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1、GPS选修课完整教学课件 How does GPS work? 绪论 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策 内容要点 注入站注入站 主控站主控站 监测站监测站 人类第一颗人造卫星 1957年，苏联成功的将世界上第一颗人造地球卫星发射到近地轨道。 NNSS的产生 美国约翰.霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员通 过观测卫星的发播信号发现多普勒效应。 由此便诞生了世界上第一个投入运行的美国海军导航 卫星系统(NNSSNNSS，Navy Navigation Satellite System) Transit卫星系统简介 子

2、午卫星子午卫星 子午卫星星座子午卫星星座 NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导 航卫星系统），由于其卫 星轨道为极地轨道，故也 称为Transit（子午卫星系 统） 采用利用多普勒效应进行 导航定位，也被称为多普 勒定位系统 美国研制建立 1964年1月建成 1967年7月解密供民用 TRANSIT空间星座 TRANSIT卫星及星座参数： 6颗卫星位于6个轨道面 相邻轨道平面夹角30 轨道高度：1075km 运行周期107min 倾角i90 两种载波频率：f1150MHz， f2400MHz TRANSIT地面跟踪网 OPNET网 (三角形）用于外

3、推广播星历，TRANET 网 (实心圆）用于确定卫星精密轨道。 TRANSIT接收机 Magnavox MX 1502 TRANSIT接收机 子午卫星系统是第一代卫星导航定 位系统，跨越了从地基无线电导航到天 基无线电导航的历程，但其仍然存在许 多缺点，主要是： （1）卫星数量少，不能实现连续实时导航； （2）卫星轨道高度低，难以实现精密定轨； （3）信号频率低，难以补偿电离层效应的影响。 正 因 为 如 此 ， 美 国 国 防 部 于 1973年12月批准陆海空三军联合研制新 的军用卫星导航系统，于是GPS就产生 了。 Transit卫星系统的缺点 GPS简述 GPS的英文全称是Naviga

4、tion Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称GPS，也被称作为NAVSTAR GPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系 统”，或简称全球定位系统。 系统建立的国家：美国 系统的主要功能：在全球范围内，提供实时的、 连续的、全天候的导航定位及授时服务。 系统开始筹建时间：1973年 系统完全建成时间：1995年 GPS的发展历史-方案论证阶段 1973年12月，美国国防部批准研制GPS系统。 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 从1973年到1979年，共发射4颗试验卫星。研制 了地面接收机及建立了地面

5、跟踪网。 BLOCK I GPS的发展历史-全面研制和试验阶 段 从1979年到1987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。 Macrometer V1000 GPS的发展历史-实用组网阶段 1989年2月14日，第1颗 GPS工作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中 GPS首次大规模用于实战。 1993年底，实用的GPS网 即（21+3）GPS星座已经 建成，从此以后依据计划更 换失效的卫星。 1995年7月17日，GPS达 到FOC 完全运行能力 （Full Operational Capability）。 GPS的发展历史-

6、现代化阶段 保护 采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰，增加GPS军 用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS军用无线电信号的强度。 阻止 阻止敌方利用GPS的军用信号。设计新的GPS卫星型号（F），设 计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频道L1、L2、L5 (1.17645GHz) 和军用频道L3、L4分开。 改善 改善GPS定位和导航的精度，在GPSF卫星中增加两个新的民用频 道，即在L2中增加CA码，另增L5民用频道。 提高卫星寿命 提高定位精度 增强抗干扰能力 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策

7、 内容要点 注入站注入站 主控站主控站 监测站监测站 Imagine you are somewhere in your town but arent sure where. You ask someone for help and they say, You are 5 miles from the fire station. 5 miles This is nice, but it really doesnt help because you could be anywhere on a circle 5 miles around the fire station! A second he

8、lpful person tells you that you are 7 miles from the library. If you are 5 miles from the fire station and 7 miles from the library you can only be at one of these two points Fire Station Library Combine this information with the fire station information, and you have two circles that cross. Fire St

9、ation Library A third person tells you that you are 4 miles from home. You must be at the only place where all three circles cross. This circle will cross the other two circles at only one point. 卫星导航定位原理 : 距离交会 22 10101 22 20202 22 30303 (x -x ) +(y -y ) = d (x -x ) +(y -y ) = d (x -x ) +(y -y ) =

10、d 卫星导航定位原理 : 距离交会 222 1010101 222 2020302 222 3030303 222 4040404 (x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d (x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d (x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d (x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d 卫星导航定位原理 : 距离交会 222 1010101 222 2020302 2 222 1010101 222 2020302 222 3030303 222 4040404 2 303030 (x -x ) +(y -y

11、)(-) = d (x -x ) +(y -y )(-) = d (x -x ) +(y -y )(-) = d (x -x ) +(y -y (x -x ) +(y -y )(-) = d (x -x ) +(y -y )(-) = d (x -x ) +(y -y )( )(-) = d -) zz z zz z z zz z z z z z 2 3 = d 地球约束条件 卫星导航定位原理 : 距离交会 29 4 satellites in view are necessary4 satellites in view are necessary 1.坐标x 2.坐标y 3.坐标z 4.时间

12、误差dt GPS卫星 1 GPS卫星 4 GPS卫星 2 GPS卫星 3 系统时间 GPST 222 1010101 222 2020302 222 3030303 222 4040404 (-)(-)(-) (-)(-)(-) (-)(-)(-) (-)(-)(-) xxyyzzc dtd xxyyzzc dtd xxyyzzc dtd xxyyzzc dtd GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策 内容要点 注入站注入站 主控站主控站 监测站监测站 GPS系统构成 空间部分 地面部分 用户部分 GPS空间部分 GPS

13、星座由24颗卫星组成，分布在6个 轨道面上。每个轨道4颗卫星，呈非均匀分 布，轨道面沿赤道以60间隔分布，倾角 55，半长轴为26560公里的圆形轨道。 1978年发射首颗GPS卫星，1993年组 网运行，至今已研制了两代共六种型号卫星： GPS、GPS、GPSA、GPSR、 GPSRM、GPSF。 目前正在研发第三代GPS III导航系统， 其卫星技术在不断改进提高。 GPS 导航卫星星座 GPS空间部分-卫星的分布 GPS空间部分-卫星的载荷 有效载荷：有效载荷：原子钟，信 号生成、发射装置，存 储器、处理器 GPS空间部分-卫星的作用 接收、存储导航电文信息 生成用于导航定位的信号 发送

14、用于导航定位的信号 接受地面指令，进行相应操 作 GPS卫星制造 卫星为八面体长箱体构型（见图），设计寿命5年。 两太阳翼各由二块弧形板并联而成。 共有三个导航信号L1(1575.42MHz)：C/A、P(Y)两个信号 L2(1227.60MHz)：P(Y) 采用两台铯原子钟和两台铷原子钟。 导航电文存储容量 3.5天。 共生产了11颗卫星。 GPS试验验证卫星 GPS I 卫星卫星 GPS 第二代卫星 卫星结构构型和GPS相同。 在GPS基础上所如下改进： 设计寿命增加至7.5年 每个太阳翼各由4块平板并联构成（见图） 导航电文存储容量增至14天 在L1民用频率上采用了选择可用性（SA） 措

15、施和L2上反电子欺骗（AS）措施 共生产了9颗卫星。 GPS A 卫星卫星 卫星结构构型和太阳翼均与GPS相同 导航电文存储容量扩展至180天 星上电子设备采取防辐射及加固措施 增设激光反射器，用于星地测距，提高精度 共生产了19颗卫星。 GPS II 卫星卫星 GPS IIRGPS IIR卫星卫星 卫星结构构型和太阳翼和GPSR相同 在 GPSR基础上作如下改进： L1、L2频段上增加新的军用M码信号，提高安全 性和保密性 增加新的L2C民用码，使民用接收机可进行电离 层误差修正，提高定位精度 具有功率增加7dB功能 设计寿命10年 共生产8颗卫星。 GPS IIRGPS IIR- -MM卫

16、星卫星 GPS IIR卫星卫星 GPS IIR-M卫星卫星 卫星有较大改进： l 卫星采用4边形箱体构型（见图） l 每个太阳翼由两块板串联展开组成，可一次展开，提高了可 靠性 l 采用镍氢NiH2蓄电池，提高了容量 l 具有UHF频段星间链路，180天自主导航功能，URE 7m （1） l 采用新型高精度铷原子频标（3个）：610-4/天 l 装有展开式核爆探监测天线 共生产了12颗卫星。 卫星结构为八面体长箱体构型（见图） 减少结构板数量，增大天线安装面积 布局优化，卫星背地板外单独建立4个蓄电池 小舱 每翼由三块板组成，采用三结砷化镓太阳能 电池，提高了功率 增加新的民用频率L5（117

17、6.45MHz） 改进型天线，以宽带专用单元取代L波段阵元 设计寿命12年 已生产了16颗卫星 GPS IIR-F卫星 P(Y)P(Y)P(Y)P(Y) C/ AC/ AC/ AC/ A M odernized Signal EvolutionM odernized Signal Evolution C/ AC/ A P(Y)P(Y) C/ AC/ A P(Y)P(Y) P(Y)P(Y)P(Y)P(Y) P(Y)P(Y)P(Y)P(Y) MMMM C/ AC/ AC/ AC/ A MMMM Present SignalPresent Signal (Block II/IIA/IIR)(Bloc

18、k II/IIA/IIR) 2 2 ndnd Civil; MCivil; M- - CodeCode Block IIRBlock IIR - -MM (IOC: 2008; FOC: 2010)(IOC: 2008; FOC: 2010) 3 3 rdrd CivilCivil Block IIFBlock IIF (IOC: 2012; FOC 2014)(IOC: 2012; FOC 2014) C/ AC/ A P(Y)P(Y) MM C/ AC/ A P(Y)P(Y) MM P(Y)P(Y) C/ AC/ A MM P(Y)P(Y) C/ AC/ A MM 1176 M Hz117

19、6 M Hz (L5)(L5) 1227 M Hz1227 M Hz (L2)(L2) 1575 M Hz1575 M Hz (L1)(L1) GPS II 系列卫星频码图系列卫星频码图 GPS IIR-F卫星结构图卫星结构图 GPS IIR-F卫星卫星 美国正在研制第三代导航卫星美国正在研制第三代导航卫星GPS III，预期将有多项改进和提高：，预期将有多项改进和提高： 1、卫星设计寿命15年； 2、仍采用自身变轨方案，采用一箭双星发射； 3、定位精度：水平0.5m，高程1m； 4、授时精度：2ns; 5、增加L1C导航信号； 6、为与Galileo兼容互操作L5调制方式改为A1tBOC(1

20、5,10); 7、星间链路采用Ka频段； 8、点波束天线功率增强20dB; 9、采用锂离子电池，提高卫星功率； 10、自主导航180天，URE 3m； 11、具有星-星、星-地通信能力，100Mbit/s; 12、具有搜索及救援功能。 GPS III 卫星 GPS III 卫星卫星 GPS卫星发展历程 (1) 卫星 GPS I GPS II GPS IIA GPS IIR GPS IIRM GPS IIF GPS III 卫星构型 （长宽高） 八面体箱型 结构 同左 同左 四面体箱型结构 1.931.521.91 四面体箱型结构 1.931.521.91 八面体箱型结构 2.441.971.9

21、7 卫星重量 （kg） 1665 1816 2032 2065 2170 太阳翼 共2翼 每翼由2块弧 形板幵联构 成 共2翼 每翼由2块平板幵 联构成 共2翼 每翼由4块平板 幵联构成 共2翼 每翼由2块平板串 联构成 同左 共2翼，每翼由3块 平板串联构成 功率（W） 1100W 硅太阳电池 同左 1959W 硅太阳电池 同左 2610W 砷化镓太阳电池 蓄电池 NiCd 镉镍电池 同左 同左 NiH2 氢镍电池 同左 同左 锂离子电池 射频功率 EIRP L1：27dBW L2：20dBW 同左 同左 同左 L1：28dBW L2: 22dBW L1: 28dBW L2: 22dBW L

22、5: 32dBW 定位精度 C/A: 100m 50cm/s 385ns P(Y): 10m 20cm/s 100ns 同左 同左 C/A（无SA）: 50m, 100ns P(Y)：同左 C/A(无SA): 20m 50ns P(Y): 10m 20ns M: 6m 10ns 同左 0.5-1.0m 2ns 设计寿命 5年 7.5年 同左 同左 10年 12年 15年 GPS卫星发展历程 (2) 卫星 GPS I GPS II GPS IIA GPS IIR GPS IIRM GPS IIF GPS III 导航信号 L1 1575.42MHz C/A P(Y) L2 1227.60MHz

23、P(Y) 共3个 同左 同左 同左 L1:1575.42MHz C/A P(Y) M L2:1227.60MHz P(Y) M L2C 共6个 L1:1575.42MHz C/A P(Y) M L2:1227.60MHz P(Y) M L2C L5C:1176.45MHz P(Y) 共7个 同左， 增加L6 共8个 信号增强 无 无 无 无 7dB 7dB 20dB 信号调制 C/A： BPSK-R(1)* P(Y): BPSK-R(10)* 同左 增加SA、AS 措施 同左 同左 C/A： BPSK-R(1) P(Y): BPSK-R(10) M: BOC(10,5)* 同左 L5C： BP

24、SK-R(10) 同左 L1C： MBOC(6,1，1/11) L5C： A1tBOC(15，10) 扩频码位 长 C/A：1023 P:6187.10410 9 Y:加密产生 同左 同左 同左 同左 M:加密产生 L2C:CM 10230 CL 767250 同左 L5C: I 10230 Q 10230 同左 L1C:10230 星钟 2 台铷钟 110-12/天 2台铯钟 1.510-13/天 2 台铷钟 110-13/天 2台铯钟 110-13/天 同左 3台铷钟 610-14/天 同左 2台铷钟 510-14/天 2台铯钟 110-13/天 星间链路 无 无 无 UHF频段 TDMA

25、 BPSK-R(5)* 测距精度 2ns 同左 同左 具有跳频功能 Ka频段 （23GHz） 点对点传输 自主运行 无 无 无 自主运行180 天 URE 7m(1) 同左 同左 180天 URE 3m 注 R(1)* 码速率1.023Mcps，R(5)* 码速率5.115Mcps，R(10)* 码速率10.23Mcps BOC(10,5)* 副载波频率10.23MHz ，码速率5.115Mcps GPS地面部分 注入站注入站 主控站主控站 监测站监测站 一个主控站：科罗拉多斯必灵司 三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein

26、) 五个监测站：1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii) GPS地面部分 US NIMA Tracking Sites US Airforce Tracking Sites US Airforce Upload Sites MCS Colorado Springs Hawaii Buenos Aires Diego Garcia Ascension Bahrain Kwajalein Smithfield Hermitage Ouito US Air Force and NIMA Control and Tracking Stations GPS地面部分的主要功能 主控站作用： 根据各监

27、控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改 正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去； 对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用 卫星，替代失效的工作卫星工作； 监控站作用： 接收卫星信号，监测卫星的工作状态。 注入站作用： 注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入 到卫星中去。 注入站注入站 主控站主控站 监测站监测站 GPS地面部分的运行机制 GPS用户部分 GPS用户部分的主要功能 前置放大器下变频器 A/D 变换器 AGC 跟踪 捕获 导航解算数据存储器用户接口 L1天线 射频前端 基带信号 处理 L1信号 模拟中频数字

28、中频 导航数据 信号接收 参考晶振频率合成器 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策 内容要点 注入站注入站 主控站主控站 监测站监测站 提出GPS现代化的历史背景 国际局势变化，世界进入后冷战时代 GPS产业为美国带来巨大的经济利益 克服美国限制措施技术日益完善成熟 其它国家卫星导航定位系统的竞争 GPS现代化时间表 改进时间 GPS现代化内容 第一阶段 (2005) 发射5颗Block R-M卫星,L1加M码，L2加C/A、M 第二阶段 (2006-2016) 发射Block F卫星(24+3),L1加M，L2加C/

29、A、M，L5 第三阶段 2016-2036 发射GPS block 卫星,增强L1加M，L2加C/A、M，L5 提高卫星寿命 提高定位精度 增强抗干扰能力 GPS现代化-空中部分 GPS现代化-空中部分 L2 = 1227 MHz L1 = 1575 MHz L5 = 1176 MHz P(Y) C/A P(Y) L2C P(Y) C/A P(Y) L2C M M Civil Aviation 110 ; 101; 011 111; 111 ; 111; 111 GPS信号的调制 二进制信号的相位调制 调相 )cos()()(ttBtS 调频FM 调幅AM GPS信号的调制 GPS信号的调制

30、GPS中的三种信号将按下图的线路进行调制，然后向全球发射。 卫星信号的调制原理 )cos()()()( )sin()()()cos()()()( 222 11111 LLiiPL LLiiCLLiiPL ttDtPBtS ttDtCAttDtPAtS 载波L1 C/A码 P码 载波L2 D码 (导航电文) 相移90 ( )( )i i G t D t ( ) i D t ( ) i P t ( )( ) ii P t D t ( ) i G t 振荡器 模2加法器调制器 信号合成器 GPS信号的解调 为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发播的信号后，可通过多种解调 技术来恢复载波相位。 码相关

31、法 方法 将所接收到的调制信号（卫星信号） 与接收机产生的复制码相乘。 技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强） 相乘。 特点 限制：需要了解码的结构。 优点：可获得导航电文，可获得全波 长的载波，信号质量好（信噪比高） 卫 星 信 号 的 生 成 接 收 机 重 建 载 波 GPS信号的解调 平方解调技术：将接收到的卫星信号进行平方，由于处于1状态的调制码经过平方后均为+1， 而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。采用这种方法，可不必知道调 制码的结构，但平方解调后，不仅去掉了卫星信号中的测距码，而且也同时去掉了导航电文。 GPS接收机工作原理 前置放大器下变频器

32、A/D 变换器 AGC 跟踪 捕获 导航解算数据存储器用户接口 L1天线 射频前端 基带信号 处理 L1信号 模拟中频数字中频 导航数据 信号接收 参考晶振频率合成器 GPS接收机基本功能结构图 测距码测距原理 距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定 dtTutTu T R T )()( 1 相关系数： t c 信号传播时间的测定 载波测距原理 i t j t i t ij ttR (c)2002, 黄劲松 载波测距原理 S R SR) S R ( )t R ( )t S 接收机根据自身 的钟在 时刻复 制信号的相位 tR 接收机根据自身 的钟在 时刻所 接收到卫星在 时刻所发送信号

33、 的相位 tR t S t R t S 理想情况 实际情况 载波测距原理 观测值 整周计数 整周未知数（整周模糊度） )()( )()( )( 0 00 FrIntN FrInt Fr iii 通常表示为： 以后的观测： 首次观测： N0 Fr0 N0 Int( ) i Fri t0 ti 载波测距的特点 优点 精度高，测距精度可达0.1mm量级 难点 整周未知数问题 整周跳变问题 GPS信号的观测（伪距） GPS is actually a timing system Receiver firmware correlates received signal with replica mode

34、l Observed time delay c is “pseudorange” (a biased range) Received signal, driven by satellite clock Ts Model signal, driven by receiver clock T GPS Satellite clock, Ts Transmitted signal of known code (either C/A or P code) GPS Receiver clock Tr P=c(TrTs) Pseudorange Antenna GPS信号的观测（伪距） dtTutTu T

35、R T )()( 1 相关系数： GPS信号的观测（载波） 测量卫星发射的载波和 接收机同样的载波之间 的相位差，求得空中的 距离。 观测值为小于一周的 相位差， 整周数N待定。 相位差中包含卫星钟 钟差与接收机钟钟差。 卫星发射的载波 到达接收机 接收机产生的载波 GNSS Signal Processing Acquisition Find a specific satellite signal buried in noise Code tracking Decode time stamp Carrier tracking Decode data bits GPS系统导航定位基础 User

36、 location xu=(xu, yu, zu) Satellite 1 position xs1=(xs1, ys1, zs1) Range r1 Satellite 2 position xs2=(xs2, ys2, zs2) Satellite 3 position xs3=(xs3, ys3, zs3) Satellite 4 position xs4=(xs4, ys4, zs4) Range r2 Range r3 Range r4 卫星导航定位的时空基准 GPS导航卫星的轨道理论 GPS导航定位的误差改正 内容要点 坐标的定义及其分类 全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用

37、户在空间 的位臵。而所谓用户的位臵，实际上是指该用户在特 定坐标系的位臵坐标，位臵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 原点位臵、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。 为了描述卫星在其轨道上的运动规律，需要建立不随 地球自转的地心坐标系空间固定坐标系（天球坐 标系）；另一方面观测站是在地球表面，随地球自转 而运动，因此需要建立与地球固联的地心坐标系 地球固定坐标系（地球坐标系）。 天球坐标系定义 天球是指以地球为中心无限的向天空 伸展的一个球体，地轴延伸与天球有 两个交点北交点称为天北极，南交点

38、 称为天南极。与地球赤道面相应的天 球面称为天球赤道面和天球赤道。 黄道平面无限延伸与天球相交，相交 的大圆，称为天球黄道。通过地心与 黄道面垂直的轴线为黄轴，黄轴与天 球的两个交点分别是北黄极和南黄极。 春分点：即黄道与赤道的交点之一。 天球坐标系：以地球球心为原点，天 轴为轴；地心与春分点连线的春分 点轴为轴；与这两轴垂直并通过赤 道平面的为轴。这种坐标系称为天 球坐标系。 天球坐标系的两种表达方式 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，空间点的位臵 由坐标（X，Y，Z）来描

39、述。 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 点的位臵在天球坐标系下的表述为（r， ，）。 直角坐标系与球面坐标系 天球坐标系两种表达方式之间的转 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： sin cossin coscos rZ rY rX 22 222 /arctan( )/arctan( YXZ XY ZYXr 直角坐标系与球面坐标系 地球坐标系 由于天球坐标系与地球自转无关，导致地球

40、上一固 定点在天球坐标系中的坐标随地球自转而变化，应 用不方便。为了描述地面观测点位臵，有必要建立 与地球体相固联的坐标系地球坐标系（又称地球 固定坐标系）。 地球坐标系有两种表达方式，即空间直角坐标系和 大地坐标系。 地球坐标系 直角坐标系 地心地球直角坐标系的定 义 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。 大地坐标系 2 222 2 ()coscos ()cossin (1)sin arctan(/) arctan ()/(1) /sin(1) XNHBL YNHBL ZNeHB LYX BZ

41、 NHXYNeH HZBNe 地球坐标系两种表达形式的转换 对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间转换关系如 下： 22 2222 / 1sin ()/, NaeBN eabaa e 式中， 为该点的卯酉圈半径； ，分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一扁心率。 世界大地坐标参考系统(WGS84) WGS84坐标系是GPS所采用的坐标系统，GPS卫星所发布的广播星历 参数就是基于此坐标系统的。 WGS84坐标系统的全称是World Geodical System84（世界大地坐 标系84），它是一个地心地固坐标系统。WGS84坐标系统由美国国防 部制图局建立。 WGS84坐标系的坐标原点

42、位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点， Y轴与X轴和Z轴构成右手系。 世界大地坐标参考系统(WGS84) 椭球常数： 长半轴： a = 6378137.0 m 扁率： f = 1/298.257223563 地心引力常数： GM = 3986004.418108m3s-2 地球角速度： = 7292115.010-11rad s-1 GPS使用的时间系统（GPST） GPS时（GPS time，GPST）是GPS 系统专 用时间，原点为1980年1月1日0时UTC，单 位为SI秒。GPST由GPS系统主控站维持，使

43、 其尽可能地与UTC（Coordinated Universal Time）保持一致，但不作闰秒改 正。因此，它与国际原子时相差为一常数，即 19s。GPS时间是连续且均匀的时间系统。 GPS的观测值就是用GPST。 GPS时间系统的两种定义方式 主钟方式：由主钟方式：由主控站的主钟主控站的主钟定义定义，GPSGPS系统时间在系统时间在19911991年年6 6月月1717日以前由在科罗拉多的日以前由在科罗拉多的GPSGPS主控主控 站的主钟产生站的主钟产生。 合成钟方式：由合成钟方式：由所有地面钟和卫星钟组成的钟组所有地面钟和卫星钟组成的钟组定义定义，系统时间尺度由各个钟的加权平均系统时间尺

44、度由各个钟的加权平均得到得到。 这就是合成钟这就是合成钟（CompositeComposite Clock,Clock, CCCC）的概念的概念。合成钟又称合成钟又称纸纸钟钟，由所有监测站和卫由所有监测站和卫 星钟组成星钟组成。 合成钟举例 自1991年6月17日，GPS时间由 它的合成钟定义。右图 示出1998 年某段时间GPS合成钟内各钟的权 分配。当时合成钟由1818个卫星钟个卫星钟 和5 5个监测站钟个监测站钟组成。 GPST的实现 数据采集：数据采集：位于控制中心的精密守时站和分布于外场的监位于控制中心的精密守时站和分布于外场的监 测站观测卫星得到站至卫星的伪距测站观测卫星得到站至卫

45、星的伪距（参见上图参见上图），并发送并发送 至控制中心至控制中心。精密守时站钟组各钟间进行比对精密守时站钟组各钟间进行比对，比对数据比对数据 也传至控制中心也传至控制中心。这些数据供控制中心产生系统时间用这些数据供控制中心产生系统时间用。 系统时计算：系统时计算：计算卫星钟和位置状态与地面钟改正数；确计算卫星钟和位置状态与地面钟改正数；确 定每一单个钟在钟组中的权；定每一单个钟在钟组中的权；用用KalmanKalman滤波计算钟组的平滤波计算钟组的平 均时间均时间；预测卫星钟改正数与卫星星历改正数。；预测卫星钟改正数与卫星星历改正数。 时间系统在GPS中的作用与性质 时间系统的时间系统的作用作

46、用： 为卫星钟的精密预报提供稳定的时间参考； 支持时间服务。 时间系统应具有以下时间系统应具有以下性质性质： 稳定度：短期（1日）、中期（1日1月）、长期（1月）的稳定度都要达到规定要求。例 如，日稳5x10-14，中期稳定度34x10-14，月稳2x10-14。 准确度：系统时与TAI/UTC之间的同步精度应符合规定要求，例如，5x10-14。 卫星导航定位的时空基准 GPS导航卫星的轨道理论 GPS导航定位的误差改正 内容要点 影响卫星轨道的因素 卫星在空间绕地球运行时，除了受地球重力场的引力作用外，还受到太阳、月亮和其它天体的引力 影响，以及太阳光压、大气阻力和地球潮汐力等因素影响。卫星实际运行轨道十分复杂，难以用简 单而精确的数学模型加以描述。 在各种作用力对卫星运行轨道的影响中，地球引力场的影响为主，其它作用力的影响相对要小的多。 若假设地球引力场的影响为1，其它引力场的影响均小于10-5。 卫星轨道的研究方法 通常把作