第三篇 卫星导航

第三篇卫星导航原理§3.1卫星导航基本设计思想§3.2GPS卫星导航系统概述§3.3GPS的时空参考系统§3.4GPS卫星位置计算§3.5GPS卫星的星历§

3.6由卫星预报星历计算GPS卫星坐标§3.1卫星导航基本设计思想的由来

1957年10月世界上第一颗人造地球卫星上天．当时美国约翰·霍普金斯大学(JohnsHpkinsUniversity)应用物理实验室的研究人员格亦尔(william

H.Guier)博土和威芬拜克(Geoge

C.Weiffenback)博士在观测卫星发射的无线电信号时发现，尽管卫星以固定频率发射连续的无线电波，但当卫星由远而近飞临地面观测站上空时，地面接收到的电波频率比卫星实际发射的频率要高；当卫星在观测站上空时，接收频率与发射频率相等；当卫星飞离地面观测站上空时，接收频率比发射频率要低。这种现象称为“多普勒效应”，卫星发射频率与地面观测站接收到的频率之差称为“多普勒频移”。

后来，在该应用物理实验室工作的另外两名研究人员FrankT.Mcclure博士和RichardB.Kershner提出了与此相反的设想，即如果已经准确知道了卫星的运行轨道，那么只要在地面上用接收机测量出卫星电波中的多普勒频移，便可以确定出观测者在地球上的位置。这就是卫星导航系统的基本设计思想。地面站（位置）卫星（轨道、频率）多普勒频移测量研究人员进一步发现多普勒频移曲线与卫星运行轨道之间存在着十分密切的关系，于是便建立了一个地面站对卫星进行长期跟踪观测，通过测量卫星发射的无线电信号中的多普勒频移曲线来测定卫星的运行轨道并获得试验成功。这次试验的成功表明：在已知的地面接收点，精密地测量出卫星天线电波中的多普勒频移，就可以确定出卫星的轨道。卫星导航就是天文导航与无线电导航的结合物，不过是把无线电导航台放在人造地球卫星上罢了。目前影响最大的卫星导航系统有GPS卫星导航系统和GLONASS卫星导航系统。另外还有欧空局的伽利略卫星导航系统、我国的北斗II卫星导航系统、日本“准天顶”卫星导航系统以及印度的卫星导航计划。§3.2GPS卫星导航系统概述3.2.1GPS定位技术的发展1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。从此，利用卫星进行定位和导航的研究引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器试验室着手研制为美国军用舰艇服务的卫星导航系统“navynavigationsatellitesystem(NNSS)”,1964年1月该系统研制成功，成为世界上第一个投入使用的卫星导航系统。第一代卫星导航系统

的局限性

1.卫星少，不能实时定位。2.轨道低，难以精密定轨。

3.频率低，难以补偿电离层效应的影响。GPS(GlobalPositioningSystem)是美国研制的新一代卫星导航定位系统。是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息，满足军事部门和民用部门的需求。•1973年12月美国开始建立新一代的卫星导航系统——GPS全球定位系统（GlobalPositioningSystem)•该系统分三个阶段进行：1.论证方案阶段：1973年12月组成联合办公室。

2.工程研制阶段：1978年2月22日第一颗GPS试验卫星发射成功。第二、三代卫星导航系统：3.生产作业阶段：1989年2月14日第一颗GPS工作卫星

发射成功。

1994年6月完成第二代卫星发射。1996年开始发射第三代（BlockIIR)

卫星。名称代别卫星类型卫星数/颗发射时间用途第一代BlockI111978~1984试验性第二代BlockIIBlockIIA281989~1994正式工作第三代BlockIIIBlockIIR2020世纪末90年代改进GPS系统GPS卫星发射情况GPSBLOCKIIR卫星：(一)GPS相对于其它导航系统的特点

1.全球地面连续覆盖。

2.功能多，精度高。

3.实时定位速度快。

4.抗干扰性能好，保密性强。二、GPS的特点(二)GPS应用于定位方面的特点

1.观测站之间无需通视。

2.定位精度高。

3.观测时间短。

4.提供三维坐标。

5.操作简便。

6.全天候作业。3.2.2GPS定位系统的组成

GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，GPS定位系统是由以下三个部分组成：（1）GPS卫星星座（空间部分）（2）地面监控系统（地面控制部分）（3）GPS信号接收机（用户设备部分）。这三部分有各自独立的功能和作用，对于整个全球定位系统来说，它们都是不可缺少的。GPS卫星星座组成共24颗卫星，其中3颗备用，分布在6个轨道面上。轨道面相对地球赤道面的倾角为55度，各轨道平面升交点赤经相差60度，相邻轨道上卫星的升交距角相差30度。轨道平均高度约20200km，运行周期11h58m。因此，同一测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间地点而异，最少4颗，最多达11颗。GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。卫星星座的分布设置要保证地球上任何地点，任何时刻可以同时观测到高度角15度以上的至少四颗卫星。GPS星座参数卫星：24颗轨道：面6个长半轴：26609km偏心率：0.01轨道面相对赤道面的倾角：55°各轨道面升交点赤经相差：60°相邻轨道卫星升交距角相差：30°卫星高度：20200km卫星运行周期：11小时58分钟GPS卫星的基本功能1接收和存储由地面监控站发来的导航信息，。2利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。3通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4向用户发送定位信息。5接收并执行监控站的控制指令，通过推进器调整卫星姿态和轨道修正，或启用备用卫星。GPS卫星采用多种编号识别系统。在导航定位中通常采用PRN编号（伪随机噪声码）GPS地面监控部分GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3个）1、监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。2、主控站除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4）启用备用卫星代替失效工作卫星。3、注入站：主要设备为1台直径3.6m的天线、1台S波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。地面监控系统流程图接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数据处理机L1L2S波段GPS卫星GPS卫星GPS地面控制部分的作用负责监控全球定位系统的工作：监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户保持各颗卫星的时间同步必要时对卫星进行调度GPS用户设备部分GPS的空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航定位的基础，而用户只有使用GPS接收机才能实现其定位、导航的目的。用户部分组成

GPS信号接收机及相关设备GPS接收机接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备GPS接收机的组成天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源GPS接收机的作用接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作3.2.3美国对利用GPS的限制政策美国实行所谓“选择可用性”—SA政策(SelectiveAvailability)提供两种定位服务方式：

1.精密定位服务(PPS)—P码(精码)2.标准定位服务(SPS)—C/A码(粗码)（二)用户摆脱SA限制政策的措施：

1.建立独立的GPS卫星测轨系统；

2.加强GPS差分定位技术的研究与开发；

3.开发GPS/GLONASS兼容接收机

4.建立独立的卫星导航与定位系统。§3.3GPS的时空参考系统GPS的最基本任务是确定用户在空间的位置。所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系中的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的。因此首先要确定坐标系基准和时间基准。坐标系统和时间系统是GPS的基本参考系统确定的时空参考系统是描述卫星运动、处理观测数据、表达用户位置的物理与数学基础3.3.1坐标系参考系统GPS卫星主要受地球引力作用而绕地心旋转，与地球自转无关。因此描述GPS卫星在其轨道上的运动规律，选择不随地球自转的地心坐标系是方便的。在GPS定位中，用户往往固定在地球表面或地球附近，对用户的定位往往是相对于地球定位，因此引用与地球固联的坐标系是必要的。对于GPS卫星，坐标基准是天球坐标系对于用户，坐标基准是地球坐标系天球坐标系天球坐标系原点Z轴X轴标准历元平天球坐标系（CIS协议天球系）地心标准历元平天极平春分点瞬时平赤道天球坐标系地心瞬时平天极瞬时平春分点瞬时真赤道坐标系地心瞬时真天极瞬时真春分点地球坐标系

瞬时地球系

协议地球系三种天球坐标系之间可以进行坐标转换。二种地球坐标系之间可以进行坐标转换天球坐标系和地球坐标系之间也可以进行坐标转换GPS卫星的参考系是WGS-84坐标系，是一种地固坐标系3.3.2GPS的时间参考系统在GPS定位系统技术中，要研究分析人造天体GPS卫星、GPS接收机的运动规律和位置。有关研究对象的运动描述，不仅需要空间参照系（坐标系），而且需要时间参照系（时间基准）作为重要的基准来精确刻画研究对象的运动状态（位置、速度、姿态等）。时间参考系统包括时间原点（起始历元）和时间单位（尺度），其中时间的尺度是关键，而原点可以根据实际应用加以选定。时间参考系统的物理实现必须具有可观测的周期运动。这种周期运动应具备连续性、稳定性和复现性。实践中，由于所选择的周期现象不同，便产生了不同的时间系统。恒星时（ST）、平太阳时（MT）、世界时（UT）原子时（AT）协调世界时（UTC）GPS时间系统（GPST）地球动力学时（TDT）§3.4GPS卫星位置的计算卫星轨道参数（轨道根数）：卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道，描述卫星轨道状态和位置的参数称为卫星轨道参数。卫星的无摄运动可由一组经过选择的轨道参数来描述，他们是。称为开普勒轨道参数（轨道根数）。a——椭圆轨道长半轴e——椭圆离心率升交点赤经轨道面倾角近地点角距真近点角在卫星的6个轨道参数中，前5个是常量，不随时间变化而变化，它们的大小是由卫星的发射条件所决定的。只有真近点角f是时间的函数。因此，计算卫星瞬时位置的关键，在于计算参数f。计算真近点角f

在计算真近点角时，要用到两个辅助参数：一个是偏近点角E，另一个是平近点角M。偏近点角E：由近地点P至S‘的圆弧所对应的圆心角即为卫星S所对应的偏近点角。仅当卫星位于近地点和远地点时，偏近点角E与真近点角f的数值是相同的。在其他位置，偏近点角E与真近点角f是不同的。由图，得到E和f的关系式：将上式两端平方，再相加，得到上式即为以偏近点角E为自变量的轨道方程。由上述三个式子，可得平近点角轨道直角坐标系：坐标原点O在地心，X轴指向椭圆轨道近地点P，Y轴为轨道椭圆的短轴，Z轴为轨道椭圆的法向。平近点角：以tp作为起始时刻，在时刻t，卫星以平均角速度n绕地心在轨道平面中转过的角度M，称为平近点角。平近点角与偏近点角的关系：开普勒方程计算真近点角f思路：通过平近点角计算偏近点角，由偏近点角计算真近点角。上式是一个超越方程，不易由M直接求得E。一般采用迭代算法，迭代法的初值可近似取GPS卫星的瞬时位置思路：对于任意观测历元t，根据卫星的平均运行速度n，求平近点角。再采用迭代的方法求出偏近点角，由偏近点角可以唯一确定相应的真近点角。由真近点角就可以求出GPS卫星在任意观测历元t相对于地球的瞬时空间位置。轨道直角坐标系下卫星的位置轨道直角坐标系下，GPS卫星位置的表达，只是一种过渡性表达。我们的目的是求出GPS卫星在地球坐标系中的位置。求天球坐标系下卫星的位置轨道直角坐标系与天球坐标系的关系由3个轨道参数来确定。由轨道直角坐标系绕Zs轴转过角，再绕Xo轴转过角，最后绕Zo轴转过角，则轨道直角坐标系就与天球坐标系重合了。地球坐标系下卫星的位置瞬时地球直角坐标系和天球坐标系的关系§3.5GPS卫星的星历卫星星历：描述任一时刻t，卫星在空间的位置的一组参数称为卫星星历。GPS卫星星历有两种方式：预报星历（广播星历）和后处理星历（精密星历）。GPS卫星的预报星历是这样一组参数：它包含相对于某一参考历元toe的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。预报星历是由卫星广播发射的导航电文传递到用户的，用户接收机捕获到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历。在卫星星历中，其中相应于某参考历元的开普勒轨道参数，是根据地面GPS监测站对GPS卫星约一周