卫星定位导航系统原理及应用第二讲课件

卫星定位导航系统原理与应用信息科学技术学院：张继伟第二讲坐标系点位的确定总是和一定的坐标系联系在一起的。一般地说，要确定一个坐标系就需指明坐标原点的位置、坐标轴的指向以及确定点位时所用的参数这三个要素。为建立卫星导航的数学公式，必须选定参考坐标系，以便表示卫星和接收机的状态。在建立公式时，典型的是用在笛卡尔坐标系中测度的位置与速度矢量去描述卫星和接收机的状态。坐标系GPS卫星主要受地球引力作用而绕地心旋转，与地球自转无关，为了描述GPS卫星在其轨道上的运动规律，引用不随地球自转的地心坐标系是十分自然的。它是空间固定坐标系。同时，在GPS定位中，观测站往往固定在地球表面，其空间位置随同地球自转而运动，于是为了便于表达观测站的位置，引用与地球固联的地心坐标系亦是必要的。

因此，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系:天球坐标系和地球坐标系。天球天球极轴，春分点轴，加上与这两轴垂直并位于天球赤道平面内的第三条轴(自然是稳定不变的轴),构成在宇宙空间稳定不变的参考轴系,称为地心天球坐标系。简称天球坐标系。天球空间直角坐标系和天球球面坐标系岁差

指由日月行星引力共同作用的结果，使地球自转轴在空间的方向发生周期性变化。周期约25800年。章动北天极除岁差运动外，在各种天体力的影响下还存在短周期的变化,它叠加在岁差运动上。如果将任一观测时刻的北天极的实际位置称为瞬时北天极（亦称真北天极）,瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，其长半径约为9.2〞,周期约为18.6年,这种运动称为章动。岁差春分点的漂移方向章动影响三种天球坐标系瞬时真天球坐标系（既考虑岁差又考虑章动的动坐标系）。瞬时平天球坐标系（仅考虑岁差进去而略去章动影响的动坐标系）。协议天球坐标系（CIS）：由国际协议规定的标准历元所对应的平天球坐标系。标准历元t0：2000年1月15日TDB（太阳系质心力学时）。地球固连坐标系地球固连直角坐标系

原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，Y轴指向格林威治平子午面与地球赤道的交战E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。大地坐标系

地球参考椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合，大地纬度φ为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度λ为过地面点的椭球子午面与格林威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。地球直角坐标系与地球大地坐标系示意图极移由于地球内部存在着物质运动，地球并非刚体，北地极在地球表面上随着时间的变化而变化，这种现象称为地极移动，简称极移。瞬时地球坐标系

与观测瞬时相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相应的极点称为瞬时地极。瞬时地极相应的地球坐标系，被称为瞬时地球坐标系。瞬时地球坐标系不是与地球球体固联的坐标系。地球瞬时坐标系与协议地球坐标系协议地球坐标系(CTS)的实现CTS是从理论上定义的一个地球坐标系。在实际应用中，由国际时间局(BIH)根据许多观测站的观测结果，推算出极移跟踪数据，定期发表公报，给出以角移为单位的瞬时地极坐标，这些瞬时地极坐标所相应的地极原点称为BIH系统协议地极原点。BIH系统协议地极原点是CIO的工程逼近，两者差异很小。CTS的建立是靠BIH系统协议地极原点来实现的，实际应用的协议地球系称为BIH系统的协议地球系，或称为BIH地球参考系(BTS)。BTS是理想协议地球系(CTS)工程实现。地球坐标系在卫星大地测量中经常用到的地球坐标系有两种：一种是空间直角坐标系，另一种是大地坐标系。采用空间直角坐标的优点是，它不涉及参考椭球体的概念，而且在求两点之间的距离和方向时，计算公式十分简单。但其表示点位不够直观，不容易在地图上直接标出。地图投影过程：设想在一个透明的地球仪内部确定一个点光源，在地球仪表面放上不透明的地球特征，然后在围绕地球仪的二维表面上投影特征轮廓线。利用围绕地球仪的圆柱、圆锥或平面模式产生不同的投影方式。地图投影的分类按其变形性质分：等角投影：投影后，地图上任意两相交短线之间的夹角保持不变。等面积投影：投影后，地图上面积大小保持正确的比例关系。等距投影：投影后，地图上从某一中心点到其它点的距离保持不变。方位投影：投影后，地图上表示的任一点到某一中心点的方位角保持不变。按投影面分：平面：平面与椭球面在某一点相切；圆锥面：圆锥体面与椭球在某一纬圈相切，或两纬圈相割；圆柱面：圆柱面/椭圆柱面与椭球在赤道上或某一子午圈上相切。按中心轴线分：正轴投影：轴与椭球的短轴相合；横轴投影：赤道面上，与椭球短轴正交；斜轴投影：轴位于上述两种位置之间。高斯投影为高斯于1820-1830年提出的一种投影方法，在1912年，克吕格对其进行整理和扩充，并求出实用公式。因此又称高斯-克吕格投影。目前，中国、德国以及俄罗斯等国家均采用此投影。为横轴、椭圆柱面、等角（正形）投影。每带建立一个平面直角坐标系，东向为Y轴，北向为X轴，轴子午线与赤道的交点作为坐标系的原点。这样，轴子午线以东的点y为正，以西的点y为负，所以y值协议加500公里。分带方式可以限制投影变形的程度，但也带来了投影不连续的缺点。UTM投影为通用横轴墨卡托投影(UniversalTransverseMercatorProjection)，是1938年美国军事测绘局提出的，1954年开始采用。其归属于高斯投影族，其基本条件为：（1）正形投影。（2）经度的起点为零子午线，纬度的起点为赤道。（3）带宽为6，西经180～西经174为第1带，一直到东经180为60带。（4）中央子午线东移500KM，投影长度比等于0.9996，而不等于1.UTM投影在整个投影带内的长度变形较均匀，比高斯投影的长度变形小，其计算可通过高斯坐标获得：XU=0.9996x,YU=0.9996y。大地坐标系

(1)WGS84WGS-84世界大地坐标系(WorldGeodeticSystem)是由美国国防制图局(defencemappingagency，DMA)建立的一种协议地球坐标系，是GPS卫星导航定位的测量成果，于1987年1月10日开始采用。WGS84系是目前最高精度水平的全球大地测量参考系统。其坐标原点位于地球的质心，Z轴平行于协议地球极轴，X轴指向零子午面与赤道的交点（北向），Y轴指向东向，而垂直于X轴的方向，以构成地心地固ECEF（EarthCenteredEarthFixed)的正交坐标系。(2)北京54系（P-54）采用原苏联的克拉索夫斯基的椭球，其椭球参数通过与苏联1942年坐标系联测建立，实际上是苏联1942年坐标系的延伸，其大地原点为普尔科沃天文台圆柱大厅中心。(2)北京54系（P-54）BJ-54系存在的主要问题是：1、椭球参数只有两个几何参数、且长半轴与现代参数相比误差较大。2、坐标轴指向与当前国际、国内采用的方向不一致。1980国家大地坐标系（NGS-80）1980年开始改用了1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会推荐的椭球参数。大地原点（参考椭球面与大地水准面的公共切点沿铅垂线的相应地面点）设在陕西省泾阳县永乐镇。(3)北京新54系采用克拉索夫斯基椭球参数。大地原点为1980的大地原点。高程基准是以1956年青岛验潮站求得的黄海平均海水面。三种椭球参数比较参数WGS-84北京54国家80长半轴a637813763782456378140扁率1/f=(a-b)/a298.257223563298.3298.25754高斯坐标与84UTM坐标的比较相同点：1、投影方式均为横轴、椭圆柱面、等角投影。2、为了减小投影变形，都进行了分带处理。3、为了y值不为负值，都对y值协议进行了处理，y值协议加500km和中央子午线东移500km。不同点：1、采用的地球椭球模型不同。2、对6º带分带的起始点不同。3、投影长度比不同。高斯投影为1，UTM投影长度比为0.996。不同国家采用不同大地坐标系的原因：

1、各国根据自己的大地系统绘制了大量的地形图，多年沿用已经形成习惯。2、在同一的地区采用不同的椭球近似程度不一样，希望选一个近似程度好的。 3、出于政治军事上保密的目的。

坐标变换大地坐标（经度和纬度）与平面坐标（北向和东向）的转换，其中包括正运算和反运算。不同坐标系之间的转换需要7参数。全球定位系统的时间参考系统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连续性、稳定性和复现性。三者缺一不可全球定位系统的时间参考系统恒星时恒星时是以春分点为参考点，以地球周期性自转为基础，具有地方性的时间系统。恒星时的原点定义为春分点通过本地子午圈的瞬时，恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔称为一个恒星日。全球定位系统的时间参考系统平太阳时

是根据太阳在天球上周而复始的东升西降的视运动定义的时间系统。由于真太阳的视运动速度不均匀，因此假设一个参考点，其在天球上的视运动速度，等于真太阳在天球上的视运动的平均速度，这个假设的参考点被称为平太阳。平太阳的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。平太阳的原点定义为平太阳通过观察者所在子午圈的瞬时，平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一个平太阳日。平太阳时也具有地方性，称作地方平太阳时，简称地方平时。全球定位系统的时间参考系统世界时

地球上零子午圈所对应的平太阳时且以平子夜为零时起算的时间系统，称为世界时（UT）。UT=GMST+12(h)GMST代表平太阳相对格林尼治子午圈的时角。

由于地球自转的速度并不均匀，且自转轴的方向在地球内部也不固定(极移现象)，所以自1956年以来，在世界时中引入了极移改正项△λ和季节性改正项△TS。UT1=UT0+△λ

UT2=UT1+△TS全球定位系统的时间参考系统原子时现代物理学发现，物质内部原子的跃迁,所辐射或吸收的电磁波频率,具有极高的稳定性和复现性。所以根据这一物理想像所建立的原子时,便成为当代最理想的时间系统。1967年定义了原子时的秒长:位于海平面上的铯133原子基态两个超精细能级,在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间,为一原子时秒。原子时的原点由下式确定:

AT=UT2-0.0039(s)

国际时间局对世界上精选出的100座原子钟进行相互比对，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）。全球定位系统中，采用原子时作为高精度的时间基准。全球定位系统的时间参考系统协调世界时(coordinateuniversaltime，UTC)

原子钟发布的原子时,尺度更加均匀稳定,但它并不能完全取代世界时,原因是在地球科学的种种研究中,都涉及地球的瞬时位置,这些都离不开以地球自转为基础的世界时。

原子时的秒长比世界时的秒长略短,这就使原子时比世界时每年约快1s（多出1s)。两者之差逐年积累。为了避免发播的原子时与世界时之间产生过大的偏差,同时,又要使两种时间系统同时并存,就有必要建立一种兼有两种时间系统各自优点的新的时间。这就是从1972年起所采用的协调世界时(UTC,简称协调时)。

UTC的秒长,严格等于原子时的秒长,采用闰秒(或称跳秒)的办法使协调时与世界时的时刻相接近,当协调时与世界时的时刻差超过±0.9s时,便在协调时中引人一闰秒(或正或负),闰秒一般在12月31日或6月30日的最后一秒加人。具体日期由国际时间局安排并通告。全球定位系统的时间参考系统GPS时间系统（GPST）

GPST属于原子时系统,它的秒长即为原子时秒长,GPST的原点与国际原子时IAT相差19s。即

IAT–GPST=19（s）

GPST与协调时UTC之间的关系式为

GPST=UTC+1×n-19(s)

规定于1980年1月6日零时时刻调整参数为:n=19；此时GPST和UTC时刻一致。其后,随着时间的积累,两者之间的差别将表现为秒的整数倍,至1987年,调整参数n=23,两时间系统之差为4s；至1992年,调整参数n=26,两时间系统之差已达7s。全球定位系统的时间参考系统地球动力学时（terrestialdynamictime，TDT)

在人造地球卫星动力学和运动学方程中所要求的一种严格均匀的时间尺度和独立变量——称为地球动力学时(TDT)。TDT是相对于地球质心的力学方程所采用的时间参数。

TDT的时间尺度是国际制秒(1s),它与原子时的尺度完全一致。国际天文协会规定:1977年1月1日原子时(IAT)的零时刻与地球动力学时(IUT)的严格关系,定义如下:

TDT=IAT+32.184(s)时间系统及其之间的关系

1964年建成海军导航卫星系统NNSS，又称为子午卫星系统可提供三维地心坐标

优点：精度均匀、不受天气和时间限制等

★星基电子导航系统的出现缺点：

1、卫星少，不能实时定位 2、卫星轨道低，难以精密定轨 3、卫星信号频率低，难以补偿电离层效应 4、定位速度慢，需一至两天观测时间GPS概述GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是,利用导航卫星进行测时和测距,以构成全球定位系统。现在国际上已经公认:将这一全球定位系统简称为GPS。★GPS全球定位系统的出现

目的：实现全天候、全球性和高精度的连续导航和定位

最初方案：由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，每个轨道8颗卫星。保证在地球上的任何位置，均能同时观测到6~9颗颗卫星。

系统采用“高轨测距”体制，卫星轨道平均高度为20200Km，利用伪随机码进行测距。

用两种伪随机码来区分军事用户和民事用户的定位精度，即为精码（P码）和粗码（C/A）码。

为了区别不同的卫星和提高抗干扰能力，系统采用了直接序列扩频技术，整个系统相当于一个码分多址（CDMA）系统。为了补偿电离层效应的影响，卫星信号的载波频率由NNSS卫星的0.15GHz和0.4GHz提高到1.23GHz和1.58GHz。第二方案：

卫星数由24颗减为18颗，分布在互成60度的6个轨道平面上，每个轨道平面分布3颗卫星。

该方案能够基本保证地球上的任何位置均能同时观测到4颗卫星。

经过实验发现，该配置可靠度不高。现行方案：

找到了经济性和准确性、可靠性的结合点。形成21+3的最终方案。第一阶段：方案论证和初步设计阶段

时间：1973年到1978年

工作：发射4颗卫星，建立地面跟踪 网，研制地面接收机★GPS实施计划第二阶段：全面研制和试验阶段时间：1979年到1984年工作：发射7颗BlockI型试验卫星，研制导航型和测地型接收机第三阶段：使用组网阶段时间：1985年到1993年工作：发射BlockII和BlockIIA工作卫星，最终形成设计星座GPS卫星的发射概况2.GPS组成GPS系统由三大部分组成:（1）空间部分-GPS卫星星座（2）地面控制部分一运行控制系统（3）用户部分-GPS接收机GPS系统三大组成空间部分-GPS卫星星座空间部分由高度约为20230KM的21颗工作卫星和3颗在轨热备份卫星组成卫星星座。卫星分布在6个等间隔的、倾角为55°的近圆轨道上,运行周期为718min(约12小时）。GPS空间卫星★单个卫星特征GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部研制的,卫星重约774Kg，采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星的供电部分为对日定向太阳能电池帆板，板面始终对准太阳，为卫星不断地提供电力，同时给镍镉蓄电池充电，保证在地影区卫星仍能正常工作。星体底部装有多波束定向螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。GPS卫星上采用了铯原子钟作为频率标准，保证了所有卫星能够在一个月或更长时间内独立工作而无需地面校正，也保证了精密定位的要求。此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。GPS卫星星座示意图GPS卫星星座的分布GPS卫星特点GPS卫星上除了由控制卫星自身工作的遥测、跟踪、指令系统，用于轨道调整与姿态稳定的控制和推进系统，电源系统和计算机等组成外,主要有具有长期稳定度的原子钟(其误差为1s/300万年)、L波段双频发射机、S波段接收机、伪随机码发生器及导航电文存储器。卫星的主要任务是播发导航信号。GPS提供的两种服务卫星采用两种伪随机码对发射信息进行调制,一种是保密的精密码(P码),它同时调制在f1和f2两个频率上,主要是向美国及其盟国的军事用户提供精密定位服务(PPS-PrecisePositioningService);另一种是粗捕获码(C/A码),仅调制在f1频率上,向全世界民用用户提供标准定位服务(SPS-StandardPositioningService)。卫星发播的导航电文包括:卫星星历、时钟偏差校正参数、信号传播延迟参数、卫星状态信息、时间同步信息和全部卫星的概略星历。用户通过对导航电文的解码,可以得到以上各参数,用于定位计算。GPS的星历数据和用户定位数据都采用WGS84全球测地坐标系统。21+3颗GPS卫星分布在互成60°的6个椭圆形轨道面上，轨道倾角为55°。每个轨道面上布设4颗卫星。卫星轨道的长半轴为26609km，偏心率为0.01，卫星运行高度为20200km，运行周期为718min。此轨道参数能保证卫星信号覆盖地面面积38%，地球上任何一点任何时刻均能够同时观测到至少4颗GPS卫星。卫星运行到轨道的任何位置上，对地面的距离和波束覆盖面积基本上不变。在波束覆盖区域内，用户接收到的卫星信号强度近似相等，即用于定位的卫星信号信噪比近似相等。★卫星星座分布特征GPS卫星的作用是向广大用户连续不断地发送导航信号(又称GPS信号〉，并用导航电文报告自己的现时位置以及其他在轨卫星的概略位置，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令如适时地改正运行偏差，或者启用备用时钟等命令；在飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号形成电路适时地发送给广大用户。★GPS卫星的作用2.2地面控制部分地面控制部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。主控站位于ColoradoSprings的联合空间执行中心，3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地内，即大西洋的Ascension岛、印度洋的DiegoGarcia岛和太平洋的kwajakin岛，5个监测站设在主控站和3个注入站以及Hawaii岛GPS主控站和监控站分布图主控站的主要任务收集和处理本站及各监测站的跟踪测量数据，计算卫星的轨道和钟参数；将预测的卫星星历、钟差、状态数据及大气传播改正参数编制成导航电文传送到注入站；纠正卫星的轨道偏离，必要时用备用卫星取代失效的工作卫星；检测整个地面系统的工作。注入站的主要任务将主控站发来的导航电文用S波段射频链上行注入到相应卫星上。上行注入每天1次或2次，每次注入14d的星历；自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。监控站的主要任务监控站配有精密的銫钟和伪距测量接收机，为主控站提供卫星的测量数据。在主控站的遥控下，每隔1.5s进行一次伪距测量，利用电离层和气象数据，每15min进行一次数据平滑，然后发送给主控站。GPS系统组成2.3GPS信号接收机GPS信号接收机是GPS导航卫星的用户设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备。既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特性。接收机通常由天线单元和接收单元两部分组成。接收机的主要功能是:接收卫星发播的信号并利用本机产生的伪随机码取得距离观测值和导航电文；根据导航电文提供的卫星位置和钟差改正信息，计算接收机的位置。2.3.1GPS接收机分类按使用环境：低动态接收机和高动态接收机。按所使用的信号种类和精度：单频粗捕获码(C/A码)接收机和双频精码(P码)接收机。按用途：测量型、授时型（在取消SA政策时可获得40ns的授时精度）、导航型和姿态型接收机。导航型接收机按载体形式：机载式、弹载式、星载式、舰载式、车载式、手持式等。按封装方式：OEM板（OriginalEquipmentManufacture)和整机。2.3.2GPS接收天线接收天线是无线电波进入接收设备的入口地,是将电磁波还原为高频电流的“能量变换器”。方向性图、增益、输入阻抗、极化和频带宽度，是表征天线特性的五大参数。天线方向性图是辐射能量在空间分布状态的三维立体图形。极化是无线电波的电场矢量所指的最大辐射方向。当电场的垂直分量和水平分量大小相等，而相位相差90°(或270°)时，则其合成电场的矢端，将以该电波的角频率ω作圆周旋转。这种电磁波叫做圆极化波。GPS信号接收天线应具有圆极化特性。GPS接收机组成示意图选用GPS接收机的基础知识定位时间定位精度数据更新率接口方式物理特性环境适应性坐标系时间体系定位时间接收机确定用户位置所需要的时间。冷启动时间：50S温启动时间：40S热启动时间：30S重捕时间：0.5S定位精度接收机可为用户提供的位置精度，一般分为水平定位精度和垂直定位精度。在这是指接收机所测定的地面点位与其实际点位之差。如：水平1.8m(CEP)。数据更新率每秒钟数据输出的次数，单位：Hz如：20Hz，10Hz，1Hz等接口方式一般采用串行接口，具有COM11个或COM1/COM22个串行口电平类型：RS232或RS422，多采用RS232信号类型：RS232：RXD，TXD，GNDRS422：RXD+，RXD-，TXD+，TXD-波特率：每秒发送数据的位数（bits),如：9600bps(bitspersecond)数据位，停止位和校验位接收机与CPU（2个COM口）

连接方法（RS232）COM1接收机COM2COM1