《GPS定位与导航》全套教学课件

2024/10/20

《GPS定位与导航》01_卫星导航定位技术发展02_卫星定位与导航技术特点及应用03_卫星定位与导航系统组成04_协议天球、地球坐标系05_卫星定位坐标系及转换06_卫星导航定位时间系统07_卫星运动08_卫星星历09_卫星坐标计算10_GNSS信号与特点11_GPS卫星导航电文12_绝对定位原理13_相对定位原理14_差分测量原理15_整周未知数确定与周跳修复16_卫星导航原理17_卫星有关误差18_卫星信号传播有关误差19_接收机有关的误差20_GNSS控制网技术设计21_GNSS测量技术设计22_技术设计书编写23_GNSS接收机24_GNSS定位模式25_GNSS数据采集与导航26_基线向量解算27_GNSS网平差28_GNSS高程全套可编辑PPT课件2024/10/20

《GPS定位与导航》第一章绪论卫星导航定位技术概念卫星导航定位技术发展2024/10/20专业关键技术伴随着新世纪诞生，具有强烈时代感和开拓性的特色学科GlobalPositioningSystem(GPS)

RemoteSensing(RS)“3S”技术支撑GeographicInformtionSystem(GIS)伴随着新世纪诞生，具有强烈时代感和开拓性的特色专业2024/10/20[3Ｓ技术：数字地球智能化数字神经系统]

传感器=RS定位器=GPS信息管理与处理器=GIS2024/10/20世界的本质是物质,而时间与空间是物质运动的两种基本形式位置：改变世界、改变人生2024/10/20位置改变世界2024/10/20人类通过对时间与空间的掌握与管理,来探索世界、改变世界、改变人生。2024/10/20命运与位置息息相关2024/10/20命运与位置息息相关2024/10/20定位-----确定几何位置(XYZ)导航----运动载体方向、速度及时间等。

§1-1卫星导航定位技术发展Where......GNSS-GlobalNavigationSatelliteSystem2024/10/20人造地球卫星-----1984=14000颗1990=+6681颗……?卫星测地系统NNSS-----美国海军

GRANAS-----德国民用无线电定位STARFIX-----美国石油无线电定位GEOSTAR----美国私营LOCATAR----法国宇航局OmniTRACS----美、加、墨、日、奥交通管理ETS-V/EMS---日本海事

……

§1-1卫星导航定位技术发展2024/10/20卫星测地系统GPS-----美国国防部GLONASS----苏联Galileo------欧共体北斗导航COMPASS

BD------中国……

§1-1卫星导航定位技术发展GPSGLONASSGalileoGPSGLONASS2024/10/20

§1-1卫星导航定位技术发展GLONASS102024/10/20

§1-1卫星导航定位技术发展2024/10/20

§1-1卫星导航定位技术发展/yyzx.html2024/10/20

课间新闻俄罗斯发射三颗GLONASS全球导航系统卫星

2024/10/20§1-1卫星导航定位技术发展GPS由来1957年第一颗人造地球卫星发射；1958~1964年美国海军卫星导航系统NNSS—子午（Transit）卫星导航系统；6颗卫星导航；一小时定位；单点定位精度100~300米；1967年导航电文公开民用，大地测量精度1米1965年苏联海军CICADA卫星导航系统。给美国造成严重威胁，开始考虚缺陷。卫星颗数少；轨道低；频率低；精度低。2024/10/20§1-1卫星导航定位技术发展GPS产生-----满足美国军事需求：连续实时高精度导航定位1973年美国国防部研建军事卫星导航定位系统NAVSTAR----NavigationSatelliteTimingAndRanging

测距授时导航系统GPS-----GlobalPositioningSystem

全球卫星定位系统1993年正式建成投入使用2024/10/201.设计专用军事码P与民用码CA；2.美国1983年制定限制政策(1).SA技术SelectiveAvailability选择可用性技术；引入钟参数等误差，定位精度降低至100~300m(2).AS技术Anti-Spoofing反电子欺骗技术；P码+W码(保密)=Y3.GPS控制技术§1-1卫星导航定位技术发展2024/10/20美国政府的GPS政策SPS与PPSSPS–标准定位服务使用C/A码，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS时间=340nsPPS–精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS时间=200ns§1-1卫星导航定位技术发展2024/10/20SA（SelectiveAvailability)措施通过ε技术和δ技术实现，ε技术扰动星历数据，误差是人为的随机值，δ技术是对卫星基准信号引入一个高频抖动信号AS(Anti-Spoofing)措施为了防止对P码进行干扰,将P码与机密的W码进行模2和形成Y码§1-1卫星导航定位技术发展2024/10/20

SA（SelectiveAvailability)§1-1卫星导航定位技术发展2024/10/20

《GPS定位与导航》第一章绪论卫星导航定位技术应用卫星导航定位技术特点2024/10/20GNSS特点1.全球性---全球范围连续覆盖；(4~12颗)2.全能性---三维位置、时间、速度…3.全天侯4.实时性----定位速度快；5.连续性6.高精度；7.保密性好；8.控制性强。§1-2卫星导航定位技术特点及应用2024/10/20

1.

构建特色专业人才培养计划从CORS到网络RTK

创新的能力本位教育模式开发:

CBE-DACUM(CompetencyBasedEducation)-（DevelopingACurriculum）GPS网络化趋势GPS-CORSGPS网络RTK服务GPS定位导航2024/10/20

§1-2卫星导航定位技术特点及应用

1.静态应用(1)建立地球空间框架；(2)监测地球动力系统—自转、板块运动、潮汐、海面地形…；(3)大地测量定位；(4)精密工程测量与变形监测；(5)工程测量定位放样；(6)精密授时服务；(7)气象信息测量；(n)……海洋管理、工程、开发、保护2024/10/202.动态应用(1)导航----航天、航空、航海、陆地交通(2)定位----地理信息数据采集(3)姿态、时间与速度测量(4)海洋管理、工程、开发、保护(5)精细农业(6)资源管理(8)科学考察(7)旅游探险(n)……通信§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/20§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/20§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/20§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/20§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/201.GPS-CORS网络综合服务系统技术体系GNSS-CORS网络综合服务系统防火墙台站服务器台站服务器群集服务器群集服务器网络服务器RTK代理服务器图5GPS-CORS综合服务系统技术体系TCP\IPRadio2024/10/20§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/203.应用前景

继通信、互联网之后的第三个IT新增长点LBS(LocationBasedService)MPS(MobilePositionService)

§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/20全球卫星定位系统应用两大亮点亮点一：以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务市场快速启动。基于位置的信息服务无疑将是未来卫星导航定位技术最广阔、最具潜力和最引人注目的发展方向之一。财产监控、导航服务、信息提供、移动办公§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/20全球卫星定位系统应用两大亮点亮点二：

面向个人消费者的移动信息终端将大为流行。随着卫星导航定位设备的小型化甚至芯片化，各种嵌入式电子产品种类极大丰富，并与人们的生活越来越紧密地结合在一起。

。美国政府规定2010年每手机都必须有卫星移动定位功能§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/20在未来5~10年内，地理空间信息(Geo-Information)将实现随时(anytime)、随地(anywhere)为所有的人(anybody)和所有的事(anything)提供实时服务(4A服务)。§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/202002年

2003年

2004年

2005年

2006年

卫星定位导航产值估测图

2010年：500亿元……2012年§1-2卫星导航定位技术特点及应用

2024/10/20§1-2GNSS应用-港口管理

2010年：500亿元2024/10/20§1-2GNSS应用-港口管理

2010年：500亿元2024/10/20§1-2GNSS应用-渔业管理

2010年：500亿元2024/10/20§1-3GNSS应用-渔业管理

2010年：500亿元北斗通信特色2024/10/20§1-2GNSS应用-渔业管理

2010年：500亿元2024/10/20§1-2GNSS应用-渔业管理

2010年：500亿元2024/10/20

SA（SelectiveAvailability)展望

2024/10/20

SA（SelectiveAvailability)

展望

2024/10/20

SA（SelectiveAvailability)展望

2024/10/20

SA（SelectiveAvailability)展望

2024/10/20教材导航:IntersiveReaderP1-8CordReaderP185-225作业1：1、试创作你最需要的GNSS定位应用故事，设想当今和未来GNSS卫星导航定位技术应用的最新发展动态。要求：有思想、有特色、.pdf第一章

绪论2024/10/20

《GPS定位与导航》

第一章绪论GPS地面控制系统GPS接收机GPS星座概述2024/10/20课程结构

GNSS组成

空间基准

时间基准卫星位置卫星信号定位原理定位误差定位设计定位设备

定位测量数据处理

原

理应用2024/10/20

方法能力点素质点课堂教育

教育评价实践教育

创新应用能力CDIO+CBE学习方法知识点2024/10/20§1-3卫星导航定位系统组成空间部分控制部分用户部分GPSGPSGPSGPS2024/10/201.GPS系统组成§1-3卫星导航定位系统组成2024/10/20一、

GPS星座概述1.GPS星座构成卫星配置工作卫星-----21颗备用卫星-----3颗卫星分布卫星分布于6个轨道面倾角----550高度----20200KM2024/10/20GPS卫星运行周期每12恒星时（11h58min)沿近圆轨道运行一圈

；每天提前约2-4分钟卫星服务年限设计寿命为7.5-10年卫星重量GPS卫星重约800Kg星座系统特点；保证全球范围任何时候至少同时观测到4颗卫星一、

GPS星座概述2024/10/202.GPS卫星(1).GPS卫星结构圆柱形=1.5m双叶太阳能板一、

GPS星座概述2024/10/20GPS卫星结构核心：

高稳定原子频标一、

GPS星座概述2024/10/20(1).GPS卫星结构(续)导航系统导航电文存储器伪躁声码发生器

S波段接收机L波段双频发射机一、

GPS星座概述2024/10/20(2).GPS卫星功能连续不断地发送导航定位信号(GPS信号),确定自己的现势位置以及其它在轨卫星的概略位置飞越注入站上空时,接受由地面站用S波段(10厘米波段)发送到卫星的导航电文和其它有关信息接受地面主控站发送到卫星的调度命令发送信号+接受导航电文\命令一、

GPS星座概述2024/10/20(3).GPS卫星分类BLOCK1----(1978~1985)实验系统BLOCK2----(1989~1994)工作系统BLOCK3----(1995~)更新系统GPS卫星及性能一、

GPS星座概述2024/10/20可观测的GPS卫星状况一、

GPS星座概述2024/10/20卫星定位系统的比较一、

GPS星座概述2024/10/20二、GPS地面监控系统(1)GPS地面监控系统种类主控站---1(美国联合空军执行中心)监控站---5(美军事基地)注入站---3(美军事基地)2024/10/20(2)GPS地面监控系统分布二、GPS地面监控系统2024/10/20(3)GPS地面监控系统作用1.监测站

----

收集伪距、积分多普勒观测值、卫星时钟、工作状态数据、气象数据等2.主控站----根据收集数据计算卫星星历、时钟改正、状态数据、信号电离层延迟改正等，编算导航电文并传送到注入站，诊断卫星状态，调度卫星注入站

----将卫星星历、卫星时钟钟差等参数和各种控制命令发送到GPS卫星收集信号+计算导航电文+发送命令二、GPS地面监控系统2024/10/20二、GPS地面监控系统2024/10/20三、GPS用户设备

GPS用户设备(1)硬件GPS

接收机GPS

天线GPS

控制器计算机(无线电台)终端(2)软件数据采集软件基线处理软件网平差软件设备参数设置与断诊软件2024/10/20静态工作动态工作三、GPS用户设备2024/10/20三、GPS用户设备2024/10/20第一章绪论关键词1、GNSS=GPS、GLONASS、COMPASS（北斗）2、GNSS系统=组成、功能3、GNSS特点=8个特性2024/10/20第一章绪论关键词2024/10/20东方红一号2024/10/20

《GPS定位与导航》第二章

卫星定位坐标系统与时间系统协议天球坐标系协议地球坐标系坐标系统的类型

2024/10/20一、GNSS导航定位的空间坐标系统

天球坐标系与地球坐标系

§2-1协议天球、地球坐标系2024/10/201、天球的概念以地球质心M为球心，以任意长为半径的假想球体。

二、协议天球坐标系2024/10/20天球坐标系坐标系特征天轴与天极

地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球面的交点称为天极，交点Pn为北天极，位于北极星附近，Ps为南天极。位于地球北半球的观测者，因地球遮挡不能看到南天极天球赤道面与天球赤道通过地球质心M且垂直于天轴的平面称为天球赤道面，与地球赤道面重合。天球赤道面与天球面的交线称为天球赤道。天球子午面与天球子午圈包含天轴的平面称为天球子午面，与地球子午面重合。天球子午面与天球面的交线为一大圆，称为天球子午圈。天球子午圈被天轴截成的两个半圆称为时圈二、协议天球坐标系2024/10/20天球坐标系坐标系特征黄道地球绕太阳公转的轨道面称为黄道面。黄道面与赤道面的夹角ε称为黄赤交角，约为23.5°。黄道面与天球面相交成的大圆叫黄道，也就是地球上的观测者见到太阳在天球面上的运行轨道。黄极通过天球中心且垂直于黄道面的直线与天球面的两个交点称为黄极，靠近北天极Pn的交点Πn称为北黄极，Πs称为南黄极。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称为春分点Γ，也就是春分时刻太阳在天球上的位置。春分之前，春分点位于太阳以东。春分过后，春分点位于太阳以西。春分点与太阳之间的距离每日改变约1°。二、协议天球坐标系2024/10/202、天球坐标系

天球空间直角坐标系坐标系特征坐标原点地球质心Mz轴指向北天极Pnx轴指向春分点Γy轴垂直于xMz平面天体的三维坐标（x，y，z）二、协议天球坐标系2024/10/202、天球坐标系

天球球面坐标系坐标系特征坐标原点地球质心M赤经天球子午面与春分点所在天球子午面之间的夹角α赤纬天体到原点M的连线与天球赤道面之间的夹角δ向径天体至原点的距离r天体的三维坐标（α，δ，r）二、协议天球坐标系2024/10/203、协议天球坐标系

（1）岁差影响

岁差：由于日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使得地球自转受到外力矩作用而发生旋转轴的进动现象。特点：从北天极上方观察时，北天极绕北黄极在圆形轨道上沿顺时针方向缓慢运动，致使春分点每年西移50.2″，25800年移动一周。二、协议天球坐标系2024/10/203、协议天球坐标系

在岁差影响下北天极称为瞬时平北天极，相应的春分点称为瞬时平春分点。瞬时平北天极绕北黄极旋转的圆称为岁差圆。二、协议天球坐标系2024/10/203、协议天球坐标系

（2）章动的影响

章动

：由于月球轨道和月地距离的变化，使实际北天极沿椭圆形轨道绕瞬时平北天极旋转的现象。特点：在章动影响下，实际北天极称为瞬时北天极，相应的春分点称为真春分点。瞬时北天极绕瞬时平北天极旋转的椭圆叫章动椭圆，长半径约为9.2″。周期为18.6年。二、协议天球坐标系2024/10/203

、协议天球坐标系

（3）协议天球坐标系选择某一时刻作为标准历元，并将标准历元的瞬时北天极和真春分点作章动改正，得z轴和x轴的指向。国际大地测量学协会（IAG）和国际天文学联合会（IAU）决定，从1984年1月1日起，以2000年1月15日为标准历元。

二、协议天球坐标系2024/10/203、协议天球坐标系

平天球坐标系坐标系特征坐标原点

地球质心Mz轴指向2000年1月15日的瞬时北天极Pnx轴指向2000年1月15日的瞬时春分点Γy轴垂直于xMz平面，二、协议天球坐标系2024/10/20地球坐标系统空间坐标系曲面坐标系平面坐标系地心参心站心地心空间直角坐标系地球椭球面参考椭球面大地水准面投影平面参心空间直角坐标系地心大地坐标系参心大地坐标系站心空间直角坐标系天文坐标系高斯平面直角坐标系三、协议地球坐标系2024/10/201、地心空间直角坐标系(XW,YW,ZW)坐标系原点位于地球的质心，Z轴指向地球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90

夹角。地球三、协议地球坐标系2024/10/202、参心空间直角坐标系(XL,YL,ZL)坐标系原点位于参考椭球的中心，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90

夹角。

参考椭球三、协议地球坐标系2024/10/203、大地坐标系(B,L,h)三、协议地球坐标系2024/10/204、1954年北京坐标系该坐标系源自于原苏联采用过的1942年马尔科夫坐标系。建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：三、协议地球坐标系2024/10/201954年北京坐标系椭球未重新定位，由前苏联西伯利亚地区的一等锁传算，存在着很多缺点。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。局部分区平差得到的，区与区之间有较大的隙距，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，坐标传递从东北到西北和西南，具有明显的坐标积累误差。

三、协议地球坐标系2024/10/205、1980年西安坐标系地球椭球参数四个几何和物理参数采用IAG1975年的推荐值:椭球短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好。三、协议地球坐标系2024/10/206、2000中国大地坐标系CGCS2000=China

GeodeticCoordinate

System2000

坐标系原点位于地球的质心Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90

夹角。三、协议地球坐标系2024/10/202000中国大地坐标系参数CGCS2000=China

GeodeticCoordinate

System2000

参数名称CGCS2000椭球参数WGS-84椭球参数参数差值备注a6378137m6378137m0地球赤道长半径1/f298.257222101298.2572235630.000001462几何扁率GM3986004.418

1083986004.418

1080地球(包括大气)的地心引力常数

7292115

10117292115

10110地球旋转速度b6356752.3141m6356752.3142m0.0001地球赤道短半径三、协议地球坐标系2024/10/20

§3-4GPS卫星坐标计算

地球2024/10/20《GPS定位与导航》第二章

卫星定位坐标系统与时间系统坐标系统转换GPS坐标系统BD坐标系统2024/10/201、WGS-84大地坐标系统(WorldGeodicalSystem-84)由美国国防部制图局建立协议地球坐标系CTS，GPS所采用的坐标系统.坐标系原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90

夹角。

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

1.GPS坐标系统2024/10/20WGS-84

椭球参数IAC+IUGG联合会17届推荐值:长半轴:a=6378137m2m地球引力常数:GM=39860051080.6108(m3s-2)正常化二阶带谐系数C2.0=-484.1668510-61.3010-6地球自转角速度=729211510-110.1510-11椭球极偏率:f84=1/298.257223563

1.GPS坐标系统2024/10/202000中国大地坐标系CGCS2000=China

GeodeticCoordinate

System2000

坐标系原点位于地球的质心Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90

夹角。

2.BD坐标系统2024/10/202000中国大地坐标系CGCS2000=China

GeodeticCoordinate

System2000

2.BD坐标系统参数名称CGCS2000椭球参数WGS-84椭球参数参数差值备注a6378137m6378137m0地球赤道长半径1/f298.257222101298.2572235630.000001462几何扁率GM3986004.418

1083986004.418

1080地球(包括大气)的地心引力常数

7292115

10117292115

10110地球旋转速度b6356752.3141m6356752.3142m0.0001地球赤道短半径2024/10/203、坐标系变换方法(1)空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换在相同的基准下，空间大地坐标系向空间直角坐标系的转换方法为：其中：为卯酉圈的半径；a为地球椭球长半轴；b为地球椭球的短半轴。

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

在相同的基准下，空间直角坐标系向空间大地坐标系的转换方法为：在采用上式进行转换时，需要采用迭代的方法，先将B求出，最后在确定H。

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

空间直角坐标与大地坐标间

转换模型

其中，

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

(2)坐标系统的转换方法不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换，布尔沙模型=七参数转换法是：

设两空间直角坐标系间有七个转换参数―3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20基本转换的数学表达平移变换

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20缩放变换

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20旋转变换

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

(3)

WGS-84坐标系的转换

1.目的：WGS-842.方法：1)直接法坐标正算-----W(B、L、H)W(X、Y、Z)P(X、Y、Z)2)间接法GPS网约束平差高精度转换参数转换

BJ-Z54GB-Z80

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

3）Bursa-Walf模型----W(X、Y、Z)P(X、Y、Z)设：OW=(XWYWZW)OP=(XPYP

ZP)重合点i(XiWYiWZiW)(XiPYiPZiP)

i

OW

OP

ZP

XP

YP

ZW

XW

XiW

XiP

X

X

Y

Z

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

3）Bursa-Walf模型

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

3）Bursa-Walf模型为某点在空间直角坐标系A的坐标；为该点在空间直角坐标系B的坐标；为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的平移参数；

（1+K)-----为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的尺度参数。

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的旋转参数；

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

七参数模型，至少三个以上重合点联立求解

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

§2-2卫星定位坐标系及转换2024/10/20

§3-4GPS卫星坐标计算

地球投影2024/10/20

《GPS定位与导航》第二章

卫星定位坐标系统与时间系统GPS时间系统

时间系统概念时间系统转换2024/10/20

§2-3卫星导航定位时间系统一、时间系统的重要意义1.卫星测量:

跟踪站对卫星进行定轨时，每给出卫星位置的同时，必须给出对应的瞬间时刻。当要求GPS卫星位置的误差小于1cm时，相应的时间误差应小于2

s．2.卫星定位:要准确地测定观测站至卫星的距离，必须精确地测定信号的传播时间。如果要求距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于0.03ns。

2024/10/20

二、时间系统1.时间概念时间表示方法历法=罗马历\格里高利\农历儒略日=连续数字表示JD

时间系统=原点(起始历元)+尺度(时间单位)

§2-3卫星导航定位时间系统2024/10/20

二.时间系统儒略日:GPS时间=最大单位:Week:604800秒GPS时间表示=WN+TOW

§2-3卫星导航定位时间系统2024/10/20

二.时间系统

2.世界时UT------=平子夜零时起算的格林尼治平太阳时.UTl=UT+地球极移改正

UT2=UTl+地球自转速度季节性变化改正。

§2-3卫星导航定位时间系统2024/10/20

二.时间系统

3.协调世界时UTC原点=国际原子时IAT零时(物质内部原子运动特征)=1958年1月1日零时0UT2尺度=国际原子时IAT原子时秒长

§2-3卫星导航定位时间系统2024/10/20

三.GPS时间系统

原点=1980年1月6日UTC零时尺度=采用原子时IAT秒长作为时间基准.注意!自1980年1月6日起算的GPS周数，比如至1999年8月22日0时，其GPS周数为1023周.

§2-3卫星导航定位时间系统2024/10/20

四、时间系统转换1.世界时UT与原子时IAT2.世界时UT与协调世界时UTC3.GPS时间与原子时IAT式中常量偏差19s是IAT在1958年1月1日0时启动至1980年1月6日0时原子时与世界时之差。

(IAT

-UT2

)1958.0=-0.0039s(UTC

–UT1

)

=△T<1S(IAT

-GPS)

=19s

§2-3卫星导航定位时间系统2024/10/20

？

§2-3卫星导航定位时间系统2024/10/20

§2-5GPS时间系统

？卫星发射准备2024/10/20

《GPS定位与导航》第三章卫星运动基础知识及坐标计算

卫星受摄运动

卫星无摄运动2024/10/20一、卫星的无摄运动无摄运动地球质心引力---理想的轨道---中心引力---二体问题开普勒运动

§3-1卫星运动

2024/10/201.卫星运动方程2.卫星运动特征开普勒定律

§3-1卫星运动2024/10/203.卫星运动轨道参数(1)开普勒轨道参数=轨道坐标系统椭圆长半径as偏心率es

升交点的赤经

轨道面的倾角i近地点角距

s

真近点角fs

§3-1卫星运动2024/10/203.卫星运动轨道参数(1)开普勒轨道参数=轨道坐标系统椭圆长半径as偏心率es

升交点的赤经

轨道面的倾角i近地点角距

s

----升交点与近地点之间地心夹角.真近点角fs---确定任意时刻卫星在轨道上位置

§3-1卫星运动确定椭圆的形状和大小确定卫星轨道平面与地球体之间的相对定向2024/10/204.真近点角fs的计算确定卫星空间位置与时间的关系。引进计算真近点角的两个辅助参数Es和Ms。Es=偏近点角:假设过卫星质心ms,作平行于椭圆短半轴的直线，则m’为该直线与近地点至椭圆中心连线的交点，m“为该直线与以椭圆中心为原点，并以as为半径的大圆的交点。Es就是在椭圆平面上，近地点P至m”点的圆弧所对应的圆心角。Ms平近点角:

§3-1卫星运动

2024/10/20真近点角fs的计算

§3-1卫星运动2024/10/20二、卫星的受摄运动地球非对称性引力日月引力大气阻力光辐射压力摄动力=中心引力10—3量级---偏离理想轨道---随时间而变化

§3-1卫星运动结论：开普勒轨道参数变为时间的函数。2024/10/201.卫星运动的摄动力（1）地球非中心引力Fm（2）太阳引力Fs和月球引力Fn（3）太阳光的直接与间接辐射压力Fr（4）大气阻力Fa（5）地球潮汐作用力（6）磁力及其他作用力；结论：开普勒轨道参数变为时间的函数。

§3-1卫星运动摄2024/10/202、卫星受摄动力影响在摄动力加速度的影响下，卫星运行的开普勒轨道参数，不再保持常数而变为时间的函数。卫星运行的轨道，因各种摄动力加速度影响而产生的偏差；

§3-1卫星运动2024/10/203.卫星受摄运动方程（1）地球质心引力与各种摄动力的总和（2）受摄运动方程F=F（X，Y，Z，

,t)

§3-1卫星运动地球M2024/10/204、地球引力场摄动力对卫星轨道的影响（1）原因=地球体的不均匀和不规则性，引起地球引力场的摄动，地球引力位模型含有一摄动位

V

§3-1卫星运动2024/10/20（2）地球引力位

§3-1卫星运动2024/10/20（3）地球引力场摄动力对卫星轨道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

变化

§3-1卫星运动2024/10/20引起平近点角M的变化结论:卫星的轨道运动实际并不在同一平面上，而是在空间画出一条螺旋状的曲线

§3-1卫星运动2024/10/205、日、月引力对卫星轨道摄动影响（1）原因=万有引力（2）摄动位（3）日、月摄动位引起卫星轨道摄动力

§3-1卫星运动2024/10/20结论:日、月引力引起的卫星位置摄动表现为长周期摄动。作用在卫星上加速度约为5x10％(m／s2)，如果忽视这项影响，将造成GPS卫星在3h弧段上，在径向、法向和切向上产生50一150m的位置误差。

§3-1卫星运动2024/10/206、太阳光压对卫星轨道摄动影响（1）原因=卫星在运行中，将直接或间接受太阳光辐射压力的影响（2）摄动加速度与卫星、太阳、地球三者间的相对应位置有关与卫星表面的反射特性、卫星接收阳光照射的有效截面积以及卫星质量的比有关.

§3-1卫星运动2024/10/20结论:

太阳光压对GPS卫星约产生10-7m·s-2的摄动力加速度，忽略影响，可使卫星在3h弧段上产生5—10m的位置偏差。

§3-1卫星运动2024/10/207、固体潮及海洋潮汐摄动影响固体潮和海洋阐汐也将改变地球重力位，进而对GPS卫星产生摄动加速度，其量级约为10-9m／s2。如果忽略固体潮汐的影响，在2天的运动弧段上将产生0．5—1m的轨道误差。而忽略海洋潮汐的影响，也将对2天的弧段产生1—2m的轨道误差。

§3-1卫星运动2024/10/208、大气的摄动影响影响量值主要取决于大气密度、卫星截面积与质量之比及卫星运行速度。但GPS卫星的运行高度在20000km以上，那里大气密度极小，一般可以忽略其对轨道的影响。

§3-1卫星运动2024/10/20

§3-4GPS卫星坐标计算

火箭发射

《GPS定位与导航》第三章卫星运动基础知识及坐标计算

星历概念精密星历预报星历一、卫星星历概念1.定义:描述卫星某一时刻的运动轨道的数据信息.2.卫星星历种类预报星历(广播星历)后处理星历(精密星历)

§2-2卫星星历

§3-2卫星星历一、卫星星历概念1、预报（广播）星历——监控数据时间序列外推估注入的轨道参数。2、精密（后处理）星历——全球GPS跟踪网站监测数据计算的轨道参数。二、预报星历1.定义:通过卫星发射到用户接收机的含有轨道信息的导航电文信号。2.内容:相对某一参考历元的6个开普勒轨道参数和必要的9个轨道摄动正项参数,以及参考时刻和星历数据龄期，共计17个星历参数。轨道六参数

§2-2卫星星历

§2-2卫星星历

偏近点角：S’O’P=E真近点角：SOP＝f平近点角：M＝E－esinE(e2=(a2-b2)/a2)平近点角是卫星经过近地点后以平均角速度运行时，向径OS和OP的夹角§2-2卫星星历§2-2卫星星历升交点赤经近地点角距真近点角升交距角

二、预报星历摄动改正参数：

§2-2卫星星历平均角速度n的改正数升交点赤经的变化率轨道倾角的变化率升交距角的余弦及正弦调和改正数的振幅轨道倾角的的余弦及正弦调和改正数的振幅卫星至地心的距离的余弦及正弦调和改正数的振幅3.预报星历数据格式（1）RINEX数据格式

§2-2卫星星历3.预报星历数据格式（2）预报星历RINEX内容

§2-2卫星星历（2）预报星历RINEX内容

§2-2卫星星历Rinex格式的版本号/文件类型创建本数据文件所采用的程序名称/单位名称/日期历书中电离层参数A0-A3历书中电离层参数B0-B3用于计算UTC时间的历书参数：由于跳秒所产生的时间差文件头节的最后一个记录（2）预报星历RINEX内容

§2-2卫星星历

（3）预报星历内容有关参数含义

钟差：相对于GPS时系的时间偏差钟偏（钟速）：相对于实际频率的偏差系数钟漂：时钟频率的漂移系数

§2-2卫星星历（3）预报星历内容有关参数含义toe:从周日子夜零点开始度量的星历参考时刻AODE:星历表数据龄期

AODE=toe-tL

tL：作预报星历的作后观测时间AODC:星钟数据龄期

AODC=toc-tLToc第一数据块的参考时刻

§2-2卫星星历5.预报星历特点GPS卫星发射的广播星历，每2小时更新一次。则外推的时间间隔最大将不会超过1小时。预报星历的精度一般约为20—40m。注入站----将卫星星历、卫星时钟钟差等参数和各种控制命令发送到GPS卫星

§2-2卫星星历三、精密星历1.定义: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.2.特点:一种不包含外推误差的实测星历，其精度可达分米级。用户无法实时通过卫星信号而获得、只能在事后通过电传、网络等通讯媒体向用户传递，并且它是一种有偿服务。

§2-2卫星星历3、精密星历服务提供精密星历的组织：一个是美国国防制图局(DMA),一个是国际GPS动力学服务IGS（InternationalGPSserviceforgeodynamics)。DMA主要提供精密星历。其精密星历是基于GPS系统5个监测站的平滑伪距数据产生的，以等间隔时间上位置和速度形式给出，位置精度在2m左右，供军方用户使用，一般民间用户不易得到。IGS是国际大地测量协会1993年建立的国际科学服务组织，其机构包括GPS跟踪网站、数据中心、分析中心、分析协调员、中央局和管理委员会。其主要任务是利用GPS空间对地观测技术研究地壳运动、监测海(冰)面变化、地球自转、极移以及大地坐标系维持等地球科学问题。

§2-2卫星星历3、精密星历服务IGS服务目前对大陆地区关闭，不能通过软件自动下载。可以通过网站下载。方法一：ftp：//garner.ucsd.eud/pub/products方法二：/components/prods_cb.html

/components/prods_cb.html

§2-2卫星星历3、精密星历服务

§2-2卫星星历3、精密星历服务

方法二：/components/prods_cb.html

§2-2卫星星历3、精密星历服务精密星历种类：事后精密星历(IGS)、快速精密星历(IGR)、预报精密星历(IGU)事后精密星历：igsWWWWd.sp3精密卫星钟差：igsWWWWd.clk

§2-2卫星星历4、精密星历数据格式

§2-2卫星星历4、精密星历数据格式P型：每隔15分钟给出卫星的位置、钟差V型：每隔15分钟给出卫星的位置、钟差，还给出卫星的速度、钟漂

§2-2卫星星历P型精密星历

§2-2卫星星历V型精密星历

§2-2卫星星历

§2-2卫星星历版本标示符位置轨道首历元年月日时分秒数据文件总历元数数据类型参照系轨道类型机构轨道数据的GPS周一周内的秒历元间隔约化儒略日整数部分约化儒略日小数部分轨道数据的卫星数卫星的PRN号……卫星精度……历元时刻的年月日时分秒三、精密星历

§2-2卫星星历位置(P)卫星标识x坐标（km）y坐标（km）z坐标（km）钟改正（10E-6s）三、精密星历

§2-2卫星星历位置(P)卫星标识x坐标（km）y坐标（km）z坐标（km）钟改正（10E-6s）速度(V)卫星标识x速度（dm/s）y速度dm/s）z速度（dm/s）钟变率（10E-10s）思考题：1、GPS卫星星历分哪几类，各类精度如何？2、试解释预报星历各参数的含义。3、在网上下载精密星历，并识读各部分的含义。

§2-2卫星星历

§3-4GPS卫星坐标计算

程序转弯

《GPS定位与导航》第三章卫星运动基础知识及坐标计算

卫星地球坐标计算

卫星天球坐标计算

2024/10/201、卫星运动轨道参数开普勒轨道参数=轨道坐标系统椭圆长半径as偏心率es

升交点的赤经

轨道面的倾角i近地点角距

s

真近点角fs

概念回顾真近点角fs的计算

§4-1卫星的运动2.卫星受摄运动方程1.地球质心引力与各种摄动力的总和2.受摄运动方程F=F（X，Y，Z，

,t)

§4-1卫星的运动地球M一.卫星的瞬时位置计算1.在轨道直角坐标系统中卫星的位置[轨道直角坐标系(

s,

s,

s)]:原点与地球质心M相重合;

s轴指向近地点，

s轴垂直于轨道平面上.

§2-3卫星坐标计算

卫星任意时刻坐标

§2-3卫星坐标计算

§2-3卫星坐标计算2.在天球坐标系中卫星位置计算

[天球坐标系(x,y,z)]:原点与地球质心M相重合;将坐标系(

s,

s,

s)

依次作下列旋转：

(1)绕

s轴顺时针旋转角度

s，使

s轴的指向由近地点变为推向升交点。(2)绕

s轴顺时针旋转角度i，使

s轴与z轴重合。(3)绕

s轴顺时针旋转角度

，使x轴与

s轴重合。变换模型

§2-3卫星坐标计算

卫星瞬时位置

绕ζs轴顺转ωs

近地点→升交点ζsξsηsξsηsζs

§2-3卫星坐标计算绕ξs轴顺转i

ζs与z轴重合ξsηsζsξsηsζs

§2-3卫星坐标计算绕ζs轴顺转Ω

升交点、春分点重合→ξs与x轴重合ξsηsζsξsηsζs

§2-3卫星坐标计算

§2-3卫星坐标计算3.卫星在地球坐标系中的位置计算

[地球空间直角坐标系(X,Y,Z)]与[瞬时天球空间直角坐标系(x,y,z)]的差别：X轴的指向不同。

X轴的指向不同，若取其间的夹角为春分点的格林尼治恒星时GAST

卫星在地球坐标系中的位置

§2-3卫星坐标计算

§2-3卫星坐标计算

卫星在地球坐标系中的位置

§2-3卫星坐标计算4.卫星位置参数计算程序

参数名称参数名称no卫星平均角速度uk升交距角n摄动修正平均角速度rk卫星矢量tk归化GPS修正时间ik轨道倾角Mk卫星平近点角Xkyk轨道平面坐标Ek卫星偏近点角

K升交点经度Vk真近点角XK地心直角坐标Φk升交距角YK地心直角坐标

u

r

i摄动修正ZK地心直角坐标

§2-3卫星坐标计算二.卫星运动的瞬时速度计算

根据开普勒第二定律:

计算真近点角fs计算升交角及摄动改正

§2-3卫星坐标计算计算真近点角fs计算升交角及摄动改正计算升交角、地心距离和轨道倾角

§2-3卫星坐标计算计算真近点角fs计算升交角及摄动改正计算升交角、地心距离和轨道倾角计算卫星在轨道中的坐标

§2-3卫星坐标计算计算真近点角fs计算升交角及摄动改正计算升交角、地心距离和轨道倾角计算卫星在轨道中的坐标计算升交角的经度地球自转的角速度

§2-3卫星坐标计算

§3-4GPS卫星坐标计算

抛逃逸塔2024/10/20《GPS定位与导航》第四章卫星信号信号的基本概念GPS测距码与载波特点GPS卫星信号构成与产生2024/10/20一、信号的基本概念1.码-----信息的二进制数及其组合2.码元----1位二进制数(比特)3.编码----规则组合二进制数4.随机噪声码----码元取值(0或1)为完全无规律的码序列特点：非周期性、无法复制、自相关性好。

§4-1GNSS信号与特点2024/10/20自相关性好结构相同的随机码序列u(t)~u(t)通过平移码元数，相应的码元相互对齐。§4-1GNSS信号与特点~u(t)tu(t)t2024/10/20随机噪声码序列的自相关函数分析:当Du=0,R(t)=0

§4-1GNSS信号与特点2024/10/205.伪随机噪声码具有确定编码规则的周期性码序列PRN容易复制多极反馈移位寄存器产生GPS系统采用

§4-1GNSS信号与特点

2024/10/20伪随机码由多级反馈移位寄存单元构成，每个存储单元只有“o”或“l”两种状态，并接收时钟脉冲和置“l”脉冲的驱动和控制。

§4-1GNSS信号与特点2024/10/20

§4-1GNSS信号与特点状态编号各级状态模二加反馈未级输出1234567891011121314151111111011001000000100100100100100110110110110100101101101110001001101011111111000100110102024/10/20

§4-1GNSS信号与特点

二、卫星信号构成与产生1、卫星信号构成载波----L1&L2….L3-L5测距码信号----C/A码&P码导航电文----信息码(D码)2024/10/202、卫星信号特征

§4-1GNSS信号与特点

DC/APL1L22024/10/203、卫星信号产生----原子钟产生基准频率f0

§4-1GNSS信号与特点

基准频率f01227.60MHz10.23MHz1575.42MHzD码(数码、导航电文)L1L2C/APP1.023MHz10.23MHz10.23MHz1015412050BPS2024/10/20

C/A码产生工艺

§4-1GNSS信号与特点2024/10/20三、测距码1.C/A码Coarse/AcquisitionCode特点：C/A码长为1023bit(比特)，周期=1ms，易于捕获，码宽：t0=1/f=0.97752µs(码元持续时间)距离：L=293.1m(码元持续时间

与c乘积)精度：29.3-2.93m通过捕获C/A码卫星提供的导航电文，容易捕获P码

§4-1GNSS信号与特点

2024/10/20功能:粗测距快速搜捕卫星导航电文用于分址----不同信号通过捕获C/A码卫星提供的导航电文，捕获P码=Call:捕获码明码

§4-1GNSS信号与特点2024/10/202.P码PreciseCode特点：P码长为6.19

1012bit(比特)，周期=7天，不易捕获，码宽：t0=1/f=0.097752µs(码元持续时间)距离：L=29.3m(码元持续时间

与c乘积)精度：2.93-0.293mP码设计周期T=267天

，分成38部分，每颗卫星使用不同信号部分(32---卫星、5---监控站、1---备用)P

§4-1GNSS信号与特点2024/10/20功能:精密测距

P码用于分址军用密码

§4-1GNSS信号与特点

2024/10/20

测距码比较

C/A码（测距时有模糊度）P码

§4-1GNSS信号与特点

2024/10/20四、载波L1/L2携带调制信号的高频振荡波；C/A码=1.23Mbit/sP码=10.23Mbit/s

§4-1GNSS信号与特点

波段F(GHz)

(cm)P220-300115L1-220S2-410C4-85X8-123K18-261.352024/10/20

§4-1GNSS信号与特点调制信号相位跃迁=而当码状态取-l与载波相乘时，载波相位改变1800。这样当码值由0变为1，或由1变为0时，都会使调制后的载波相位改变1800。L1载波上调制P码和C/A码,L2只调制P码2024/10/20四、载波L1/L2（1）信号解调码相关解调技术=将接收机产生的复制码信号，在同步条件下与卫星信号相乘

§4-1GNSS信号与特点

2024/10/20（2）载波作用搭载其它调制信号与C\A、P码有相同的(A、f、)；测定多普勒频移：精密测量距离

§4-1GNSS信号与特点

色散效应2024/10/20（3）特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）

§4-1GNSS信号与特点

2024/10/20目前L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm

§4-1GNSS信号与特点

2024/10/20

§4-4GPS卫星号构成与产生

抛助推器2024/10/20《GPS定位与导航》第四章卫星信号GPS卫星导航电文内容GPS卫星导航电文格式2024/10/20一、导航电文内容：卫星星历、卫星工作状态、

GPS时间信息、卫星钟偏差、电离层模型=大气改正漂移信息=轨道摄动改正由C/A码捕获P码信息数据

§4-2GPS卫星导航电文2024/10/20

§4-2GPS卫星导航电文2024/10/202NAVIGATIONDATARINEXVERSION/TYPESSUtilitiesv1.41YourCompany03-Sep-0011:16PGM/RUNBY/DATEENDOFHEADER60825200.0+.274740159512D-07+.113686837722D-12.000000000000D+00+.950000000000D+02+.888437500000D+02+.454554648312D-08-.170024978378D+01+.444985926151D-05+.697577721439D-02+.102780759335D-04+.515367507172D+04+.439200000000D+06+.838190317154D-07-.717044767358D+00-.707805156708D-07+.947643365081D+00+.170531250000D+03-.237102754179D+01-.796068873750D-08-.203937066226D-09.000000000000D+00+.107600000000D+04.000000000000D+00.000000000000D+00.000000000000D+00-.512227416039D-08+.351000000000D+03.000000000000D+0040825200.0+.359198544174D-03+.355839802069D-10.000000000000D+00+.183000000000D+03+.680000000000D+02+.427839249795D-08-.257055307047D+01+.357255339622D-05+.518933811691D-02+.323541462421D-05+.515354366875D+04+.439200000000D+06-.465661287308D-07+.346417413904D+00+.186264514923D-08+.976317339170D+00+.328218750000D+03-.538595653048D+00-.819355558019D-08+.137148569931D-09.000000000000D+00+.107600000000D+04.000000000000D+00.000000000000D+00.000000000000D+00-.605359673500D-08+.439000000000D+03

§4-2GPS