GPS原理教案设计

第一章绪论

第一节GPS卫星定位技术的发展

一、早期的卫星定位技术

卫星三角测量：

卫星作为空间动态观测目标。

1966年—1972年，美、英、德合作应用卫星三角测量，测量了具有45个测站的''全球

三角网”，点位精度约5米。

二、子午卫星导航系统的应用及其缺陷

1、卫星多普勒定位测量：

卫星作定向动态已知点，非几何测量，发信号测速。

2、(NAVYNAVIGATIONSATELLITESYSTEM)NNSS的建立

1958年12月，美国海军和HOPKINS大学联合研究了“美国海军导航卫星系统

——NNSS(NAVYNAVIGATIONSATELLITESYSTEM)»M由于卫星轨道通

过南北地极，故称为子午卫星导航系统。

1964年1月研制成功，用于北极星核潜艇的导航定位；军事导航定位。

1967年7月，美国政府批准，对其广播星历解密提供民用，定位技术迅速兴起。

作用：已知地面点坐标，测定多普勒频移，确定卫星运行轨道：己知卫星运行轨道，

测定多普勒频移，确定地面点坐标。

3、多普勒定位原理：

多普勒效应：当波源与接收器(观测者)作相对运动时，波源的发射频率与观测者

f.。*工

Jr-7.

接收频率之间成立关系：c-v^cos«

fr——接收频率；fs——发射频率；c——光速:

a——波源运动方向与波源到测站方向间的夹角；

v——波源运动速度。

测定多普勒频移，即可求出P：

P=，△于

JS

4、NNSS的优缺点

优点：

(1)经济、快速，不受天气和时间限制。采集2天数据，可得分米级精度的三维地心

坐标。

(2)实现了全球范围内的核潜艇、导航测量船、军民用舰船的全天候导航，以及海上

石油勘探、钻井定位、海底电缆铺设、海洋调查等方面的广泛定位。

缺点：

(1)子午卫星轨道高度低(1000km左右)，难以做到精确定轨。卫星沿经圈运动。

(2)子午卫星仅有六颗，数量少，无法实现全球的实时导航和定位。6颗卫星，

950-1200km轨道，107min«

(3)信号频率低，难以补偿电离层折射的影响。

(4)卫星沿经圈运动，精度与高程相关，只有在已知接收机高程的情况下，才能得到

经纬度的导航解。

在美洲大陆测定了500多个多普勒点，西欧测定了30多个多普勒点，中国测定了近百

个多普勒点，有全国多普勒网。

三、全球定位系统（GlobalPositionSystem）：

子午卫星导航系统的应用受到较大的限制，为突破局限性，实现全天候、全球性

和高精度的连续导航和定位--GPS卫星定位技术发展到一个辉煌的历史阶段。

在子午卫星的基础上，克服其缺点。因此，具有“多星、高轨、测距”体制。导

航解算需要多星，克服低轨缺点，保证多星。轨道高，覆盖范围大；高动态，瞬时解,

以测距代测速。

60年代末，提出计划：

美国海军：“Timation”计划，12-18颗卫星，全球网;

美国空军：“621-B”计划，3-4个星群，全球网。

1973年，国防部联合计划局（包括美国陆海空军、制图、交通、北大西洋）

正式开始了GPS的研究和论证。

1973年12月，美国国防部（DOD）批准建立GPS卫星全球导航定位系统

（NAVSTAR/GPS）,即：测时、测距/全球定位系统，计划投资300亿美元（实际花费

130亿美元，管理有方）。

计划分三阶段实施：

（1）第一阶段——原理与可行性（方案论证和初步设计阶段）

由1973年开始至1978年2月22日第一颗试验卫星发射成功。

1973-1979年，共发射4颗试验卫星，结果令人满意。

（2）第二阶段——系统全面研制与试验阶段

由1979年开始至1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功。

1979-1984年，发射了7颗试验卫星，BlockI卫星（11颗）。

定位精度远远超过设计精度。粗码定位精度为14米。

（3）第三阶段——最后工程完成与发展（实用组网阶段）

1989年,工作卫星发射,BlockIIsBlockIIA（军事应用功能）。

1993年，GPS网基本建成。

DOD于1995年4月27日宣布:“GPS系统已具备全部运作能力（FOC）”。

至此，整个历时23年、耗资130亿美元的GPS计划宣告完成。

GPS的设计目标：实现全球、全天候、高精度的授时、导航和定位。

四、GLONASS：

前苏联于1982年10月开始研究，计划1995年前建成。

GLONASS工作卫星星座：24颗卫星，其中21颗为工作卫星，3颗备用卫星，均

匀分布在3个轨道上，轨道平面倾角64.8度；

卫星高度：19100公里；

运行周期：11小时15分；

信号频率：1600MHz,1200MHz。

1990年12月8日至1994年8月11日，共发射9颗GLONASS卫星；1994年11

月20日开始发射三个一组的GLONASS卫星。97年全部完工，现已投入使用。

五、Galileo：

Galileo计划设计为支持各种领域广泛应用，包括实时导航、位置基准、安全和应急跟

踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要。

Galileo系统在技术构态上将以30颗MEO轨道卫星为核心星座，其空间信号等效于GPS

Block-nF卫星上的信号，具有在L频段上和GPS兼容的多频体制，在无增强下可以达到

10米精度。

（1）Galileo系统的管理

Galileo系统由欧盟、欧洲空间局及一些民营公司共同管理运营。

Galileo系统是欧洲独立经营的全民用卫星导航系统，它平行于GPS与GPS兼容，建成

后将能取代或超过GLONASS的力量，打破美国一统全球定位、导航、定时的垄断地位的局面。

（2）Galileo系统服务的精度指标及其服务领域

1）公开服务（免费）：15-20米（单频）、5-10米（双频）

2）商业服务：5-10米（全球，双频）、1-10米（局部）

3）公共事业服务：4-6米（全球，双频）、1米（局部）

Galileo计划设计为支持各种领域广泛应用，包括实时导航、位置基准、安全和应急跟

踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要。

（3）Galileo系统建设的时间表

1）第一阶段（1999-2001）：定义Galileo系统的框架，制定发展计划;

2）第二阶段（2001-2005）：发展阶段；

3）第三阶段（2006-2007）：实施阶段，进行卫星的研制、卫星的发射及地面设施建设；

4）第四阶段（2008-2020）：运行应用阶段。

（4）目前的状况

1999年2月10S,欧洲委员会（EC）公布了筹划Galileo系统的消息。

欧洲委员会（EC）指定了一个欧洲工业财团称之为“GalileoIndustries”负责总体结构项

目（GALA）。

欧洲航天局（ESA）负责空间段项目（GalileoSat）,并自筹研究资金。

欧洲工业界自筹组成一个欧洲卫星导航设备和服务工业组织（OREGIN）,配合Galileo

计划提供技术资源和市场策略，支持用户设备和服务供应上的标准化和取证程序，由37家

公司参加。

2001年2月，欧盟（EU）的部长级会议明确EC负责项目的总协调，欧洲航天局（ESA）

负责和保障系统的技术集成。尽快发动承包和引资入伙工作，在2001年11月提出招标程序。

（5）比较

Galileo系统是欧洲独立经营的全民用卫星导航系统，它平行于GPS与GPS兼容，建

成后将能取代或超过GLONASS的力量，打破美国一统全球定位、导航、定时的垄断地位

局面。

第二节GPS定位系统的组成

GPS系统的组成

全称：授时与测距导航系统/全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging/Global

PositioningSystem-NAVSTAR/GPS）o包括下列三大部分：

GPS工作卫星星座——空间部分；

地面监控系统——地面控制部分；

GPS接收机——用户设备部分。

一、空间部分——GPS工作卫星星座

1、GPS卫星星座的构成与现状

21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上（每个轨道上有4颗卫星）。在地面

上可见卫星数随地点、时间而变，最少4颗，最多11颗。

轨道倾角；55度；轨道高度：20186.8公里（平均高度约为20200公里）；

运行周期：11小时58分（恒星时）（每颗每天约有5个小时在地平线上）；轨道间距：

60度；

同一轨道平面内各卫星的升交角距：90度；

为解算测站的三维坐标，至少同时观测4颗卫星——定位卫星，而4颗卫星在观测过程中的

位置分布——卫星的几何结构的优劣对定位精度有较大的影响，有时甚至无法达到定位精

度。

第一代卫星（BLOCKI型），第7颗发射失败，未能入轨；第1、2、5颗虽入轨运行，但不

能服务于导航，仅7颗GPS试验卫星能够正常飞行。

截止1992年11月1日，只有4颗试验卫星仍能正常工作，3颗（PRN6、8、9）不能发射

正常GPS信号。

第二代卫星，发射了10颗，寿命为7.5年。

发射信号：（1）LI载波：频率为1575.42MHz,其上调制测距码信号（C/A码，Coarse

andAccess,粗捕获码：P码，Precision,精码，捕获不到，可以保密）；

（2）L2载波：频率为1227.60MHz,其上调制P码。

2、GPS卫星:

（1）（1）BlockI——试验卫星；

（2）（2）BlockII、BlockIIA——工作卫星；

电源——两块四叶太阳能电池叶板（每块面积7.2平方米）；

重量---在轨重量843.68公斤；

时钟——配备两台翎原子钟和两台葩原子钟（稳定度达I。一12s与10*5）。

3、GPS卫星的作用：

（1）向广大用户连续不断地发送导航定位信号（GPS信号）；并用导航电文报告自己的位

置及其他卫星的概略位置。

（2）飞越注入站上空时，接收并存储地面注入站发射的导航电文和其他信息并把这些信息

转换成GPS信号，再发送给用户；

（3）接收主控站的调度命令；接收并执行监控站的控制指令，纠正飞行偏差，应用备用

钟；

（4）提供高精度的时间标准。

二、地面控制部分——地面监控系统

主控站：设在ColoradoSprings联合空间执行中心（SOC）；

注入站：分别设在南大西洋的Ascension，印度洋的DiegGercia,南太平洋的Kwajalein。

监测站：以上四个站同时是监测站，再加上Howaii。

GPS卫星是一种动态已知点，依据卫星发送的星历算得的。

卫星星历——一系列描述卫星运动及其轨道的参数。

地面监控系统的作用：

（1）（1）主控站——协调管理所有地面监控系统

主要任务：

①数据处理并将结果传输给注入站：

A、计算卫星星历（广播星历和精密星历）；

B、计算卫星钟差改正数；

C、计算大气层改正数（对流层和电离层）。

②提供时间基准：各个监测站和卫星上的原子钟，均应和主控站原子钟保持同步；

测定各个原子钟的钟差，并将钟差信息编写入导航电文（D码），送到注入站。

③调整偏离轨道的卫星，使其沿指定的轨道运行。

④启用备用卫星来代替失效的卫星。

（2）注入站——将主控站推算的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入相应

卫星的存储系统，并监测注入信号的正确性。

（3）监测站——主控站控制下的数据采集中心，连续接收卫星信号。

双频GPS接收机连续接收、记录GPS卫星信号；

高精度的原子钟；

环境传感器收集当地气象信息；

计算机进行数据处理并传输到主控站。

监测站——主控站——注入站（每天3次，每次14天，但越往后精度越差）。

国际GPS服务网。

三、用户设备部分——GPS接收机

1、GPS接收机的组成：

（1）天线——接收GPS卫星信号，滤波、放大；

（2）主机——对GPS信号进行“解码”，计算卫星位置，计算站星间的“伪距”

（包含钟差改正数），解算出测站坐标（WGS-84坐标系）。

（3）输入/输出系统——操作键盘，显示器，通讯接口，记录器。

2、GPS接收机的分类：

（1）静态定位接收机：

导航型、测地型、授时型；

袖珍式、背负式、车载式、船用式、机载式、弹载式、星载式。

（2）动态定位接收机：天线部分、接收部分；单频、双频。

3、被动式卫星导航系统：

发送和接收测距信号分别居于两个不同地方的测距原理——被动测距原理。

发射设备所发射的测距信号经过反射器的反射或转发，又返回到发送点，为其接收设备

所接收，进而测得测距信号所经历的距离。

发送和接收测距信号位居于同一个地方的测距原理——主动测距原理。

四、GPS卫星定位原理

卫星位置作为动态已知点，其坐标为：Xs>Ys、Zs；

求地面点的位置：Xg、Yg、Zg；

卫星与地面点的距离S：

C*T=S=—XgY+（心一立尸+⑦-Zg）?

卫星：TsT=T，

接收机：TsT=T*

（Tg-T+与—与）*C=-Xg）2+（Kv-Yg）2+（Zs-Zg）2。

T-r+与）=Q（Xs-3）2+（Ys-必）2+（Zs-Zg）2）心,

每次观测时，至少同时观测4颗卫星，得四个观测方程，则可解出四个未知数，即可

求出测站点位。

第三节GPS在国民经济建设中的应用

一、特点

GPS的特点和优点：

（1）全球地面连续覆盖，卫星数目多且分布合理，在地球上任何地方可连续同步观测到至

少4颗卫星。保障了全球、全天候连续实时导航与定位.

（2）功能多、精度高，连续提供动态目标的三维位置信息、三维速度和时间信息。

单点实时定位精度：5-10米（精码）；

静态定位精度：10的负6次方至10的负7次方；

测速：0.7m/s；测时：10纳秒。

（3）实时定位速度快，1秒即可完成定位。

（4）抗干扰性能好，保密性强。

对于大地测量的优越性：

（1）作业灵活，操作简便。

体现于：无需站间通视；与地面点的几何图形无关（传统的测量均需要考虑，造成困难），

选点、作业时间灵活、方便；仪器自动化程度高，大大减少了野外作业时间和劳动强度。

（2）定位精度高。第三代卫星，采集数据时间为几毫秒，定位精度为1mm；几百公里的边

长，可达到厘米级的精度。

（3）观测时间短，经济效益高。传统的方法建立控制点，造标、埋石占到70%以上的费用。

GPS则不必造标，作业时间短，1-3小时，节省了大量的外业作业费用。

（4）全天候作业，可以在任何地点、任何时间、任何天气下连续作业。

二、GPS系统的应用前景

1、GPS系统用途广泛

2、多元化空间资源环境的出现

3、发展GPS产业

4、GPS的应用将进入人们的日常生活

三、我国的GPS定位技术应用和发展情况

第二章坐标系统与时间系统

第一节天球坐标系与地球坐标系

天球坐标系：在空间固定的坐标系，该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

地球坐标系：与地球体相固联的坐标系，考虑到地球自转影响的坐标系

一、天球坐标系

1、与天球有关的基本概念

天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。

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。

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

时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。

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。

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Iln称北

黄极，靠近南天极的交点ns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Y。

岁差：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，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。

章动：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，轨迹大致

为椭圆。这种现象称为章动。

2、天球坐标系

天球空间直角坐标系的定义：原点位于地球的质心，z轴指向天球的北极Pn,x轴指向

春分点Y，y轴与x、z轴构成右手坐标系。

天球球面坐标系的定义：原点位于地球的质心，赤经a为含天轴和春分点的天球子午面

与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬5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。

两者的相互转换,/2,2,2

/r--xiAr~ry十/

Xcosbcosaa=arctg—x

cosbsina

y=r,z

o=arctg-丁一.

Zsin54^7

在太阳和其它行星引力的影响下，月球的运行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）。

而在天球上，围绕着北黄极作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。

3、协议天球坐标系的定义

由于岁差和章动的影响，瞬时天球坐标系的坐标轴指向不断变化，在这种非惯性坐标系

统中，不能直接根据牛顿力学定律研究卫星的运动规律。为建立一个与惯性坐标系相接近的

坐标系，通常选择某一时刻t0作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和

地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时岁差和章动改正后，作为z轴和x轴，由此构成的空

固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系

（ConventionalInertialSystem-CIS）

二、地球坐标系统

1、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

间而变化的现象称为极移。

2、地球坐标系

地心空间直角坐标系的定义: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E,y轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。

地心大地坐标系的定义: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，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。

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。

三、天球坐标系与地球坐标系的转换

第二节WGS-84坐标系和我国的大地坐标系

一、WGS-84大地坐标系

在全球定位系统中，为了确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置通常应化算到

统一的地球坐标系统。

在GPS试验阶段，卫星瞬间位置的计算采用了1972年世界大地坐标系（WorldGeodetic

System——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WGS属于协议地球坐标系CTS,WGS可看成CTS的近似系统。

二、国家大地坐标系

1、旋转椭球与参心坐标系

水准面：在地球重力场中，当水处于静止时的表面必定与重力方向（即铅垂线方向）处处

正交。我们称这个与铅垂线正交的静止水平面为水准面。

大地水准面：假设海水面处于静止平衡状况，并将它一直沿伸到地球陆地内部形成一个

闭合的水准面，用来表示地球的形状，我们将这个水准面称为大地水准面。

大地水准面是对地球的物理逼近，它可以较真实地反映地球的形状，但是地壳内部物质

密度分布的不均匀，造成地面各点重力大小和方向不同，因此，与铅垂线处处正交的大地水

准面是起伏不平的，因而它也很难以用简单的数学模型描述。要用它作为各种地面测量数据

的计算基准面比较困难，必须寻找一个简单的适合测量计算的基准面。

大地水准面相当接近于一个规则的具有微小扁率的数学曲面——旋转椭球。旋转椭球可

用两个几何参数确定，即为椭球的长半径a和扁率f。这两个参数解决了椭球的形状和大小。

为了将地面测量数据归算到椭球面上，仅仅知道它的形状和大小是不够的，还必须确定

它与大地水准面的相关位置，也就是所谓的椭球定位和定向。另外，为了从几何特性和物理

特性两个方面来研究全球的形状，则还要使椭球与全球大地水准面结合最为密切。

现代大地测量中，采用四个参数来描述椭球的几何和物理特性。这四个参数是：

（1）椭球的长半径a（解方程，用弧度测量的传统方法求出）。

（2）地球重力场二阶带谐系数J2（J2与扁率存在一定解析

关系）（卫星大地测量与卫星激光测距求出）。

(3)地心引力常数与地球质量的乘积GM(卫星大地测量解算)。

(4)地球自转角速度3(天文观测求出)。

地心坐标系，就是一个将椭球中心与地球质心重合，且与全球大地水准面最为密合的旋

转椭球。为了研究局部球面的形状，且使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小，各个

国家和地区分别选择和某一局部区域的大地水准面最为密合的椭球建立坐标系。这样选定和

建立的椭球称为参考椭球，对应的坐标系称为参心坐标系。显然，该坐标系的中心一般和地

球质心不一致，所以参心坐标系又称为非地心坐标系、局部坐标系或相对坐标系，由于参心

坐标系处理局部区域数据带来的变形较小，所以，参心坐标系至今对大地测量仍有重要作用。

同样，参心坐标系可分为参心空间直角坐标系和参心大地坐标系。

参心空间直角坐标系参心空间直角坐标系是：

(1)以参心0为坐标原点；

(2)Z轴与参考椭球的短轴(旋转轴)相重合；

(3)X轴与起始子午面和赤道的交线重合；

(4)Y轴在赤道面上与X轴垂直，构成右手直角坐标系O-XYZ。

地面点P的点位用(X,Y,Z)表示。

参心大地坐标系

参心大地坐标系是以参考椭球的中心为坐标原点，椭球的短轴与参考椭球旋转轴重合。

大地纬度B—以过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角为大地纬度B；

大地经度L—以过地面点的椭球子午面与起始子午面之间的夹角为大地经度L；

大地高H—地面点沿椭球法线至椭球面的距离为大地高H(如图)。

地面点的点位用(B,L,H)表示。

确定参考椭球是建立参心坐标系的主要依据。通常包括确定参考椭球的形状和大小，确

定它的空间位置(参考椭球的定位与定向)，以及确定大地原点T的大地纬度BT、大地经度

LT及它至一相邻点的大地方位角AT,

参考椭球的定位和定向是通过确定大地原点的大地经纬度、大地高和大地方位角来实现

的，参考椭球一般采用“双平行”定向条件，即要求椭球的短轴与地球某一历元的自转轴平

行，起始大地子午面与起始天文子午面平行。

2、P54北京和C80西安国家坐标系

(])1954年北京坐标系

1954北京/京采日》前苏联的克拉索夫斯基椭球体，其椭球参数是：

长半轴a为6378245m,扁率f为1/298.3,其原点为原苏联的普尔科沃。

1954年北京坐标系虽然是苏联1942年坐标系的延伸，但也还不能说它们完全相同。因

为该椭球的高程异常是以苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据，按我国天文水

准路线推算而得。而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。

1954年北京坐标系建立之后，在这个系统上，30多年来，我国用该坐标系统完成了

大量的测绘工作，获得了许多的测绘成果，在国家经济建设和国防建设的各个领域中发挥了

巨大作用。

但是，随着科学技术的发展，这个坐标系的先天弱点也显得越来越突出，难以适应现代

科学研究、经济建设和国防尖端技术的需要，它的缺点主要表现在：

①克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数相比，误差较大，长半径约大105〜

109m,这不仅对研究地球几何形状有影响，特别是该椭球参数只有两个几何参数，不包含

表示物理特性的参数，不能满足现今理论研究和实际工作的需要，对于发展空间技术也带来

诸多不便。

②椭球定向不明确，即不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极,

椭球定位实际上采用了前苏联的普尔科沃定位，该定位椭球面与我国的大地水准面呈系统性

倾斜。东部高程异常达60余米。而我国东部地势平坦、经济发达，要求椭球面与大地水准

面有较好的密合，但实际情况与此相反。

③该坐标系统的大地点坐标是经局部平差逐次得到的，全国天文大地控制点坐标值实

际上连不成一个统一的整体。不同区域的接合部之间存在较大隙距，同一点在不同区的坐标

值相差1〜2m,不同区域的尺度差异也很大。而且坐标传递是从东北至西北西南，前一区的

最弱点即为后一区的坐标起算点，因而坐标积累误差明显，这对于发展我国空间技术、国防

建设和国家大规模经济建设不利，因此有必要建立新的大地坐标系统。

(2)1980年西安坐标系

1978年，我国决定建立新的国家大地坐标系统，并且在新的大地坐标系统中进行全国

天文大地网的整体平差，这个坐标系统定名为1980年西安大地坐标系统。

1980年西安坐标系的大地原点设在我国的中部，处于陕西泾阳永乐镇，椭球参数采用

1975年国际大地测量与地球物理联合会推荐值，它们为：

椭球长半径a=6378140m；

重力场二阶带球谐系数J2=1.08263X10-3；

地心引力常数GM=3.986005X1014m3/s;

地球自转角速度«-7.292115X10-5rad/s,,

因而可得80椭球两个最常用凡何参数为:a=6378140m；

f=1/298.257。

椭球定位按我国范围高程异常值平方和最小为原则求解参数。椭球的短轴平行于由地球

质心指向1968.0地极原点(JYD)的方向，起始大地子午面平行于格林尼治天文台子午面。长

度基准与国际统一长度基准一致。高程基准以青岛验潮站1956年黄海平均海水面为高程起

算基准，水准原点高出黄海平均海水面72.289m。

1980年西安大地坐标系建立后，利用该坐标进行了全国天文大地网平差，提供全国统

一的、精度较高的1980年国家大地点坐标，据分析，它完全可以满足1/5000测图的需要。

(3)新1954年北京坐标系

由于1980年西安坐标系与1954年北京坐标系的椭球参数和定位均不同，因而大地控制

点在两坐标系中的坐标存在较大差异，最大的达100m以上，这将引起成果换算的不便和地

形图图廓和方格线位置的变化，且已有的测绘成果大部分是1954年北京坐标系下的。所以，

作为过渡，产生了所谓的新1954年北京坐标系。

新1954年北京坐标系是通过将1980年西安坐标系的三个定位参数平移至克拉索夫斯基

椭球中心，长半径与扁率仍取克拉索夫斯基椭球几何参数。而定位与1980年大地坐标系相

同(即大地原点相同)，定向也与1980椭球相同。因此，新1954年北京坐标系的精度和198()

年坐标系精度相同，而坐标值与旧1954年北京坐标系的坐标接近。

(4)地方独立坐标系

在我国许多城市测量与工程测量中，若直接采用国家坐标系，则可能会由于远离中央子

午线，或由于测区平均高程较大，而导致长度投影变形较大，难以满足工程上或实用上的精

度要求。另一方面，对于一些特殊的测量，如大桥施工测量、水利水坝测量、滑坡变形监测

等，采用国家坐标系在实用中也会很不方便。因此，基于限制变形，以及方便实用、科学的

目的，在许多城市和工程测量中，常常会建立适合本地区的地方独立坐标系。

建立地方独立坐标系，实际上就是通过一些元素的确定来决定地方参考椭球与投影面。

地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球，该椭球的中心、轴向和扁率

与国家参考椭球相同，其椭球半径a1增大为：al=a+Aa1,Aal=Hm+C0式中：Hm

为当地平均海拔高程，C0为该地区的平均高程异常\

而地方投影面的确定中，选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线。

以某个特定方便使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位，并选取当地平均高程

面Hm为投影面。

第三节GPS定位测量中的坐标转换

不同的测量成果均对应于各自的坐标系。GPS定位结果属于协议地球地心坐标系，即

WGS-84坐标系，且通常以空间直角坐标(X,Y,Z)s或以椭球大地坐标(B,L,

H)s的形式给出。而实用的常规地面测量成果或是属于国家的参心大地坐标

系，或是属于地方独立坐标系。因此必须实现GPS成果的坐标系的转换。

另外，GPS相对定位所求得的GPS基线向量通常是以WGS-84坐标差的形式表示，对于这

种特殊的坐标表示形式，应考虑其相应的转换模型。

Ax°JX.'

匕＞=Ay+（1+氏）%+一£二04YG

ZDAz_ZG_4-砥0_ZQ_

为了与传统测量成果一致，常将GPS成果投影到平面，形成GPS二维坐标系成果，因

此还应考虑二维坐标转换。

第四节时间系统

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:

・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，即在任何地方和时间，都可通过观察和实验，复现这种周

期性运动。

一、世界时

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、

平太阳时和世界时。

1、恒星时

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，含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。

2、平太阳时(MeanSolarTime-----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。

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，常称为地方平太阳时或地方平时。

3、世界时(UniversalTime——UT)

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。1956年以前，秒被定义为一个平太

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。由于自转的不稳定性，

在UT中加入极移改正得UT1。加入地球自转角速度的季节改正得UT2。虽然经过改正，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不是一个严格均匀

的时间系统。在GPS测量中，主要用于天球坐标系和地球坐标系之间的转换计算。

二、原子时(AtomicTime------AT)

原子时秒长的定义；位于海平面上的的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。原子时秒为国际制秒(SI)的时间

单位。

原子时的原点为AT=UT2-0.0039s

不同的地方原子时之间存在差异，为此，国际上大约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，称为国际原子时(InternationalAtomicTime------IAT)

三、力学时(DynamicTime-----DT)

根据描述运动方程所对应的参考点不同，力学时分为：

・太阳系质心力学时(BarycentricDynamicTime---TDB)是相对于太阳系质心的运动方程

所采用的时间参数。

•地球质心力学时(TerrestrialDynamicTime—TDT)是相对于地球质心的运动方程所采用的

时间参数。

TDT的基本单位是国际制秒(SI),与原子时的尺度一致。国际天文学联合会(IAU)决

定，1977年1月1日原子时(IAT)零时与地球质心力学时的严格关系如下：

TDT=IAT+32.184S

若以AT表示地球质心力学时TDT与世界时UT1之间的时差，则可得：

AT=TDT-UT1=IAT-UT1+32.184S

四、协调世界时(CoordinateuniversalTime------UTC)

在进行大地天文测量、天文导航和空间飞行器的跟踪定位时，仍然需要以地球自转为基

础的世界时。但由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近20年，世界时每年比原子时慢约

1秒，且两者之差逐年积累。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一种折衷时间系统，称为世

界协调时或协调时。

采用润秒或跳秒的方法，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润秒(正或负)。一般在12月31日或6月30日末加

入，具体日期由国际地球自转服务组织(IERS)安排并通告。

协调时与国际原子时的关系定义为：

IAT=UTC+1Sxn

n为调整参数，由IERS发布。

五、GPS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,

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+ISxn-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。

时间系统关系图

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历

第一节概述

一、卫星轨道在GPS定位中的意义

卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。由于

利用GPS进行导航和测量时，卫星作为位置已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫

星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响

将会减弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。此外，为了制订GPS

测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。

二、影响卫星轨道的因素及其研究方法

卫星在空间绕地球运行时，除了受地球重力场的引力作用外，还受到太阳、月亮和其它

天体的引力影响，以及太阳光压、大气阻力和地球潮汐力等因素影响。卫星实际运行轨道十

分复杂，难以用简单而精确的数学模型加以描述。

为了研究工作和实际应用的方便，通常把作用于卫星上的各种力按其影响的大小分为

两类：一类是假设地球为均质球体的引力（质量集中于球体的中心），称为中心力，决定着

卫星运动的基本规律和特征，由此决定的卫星轨道，可视为理想轨道，是分析卫星实际轨道

的基础。另一类是摄动力或非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、

光辐射压力以及地球潮汐力等。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨

道，同时偏离量的大小也随时间而改变。

无摄运动：卫星仅受地球中心引力作用下的运动

受摄运动：在摄动力的作用下的卫星运动

第二节卫星的无摄运动

一、开普勒运动三定律

1、开普勒运动第一定律

卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。

此定律阐明了卫星运行轨道的基本形态及其与地心的关系。由万有引力定律可得卫星绕

地球质心运动的轨道方程。

.4(1-3)

l+e,cos£

r为卫星的地心距离，as为开普勒椭圆的长半径，es为开普勒椭圆的偏心率；fs为真近点

角，它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置，是时间的

2、开普勒第二定律：

卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。

表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最大，在远地点处速度

最小

3、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，等于GM

的倒数。

T；4」

假设卫星运动的平均角速度为n,则n=26Ts,可得

\V7

当开普勒椭圆的长半径确定后，卫星运行的平均角速度也随之确定，且保持不变。

二、无摄运动的描述

1、a轨道的长半径

es轨道椭圆偏心率

这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。

2、升交点赤经C：即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。

轨道面倾角i：即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。

这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。

3、3s为近地点角距：即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭

圆在轨道平面上的定向。

4、fs为卫星的真近点角：即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函

数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。

由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系，广泛用于描述卫星运动。

三、真近点角fs的计算

在描述卫星无摄运动的6个开普勒轨道参数中，只有真近点角是时间的函数，其余均为

常数。故卫星瞬间位置的计算，关键在于计算真近点角。

为了计算真近点角，引入两个辅助参数

Es—偏近点角和Ms—平近点角。

Ms—是一个假设量，当卫星运动的平均角速度为n,则Ms=n(t-tO),10为卫星过

近地点的时刻，t为观测卫星时刻。

平近点角与偏近点角间存在如下关系：

Es=Ms+essinEso

由此可得真近点角cosE-e

cosf=-------——

l-qcosE,

第三章卫星的受摄运动

受摄运动：受太阳引力、月亮引力、地球潮汐、光辐射等的影响下卫星的运动。

改正值：9个改正参数。

考虑摄动力的GPS卫星轨道参数：

(1)kepler正常轨道6参数：，e,i(S),C(b)，co,M(t0)(相当于时间参

数T)。

(2)轨道摄动9参数：

An—平近点角速度改正数;—升交点赤径变化率;

一轨道倾角变化率；

Cus、Cue—升交角距的正余弦调和改正项振幅（切向）；

Crs、Crc—卫星地心距的正余弦调和改正项振幅（径向）；

Cis、Cie—轨道倾角的正余弦调和改正项振幅（垂直方向）。

（3）时间2参数：力—参考时刻；AODE—星历数据龄期。

第四章GPS卫星星历

卫星星历：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。

根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。GPS卫星星历分为预报星历和后

处理星历。

一、预报星历

预报星历是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，也称广播星历，包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动项改正

参数。参考历元的卫星开普勒轨道参数称为参考星历（或密切轨道参数），是根据GPS监测

站约1周的监测资料推算的。参考星历只代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数（或密切轨道

参数）。在摄动力的影响下，卫星的实际轨道将偏离其参考轨道。

为了保证卫星预报星历的必要精度,一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法。为此,

GPS跟踪站每天利用观测资料，更新用以确定

卫星参考星历的数据，计算每天卫星轨道参数的更新值，每天按时将其注入相应的卫

星并存储。据此GPS卫星发播的广播星历每小时更新一次。

如果将计算参考星历的参考历元toe选在两次更新星历的中央时刻，则外推时间间隔最

大不会超过0.5小时，从而可以在采用同样摄动力模型的情况下，有效地保持外推轨道参数

的精度。预报星历的精度，目前一般估计为20-40m。

GPS用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共16个，其中包括1个参考

时刻，6个相应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。

导航电文中的星历参数

tOe-----参考历元

M0——参考时刻的平近点角

es------轨道偏心率

as1/2——轨道长半径的平方根

Q0——参考时刻的升交点赤经

i0——参考时刻的轨道倾角

3s------近地点角距

・升交点赤经变化率

轨道倾角变化率

An由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之

差。

Cue,Cus——升交距角的余弦、正弦调和改正项振幅

Crc,Crs——卫星地心距的余弦、正弦调和改正项振幅：

Cie,Cis—轨道倾角的余弦正弦调和改正项振幅

AODE——星历数据的龄期（外推星历的外推时间间隔）

aO——卫星钟差

al——卫星钟速（频率偏差系数）

a2——卫星钟速变化率（漂移系数）

二、后处理星历

卫星的预报星历是用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨

道摄动项改正而外推的星历。用户在观测时可以通过导航电文实时得到，对导航和实时定位

十分重要。但对精密定位服务则难以满足精度要求。

后处理星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用

与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户

观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。

后处理星历一般不通过卫星的无线电信号向用户传递，而是通过磁盘、电视、电传、卫星通

讯等方式有偿地为所需要的用户服务。

建立和维持一个独立的跟踪系统来精密测定GPS卫星的轨道，技术复杂，投资大，因

此，利用GPS预报星历进行精密定位工作仍是目前一个重要的研究和开发领域。

第四章GPS导航电文、卫星信号

第一节GPS卫星的导航电文

一、导航电文

1、导航电文的概念

导航电文也称数据码（D码、卫星电文），是用户用来定位和导航的数据基础，由卫星星历、

卫星工作状态、时间系统、卫星钟的运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码

搜索P码的信息等组成。是GPS定位的数据基础，是以二进制码的形式，按帧发送的。

2、电文的格式

卫星电文是以二进制码的形式，按帧发送的。每帧电文包含5个子帧，其中1,2,3

子帧的内容每小时更新一次，而子帧4和子帧5的内容又各分为25页，每帧电文里的子帧

4和5只取其中一页，25帧为一个子帧，发送的时间为12.5min。

,4。，一个子帧6秒长度，10个字,号个字30比特

子顿号H--------------------------------------------------------------

TLWHOW数据块一I时钟修正•敷

TLWHOW敷据块n・历表

3TLWHOW数据块一H星历衰继域I干秒

卜----比特

4TLWHOW」据块一ILER里历书等

5TLWHOW数据块一1口卫■历书等

图各帧导航电文的内容

3、电文fj内容

(1)遥测码(TLW—TelemetryWord)

遥测码位于各子帧开头，其中所含的同步信号为各子帧提供一个同步起点，

便于用户从此起点译出电文

(2)转换码(HOW—HandOverWord)

转换码紧接着遥测码，提供如何由C