卫星仰角对GNSS时间比对影响分析

1卫星仰角对 GNSS 时间比对影响分析目录第一章 绪论.31.1 课题研究背景.31.2 国内外研究现状.61.3 论文的主要工作.9第 2 章 卫星姿态动力学模型.92.1 引言.92.2 卫星姿态的描述.92.2.1 欧拉角.92.2.2 四元数法.112.3 卫星姿态运动学方程.132.4 卫星姿态动力学方程.142.5 刚体姿态动力学方程.152.6 本章小结.18三章 卫星轨道动力学模型.183.1 引言.183.2 轨道的运动方程.203.3 运行轨道.223.4 航天器轨道的确定.233.4.1 由 r,v 确定轨道根数 .243.4.2 由 和飞行时间确定轨道根数 .2512,r3.5 本章小结.27第 4 章 卫星仰角的确定.274.1 惯性坐标系.274.2 地球坐标系.284.3 站心坐标系与卫星仰角的确定.314.4 本章小结.34哈尔滨工程大学2第 5 章 卫星仰角对时间比对的影响.345.1 引言.345.2 卫星仰角对信号穿过电离层的影响.365.2.1 GPS 电离层延时计算 .395.2.2 GLONASS 电离层时延计算 .425.2.3 Calileo 电离层延时计算 .425.2.4 COMPASS 电离层时延计算 .435.3 电离层对时间比对的影响模拟.445.4 本章小结.44第 6 章 卫星仰角对多普勒频移时间比对影响分析.456.1 引言.456.2 多普勒频移对时间比对影响分析.466.3 多普勒频移对时间比对的影响.506.4 本章小结.51第七章 总结与展望.517.1 论文总结.517.2 课题展望.51致谢.51参考文献.513第一章 绪论1.1 课题研究背景全球导航卫星系统 GNSS (Global Navigation Satellite System)是一个广义的概念，是卫星导航系统的总称，它对国民经济以及国防方面有很大的作用，利用导航它可以为军民提供海、陆、空导航信息，对各种或者是目标进行定位、导航以及其他一些信息。目前 GNSS 主要包括美国的全球定位系统 GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统GLONASS、我国的北斗卫星导航系统 COMPASS 和欧洲的 Galileo 卫星导航定位系统这四个全球性的卫星导航系统。因为美国的 GPS 发展的最早起，也是目前最成熟的定位系统，它不仅在美国本土发挥作用，对世界各国都有很大的作用，因此也成为大多数导航系统参考的基础。GPS 卫星导航系统的发展概况GPS 全球导航定位系统是美国国防部建立的，开始是为了满足军事需求而建立。GPS 系统非常稳定，可以全天候的工作，而且随着发展它可以全球性、连续实时的工作，而其定位精度随着时间的发展，也得到了很大的提高。它的功能也在不断的拓展，哈尔滨工程大学4不仅满足了军事需求，而且可以定位、导航还可以测速，这对普通广大群众来说也有巨大的好处，对推动了很多行业的深刻变革。自从 1994 年美国建立了全球定位系统，投入了大量的人力、物力和财力，在这些年里，它不仅为美国提供服务，其用户逐渐扩展至全球。其应用范围也逐渐的扩大，大量的应用于大地测绘、地质探测、交通监控、移动通信、交通运输、海洋渔业、水文监测、基础测绘、气象预报、导航定位以及空间气象等等各行各业。不仅取得了很好的社会效益，也取得了不错的经济效益。GPS 卫星系统由三个部分组成，包括卫星星座、地面监控系统、用户接收设备。GPS 卫星星座共有 24 颗工作卫星，每个轨道上有 4 颗卫星，均匀地分布在 6 个轨道上，每个轨道之间经度相距 60，GPS 卫星的轨道高度约为 20200km，其中轨道倾角 i 为55。GPS 卫星配有 F 波段双频发射器，通过两个载波频率向地面发播伪随机码和导航电文。GPS 的周期为 11 小时 58 分钟，GPS 卫星轨道设计保证其在任何时刻都至少能观察到四颗 GPS 卫星，从而保证了定位精度以及导航的准确性。GLONASS 卫星导航系统的发展概况俄罗斯的 GLONASS 在功能上类似于 GPS，整个 GLONASS 星座包括 24 颗卫星，分布在 3 个轨道上，轨道倾角为 64.8，轨道的长半轴为 25440km，各轨道面升交点经度相互间隔 120，每个轨道面上有 8 颗卫星彼此相距 45。相邻轨道面上的卫星之问相位差为 15，轨道周期约为 675.8min。与 GPS 导航系统不同的是，GLONASS 系统采用的是频分多址而不是码分多址，是根据载波频率值来分辨导航卫星。1982 年 10 月 19 日前苏联进行了 GLONASS 卫星的首次发射，原计划 1991 年建成完整的工作系统，随着苏联巨变和“冷战”结束，俄罗斯继承了该系统的后续建设完善工作。1993 年俄罗斯政府正式把 GLONASS 系统交付俄罗斯航天部队主管。该部队负责GLONASS 卫星的部署、在轨运行维护以及用户设备检测，还管理着科学信息协调中心，由此向公众发布 GLONASS 的相关信息。由于俄罗斯经济状况的影响，GLONASS 系统曾一度濒临崩溃的边缘。因而 2006 年底时在轨工作的卫星总数仅为 10 颗，除了 1998 年底发射的 3 颗卫星之外，其余 7 颗卫星均已超期服役。近几年来随着俄罗斯经济的复苏，GLONASS 系统也得到了相应的恢复和发展。俄罗斯正通过逐步发射寿命较长、质量较小的改进型 GLONASS-M 卫星，以实现新型的 GLONASS 系统。截止 2010 年底，GLONASS 系统实现了 24 颗在轨工作卫星的满星座运行。北斗卫星导航系统的发展概况520 世纪 70 年代起美、苏两国开始研制、试用自己的卫星导航定位系统，中国逐渐了解到导航定位系统对于国家安全的重要的意义，以及经济发展的重要作用。1983 年我国提出了建立自主导航卫星定位的构想。经过多年的可行性论证，我国于 1994 年起正式建设我国的第一代卫星导航系统。2000 年 10 月 31 日我国成功发射了 BEIDOU-1B静止轨道卫星，位于东经 139.9上空，同年 12 月 21 日将另一颗 BEIDOU-1B 静止轨道卫星发射升空，成功定点于东经 80.3。备份星 BEIDOU-1C 是静止轨道卫星，于 2003年 5 月 25 日发射至东经 110.5。因为第一代北斗导航系统只有两颗卫星，因此又称为双星系统。我国北斗导航系统的建成，使我国成为世界上第三个独立掌握导航定位卫星系统技术的国家，打破了对美、苏的依赖，使我国在国家安全方面又有了长足的发展。因为北斗一代导航系统的局限性，为了满足国内通讯、导航、定位的需要，我国逐渐加速了对北斗二代导航卫星的研发速度，北斗二代导航卫星，不仅完全向下兼容第一代的功能，其定位精度、准确度、稳定性、快速性都得到了长足的进步。 COMPASS 完成后将是一个混合星座式的卫星系统，包括了倾斜同步轨道(IGSO)、地球静止轨道(GEO)和中地球轨道(MEO)三种轨道。COMPASS 星座由 5 颗 GEO 卫星、3 颗 IGSO卫星、27 颗 MEO 卫星共同组成。其中 MEO 卫星轨道高度 21500km，位于 3 个轨道面上，轨道倾角为 55; IGSO 卫星轨道高度 36000km，位于 3 个轨道倾角为 55的轨道面上，轨道穿越经度为 118；GEO 卫星则分别位于东经 58.75, 80.3, 110.5, 139.9和 160上。2011 年 4 月 10 日，我国在西昌卫星发射中心发射了北斗卫星导航系统的第一颗组网卫星，并且准确地进入了预定的轨道，标志着北斗导航卫星的组建工作基本完成，接下来将进入一个新的阶段。2011 年 7 月 27 日 5 时 44 分，我国在西昌卫星发射中心发射了第九颗北斗导航卫星，预计到 2020 年左右，北斗卫星导航系统将建成，在民用和军用方面不断地深入，为人民带来更多的便利，对每个行业都会产生变革性的影响。Galileo 卫星导航系统的发展概况随着美、苏对 GNSS 导航定位卫星的研发，欧盟也紧接着宣布研发自己的卫星导航系统，即 Galileo 计划，这个举动打破了美国、俄罗斯的垄断地位，对于欧盟自主独立的发展有很大帮助。Galileo 一开始的定位就是民用，这位其发展带来了强大的动力，哈尔滨工程大学6不负众望也给欧盟带来了相当不错的经济效益，为其日后 Galileo 卫星导航系统在国防的建设打下坚实的基础。Galileo 系统共有 30 颗导航卫星，卫星的轨道高度为 23222km，轨道倾角为 56，所有卫星均匀分布在 3 个轨道面上，每个轨道上有 10 颗卫星，其中有 9 颗工作卫星，1 颗备用卫星，卫星运行周期约为 14h 22min。Galileo 卫星导航系统原定于 2008 年完成，但是由于欧盟之间各国的分配问题以及其他方面的原因，完成时间已经推迟到2013 年。2011 年 10 月 21 日，俄罗斯为欧盟发射了两颗卫星，其它的卫星也将陆续发射。欧盟将尽快地完成预先设定的任务，使其尽快投入使用。时间对于人们来说都是非常重要的，它与每个人都息息相关，时间是人们日常生活的计量，但是生活的各个方面对时间精度的要求各有不同，有的对时间有严格的要求。随着时代的进步，人们对于时间的精度要求也越来越高，从古代的时辰、刻，到近代的分、秒，再到现代的微秒甚至纳秒。与此相适应，计量时间的工具也发生了天翻覆地的变化，从沙漏、机械钟表到现代的原子频标等。同时，相应的测量时间的基础理论基础也由牛顿经典理论发展成为爱因斯坦的广义相对论。虽然人类的活动对时间精度的要求是不同的，但是高精度的时间是总体的发展方向。高精度时间在现代科技、军事中起着至关重要的。主要有以下原因：(1) 高精度的时间是军队高反应速度的前提，也是战争胜利的必要条件。(2) 进入互联网时代，信息已成为资源的一种。只有迅速及时的信息才能成为资源，因此时间显得格外重要。(3) 导航与定位功能是 GPS 卫星的主要功能，而准确的定位与导航是建立在高精度时间之上的，因此时间很重要。(4) 现代武器发挥作用是在高精度时间的前提下发生的。国防是一个国家的根本，是国家稳定的前提保证，现代国防战争是要求陆军、海军、空军队伍高精度配合的，只有这样才能发挥出它应有的威力，尤其是电子战、信息战等等。如果没有高精度、统一的时间作为基础，就不能完成必要的协作。因此发展高精度的时间已成为世界各国的共识，频率的准确度与稳定度要达到以上。但由于距离是时间乘以速度计算出来的，要实现准确的定位，把距离控制在要求内，高精度时间就成了首要设计要求。71.2 国内外研究现状纳秒级高精度时间对国防工业、空间技术和国民经济建设具有重要意义，标准时间的产生与传递是国家的基础性工程，高精度的时间传递技术是国家的迫切需求。利用共识法获得高精度的时间，目前普遍的选择是共识法，在原有的单视法上有了很大的进步，共视法的基本原理是在地面上布置两个接收站，用于接受 GPS 卫星的信号，共视法有两个要求：1、接收站必须同时观测同一个卫星，2、要同一时刻结束。用这种方法测定两个接收站之间的时间差，目的在于提高时间比对的精度，利用 GPS共视法进行时间比对，相对于单视法在精度有了很大的提高。在原则上，共视法能消除了卫星钟差，而且在原理上根本的消除了 SA 的干扰，削弱了对两个接收站都有影响的误差，但是随机误差会相对增加。若两个接收站相距较远，则两个共视站所能够共视的卫星数量越少，因此获得的信号质量会变低。因此在进行时间比对时，一定要按照规定的共视时刻表进行观测。哈尔滨工程大学8=钟 A 与卫星 i 的钟差iAitt=钟 B 与卫星 i 的钟差iBi两式作差可得：()iAiBiAiBABtttt即 A、B 两站的钟差，然而在实际过程中，A、B 接收站要求用同样的方法处理数据。而且接收机自身的延时影响也应该计入误差范围。对于 A、B 两个接收站，分别简写为 和AGPSdBPSdBABdSd（ （为了满足科学技术和军事需要，世界各国都非常重视发展自己的时频系统，特别是近二十年来，人们对时频精度的需求呈指数发展的态势，大约每 5-10 年就提高一个数量级。由于短、长波授时的精度低(短波为 1ms，长波为 1),覆盖范围小，卫星导航定位系统已经成为高精度时频传递的主要手段，时间比对的原理是利用卫星进行时间传递和比对，因为工作范围比较广大，几乎可以覆盖全球。现在，美国、俄罗斯、日本和西欧等发达国家时间保持的精度已达到约，时间比对的精度也达到了 0.1ns 量级的水平。北斗卫星导航定位系统采用了比 GPS 更为先进的技术，它不仅可以提供定位于导航服务，而且向用户发射地理位置，时间比对包括两种方式，包括单向授时和双向授时两种方式，其中单向授时精度可以达到 100ns，而双向授时的精度更是提高到了20ns 的指标要求。 （刘利引用）9GNSS 卫星的硬件设备主要包括无线电发射器、铷或铯原子钟、微型计算机、太阳能电池板和推进器等。而原子钟对于 GNSS 卫星来说尤为重要，是 GNSS 卫星的核心，每个 GNSS 卫星一般会配备多台稳定性较高的原子钟，其中一台被选定为时钟和频率标准的发生器，而且卫星发射的信号都以这个频率为标准，进而保证这些信号保持时间同步。而卫星与卫星之间同样会出现钟差，而保持卫星间的时间同步则是地面监控部分的工作。在卫星向地面发射的导航信号中，不仅包括信号发射时的时间信息，而且还包括卫星轨道参数等，可以帮助接收机确定位置的数据信息。 （引用）由于时间比对系统的误差得到了显著的下降，定位精度导航等方面性能有了很大的提升。但是其系统仍然不是完美无缺的，仍然有很多因素影响着时间比对系统的精度，其中仍然有很多误差。需要设计各种补偿措施，把精度控制在要求范围内。随着我国国民经济的发展，时间频率传递的重要作用日益凸显，而其中高精度传递技术显得尤为重要。近年来，我国在国防方面有了重大的发展，对高精度时间传递的要求更为严格。GNSS 迅速而广泛的应用于航空航天领域，