第二章GPS衛(wèi)星定位基礎

第二章、GPS衛(wèi)星定位基礎含教材二、三、四章主要內(nèi)容2.1、時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)；（重點）2.2、衛(wèi)星軌道運動；2.3、GPS衛(wèi)星信號；2.4、美國政府的GPS政策及其現(xiàn)代化2.1、時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)一、GPS定位的坐標系統(tǒng)GPS定位測量涉及兩類坐標系，即天球坐標系和地球坐標系。天球坐標系是一種慣性坐標系。即其坐標原點和各坐標軸的指向在空間保持不動，可較方便地描述衛(wèi)星的運行位置和狀態(tài)。而地球坐標系則是與地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)，用于描述地面測站的位置。本節(jié)介紹幾種主要的天球和地球坐標系，以及坐標系之間轉(zhuǎn)換模型。GPS定位的坐標系統(tǒng)

1、慣性坐標系—天球坐標系?定義：沒有加速度的系統(tǒng)?=>可以應用牛頓運動定律?在此系統(tǒng)中，衛(wèi)星運動滿足下式：F=ma?已知作用在衛(wèi)星上的力，衛(wèi)星的速度和位置可用加速度完整地描述?可以非常方便地定義此系統(tǒng)與地球的關(guān)系GPS定位的坐標系統(tǒng)

GPS定位的坐標系統(tǒng)

歲差和章動?歲差和章動:地球自轉(zhuǎn)軸的運動?原因:日、月、地球與其他星體的相對運動，地球內(nèi)部質(zhì)量分布的不均勻。?歲差：歲差就指平北天極的以北黃極為中心，以黃赤交角ε為半徑的一種順時針圓周運動。長周期的緩慢運動(25800年)?章動：章動是指真北天極繞平北天極所作的順時針橢圓運動。短周期運動，周期約18.6年GPS定位的坐標系統(tǒng)

2、地心坐標系——Earth-CenteredInertialCoordinateSystem?定義:–原點:地球質(zhì)心–z軸:地球的自轉(zhuǎn)軸–x-y平面:與地球赤道面重合–x軸:指向格林威治起始子午線與地球赤道面的交點–y軸:與x軸、z軸構(gòu)成右手系GPS定位的坐標系統(tǒng)

極移：地極在地球表面上的位置隨時間而變化，這種現(xiàn)象稱為地極移動。GPS定位的坐標系統(tǒng)

GPS定位的坐標系統(tǒng)

3、天球坐標系到地球坐標系的轉(zhuǎn)換（1）歲差旋轉(zhuǎn)、章動旋轉(zhuǎn)（平天球——真天球）（2）旋轉(zhuǎn)真春分點時角（真天球——真地球）（3）極移旋轉(zhuǎn)（真地球——協(xié)議平地球—WGS84)

GPS定位的坐標系統(tǒng)4、WGS-84坐標系該坐標系由美國國防部研制，自1987年1月10日開始起用。WGS—84坐標系的原點為地球質(zhì)心M；Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地極(CTP—ConventionalTerrestrialPole)；X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與CTP相應的赤道的交點；Y軸垂直于XMZ平面，且與Z、X軸構(gòu)成右手系。WGS—84坐標系采用的地球橢球，稱為WGS—84橢球，其常數(shù)為國際大地測量學與地球物理學聯(lián)合會(IUGG)第17屆大會的推薦值。GPS定位的坐標系統(tǒng)

5、參心坐標系?定義:–原點:參考橢球中心–z軸:指向與地球的自轉(zhuǎn)軸平行的參考橢球的短軸–x-y平面:與地球赤道面重合–x軸:指向起始子午面與地球赤道面的交點–y軸:與x軸、z軸構(gòu)成右手系１９５４年北京坐標系、１９８０年國家大地坐標系、新１９５４年北京坐標系GPS定位的坐標系統(tǒng)

GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)二、GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)?時間:

測量周期性運動的指標?時鐘:–鐘擺，機械表–地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)–石英表–原子時(銫—cesium,銣—rubidium,氫—hydrogen)GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)GPS衛(wèi)星作為一個高空動態(tài)已知點，其位置是隨時間不斷變化的。因此，在給出衛(wèi)星運行位置的同時，必須給出相應的瞬間時刻。并且，衛(wèi)星位置的精度和時刻的精度密切相關(guān)，例如：當要求GPS衛(wèi)星的位置誤差小于1cm時，相應的時刻誤差應小于2.6×10-6s。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)GPS測量是通過接收和處理GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，來確定用戶接收機(即觀測站)至衛(wèi)星間的距離，進而確定觀測站的位置。而欲準確地測定測站至衛(wèi)星的距離，就必須精密地測定信號的傳播時間。如果要求站星距離誤差小于1cm，則信號傳播時間的測定誤差應不超過3×10-11s。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)

由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標系中，地球上點的位置是不斷變化的。若要求赤道上一點的誤差不超過1cm，則時間的測定誤差須小于2×10-6s。顯然，利用GPS技術(shù)進行精密定位與導航，應盡可能獲得高精度的時間信息，這就需要一個精確的時間系統(tǒng)。以下介紹與GPS測量有關(guān)的幾種時間系統(tǒng)，即：世界時，原子時和力學時。確定一個時間系統(tǒng)和確定其他測量基準一樣，要定義時間單位(尺度)和原點(起始歷元)。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)1、世界時系統(tǒng)：世界時系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)為基準的一種時間系統(tǒng)。1）恒星時：如果以春分點為參考點，則由春分點的周日視運動所確定的時間，稱為恒星時。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)2）太陽時：太陽時有真太陽時和平太陽時(MeanSolarTime——MT)兩種。

如果以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)的參考點，那么由真太陽周日視運動所確定的時間，稱為真太陽時。

平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔，為一個平太陽日，而一個平太陽日包含有24個平太陽時。平太陽時也具有地方性，故常稱為地方平太陽時。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)3）世界時：UniversalTime—UT，以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時UT。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)2、原子時：隨著空間科學技術(shù)和現(xiàn)代天文學和大地測量學的發(fā)展，對時間系統(tǒng)的準確度和穩(wěn)定度的要求不斷提高。以地球自轉(zhuǎn)為基礎的世界時系統(tǒng)，已難以滿足要求。為此，人們從20世紀50年代，便建立了以物質(zhì)內(nèi)部原子運動的特征為基礎的原子時間系統(tǒng)。

因為物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有很高的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性，所以由此而建立的原子時，便成為當代最理想的時間系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)原子時秒長的定義為：位于海平面上的銫［133］原子基態(tài)兩個超精細能極，在零磁場中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時間，為一原子時秒。該原子時秒作為國際制秒(SI)的時間單位。這一定義嚴格地確定了原子時的尺度，而原子時的原點由下式確定：AT＝UT2-0.0039(s)GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)

原子時出現(xiàn)后，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用，許多國家都建立了各自的地方原子時系統(tǒng)。但不同的地方原子時之間存在著差異。為此，國際上大約有100座原子鐘，通過相互比對，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時(International

AtomicTime——IAT)。原子時是通過原子鐘來守時和授時的，因此，原子鐘振蕩器頻率的準確度和穩(wěn)定度便決定了原子時的精度。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)3、力學時(DynamicTime——DT)

力學時是天體力學中用以描述天體運動的時間單位。根據(jù)天體運動方程，所對應的參考點不同，力學時又分為質(zhì)心力學時和地球力學時的兩種形式。

質(zhì)心力學時(BarycentricDynamicTime——TDB)，是相對太陽系質(zhì)心的天體運動方程所采用的時間參數(shù)。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)

地球力學時(TerrestrialDynamicTime——TDT)，是相對地球質(zhì)心的天體運動方程所采用的時間參數(shù)。地球力學時(TDT)的基本單位是國際制秒(SI)，與原子時的尺度一致。國際天文學聯(lián)合會決定，于1977年1月1日原子時(IAT)0時與地球力學時的嚴格關(guān)系定義如下：TDT＝IAT＋32.184(s)GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)

若以T表示地球力學時(TDT)與世界時(UT1)之差的差，則由上式可知ΔT＝TDT-UT1＝IAT-UT1＋32.184(s)

該差值可通過國際原子時與世界時的比對而確定，通常載于天文年歷中。

在GPS測量中，地球力學時作為一種嚴格均勻的時間尺度和獨立的變量而用于描述衛(wèi)星的運動。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)4、協(xié)調(diào)世界時——(CoordinateUniversalTime—UTC)

在許多應用部門，如大地天文測量、天文導航和空間飛行器的跟蹤定位等部門，當前仍需要以地球自轉(zhuǎn)為基礎的世界時。但是，由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢，近20年來，世界時每年比原子時約慢1s，兩者之差逐年積累。為了避免發(fā)播的原子時與世界時之間產(chǎn)生過大的偏差，所以，從1972年便采用了一種以原子時秒長為基礎，在時刻上盡量接近于世界時的一種折衷的時間系統(tǒng)，這種時間系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)世界時(UTC)，或簡稱協(xié)調(diào)時。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)

協(xié)調(diào)世界時的秒長嚴格等于原子時的秒長，采用閏秒(或跳秒)的辦法使協(xié)調(diào)時與世界時的時刻相接近。當協(xié)調(diào)時與世界時的時刻差超過±0.9s時，便在協(xié)調(diào)時引入一閏秒(正或負)，閏秒一般在12月31日或6月30日末加入。具體日期由國際時間局安排并通告。為了使用世界時的用戶得到精度較高的UT1時刻，時間服務部門在發(fā)播協(xié)調(diào)時(UTC)時號的同時，還給出UT1與UTC的差值。這樣用戶便可容易地由UTC得到相應的UT1。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)目前，幾乎所有國家時號的發(fā)播，均以UTC為基準。時號發(fā)播的同步精度約為±0.2ms，考慮到電離層折射時的影響，在一個臺站上接收世界各國的時號，其互差將不會超過±1ms。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng)5、GPS時間系統(tǒng)(GPST)

為了保證導航和定位精度，全球定位系統(tǒng)(GPS)建立了專門的時間系統(tǒng)，簡稱GPST。

GPST屬原子時系統(tǒng)，其秒長為國際制秒(SI)，與原子時相同，但其起點與國際原子時(IAT)的起點不同。因此GPST與IAT之間存在一個常數(shù)差，它們的關(guān)系為：IAT-GPST＝19(s)GPST與協(xié)調(diào)時(UTC)規(guī)定于1980年1月6日0時相一致，其后隨著時間成整倍數(shù)積累，至1987年該差值為4s。

GPST由主控站原子鐘控制。2.2衛(wèi)星軌道運動

假如地球是一質(zhì)量分布均勻的球體，因此地球的引力就等效于一個質(zhì)點的引力。地球可視為質(zhì)量全部集中在其質(zhì)心的質(zhì)點，衛(wèi)星當然同樣可以看作是質(zhì)量集中的質(zhì)點。

研究兩個質(zhì)點在萬有引力作用下的相對運動問題，在天體力學中稱為二體問題。在二體問題意義下，地球人造衛(wèi)星的軌道運動，稱為正常軌道運動。衛(wèi)星軌道運動衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星在空間繞地球飛行時的的運行軌跡。無攝運動：僅僅考慮地球的質(zhì)心引力對衛(wèi)星的引力作用來研究衛(wèi)星的運動。受攝運動：衛(wèi)星在各種引力作用下的運動，或衛(wèi)星在攝動力下的運動。衛(wèi)星軌道運動1、衛(wèi)星軌道在固定的軌道上運行，在地球引力場中運動。二體運動（無攝運動）：研究兩個質(zhì)點在萬有引力作用下的下的相對運動問題，在天體力學中稱為二體問題。二體運動是一種理想狀態(tài)下的衛(wèi)星運動：（1）視地球為一理想的均質(zhì)球體（2）在一理想的引力場中的運動（地球與衛(wèi)星之間）衛(wèi)星受地球的引力為：衛(wèi)星軌道運動衛(wèi)星運動遵從開普勒三大定律開普勒第一定律：衛(wèi)星在通過地球質(zhì)心的平面內(nèi)運動，其向徑掃過的面積與所經(jīng)歷的時間成正比。（衛(wèi)星在軌道上運行的速度不等，是不斷變化的，在近地點速度快，在遠地點速度慢，隨引力的變化而變化）衛(wèi)星軌道運動衛(wèi)星軌道運動衛(wèi)星軌道運動衛(wèi)星開普勒正常運動軌道的六個參數(shù)：1）軌道平面參數(shù)：i為軌道平面傾角；Ω為升交點赤經(jīng)。2）軌道橢圓形狀參數(shù)：a為軌道橢圓長半徑；e為軌道橢圓離心率。3）軌道橢圓定向參數(shù)：f(或w)為近升角距。4）時間參數(shù)：τ為衛(wèi)星通過近地點的時刻。衛(wèi)星軌道運動衛(wèi)星軌道運動如果已知這6個軌道參數(shù)，就惟一地確定了二體問題意義下衛(wèi)星的運動狀態(tài)。換句話說，只要已知這6個軌道參數(shù)，就可以計算衛(wèi)星的瞬時位置和瞬時速度。由這6個軌道參數(shù)所構(gòu)成的坐標系統(tǒng)，稱為軌道坐標系統(tǒng)，它廣泛用于描述衛(wèi)星的運動。這6個軌道參數(shù)的大小則由衛(wèi)星的發(fā)射條件決定。衛(wèi)星軌道運動受攝運動：受太陽引力、月亮引力、地球潮汐、光輻射等的影響下衛(wèi)星的運動。改正值：9個改正參數(shù)。衛(wèi)星軌道運動衛(wèi)星軌道運動2、衛(wèi)星星歷廣播星歷：也叫預報星歷，是指相對參考歷元的外推星歷。參考歷元瞬間的衛(wèi)星星歷(即參考星歷)，由GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控站根據(jù)大約一周的觀測資料計算而得，為參考歷元瞬間衛(wèi)星的軌道參數(shù)。預報星歷的內(nèi)容包括：參考歷元瞬間的kepler軌道6參數(shù)，反映攝動力影響的9個參數(shù)，以及參考時刻參數(shù)和星歷數(shù)據(jù)齡期，共計17個星歷參數(shù)。用戶接收機在接收到衛(wèi)星播發(fā)的導航電文后，通過解碼即可直接獲得預報星歷。由于預報星歷是以電文方式由衛(wèi)星直接播送給用戶接收機，因此又稱為廣播星歷。衛(wèi)星軌道運動后處理星歷：后處理星歷是不含外推誤差的實測精密星歷，它由地面跟蹤站根據(jù)精密觀測資料計算而得，可向用戶提供用戶觀測時刻的衛(wèi)星精密星歷，其精度目前為米級，將來可望達到分米級。但是，用戶不能實時通過衛(wèi)星信號獲得后處理星歷，只能在事后通過磁帶、網(wǎng)絡、電傳等通訊媒體向用戶傳遞。２.３GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星定位測量是通過用戶接收機接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號來測定測站坐標的，那么究竟什么是GPS衛(wèi)星信號呢?粗略地說，GPS衛(wèi)星信號包括測距碼信號(即P碼和C/A碼信號)、導航電文(或稱D碼，即數(shù)據(jù)碼信號)和載波信號。GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生、調(diào)制和解調(diào)都非常復雜，涉及到現(xiàn)代數(shù)字通訊理論和技術(shù)方面的若干高科技問題。作為GPS信號用戶，雖然可以不去深入鉆研這些問題，但了解其基本知識和概念，將有助于理解GPS衛(wèi)星導航和定位測量的原理，因而仍舊是十分必要的。２.３GPS衛(wèi)星信號1GPS信號的組成用于導航定位的GPS信號由三部分組成：?測距碼（C/A碼和P碼（Y碼））?載波（L1，L2和L5三個民用頻率）?導航電文（數(shù)據(jù)碼，D碼）2碼、隨機噪聲碼和偽隨機噪聲碼（1）碼：表達表達信息的二進制數(shù)及其組合。（2）隨機噪聲碼：每一時刻，碼元是0或是1完全是隨機的一組碼序列，這種碼元幅值是完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機噪聲碼序列。它是一種非周期序列，無法復制。但是，隨機噪聲碼序列卻有良好的自相關(guān)性，GPS碼信號測距就是利用了GPS測距碼的良好的自相關(guān)性才獲得成功。（3）偽隨機噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)雖然隨機碼具有良好的自相關(guān)特性，但由于它是一種非周期性的碼序列，沒有確定的編碼規(guī)則，所以實際上無法復制和利用。因此，為了能夠?qū)嶋H應用，GPS采用了一種偽隨機噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)，簡稱偽隨機碼或偽碼。這種碼序列的主要特點是，不僅具有類似隨機碼的良好自相關(guān)特性，而且具有某種確定的編碼規(guī)則。它是周期性的、可人工復制的碼序列。偽隨機噪聲碼表面上看無規(guī)律，實際上有一定的規(guī)律和周期性，且可以復制。偽隨機噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)由多級反饋移位寄存器產(chǎn)生。這種移位寄存器由一組連接在一起的存儲單元組成，每個存儲單元只有“0”或“1”兩種狀態(tài)，并接受鐘脈沖和置“1”脈沖的驅(qū)動和控制。假定一由4個存儲單元組成的四級反饋和移位寄存器，如下圖所示。在鐘脈沖的驅(qū)動下，每個存儲單元的內(nèi)容，都按次序由上一單元轉(zhuǎn)移到下一單元，而最后一個存儲單元的內(nèi)容便輸出。并且，其中某兩個存儲單元，例如單元3和4的內(nèi)容進行模二相加，再反饋輸入給第一存儲單元。

當移位寄存器開始工作時，置“1”脈沖使各級存儲單元全處于“1”狀態(tài)，此后在鐘脈沖的驅(qū)動下，移位寄存器將經(jīng)歷15種不同的狀態(tài)，然后再返回到全“1”狀態(tài)，從而完成了一個周期。在四級反饋移位寄存器經(jīng)歷上述15種狀態(tài)的同時，其最末級存儲單元輸出了一個具有15個碼元，且周期為15的二進制數(shù)碼序列，稱為m序列。表示鐘脈沖的時間間隔，也就是碼元的寬度。3測距碼?方波?偽隨機噪聲碼?兩種測距碼：–C/A碼-粗碼?碼速：1.023MHz?碼元長度：293m–P(Y)碼-精碼?碼速：10.23MHz?碼元長度：29.3m—C/A碼-粗碼C/A碼的碼長、碼元寬度、周期和數(shù)碼率為：碼長Nu=210-1=1023bit；碼元寬度tu≈0.97752μs，相應長度293.1m；周期Tu=Nutu=1ms；數(shù)碼率BPS＝1.023Mbit/s。各顆GPS衛(wèi)星所使用的C/A碼，其上述四項指標都相同但結(jié)構(gòu)相異，這樣既便于復制又容易區(qū)分。C/A碼有如下2個特點：(1)C/A碼的碼長很短，易于捕獲。在GPS導航和定位中，為了捕獲C/A碼以測定衛(wèi)星信號傳播的時延，通常需要對C/A碼逐個進行搜索。因為C/A碼總共只有1023個碼元，所以若以每秒50碼元的速度搜索，只需要約20.5s便可完成。由于C／A碼易于捕獲，而且通過捕獲的C/A碼所提供的信息，又可以方便地捕獲P碼，所以通常C／A碼也稱為捕獲碼。(2)C/A碼的碼元寬度較大。假設兩個序列的碼元對齊誤差為碼元寬度的1/10～1/100，則這時相應的測距誤差可達29.3～2.9m。由于其精度較低，所以C/A碼也稱為粗碼。所以，C/A碼的原意就是粗捕獲碼(CoarseAcguisitonCode)。—P(Y)碼-精碼P碼由兩組各由兩個12級反饋移位寄存器的電路發(fā)生，其基本原理與C/A碼相似，但其線路設計細節(jié)遠比C/A碼復雜并且嚴格保密。P碼的特征是：碼長Nu≈2.35×1014bit；碼元寬度tu≈0.097752μs，相應長度29.3m；周期Tu=Nntu≈267d；數(shù)碼率BPS＝10.23Mbit/s。實際上P碼的一個整周期被分為38部分，每一部分周期7d，碼長約6.19×1012bit。其中，5部分由地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星，1