北斗卫星导航理论与应用课件(完整版)

1、北斗卫星导航理论与应用授课方式：讨论与讲授课前准备：查阅文献、下载系统文件、准备讨论发言稿成绩构成：课堂讨论（60%）和实验报告（40%）期末报告要求：Word文档，书写规范，杜绝抄袭讨论内容：大纲为基础，结合学生的学习兴趣 3第一章 绪论 导航的基本概念 导航系统的技术指标与分类 无线电导航定位 GNSS的组成 北斗卫星导航系统的服务规划 41.导航的基本概念导航的定义：引导人、或者平台(飞机、舰船、车辆等载体)，准确地沿着所选定的路线，按照规定的时间到达目的地。 导航的基本任务： Who: 载体或个人 When: 时间 Where: 位置-线路、精度 5 按传统的观点，导航系统就是定位系统

2、。极高的飞行速度：航向和距离 交通密度增加：需要连续的、实时的驾驶信息 提供航行中的位置、方向、距离和速度等导航参量。 导航的研究：就是要弄清楚导航参量的测量和运用。 导航的实践：就是运用导航参量来保证载体安全而有效地航行。 62. 导航系统的分类观测导航航标方法，比如目视方法，就是借助信标或参照物实现导航。简单、可靠，比如飞机进场着陆；航标法飞行： 以地面参照物作为路标，即目视飞行，飞行员入门课程；缺点：没有导航仪器，飞得慢又飞得低，能见度低、难以辨认标志；在海洋、沙漠中等无航标地区无法导航。 7推算导航 根据载体的运动方向和所航行的距离(或速度、时间)的测量，从过去已知的位置来推算当前位置

3、，或预测将来位置，从而得到运动轨迹。 它克服了观测导航的缺点，不受天气、地理条件的限制。随着航行时间和航行距离的增长，位置积累误差 越来越大，需进行位置校准，比如惯性导航。 8天文导航 天空中的星体(太阳、月亮、其他行星、恒星等) 相对于地球有一定的相对运动轨道和位置。通过 观测多个星体的位置参数，来确定观测者在地球 上的位置。广泛应用于航空、航天。 与推算导航一样，不需要地面支撑设施，可用来 校正推算导航的积累误差。 缺点：受时间、气象条件限制，定位时间长，计 算复杂。 9无线电导航 通过测量无线电波从导航发射台到载体接收机 的传输时间来定位。 陆基无线电导航：导航台位于地面 卫星无线电导航

4、：导航台设在卫星上 不受时间、天气的限制，设备简单、可靠； 精度高，定位时间短，可以连续实时地定位。 10 自主式导航系统：由载体设备直接产生导航信息。 前面三种方法都属于自主式。 具有保密性强，安全，不易干扰的优点。 它备式导航系统：通过导航台发布导航信息，载体上的设备接收导航信息实现导航定位。 无线电导航属于它备式。必须要辐射和接收无线电波，易被发现和干扰。 11 精度：导航系统为载体所提供的位置与载体当时的真实位置之间的重合度。 导航误差是随机变量，通常采用定位误差不超过一个数值的概率来描述。 2表示每次测量结果有95%的可能性其误差小于等于这个值。3对应99%的可能性。比如：1m(2)

5、 ppm(part per million)百万分之.(相对于基线) 3. 导航系统的技术指标 12 2DRMS表示距离误差均方根值。 CEP(圆概率误差)表示一个以载体真实位置为圆心的圆的半径，每次测量结果有50%的可能性其误差落在这个圆内，即相当于有50% 的置信度。 比如： 1m (CEP) 2m+5ppm (2DRMS) 通常，2DRMS值是CEP的2.4倍左右。 13 服务范围：指在一个面积或立体空间内，导航系统可以按照规定的精度确定载体位置。几何关系、发射信号功率、接收机灵敏度、传播环境等影响。 北斗一号系统：范围东经约70140度,北纬5-55度。 北斗二号系统：亚太地区。 北斗

6、三号系统：全球。 14 连续性：导航系统可连续提供导航服务的能力。 可用性：导航系统为载体提供可用的导航服务的时间的百分比。可靠性：导航系统在给定的使用条件下在规定的时间内以规定的性能完成其功能的概率。平均无故障时间(MTBF)：表明系统发生故障的频度。 15 信息更新率：导航系统在单位时间内提供定位或其他导航数据的次数。单位Hz。 比如： 信息更新率10Hz，每秒10次 对更新率的要求与载体的航行速度和所执行的任务有关系。 要求信息更新率与载体操作速度相当，或者与载体运动速度相当。 16 系统容量：指导航系统可以同时供多少载体使用的能力。 无限系统容量和有限系统容量两种。无限容量：GPS系统

7、，北斗系统RNSS模式；有限容量：北斗系统的 RDSS模式。 17 全球覆盖，容量无限绝对准确度和相对准确度都必须很高准确度应不受环境影响实时反应，可随运动而连续变动无多值解系统稳定无故障，体积、重量和电源消耗都要小。 18 4.无线电导航定位 通过电磁波的发射、接收和处理，无线电导航设备能够测量出所在载体相对于导航台的方向、距离、距离差和速度等导航参量。- 定位- 定位双曲线定位距离交会定位 19 利用测距系统的圆形位置线与测向系统的直线位置线相交的方法，可以确定接收点的具体位置M，也称为极坐标定位。 气象雷达 塔康系统(Tactical Air Navigation System, TAC

8、AN) - 定位 20- 定位通过测定对于两个导航台的方位，可以获得两条径向直线，从而通过这两条直线的交点可确定飞机的位置。 伏尔系统(Very High Frequency Omnidirectional Ranging, VOR) 21双曲线定位 通过测量到一组导航台的距离差，可以得到一组双曲线；同时测量到另一组导航台的距离差，又可以得到另一组双曲线。利用这两组双曲线的交点，即可确定飞机的位置。 罗兰 (Long range navigation, Loran) 22距离交会定位 利用2个或3个测距台，即可进行-或-定位。 23常用航空无线电导航系统无线电高度表（RA） 自动定向机（ADF

9、）甚高频全向信标( VOR )测距机( DME ) 仪表着陆系统( ILS )微波着陆系统( MLS ) 空中交通管制(ATC)系统精密进近雷达( PAR ) 气象雷达（WXR）罗兰(LORAN)系统多卜勒导航雷达(Transit，CICADA) 塔康(TACAN)系统全球定位系统(GPS)全球导航卫星系统（GLONASS）北斗（Compass)系统 24 卫星星座（空间部分） 地面监控系统（地面控制部分） 接收机（用户设备部分）GNSS：Global Navigation Satellite System 5.GNSS的组成 25 26 北斗三号基本空间星座由3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星

10、和24颗MEO卫星组成。 GEO卫星轨道高度35786千米，分别定点于东经80度、110.5度和140度； IGSO卫星轨道高度35786千米，轨道倾角55度； MEO卫星轨道高度21528千米，轨道倾角55度。 全球范围内提供公开服务。北斗三号系统（全球系统） 6.北斗卫星导航系统的服务规划 28 29 30 31 7.GPS的性能 32 33第二章 坐标与时间 34 地球的运动 天球及天球坐标系 协议地球坐标系 GPS坐标系统 时间系统1.地球的运动极半径：6357km赤道半径：6378km平均半径：6371km地球是一个赤道略鼓、两极稍扁、不很规则的球体。赤道（大圆）周长约4万km地球的

11、表面积约5.1亿km2 35经度（Langitude）经线：在地球仪上，人为划定的连接南、北两极的线，即子午线。经度：国际上规定，通过英国伦敦格林尼治天文台附近的经线为0经线（本初子午线）从0经线向东、向西各划分为180，分别为东经和西经。 36纬度（Latitude）纬线：在地球仪上，人为划定的与经线垂直的线圈。纬度： 将赤道定为0，向北、向南各划分为90，分别为北纬和南纬。南北半球的分界线是赤道。两个极点的纬度分别是90N和90S。 37经 纬 网经线和纬线相交，就可以确定一点的位置。在同一条经线上，每隔纬度1，距离大约是_111.1_km。在赤道上，每隔经度1，距离大约是_111.3_k

12、m。 38地球的自转方向：自西向东绕地轴旋转。地轴北端始终指向北极星。 39地球的公转地球运动是自转与公转这两种运动的叠加。公转方向：自西向东（同自转方向）公转周期：1年，365d6h9m10s 恒星年（以恒星为参照系）公转轨道：近似正圆的椭圆（太阳位于其一焦点）黄道面：地球绕太阳公转的轨道平面 40黄 赤 交 角地球公转有两个基本特性： 黄道面与赤道面之间的夹角为23度26分，即是黄赤交角。 地球在公转时地轴倾斜方向不变，始终指向北极星。 412.天球坐标系统的三要素坐标原点位置坐标轴指向坐标尺度在GNSS定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性。协议坐标系：国际上都

13、通过协议来确定全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。 42坐 标 系在GNSS定位中，通常采用两类坐标系统：天球坐标系： 在空间固定的坐标系，与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。地固坐标系： 地球体相固联的坐标系统，对表达地面观测站的位置和处理观测数据尤为方便。 43天 球天球作用：天文学中通常把参考坐标建立在天球上 44 以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体。天球上的主要点、线为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。天球赤道面与

14、天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。 45天球上的主要点、线天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。 46天球上的主要点、线黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.50度。 47天球上的主要点、线黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点称北黄极，靠近南天极的交点称南黄极。春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。春分点

15、和天球赤道面是建立参考系的重要基准点和基准面。 483.天球坐标系天球坐标系又称为恒星坐标系天球空间直角坐标系：原点位于地球的质心z轴指向天球的北极Pnx轴指向春分点y轴与x、z轴构成右手坐标系 49天球球面坐标系原点位于地球的质心赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体的天球子午面之间的交角赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角向径r为原点至天体的距离 50坐 标 转 换天球赤道坐标系(, , r)天球直角坐标系(x, y, z)天球直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一天体的位置时是等价的，二者可相互转换。 51岁 差 天球坐标系的建立是假定地球的自转轴在空间的方向上是固定的，春分点在天

16、球上的位置保持不变。实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，使地球自转轴产生进动力矩，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差，它使春分点每年沿赤道移动0.13秒。 52岁 差 岁差主要包括赤道岁差（日月岁差）和黄道岁差（行星岁差）。春分点每年西移50.2，周期约为25800年。在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极顺时针旋转，因而使北天极以同样方式绕北黄极顺时针旋转。在天球上这种顺时针规律运动的北天极称为瞬时平北天极（简称平北天极），相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球平赤道和瞬时平春分点

17、。 53平天球坐标系章 动 在太阳和其它行星引力的影响下，月球的运动轨道以及月地之间的距离在不断变化，北天极绕北黄极顺时针旋转的轨迹十分复杂。如果观测时的北天极称为瞬时北天极（或真北天极），相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和瞬时春分点（或真天球赤道和真春分点）。则在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨道大致为椭圆。这种现象称为章动。 章动的周期是18.6年。 54真天球坐标系岁差和章动 岁差：北天极沿圆形轨道绕北黄极的运动章动：北天极沿椭圆形轨道运动 55协议天球坐标系 协议天球坐标系(Conventional Inertial SystemCIS) 经协商指定

18、的某一特定时刻的平天球坐标系。当前，国际上所采用的天球坐标系国际大地测量协会和国际天文协议联合会确定2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐标系Z轴指向J2000.0的平北天极X轴指向J2000.0的平春分点 56协议天球坐标系 协议天球坐标系与真（瞬时）天球坐标系间的关系 需要进行岁差和章动改正 57特定时刻的真天球坐标章动改正特定时刻的平天球坐标J2000.0 协议天球坐标CIS岁差改正 58三种天球坐标系的转换 Givens旋转矩阵： 59三种天球坐标系的转换 协议天球坐标系-平天球坐标系（岁差旋转）平天球坐标系-瞬时天球坐标系（章动旋转）4.协议地球坐标系(CTS) 60

19、 地固坐标系: 天球坐标系与地球自转无关，导致地球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的位置，有必要建立与地球体相固联的坐标系。 地球坐标系有两种表达方式： 地心空间直角坐标系和大地坐标系。地心空间直角坐标系原点与地球质心重合z轴指向地球北极x轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点Ey轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。 61大地坐标系地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角 62大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离大地坐标系

20、63平均海平面地球坐标系的坐标转换 任一地面点在地球坐标系中可表示为（X，Y，Z）和（B，L，H），两者可进行互换。 空间大地坐标依附于参考椭球。为建立大地坐标与直角坐标之间的关系，必须首先定义参考椭球。 64坐标转换公式设地球参考椭球长半径为a，短半径为b，偏心率为e， N为椭球卯酉圈的曲率半径。 65极 移地球自转轴受日月引力作用使其在空间变化，导致章动和岁差。而且还受到地球内部质量不均匀影响，在地球体内部运动，导致极移。极移：地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象。极移将使地球坐标系的Z轴方向发生变化。主要引起地球瞬时坐标系相对协议地球坐标系的

21、旋转。 66极 移地极移动与岁差和章动是不同的概念，岁差和章动是指地球自转轴在空间指向的移动，而地极移动则是指地球北极与地面参照物的相对移动。 67极移现象主要引起地球瞬时坐标系相对协议地球坐标系的旋转。极 移 68 69协议地球坐标系（极移）地球与天球之间的坐标转换 根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义：两坐标系的原点位置相同；两坐标系的z轴指向相同；两坐标系x轴的指向不同，其间夹角为春分点的格林尼治恒星时。GAST：春分点的格林尼治恒星时（Greenwich Apparent Sidereal Time） 70坐标转换过程 71两者的坐标原点一致，只需多次旋转坐标轴即可 GPS坐标系统

22、在GPS系统中，为确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置应转换到统一的地球坐标系统。GPS试验阶段，卫星瞬时位置的计算采用1972年世界大地坐标系（WGS-72），1987年1月10日开始采用改进的大地坐标系统WGS-84。世界大地坐标系（World Geodetic System）WGS属于协议地球坐标系CTS。 72WGS-84坐标系WGS-84坐标系是美国84年在卫星大地测量的基础上建立的以地球质心为原点的大地测量基准。 Z轴指向1984北极 X轴指向1984格林威治子午线与赤道交点 Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。 73WGS-84坐标系由GPS卫星发布的星历参数是WGS-84坐标系

23、的数据，故GPS测量时，先求得测站点的WGS-84坐标，再换算为当地使用的坐标。 742000中国大地坐标系 （CGCS2000） 75Z轴指向国际地球自转服务组织（IERS）定义的参考极（IRP）方向； X轴为IERS定义的参考子午面（IRM）与通过原点且同Z轴正交的赤道面的交线； Y轴与Z、X轴构成右手直角坐标系。 GNSS的椭球参数 765.时间系统 时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。时间包含了“时刻”和“时间间隔”两个概念。时刻是指发生某一现象的瞬间，与所获取数据对应的时刻也称历元。时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过

24、程始末的时间之差。 77时间基准测量时间必须建立一个测量的基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）。其中时间的尺度是关键，而原点可根据实际应用加以选定。符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象，都可用作确定时间的基准： 78时间基准运动是连续的、周期性的；运动的周期应具有充分的稳定性； 运动的周期必须具有复现性。在任何地方和时间，都可通过观察和实验，复现这种周期性运动。 79世界时系统地球的自转运动是连续的，且比较均匀。最早建立的时间系统是以地球自转运动为基准的世界时系统。由于观察地球自转运动时所选取的空间参考点不同，世界时系统包括: 恒星时（Siderdal Time，ST） 平太阳时

25、（Mean Solar Time，MT） 世界时（Universal Time，UT） 80恒星日和太阳日恒星距地球非常遥远， “三颗恒星”实际上是同一颗恒星。计时的开始与结束都是“三点一线”。恒星日（E1E2）：360 23h56m4s太阳日（E1E3）：36059 24h 81恒星时(Siderdal Time, ST) 以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，即24个恒星小时。恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点，在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角，同一瞬间不同测站的恒星时不同，具有地方性，也称地方恒星时

26、。 82平太阳时(Mean solar Time, MT)由于地球公转的轨道为椭圆，根据天体运动的开普勒定律，可知太阳的视运动速度是不均匀的，如果以真太阳作为观察地球自转运动的参考点，则不符合建立时间系统的基本要求。假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动的平均速度，且在天球赤道上作周年视运动，这个假设的参考点在天文学中称为平太阳。 83平太阳时(Mean solar Time, MT)平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含24个平太阳时。平太阳时也具有地方性。以格林尼治子午线为观测点得到的平太阳时称为格林尼治平时间（Greenwich mean time，GMT） 84

27、世界时(Universal Time, UT) 以平太阳时为基础定义，以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算点不同。秒定义为一个平太阳日的1/86400，是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。 85世界时(Universal Time, UT) 地球自转存在极移现象，加入极移改正得UT1。加入地球自转角速度的季节改正得UT2。经过改正，其中仍包含地球自转角速度的长期变化和不规则变化的影响，世界时UT2不是严格均匀的时间系统。 86原子时(Atomic Time-AT)物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定度，由此建立的原子

28、时成为最理想的时间系统。1967年10月，第十三届国际度量衡大会通过。秒长定义：位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为一原子时秒，是国际制秒（SI）的时间单位。 87原子时(Atomic Time-AT) 88国际原子时（international atomic time，IAT）起点：1958年1月1日0时0秒。 AT-UT2 = -0.0039秒地方原子时之间存在差异，因此国际上大约200座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时(IAT)。原子时作为高精度的时间基准，普遍用于精密测定卫星信号

29、的传播时间。 89协调世界时为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1972年采用了一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的折衷时间系统，称为协调世界时或协调时（Coordinate universal TimeUTC）采用闰秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时刻相接近。即当协调时与世界时的时刻差超过0.9s时，便在协调时中引入一闰秒。协调时与国际原子时的关系定义为： IAT = UTC+1s n n为调整参数 90GPS时间系统（GPST） 为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原

30、子时的原点不同，即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差。 IAT - GPST = 19s 91GPS时与协调时GPS时与协调时的时刻，规定在1980年1月6日0时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现为秒的整数倍。GPS时与协调时之间关系： GPST = UTC + 1s n - 19s到1987年，调整参数n为23，两系统之差为4秒，到1992年调整参数为26，两系统之差已达7秒，到2018年调整参数为37，两系统之差已达18秒。 92北斗时（BDT）系统 93BDT采用国际单位制（SI）秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC）00时00分00秒，

31、采用周和周内秒计数。BDT通过UTC（NTSC）与国际UTC建立联系，BDT与UTC的偏差保持在50纳秒以内（模1秒）。BDT与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报。 BDT = UTC + 1s n - 33s第三章 卫星的运动与星历 94主要内容 开普勒三定律 二体问题 卫星轨道参数 卫星的位置和速度计算 BDS卫星星历3.1 开普勒三定律 95卫星运动轨道：卫星在空间运行的轨迹卫星轨道参数：描述卫星位置及状态的参数开普勒第一定律 卫星运行的轨道是以地球质心为一个焦点的椭圆。 96r-卫星的地心距离 as-椭圆长半径es-椭圆偏心率 fs-真近点角开普勒第二定律 卫星在过地球质心的平面内运

32、动，其向径在相同的时间内所扫过的面积相等。定律包含的内容：卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度为最大，而在远地点时速度为最小。 97开普勒第三定律 卫星运行周期的平方，与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量，而该常量等于地球引力常数GM的倒数。即： 98卫星运行周期仅取决于长半径，与短半径无关，即与卫星轨道形状无关。卫星运动的角速度 假设卫星运动的平均角速度为n，则 可得： 99 当卫星轨道椭圆的长半径确定后，卫星运动的平均角速度便随之确定。3.2 卫星运动的轨道参数 100 轨道形状参数，用于确定轨道椭圆的形状和大小：as：轨道椭圆的长半径；es：轨道椭圆的偏心率。卫星运动的轨

33、道参数 101 轨道平面定向参数，用于确定卫星轨道平面与地球之间的相对定向：升交点赤经。升交点是卫星轨道与赤道平面的交点，卫星通过这一点从南半球逆时针越过赤道进入北半球。 i：轨道倾角。赤道平面与卫星轨道平面之间的夹角。卫星运动的轨道参数 102 轨道椭圆定向参数，用于确定轨道椭圆在轨道平面上的定向：s：近地点角距。在卫星轨道平面内升交点向径和近地点向径之间的夹角，由升交点向径逆时针方向起算。它确定了卫星轨道长半径在空间的方向。卫星运动的轨道参数 103卫星瞬时位置参数，用于确定卫星在轨道上的瞬时位置： fs：卫星的真近点角。fs是卫星向径和近地点向径之间的夹角。通过fs可以确定卫星任意时刻在

34、空间的瞬时位置，是时间t的函数。真近点角的计算 104 Es-偏近点角：在椭圆平面上，近地点P至m 点的圆弧所对应的圆心角。平近点角 Ms-平近点角: 是一个假设量，是卫星在轨道上运行的平均近点角。Ms = n ( t - t0 )N 卫星运动的平均角速度T0 卫星过近地点的时刻T 观测卫星的时刻。根据开普勒三定律，n是常数，因此Ms可以确定。 105开普勒方程 平近点角与偏近点角间存在如下关系：Es = Ms + es sin Es开普勒方程给出了天体在轨道上运动的位置与时间的关系。 这是一个超越方程，很难得出严格的分析解，但是，已经证明这个方程存在唯一解。 106真近点角的计算 as co

35、s Es = r cos fs + as es cos fs = as ( cos Es es ) /rr = as ( 1 - es cosEs ) 1073.3 卫星的瞬时位置 轨道直角坐标系：在轨道直角坐标系统中取直角坐标系的原点与地球质心相重合，s 轴指向近地点、s轴垂直于轨道平面向上，s 轴在轨道平面上垂直于 s轴构成右手系。 108轨道直角坐标系中卫星的位置 109天球坐标系中卫星的位置天球坐标系：天球坐标系(x,y,z) 与轨道坐标系(s, s, s)具有相同的原点，差别在于坐标系定向不同，需将轨道坐标系作如下旋转： 110绕s轴顺时针旋转角度s，指向由近地点改为升交点。绕s轴顺

36、时针旋转角度i，使s轴与z轴重合。绕s轴顺时针旋转角度，使s 轴与x轴重合。 111天球坐标系中卫星的位置计算卫星在地球坐标系中的位置计算地球坐标系：地球坐标系中卫星的瞬时坐标（X，Y，Z）如下： 112为了使观测卫星和观测站位置处于统一的坐标系统，因此，需要将卫星位置转换到地球坐标系。瞬时速度 1133.4 卫星的受摄运动 114地球引力场摄动力对卫星轨道的影响 115地球引力场摄动力对卫星轨道的影响，主要由与地极扁率有关的二阶谐系数项引起，对卫星轨道用的影响：引起轨道平面在空间旋转，使升交点赤经产生周期性变化；引起近地点在轨道平面内旋转，导致近升角距的变化；引起平近点角M的变化。 116地

37、球引力场摄动力对卫星轨道的影响地球重力场二阶带谐系数J2=1.08263X10-3 117地球引力场摄动力对卫星轨道的影响由于升交点和近地点在地球引力场摄动力作用下缓慢变化，卫星的轨道运动实际上并不在同一平面上，而是在空间形成一条螺旋状的曲线。日月引力对卫星轨道的摄动影像 118太阳光压对卫星轨道的影响 119太阳光压对卫星轨道的影响 120其他摄动力对卫星轨道的影响 121固体潮和海洋潮汐摄动影响大气的摄动影响3.5 卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。分为预报星历和后处理星历。作用：根据卫星星历可以计算任一时刻的卫星位置及速度；卫星星历的准确性直

38、接决定定位的准确性 122预报星历(广播星历) 通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历。 每小时更新一次。精度一般是20-40m。16个参数：参考星历：参考历元的卫星轨道参数6个轨道摄动修正参数：9个参数参考时刻：参考星历的参考历元toe星历数据龄期：AODE缺点：广播星历存在外推误差，精度有限 123 GPS卫星星历参数 124s GPS卫星历书参数 125s北斗星历参数定义 126北斗星历参数定义 127后处理星历(精密星历)后处理星历是根据地面跟踪站所获得的精密观测资料计算而得到的星历。一般不能实时定位。一般不通过卫星的无线电信号向用户传递，而是通过磁盘

39、、电视、电传、卫星通讯等方式有偿地为所需要的用户服务。精度可以达到米。缺点：难以实时传递。 128精密星历的计算按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差；任意时刻t卫星位置的计算：插值法 拉格朗日插值法三次样条三角多项式 1293.6 卫星位置计算（实例） 130计算此卫星在 t=239050.7223s 时的空间位置。 131第1步：计算规化时间tk注意：规划时间的范围，在-302400s+302400s之间。 132第2步：计算卫星的平均角速度n 133第4步：计算信号发射时刻的偏近点角Es第3步：计算信号发射时刻的平近点角Ms注意：值在02之间。GPS卫星坐标计算

40、134第6步：计算信号发射时刻的升交点角距第5步：计算信号发射时刻的真近点角fsGPS卫星坐标计算 135第8步：计算信号发射时刻的升交点角距、卫星的地心距离第7步：计算信号发射时刻的摄动改正项 136第10步：计算卫星在瞬时地球坐标系中的坐标第9步：计算信号发射时刻的升交点赤经卫星在CGCS2000坐标系中的坐标计算 137卫星在CGCS2000坐标系中的坐标计算 138卫星在CGCS2000坐标系中的坐标计算 139卫星在CGCS2000坐标系中的坐标计算 140第五章 GNSS卫星信号 141GPS卫星信号和导航电文BDS卫星信号和导航电文1. GPS卫星信号 142基本频率10.23M

41、HzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50bps数据码50bps15412010204600 GPS卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波： L1载波频率为1575.42MHz，波长为19.03cm； L2载波频率为1227.60MHz，波长为24.42cm。 143 144 145 GPS卫星发射的广播信号载波信号：L1和L2测距码：P码（或Y码）、C/A码数据码（D码）：导航电文产生与构成GPS卫星广播信号的主要因素 适应多用户系统要求 满足实时定位要求 满足高精度定位需要 满足军事保密要求2. G

42、PS测距码GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。C/A码(Coarse/Acqusition)：用于分址，捕获卫星信号，粗测距且具有一定的干扰能力，兼顾民用。P码(Precision)：用于精密测距，且具有更强抗干扰能力的军用密码。 146m序列 147 148C/A码的产生C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的。 149C/A码的特点C/A码参数：码长210-1=1023bit，码元宽度977.52ns（对应距离293.1m），周期1ms，码率1.023Mb/s；C/A码较短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕

43、获；码元宽度大：设两序列的码元对齐误差为码元宽度的1/10 1/100，则相应的测距误差为 29.32.9m。由于精度低，又称粗捕获码。 150C/A码相位分配表卫星编号是根据G2产生器的两个输出位置来决定的，有37个不同的输出序列，其中32个序列可以使用，但目前仅有24颗卫星在轨。其余5个输出序列留作它用。 151 152 153C/A码的相关性 154C/A码高自相关峰值和低互相关峰值能为信号捕获提供宽的动态范围。Gold码不是正交的，但接近正交。 155GPS信号频谱伪码是不同卫星信号的标识：所有卫星信号都享有相同的载波频率，每颗卫星有各自唯一的伪随机码，避免同频干扰。 156 157伪

44、码扩频基带信号为数据码D(t)，带宽F=50Hz ；设伪随机码为m序列P(t)，码率为10.23MHz乘积码为D(t)P(t)，其带宽为10.23MHz这样，基带信号频率从50Hz扩展到10.23MHz即伪码扩频。 158扩频码的调制与解调 159C/A码的解扩 160扩频信号的相关接收采用扩频技术，可以大幅度改善信噪比，大大提高抗干扰能力，保证信号接收的可靠性和精度。如数据码带宽50Hz， 扩频码带宽10.23MHz，改善幅度可以达到53dB。 161P码发生器 162P码发生器的多项式和初始状态P码用4个12位的移位寄存器的PRN序列产生，分别X1A, X1B, X2A, X2B；X1A寄

45、存器的输出与X1B的输出模二加形成X1码发生器；X2A寄存器的输出与X2B的输出模二加形成X2码发生器；综合而成的X2馈送给一个移位寄存器，产生延迟卫星码，再与X1模二加产生P码。 163P码的特点P码由两组各为12级反馈移位寄存器的电路产生，其原理与C/A码相似，但更复杂，且严格保密。码长 2.35 1014 比特，码元宽97.752ns， 对应距离29.3m；周期267天，码率10.23Mb/s。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，相应的距离误差为2.93 0.29m。 164P码周期很长，267天重复一次，实际应用时P码的

46、周期被分成38部分，每部分周期7天，其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，码长和周期相同，结构不同。 165 166GPS卫星信号的调制 167 168扩频和BPSK调制 1693. GPS导航电文 GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础，又称为数据码（或D码）。导航电文：卫星星历、时钟改正、卫星工作状态信息、轨道摄动改正、大气折射改正、由C/A码捕获P码的信息。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。 170GPS导航电文帧结构 171GPS导

47、航电文数据格式 172TLM字和HOW字 173遥测码（TLWTelemetry Word） 位于各子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。 遥测码的第18比特是同步码，使用户便于解释 导航电文；第922比特为遥测电文，其中包括地 面监测系统注入数据时的状态信息、诊断信息和 其它信息。第23和第24比特是连接码； 第2530比特为奇偶校验码，它用于发现和纠正错误。 174转换码（HOWHand Over Word）紧接各子帧的遥测码，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从星期日零时到星期六24时，P码字码X1的周期（1.5秒）的重复数。因此，知道Z计数，便能较快地捕获到P码。 175Z

48、 计数 1761周GPS时： 7X24X3600=604800sZ计数： 0403199 （时间刻度为1.5 s，604800/1.5=403200 ）截断的Z计数：取19位的17位（MSB），时间刻度为6s奇偶校验 177 178GPS一帧导航电文的内容 179子帧1的电文内容星期序号(week number, WN)： WN表示从1980年1月6日子夜零点（UTC）起算的星期数，当前的GPS星期。用户测距精度(user range accuracy, URA)：对所有GPS地面监控部分和空间星座部分引起的测距误差的一个统计值。URA值越大，表示该卫星信号中得到的GPS距离测量值的精度越低。

49、卫星的健康状态(satellite health)：GPS一帧导航电文的内容 180子帧1的电文内容卫星时钟量的数据龄期(issue of data, IDOC)：时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。卫星时钟改正数。GPS时间和UTC时间之间存在的差值。时延差改正数Tgd：载波L1、L2的电离层时延差。当使用单频接收机的时候，用Tgd改正所观测的结果可以减少电离层延迟的影响，提高定位精度。GPS一帧导航电文的内容 181子帧2、3的电文内容卫星星历数据的数据龄期(issue of data, Ephemeris, IODE)：开普勒轨道参数：6个轨道摄动9参数：星历参考时刻

50、：从星期日子夜零时开始度量的卫星参考时刻。GPS一帧导航电文的内容 182子帧4、5的电文内容所有GPS卫星的历书数据。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。卫星信号的功率与波束GPS卫星发射的信号功率受成本限制，C/A码功率约27W，即14.3dBW。GPS终端接收的功率与卫星发射功率、发射天线增益、路径损耗、接收天线有效面积有关。 183通信链路功率预算 184功率预算根据不同仰角、不同接收天线有所变化。4. 北斗系统的卫星信号信号中心频点(MHz)

51、码速率(cps)数据/符号速率 (bps/sps) 调制方式服务类型B1-CD1575.421.02350/100MBOC(6,1,1/11) 开放B1-CPNoB1-A2.04650/100BOC（14，2）授权NoB2aD1191.79510.2325/50AltBOC(15,10 )开放B2aPNoB2bD50/100B2bPNoB3Q1268.5210.23500bpsQPSK(10) 授权B3-AD2.557550/100BOC(15,2.5) 授权B3-APNo 185北斗的信号特征 186B1I信号基本特征 187B1信号由I、Q两个支路的“测距码+导航电文”正交调制在载波上构成

52、。B1I信号的标称载波频率为1561.098MHz。 采用正交相移键控（QPSK）调制。卫星信号带宽：4.092 MHz （1 dB，以B1I信号载波频率为中心），16 MHz （3 dB）。 带外抑制：15dB （30MHz） B1I信号测距码特性 188B1I信号测距码（简称CB1I码）码速率为2.046 Mcps，码长为2046。 B1I信号测距码特性 189北斗卫星编号 190北斗卫星编号 191北斗卫星编号 192北斗导航电文 193根据速率和结构不同，导航电文分为D1导航电文和D2导航电文。D1导航电文速率为50 bps，并调制有速率为1 kbps的二次编码，内容包含基本导航信息；

53、D2导航电文速率为500 bps，内容包含基本导航信息和增强服务信息。 MEO/IGSO卫星的B1I信号播发D1导航电文，GEO卫星的B1I信号播发D2导航电文。 导航电文纠错编码方式 194导航电文采取BCH(15,11,1)码加交织方式进行纠错。BCH码长为15比特，信息位为11比特，纠错能力为1比特，其生成多项式为: 导航电文纠错编码方式 195BCH（15,11,1）编码框图导航电文纠错译码 196接收机接收到数据码信息后按每1比特顺序进行串/并变换，进行BCH(15,11,1)纠错译码，对交织部分按11比特顺序进行并/串变换，组成22比特信息码。导航电文纠错译码 197BCH（15,

54、11,1）译码框图导航电文纠错译码 198D1导航电文的二次编码 199D1导航电文上调制的二次编码是指在速率为50 bps的D1导航电文上调制一个Neumann-Hoffman码（以下简称NH码）。NH码周期为1个导航信息位的宽度，NH码1比特宽度则与扩频码周期相同。采用20比特的NH码（0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0）。D1导航电文中一个信息位宽度为20毫秒，扩频码周期为1毫秒，NH码速率为1 kbps，码宽为1毫秒，与导航信息码和扩频码同步调制。 D1导航电文的二次编码 200D1导航电文的二次编码 2

55、01不同导航卫星的信号之间的互相关旁瓣峰下降，从而改善卫星信号之间的互相关特性；减小了功率谱的谱线宽度，从而提高抗窄带干扰的能力；在原来的一个码元宽度内增加多次相位渡越，可以使用二次编码完全相关来实现快速同步。北斗D1导航电文帧结构 202D1导航电文主帧结构及信息内容 203子帧1至子帧3播发基本导航信息；子帧4和子帧5的信息内容由24个页面分时发送，其中子帧4的页面124和子帧5的页面110播发全部卫星历书信息及与其它系统时间同步信息；子帧5的页面1124为预留页面D1导航电文内容和算法 204帧同步码（Pre） 每一子帧的第111比特为帧同步码（Pre），由11比特修改巴克码组成，其值为

56、“11100010010”，第1比特上升沿为秒前沿，用于时标同步。 子帧计数（FraID） 每一子帧的第1618比特为子帧计数（FraID），共3比特，具体定义:D1导航电文内容和算法 205周内秒计数（SOW） 每一子帧的第1926比特和第3142比特为周内秒计数（SOW），共20比特，每周日北斗时0点0分0秒从零开始计数。周内秒计数所对应的秒时刻是指本子帧同步头的第一个脉冲上升沿所对应的时刻。 整周计数（WN） 整周计数（WN）共13比特，为北斗时的整周计数，其值范围为08191，以北斗时2006年1月1日0点0分0秒为起点，从零开始计数。 D1导航电文内容和算法 206用户距离精度指数（

57、URAI） 用户距离精度（URA）用来描述卫星空间信号精度，单位是米，以用户距离精度指数（URAI）表征，URAI为4比特，范围从0到15，与URA之间的关系。 D1导航电文内容和算法 207卫星自主健康标识（SatH1） 卫星自主健康标识（SatH1）共1比特，其中“0”表示卫星可用，“1”表示卫星不可用。电离层延迟改正模型参数（n、n） 电离层延迟改正预报模型包括8个参数，共64比特，8个参数都是2进制补码。星上设备时延差（TGD1） 星上设备时延差TGD1共10比特，为2进制补码，最高位为符号位，“0”表示为正、“1”表示为负，比例因子0.1，单位为纳秒。 D1导航电文内容和算法 208

58、时钟数据龄期（IODC） 时钟数据龄期（IODC）共5比特，是钟差参数的外推时间间隔，即本时段钟差参数参考时刻与计算钟差参数所作测量的最后观测时刻之差。钟差参数（toc, a0, a1, a2） 钟差参数包括toc, a0, a1和a2，共占用74比特。toc是本时段钟差参数参考时间，单位为秒，有效范围是0604792。其它3个参数为2进制补码。 D1导航电文内容和算法 209星历数据龄期（IODE） 星历数据龄期（IODE）共5比特，为本时段星历参数参考时刻与计算星历参数所作测量的最后观测时刻之差。星历参数 星历参数描述了在一定拟合间隔下得出的卫星轨道。它包括15个轨道参数、1个星历参考时间

59、。星历参数更新周期为1小时。 北斗星历参数定义 210北斗星历参数定义 211D1导航电文内容和算法 212历书参数历书参数更新周期小于7天。D1导航电文内容和算法 213历书周计数（WNa） 历书周计数（WNa）为北斗时整周计数（WN）模256，为8比特，取值范围为0255。 卫星健康信息（Heai, i=130） 卫星健康信息为9比特，第9位为卫星钟健康信息，第8位为B1I信号健康状况，第2位为信息健康状况。 D1导航电文内容和算法 214与UTC时间同步参数（A0UTC, A1UTC, tLS, WNLSF, DN, tLSF） 此参数反映了北斗时（BDT）与协调世界时（UTC）之间的关

60、系。D1导航电文内容和算法 215与GPS时间同步参数（A0GPS, A1GPS） D1导航电文内容和算法 216与Galileo时间同步参数（A0Gal，A1Gal） D1导航电文内容和算法 217与GLONASS时间同步参数（A0GLO, A1GLO） D2导航电文帧结构 218D2导航电文主帧结构和内容 219D2导航电文包括：本卫星基本导航信息，全部卫星历书，与其它系统时间同步信息，北斗系统完好性及差分信息，格网点电离层信息。 子帧1播发基本导航信息，由10个页面分时发送，子帧24信息由6个页面分时发送，子帧5中信息由120个页面分时发送。 D2导航电文内容和算法 220本卫星基本导航