卫星定位与导航系统ppt课件

第九章卫星定位与导航系统 9 2 1坐标系与时间体系卫星导航的最基本任务是确定用户在空间的位置 即定位 定位实际是确定用户在某特定坐标系的位置坐标 因此 需要首先定义适当的空间参考坐标系 一类常用的坐标系是与地球固连的坐标系 它的坐标轴随着地球自转而移动 称为地球固定坐标系 由图可见 该坐标系中三条轴与地球固连在一起 地球上每个静止的物体将具有固定的坐标 因此该坐标系称为地心固定直角坐标系 又称为宇宙直角坐标系 另一类坐标系是惯性坐标系 由于每种坐标系中坐标轴的选取会带来坐标系统较大的差异 常用协议坐标系作为统一的参考 这种坐标系是指在国际上通过协议确定某些全球性的坐标轴指向 便于在全球范围内作为位置确定的标准 1 协议地球坐标系卫星导航系统中采用的地球坐标系是以地心为原点 地球自转轴为Z轴 以地球赤道面为基准面的地心固定坐标系 地球自转轴与地球体表面的两个交点称为地极 坐标系的Z轴指向北地极 由于地球并非刚体 其内部还存在复杂的物质运动 因此 地球瞬时自转轴在地球体内的位置并不是固定不变的 地极点在地球表面的位置随时间不断移动 这种现象称为地球的极移 显然 由于地球的极移 将使地心固定坐标系坐标轴的指向发生变化 从而对实际定位造成很多困难 因此 需要建立一种地球固定坐标系 使其Z轴指向某一固定的基准点 它随地球自转 但坐标轴的指向不再随时间而变化 确定一平均地极位置 作为地极的基准点 称为国际协议原点 与之相应的地球赤道面 称为平赤道面或协议赤道面 这样建立的坐标系称为协议地球坐标系 其中WGS 84是目前广泛使用的坐标系统 2 大地水准椭球 基准椭球和地理坐标确定用户在空间的位置时 最经常的是要确定用户在地面上或地球上空的位置 用户或地面站在地球上的位置常用地理坐标 即经度 纬度 高度来表示 但是 实际中的地球并非一个圆球 以圆球来代替地球误差太大 为了高精度定位 需采用更好的近似方法 地球的大地水准面是一个假想的海面 海水的分布面实际上是地球重力场的等位面 称为大地水准球面 由于地球形状的不规则和地球质量分布的不均匀 大地水准球面并不是平滑的球面 仍然是一个不很规则的球面 如图9 2所示 以大地水准球面为基础 可以选取一个几何体使之与大地水准球体最吻合 这个几何体便称为基准椭球体 可以用于表示地球 表9 1所示为WGS 84椭球的基本参数 有了基准椭球以后 可以定义地球上任一点的地理坐标 如图9 3所示 设点O为椭球中心 即地心 对地球上任一点G 可以过G点作基推椭球面的垂线GO GO 与基准椭球面交于点P 与赤道半径交于点Q 与地轴OZ交于O P点在赤道面XOY上的投影为P 定义G点的地理经度 为OP 与OX轴的夹角 地理纬度 为GO 与OL的夹角 大地高度H是G点与P点的距离GP Q 地理坐标中的大地高H是G点与基准椭球之间的距离 该距离与大地水准面和海拔高度之间的关系为 H n h式中 n为大地水准面高度 定义为对应G点的大地水准面与基准椭球面之间的距离 h是海拔高度 定义为G点与大地水准面之间的距离 3 天球与天球坐标系 4 时间体系卫星导航是建立在卫星位置精确已知的基础上 推算卫星的位置需要根据准确的星历和时间数据 因此 卫星导航系统需要有高精度 高稳定的时间基准系统 时间体系就是一些在一定基准下表示时间的标准单位 1 世界时世界时以地球自转周期为基准 由于地球的自转 太阳会用期性地经过地面一点的上空 太阳连续两次经过某条子午线的平均时间间隔称为一个平太阳日 以此为基准的时间称为平太阳时 从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时 一个平太阳日的1 86400规定为一个世界时秒 地球除了绕轴自转以外 还绕太阳公转 因此 一个平太阳日并不等于地球自转一周的时间 2 原子时 3 协调时 4 GPS时 9 2 2卫星定位的一般原理卫星定位的一般方法可以概述为以下三个步骤 已知卫星在某指定坐标系的坐标 测得用户相对于卫星的位置 计算用户在指定坐标系中的坐标 目前典型的卫星导航系统划分为低轨卫星导航系统 双静止卫星导航系统和中高轨卫星导航系统 这些系统都有共同之处 这就是都是通过将用户坐标 卫星坐标 观测量通过导航定位方程联系在一起 如果测得用户与卫星的距离I 那么对应于l的位置面 是以卫星S为中心 以l为半径的球面C 用户在该球面上 如图9 5 a 所示 如果要完全根据距离参量确定用户的三维坐标 则至少需要测得用户到卫星的3个距离 任何测量得到的导航定位参量都可以表示为用户和卫星的地心固定坐标系坐标的函数 而导航定位参量可以是距离 距离差 速度等观测量 因此 将这些函数式称为导航定位方程 可以将这些函数式一般化 写成 称为对应于观测量 的导航定位方程 由上述导航定位方程可见 用户位置与导航定位参量有一一对应的关系 而方程中用户坐标为3个未知量 为求得用户的3个坐标 必须得到3个独立的方程 因而必须有3个定位参量 实际中由于存在测量误差 以及观测误差还依赖于其他的未知量 如时间 频率等 往往需要引入3个以上的定位观测量并建立相应的导航定位方程 才能求解出用户坐标 9 5GPS导航系统全球定位系统 GlobalPositioningSystem GPS 是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 其主要目的是为陆 海 空三大领域提供实时 全天候和全球性的导航服务 并用于情报收集 核爆监测和应急通讯等一些军事目的 是美国独霸全球战略的重要组成 经过20余年的研究实验 耗资300亿美元 到1994年3月 全球覆盖率高达98 的24颗GPS卫星星座己布设完成 全球定位系统由三部分构成 1 地面控制部分 由主控站 负责管理 协调整个地面控制系统的工作 地面天线 监测站 数据自动收集中心 和通讯辅助系统 数据传输 组成 2 空间部分 由24颗卫星组成 3 用户装置部分 主要由GPS接收机和卫星天线组成 全球定位系统的主要特点 1 全天候 2 全球覆盖 3 三维定速定时高精度 4 快速省时高效率 5 应用广泛多功能 全球定位系统的主要用途 1 陆地应用 主要包括车辆导航 应急反应 大气物理观测 地球物理资源勘探 工程测量 变形监测 地壳运动监测 市政规划控制等 2 海洋应用 包括远洋船最佳航程航线测定 船只实时调度与导航 海洋救援 海洋探宝 水文地质测量以及海洋平台定位 海平面升降监测等 3 航空航天应用 包括飞机导航 航空遥感姿态控制 低轨卫星定轨 导弹制导 航空救援和载人航天器防护探测等 GPS原理24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上 以12小时的周期环绕地球运行 使得在任意时刻 在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星 GPS系统的定位过程可描述为 围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射无线电信号 信号中含有卫星