统现状及其提供的服务授课内容：1）.空间区段的发展，2）.用户接收机，3）. GPS的服务教学重点：GPS接收机，GPS的服务计划学时：2学时教学方法：阅读，讲授，总结自从1970年代中期开始发展 GPS以来，其各个区段一直在不断的发展和更新。对于空间区段，开始是概念证实阶段，然后进入生产阶段，相应的卫星称作卫星的批次（Block ）。对于用户区段，随着理论和技术的发展，尤其是电子工业的发展，接收机的功能越来越强， 体积越来越小，已经进入人们社会生活的各个领域。1. 空间区段的发展自GPS系统开始发展以来，已经布置了三批卫星，正在计划发展的还有两批。这些卫星 分别称作Blockl （概念证实卫星）、Blockll （初期生产卫星）、BlockllA （升级的生产卫星）、 BlockllR （补充卫星）和 BlockllF （后期坚持卫星）。Blockl卫星中的最后一颗 PRN12已于1995年撤出轨道，1996年7月，由9颗BLKll 卫星和15颗BLKllA组成额定卫星星座。其布局如下表所示：BlockPRNSVN轨道发射日期II1414E189.2II0213B389.6II1616E389.8II1919A489.10II1717D389.12II1818F390.1II2020B290.3II2121E290.8II1515D290.10IIA2323E490.11IIA2424D191.7IIA2525A292.2IIA2828C292.4IIA2626F292.7IIA2727A392.9IIA0132F192.11IIA2929F492.12IIA2222B193.2IIA3131C393.3IIA0737C493.5IIA0939A193.6IIA0535B493.8IIA0434D493.10IIA0636C194.3IIA0333C296.3以下总结各批次卫星的特征1）. Blockl卫星：初期概念证实卫星，是一种开发性的样机卫星，用以证实和验证GPS的基本原理和性能，共生产了7颗，至今已全部退出服务。Blockl 卫星由Rockwell公司制造，19781985年从加利福尼亚范登堡空军基地发射。 星上可以存储14天导航电文，但数据有效时间为1小时，装载了两台铯原子钟和两台铷原子钟，平均寿命4.5年，消耗性物资（燃料、电池等）寿命7年。没有星载动量管理，因而需要与地面频繁联系，以保持规定的卫星姿态。2）.BIockll卫星：初期生产卫星，在Blockl卫星的基础上进行了重大改善。进行了辐射加固，增加了 SA和AS功能。共生产和发射了9颗。Blockll 卫星由Rockwell公司制造，1989年起从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地开 始发射。导航电文容量为14天，数据14天内有效，装载多台铯和铷原子钟，设计寿命7.5年，消耗性物资（燃料、电池等）寿命 10年。与Blockl卫星类似，没有星上动量管理，因 而为保持卫星姿态，需与地面频繁联系。3）.BIockllA卫星：升级的生产卫星，与Blockll类似但作了性能上的改善。导航电文的容量增加到180天，因而卫星可以在轨连续工作6个月而无需地面支持。增加了星载动量管理，使卫星具有自主姿态保持功能。在OCS的正常控制下，可以将用户测距误差（URE控制在5.5m，若失去地面支持，则在180天后，URE下降到10000m之内。BlockllA 卫星由Rockwell公司制造，共制造了 19颗。1990年11月起从佛罗里达州卡 纳维拉尔角空军基地开始发射，寿命预计值与 Blockll相同。4）.BlockIIR卫星：补充卫星，用以补充到达使用寿命的Blockll/IIA 卫星。其信号和数据发射与Blockll/IIA相同，但增加了自主导航（AutoNav）能力。这种自主导航能力使卫星通过对其视界内其他卫星距离的观测，维持其星历和时钟数据达到180天。BlockllR 卫星由Martin公司制造，由于具有自主导航能力，因而在180天内可以将URE 控制在5.3m之内。5）.BlockIIF卫星：后续坚持卫星，用以取代BlockllR 卫星，其改进之一是对所有卫星进行指挥的交叉数据链能力。在轨卫星性能总结表卫星批次Block自主导航 能力星历/数据 存储时间动量管理自主工作 期限自主工作结束后的UREII无14天OCS14天161.1 米IIA无180天星载180天10000 米IIR有210天星载180天7.4米2. 用户接收机GPS功能强大，可以应用到导航、精密定位、提供时间基准、大地测量和姿态测定等诸 多方面。根据其应用范围的不同，相应的接收机也可分为多种类型。但总的来说，其组成部分可分成5个：天线、信号处理器、控制显示单元、记录装置和电源模块。GPS接收机的功能是：1) .选择视界内的卫星；2) .获取卫星信号；3) .测量和跟踪卫星；4) .恢复导航信息。GPS接收机种类繁多，可以按照不同用途和功能可以进行分成下述几类。1) .根据工作原理的不同，GPS接收机可分为码相关型、平方型、混合型和干涉型(1) .码相关型接收机利用码相关技术得到 GPS卫星发射的伪距观测量。其工作原理是，由GPS接收机产生与 卫星上发射的伪随机码(C/A码或P码)结构完全相同的复制码，通过移相器使复制码与接 收码最大相关，从而测定卫星信号到达用户接收机的传播时间。码相关型接收机必须知道卫星信号码的结构。可分为C/A码接收机和P码接收机两种。国内所用的均为 C/A码接收机。(2) .平方型接收机利用载波信号的平方技术去掉调制信号，得到载波信号，然后通过相位计检测接收机与载波信号之间的相位差，用以测定伪距观测值。这种接收机技术难度大，测量精度高，而且不需知道测距码结构，称为无码接收机。(3) .混合型接收机综合上述两种接收机的特点，既能得到码相位观测值，又能得到载波相位观测值。(4) .干涉型接收机通过测定卫星信号到达两个测站的时间差或相位差来测定两个测站的距离。因无需知道卫星信号的结构和卫星星历， 故不会受到美国军方对 GPS控制的影响。但由于体积太大， 结 构过于复杂，目前很少采用。2) .根据用途的不同，可分为导航型、测地型和授时型(1) .导航型接收机主要用于运动物体的导航，可以给出物体运动的实时位置和速度。这种接收机均采用C/A码伪距测量，实现单点实时定位，精度一般在25m这种接收机价格便宜，应用最广泛。可进一步分成以下几类：a. 车载型：主要用于车辆导航定位。b. 航海型：与海图相结合，主要用于船舶导航定位，c. 航空型：用于飞机导航定位，接收机要能适应高速和大加速度运动。(2) .测地型接收机主要用于精密大地测量。采用载波相位观测值进行相对定位，精度高，结构复杂，价格曰車昂贵。(3) .授时型接收机主要是利用GPS卫星提供的高精度时间基准进行授时，常用于天文台及无线电通信中的时间同步。.根据接收机的载波频率，可分为单频接收机和双频接收机 (1).单频接收机17单频接收机只能接收Li载波信号，测定载波相位观测值进行相对定位。由于不能消除电离层延迟影响，因而只适合进行小于15km的短基线定位，精度可达 cm级。(2).双频接收机双频接收机能够接收 Li和L2两个载波信号，利用两个频率对电离层延迟的不同，能消 除电离层延迟影响，适合进行长达几千15km的长基线精密定位。3) .根据接收机的通道数，可分为单通道接收机、多通道接收机和多路多用通道接收机1) .单通道接收机又称单通道序贯接收机。只有一个通道跟踪卫星信号，为了实现对多个卫星的跟踪，需采用软件控制方式在各卫星间进行切换，并且增设一个通道获取导航电文。这种接收机结构简单，体积小，重量轻，精度差，在早期的导航型接收机中采用。2) .多通道接收机多通道接收机中有多个通道，每个通道只跟踪一个卫星。其优点是可以对多个卫星进行 同时的连续的观测，但结构复杂，价格较高。目前常用的有812通道接收机。3) .多路多用通道接收机与单通道序贯接收机类似的是，在软件控制下依次对卫星进行测量，但测量转换速度快，即可进行码测量，又可进行载波相位测量。精度较多通道接收机略差。3. 几种GPS接收机举例手持式：eTrex-summit、CEC 9680、小犀牛系列产品一 RinO110/120航空式：GPSIII Pilot航海型：GPSMAP180COEM 板：GARMIN 15 系列、EURO-GGD4. GPS的服务GPS提供两种类型的服务：标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)。SPS为全球普通用户所使用。GPS提供的SPS服务精度为：水平面内100m(2drms, 95%, 垂直面内156m (2drms, 95% , UTC传送精度为 340ns。使用 GPS的SPS服务，只需有一台 GPS接收机即可。PPS为美国核准的军方用户和选定和政府部门使用。GPS提供的PPS服务精度为：水平面内 22m (2drms, 95%),垂直面内 27.7m (2drms, 95% , UTC传送精度为 200ns。对 PPS 服务的控制是通过反欺诈 (AS, Anti Spoofing)和选择可用性(SA, Selective Availability) 措施来实现的。各种GPS的服务、精度、费用和所用信号可列入下表。GPS ACCURACIES, COSTS, AND SIGNALSGPS approachACCURACY ESTIMATERECEIVER COSTESTIMATEGPS SIGNALSLIC30KM10MXSPS DIFFERENTIAL1 MJOOOXPPS NAVIGATION10 M$10X)00XXXANTI-SPOOFING NAVIGATION10 M$207)00?XXXXXLI CARRIER PHASE SURVEY0.1 M$104)00XXLi L2 CARRIERPHASE SURVEYOJOl mlisjaroXXXX珈IH. Du*思考题：1. 总结GPS各批次卫星的基本特点。2. GPS接收机的功能是什么？3. GPS接收机的主要类型有哪些？简述GPS提供的服务。2021第四讲测距原理和坐标系统授课内容：1).T0A测距原理，2).参考坐标系，3). GPS的时间系统教学重点：TOA测距原理计划学时：2学时 教学方法：讲授GPS利用到达时间(TOA测距的原理来确定用户的位置。这种原理需要测量从位置已知 的信号源(例如雾号角、无线电信标或卫星)发出的信号到达用户接收装置所经历的时间。将这个信号传播时间乘以信号的传播速度，便可得到从信号源到接收机的距离。 接收机通过测量距多个位置已知的信号源的距离，便能确定自身的位置。1. TOA测距原理1) .二维情况以在海上运行的船只利用雾号角信号确定船位的情 况为例。假设船只上装备有精密时钟，船员知道自己的大约位置和雾号角的准确位置，而且雾号角精确地在每分钟发出声音信号。则船员可以根据从分钟标记到听到雾号角的声 音之间所经历的时间，以及声音在空气中传播的速度，测 算船只与雾号角间的距离 Ri。如图1所示。如果船员用同样的方法测出船只与第二个雾号角之间的距离 艮，则这只船与1号雾号角的距离为 Ri,与第2只雾号角的距离为 Rao若假定已知两个雾号角发射信号的时间是同步的，则船只所在的位置位于两个圆的交点上， 如图2所示。由于船只的位置大致已知，因此可以通过判断， 去掉一个不可能的点， 从而得到船只的 准确位置。为了消除多值性，还可对第三个雾号角信号进行测量。(1).公共时钟偏差及其补偿以上，均假定船只的时钟与雾号角的时钟是精确同步的。若船载时钟与雾号角时钟不同步，则每次测量对每个雾号角的距离总有一个固定的距离误差。如果经过大量的实验可以确定这个时钟偏差，则这种误差可以被消除，从而使测距圆相交于一点。22#(2).独立测量误差对位置测量的影响上述讨论有一个基本假定， 即所有测量都没有受到干扰， 因而每次测量都是准确的。 若 考虑到大气效应、每个雾号角时钟与基准时钟的偏差及其他干扰造成的影响，则TOA测量就不会是完全理想的。 与刚才讨论的船只时钟误差不同的是， 这些误差是独立的， 即对每次测 量来说是误差不同的，从而将会导致距离计算的不精确。下图示出独立误差对位置确定造成的影响。可见，这时三个测距圆不交于一点，计算出的船只位置处于三角形误差区中的某一点。#TOA测量，就可以根据与2) .三维情况GPS利用TOA的测量确定至卫星的距离。借助于对多颗卫星的#利用雾号角测量相同的原理测定出用户在三维空间中的位置。与前述不同的是：卫星处在空间，信号以光速传播，需要确定三维位置。 在GPS应用系统中，有一个用作时间基准的 钟和用户时钟均与系统时间同步。所有的GPS卫星均在不断地发射测距信号， 中。当用户接收机捕获到某颗卫星的测距信号后， 接收到信号的时间与卫星信号发射的时间相减，GPS系统时间，为了描述原理，假定卫星时间。将这个时间乘以无线电信号在空气中的传播速度， 距离Ro一个卫星的测量距离可以把用户位置确定在以卫星为球心、以 二个卫星的测量距离可以把用户位置确定在一个圆周上。 三个卫星的测量距离可以把用户位置确定在两个点之一上。而且其发射信号的时间信息调制在测距信号 同时也可获知信号的发射时间。将接收机 即可得到测距信号从卫星到接收机的传播时 就可计算出用户接收机至某颗卫星的R为半径的球面上。3).GPS的TOA测距示意图利用4颗卫星的测量参数，估计出接收机时钟误差，并对卫星距离的测量值进行补偿, 从而通过对方程的求解确定出用户接收机位置。原理如下图所示。24hrS舉 I:P.H.Dara5jiaj?9S：Recewe r Chck BiasfdirnaMTIMEThe GPS Navigation SolutionThffi estimated ranges to each fate Hite utlcrFerl widdn a smaJJ irpvin wheii the receiver clflck bias if corrcrtl)* ttliijnLated and addtd to each measured re Lath俺！ rajig臥Nteuiued Rnge2. 参考坐标系统在GPS应用中，接收机虽然处于地球附近， 其位置随同地球的自转而运动， 但其观测目 标却是受地球引力而绕地球运动的人造地球卫星。为了描述卫星的运动情况，并正确处理卫星的观测数据，需要采用两种类型的坐标系并实现坐标系之间的相互转换。人造地球卫星工作采用空间直角坐标系来描述。任何一个空间位置均可由该点在三个坐标面上的投影唯一确定。而且可以通过坐标平移、旋转和尺度变换，将点的位置由一个坐标 系变换到另一个坐标系。三维坐标系可以由坐标原点、三轴指向和三轴尺度来确定。由于研究的对象在地球附近， 因而其坐标原点一般选择在地球质心。 从而可以根据坐标轴的指向， 将所用的坐标系分成天 球坐标系和地球坐标系两大类。天球：以地球质心为球心，半径为无限大的假想球体。天极：地球自转轴与天球面的交点，有北天极和南天极这两个天极。天球赤道面：通过地球质心与天轴垂直的平面。黄道：地球公转轨道面与天球相交的大圆。春分点和秋分点：黄道与天球赤道面的两个交点。1）.地心惯性（ECI）坐标系原点：地球质心；X轴：由地心指向春分点；Z轴：由地心指向北极； Y轴：XY平面与赤道面重合，其方向的选择是构成右手坐标系。ECI坐标系固定在世界测地坐标系WGS-84坐标系上。ECI系的特点：服从牛顿力学定律和重力定律，便于表述卫星星历信息。2）.地心地球固连（ECEF坐标系：原点：地球质心；X轴：指向00经度方向，Y轴：指向900经度方向；Z轴：指向北极。 三轴构成右手系。EFEF系的特点：随地球而旋转，便于计算接收机的位置。在计算GPS接收机的位置之前，必须将卫星星历信息由ECI变换到ECEFEarth Centered, Earth Fixed X, Y, Z3）.世界测地（WGS-84）系：是GPS卫星导航系统中描述的标准地球椭球模型，赤道横截面为圆，半径 包含Z轴的椭圆长半轴为 a=6378.137km，短半轴为 b=6356.752km。6378.137km ；地球椭球偏心率为 e = i；1-，第二偏心率e=地球椭球扁平率为f -匕a为了导出卫星精确的星历信息，利用GPS进行导航定位，采用 WGS-84定义的地球椭球是十分重要的。4) .坐标变换(1).从测地参数(经、纬、高度)变换到直角坐标系Coordinate ConversionGeodetic Latitude. Longitude and Height to ECEF, X, Y? ZX = (N +ft)coscosA y = (JV 4- h) cossinXZ = Af (1 -) + ft sinwhere伞入 h 二 geodetic latitude, lnngitude, and height above ellipsoid X3YjZ = Earth Centered Earth Fixed Cartesian Coordinates andN(前二 a / .Jl - e1 sins = radius of curvature in prime vertical a = semi - major earth axis (ellipsoid equatorial radius)Z* = semi - minor earth axis (Ellipsoid polar radius)二 flattening27#Petff H. Ddi= 2f - f - eccentricity squared(2).从直角坐标系变换到测地参数Coordinate Conversion: Cartesian (ECEF X, Y, Z) andGeodetic (Latitude, Longitude, and Height)Direct Solution for Latitude, Longitude, and Height from X, Y, ZThis coirviersiDn is not exact and provides centimeter accuracy for heights = 1,000 km(See Bowiiiig, B. 1S76 Transformaiion frompdial to ographical coordinatesSurvey Review XXIE： pg 323-327)Z + gbsns6* =礼也城1TX卩一总acos &X = atan2(r,A)28#伤入/ = geodetk Jatiiudc longitudcaiid height above eDsoidXX Earth Centered. EartJi Fixed Cartesian caordLutes and:p =松*3 =気 t(务)Nfa / 1- e sin = radius of curvature inprimevertical a = semi - majo r earth axis(ellf sold e qua. to rial radius) b = semi - minor earth axis (ell sold polar radius)a- bf = fhttenhig- 2f - f = eccentcicify sq uared.ECI系与ECEF系之间的关系EQg(RIGHT ASCENSrON3. GPS的时间系统GPS发送世界协调时（UTC,为用户提供时间同步能力。其应用范围可以从提供基本的 时间基准到实现跳频通信。1）.UTCUTC是复合时间标记，产生自原子秒标记和地球自转，而完全以原子标准为基础的时间 标度称为国际原子时（TAI）。UTC的“秒”与TAI是一致的。用以形成UTC的另一种时间标度是世界时1（UT1），它是以地球自转为基础的。由于地球自转的不均匀性，UT1也不均匀，而且对原子时具有漂移，其差值一年可达到1秒。由于在军用和民用中需要利用UT1的特性，又要有原子时钟的均匀性，便产生了UTC为了保持UTC与太阳的同步，在适当的时候要在其上增加或减少一个闰秒，以使UTC与UT1之间的误差不超过0.9秒。2）.GPS系统时GPS系统时以UTC为参照。GPS系统时是一个“纸上”时间标度，由地面控制区段和空 中卫星的时钟导出。GPS时是一个连续的时间系统，不用闰秒调整。GPS系统时与UTC在1980年1月6日重合。在控制区段的调整下， GPS时与UTC的误差 在1us （模1s）之内。至 2000年4月，GPS时领先UTC10秒钟。GPS系统时中的历元是从星期六 /星期日午夜和GPS星期编号所经过的秒数区分开的。 GPS星期依序编号，并以 1980年1月6日0时作为第0星期的开始。3）.接收机对UTC的计算接收机在计算用户 PVT时确定其与GPS系统时的偏差tu，将这个偏差加到接收机时钟的时间trcv上便产生出GPS系统时。在 GPS系统时与UTC之间的整数闰秒值由导航电文提供。因而可以得到UTC时间：tUTc 灿tu tn思考题1. 简述二维和三维情况下 TOA测距原理。2. 用WGS-84描述地球形状。3. 假设地球为标准球体，对测地参数和ECEF参数进行互换。4. 简述ECI系与ECEF系的关系。5. 简述GPS系统时间的产生。在GPS接收机中是如何求取 UTC时间的？2930第五讲GPS轨道理论授课内容：1).开普勒轨道元素，2).GPS星历数据，3).卫星位置计算 教学重点：开普勒轨道元素计划学时：2学时教学方法：讲授GPS利用到达时间(TOA测距原理确定用户的位置，因而需要知道两个参数：电信号传播时间和卫星位置。 为了根据GPS卫星的导航电文计算卫星位置，了解GPS卫星轨道理论是十分重要的。1. 二体问题下的卫星运动GPS卫星绕地球运行的运动状态取决于它所受到的诸多作用力，这主要有地球、太阳、 月球对卫星的引力、 太阳光波压力、地球潮汐力等。在这些力的共同作用下，卫星在空间运 行的轨迹极其复杂，难以用简单而精确的数学模型表示。为了研究卫星运动的基本规律，可以将卫星所受到的作用力分为两类：第一类是地球质心引力，即将地球视为密度均匀的球体，可等效为质量全部集中在地球质心这一质点的引力，也称为中心力；另一类是摄动力，也称为非中心力，它包括因地球非球形对称的地球引力场 摄动力，日、月引力，太阳光压，地球潮汐力，大气阻力等。摄动力与中心力相比，仅为 10-3量级。由于卫星的体积很小，更可将其看作质量集中于其质心的质点。只考虑地球质心引力作用的卫星轨道称为无摄轨道，同时考虑各种摄动力作用下的卫星轨道称为受摄轨道。虽然受摄轨道更接近于实际轨道，但忽略所有摄动力，可以极为方便地研究卫星相对于地球的运动。 这种只考虑在中心力作用下卫星运动的问题，在天体力学中称为二体问题。设卫星质量为 m，处于ECI坐标系的位置矢量 r。G是万有引力常数，M是地球质量,在二体问题假设下，根据牛顿第二定律可知，卫星所受力为mM=ma = -G rr式中,a是卫星加速度，r = r由于加速度是位置对时间的二阶导数，因而上式可改写为d2 rdt2GM式中、=GM .此式(2)就是二体问题下的卫星运动表达式(或称为开普勒卫星运动表达式)。若考虑到地球不是标准的球体，且具有不均匀的质量分布，则可用函数V表示在空间任一点上地球的真实重力势。因此，上式可改写为djvdt2这里，为梯度因子，其定义为exeV讷eVcz在二体运动条件下， V -/ r 因而有a二cr-(r )cXcXPdrP(r )一 2一 2r讷ra _icr(r )-QZ一1一 z 一V/r)二 J1c / 2(X.X1 / 2 (X-yi ( 2 一(x .zy2y2y24(x2 y2 z2r)2 2y2 J + z )21+ z2)222F31#可见，当V二/r时，用重力梯度表示的卫星运动等同于二体运动方程。在实际操作中，为了精确描述卫星的真实运动，地球的重力势用球谐波级数做成模型。若点P距地心的距离、纬度和升交点赤径分别已知，即其球坐标为（r），则其重力势可描述为l =2 m=6 Ja 為伽)Clm1cosm= Slm sin m：J在WGS-84坐标系中，一直提供到18阶的球谐波系数 Clm和Slm 如果考虑受摄运动，则可得到全扰动运动方程二 Vd2 r dt22. 卫星运动的开普勒轨道元素对于卫星的二体运动微分方程的求解， 需要6个独立的积分常数。 这6个参数可按不同 的方法进行选择。在天文学上，为了便于确定任一瞬时卫星的位置及运动状态， 常采用多普 勒轨道参数进行描述。32对于全扰动运动方程，同样也只需6个参数对轨道进行描述，但不再是常数，因而GPS导航电文中不仅给出了 6个轨道参数，同时还给出了参数适用时间。通过对二体运动的微分方程进行面积积分、轨道积分等运算，可以推导证明三个开普勒卫星运动定律：第一定律：卫星运动的轨道是一椭圆，地球质心位于椭圆的一个焦点上； 第二定律：地球质心与卫星质心间的向径矢量，在相同的时间内所扫过的面积相等； 第三定律：卫星运动周期的平方，与轨道椭圆长半轴的立方成正比。描述卫星开普勒轨道元素的参数分成两组，一组定义了轨道的形状，另一组定义了轨道在ECEF坐标系中的取向。1).定义椭圆轨道形状的 3个开普勒轨道元素的物理意义如图1所示，分别为a :椭圆的长半轴e:椭圆的偏心率 ：经过近地点的时刻历元：卫星处于其轨道是某个基准位置的时间。真近点角与平均近点角：在二体运动中，常用真近点角来描述运动体位置，但在GPS系统中，为了计算的方便，却是采用平均近点角来描述运动体位置。如图，真近点角是在轨道平面上从近地点方向逆时针测量到卫星方向的角度。图中，历元上的真近点角为 v =/PFA。根据开普勒第二定律，真近点角与时间呈非线性关系。为了得到与时间呈线性关系的运动参数，对真近点角进行两次变换，可以得到与时间线性变化的平均近点角。第一次变换得到偏心近点角 E =/POB，且可推导出它与真近点角的关系为1 _ e1E =2arctan tan(-v)1 + e2第二次是由开普勒公式计算出平均近点角M = E -esin E将真近点角变换为平均近点角之后中，平均近点角随时间的线性关系是这里M 是在历元to的平均近点角,M是在时间t的平均近