第二章GPS衛(wèi)星定位基礎(chǔ)

1、第二章、GPS衛(wèi)星定位基礎(chǔ)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)

2、= 可以應(yīng)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-Centered Inert

3、ial Coordinate System 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

4、日開始起用。WGS84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( CTPConventional TerrestrialPole)；X軸指向BIH 1984.0定義的零子午面與CTP相應(yīng)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。 WGS84坐標系采用的地球橢球，稱為WGS84橢球，其常數(shù)為國際大地測量學(xué)與地球物理學(xué)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

5、 軸: 與x 軸、z 軸構(gòu)成右手系 年北京坐標系、年國家大地坐標系、新年北京坐標系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(yīng)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(yīng)的時刻誤差應(yīng)小于2.610-6s。G

6、PS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(yīng)不超過310-11s。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210-6s。 顯然，利用GPS技術(shù)進行精密定位與導(dǎo)航，應(yīng)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

7、界時，原子時和力學(xué)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(Mean SolarTimeMT)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

8、平太陽時。GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng) 3）世界時：Universal TimeUT，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(xué)技術(shù)和現(xiàn)代天文學(xué)和大地測量學(xué)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(chǔ)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(chǔ)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(fù)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

9、個超精細能極，在零磁場中躍遷輻射振蕩9 192 631770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： ATUT2 - 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(yīng)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(InternationalAtomic Time 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

10、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(xué)時(Dynamic TimeDT) 力學(xué)時是天體力學(xué)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(yīng)的參考點不同，力學(xué)時又分為質(zhì)心力學(xué)時和地球力學(xué)時的兩種形式。 質(zhì)心力學(xué)時(Barycentric Dynamic TimeTDB)，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(xué)時(Terrestrial Dynamic TimeTDT)，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(xué)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(xué)聯(lián)合會決定，于1977年1月

11、1日原子時(IAT)0時與地球力學(xué)時的嚴格關(guān)系定義如下： TDTIAT32.184(s)GPS衛(wèi)星定位的時間系統(tǒng) 若以T表示地球力學(xué)時(TDT)與世界時(UT1)之差的差，則由上式可知 TTDT-UT1IAT-UT132.184(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(xué)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(Coordinate Universal TimeUTC) 在許多應(yīng)用部門，如大地天文測量、天文導(dǎo)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(chǔ)的世界時。但是

12、，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(chǔ)，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

13、，時間服務(wù)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(yīng)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1 ms。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(dǎo)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

14、們的關(guān)系為：IAT-GPST19(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(xué)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

15、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(xué)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

16、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的個參數(shù)： 1）軌道平面參數(shù)：i為軌道平面傾角；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)：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

17、陽引力、月月引力、地球潮汐、光輻射等的影響下衛(wèi)星的運動。正值：9個正參數(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(yù)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(yù)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(dǎo)航電文后，通過解碼即可直接獲得預(yù)報星歷。由于預(yù)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

18、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(luò)、電傳等通訊媒體向用戶傳遞。.GPS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(dǎo)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(fù)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

19、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(dǎo)航和定位測量的原理，因而仍舊是十分必要的。.GPS衛(wèi)星信號 1 GPS信號的組成 用于導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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

20、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(Pseudo Random Noise-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(fù)制和利用。因此，為了能夠?qū)嶋H應(yīng)用，GPS采用了一種偽隨機噪聲碼( Pseudo Random Noise-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(fù)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(fù)制。 偽隨機噪聲碼(Pseudo Random Noise

21、-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

22、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=1023 bit；碼元寬度tu0.97752s，相應(yīng)長度293.1m；周期Tu=Nutu=1ms；數(shù)碼率BPS1.023Mbit/s。各顆GPS衛(wèi)星所使用的C/A碼，其上述四項指標都相

23、同但結(jié)構(gòu)相異，這樣既便于復(fù)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(dǎo)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CA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CA碼也稱為捕獲碼。 (2) C/A碼的碼元寬度較大。假設(shè)兩個序列的碼元對齊誤差為碼元寬度的1/101/100，則這時相應(yīng)的測距誤差可達29.32.9 m。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(Coarse Acguisiton Code)。 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(shè)計細節(jié)遠比C/A碼復(fù)雜并且嚴格保密。 P碼的特征是：碼長Nu2.351014 bit；碼元寬度 tu0.097752s，相應(yīng)長度29.3m；周期Tu=Nntu267d； 數(shù)碼率BPS10.23M bit/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6.191012 bit。其中，5部分由地面監(jiān)控站使用，32部分分