北斗衛(wèi)星導(dǎo)航理論與應(yīng)用課件(完整版)

1、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航理論與應(yīng)用授課方式：討論與講授課前準(zhǔn)備：查閱文獻(xiàn)、下載系統(tǒng)文件、準(zhǔn)備討論發(fā)言稿成績構(gòu)成：課堂討論（60%）和實(shí)驗(yàn)報(bào)告（40%）期末報(bào)告要求：Word文檔，書寫規(guī)范，杜絕抄襲討論內(nèi)容：大綱為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 3第一章 緒論 導(dǎo)航的基本概念 導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與分類 無線電導(dǎo)航定位 GNSS的組成 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)規(guī)劃 41.導(dǎo)航的基本概念導(dǎo)航的定義：引導(dǎo)人、或者平臺(tái)(飛機(jī)、艦船、車輛等載體)，準(zhǔn)確地沿著所選定的路線，按照規(guī)定的時(shí)間到達(dá)目的地。 導(dǎo)航的基本任務(wù)： Who: 載體或個(gè)人 When: 時(shí)間 Where: 位置-線路、精度 5 按傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，導(dǎo)航系統(tǒng)就是定位系統(tǒng)

2、。極高的飛行速度：航向和距離 交通密度增加：需要連續(xù)的、實(shí)時(shí)的駕駛信息 提供航行中的位置、方向、距離和速度等導(dǎo)航參量。 導(dǎo)航的研究：就是要弄清楚導(dǎo)航參量的測量和運(yùn)用。 導(dǎo)航的實(shí)踐：就是運(yùn)用導(dǎo)航參量來保證載體安全而有效地航行。 62. 導(dǎo)航系統(tǒng)的分類觀測導(dǎo)航航標(biāo)方法，比如目視方法，就是借助信標(biāo)或參照物實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。簡單、可靠，比如飛機(jī)進(jìn)場著陸；航標(biāo)法飛行： 以地面參照物作為路標(biāo)，即目視飛行，飛行員入門課程；缺點(diǎn)：沒有導(dǎo)航儀器，飛得慢又飛得低，能見度低、難以辨認(rèn)標(biāo)志；在海洋、沙漠中等無航標(biāo)地區(qū)無法導(dǎo)航。 7推算導(dǎo)航 根據(jù)載體的運(yùn)動(dòng)方向和所航行的距離(或速度、時(shí)間)的測量，從過去已知的位置來推算當(dāng)前位置

3、，或預(yù)測將來位置，從而得到運(yùn)動(dòng)軌跡。 它克服了觀測導(dǎo)航的缺點(diǎn)，不受天氣、地理?xiàng)l件的限制。隨著航行時(shí)間和航行距離的增長，位置積累誤差 越來越大，需進(jìn)行位置校準(zhǔn)，比如慣性導(dǎo)航。 8天文導(dǎo)航 天空中的星體(太陽、月亮、其他行星、恒星等) 相對(duì)于地球有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道和位置。通過 觀測多個(gè)星體的位置參數(shù)，來確定觀測者在地球 上的位置。廣泛應(yīng)用于航空、航天。 與推算導(dǎo)航一樣，不需要地面支撐設(shè)施，可用來 校正推算導(dǎo)航的積累誤差。 缺點(diǎn)：受時(shí)間、氣象條件限制，定位時(shí)間長，計(jì) 算復(fù)雜。 9無線電導(dǎo)航 通過測量無線電波從導(dǎo)航發(fā)射臺(tái)到載體接收機(jī) 的傳輸時(shí)間來定位。 陸基無線電導(dǎo)航：導(dǎo)航臺(tái)位于地面 衛(wèi)星無線電導(dǎo)航

4、：導(dǎo)航臺(tái)設(shè)在衛(wèi)星上 不受時(shí)間、天氣的限制，設(shè)備簡單、可靠； 精度高，定位時(shí)間短，可以連續(xù)實(shí)時(shí)地定位。 10 自主式導(dǎo)航系統(tǒng)：由載體設(shè)備直接產(chǎn)生導(dǎo)航信息。 前面三種方法都屬于自主式。 具有保密性強(qiáng)，安全，不易干擾的優(yōu)點(diǎn)。 它備式導(dǎo)航系統(tǒng)：通過導(dǎo)航臺(tái)發(fā)布導(dǎo)航信息，載體上的設(shè)備接收導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。 無線電導(dǎo)航屬于它備式。必須要輻射和接收無線電波，易被發(fā)現(xiàn)和干擾。 11 精度：導(dǎo)航系統(tǒng)為載體所提供的位置與載體當(dāng)時(shí)的真實(shí)位置之間的重合度。 導(dǎo)航誤差是隨機(jī)變量，通常采用定位誤差不超過一個(gè)數(shù)值的概率來描述。 2表示每次測量結(jié)果有95%的可能性其誤差小于等于這個(gè)值。3對(duì)應(yīng)99%的可能性。比如：1m(2)

5、 ppm(part per million)百萬分之.(相對(duì)于基線) 3. 導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo) 12 2DRMS表示距離誤差均方根值。 CEP(圓概率誤差)表示一個(gè)以載體真實(shí)位置為圓心的圓的半徑，每次測量結(jié)果有50%的可能性其誤差落在這個(gè)圓內(nèi)，即相當(dāng)于有50% 的置信度。 比如： 1m (CEP) 2m+5ppm (2DRMS) 通常，2DRMS值是CEP的2.4倍左右。 13 服務(wù)范圍：指在一個(gè)面積或立體空間內(nèi)，導(dǎo)航系統(tǒng)可以按照規(guī)定的精度確定載體位置。幾何關(guān)系、發(fā)射信號(hào)功率、接收機(jī)靈敏度、傳播環(huán)境等影響。 北斗一號(hào)系統(tǒng)：范圍東經(jīng)約70140度,北緯5-55度。 北斗二號(hào)系統(tǒng)：亞太地區(qū)。 北斗

6、三號(hào)系統(tǒng)：全球。 14 連續(xù)性：導(dǎo)航系統(tǒng)可連續(xù)提供導(dǎo)航服務(wù)的能力。 可用性：導(dǎo)航系統(tǒng)為載體提供可用的導(dǎo)航服務(wù)的時(shí)間的百分比。可靠性：導(dǎo)航系統(tǒng)在給定的使用條件下在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以規(guī)定的性能完成其功能的概率。平均無故障時(shí)間(MTBF)：表明系統(tǒng)發(fā)生故障的頻度。 15 信息更新率：導(dǎo)航系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)提供定位或其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)的次數(shù)。單位Hz。 比如： 信息更新率10Hz，每秒10次 對(duì)更新率的要求與載體的航行速度和所執(zhí)行的任務(wù)有關(guān)系。 要求信息更新率與載體操作速度相當(dāng)，或者與載體運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)。 16 系統(tǒng)容量：指導(dǎo)航系統(tǒng)可以同時(shí)供多少載體使用的能力。 無限系統(tǒng)容量和有限系統(tǒng)容量兩種。無限容量：GPS系統(tǒng)

7、，北斗系統(tǒng)RNSS模式；有限容量：北斗系統(tǒng)的 RDSS模式。 17 全球覆蓋，容量無限絕對(duì)準(zhǔn)確度和相對(duì)準(zhǔn)確度都必須很高準(zhǔn)確度應(yīng)不受環(huán)境影響實(shí)時(shí)反應(yīng)，可隨運(yùn)動(dòng)而連續(xù)變動(dòng)無多值解系統(tǒng)穩(wěn)定無故障，體積、重量和電源消耗都要小。 18 4.無線電導(dǎo)航定位 通過電磁波的發(fā)射、接收和處理，無線電導(dǎo)航設(shè)備能夠測量出所在載體相對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)的方向、距離、距離差和速度等導(dǎo)航參量。- 定位- 定位雙曲線定位距離交會(huì)定位 19 利用測距系統(tǒng)的圓形位置線與測向系統(tǒng)的直線位置線相交的方法，可以確定接收點(diǎn)的具體位置M，也稱為極坐標(biāo)定位。 氣象雷達(dá) 塔康系統(tǒng)(Tactical Air Navigation System, TAC

8、AN) - 定位 20- 定位通過測定對(duì)于兩個(gè)導(dǎo)航臺(tái)的方位，可以獲得兩條徑向直線，從而通過這兩條直線的交點(diǎn)可確定飛機(jī)的位置。 伏爾系統(tǒng)(Very High Frequency Omnidirectional Ranging, VOR) 21雙曲線定位 通過測量到一組導(dǎo)航臺(tái)的距離差，可以得到一組雙曲線；同時(shí)測量到另一組導(dǎo)航臺(tái)的距離差，又可以得到另一組雙曲線。利用這兩組雙曲線的交點(diǎn)，即可確定飛機(jī)的位置。 羅蘭 (Long range navigation, Loran) 22距離交會(huì)定位 利用2個(gè)或3個(gè)測距臺(tái)，即可進(jìn)行-或-定位。 23常用航空無線電導(dǎo)航系統(tǒng)無線電高度表（RA） 自動(dòng)定向機(jī)（ADF

9、）甚高頻全向信標(biāo)( VOR )測距機(jī)( DME ) 儀表著陸系統(tǒng)( ILS )微波著陸系統(tǒng)( MLS ) 空中交通管制(ATC)系統(tǒng)精密進(jìn)近雷達(dá)( PAR ) 氣象雷達(dá)（WXR）羅蘭(LORAN)系統(tǒng)多卜勒導(dǎo)航雷達(dá)(Transit，CICADA) 塔康(TACAN)系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(GPS)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）北斗（Compass)系統(tǒng) 24 衛(wèi)星星座（空間部分） 地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分） 接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）GNSS：Global Navigation Satellite System 5.GNSS的組成 25 26 北斗三號(hào)基本空間星座由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星

10、和24顆MEO衛(wèi)星組成。 GEO衛(wèi)星軌道高度35786千米，分別定點(diǎn)于東經(jīng)80度、110.5度和140度； IGSO衛(wèi)星軌道高度35786千米，軌道傾角55度； MEO衛(wèi)星軌道高度21528千米，軌道傾角55度。 全球范圍內(nèi)提供公開服務(wù)。北斗三號(hào)系統(tǒng)（全球系統(tǒng)） 6.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)規(guī)劃 28 29 30 31 7.GPS的性能 32 33第二章 坐標(biāo)與時(shí)間 34 地球的運(yùn)動(dòng) 天球及天球坐標(biāo)系 協(xié)議地球坐標(biāo)系 GPS坐標(biāo)系統(tǒng) 時(shí)間系統(tǒng)1.地球的運(yùn)動(dòng)極半徑：6357km赤道半徑：6378km平均半徑：6371km地球是一個(gè)赤道略鼓、兩極稍扁、不很規(guī)則的球體。赤道（大圓）周長約4萬km地球的

11、表面積約5.1億km2 35經(jīng)度（Langitude）經(jīng)線：在地球儀上，人為劃定的連接南、北兩極的線，即子午線。經(jīng)度：國際上規(guī)定，通過英國倫敦格林尼治天文臺(tái)附近的經(jīng)線為0經(jīng)線（本初子午線）從0經(jīng)線向東、向西各劃分為180，分別為東經(jīng)和西經(jīng)。 36緯度（Latitude）緯線：在地球儀上，人為劃定的與經(jīng)線垂直的線圈。緯度： 將赤道定為0，向北、向南各劃分為90，分別為北緯和南緯。南北半球的分界線是赤道。兩個(gè)極點(diǎn)的緯度分別是90N和90S。 37經(jīng) 緯 網(wǎng)經(jīng)線和緯線相交，就可以確定一點(diǎn)的位置。在同一條經(jīng)線上，每隔緯度1，距離大約是_111.1_km。在赤道上，每隔經(jīng)度1，距離大約是_111.3_k

12、m。 38地球的自轉(zhuǎn)方向：自西向東繞地軸旋轉(zhuǎn)。地軸北端始終指向北極星。 39地球的公轉(zhuǎn)地球運(yùn)動(dòng)是自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)這兩種運(yùn)動(dòng)的疊加。公轉(zhuǎn)方向：自西向東（同自轉(zhuǎn)方向）公轉(zhuǎn)周期：1年，365d6h9m10s 恒星年（以恒星為參照系）公轉(zhuǎn)軌道：近似正圓的橢圓（太陽位于其一焦點(diǎn)）黃道面：地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面 40黃 赤 交 角地球公轉(zhuǎn)有兩個(gè)基本特性： 黃道面與赤道面之間的夾角為23度26分，即是黃赤交角。 地球在公轉(zhuǎn)時(shí)地軸傾斜方向不變，始終指向北極星。 412.天球坐標(biāo)系統(tǒng)的三要素坐標(biāo)原點(diǎn)位置坐標(biāo)軸指向坐標(biāo)尺度在GNSS定位中，坐標(biāo)系原點(diǎn)一般取地球質(zhì)心，而坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性。協(xié)議坐標(biāo)系：國際上都

13、通過協(xié)議來確定全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向，這種共同確認(rèn)的坐標(biāo)系稱為協(xié)議坐標(biāo)系。 42坐 標(biāo) 系在GNSS定位中，通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)：天球坐標(biāo)系： 在空間固定的坐標(biāo)系，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對(duì)描述衛(wèi)星的運(yùn)行位置和狀態(tài)極其方便。地固坐標(biāo)系： 地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)表達(dá)地面觀測站的位置和處理觀測數(shù)據(jù)尤為方便。 43天 球天球作用：天文學(xué)中通常把參考坐標(biāo)建立在天球上 44 以地球質(zhì)心為中心，半徑為任意長度的一個(gè)假想球體。天球上的主要點(diǎn)、線為建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，必須確定球面上的一些參考點(diǎn)、線、面和圈。天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點(diǎn)Pn(北天極)Ps(南天極)稱為天極。天球赤道面與

14、天球赤道：通過地球質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道面，該面與天球相交的大圓為天球赤道。 45天球上的主要點(diǎn)、線天球子午面與天球子午圈：包含天軸并經(jīng)過地球上任一點(diǎn)的平面為天球子午面，該面與天球相交的大圓為天球子午圈。 46天球上的主要點(diǎn)、線黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的運(yùn)動(dòng)軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約23.50度。 47天球上的主要點(diǎn)、線黃極：通過天球中心，垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)?？拷碧鞓O的交點(diǎn)稱北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)稱南黃極。春分點(diǎn)：當(dāng)太陽在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)。春分點(diǎn)

15、和天球赤道面是建立參考系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。 483.天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系又稱為恒星坐標(biāo)系天球空間直角坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心z軸指向天球的北極Pnx軸指向春分點(diǎn)y軸與x、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系 49天球球面坐標(biāo)系原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心赤經(jīng)為含天軸和春分點(diǎn)的天球子午面與經(jīng)過天體的天球子午面之間的交角赤緯為原點(diǎn)至天體的連線與天球赤道面的夾角向徑r為原點(diǎn)至天體的距離 50坐 標(biāo) 轉(zhuǎn) 換天球赤道坐標(biāo)系(, , r)天球直角坐標(biāo)系(x, y, z)天球直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系在表達(dá)同一天體的位置時(shí)是等價(jià)的，二者可相互轉(zhuǎn)換。 51歲 差 天球坐標(biāo)系的建立是假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向上是固定的，春分點(diǎn)在天

16、球上的位置保持不變。實(shí)際上地球接近于一個(gè)赤道隆起的橢球體，在日月和其它天體引力對(duì)地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運(yùn)行時(shí)，使地球自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)力矩，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，從而使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學(xué)上稱為歲差，它使春分點(diǎn)每年沿赤道移動(dòng)0.13秒。 52歲 差 歲差主要包括赤道歲差（日月歲差）和黃道歲差（行星歲差）。春分點(diǎn)每年西移50.2，周期約為25800年。在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因而使北天極以同樣方式繞北黃極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在天球上這種順時(shí)針規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極稱為瞬時(shí)平北天極（簡稱平北天極），相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)

17、。 53平天球坐標(biāo)系章 動(dòng) 在太陽和其它行星引力的影響下，月球的運(yùn)動(dòng)軌道以及月地之間的距離在不斷變化，北天極繞北黃極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的軌跡十分復(fù)雜。如果觀測時(shí)的北天極稱為瞬時(shí)北天極（或真北天極），相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球赤道和瞬時(shí)春分點(diǎn)（或真天球赤道和真春分點(diǎn)）。則在日月引力等因素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，軌道大致為橢圓。這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)。 章動(dòng)的周期是18.6年。 54真天球坐標(biāo)系歲差和章動(dòng) 歲差：北天極沿圓形軌道繞北黃極的運(yùn)動(dòng)章動(dòng)：北天極沿橢圓形軌道運(yùn)動(dòng) 55協(xié)議天球坐標(biāo)系 協(xié)議天球坐標(biāo)系(Conventional Inertial SystemCIS) 經(jīng)協(xié)商指定

18、的某一特定時(shí)刻的平天球坐標(biāo)系。當(dāng)前，國際上所采用的天球坐標(biāo)系國際大地測量協(xié)會(huì)和國際天文協(xié)議聯(lián)合會(huì)確定2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐標(biāo)系Z軸指向J2000.0的平北天極X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn) 56協(xié)議天球坐標(biāo)系 協(xié)議天球坐標(biāo)系與真（瞬時(shí)）天球坐標(biāo)系間的關(guān)系 需要進(jìn)行歲差和章動(dòng)改正 57特定時(shí)刻的真天球坐標(biāo)章動(dòng)改正特定時(shí)刻的平天球坐標(biāo)J2000.0 協(xié)議天球坐標(biāo)CIS歲差改正 58三種天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 Givens旋轉(zhuǎn)矩陣： 59三種天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 協(xié)議天球坐標(biāo)系-平天球坐標(biāo)系（歲差旋轉(zhuǎn)）平天球坐標(biāo)系-瞬時(shí)天球坐標(biāo)系（章動(dòng)旋轉(zhuǎn)）4.協(xié)議地球坐標(biāo)系(CTS) 60

19、 地固坐標(biāo)系: 天球坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，導(dǎo)致地球上一固定點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)隨地球自轉(zhuǎn)而變化，應(yīng)用不方便。 為了描述地面觀測點(diǎn)的位置，有必要建立與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系。 地球坐標(biāo)系有兩種表達(dá)方式： 地心空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。地心空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)與地球質(zhì)心重合z軸指向地球北極x軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點(diǎn)Ey軸垂直于xoz平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 61大地坐標(biāo)系地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合大地緯度B為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角 62大地經(jīng)度L為過地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角大地高H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離大地坐標(biāo)系

20、63平均海平面地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 任一地面點(diǎn)在地球坐標(biāo)系中可表示為（X，Y，Z）和（B，L，H），兩者可進(jìn)行互換。 空間大地坐標(biāo)依附于參考橢球。為建立大地坐標(biāo)與直角坐標(biāo)之間的關(guān)系，必須首先定義參考橢球。 64坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式設(shè)地球參考橢球長半徑為a，短半徑為b，偏心率為e， N為橢球卯酉圈的曲率半徑。 65極 移地球自轉(zhuǎn)軸受日月引力作用使其在空間變化，導(dǎo)致章動(dòng)和歲差。而且還受到地球內(nèi)部質(zhì)量不均勻影響，在地球體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致極移。極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球體的位置不是固定的，地極點(diǎn)在地球表面上的位置隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。極移將使地球坐標(biāo)系的Z軸方向發(fā)生變化。主要引起地球瞬時(shí)坐標(biāo)系相對(duì)協(xié)議地球坐標(biāo)系的

21、旋轉(zhuǎn)。 66極 移地極移動(dòng)與歲差和章動(dòng)是不同的概念，歲差和章動(dòng)是指地球自轉(zhuǎn)軸在空間指向的移動(dòng)，而地極移動(dòng)則是指地球北極與地面參照物的相對(duì)移動(dòng)。 67極移現(xiàn)象主要引起地球瞬時(shí)坐標(biāo)系相對(duì)協(xié)議地球坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)。極 移 68 69協(xié)議地球坐標(biāo)系（極移）地球與天球之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 根據(jù)協(xié)議地球坐標(biāo)系和協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義：兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置相同；兩坐標(biāo)系的z軸指向相同；兩坐標(biāo)系x軸的指向不同，其間夾角為春分點(diǎn)的格林尼治恒星時(shí)。GAST：春分點(diǎn)的格林尼治恒星時(shí)（Greenwich Apparent Sidereal Time） 70坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程 71兩者的坐標(biāo)原點(diǎn)一致，只需多次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸即可 GPS坐標(biāo)系統(tǒng)

22、在GPS系統(tǒng)中，為確定用戶接收機(jī)的位置，GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)位置應(yīng)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)。GPS試驗(yàn)階段，衛(wèi)星瞬時(shí)位置的計(jì)算采用1972年世界大地坐標(biāo)系（WGS-72），1987年1月10日開始采用改進(jìn)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-84。世界大地坐標(biāo)系（World Geodetic System）WGS屬于協(xié)議地球坐標(biāo)系CTS。 72WGS-84坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系是美國84年在衛(wèi)星大地測量的基礎(chǔ)上建立的以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的大地測量基準(zhǔn)。 Z軸指向1984北極 X軸指向1984格林威治子午線與赤道交點(diǎn) Y軸與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 73WGS-84坐標(biāo)系由GPS衛(wèi)星發(fā)布的星歷參數(shù)是WGS-84坐標(biāo)系

23、的數(shù)據(jù)，故GPS測量時(shí)，先求得測站點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，再換算為當(dāng)?shù)厥褂玫淖鴺?biāo)。 742000中國大地坐標(biāo)系 （CGCS2000） 75Z軸指向國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）定義的參考極（IRP）方向； X軸為IERS定義的參考子午面（IRM）與通過原點(diǎn)且同Z軸正交的赤道面的交線； Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。 GNSS的橢球參數(shù) 765.時(shí)間系統(tǒng) 時(shí)間系統(tǒng)是精確描述天體和衛(wèi)星運(yùn)行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，也是利用衛(wèi)星進(jìn)行定位的重要基準(zhǔn)。時(shí)間包含了“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”兩個(gè)概念。時(shí)刻是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間，與所獲取數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻也稱歷元。時(shí)間間隔是指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過

24、程始末的時(shí)間之差。 77時(shí)間基準(zhǔn)測量時(shí)間必須建立一個(gè)測量的基準(zhǔn)，即時(shí)間的單位（尺度）和原點(diǎn)（起始?xì)v元）。其中時(shí)間的尺度是關(guān)鍵，而原點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用加以選定。符合下列要求的任何一個(gè)可觀察的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，都可用作確定時(shí)間的基準(zhǔn)： 78時(shí)間基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的、周期性的；運(yùn)動(dòng)的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性； 運(yùn)動(dòng)的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性。在任何地方和時(shí)間，都可通過觀察和實(shí)驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)這種周期性運(yùn)動(dòng)。 79世界時(shí)系統(tǒng)地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，且比較均勻。最早建立的時(shí)間系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的世界時(shí)系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所選取的空間參考點(diǎn)不同，世界時(shí)系統(tǒng)包括: 恒星時(shí)（Siderdal Time，ST） 平太陽時(shí)

25、（Mean Solar Time，MT） 世界時(shí)（Universal Time，UT） 80恒星日和太陽日恒星距地球非常遙遠(yuǎn)， “三顆恒星”實(shí)際上是同一顆恒星。計(jì)時(shí)的開始與結(jié)束都是“三點(diǎn)一線”。恒星日（E1E2）：360 23h56m4s太陽日（E1E3）：36059 24h 81恒星時(shí)(Siderdal Time, ST) 以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間稱為恒星時(shí)。春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日，即24個(gè)恒星小時(shí)。恒星時(shí)以春分點(diǎn)通過本地子午圈時(shí)刻為起算原點(diǎn)，在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角，同一瞬間不同測站的恒星時(shí)不同，具有地方性，也稱地方恒星時(shí)

26、。 82平太陽時(shí)(Mean solar Time, MT)由于地球公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)的開普勒定律，可知太陽的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的，如果以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)，則不符合建立時(shí)間系統(tǒng)的基本要求。假設(shè)一個(gè)參考點(diǎn)的視運(yùn)動(dòng)速度等于真太陽周年運(yùn)動(dòng)的平均速度，且在天球赤道上作周年視運(yùn)動(dòng)，這個(gè)假設(shè)的參考點(diǎn)在天文學(xué)中稱為平太陽。 83平太陽時(shí)(Mean solar Time, MT)平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時(shí)間間隔為一平太陽日，包含24個(gè)平太陽時(shí)。平太陽時(shí)也具有地方性。以格林尼治子午線為觀測點(diǎn)得到的平太陽時(shí)稱為格林尼治平時(shí)間（Greenwich mean time，GMT） 84

27、世界時(shí)(Universal Time, UT) 以平太陽時(shí)為基礎(chǔ)定義，以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽時(shí)稱為世界時(shí)。世界時(shí)與平太陽時(shí)的時(shí)間尺度相同，起算點(diǎn)不同。秒定義為一個(gè)平太陽日的1/86400，是以地球自轉(zhuǎn)這一周期運(yùn)動(dòng)作為基礎(chǔ)的時(shí)間尺度。 85世界時(shí)(Universal Time, UT) 地球自轉(zhuǎn)存在極移現(xiàn)象，加入極移改正得UT1。加入地球自轉(zhuǎn)角速度的季節(jié)改正得UT2。經(jīng)過改正，其中仍包含地球自轉(zhuǎn)角速度的長期變化和不規(guī)則變化的影響，世界時(shí)UT2不是嚴(yán)格均勻的時(shí)間系統(tǒng)。 86原子時(shí)(Atomic Time-AT)物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有很高的穩(wěn)定度，由此建立的原子

28、時(shí)成為最理想的時(shí)間系統(tǒng)。1967年10月，第十三屆國際度量衡大會(huì)通過。秒長定義：位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)，在零磁場中躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間為一原子時(shí)秒，是國際制秒（SI）的時(shí)間單位。 87原子時(shí)(Atomic Time-AT) 88國際原子時(shí)（international atomic time，IAT）起點(diǎn)：1958年1月1日0時(shí)0秒。 AT-UT2 = -0.0039秒地方原子時(shí)之間存在差異，因此國際上大約200座原子鐘，通過相互比對(duì)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時(shí)系統(tǒng)，稱為國際原子時(shí)(IAT)。原子時(shí)作為高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，普遍用于精密測定衛(wèi)星信號(hào)

29、的傳播時(shí)間。 89協(xié)調(diào)世界時(shí)為避免發(fā)播的原子時(shí)與世界時(shí)之間產(chǎn)生過大偏差，從1972年采用了一種以原子時(shí)秒長為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)的折衷時(shí)間系統(tǒng)，稱為協(xié)調(diào)世界時(shí)或協(xié)調(diào)時(shí)（Coordinate universal TimeUTC）采用閏秒或跳秒的方法，使協(xié)調(diào)時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻相接近。即當(dāng)協(xié)調(diào)時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻差超過0.9s時(shí)，便在協(xié)調(diào)時(shí)中引入一閏秒。協(xié)調(diào)時(shí)與國際原子時(shí)的關(guān)系定義為： IAT = UTC+1s n n為調(diào)整參數(shù) 90GPS時(shí)間系統(tǒng)（GPST） 為精密導(dǎo)航和測量需要，全球定位系統(tǒng)建立了專用的時(shí)間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時(shí)屬于原子時(shí)系統(tǒng)，秒長與原子時(shí)相同，但與國際原

30、子時(shí)的原點(diǎn)不同，即GPST與IAT在任一瞬間均有一常量偏差。 IAT - GPST = 19s 91GPS時(shí)與協(xié)調(diào)時(shí)GPS時(shí)與協(xié)調(diào)時(shí)的時(shí)刻，規(guī)定在1980年1月6日0時(shí)一致，隨著時(shí)間的積累，兩者的差異將表現(xiàn)為秒的整數(shù)倍。GPS時(shí)與協(xié)調(diào)時(shí)之間關(guān)系： GPST = UTC + 1s n - 19s到1987年，調(diào)整參數(shù)n為23，兩系統(tǒng)之差為4秒，到1992年調(diào)整參數(shù)為26，兩系統(tǒng)之差已達(dá)7秒，到2018年調(diào)整參數(shù)為37，兩系統(tǒng)之差已達(dá)18秒。 92北斗時(shí)（BDT）系統(tǒng) 93BDT采用國際單位制（SI）秒為基本單位連續(xù)累計(jì)，不閏秒，起始?xì)v元為2006年1月1日協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）00時(shí)00分00秒，

31、采用周和周內(nèi)秒計(jì)數(shù)。BDT通過UTC（NTSC）與國際UTC建立聯(lián)系，BDT與UTC的偏差保持在50納秒以內(nèi)（模1秒）。BDT與UTC之間的閏秒信息在導(dǎo)航電文中播報(bào)。 BDT = UTC + 1s n - 33s第三章 衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)與星歷 94主要內(nèi)容 開普勒三定律 二體問題 衛(wèi)星軌道參數(shù) 衛(wèi)星的位置和速度計(jì)算 BDS衛(wèi)星星歷3.1 開普勒三定律 95衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道：衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡衛(wèi)星軌道參數(shù)：描述衛(wèi)星位置及狀態(tài)的參數(shù)開普勒第一定律 衛(wèi)星運(yùn)行的軌道是以地球質(zhì)心為一個(gè)焦點(diǎn)的橢圓。 96r-衛(wèi)星的地心距離 as-橢圓長半徑es-橢圓偏心率 fs-真近點(diǎn)角開普勒第二定律 衛(wèi)星在過地球質(zhì)心的平面內(nèi)運(yùn)

32、動(dòng)，其向徑在相同的時(shí)間內(nèi)所掃過的面積相等。定律包含的內(nèi)容：衛(wèi)星在橢圓軌道上的運(yùn)行速度是不斷變化的，在近地點(diǎn)處速度為最大，而在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)速度為最小。 97開普勒第三定律 衛(wèi)星運(yùn)行周期的平方，與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量，而該常量等于地球引力常數(shù)GM的倒數(shù)。即： 98衛(wèi)星運(yùn)行周期僅取決于長半徑，與短半徑無關(guān)，即與衛(wèi)星軌道形狀無關(guān)。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的角速度 假設(shè)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度為n，則 可得： 99 當(dāng)衛(wèi)星軌道橢圓的長半徑確定后，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度便隨之確定。3.2 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道參數(shù) 100 軌道形狀參數(shù)，用于確定軌道橢圓的形狀和大小：as：軌道橢圓的長半徑；es：軌道橢圓的偏心率。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌

33、道參數(shù) 101 軌道平面定向參數(shù)，用于確定衛(wèi)星軌道平面與地球之間的相對(duì)定向：升交點(diǎn)赤經(jīng)。升交點(diǎn)是衛(wèi)星軌道與赤道平面的交點(diǎn)，衛(wèi)星通過這一點(diǎn)從南半球逆時(shí)針越過赤道進(jìn)入北半球。 i：軌道傾角。赤道平面與衛(wèi)星軌道平面之間的夾角。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道參數(shù) 102 軌道橢圓定向參數(shù)，用于確定軌道橢圓在軌道平面上的定向：s：近地點(diǎn)角距。在衛(wèi)星軌道平面內(nèi)升交點(diǎn)向徑和近地點(diǎn)向徑之間的夾角，由升交點(diǎn)向徑逆時(shí)針方向起算。它確定了衛(wèi)星軌道長半徑在空間的方向。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道參數(shù) 103衛(wèi)星瞬時(shí)位置參數(shù)，用于確定衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)位置： fs：衛(wèi)星的真近點(diǎn)角。fs是衛(wèi)星向徑和近地點(diǎn)向徑之間的夾角。通過fs可以確定衛(wèi)星任意時(shí)刻在

34、空間的瞬時(shí)位置，是時(shí)間t的函數(shù)。真近點(diǎn)角的計(jì)算 104 Es-偏近點(diǎn)角：在橢圓平面上，近地點(diǎn)P至m 點(diǎn)的圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角。平近點(diǎn)角 Ms-平近點(diǎn)角: 是一個(gè)假設(shè)量，是衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行的平均近點(diǎn)角。Ms = n ( t - t0 )N 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度T0 衛(wèi)星過近地點(diǎn)的時(shí)刻T 觀測衛(wèi)星的時(shí)刻。根據(jù)開普勒三定律，n是常數(shù)，因此Ms可以確定。 105開普勒方程 平近點(diǎn)角與偏近點(diǎn)角間存在如下關(guān)系：Es = Ms + es sin Es開普勒方程給出了天體在軌道上運(yùn)動(dòng)的位置與時(shí)間的關(guān)系。 這是一個(gè)超越方程，很難得出嚴(yán)格的分析解，但是，已經(jīng)證明這個(gè)方程存在唯一解。 106真近點(diǎn)角的計(jì)算 as co

35、s Es = r cos fs + as es cos fs = as ( cos Es es ) /rr = as ( 1 - es cosEs ) 1073.3 衛(wèi)星的瞬時(shí)位置 軌道直角坐標(biāo)系：在軌道直角坐標(biāo)系統(tǒng)中取直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)與地球質(zhì)心相重合，s 軸指向近地點(diǎn)、s軸垂直于軌道平面向上，s 軸在軌道平面上垂直于 s軸構(gòu)成右手系。 108軌道直角坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置 109天球坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置天球坐標(biāo)系：天球坐標(biāo)系(x,y,z) 與軌道坐標(biāo)系(s, s, s)具有相同的原點(diǎn)，差別在于坐標(biāo)系定向不同，需將軌道坐標(biāo)系作如下旋轉(zhuǎn)： 110繞s軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度s，指向由近地點(diǎn)改為升交點(diǎn)。繞s軸順

36、時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度i，使s軸與z軸重合。繞s軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，使s 軸與x軸重合。 111天球坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置計(jì)算衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系中的位置計(jì)算地球坐標(biāo)系：地球坐標(biāo)系中衛(wèi)星的瞬時(shí)坐標(biāo)（X，Y，Z）如下： 112為了使觀測衛(wèi)星和觀測站位置處于統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，因此，需要將衛(wèi)星位置轉(zhuǎn)換到地球坐標(biāo)系。瞬時(shí)速度 1133.4 衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng) 114地球引力場攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響 115地球引力場攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響，主要由與地極扁率有關(guān)的二階諧系數(shù)項(xiàng)引起，對(duì)衛(wèi)星軌道用的影響：引起軌道平面在空間旋轉(zhuǎn)，使升交點(diǎn)赤經(jīng)產(chǎn)生周期性變化；引起近地點(diǎn)在軌道平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致近升角距的變化；引起平近點(diǎn)角M的變化。 116地

37、球引力場攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響地球重力場二階帶諧系數(shù)J2=1.08263X10-3 117地球引力場攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響由于升交點(diǎn)和近地點(diǎn)在地球引力場攝動(dòng)力作用下緩慢變化，衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng)實(shí)際上并不在同一平面上，而是在空間形成一條螺旋狀的曲線。日月引力對(duì)衛(wèi)星軌道的攝動(dòng)影像 118太陽光壓對(duì)衛(wèi)星軌道的影響 119太陽光壓對(duì)衛(wèi)星軌道的影響 120其他攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響 121固體潮和海洋潮汐攝動(dòng)影響大氣的攝動(dòng)影響3.5 衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息，是一組對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變率。分為預(yù)報(bào)星歷和后處理星歷。作用：根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算任一時(shí)刻的衛(wèi)星位置及速度；衛(wèi)星星歷的準(zhǔn)確性直

38、接決定定位的準(zhǔn)確性 122預(yù)報(bào)星歷(廣播星歷) 通過衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶，經(jīng)解碼獲得所需的衛(wèi)星星歷。 每小時(shí)更新一次。精度一般是20-40m。16個(gè)參數(shù)：參考星歷：參考?xì)v元的衛(wèi)星軌道參數(shù)6個(gè)軌道攝動(dòng)修正參數(shù)：9個(gè)參數(shù)參考時(shí)刻：參考星歷的參考?xì)v元toe星歷數(shù)據(jù)齡期：AODE缺點(diǎn)：廣播星歷存在外推誤差，精度有限 123 GPS衛(wèi)星星歷參數(shù) 124s GPS衛(wèi)星歷書參數(shù) 125s北斗星歷參數(shù)定義 126北斗星歷參數(shù)定義 127后處理星歷(精密星歷)后處理星歷是根據(jù)地面跟蹤站所獲得的精密觀測資料計(jì)算而得到的星歷。一般不能實(shí)時(shí)定位。一般不通過衛(wèi)星的無線電信號(hào)向用戶傳遞，而是通過磁盤

39、、電視、電傳、衛(wèi)星通訊等方式有償?shù)貫樗枰挠脩舴?wù)。精度可以達(dá)到米。缺點(diǎn)：難以實(shí)時(shí)傳遞。 128精密星歷的計(jì)算按一定時(shí)間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系下的三維位置、三維速度和鐘差；任意時(shí)刻t衛(wèi)星位置的計(jì)算：插值法 拉格朗日插值法三次樣條三角多項(xiàng)式 1293.6 衛(wèi)星位置計(jì)算（實(shí)例） 130計(jì)算此衛(wèi)星在 t=239050.7223s 時(shí)的空間位置。 131第1步：計(jì)算規(guī)化時(shí)間tk注意：規(guī)劃時(shí)間的范圍，在-302400s+302400s之間。 132第2步：計(jì)算衛(wèi)星的平均角速度n 133第4步：計(jì)算信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的偏近點(diǎn)角Es第3步：計(jì)算信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的平近點(diǎn)角Ms注意：值在02之間。GPS衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算

40、134第6步：計(jì)算信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的升交點(diǎn)角距第5步：計(jì)算信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的真近點(diǎn)角fsGPS衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算 135第8步：計(jì)算信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的升交點(diǎn)角距、衛(wèi)星的地心距離第7步：計(jì)算信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的攝動(dòng)改正項(xiàng) 136第10步：計(jì)算衛(wèi)星在瞬時(shí)地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)第9步：計(jì)算信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)衛(wèi)星在CGCS2000坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算 137衛(wèi)星在CGCS2000坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算 138衛(wèi)星在CGCS2000坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算 139衛(wèi)星在CGCS2000坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算 140第五章 GNSS衛(wèi)星信號(hào) 141GPS衛(wèi)星信號(hào)和導(dǎo)航電文BDS衛(wèi)星信號(hào)和導(dǎo)航電文1. GPS衛(wèi)星信號(hào) 142基本頻率10.23M

41、HzL1載波1575.42MHzL2載波1227.60MHzC/A碼1.023MHzP碼10.23MHzP碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50bps數(shù)據(jù)碼50bps15412010204600 GPS衛(wèi)星取L波段的兩種不同電磁波頻率為載波： L1載波頻率為1575.42MHz，波長為19.03cm； L2載波頻率為1227.60MHz，波長為24.42cm。 143 144 145 GPS衛(wèi)星發(fā)射的廣播信號(hào)載波信號(hào)：L1和L2測距碼：P碼（或Y碼）、C/A碼數(shù)據(jù)碼（D碼）：導(dǎo)航電文產(chǎn)生與構(gòu)成GPS衛(wèi)星廣播信號(hào)的主要因素 適應(yīng)多用戶系統(tǒng)要求 滿足實(shí)時(shí)定位要求 滿足高精度定位需要 滿足軍事保密要求2. G

42、PS測距碼GPS衛(wèi)星所采用的兩種測距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼），均屬于偽隨機(jī)碼。C/A碼(Coarse/Acqusition)：用于分址，捕獲衛(wèi)星信號(hào)，粗測距且具有一定的干擾能力，兼顧民用。P碼(Precision)：用于精密測距，且具有更強(qiáng)抗干擾能力的軍用密碼。 146m序列 147 148C/A碼的產(chǎn)生C/A碼是由兩個(gè)10級(jí)反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的。 149C/A碼的特點(diǎn)C/A碼參數(shù)：碼長210-1=1023bit，碼元寬度977.52ns（對(duì)應(yīng)距離293.1m），周期1ms，碼率1.023Mb/s；C/A碼較短，共1023個(gè)碼元，若以每秒50碼元的速度搜索，只需20.5s，易于捕

43、獲；碼元寬度大：設(shè)兩序列的碼元對(duì)齊誤差為碼元寬度的1/10 1/100，則相應(yīng)的測距誤差為 29.32.9m。由于精度低，又稱粗捕獲碼。 150C/A碼相位分配表衛(wèi)星編號(hào)是根據(jù)G2產(chǎn)生器的兩個(gè)輸出位置來決定的，有37個(gè)不同的輸出序列，其中32個(gè)序列可以使用，但目前僅有24顆衛(wèi)星在軌。其余5個(gè)輸出序列留作它用。 151 152 153C/A碼的相關(guān)性 154C/A碼高自相關(guān)峰值和低互相關(guān)峰值能為信號(hào)捕獲提供寬的動(dòng)態(tài)范圍。Gold碼不是正交的，但接近正交。 155GPS信號(hào)頻譜偽碼是不同衛(wèi)星信號(hào)的標(biāo)識(shí)：所有衛(wèi)星信號(hào)都享有相同的載波頻率，每顆衛(wèi)星有各自唯一的偽隨機(jī)碼，避免同頻干擾。 156 157偽

44、碼擴(kuò)頻基帶信號(hào)為數(shù)據(jù)碼D(t)，帶寬F=50Hz ；設(shè)偽隨機(jī)碼為m序列P(t)，碼率為10.23MHz乘積碼為D(t)P(t)，其帶寬為10.23MHz這樣，基帶信號(hào)頻率從50Hz擴(kuò)展到10.23MHz即偽碼擴(kuò)頻。 158擴(kuò)頻碼的調(diào)制與解調(diào) 159C/A碼的解擴(kuò) 160擴(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)接收采用擴(kuò)頻技術(shù)，可以大幅度改善信噪比，大大提高抗干擾能力，保證信號(hào)接收的可靠性和精度。如數(shù)據(jù)碼帶寬50Hz， 擴(kuò)頻碼帶寬10.23MHz，改善幅度可以達(dá)到53dB。 161P碼發(fā)生器 162P碼發(fā)生器的多項(xiàng)式和初始狀態(tài)P碼用4個(gè)12位的移位寄存器的PRN序列產(chǎn)生，分別X1A, X1B, X2A, X2B；X1A寄

45、存器的輸出與X1B的輸出模二加形成X1碼發(fā)生器；X2A寄存器的輸出與X2B的輸出模二加形成X2碼發(fā)生器；綜合而成的X2饋送給一個(gè)移位寄存器，產(chǎn)生延遲衛(wèi)星碼，再與X1模二加產(chǎn)生P碼。 163P碼的特點(diǎn)P碼由兩組各為12級(jí)反饋移位寄存器的電路產(chǎn)生，其原理與C/A碼相似，但更復(fù)雜，且嚴(yán)格保密。碼長 2.35 1014 比特，碼元寬97.752ns， 對(duì)應(yīng)距離29.3m；周期267天，碼率10.23Mb/s。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文信息，捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，相應(yīng)的距離誤差為2.93 0.29m。 164P碼周期很長，267天重復(fù)一次，實(shí)際應(yīng)用時(shí)P碼的

46、周期被分成38部分，每部分周期7天，其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星使用P碼的不同部分，碼長和周期相同，結(jié)構(gòu)不同。 165 166GPS衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制 167 168擴(kuò)頻和BPSK調(diào)制 1693. GPS導(dǎo)航電文 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，又稱為數(shù)據(jù)碼（或D碼）。導(dǎo)航電文：衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)信息、軌道攝動(dòng)改正、大氣折射改正、由C/A碼捕獲P碼的信息。導(dǎo)航電文也是二進(jìn)制碼，依規(guī)定格式組成，按幀向外播送。每幀電文含有1500比特，播送速度50bit/s，每幀播送時(shí)間30s。 170GPS導(dǎo)航電文幀結(jié)構(gòu) 171GPS導(dǎo)

47、航電文數(shù)據(jù)格式 172TLM字和HOW字 173遙測碼（TLWTelemetry Word） 位于各子幀的開頭，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。 遙測碼的第18比特是同步碼，使用戶便于解釋 導(dǎo)航電文；第922比特為遙測電文，其中包括地 面監(jiān)測系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)信息、診斷信息和 其它信息。第23和第24比特是連接碼； 第2530比特為奇偶校驗(yàn)碼，它用于發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤。 174轉(zhuǎn)換碼（HOWHand Over Word）緊接各子幀的遙測碼，主要向用戶提供用于捕獲P碼的Z記數(shù)。所謂Z記數(shù)是從星期日零時(shí)到星期六24時(shí)，P碼字碼X1的周期（1.5秒）的重復(fù)數(shù)。因此，知道Z計(jì)數(shù)，便能較快地捕獲到P碼。 175Z

48、 計(jì)數(shù) 1761周GPS時(shí)： 7X24X3600=604800sZ計(jì)數(shù)： 0403199 （時(shí)間刻度為1.5 s，604800/1.5=403200 ）截?cái)嗟腪計(jì)數(shù)：取19位的17位（MSB），時(shí)間刻度為6s奇偶校驗(yàn) 177 178GPS一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容 179子幀1的電文內(nèi)容星期序號(hào)(week number, WN)： WN表示從1980年1月6日子夜零點(diǎn)（UTC）起算的星期數(shù)，當(dāng)前的GPS星期。用戶測距精度(user range accuracy, URA)：對(duì)所有GPS地面監(jiān)控部分和空間星座部分引起的測距誤差的一個(gè)統(tǒng)計(jì)值。URA值越大，表示該衛(wèi)星信號(hào)中得到的GPS距離測量值的精度越低。

49、衛(wèi)星的健康狀態(tài)(satellite health)：GPS一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容 180子幀1的電文內(nèi)容衛(wèi)星時(shí)鐘量的數(shù)據(jù)齡期(issue of data, IDOC)：時(shí)鐘改正數(shù)的外推時(shí)間間隔，它指明衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)的置信度。衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)。GPS時(shí)間和UTC時(shí)間之間存在的差值。時(shí)延差改正數(shù)Tgd：載波L1、L2的電離層時(shí)延差。當(dāng)使用單頻接收機(jī)的時(shí)候，用Tgd改正所觀測的結(jié)果可以減少電離層延遲的影響，提高定位精度。GPS一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容 181子幀2、3的電文內(nèi)容衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)齡期(issue of data, Ephemeris, IODE)：開普勒軌道參數(shù)：6個(gè)軌道攝動(dòng)9參數(shù)：星歷參考時(shí)刻

50、：從星期日子夜零時(shí)開始度量的衛(wèi)星參考時(shí)刻。GPS一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容 182子幀4、5的電文內(nèi)容所有GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。當(dāng)接收機(jī)捕獲到某顆GPS衛(wèi)星后，根據(jù)第三數(shù)據(jù)塊提供的其他衛(wèi)星的概略星歷、時(shí)鐘改正、衛(wèi)星改正、衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用戶可以選擇工作正常和位置適當(dāng)?shù)男l(wèi)星，并且較快地捕獲到所選擇的衛(wèi)星。衛(wèi)星信號(hào)的功率與波束GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)功率受成本限制，C/A碼功率約27W，即14.3dBW。GPS終端接收的功率與衛(wèi)星發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、路徑損耗、接收天線有效面積有關(guān)。 183通信鏈路功率預(yù)算 184功率預(yù)算根據(jù)不同仰角、不同接收天線有所變化。4. 北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)信號(hào)中心頻點(diǎn)(MHz)

51、碼速率(cps)數(shù)據(jù)/符號(hào)速率 (bps/sps) 調(diào)制方式服務(wù)類型B1-CD1575.421.02350/100MBOC(6,1,1/11) 開放B1-CPNoB1-A2.04650/100BOC（14，2）授權(quán)NoB2aD1191.79510.2325/50AltBOC(15,10 )開放B2aPNoB2bD50/100B2bPNoB3Q1268.5210.23500bpsQPSK(10) 授權(quán)B3-AD2.557550/100BOC(15,2.5) 授權(quán)B3-APNo 185北斗的信號(hào)特征 186B1I信號(hào)基本特征 187B1信號(hào)由I、Q兩個(gè)支路的“測距碼+導(dǎo)航電文”正交調(diào)制在載波上構(gòu)成

52、。B1I信號(hào)的標(biāo)稱載波頻率為1561.098MHz。 采用正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制。衛(wèi)星信號(hào)帶寬：4.092 MHz （1 dB，以B1I信號(hào)載波頻率為中心），16 MHz （3 dB）。 帶外抑制：15dB （30MHz） B1I信號(hào)測距碼特性 188B1I信號(hào)測距碼（簡稱CB1I碼）碼速率為2.046 Mcps，碼長為2046。 B1I信號(hào)測距碼特性 189北斗衛(wèi)星編號(hào) 190北斗衛(wèi)星編號(hào) 191北斗衛(wèi)星編號(hào) 192北斗導(dǎo)航電文 193根據(jù)速率和結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)航電文分為D1導(dǎo)航電文和D2導(dǎo)航電文。D1導(dǎo)航電文速率為50 bps，并調(diào)制有速率為1 kbps的二次編碼，內(nèi)容包含基本導(dǎo)航信息；

53、D2導(dǎo)航電文速率為500 bps，內(nèi)容包含基本導(dǎo)航信息和增強(qiáng)服務(wù)信息。 MEO/IGSO衛(wèi)星的B1I信號(hào)播發(fā)D1導(dǎo)航電文，GEO衛(wèi)星的B1I信號(hào)播發(fā)D2導(dǎo)航電文。 導(dǎo)航電文糾錯(cuò)編碼方式 194導(dǎo)航電文采取BCH(15,11,1)碼加交織方式進(jìn)行糾錯(cuò)。BCH碼長為15比特，信息位為11比特，糾錯(cuò)能力為1比特，其生成多項(xiàng)式為: 導(dǎo)航電文糾錯(cuò)編碼方式 195BCH（15,11,1）編碼框圖導(dǎo)航電文糾錯(cuò)譯碼 196接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)碼信息后按每1比特順序進(jìn)行串/并變換，進(jìn)行BCH(15,11,1)糾錯(cuò)譯碼，對(duì)交織部分按11比特順序進(jìn)行并/串變換，組成22比特信息碼。導(dǎo)航電文糾錯(cuò)譯碼 197BCH（15,

54、11,1）譯碼框圖導(dǎo)航電文糾錯(cuò)譯碼 198D1導(dǎo)航電文的二次編碼 199D1導(dǎo)航電文上調(diào)制的二次編碼是指在速率為50 bps的D1導(dǎo)航電文上調(diào)制一個(gè)Neumann-Hoffman碼（以下簡稱NH碼）。NH碼周期為1個(gè)導(dǎo)航信息位的寬度，NH碼1比特寬度則與擴(kuò)頻碼周期相同。采用20比特的NH碼（0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0）。D1導(dǎo)航電文中一個(gè)信息位寬度為20毫秒，擴(kuò)頻碼周期為1毫秒，NH碼速率為1 kbps，碼寬為1毫秒，與導(dǎo)航信息碼和擴(kuò)頻碼同步調(diào)制。 D1導(dǎo)航電文的二次編碼 200D1導(dǎo)航電文的二次編碼 2

55、01不同導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)之間的互相關(guān)旁瓣峰下降，從而改善衛(wèi)星信號(hào)之間的互相關(guān)特性；減小了功率譜的譜線寬度，從而提高抗窄帶干擾的能力；在原來的一個(gè)碼元寬度內(nèi)增加多次相位渡越，可以使用二次編碼完全相關(guān)來實(shí)現(xiàn)快速同步。北斗D1導(dǎo)航電文幀結(jié)構(gòu) 202D1導(dǎo)航電文主幀結(jié)構(gòu)及信息內(nèi)容 203子幀1至子幀3播發(fā)基本導(dǎo)航信息；子幀4和子幀5的信息內(nèi)容由24個(gè)頁面分時(shí)發(fā)送，其中子幀4的頁面124和子幀5的頁面110播發(fā)全部衛(wèi)星歷書信息及與其它系統(tǒng)時(shí)間同步信息；子幀5的頁面1124為預(yù)留頁面D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 204幀同步碼（Pre） 每一子幀的第111比特為幀同步碼（Pre），由11比特修改巴克碼組成，其值為

56、“11100010010”，第1比特上升沿為秒前沿，用于時(shí)標(biāo)同步。 子幀計(jì)數(shù)（FraID） 每一子幀的第1618比特為子幀計(jì)數(shù)（FraID），共3比特，具體定義:D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 205周內(nèi)秒計(jì)數(shù)（SOW） 每一子幀的第1926比特和第3142比特為周內(nèi)秒計(jì)數(shù)（SOW），共20比特，每周日北斗時(shí)0點(diǎn)0分0秒從零開始計(jì)數(shù)。周內(nèi)秒計(jì)數(shù)所對(duì)應(yīng)的秒時(shí)刻是指本子幀同步頭的第一個(gè)脈沖上升沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。 整周計(jì)數(shù)（WN） 整周計(jì)數(shù)（WN）共13比特，為北斗時(shí)的整周計(jì)數(shù)，其值范圍為08191，以北斗時(shí)2006年1月1日0點(diǎn)0分0秒為起點(diǎn)，從零開始計(jì)數(shù)。 D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 206用戶距離精度指數(shù)（

57、URAI） 用戶距離精度（URA）用來描述衛(wèi)星空間信號(hào)精度，單位是米，以用戶距離精度指數(shù)（URAI）表征，URAI為4比特，范圍從0到15，與URA之間的關(guān)系。 D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 207衛(wèi)星自主健康標(biāo)識(shí)（SatH1） 衛(wèi)星自主健康標(biāo)識(shí)（SatH1）共1比特，其中“0”表示衛(wèi)星可用，“1”表示衛(wèi)星不可用。電離層延遲改正模型參數(shù)（n、n） 電離層延遲改正預(yù)報(bào)模型包括8個(gè)參數(shù)，共64比特，8個(gè)參數(shù)都是2進(jìn)制補(bǔ)碼。星上設(shè)備時(shí)延差（TGD1） 星上設(shè)備時(shí)延差TGD1共10比特，為2進(jìn)制補(bǔ)碼，最高位為符號(hào)位，“0”表示為正、“1”表示為負(fù)，比例因子0.1，單位為納秒。 D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 208

58、時(shí)鐘數(shù)據(jù)齡期（IODC） 時(shí)鐘數(shù)據(jù)齡期（IODC）共5比特，是鐘差參數(shù)的外推時(shí)間間隔，即本時(shí)段鐘差參數(shù)參考時(shí)刻與計(jì)算鐘差參數(shù)所作測量的最后觀測時(shí)刻之差。鐘差參數(shù)（toc, a0, a1, a2） 鐘差參數(shù)包括toc, a0, a1和a2，共占用74比特。toc是本時(shí)段鐘差參數(shù)參考時(shí)間，單位為秒，有效范圍是0604792。其它3個(gè)參數(shù)為2進(jìn)制補(bǔ)碼。 D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 209星歷數(shù)據(jù)齡期（IODE） 星歷數(shù)據(jù)齡期（IODE）共5比特，為本時(shí)段星歷參數(shù)參考時(shí)刻與計(jì)算星歷參數(shù)所作測量的最后觀測時(shí)刻之差。星歷參數(shù) 星歷參數(shù)描述了在一定擬合間隔下得出的衛(wèi)星軌道。它包括15個(gè)軌道參數(shù)、1個(gè)星歷參考時(shí)間

59、。星歷參數(shù)更新周期為1小時(shí)。 北斗星歷參數(shù)定義 210北斗星歷參數(shù)定義 211D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 212歷書參數(shù)歷書參數(shù)更新周期小于7天。D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 213歷書周計(jì)數(shù)（WNa） 歷書周計(jì)數(shù)（WNa）為北斗時(shí)整周計(jì)數(shù)（WN）模256，為8比特，取值范圍為0255。 衛(wèi)星健康信息（Heai, i=130） 衛(wèi)星健康信息為9比特，第9位為衛(wèi)星鐘健康信息，第8位為B1I信號(hào)健康狀況，第2位為信息健康狀況。 D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 214與UTC時(shí)間同步參數(shù)（A0UTC, A1UTC, tLS, WNLSF, DN, tLSF） 此參數(shù)反映了北斗時(shí)（BDT）與協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）之間的關(guān)

60、系。D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 215與GPS時(shí)間同步參數(shù)（A0GPS, A1GPS） D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 216與Galileo時(shí)間同步參數(shù)（A0Gal，A1Gal） D1導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 217與GLONASS時(shí)間同步參數(shù)（A0GLO, A1GLO） D2導(dǎo)航電文幀結(jié)構(gòu) 218D2導(dǎo)航電文主幀結(jié)構(gòu)和內(nèi)容 219D2導(dǎo)航電文包括：本衛(wèi)星基本導(dǎo)航信息，全部衛(wèi)星歷書，與其它系統(tǒng)時(shí)間同步信息，北斗系統(tǒng)完好性及差分信息，格網(wǎng)點(diǎn)電離層信息。 子幀1播發(fā)基本導(dǎo)航信息，由10個(gè)頁面分時(shí)發(fā)送，子幀24信息由6個(gè)頁面分時(shí)發(fā)送，子幀5中信息由120個(gè)頁面分時(shí)發(fā)送。 D2導(dǎo)航電文內(nèi)容和算法 220本衛(wèi)星基本導(dǎo)航