03-GPS卫星轨道的理论和计算

1、GPS定位技术和应用第三章GPS卫星轨道的理论和修正、1、GPS原理和接收机设置修正、概要、位置需要描述在一个确定坐标系中地面接收机位置随地球自转的变化。 GPS卫星的运动与地球自转无关。 GPS定位首先创建描述卫星运动的惯性坐标系，找出卫星运动坐标系与地面点所在坐标系之间的关系，最终实现坐标系之间的变换。2、GPS定位技术和应用、广东工业高等院校、简介、天球坐标系是卫星运行位置和状态地球坐标系描述地面点位置的两个坐标系之间的转换时间系统、GPS定位技术和应用、3、广东工业高等院校、3.1空间坐标系、观测类星体从东升至最高点(中天)。 然后，由于掉落到西面地球从西向东自转，使得北极星天轴所指的

2、类星体静止不动，广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、4、天球(celestial sphere )、天上的类星体与我们一样远(巨大球球面上的心理投射)在上球体， 以地球重心为中心半径无限大的虚拟天球的基本概念、天轴地球自转轴的延长直线天极天轴和天球的升交点北天极、南天极、GPS定位技术和应用、6、广东工业高等院校、天球的基本概念、天球赤道面通过地球重心，垂直于天轴的平面。 与地球赤道面重叠的重要基准面上球体与赤道面相交的圆半径无限大、GPS定位技术和应用、7、广东工业高等院校、球体的基本概念、上球体子午面是包含天轴的平面上球体子午面与球体相交的圆半径无限大时圈或天轴的平面与球体相交的半圆、

3、GPS定位技术和应用、8、黄赤交角：黄道面与赤道面的夹角， 约23.5度黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的升交点，GPS定位技术与应用，9，广东工业高等院校，天球的基本概念，春分点太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的升交点。 建立天球坐标系的重要基准点。GPS定位技术和应用、10、广东工业高等院校、3.1.1惯性坐标系、GPS经常涉及的空间坐标系通常也称为惯性坐标系：在空间上具有静止或匀速直线运动的坐标系、空固坐标系。 地球坐标系：固定在地球上，与地球一起在空间中进行公转和自转运动的坐标系，也称为地固坐标系。GPS定位技术和应用，11、广东工业高等院校、地心垂直

4、角惯性坐标系(XI，YI，ZI )，原点是地球重心O Z轴指向天球北极x轴指向春分点y轴垂直于XOZ平面，x轴、z轴和右手系【右图】，广东工业高等院校其他天体拍摄动力无影响。 这就是说，假定地球自转轴被固定在空间的方向，即春分点在天球位置处是恒定的。 实际并非如此，广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、14、岁差、地球自转轴方向不一定，春分点在黄道上缓慢向西移动就是岁差现象。 广东工业高等院校、GPS定位技术与应用、15、岁差、岁差的原因：地球不是完美的均匀球体，而是太阳、月亮等天体的引力作用于地球的隆起部分。 广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、16、地球的实际形状、岁差现象的数值表现

5、、北天极以黄北极为中心顺时针缓慢旋转。 圆锥角半径为23.5度。 北天极每年向西移动50.71”，周期为25800年。天轴指向变化，北极星的身份也变化：现在，勾陈一3000年前，天龙座的右枢，广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，17，仅考虑岁差，岁差效应的情况下，北天极瞬时平北天极(简称平北天极)天球被称为赤道瞬时天球平的章动(nutation ) 中稍微不规则的运动，是自转轴在方向的变化中“点头”这样的摇摆现象的原因：太阳等行星引力的影响，月亮的运行轨道和地月间距离的变化。 广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，19，倾斜的地球自转，岁差和章动，章动，数值：周期约18.6年将岁差和章动

6、的综合影响考虑到云同步：北天极瞬时北天极(北方天极)天球赤道(真天球赤道)地球上的固定点在天球坐标系中随地球自转变化， 用地球坐标系描述地面固定点的位置很方便，广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，21，地球坐标系的两种表示形式，地心固定正交坐标系原点o和地心重合的z轴指地球北极x轴，格林尼治子午面和地球赤道升交点E Y轴垂直于XOZ平面。 构成了右手系、广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、22、地球坐标系的两种表现形式，大地坐标系大地体的中心与地球重心重合。 椭球体短轴与地球自转轴重叠的大地纬度是通过地面的点的法线与赤道面所成的角即大地的经度是通过地面的点的椭球体子午面与格林尼治子午面

7、间的夹角即大地的高度h是地面的点沿着椭球体法线至椭球体的距离，广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、23、两种坐标系的换算、大地坐标系地心固广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，24，相关残奥仪表的修订。 其中，a、b分别是椭圆体的长半径和短半径。 广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，25，协议圈：通过p的法线，垂直于该点子午面的法截面和椭圆体面被切缺的封闭圈，2个坐标系的换算，地心固直角坐标系大地坐标系，广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，26，其中WGS:world geodetic system 从1987年1月10日开始采用WGS-84。 为了确定地面观测站的位置，GPS卫

8、星的即时位置也应当换算为统一地球坐标系(WGS-84 )。 广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，27，WGS-84坐标系，WGS-84坐标系的原点是地球重心，z轴是BIH1984.0定义的协定地球极(CTP )方向，x轴是指BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的升交点的广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，28，WGS-84关于WGS-84正交坐标系和WGS-84大地坐标系之间的坐标变换，上述式子仍然成立，WGS-84的基本大地坐标残奥整表、3.1.4正交坐标系之间的旋转变换、正交坐标系(x，y，z )绕z轴旋转而成为(x，z )是3.1.4的正交坐标系。 z )在绕x轴旋转时成为(

9、x，y，z )，点p在正交坐标系(x，y，z )的坐标在设点p在正交坐标系(x，y，z )的坐标为(x，y，z )时，新的坐标系(x，y，z )中的坐标(x，y，z )为3.1 局部中心坐标系由用户中卫星的观测向量和仰角、广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、34、卫星观测向量的校正、用户到卫星的观测向量为在该卫星的点p处的单位观测向量1(s )、观测向量为以p点为原点的局部中心坐标一个向量的局心坐标也可以变换为地心固正交坐标系。 对应的变换公式是卫星方位角和仰角的修正，卫星仰角是观测向量天顶角东向北双向的高于水平面的角度，即卫星观测向量和天顶方向的角度这一2.6.1小时的概念GPS定位中时

10、间系统的意义：时间系统是精确描述天体和人造天体运行位置及其相互关系的重要标准广东工业高等院校、GPS定位技术和应用，40、GPS中时间系统的重要意义是，由于GPS卫星的位置不断变化，给卫星的运行位置，给云同步提供相应的时间。 要求位置误差小于1cm，时刻误差小于2.610-6s。 为了正确测量从卫星到观测站的距离，有必要正确测量信号的传播时间。 要求距离误差为1cm以下，信号传播时间的检验误差为310-11s以下。 广东工业高等院校、GPS定位技术和应用，时间系统在41、GPS中的重要意义是，在天球坐标系上，地球上的点位置不断变化，赤道上的点位置误差必须超过1cm，时间检验误差必须在210-5

11、s以下。 广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、42、时间概念、时间是宇宙事件顺序的测量、描述。 时间不是自变量而是变量，会随着宇宙的变化而变化。 广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、43、时间概念、时间包括“时间”和“时间间隔”两个概念。 时间：某现象发生的瞬间。 在天文学和卫星定位中，得到数据对应的时刻称为日历。 时间间隔：发生某种现象所经历的过程，是该过程开始的时间差。 广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，44，时间概念，时间测量绝对时间测量。 时间间隔的测量相对时间测量。 时间测量的标准：测量的尺度(时间的单位是什么？ (牛鼻子)测量的原点(时间的起点是什么？ 广东工业高等院

12、校、GPS定位技术和应用、45、时间基准、任意周期运动现象，只要满足以下条件，均可用于确定时间基准：运动是连续的、周期性的。 运动周期具有一盏茶稳定性，运动周期具有再现性，即无论何时何地，都可以通过观测和实验来再现这种周期性运动。广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、46、GPS常用时间系统、世界时原子情况力学时、广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、47、世界时(universal time，UT )、平子夜零时格林尼治平太阳时称为世界时。 UT=GAMT 12(h) GAMT表示平太阳相对于格林尼治的午睡时角。 世界时和平太阳时的尺度标准相同，区别只是起讫点的不同。 由于广东工业高等院

13、校、GPS定位技术和应用，48、世界上地球自转速度不均匀，自转轴在地球内部的位置也不稳定，地球自转不稳定，破坏了建构时间系统的基本条件。 从1956年开始，在世界时引入了极移改正和地球自转速度季节性改正，得到的相应世界时可以表示为UT1和UT2，未改正的可以表示为UT0。 随着广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、49、原子时、科学技术的发展，对时间精度和稳定性的要求越来越高，基于地球自转的世界时系统难以满足要求。 20世纪50年代，建立了基于物质内部原子运动特征的原子时(ATomic time，at )系统。 广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、50、原子时、原子时起点定于1958年1

14、月1日0时0分0秒(UT )，规定在该瞬间原子时时刻与世界时刻重合。 但是，事后得知那个瞬间原子时和世界时的时间差是0.0039秒。 这一差距作为历史事实留存下来。 确定原子时起点后，由于地球自转速度不均匀，世界时和原子时的时差逐年积累。 根据AT=UT2-0.0039(s )、广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、51、国际原子时(international atomic time )、原子时秒的定义，任何原子时修订都是在确定初历后由各实验室在一盏茶正确铯原子时修订导出的原子时称为地方原子时。 现在世界上约20多个国家的不同实验室建立了各自独立的地方原子。 国际时间局对五洲四海原子时修正的

15、数据进行比较、统合，最后确定的原子时被称作国际原子时(TAI )。 TAI的起点是将1958年1月1日0时0分0秒UT的瞬间定为同年同月同日0时0分0秒TAI。 广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、52、原子时修正震荡器的频率精度和稳定性决定了原子时修正的精度。 在GPS中，该原子时被认为是高精度时间基准并且用来精确地测量卫星信号传播的时间。 广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、53、协同世界时(UTC )由于其地球自转速度有长期减缓的趋势，因此，世界时每年约比原子时慢1s。 在世界日常生活中也被广泛使用(最直观)。 国际原子时的精度是每天数纳秒，世界时的精度是每天数毫秒。 针对这种状

16、况，1972年发售了被称为协调世界时(coordinate universal time，UTC )的折衷的时间斯坦共和国。 广东工业高等院校，GPS定位技术和应用，54，协调世界，协调世界基于原子时秒长。 采用闰秒的方法，使协调时和世界时时刻总是接近。 如果协调时和世界时的时间差超过0.9s，则在协调时导入闰秒。 位于巴黎的国际地球自转事务中央局有责任决定何时加入闰秒。 广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、55、协调世界的用途、协调世界的系统应用于许多网际网络和web标准，如网络时间连接协议是协调世界时网际网络使用的方式。 在军事上，协调世界的时区用“z”来表示。 另外，因为z是无线通信代表“Zulu”，所以在协调世界时也被称为“Zulu time”。 协调广东工业高等院校、GPS定位技术和应用、56、世界时的日常使用，大部分国号广播都以UTC为标准。