GPS-全球定位系统原理与应用

GPS全球定位系统原理与应用GPS导航仪GPS新闻（2010年9月）申通快递应用GPS定位系统实现运输透明化管理江津283辆客运班车装GPS不良驾驶将“现形”市民带上GPS爬凤凰山迷路救援队员凌晨上山将其救出时代：美国政府可使用GPS监视公民行踪GPS监控宁夏偏远山村电影放映阳光作业提高运动员成绩GPS定位系统帮大忙‎绪论GPS定位技术及其发展GPS是什么？GPS的英文全称是:NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositionSystem，简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。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。定义：GPS是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可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。GPS技术的发展利用测深杆沿着海岸航行根据盛行风和风向。探险家估计离陆地已近便把乌鸦放出去。水手依据气味的方向判断陆地的位置和船所在的位置最古老，最简单的导航方法是星历导航；天文测量的思想早已经出现在了测量学中；1405~1433年，中国明朝郑和率领船队七次横渡印度洋，提出了利用恒星高度来测定地理纬度的方法；最早的导航仪是中国人发明的指南针；进入20世纪，人们逐渐发现发明了很多新的技术：1、海员通过测量船体的速度进行外推确定位置，“拖绳计节”；2、惯性导航技术，第二次世界大战期间，德国以冯·布劳思为首的研究小组研制出了V-2火箭，它从欧洲本土飞越英吉利海峡，直奔英国首都，在伦敦市区爆炸了世界上第一枚投入战争的弹道式导弹，被希特勒称为“第三帝国的秘密武器”。由于电子技术和电磁波技术的发展，人们从懂得利用宇宙中的参照物（星体）扩展到主动建立人为的参照物，即电子导航系统。首先是地基无线电导航系统，由在世界各地适当地点建立的无线电参考站组成；1957年，苏联发射了世界上第一颗人造卫星；1958年，美国着手建立为军用舰艇导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（NavaNavigationingSatelliteSystem–NNSS）,也称子午卫星系统；1960年发射第一颗卫星；1964年1月该系统正式运行；1967年7月系统解密以供民用。前苏联于1965年建立了一个类似的系统：CICADA1973年，美国DOD批准其海陆空三军联合研制第二代卫星导航系统GPS，设计24颗卫星，投资300亿美元，分三个阶段：第一阶段：方案论证（1974—1978）；第二阶段：系统论证（1979—1987）；第三阶段：生产实验（1988—1993）；1995年7月，GPS达到FOC(FullOperationalCapability)；GPS的功能用途测量、航空、卫星定位、军事、精细农业、车载导航、广播、电视、探险、航运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.GPS的特点：全球性连续覆盖，全天候工作；定位精度高；观测时间短；测站间无需通视；可提供三维坐标；操作简便；功能多，用途广。军事上的应用协同作战方面GPS可为各级指挥系统提供各种目标及事件所发生的时间和地点导弹的制导，提高命中目标的精度美伊战争70%左右使用GPS辅助制导，使战斧式巡航导弹从1600公里的地方准确打击一个小房子的目标。搜索、救援人员野外定位在茫茫的沙漠上，没有任何标志，主要靠导航卫星进行定位，知道自己在什么地方美国的前参谋长联席会议主席曾说过，如果没有GPS系统的支持，美国甚至连一场战争都无法取胜美国对伊战争中使用的最多的杀手锏是“精确制导武器”，而精确制导武器离不开卫星的侦察和定位作用，美军空袭几乎全部使用了gps辅助制导的精确制导武器，使美军可以在夜间和沙尘的天气条件下发起攻击。美英联军的“自相残杀”时有发生，如美军巡航导弹落在了土耳其，“爱国者”击落了英军的“旋风”战斗机，军事专家分析原因：技术欠缺，地形复杂，训练不足，还有敌军的破坏和干扰，因此，布什致电普京，指责俄罗斯的公司向伊拉克出售GPS干扰装置海陆空的导航应用海洋运输，利用GPS提供的位置信息，选择最佳路径，节省时间，燃料，并保障安全（1）使用GPS，一艘大型油轮横渡大西洋一次可节省17000美元（2）沿海渔船上装上GPS可方便准确的导航，避免进入国外领海，实现远海捕鱼陆地车辆导航（1）对特种车辆进行跟踪、监控、保障其安全——运钞车（2）公交系统、出租车系统——利用GPS随时知道每辆车的具体方位和行驶状况，随时安排调度（3）北京的奥运交通投资900亿，其中一个内容是四环以内的公交、出租全部都装上GPS监控系统GPS导航：自动定位的时间约为45秒，数据更新为1次/秒，水平定位精度小于10米，速度精度为0.5米/秒；任我游300装载了全国公路网和313个城市的详细地图，而且还有大量的生活、旅游、交通资讯可以查询。上海的110指挥中心车辆监控空中导航（1）空中管制，导航，监测（2）飞机的进场，着陆RNP精密导航：RNP（RequiredNavigationPerformance）精密导航技术，是利用飞机自身机载导航设备和全球定位系统引导飞机起降的新技术，为目前国际航空界公认的飞行导航未来发展方向。3、定位大地测量和工程测量的应用（1）代替常规方法布设、加密控制网（2）测图、放样（3）变形监测（4）地球动力学，检测板块、极移运动常规方法的局限：无法同时精确确定点的三维坐标；观测受气候、环境条件限制；自动化程度不高；不能连续观测；观测点之间需要保证通视（需要修建觇标/架设高大的天线；边长受到限制；观测难度大；效率低：无用的中间过渡点）地壳运动监测：由于印度板块向北向的推挤而造成了中国大陆内部产生了比较强烈变形，由于它的板块在喜马拉雅和亚洲板块的碰撞，使得青藏高原产生这种隆升，而这种隆升的过程，又伴随着青藏高原整体向东向的挤出，这样一种挤出就会使得青藏高原内部，包括青藏高原周边的地块,破碎成了一系列大小不同尺度的地块，而这种地块在边界带会相互地位错，会发生运动，这种运动一旦以不稳定的破裂形式发生的话就产生地震GPS与减灾防灾：胡锦涛主席提到：“要加快遥感、地理信息系统、全球定位系统、网络通信技术的应用以及防灾减灾高技术成果转化和综合集成，建立国家综合减灾和风险管理信息共享平台，完善国家和地方灾情监测、预警、评估、应急救助指挥体系。”领海基线测量测量上的前景展望4、授时精度：10ns的时钟改正数应用：电力系统的并网发电5、其他农业、气象、休闲、日常生活……运动员实时跟踪系统、精细农业、人员定位GPS新闻：新华社坎帕拉11月12日电:记者从正在乌干达举行的第九届《湿地公约》缔约方大会上了解到，一些国家正在利用高科技手段研究候鸟迁徙，以追踪候鸟这一传播禽流感病毒的“最大嫌疑犯”。过去多使用人为手段追踪候鸟，鸟类学家为此要花费大量时间在世界各地追寻候鸟迁徙足迹，了解候鸟的生活习性。现在，很多科学家正在利用ＧＰＳ（全球卫星定位系统）等先进手段，监测候鸟的飞行路线。据悉，利用ＧＰＳ系统监测从欧亚大陆迁徙到北美的候鸟，不仅可以进行实时追踪，误差也只有几米远。GPS和你的专业有什么关系吗？土地资源管理：土地利用现状调查；地籍测量；建设用地勘测定界；土地产权调查土地利用现状、变化调查：一般方法：遥感相片；航摄相片；直接外业调绘，皮尺、常规测量仪器一般的工作方法：土地资源监测类型体系及数据；室内遥感解释：提取土地利用遥感变化信息；GPS野外实测作业，低精度的变化靶区数据（指导GPS作业）；利用野外作业获得的高精度测量数据更新土地利用数据。空间数据采集/维护系统：TOPCON公司的Turbo-G2亚米级GPS接收机，进行高精度GIS数据采集时还需架设一台基准台，两站之间的作用距离不得超过300公里。属性采集GPS手持机“北京市国土资源局"GPS/PDA技术"在土地调查业务中的应用”：与东南大学合作，利用该校研制的集成GPS、PDA、GIS、RS、网络通讯（GPRS）等技术于一体、适合基层土地管理人员使用的便携式土地调查作业系统-“调查之星”2006年，市局投资320万元为14个区县分局配置了“调查之星”。利用“调查之星”对顺义、通州、大兴区以及亦庄经济开发区征（占）地部分档案的宗地（位置、面积）数据进行外业定位和面积量算。整个外业工作，充分利用了“调查之星”的技术优势，仅仅用了以前传统调查方法约1/6的时间，就完成了1500多份历史档案的外业调查和内业上图工作。示范应用表明：GPS/PDA不仅可以用于地籍调查与测绘，还可以用于农村集体土地调查、土地登记发证、现场执法检查等。第二次全国土地调查明确18亿亩耕地红线：仅用三年时间，从具体地块开始，查清全国城乡每一块土地的权属、面积、四至和用途等情况，查清每一块基本农田的状况，并要高标准地建立“四级联网、上下互通”的土地数据库，实现土地管理信息化、网络化。《第二次全国土地调查总体方案》中：“…农村土地调查以1:1万主比例尺，以正射影像图作为调查基础底图，充分利用现有资料，在GPS等技术手段引导下，实地对每一块土地的地类、权属等情况进行外业调查，并详细记录，绘制相应图件，填写外业调查记录表，确保每一地块的地类、权属等现状信息详细、准确、可靠。…”GPS搜索违法用地土壤调查五、GPS有什么缺点吗？飞机上的导航配备现状：中国北方航空公司的主力机型有麦道系列和空客系列飞机，包括MD-82、MD-90、A-300和A-321。1、MD-82生产年代最早，原来的导航系统是欧米茄系统，但由于80年代美国停用欧米茄系统四个地面台，该系统不再工作，北方公司选装了两套GPS系统。2、MD-90和A-300是70-80年代生产的飞机，机载电子设备相近。它们都没有装备GPS，位置导航系统是惯性导航系统。3、A-321是空中客车公司最先进机型之一，它的电子设备代表了最新的科技成果在民航业的应用。A-321装备两套GPS系统，同时装备两套IRS，并且在正常情况下，IRS为主用系统，GPS为辅助系统。导航仪严重失误第二节其他的GNSS系统GLONASS全球导航卫星系统Galileo系统北斗系统：我国的第一代卫星导航系统GLONASS：GlobalNavigationSatelliteSystem1996年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12颗卫星；20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为十几颗。关于GLONASS：GLONASS和GPS在技术上不相上下；GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短且由于经济困难无力补网，在轨可用卫星少，不能独立组网；其应用普及情况则远不及GPS，这主要是俄罗斯没有开发民用市场。GLONASS和GPS组合测量是一个发展方向；中国、印度都计划和俄罗斯合作，维护和发展GLONASS。GLONASS动态：2005年，俄罗斯联邦政府正式批准了《2006年—2015年俄罗斯联邦航天计划》，新的十年航天计划是一项国家经济战略，强调航天科技的发展应该更多地为国家经济服务，总预算为3050亿卢布(1美元约合28卢布)，主要任务是发展卫星通信，完善俄“GLONASS”卫星定位系统，保障全俄境内的通信和电视转播等2005年底的12月25日，俄航天部队与俄航天局在拜科努尔发射场的81号发射台成功发射了载有3颗GLONASS卫星的“质子-K”运载火箭。目前这三颗卫星运转正常。这三颗卫星的飞行由位于莫斯科郊外克拉斯诺兹诺缅恩斯克的指挥所控制。这样“全球卫星定位导航系统”有17枚在轨卫星。俄将开始生产新一代“格洛纳斯”导航卫星：2008年08月28日:俄罗斯联邦航天署27日宣布，俄应用机械科学生产集团已经开始生产新一代导航卫星“格洛纳斯-K”。据国际文传电讯社报道，“格洛纳斯-K”导航卫星预计最早于2010年发射。该卫星是俄全球卫星导航系统的第三代产品，与前两代卫星“格洛纳斯”和“格洛纳斯-M”相比，它重量更轻，寿命可长达12年俄全力打造“格洛纳斯”冲击美GPS一统天下局面：2008年09月13日:根据俄罗斯总理普京9月12日签署的一项命令，俄政府决定增加670亿卢布（约合26亿美元）专项资金，用于进一步落实“格洛纳斯”全球卫星导航系统国家计划。此举不仅意味着“格洛纳斯”计划进入了一个全面实施的新阶段，同时也标志着俄罗斯在参与全球卫星导航技术竞争中迈出了重要一步。2008年12月，系统达到20颗卫星2、Galileo背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场，GLONASS、GPS均由军方控制欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的系统。参股共建，收费。Galileo的历程：1998年，欧盟计划开发伽利略计划2002年1月，“伽利略”计划的发言人向外界宣布，该专案迫于美国压力而搁浅。2002年3月26日，欧盟运输部长们一致同意正式批准研制“伽利略”导航卫星的计划。同年3月，在多方努力下，欧洲航天局（EuropeanSpaceAgency）和欧盟成员国同意向“伽利略”计划拨款。当其时正值华盛顿与欧洲在进攻伊拉克问题上闹得不可开交，因此美国施压非但没有奏效，反而进一步激怒了反对攻伊的法国、德国等欧盟国家。2003年3月20日，美国发动伊拉克战争，更促使欧盟加速去研发一组不受美国控制的定位系统。2003年5月，欧盟宣布开始实施“伽利略”计划。Galileo的展望：伽利略计划将为欧盟创造１５万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有１００亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就可在２００８年至２０２０年将获得１５０亿欧元收入；Galileo阶段：（一）2000年前，可行性评估或定义（二）2001~2005，开发和检测（三）2006~2007，部署（四）2008，商业运行Galileo系统的概况：投资预计36亿欧元左右；30颗HEO卫星组成；三个轨道面；2.4万多公里；预计在2008年布置完成；Galileo系统的服务：向用户提供三种信号：１）免费使用的信号（6M）；２）加密且需交费使用的信号；３）加密且需满足更高要求的信号（<1M）。如果说GPS只能找到街道，“伽利略”则可找到车库门Galileo动态：2004年6月22日，美国国务院及欧洲联盟执行委员会官员表示，双方已经达成最后协议，解决大西洋两岸在卫星定位系统上的争议，确保美国的全球定位系统与欧洲的伽利略计划能够兼容且不会互相干扰。欧盟与印度签署《伽利略计划》合作协定（2005），新华社布鲁塞尔9月7日电(记者卢苏燕)欧盟委员会7日宣布，欧盟与印度当天在印度首都新德里签署了双方在《伽利略计划》方面的合作协定，从而使欧盟在这一民用卫星导航计划中的合作伙伴增加到4个;除印度外，欧盟已与中国、以色列和乌克兰签署了合作开发协议，并正在与阿根廷、巴西、摩洛哥、墨西哥、挪威、智利、韩国、马来西亚、加拿大以及澳大利亚等国进行合作谈判。中国与Galileo：2003年底，中国与欧盟签署了就“伽利略”卫星导航计划进行合作的双边协议。协议规定：中欧双方将在卫星导航技术、工业制造、服务和市场开发、产品标准化和频率等方面进行合作。此外，中国还将在“伽利略联合企业”中投入约2亿欧元，并在其中持有相应的股份。美国威胁摧毁中欧合研卫星：2005年2月，香港文汇报报道，根据一份美国空军文件透露，美国空军副部长蒂兹这样写道：「10年后，如果『伽利略』全球卫星定位系统准确地攻击美军时，那么美国人民的生命就会非常危险，我们将会怎么办呢？」美国报刊披露，美军已经制定了详细的作战计划，在必要时摧毁欧盟未来的“伽利略”全球定位系统的卫星。据说欧洲委员会坚称，即使卫星将来会用於与美国打仗，也不会关掉它们或进行讯号干扰。2005年已发射第一颗卫星GIOVE－A：2005年12月28日，欧洲“伽利略”卫星导航系统的首颗实验卫星“GIOVE－A”由俄罗斯“联盟－FG”火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射升空，体积:2.7x1.2x1.1m3，重量：650Kg。第一颗卫星由伽利略工业公司研制,采用的最突出的新技术是无源氢母钟(PHM)。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。2008年4月发射第二颗卫星3、北斗一号两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空第三颗“北斗一号”卫星于2003年5月25日发射升空第四颗于2007年2月3日发射北斗系统：目的：快速定位、实时导航，简短通讯，精密授时；由三颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星结构简单；36000km。北斗的用户接收机：定位通信型；通信型；授时型；管理型定位过程：由中心控制系统向卫星I、II发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，径卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用的申请服务内容进行相应的数据处理。北斗系统定位的特点：定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣北斗系统的应用现状：2004年4月全面对民用客户开放，迄今为用户提供定位服务超过亿次，通信服务超过千万条，在军事应用、森林防火、水利防汛、交通运输、安全保卫等领域产生了显著的社会效益。以卫星设计容量为百万户来计算，目前在线的终端用户不足千分之一。以卫星在轨寿命8年来计算，每天有100万元的折旧在白白消耗；北斗导航系统的地面终端设备研制滞后，至今缺少性能稳定、价格平民化的用户机；北斗系统的应用案例：“陕南水利雨量监测速报系统”——由西安山脉公司和北斗星通共同建造，依托北斗卫星导航定位系统，通过北斗卫星链路，实现了陕南汉中安康商洛三地市用户所需的水文水情信息的实时传输。“边防信息化管控”——安装了“北斗一号”车载指挥终端设备的巡逻车正在沿着边境线例行巡逻。指挥控制中心的屏幕上，“北斗一号”卫星巡逻检查系统显示着车辆移动运动轨迹。在地震中的重要作用：中国自主研制的“北斗一号”系统在通信中断的情况下发挥重要作用，救灾部队携带的北斗系统正在陆续发回各种灾情和救援信息。“北斗一号”卫星导航定位系统监测到，一支携带了“北斗一号”终端机的部队，从中午12时开始，沿着马尔康、黑水、理县到汶川的317国道，以每小时6公里左右的速度一路急进。6个小时前进了近40公里，已经进入汶川县境内，离县城还有40公里左右的路程。由于通信受阻碍，位于北京的卫星导航定位指控中心初步判断该部队隶属四川武警总队。指控中心正在进一步了解情况。北斗二代计划：“二代北斗导航系统”：COMPASS-系统是继北斗一代系统后的中国新一代卫星导航系统，这将是一个真正的全球定位系统。“二代北斗导航系统”计划包括4颗静止星；12颗中轨星；9颗高轨星。原定2006年开始组网，2010年实现全球精确覆盖。2007年4月14日首颗卫星发射成功2009年4月发射第二颗4、其他：印度地区导航卫星系统七颗卫星，其中三颗为静地卫星，为印度全境及周边2000公里的范围提供定位服务，精度20米。第三节GPS系统的组成（一）由GPS卫星组成的空间部分SpaceSegment（二）由若干地面站组成的控制部分GroundSegment（三）以接收机为主体的广大用户部分UserSegment（一）空间部分GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。GPS卫星：铯原子钟，计算机，2块7m2的太阳能翼板，姿态控制和太阳能板指向系统，无线电收发两用机，导航荷载（发射测距和导航数据），1,877kgGPSIIR卫星发射GPS卫星的发展：试验卫星：BlockⅠ；工作卫星：BlockⅡBlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率GPS卫星：所用时钟不同，存储信息量不同，发射信号组成不同，卫星间通讯能力不同GPS星座：卫星：24颗，轨道：6个，长半轴：26609km，偏心率：0.01，卫星高度：20200km，轨道面相对赤道面的倾角：55°，卫星运行周期：11小时58分钟特点：任何时刻任何地点保证能接收到四颗以上的卫星，一般6~11颗；高轨，轨道受摄动较小；能见地面面积大，38%；GPS信号的波束覆盖地面比较均匀；卫星经过天顶时，卫星可见时间为5小时；周期11h58min,地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次；当前星座：28颗空间部分的作用：飞越注入站上空时，接收地面注入站用S波段发送到卫星的导航信息，并通过GPS信号形成导航电文;接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令（钟，轨道，卫星）;向广大用户连续不断发送导航定位信号，并用导航电文中的星历和历书分别报导自己的现势位置，以及其他在轨卫星的位置;GNSS系统参数比较：参数GPSGLONASSGALILEO卫星星座21+321+327+3轨道平面6个3个3个轨道倾角55度64.8度56度轨道高度20200km19123km23616km运行周期11h58m11h15m（二）控制部分控制部分的组成：一个主控站，五个监控站，三个注入站GPS的地面监控部分：监测站（5个），作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。主控站（1个），作用：收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。注入站（3个），作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）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控制部分的运行机制：GPS卫星—————监控站—————主控站—————注入站—————GPS卫星观测原始数据星历时钟数据控制参数监控站：GPS接收机、原子钟、计算机、环境数据采集装置主控站：具备监测站的功能，并对数据进行综合处理注入站：计算机、发射机、发射天线（三）用户部分GPS接收机：接收、跟踪、变换和测量GPS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GPS信号接收机：组成：天线单元、带前置放大器、接收天线，接收单元：信号通道、存储器、微处理器、输入输出设备、电源系统的运行机制：GPS信号接收机<————————GPS卫星星座<————————>地面监控系统接收设备24颗卫星中央控制系统接收卫星信号广播轨道时间数据以及辅助资料信息时间同步、跟踪卫星定轨第四节本课程的主要内容目标：GPS相关的基本概念（载波，伪距），理解gps定位的基本原理（测距，交会），如何使用GPS满足你的不同精度的要求（误差，定位方法），能够对GPS中的常见问题有所理解（坐标），了解GPS的应用领域第二章坐标系统与时间系统第一节大地测量中的坐标系统基准的确定：参考椭球面和参心坐标系。为了处理观测成果传算，地面控制网的成果通常选取参考椭球面，选取一参考点作为大地测量的起算点（称大地原点），利用大地原点的天文观测量，来确定参考椭球在地球内部的位置和方向，参考椭球中心一般不在地球质心，这种原点位于地球质心附近的坐标系称为参心坐标系。参心坐标系的特点：不关心地心是否与参心重合，只关心表面的拟和程度，使得椭球面上的计算简单。笛卡尔坐标系：空间直角坐标一、空间直角坐标系二、大地坐标系纬度是线面角，即本地法线与赤道平面的交角；经度是两面角，即本地子午面与本初子午面的交角。地球经纬度的起源：公元前344年，亚历山大渡海南侵，继而东征，随军地理学家尼尔库斯沿途搜索资料，准备绘一幅“世界地图”。他发现沿着亚历山大东征的路线，由西向东，无论季节变换与日照长短都很相仿。于是做出了一个重要贡献——第一次在地球上划出了一条纬线，这条线从直布罗陀海峡起，沿着托鲁斯和喜马拉雅山脉一直到太平洋。以亚历山大为名的那座埃及城里，出现了一个著名图书馆，多年担任馆长的埃拉托斯特尼博学多才，精通数学、天文、地理。他计算出地球的圆周是46250千米，画了一张有7条经线和6条纬线的世界地图。公元120年，一位青年也在这座古老的图书馆里研究天文学、地理学。他就是克罗狄斯·托勒密。托勒密综合前人的研究成果，认为绘制地图应根据已知经纬度的定点做根据，提出地图上绘制经纬度线网的概念。经纬度的起源：托勒密测量了地中海一带重要城市和据点的经纬度。其中包括8000个地方的经纬度。为使地球上的经纬线能在平面上描绘出来，他设法把经纬线绘成简单的扇形，从而绘制出一幅著名的“托勒密地图”。备注：•公元前200年，埃及埃拉托斯特尼Erastosthenes引出了经度和纬度的系统。•现在的经纬度系统由喜帕恰斯Hipparchus在公元前100年提出，用天文方法确定了纬线。•1884年，英国格林尼治成为了0度经线。大地坐标系的建立：参考椭球面：数学的，可通过大地水准面与地球表面建立联系Majoraxis,a=6378km；Minoraxis,b=6357km；Flatteningratio,f=(a-b)/a~1/300经线和纬线：纬圈平面垂直于地轴，经圈平面都通过地轴大地坐标的定义：按惯例：先纬度，后经度；数字在先，符号在后。例：北京40ºN,116ºE经度和纬度的特点：适合于球面描述度不是一个描述距离和面积的合适的单位，为了方便计算；工程上使用的图都是平面的，球面坐标系也不适合无限放大三、平面直角坐标系为了建立各种比例尺的地形图的测图控制和工程测量控制，通常需要将椭球面上的各点的大地坐标按照一定的数学规律投影到平面上，并以相应的平面直角坐标表示。1、地图投影的意义投影问题的产生：15世纪初，航海家亨利开始把“托勒密地图”付诸实践。但是，经过反复考察，却发现这幅地图并不实用。亨利手下的一些船长遗憾地说：“尽管我们对有名的托勒密十分敬仰，但我们发现事实都与他说的相反。”16世纪，荷兰出现了一个伟大的地图学家墨卡托（GerardusMercator1512－1594），他编制了新的《世界地图》、《地球一览》图集，发明了等角正轴圆柱投影——墨卡托投影。这不仅把人们对世界逐渐完善的认识反映到地图上，而且其等角航线为直线的特性，给当时欧洲航海事业巨大支持。墨卡托投影：航海图正轴等角圆柱投：由荷兰地图学家墨卡托（MercatorGerardus，1512—1594）于1569年所创设，故又名墨卡托投影。特点:不仅保持了方向和相对位置的正确，而且使等角航线在图上表现为直线。这一特性对航海具有重要的实用价值。地图投影的问题：在墨卡托投影图上的经纬线。经线互相平行，纬线间隔由赤道向两极增大，以致格陵兰岛比南美洲还大。投影的基本方式：等角投影、等面积投影平面直角坐标系的建立2、我国的投影方法：高斯投影横轴椭圆柱等角投影，设想用一个椭圆柱套在地球椭球外面，并与地球面上的某一子午线相切，这条子午线称为中央子午线。椭圆柱中心通过地球的中心，按其等角投影条件，将中心线东西两侧各一定范围内的经为线投影到椭圆柱面上，然后将圆柱面沿其母线切开展开平面，即得平面上的经纬线网格。高斯投影的变形：角度无变形，长度变形除中央子午线无变形外，离开中央子午线越远，其变形越大。高斯平面直角坐标定义：高斯平面直角坐标系的定义:X轴：中央子午线的投影,Y轴：赤道的投影,原点：两轴的交点假东、假北:为了避免坐标系中出现负值，统一规定将每一带的坐标轴西移或南移一定距离。我国的假北为0，假东为500km.高斯投影的数学表达:高斯投影的计算公式：地图上的平面直角坐标系:公里格网:一系列平行于X轴和Y轴的直线，组成直角坐标格网，其间隔一般为1km高斯分带投影:高斯投影的变形：角度无变形，长度变形除中央子午线无变形外，离开中央子午线越远，其变形越大解决：划分多个投影带,采用多个圆柱投影面投影高斯投影分带和编号:60带：经差60，共分60个带，中央子午线：30带：经差30，共分120个带，中央子午线：任意带：1.50或任意高斯投影的参数:中心纬度、中央子午线、坐标系的假东、坐标系的假北小结：不同形式的坐标系统常见的坐标系统：空间直角坐标系、大地坐标系、平面直角坐标系为了处理观测成果传算，地面控制网的成果通常选取参考椭球面，选取一参考点作为大地测量的起算点（称大地原点），利用大地原点的天文观测量，来确定参考椭球在地球内部的位置和方向，参考椭球中心一般不在地球质心，这种原点位于地球质心附近的坐标系称为参心坐标系。定义一个坐标系统，包含了坐标系统的基准、坐标系统的形式。新问题：还存在不同基准的坐标系？不同的坐标系统：1954年北京坐标系、1980年国家大地坐标系、WGS-72、WGS-841、我国的大地坐标系：参心坐标系1954年北京坐标系建立：与苏联1942年普尔科沃坐标系联测椭球：克拉索夫斯基椭球问题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好1980年国家大地坐标系建立：进行了我国的天文大地网整体平差，采用新的椭球元素，进行了定位和定向大地原点：陕西省泾阳县永乐镇椭球：1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届年会2、WGS-84坐标系:地心坐标系定义:原点：地球的质心Z轴：指向BIH1984.0定义的CTP（协议地球极）方向X轴：指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点Y轴：和Z,X构成右手系椭球（国际大地测量与地球物理联合会第17届年会）不同基准坐标系之间的差异：不同坐标系是建立在不同的参考椭球上的。建立坐标系相应的原点，坐标轴都不一致。第二节坐标系统之间的转换区分：坐标变换——同一基准（参考椭球）下，在不同坐标系表示形式之间进行变换基准变换——在不同的参考基准间进行变换坐标变换的实质—同一个基准，坐标转换的实质——不同的基准一、坐标系的变换空间直角坐标系（X，Y，Z）<——————>大地坐标系（B，L，H）<——————>平面直角坐标系（x，y，H）高斯投影公式二、基准变换的基本方法BJ54WGS84(B,L)1——(B,L)2(X,Y,Z)1——(X,Y,Z)2二维坐标的差异：XT＝△X＋Xcosε－Ysinε

YT＝△Y＋Xsinε＋YcosεXT＝△X＋KXcosε－KYsinε

YT＝△Y＋KXsinε＋KYcosε空间直角坐标系间关系——基准之间的关系坐标系的平移变换、缩放变换、坐标系的旋转、坐标轴系的旋转、三个旋转七参数模型:平移有三个变量Dx，Dy，DZ，旋转有三个变量，再加上一个尺度缩放。三、坐标转换的一般流程BJ54WGS84(X,Y)1(X,Y)2投影参数投影参数(B,L)1(B,L)2椭球参数转换参数椭球参数(X,Y,Z)1(X,Y,Z)2七参数四、手持机中的参数设置见笔记新问题：如果参数未知如何解决？首先，在测区附近选择一国家已知点，在该已知点上用GPS测定WGPS-84坐标系经纬度B和L，转换成平面直角坐标X’Y’，然后与已知北京54坐标比较则可计算出偏移量：△X=X－X’△Y=Y－Y’，式中的X、Y为国家控制点的已知坐标，X’、Y’为测定坐标，△X和△Y为偏移量。求得偏移量后，就可以用此偏移量纠正测区内的其他测量点了。X=X’+△X，Y=Y’+△Y。转换参数有七个，因此，三个点（公共点）就可以求得七个转换参数，但由于公共点在朗格坐标系的坐标都受到随机误差和其他系统误差的影响，因此，在实际工作中，应用不同的方法获得精度要求不同的转换参数。公共点：如果不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点在两个坐标系的坐标，称公共点，须通过公共点的两组坐标求得转换参数。例如：在做GPS测量时，得到测量点的WGS-84坐标，通常要求网中包含3个以上的地方坐标已知的控制点。求转换参数的模型：转换参数的求解方法：三点法：对转换参数的要求精度不高，或只有三个公共点时，可用三个点的9个坐标，列出9个方程，取其中的7个方程求解。多点法：由公共点在两个坐标系中的坐标，按照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方程。第三节时间系统时间测量的意义：田径运动员有几分之一秒之差就决定胜负；汽车、飞机发动机的转速测量需要精确到0.01秒；炮弹发射是在千分之一秒内发生的；雷达技术需要百万分之一秒的时间精度；导弹或飞行器计时精度需要达到十亿分之一秒；对核潜艇进行无线电导航，时间精度要达到百万分之一秒；科学家研究原子构造、宇宙射线等往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；要准确测量光速需要百亿分之一秒的准确度。GPS定位中精密时间的意义：卫星的位置误差<1cm，要求相应的时刻误差应小于2.6x10-6秒；测距误差<1cm，要求信号传播时间的测量误差，应不超过3x10-11秒；一、时间系统时间：包含时刻和时间间隔两种意义时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度（单位）和原点（起始历元），一般来说任何一个可观测的周期运动现象，只要满足：连续性，稳定性，复现性均可作为时间基准。时标发展史：直立的地上的杆子用以观察太阳光投射的杆影，通过杆影移动规律、影的长短确定时间误差10秒每天误差1秒每30年

1955年误差1秒每300年误差1秒每300万年二、常用的时间系统恒星时和太阳时：地球的周期性自转历书时：地球的周期性公转原子时：原子核外电子能级跃迁时辐射的电磁波的频率1、世界时系统：恒星时（春分点）、太阳时（太阳）、平太阳时（平太阳）根据天体的周日视运动反映地球的自转；补充：世界时系统——以地球的运动为基础原子时系统——以物质内部原子跃迁的特征为基础协调世界时——以原子时的秒长为基础，在时刻上尽量接近世界时由于真太阳的运行速度和时角变化率不均匀，不适于作为计量均匀时间的基准，在天文学中引入平太阳。它在天赤道上作匀速运动，其速度与真太阳的平均速度相一致。一个地方的平太阳时以平太阳对于该地子午圈的时角来度量。平太阳在该地下中天的瞬间作为平太阳时零时。平太阳时与平恒星时之间有相互换算关系。太阳时：参照于太阳的地球自转周期太阳时——选取太阳作为参考点，用它的周日视运动周期来描述时间的时间计量系统。平太阳时：太阳时的问题——真太阳的周日视运动不均匀，并不严格等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短可相差51秒；平太阳——假设一个参考点的运动速度等于真太阳周年视运动平均速度，且该点在天球赤道上作周年运动。平太阳时——以平太阳的周日视运动为基础建立的时间系统。世界时UT：世界时——以平子夜为零时的格林尼治平太阳时长期变化：潮汐影响使地球自转速度变慢；季节性变化：大气层中的气团随季节变化；不规则变化：地球内部的物质运动；与地球的运动有关，在空间大地测量中有意义。2、原子时ATI原子时秒长——位于海平面的铯133原子基态两个超精细能级，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。国际原子时——国际上约100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。原子时原点——UT2(19)-0.0039s地球自转速度长期性变慢，世界时每年比原子时慢约一秒3、协调世界时UTC协调世界时——从1972年开始，国际上开始使用一种以原子时秒长为基准，时刻上接近世界时的折衷的时间系统。秒长稳定，广泛应用于天体测量，大地测量，研究地球自转速度。闰秒——当协调时和世界时相差超过正负0.9秒时，便在协调时上加入一个闰秒（跳秒）。（跳秒由国际自转服务组织发布，一般在12.31或6.30进行）。在2006年的元旦，我国的时钟将拨慢：7时59分59秒——7时59分60秒——8时00分00秒。而在正常情况下，时间是从7时59分59秒直接到8点整的。三、GPS时间系统原子时系统——秒长与原子时相同原点：1980年1月6日的UTC零时没有跳秒第四节天球坐标系与地球坐标系描述卫星的位置——天球坐标系描述地球上的点的位置——地球坐标系一、天球和天球坐标系天球——以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体。1、天球天轴:地球自转轴的延伸线；天极:天轴与天球的交点；天球赤道面：通过地球质心，与天轴垂直的平面；天球子午面：包含天轴,并通过天球上任何一点的平面黄道和春分点：黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即地球公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的轨道。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，在天球上的位置不随着地球的自转变化。天球坐标系的两种表示方法天球空间直角坐标系(X,Y,Z)天球球面坐标系(赤经，赤纬，向径)3、建立天球坐标系的两个问题实际地球的形状近似一个赤道隆起的椭球体，因此在日月引力和其他天体对隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变而使春分点在黄道上产生缓慢的西移——岁差、章动。岁差：由于对隆起部分的作用，周期25800年章动：由于月球轨道和月地距离的变化，周期18.6年三种天球坐标系瞬时真天球坐标系：瞬时真天极、瞬时真赤道面、瞬时真春分点坐标轴指向随时间变化瞬时平天球坐标系：瞬时平天极、瞬时平赤道面、瞬时平春分点经过了章动改正标准历元平天球坐标系：相应标准历元（2000.1.15）的一个特定时刻的平天球坐标系经过了标准历元到观测历元的岁差改正二、地球坐标系1、地心坐标系的定义：地心空间直角坐标系、地心大地坐标系2、建立地球坐标系的问题：极移极移——地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，因而地极点在地球表面的位置是随时间而变化的，这种现象称为极移。原因：地球内部物质的运动，其他天体的相互作用；地球不是一个刚体影响：地球坐标系相对地球不固定，描述的点位随时间变化3、两种地球坐标系CIO（国际协议原点）：1900年国际大地测量与地球物理联合会以1900.00~1905.00年地球自转轴的瞬时平均位置作为地球的固定极。瞬时地球坐标系：瞬时北地极，瞬时真赤道面与包含瞬时自转轴的格林尼治平子午面的郊县；协议地球坐标系：极移使瞬时地球坐标系的坐标轴指向发生了变化，地面点的坐标也不断变化，因此要定义一个地球上稳定不动的坐标系，选择某一固定的基准点(如CIO原点)作为Z轴指向，使之随地球自转指向不随时间变第三章GPS卫星运动、卫星星历第一节卫星的基本运动规律一、研究卫星运动规律的意义任意时刻卫星在什么地点轨道对定位的影响二、研究天体运动规律的历史古希腊哲学家亚里士多德认为，一切万物的运动都是基于圆形或球形的。此后，这种观点持续了几个世纪。毕达哥拉斯学派认为：一切立体图形中最美好的是球形，一切平面图形中最美好的是圆形，而宇宙是一种和谐的代表物，所以一切天体的形状都应该是球形，一切天体的运动都应该是匀速圆周运动。椭圆轨道的发现：第谷(1546-1601):著名的天文观测者，近代天文学的奠基人，对天体进行了精确，细致的观测。卓越的天文仪器制造家，曾制造过许多大型、精密的天文仪器。给仪器进行了精密刻度，大气折射效应进行修正，增大了仪器的尺寸并安装在坚固的基础上。1576年在丹麦王腓特烈二世的资助下，他耗资黄金1吨多在汶岛上建立一所宏大的天文台，他称之为天文堡，是世界上最早的大型天文台。约翰尼斯.开普勒(1571-1630)，被称为：天上的立法者。利用第谷多年积累的观测资料，仔细分析研究，发现了行星沿椭圆轨道运行，提出行星运动三定律（即开普勒定律）。不仅在天文学上，开普勒在在光学领域的贡献也是非常卓越的。他研究了小孔成像，研究过光的折射问题，并且解释了产生近视眼和远视眼的原因。墓志铭：我欲测天高，今却量地深。Kepler’sLaws：开普勒第一定律——卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。开普勒第二定律——卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等开普勒第三定律——卫星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量。牛顿力学定律是天体力学的基础艾萨克.牛顿(1643-1727)的运动定律和万有引力定律给开普勒三定律提供了物理的解释。万有引力定律也成为了天体力学的理论基础。天体力学即应用力学规律来研究天体的运动和形状。Newton’sLawofGravitation：运动定律：万有引力：牛顿-卫星：牛顿曾经设想:如果制造一座高射大炮，架在高山之上，炮弹平射出去，随着速度的增大，其弹着点不断伸远，在获得足够大的速度之后，它距地面越来越远，这时它受到的地球引力也就越来越小，可以飞到足够远的地方环绕地球作匀速圆周运动，而不会掉下来；如果速度再大，甚至会飞离地球轨道而进入宇宙空间漫游。三、影响卫星轨道的因素研究卫星轨道的基础：应用力学规律。卫星所受到的力：中心力，来源：假设地球为均质球体的引力（质量集中在球体的中心），结果：决定卫星运动的基本规律和特征，卫星运动：无摄运动，卫星轨道：理想轨道（无摄轨道）摄动力（非中心力），来源：地球非球型对称的作用力、太阳、月亮和其它天体力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力等，结果：卫星偏离理想轨道，卫星运动：受摄运动，卫星轨道：受摄轨道（偏移量的大小随时间变化）研究流程：研究卫星的无摄运动规律，描述卫星轨道的基本特征研究各种摄动力的影响，对卫星的无摄轨道修正确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征轨道改进：一种精密测定天体轨道的方法。这种方法以天体的某一初始轨道为依据﹐利用尽可能多的观测资料﹐逐次改进轨道要素﹐最后求出天体的精密轨道。摄动及摄动理论的应用：摄动：一个天体绕另一个天体沿二体问题的轨道运行时，因受到其他天体的吸引或其他因素的影响，天体的运动会偏离原来的轨道。这种偏离的现象称为摄动。摄动理论的应用：“笔头上发现的行星”：海王星在海王星和冥王星未发现之前，人们只知道有七大行星。其他行星的行走路线都与理论符合得挺好，唯独天王星，实际行走路线与理论不一致。当时，有两个不同国籍的青年英国剑桥大学数学系26岁的亚当斯和法国天文学家勒维叶，在经过艰深的演算后，分别都算出了这颗星的位置。人们根据他们计算的结果，真的从望远镜里找到了这颗遥远而暗弱的行星。它就是海王星。又过了差不多一百年，冥王星才在1930年被发现。四、卫星的无摄运动卫星的中心力：地球引力。根据牛顿万有引力定律，计算引力加速度。理想情况下的卫星运动是我们的首要研究对象，因为：1、它是卫星运动的一个近似描述；2、它是至今唯一能得到的严密分析解的运动；3、它是全部作用力下的卫星运动的更精确的解的基础。无摄运动——二体问题：，（G为引力常数；M为地球质量；m为卫星质量；r为卫星的地心向径）——————>在三个坐标轴上的分量：无摄运动解：卫星的平面方程：（卫星的轨道在一个平面上）卫星的轨道方程：（卫星的轨道为椭圆）开普勒方程：（卫星在轨道上的位置可以表达成时间的函数）开普勒方程：开普勒方程：五、开普勒轨道六参数开普勒轨道参数：描述卫星的轨道大小和方向以及卫星在轨道上的位置的参数。无摄运动下，可以用6个开普勒轨道参数唯一确定的描述任意时刻的卫星位置。轨道平面上的特殊点：近地点与远地点升交点与降交点：通常，卫星轨道与赤道平面有2个交点。当卫星从赤道平面以下（南半球）穿过赤道平面进入北半球的交点，称为升交点。反之，则称为降交点。开普勒轨道六参数：V─卫星的真近点角，即在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距—为开普勒椭圆的长半径es─轨道椭圆的偏心率Ω─升交点赤经，即在地球赤道平面上升交点与春分点之间的地心夹角，它是卫星由南向北运行时，其轨道通过赤道面的交点i─轨道倾角，即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角s─近地点角距，即在轨道平面上升交点与近地点之间的地心角距fs─卫星的真近点角，即在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距开普勒轨道根数(2)：决定轨道形状的参数：长半径a，偏心率e决定轨道方向的参数：升交点赤经Ω，轨道倾角i，近地点角距ω决定卫星位置的参数：真近点角（卫星过近地点的时刻）小结：一组六个轨道参数唯一能够确定卫星在空间中的位置。无摄运动条件下，除了V以外，理想的轨道参数是常数。任意时刻卫星在轨道上的位置V可以用开普勒方程计算出来。受摄运动条件下，轨道六参数随着时间变化。六、卫星的受摄运动卫星运动的摄动力：地球的非中心引力，太阳的引力和月球的引力，太阳的直接与间接辐射压力，太阳的阻力，地球的潮汐作用，磁力等卫星的受摄运动——在摄动力的影响下，卫星偏离理想轨道的运动地球的非中心引力——地球的非球性及其质量分布不均匀而引起的作用力太阳的辐射压力——与卫星、太阳、地球之间的相对位置有关，与卫星的反射特性，卫星的解面积质量比有关大气阻力——取决于大气密度，卫星的断面与质量比，卫星的速度磁力——（卫星在地球的磁场中运动产生的电磁力）摄动力对卫星的影响：摄动源加速度(m/sec2)轨道摄动(m)3小时弧段2日弧段地球的非对称性C20其它调和相2km5-8014km100-1500日、月点质影响5-1501000-3000地球潮汐位固体潮海洋潮汐____0.5-1.00.0-2.0太阳辐射压5-10100-800反照压__1.0-1.5受摄运动的研究：描述卫星运动的参数：卫星的轨道参数：参考时刻的位置和随着时间的变化率：星历的参考历元，：半长轴的平方根，：偏心率，：参考时刻的倾角：升交点赤经，：近地点角距，：平近点角，：轨道倾角变化率：星历表数据龄期时间二参数；开普勒六参数；轨道摄动九参数：升交点赤经变化率，：平均角速度的校正，：纬度幅角余弦的校正：纬度幅角正弦的校正，：轨道半径余弦的校正，：轨道半径正弦的校正：倾角余弦的校正，：倾角正弦的校正数据龄期：一般的星历是外推的第二节GPS卫星星历卫星星历——描述卫星运动轨道的信息。星历的分类：（1）预报星历——广播星历（2）后处理星历——精密星历1、广播星历/预报星历包含在卫星向地面发射的导航电文中；根据某一参考历元的观测资料向外推算的星历。卫星位置的计算（4.3）2、后处理星历后处理星历——用跟踪站的观测数据计算更准确的星历格式SP3;精度：优于5cmIGSInternationalGNSSService全球跟踪站：全球地心参考框架维护的机构，同时也是一个服务中心，IGS的全球跟踪站已达300个；其中包括我国的上海、武汉、拉萨、乌鲁木齐、北京、昆明和西安；IGS组织的服务：（1）高精度的GPS卫星星历；（2）地球自转参数；（3）IGS跟踪站的坐标和速率；（4）IGS跟踪站的时钟信息；（5）电离层数据；（6）对流层数据；（7）IGS跟踪站的GPS观测值。框架维护与全球板块运动分析第四章GPS卫星信号引言GPS信号概述：GPS信号——卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波调制：将频率较低的信号加载到频率较高的信号上信号的成分：考虑三个方面：1、为了提供卫星的瞬时位置——导航电文数据码：D码2、为了保密通信，提高信号的抗干扰能力；以及不同的卫星的区分选择和精密测距——伪随机码测距码：C/A码，P码3、为了信号的传播——将扩频后的编码脉冲对L波段的两个载波进行调制后发射载波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ)第一节导航电文一、导航电文导航电文——卫星通过无线电信号向地面发播的电文，是用户用来定位和导航的数据基础，即一组数据码。为了数字通信，导航电文以编码脉冲的形式播发。码，码元：码/编码：将某些信息（数字、字母、符号等）用若干位二进制代码表示,这些表达不同信息的二进制数及其组合叫做编码。码元：在二进制中，一位二进制数叫一个码元或一比特。二、导航电文的播发内容卫星的星历，卫星的工作状态，卫星的时钟改正，电离层时延改正，C/A码捕获P码，其它卫星的星历导航电文的播发格式：桢播发内容1、遥测码TLM--Telemetryword遥测码——每个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导第1~8bit为同步码（10001001）；第9~22bit为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它信息，以此指示用户是否选用该卫星；第23、24bit无意义；第25~30bit为奇偶检验码。2、转换码HOW--Handoverword转换码——向用户提供用于捕获P码的Z计数Z计数——它表示从每星期六/星期日午夜零时开始播发的导航电文的子桢数。知道Z计数，就知道观测时刻P码在周期中的准确位置，以此较快地捕获P码3、第一数据块第一子帧的第3--10个字码为第一数据块。它的主要内容是：(1)信号内部的时延改正值Tgd；(2)星期序号WN，GPS星期数;(3)卫星时钟改正系数(4)数据龄期AODC，时钟改正数的外推时间间隔；4、第二数据块第二和第三子帧共同构成第二数据块，它表示GPS卫星的星历。(1)开普勒6参数(2)轨道摄动9参数(3)时间2参数：星历参考时刻、星历数据龄期5、第三数据块第三数据块是由第4和第5两个子帧构成的，它提供GPS卫星的历书数据。当接收机捕获得某颗卫星后，利用第三数据块提供其它卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据。用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，而且还可根据所在的位置，选择最佳星座，依据已知的卫星PRN号进行设置，以快速捕获和定位。三、用户接收到的导航文件GPS接收机对导航电文进行解码，输出；可以通过随机软件将输出的接收机文件转换成ASCII格式的通用格式的RINEX文件ReceiverIndependentExchangeformat(RINEX)/igscb/data/format/rinex2.txt文件名称格式：[4-char][Dayofyear][Session].[yy]n

e.g.brdc0120.02nRINEX标准第二节GPS的信号（4.2）一、GPS的测距码1、伪随机噪声码伪随机噪声码——PRN码PseudoRandomNoiceCode什么是伪随机噪声码：以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声统计特性的二进制码，有一定周期的，取值0或1的二进制序列。码：表达不同信息的二进制数及其组合。在二进制中，一位二进制数叫一个码元或一比特。数码率：每秒钟传输的比特数，bit/s或记为BPS随机码：码元幅度的取值是完全无规律的码序列称为随机码序列，或随机噪声码序列。它是一种非周期序列，无法复制。伪随机噪声码（PseudoRandomNoice，PRN，伪随机码或伪码）：GPS采用伪随机噪声码。特点：具有随机码的良好自相关性，具有某种确定的编码规则，可以容易地复制。为什么利用伪随机噪声码测距：仙农“噪声通信理论”：可实现低信噪比的接收，可实现码分多址通信，具有良好的保密特性。信号的保密（调制和解调）：模二和算法:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0码分多址与频分多址PRN码的产生与码分多址M序列发生器:寄存器，反馈，时钟脉冲工作流程:1、置一脉冲2、时钟脉冲3、移位4、输出5、反馈2、伪随机噪声码的特点：统计特性“1”出现的次数比“0”出现的次数多一，“0”——，“1”——移位相加特性，111101011001000011110101100100100011110101100伪随机噪声码的特点：相关特性相关函数：描述两个序列的相似性程度连续离散通用计算方法自相关系数的大小：移位相加——M序列“1”出现的次数比“0”出现的次数多一两个序列中不同的码的个数，比相同的码的个数多一相关系数的大小？例，自相关系数：1110100111010011101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/71110100111010011101001110100R(t)=(3-4)/7=-1/7相关特性的应用：自相关性——错开了多少个码元——时间延迟3、伪随机噪声码测距：测量在传播时间内变化了多少个码元原理——利用接收机产生的复制码与卫星发播的伪随机码进行相关运算，通过测量相关函数最大值的位置来测定卫星信号的传播延迟，从而求得卫星至接收机的距离观测值。GPS测距：，单程测距测距仪测距：双程测距，上式除以24、GPS的测距码粗测码——C/A码，精测码——P码(1)、粗测码C/A码：由两个十级反馈移位寄存器产生C/A码的特性长度周期：频率：码元长度：时间周期：C/A码的特点：易于搜索和捕获；码长约为300km；一个码长293m，测量（比对）精度1%~10%。(2)、精测码P码的特性长度周期：码元长度：时间周期：频率：P码的特点周期长，码率高，不易于捕获；易于保密，难于破译；AS政策:P+W=Y；一个码长29.3m，测量（比对）精度1%~10%。能否理解：用测距码测距，就像用一个与对应码长长度相等的尺子丈量卫地距离？测量的精度与单个码元长度相关，就像尺子的最小刻度影响估读精度？二GPS的载波信号定义：可运载调制信号的高频振荡波。1、电磁波传播的基本概念电磁波是一种随时间t变化的正弦或余弦波。设电磁波初相角为0，角频率，振幅为Ae，则电磁波的数学表达式为y=Aesin(t+0)2、GPS的载波信号L1载波，频率：1575.42MHZ，波长：19cmL2载波，频率：1227.6MHZ，波长：24cm现代化后增加L5–频率：1176.45MHz；波长：25.48cm关于载波：GPS的载波是L波段的微波，具有良好的穿透大气的能力，从卫星的发射天线发出后沿直线传播到达地球表面，发射信号强度为26.8dBw，接收最低信号强度为-160dBw。常规GPS接收机可以进行正常接收的最弱信号为-160dBw，而经过稠密介质时信号强度大为衰减，例如在室内，GPS信号强度会衰减为-188dBw（比-158dBw弱1000倍），因而常规GPS接收机在室内因信号太弱而不能进行定位，在这种弱信号环境下，特殊的GPS接收机仍然可以工作，例如IndoorGPS。载波的作用是作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传播到地面；对于测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。三GPS信号的构成1、信号的生成由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz，卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频。2、GPS信号的调制调制是对信号进行处理，使其变为适合传输的形式的过程第一级的调制：第一级是导航电文调制到测距码；采用二进制编码序列“模二和”算法；调制结果是把数据码(导航电文)从50Hz扩展到1.023MHz(对于C/A码)。第二级的调制：第二级是测距码调制到载波，采用二进制信号“波形相乘”的算法，将导航电文与测距码合成后的二进制码调制到载波上。调相、调幅与调频L2信号：L2载波1227.6MHz;测距码：P码10.23MHz;导航电文50HzL1信号:L1载波1575.42MHz;测距码：C/A码1.023MHz;导航电文50Hz;测距码：P码10.23MHzGPS信号结构:L1信号——导航电文，C/A码，P码L2信号——导航电文，P码3、GPS信号的发展第三节GPS接收机GPS接收机——接收GPS卫星发射的信号，并进行处理和量测，以获取导航电文和必要的观测量。一、接收机的组成天线——接收信号；信号处理器——用于信号识别和处理；微处理器——用于接收机的控制，数据采集和导航计算；用户信息传输——包括操作板，显示板和数据存储器；精密振荡器——用以产生便准频率二、接收机的基本工作原理三、接收机的分类1、根据接收机的工作原理码相关型接收机——能够产生于所测卫星的测距码，结构完全相同的复制码，工作中通过逐步相移，是接收码与复制码达到最大相关；平方型接收机——利用载波信号的平方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号；混合型接收机——综合利用上述方法，同时获得码相位和精密的载波相位观测值；2、根据接收机信号通道的类型接收机的信号通道——GPS卫星发射的信号，经由天线进入接收机的路径。多通道接收机、序贯通道接收机、多路复用接收机3、根据接收卫星信号频率单频接收机、双频接收机（具体接收信号见笔记）4、根据接收机的用途导航型、测量型、授时型（具体接收信号见笔记）导航型接收机民用高精度接收机的发展基础美国的喷气动力实验室(JPL)P.MacDoran于1979年：->MacrometerInterferometricSurveyor(精密GPS接收机)美国国防制图局(DMA)、美国国家大地测量局(NGS)、美国地质调查局(USGS)的合作研究->TI-4100接收机NGS的大地测量学者C.Goad和B.Remondi研制了软件对这两种接收机的载波相位进行基线解算；1985年Trimble公司批量生产出了具有载波相位输出的GPS接收机Trimble4000S，其相应的基线处理软件则是由C.Goad进一步研制的。1990以后，GPS软硬件迅猛发展起来，向着小型化、低功耗、高采样率快速发展，相继出现了手持导航型、手表型、小型单、双频测量型、差分型、双星测量型、GIS数据采集型GPS接收机2000年以后GPS软件接收机技术、室内GPS接收机技术成为发展热点，将GPS接收机与手机集成在一起更是得到空前的关注，并形成了基于GPS定位服务的行业(LBS)，GPS将同手机通信一样，进入我们每一个人的生活。早期的GPS接收机：JPL于1982年的GPS接收机：接收机73kg，天线18kg1982年，TI4100GPS接收机，25kg,110W第五章GPS观测值信号——〉观测值：信号：导航电文、测距码、载波观测值：卫星坐标、伪距观测值、载波相位观测值GPS定位的观测值:距离利用测距码测距——伪距观测值利用载波相位测距——载波相位观测值一、伪距观测值GPS测距码：粗测码——C/A码；精测码——P码1、伪随机噪声码测距距离=速度*传播时间伪距测量：卫星和接收机同时产生PRN码卫星向地面发射，经传播时间达到接收机，时刻：t时刻，接收机卫地距离2、伪距观测方程问题：1、钟差2、整周3、折射（1）钟差问题标准时间：卫星时间：接收机时间：观测值：钟差影响：（2）整周对齐卫地距离是多少？C/A码长是多少?（3）大气折射伪距观测值：伪距观测方程（X,Y,Z为测站坐标，未知；未知；卫星坐标XS，YS，ZS已知；等式右边已知）伪距定位：空间后方交会，至少四颗卫星GPS定位原理：可以确定我们的位置在一个球面上可以确定我们的位置在两个球面相交的公共部分可以确定我们的位置在三个球面相交的公共部分可以确定我们的位置在四个球面相交的公共部分说明：四个距离=一个点，第四个距离是不必要的。但是，由于接收机时钟误差需要确定，增加了一个未知数，需要第四颗卫星。伪距的特点小结：无模糊测距、可以实现实时定位、精度低二、载波相位观测值定义——接收机接收的卫星载波信号和接收机产生的参考载波信号的相位差相位与距离的关系：问题一：整周模糊度载波在卫星到接收机间相位变化的整周数距离D=Nλ+Δλ（Δλ=不足整周波长，N=整周模糊度）载波相位测量：连续的载波相位测量类比伪距观测值：伪距观测值/观测方程：载波相位观测值：，载波相位观测方程：（X，Y，Z，，N未知）某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定位有几个观测值？有几个未知数？卫星的锁定：输出的观测值模糊度锁定卫星后，连续二次测量有几个观测值？有几个未知数？问题二：周跳周跳——由于卫星信号失锁而使载波相位差观测值中的整周计数发生突变。周跳的影响：如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪，则整周模糊度将保持不变，整周计数也将保持连续；但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号的连续跟踪时，在卫星信号重新被锁定后，将发生变化，而也不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。周跳探测与修复：周跳的影响：破坏了对卫星信号的连续观测解决：探测与修复高次差法、曲线拟和、卫星间求差、电离层延迟方法例：曲线拟合法根据n个相位观测值，拟和一个m阶的多项式，据此多项式预估下一个观测值，并与实测值比较，从而发现并修复周跳。载波相位观测值的特点：模糊测距，不可以实现实时定位，精度高，容易出现周跳问题，容易受误差影响，解算复杂多普勒频移计数：（卫星到测站的径向相对速度）（卫星到测站的距离）第六章GPS测量误差源一、为什么讲误差？GPS定位基础：卫星信号提供定位信息：卫星位置、卫地距离，接收机接收信号，获得观测值，进行定位误差影响定位精度：研究误差的目的：提高定位精度；为使用GPS提供一些注意事项；提出精密定位的方法二、误差误差的定义：在同一量的各观测值之间，或在各观测值与其理论上的应有值之间存在差异的现象。分类：误差的来源从观测过程进行分析仪器角度：测量仪器的精密度；观测者角度：观测者感觉器官的鉴别能力；外界条件：温度、湿度、大气折光分类：误差的性质系统误差(Systematicerrors)：误差在大小、符号上表现出系统性，或者在观测过程中按照一定的规律变化，或者为一常数。偶然误差(randomerrors)：如果误差在大小和符号上都表现出偶然性，即从单个误差看，该列误差的大小和符号没有规律粗差(grosserror)：错误不同误差的解决办法粗差的解决？尽量避免系统误差的解决？分析它对观测的影响规律，采取各种方法来消除系统误差，或者减小它对观测成果的影响。偶然误差的解决？进行多余观测，通过测量平差、数据处理理论，确定被认为是最可靠的结果。三、GPS定位中的误差根据误差的来源分析：与信号传播有关的误差：对流层折射、电离层折射、多路径效应与卫星有关的误差：星历误差、卫星钟差、相对论效应与接收机有关的误差：接收机钟差、位置误差、天线相位中心的偏差及变化、各通道间的信号延迟误差其它误差：地球潮汐（一）与信号传播有关的误差大气折射：也称大气延迟。指信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。色散与非色散介质色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同对GPS信号，电离层是色散介质，对流层是非色散介质1）电离层及其折射影响电离层：地球表面以上50km~1000km具有密度较高的带电粒子电离层影响：天顶方向50米；地平方向120米电子总量和电子密度：电子密度——单位体积中所包含的电子数电子总量——底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数电离层的影响：电离层的折射率与大气的电子密度成正比，而与通过的电磁波频率平方成反比。对于群波和相波影响不同电离层折射相折射率：相速度：载波群折射率：群速度：伪距电离层折射对测距观测值的影响：伪距：传播距离测量距离电离层延迟载波：影响和频率以及电子总