第三篇 卫星导航

1、第三篇第三篇 卫星导航原理卫星导航原理3.1 卫星导航基本设计思想卫星导航基本设计思想3.2 GPS卫星导航系统概述卫星导航系统概述3.3 GPS的时空参考系统的时空参考系统3.4 GPS卫星位置计算卫星位置计算3.5 GPS卫星的星历卫星的星历 3.6 由卫星预报星历计算由卫星预报星历计算GPS卫星坐标卫星坐标3.1 卫星导航基本设计思想的由来卫星导航基本设计思想的由来 1957年年10月世界上第一颗人造地球卫星月世界上第一颗人造地球卫星上天当时美国约翰上天当时美国约翰霍普金斯大学霍普金斯大学(Johns Hpkins University)应用物理实应用物理实验室的研究人员格亦尔验室的研究

2、人员格亦尔(william H.Guier)博土和威芬拜克博土和威芬拜克(Geoge C.Weiffenback)博士在观测卫星发射的无线电信号时发博士在观测卫星发射的无线电信号时发现，尽管卫星以固定频率发射连续的无现，尽管卫星以固定频率发射连续的无线电波，但当卫星由远而近飞临地面观线电波，但当卫星由远而近飞临地面观测站上空时，地面接收到的电波频率比测站上空时，地面接收到的电波频率比卫星实际发射的频率要高；当卫星在观卫星实际发射的频率要高；当卫星在观测站上空时，接收频率与发射频率相等；测站上空时，接收频率与发射频率相等；当卫星飞离地面观测站上空时，接收频当卫星飞离地面观测站上空时，接收频率比发

3、射频率要低。这种现象称为率比发射频率要低。这种现象称为“多多普勒效应普勒效应”，卫星发射频率与地面观测，卫星发射频率与地面观测站接收到的频率之差称为站接收到的频率之差称为“多普勒频多普勒频移移”。 后来，在该应用物理实验室工作的另外两名研究人员后来，在该应用物理实验室工作的另外两名研究人员Frank T.Mcclure博士和博士和Richard B.Kershner提出了与提出了与此相反的设想，即如果已经准确知道了卫星的运行轨道，此相反的设想，即如果已经准确知道了卫星的运行轨道，那么只要在地面上用接收机测量出卫星电波中的多普勒那么只要在地面上用接收机测量出卫星电波中的多普勒频移，便可以确定出观

4、测者在地球上的位置。这就是频移，便可以确定出观测者在地球上的位置。这就是卫卫星导航系统的基本设计思想星导航系统的基本设计思想。地面站地面站（位置）（位置）卫星卫星（轨道、频率）（轨道、频率）多普勒多普勒频移测量频移测量研究人员进一步发现多普勒频移曲线与卫星研究人员进一步发现多普勒频移曲线与卫星运行轨道之间存在着十分密切的关系，于是运行轨道之间存在着十分密切的关系，于是便建立了一个地面站对卫星进行长期跟踪观便建立了一个地面站对卫星进行长期跟踪观测，通过测量卫星发射的无线电信号中的多测，通过测量卫星发射的无线电信号中的多普勒频移曲线来测定卫星的运行轨道并获得普勒频移曲线来测定卫星的运行轨道并获得试

5、验成功。这次试验的成功表明：在已知的试验成功。这次试验的成功表明：在已知的地面接收点，精密地测量出卫星天线电波中地面接收点，精密地测量出卫星天线电波中的多普勒频移，就可以确定出卫星的轨道。的多普勒频移，就可以确定出卫星的轨道。v 卫星导航就是天文导航与无线电导卫星导航就是天文导航与无线电导航的结合物，不过是把无线电导航航的结合物，不过是把无线电导航台放在人造地球卫星上罢了。台放在人造地球卫星上罢了。v 目前影响最大的卫星导航系统有目前影响最大的卫星导航系统有GPSGPS卫星导航系统和卫星导航系统和GLONASSGLONASS卫星导卫星导航系统。另外还有欧空局的伽利略航系统。另外还有欧空局的伽利

6、略卫星导航系统、我国的北斗卫星导航系统、我国的北斗IIII卫星卫星导航系统、日本导航系统、日本“准天顶准天顶”卫星导卫星导航系统以及印度的卫星导航计划。航系统以及印度的卫星导航计划。 3.2 GPS卫星导航系统概述卫星导航系统概述3.2.1 GPS定位技术的发展定位技术的发展1957年年10月，世界上第一颗人造地球卫星发月，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。从此，利用卫星进行定位和导航的射成功。从此，利用卫星进行定位和导航的研究引起了各国军事部门的高度重视。研究引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器试验室着手研制为年底，美国海军武器试验室着手研制为美国军用舰艇服务的卫星导航系

7、统美国军用舰艇服务的卫星导航系统“navy navigation satellite system (NNSS)”,1964年年1月该系统研制成功，成为月该系统研制成功，成为世界上第一个投入使用的卫星导航系统。世界上第一个投入使用的卫星导航系统。 第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统的局限性的局限性v 1.卫星少，不能实时定位。卫星少，不能实时定位。v 2.轨道低，难以精密定轨。轨道低，难以精密定轨。v 3.频率低，难以补偿电离层效应的频率低，难以补偿电离层效应的影响。影响。uGPS(Global Positioning System)是美国研是美国研制的新一代卫星导航定位系统。是一种可以制的

8、新一代卫星导航定位系统。是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三以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，满足军事部维位置，三维速度和时间信息，满足军事部门和民用部门的需求。门和民用部门的需求。v1973年年12月美国开始建立新一代的卫星月美国开始建立新一代的卫星导航系统导航系统GPS全球定位系统全球定位系统v （Global Positioning System)v该系统分三个阶段进行：该系统分三个阶段进行：v 1.论证方案阶段：论证方案阶段：1973年年12月组成月组成v 联合办公室

9、。联合办公室。v 2.工程研制阶段：工程研制阶段：1978年年2月月22日第日第v 一颗一颗GPS试验卫星发射成功。试验卫星发射成功。第二、三代卫星导航系统：第二、三代卫星导航系统：v3.生产作业阶段：生产作业阶段：v 1989年年2月月14日第一颗日第一颗GPS工作卫星工作卫星v 发射成功。发射成功。v 1994年年6月完成第二代卫星发射。月完成第二代卫星发射。v 1996年开始发射第三代（年开始发射第三代（Block IIR)v 卫星。卫星。 名称代别卫星类型卫星数/颗 发射时间用途第一代Block I1119781984试验性第二代Block IIBlock IIA2819891994正

10、式工作第三代Block IIIBlock IIR2020世纪末90年代改进GPS系统GPS卫星发射情况卫星发射情况GPS BLOCK II R 卫星：(一一)GPS相对于其它导航系统的特点相对于其它导航系统的特点 1.全球地面连续覆盖。全球地面连续覆盖。 2.功能多，精度高。功能多，精度高。 3.实时定位速度快。实时定位速度快。 4.抗干扰性能好，保密性强。抗干扰性能好，保密性强。二、GPS的特点(二二)GPS应用于定位方面的特点应用于定位方面的特点 1.观测站之间无需通视。观测站之间无需通视。 2.定位精度高。定位精度高。 3.观测时间短。观测时间短。 4.提供三维坐标。提供三维坐标。 5.

11、操作简便。操作简便。 6.全天候作业。全天候作业。3.2.2 GPS定位系统的组成v GPS定位技术是利用高空中的定位技术是利用高空中的GPS卫星，向卫星，向地面发射地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，接收机天线所在的位置。因此，GPS定位系定位系统是由以下三个部分组成：统是由以下三个部分组成：v（1）GPS卫星星座（卫星星座（空间部分空间部分）v（2）地面监控系统（）地面监控系统（地面控制部分地面控制部分）v（3）GPS信号接收机（信号接收机（用户设备部分

12、用户设备部分）。）。 这三部分有各这三部分有各自独立的功能自独立的功能和作用，对于和作用，对于整个全球定位整个全球定位系统来说，它系统来说，它们都是不可缺们都是不可缺少的。少的。GPS卫星星座组成卫星星座组成v共共24颗卫星，其中颗卫星，其中3颗备用，分布在颗备用，分布在6个轨道个轨道面上。轨道面相对地球赤道面的倾角为面上。轨道面相对地球赤道面的倾角为55度，度，各轨道平面升交点赤经相差各轨道平面升交点赤经相差60度，相邻轨道度，相邻轨道上卫星的升交距角相差上卫星的升交距角相差30度。轨道平均高度度。轨道平均高度约约20200km，运行周期，运行周期11h58m。v 因此，同一测站上每天出现的

13、卫星分布图因此，同一测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每分钟。每颗卫星每天约有天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间地点而异，最少以上的卫星数目，随时间地点而异，最少4颗，颗，最多达最多达11颗。颗。vGPS系统的空间系统的空间部分由部分由GPS卫星卫星组成，称为卫星组成，称为卫星星座。星座。v卫星星座的分布卫星星座的分布设置要保证地球设置要保证地球上任何地点，任上任何地点，任何时刻可以同时何时刻可以同时观测到高度角观测到高度角15度以上的至少四度以上的至少四颗卫星。颗卫星。GPS星座参

14、数星座参数卫星：卫星：24 颗颗轨道：面轨道：面6个个长长 半半 轴：轴：26609km偏偏 心心 率：率：0.01轨道面相对赤道面的倾角：轨道面相对赤道面的倾角：55各轨道面升交点赤经相差：各轨道面升交点赤经相差：60相邻轨道卫星升交距角相差：相邻轨道卫星升交距角相差：30卫星高度：卫星高度：20200km卫星运行周期：卫星运行周期：11小时小时58分钟分钟GPS卫星的基本功能卫星的基本功能v1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，。接收和存储由地面监控站发来的导航信息，。v2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。理。v3 通过星载的

15、原子钟提供精密的时间标准。通过星载的原子钟提供精密的时间标准。v4 向用户发送定位信息。向用户发送定位信息。v5接收并执行监控站的控制指令，通过推进器调整卫接收并执行监控站的控制指令，通过推进器调整卫星姿态和轨道修正，或启用备用卫星。星姿态和轨道修正，或启用备用卫星。vGPS卫星采用多种编号识别系统。在导航定位中通常卫星采用多种编号识别系统。在导航定位中通常采用采用PRN编号（伪随机噪声码）编号（伪随机噪声码）GPS地面监控部分地面监控部分vGPS的地面监控部分由分布在全球的的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组个地面站组成，其中包括卫星监测站（成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（个）、

16、主控站（1个）个）和注入站（和注入站（3个）个）v1、 监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、接收机、高精度原子钟、计算机计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。定卫星轨道。v2、 主控站主控站v除协调和管理地面监控系统外，主要任务：除协调和管理地面监控系统外，主要任务：v1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制）根据本站和其它监测站的观测资料，推

17、算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。据传送到注入站。v2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。注入站。v3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。v4）启用备用卫星代替失效工作卫星。）启用备用卫星代替失效工作卫星。v3、注入站：、注入站：v 主要设备为主要设

18、备为1台直径台直径3.6m的天线、的天线、1台台S波段发射波段发射机和机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。并监测注入信息的正确性。v 整个整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准和计算

19、机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。化。地面监控系统流程图地面监控系统流程图接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段波段GPS卫星卫星GPS卫星卫星GPS地面控制部分的作用地面控制部分的作用v负责监控全球定位系统的工作：负责监控全球定位系统的工作：v监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行运行v跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由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卫星通过导航电文发送

20、给用户v保持各颗卫星的时间同步保持各颗卫星的时间同步v必要时对卫星进行调度必要时对卫星进行调度GPS用户设备部分用户设备部分vGPS的空间星座部分和地面监控部分是用户应用该的空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航定位的基础，而用户只有使用系统进行导航定位的基础，而用户只有使用GPS接接收机才能实现其定位、导航的目的。收机才能实现其定位、导航的目的。v用户部分组成用户部分组成 GPS信号接收机及相关设备信号接收机及相关设备vGPS接收机接收机 接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备信号的无线电设备vGPS接收机的组成接收机的组成 天线、接收机、处理器、控制

21、显示单元、电源天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源vGPS接收机的作用接收机的作用 接收接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的卫星发射的无线电信号，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定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作作3.2.3 美国对利用美国对利用GPS的限制政策的限制政策v美国实行所谓美国实行所谓“选择可用性选择可用性” SA政策政策 (Selective Availability)v提供两种定位服务方式：提供两种定位服务方式： 1.精密定位服务精密定位服务(PPS)P码码 (精码精码) 2.标准定位服务标准定位服务(SPS)C/A码码(粗码粗码

22、)（二（二)用户摆脱用户摆脱SA限制政策的措施：限制政策的措施： 1.建立独立的建立独立的GPS卫星测轨系统；卫星测轨系统； 2.加强加强GPS差分定位技术的研究与开发；差分定位技术的研究与开发； 3.开发开发GPS/GLONASS兼容接收机兼容接收机 4.建立独立的卫星导航与定位系统。建立独立的卫星导航与定位系统。 3.3 GPS的时空参考系统vGPS的最基本任务是确定用户在空间的位置。的最基本任务是确定用户在空间的位置。所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系中的位置坐标，位置是相对于参考坐坐标系中的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的。因此首先

23、要确定坐标系基准和标系而言的。因此首先要确定坐标系基准和时间基准。时间基准。v坐标系统和时间系统是坐标系统和时间系统是GPS的基本参考系统的基本参考系统v确定的时空参考系统是描述卫星运动、处理确定的时空参考系统是描述卫星运动、处理观测数据、表达用户位置的物理与数学基础观测数据、表达用户位置的物理与数学基础3.3.1 坐标系参考系统vGPS卫星主要受地球引力作用而绕地心旋转，卫星主要受地球引力作用而绕地心旋转，与地球自转无关。因此描述与地球自转无关。因此描述GPS卫星在其轨卫星在其轨道上的运动规律，选择不随地球自转的地心道上的运动规律，选择不随地球自转的地心坐标系是方便的。坐标系是方便的。v在在

24、GPS定位中，用户往往固定在地球表面或定位中，用户往往固定在地球表面或地球附近，对用户的定位往往是相对于地球地球附近，对用户的定位往往是相对于地球定位，因此引用与地球固联的坐标系是必要定位，因此引用与地球固联的坐标系是必要的。的。v对于对于GPS卫星，坐标基准是天球坐标系卫星，坐标基准是天球坐标系v对于用户，坐标基准是地球坐标系对于用户，坐标基准是地球坐标系v天球坐标系天球坐标系天球坐标系天球坐标系原点原点Z轴轴X轴轴标准历元平天球标准历元平天球坐标系（坐标系（CIS协协议天球系）议天球系）地心地心标准历元平标准历元平天极天极平春分点平春分点瞬时平赤道天球瞬时平赤道天球坐标系坐标系地心地心瞬时

25、平天极瞬时平天极 瞬时平春分瞬时平春分点点瞬时真赤道坐标瞬时真赤道坐标系系地心地心瞬时真天极瞬时真天极 瞬时真春分瞬时真春分点点 地球坐标系瞬时地球系协议地球系三种天球坐标系之间可以进行坐标转换。三种天球坐标系之间可以进行坐标转换。二种地球坐标系之间可以进行坐标转换二种地球坐标系之间可以进行坐标转换天球坐标系和地球坐标系之间也可以进行坐天球坐标系和地球坐标系之间也可以进行坐标转换标转换GPS卫星的参考系是卫星的参考系是WGS-84坐标系，是一坐标系，是一种地固坐标系种地固坐标系3.3.2 GPS的时间参考系统 v在在GPS定位系统技术中，要研究分析人造天定位系统技术中，要研究分析人造天体体GP

26、S卫星、卫星、GPS接收机的运动规律和位置。接收机的运动规律和位置。有关研究对象的运动描述，不仅需要空间参有关研究对象的运动描述，不仅需要空间参照系（坐标系），而且需要时间参照系（时照系（坐标系），而且需要时间参照系（时间基准）作为重要的基准来精确刻画研究对间基准）作为重要的基准来精确刻画研究对象的运动状态（位置、速度、姿态等）。象的运动状态（位置、速度、姿态等）。v时间参考系统包括时间原点（起始历元）和时间参考系统包括时间原点（起始历元）和时间单位（尺度），其中时间的尺度是关键，时间单位（尺度），其中时间的尺度是关键，而原点可以根据实际应用加以选定。而原点可以根据实际应用加以选定。v时间参考

27、系统的物理实现必须具有可观测时间参考系统的物理实现必须具有可观测的周期运动。这种周期运动应具备的周期运动。这种周期运动应具备连续性连续性、稳定性稳定性和和复现性复现性。v实践中，由于所选择的周期现象不同，便实践中，由于所选择的周期现象不同，便产生了不同的时间系统。产生了不同的时间系统。v恒星时（恒星时（ST）、平太阳时（）、平太阳时（MT）、世界时）、世界时（UT） v原子时（原子时（AT）v协调世界时（协调世界时（UTC）vGPS时间系统（时间系统（GPST）1.地球动力学时（地球动力学时（TDT） 3.4 GPS卫星位置的计算卫星位置的计算v卫星轨道参数（轨道根数）：卫星在空间运行的轨卫星

28、轨道参数（轨道根数）：卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道，描述卫星轨道状态和位置的参数迹称为卫星轨道，描述卫星轨道状态和位置的参数称为卫星轨道参数。称为卫星轨道参数。v卫星的无摄运动可由一组经过选择的轨道参数来描卫星的无摄运动可由一组经过选择的轨道参数来描述，他们是述，他们是 。称为开普勒轨。称为开普勒轨道参数（轨道根数）。道参数（轨道根数）。va椭圆轨道长半轴椭圆轨道长半轴ve 椭圆离心率椭圆离心率feai和、升交点赤经升交点赤经轨道面倾角轨道面倾角近地点角距近地点角距真近点角真近点角v在卫星的在卫星的6个轨道参数中，前个轨道参数中，前5个是常量，不随时间个是常量，不随时间变化而变化，它们的大

29、小是由卫星的发射条件所决变化而变化，它们的大小是由卫星的发射条件所决定的。只有真近点角定的。只有真近点角f是时间的函数。因此，计算卫是时间的函数。因此，计算卫星瞬时位置的关键，在于计算参数星瞬时位置的关键，在于计算参数f。v计算真近点角计算真近点角f 在计算真近点角时，要用到两个辅助参数：一个是在计算真近点角时，要用到两个辅助参数：一个是偏近点角偏近点角E，另一个是平近点角，另一个是平近点角M。偏近点角偏近点角E：由近地点：由近地点P至至S的圆弧所对应的圆心角即的圆弧所对应的圆心角即为卫星为卫星S所对应的偏近点角。仅当卫星位于近地点所对应的偏近点角。仅当卫星位于近地点和远地点时，偏近点角和远地

30、点时，偏近点角E与真近点角与真近点角f的数值是相同的数值是相同的。在其他位置，偏近点角的。在其他位置，偏近点角E与真近点角与真近点角f是不同的。是不同的。v由图，得到由图，得到E和和f的关系式：的关系式：v将上式两端平方，再相加，得到将上式两端平方，再相加，得到v上式即为以偏近点角上式即为以偏近点角E为自变量的轨道方程。为自变量的轨道方程。v由上述三个式子，可得由上述三个式子，可得EeaEbfraeEafrsin1sinsincoscos2)cos1 (EearEeEefEeeEfcos1sin1sincos1coscos22tan11cos1sin2tanEeefffv平近点角平近点角v轨道

31、直角坐标系：坐标原点轨道直角坐标系：坐标原点O在地心，在地心，X轴指轴指向椭圆轨道近地点向椭圆轨道近地点P，Y轴为轨道椭圆的短轴，轴为轨道椭圆的短轴，Z轴为轨道椭圆的法向。轴为轨道椭圆的法向。v平近点角：以平近点角：以tp作为起始时刻，在时刻作为起始时刻，在时刻t，卫，卫星以平均角速度星以平均角速度n绕地心在轨道平面中转过的绕地心在轨道平面中转过的角度角度M，称为平近点角。，称为平近点角。v平近点角与偏近点角的关系：平近点角与偏近点角的关系： 开普勒方程开普勒方程MttnEeEp)(sinv计算真近点角计算真近点角fv思路：通过平近点角计算偏近点角，由偏近思路：通过平近点角计算偏近点角，由偏近

32、点角计算真近点角。点角计算真近点角。v上式是一个超越方程，不易由上式是一个超越方程，不易由M直接求得直接求得E。一般采用迭代算法，迭代法的初值可近似取一般采用迭代算法，迭代法的初值可近似取EeMEsinME 0GPS卫星的瞬时位置v思路：对于任意观测历元思路：对于任意观测历元t，根据卫星的平均，根据卫星的平均运行速度运行速度n，求平近点角。再采用迭代的方法，求平近点角。再采用迭代的方法求出偏近点角，由偏近点角可以唯一确定相求出偏近点角，由偏近点角可以唯一确定相应的真近点角。由真近点角就可以求出应的真近点角。由真近点角就可以求出GPS卫星在任意观测历元卫星在任意观测历元t相对于地球的瞬时空间相对

33、于地球的瞬时空间位置。位置。v轨道直角坐标系下卫星的位置轨道直角坐标系下卫星的位置0sin)1 ()(cos0sincos212EeeEaffrzyxsssv轨道直角坐标系下，轨道直角坐标系下，GPS卫星位置的表达，卫星位置的表达，只是一种过渡性表达。我们的目的是求出只是一种过渡性表达。我们的目的是求出GPS卫星在地球坐标系中的位置。卫星在地球坐标系中的位置。v求天球坐标系下卫星的位置求天球坐标系下卫星的位置轨道直角坐标系与天球坐标系的关系由轨道直角坐标系与天球坐标系的关系由3个轨个轨道参数道参数 来确定。由轨道直角坐标系绕来确定。由轨道直角坐标系绕Zs轴轴 转过转过 角，再绕角，再绕Xo轴转

34、过轴转过 角，最角，最后绕后绕Zo轴转过轴转过 角，则轨道直角坐标系就角，则轨道直角坐标系就与天球坐标系重合了。与天球坐标系重合了。、ii)()()(zxzIsRiRRCv地球坐标系下卫星的位置地球坐标系下卫星的位置v瞬时地球直角坐标系和天球坐标系的关系瞬时地球直角坐标系和天球坐标系的关系0sin)1 ()(cos212EeaeEaCzyxIsIII0sin)1 ()(cos)(212EeaeEaCGASTRzyxIszCTS 3.5 GPS卫星的星历v卫星星历：描述任一时刻卫星星历：描述任一时刻t，卫星在空间的位，卫星在空间的位置的一组参数称为卫星星历。置的一组参数称为卫星星历。vGPS卫星

35、星历有两种方式：预报星历（广播卫星星历有两种方式：预报星历（广播星历）和后处理星历（精密星历）。星历）和后处理星历（精密星历）。vGPS卫星的预报星历是这样一组参数：它包卫星的预报星历是这样一组参数：它包含相对于某一参考历元含相对于某一参考历元toe的开普勒轨道参数的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。和必要的轨道摄动改正项参数。v预报星历是由卫星广播发射的导航电文传递预报星历是由卫星广播发射的导航电文传递到用户的，用户接收机捕获到这些信号，经到用户的，用户接收机捕获到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历。过解码便可获得所需要的卫星星历。v在卫星星历中，其中相应于某参考历元的开在卫

36、星星历中，其中相应于某参考历元的开普勒轨道参数，是根据地面普勒轨道参数，是根据地面GPS监测站对监测站对GPS卫星约一周的跟踪观测资料推算出来的。卫星约一周的跟踪观测资料推算出来的。vGPS卫星发射的广播星历，每小时更新以此，卫星发射的广播星历，每小时更新以此，供用户使用。供用户使用。vGPS卫星的广播星历一共有卫星的广播星历一共有16个星历参数。个星历参数。包括一个参考历元包括一个参考历元toe，6个相应于参考历元的个相应于参考历元的开普勒椭圆轨道参数和开普勒椭圆轨道参数和9个反映摄动力影响的个反映摄动力影响的改正项参数。改正项参数。其中，其中，AODE表示从最后一表示从最后一次注入电文时次注入电文时起算到外推星起算到外推星历时刻的外推历时刻的外推时间间隔，称时间间隔，称为