第三篇 衛(wèi)星導航

第三篇衛(wèi)星導航原理§3.1衛(wèi)星導航基本設計思想§3.2GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)概述§3.3GPS的時空參考系統(tǒng)§3.4GPS衛(wèi)星位置計算§3.5GPS衛(wèi)星的星歷§

3.6由衛(wèi)星預報星歷計算GPS衛(wèi)星坐標§3.1衛(wèi)星導航基本設計思想的由來

1957年10月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星上天．當時美國約翰·霍普金斯大學(JohnsHpkinsUniversity)應用物理實驗室的研究人員格亦爾(william

H.Guier)博土和威芬拜克(Geoge

C.Weiffenback)博士在觀測衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號時發(fā)現，盡管衛(wèi)星以固定頻率發(fā)射連續(xù)的無線電波，但當衛(wèi)星由遠而近飛臨地面觀測站上空時，地面接收到的電波頻率比衛(wèi)星實際發(fā)射的頻率要高；當衛(wèi)星在觀測站上空時，接收頻率與發(fā)射頻率相等；當衛(wèi)星飛離地面觀測站上空時，接收頻率比發(fā)射頻率要低。這種現象稱為“多普勒效應”，衛(wèi)星發(fā)射頻率與地面觀測站接收到的頻率之差稱為“多普勒頻移”。

后來，在該應用物理實驗室工作的另外兩名研究人員FrankT.Mcclure博士和RichardB.Kershner提出了與此相反的設想，即如果已經準確知道了衛(wèi)星的運行軌道，那么只要在地面上用接收機測量出衛(wèi)星電波中的多普勒頻移，便可以確定出觀測者在地球上的位置。這就是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本設計思想。地面站（位置）衛(wèi)星（軌道、頻率）多普勒頻移測量研究人員進一步發(fā)現多普勒頻移曲線與衛(wèi)星運行軌道之間存在著十分密切的關系，于是便建立了一個地面站對衛(wèi)星進行長期跟蹤觀測，通過測量衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號中的多普勒頻移曲線來測定衛(wèi)星的運行軌道并獲得試驗成功。這次試驗的成功表明：在已知的地面接收點，精密地測量出衛(wèi)星天線電波中的多普勒頻移，就可以確定出衛(wèi)星的軌道。衛(wèi)星導航就是天文導航與無線電導航的結合物，不過是把無線電導航臺放在人造地球衛(wèi)星上罷了。目前影響最大的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)和GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)。另外還有歐空局的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)、我國的北斗II衛(wèi)星導航系統(tǒng)、日本“準天頂”衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及印度的衛(wèi)星導航計劃?！?.2GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)概述3.2.1GPS定位技術的發(fā)展1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功。從此，利用衛(wèi)星進行定位和導航的研究引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器試驗室著手研制為美國軍用艦艇服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)“navynavigationsatellitesystem(NNSS)”,1964年1月該系統(tǒng)研制成功，成為世界上第一個投入使用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)

的局限性

1.衛(wèi)星少，不能實時定位。2.軌道低，難以精密定軌。

3.頻率低，難以補償電離層效應的影響。GPS(GlobalPositioningSystem)是美國研制的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。是一種可以定時和測距的空間交會定點導航系統(tǒng)，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息，滿足軍事部門和民用部門的需求。?1973年12月美國開始建立新一代的衛(wèi)星導航系統(tǒng)——GPS全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem)?該系統(tǒng)分三個階段進行：1.論證方案階段：1973年12月組成聯合辦公室。

2.工程研制階段：1978年2月22日第一顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。第二、三代衛(wèi)星導航系統(tǒng)：3.生產作業(yè)階段：1989年2月14日第一顆GPS工作衛(wèi)星

發(fā)射成功。

1994年6月完成第二代衛(wèi)星發(fā)射。1996年開始發(fā)射第三代（BlockIIR)

衛(wèi)星。名稱代別衛(wèi)星類型衛(wèi)星數/顆發(fā)射時間用途第一代BlockI111978~1984試驗性第二代BlockIIBlockIIA281989~1994正式工作第三代BlockIIIBlockIIR2020世紀末90年代改進GPS系統(tǒng)GPS衛(wèi)星發(fā)射情況GPSBLOCKIIR衛(wèi)星：(一)GPS相對于其它導航系統(tǒng)的特點

1.全球地面連續(xù)覆蓋。

2.功能多，精度高。

3.實時定位速度快。

4.抗干擾性能好，保密性強。二、GPS的特點(二)GPS應用于定位方面的特點

1.觀測站之間無需通視。

2.定位精度高。

3.觀測時間短。

4.提供三維坐標。

5.操作簡便。

6.全天候作業(yè)。3.2.2GPS定位系統(tǒng)的組成

GPS定位技術是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的載頻無線電測距信號，由地面上用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機天線所在的位置。因此，GPS定位系統(tǒng)是由以下三個部分組成：（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）（3）GPS信號接收機（用戶設備部分）。這三部分有各自獨立的功能和作用，對于整個全球定位系統(tǒng)來說，它們都是不可缺少的。GPS衛(wèi)星星座組成共24顆衛(wèi)星，其中3顆備用，分布在6個軌道面上。軌道面相對地球赤道面的傾角為55度，各軌道平面升交點赤經相差60度，相鄰軌道上衛(wèi)星的升交距角相差30度。軌道平均高度約20200km，運行周期11h58m。因此，同一測站上每天出現的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數目，隨時間地點而異，最少4顆，最多達11顆。GPS系統(tǒng)的空間部分由GPS衛(wèi)星組成，稱為衛(wèi)星星座。衛(wèi)星星座的分布設置要保證地球上任何地點，任何時刻可以同時觀測到高度角15度以上的至少四顆衛(wèi)星。GPS星座參數衛(wèi)星：24顆軌道：面6個長半軸：26609km偏心率：0.01軌道面相對赤道面的傾角：55°各軌道面升交點赤經相差：60°相鄰軌道衛(wèi)星升交距角相差：30°衛(wèi)星高度：20200km衛(wèi)星運行周期：11小時58分鐘GPS衛(wèi)星的基本功能1接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息，。2利用衛(wèi)星上的微處理機，對部分必要的數據進行處理。3通過星載的原子鐘提供精密的時間標準。4向用戶發(fā)送定位信息。5接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令，通過推進器調整衛(wèi)星姿態(tài)和軌道修正，或啟用備用衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星采用多種編號識別系統(tǒng)。在導航定位中通常采用PRN編號（偽隨機噪聲碼）GPS地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的5個地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（5個）、主控站（1個）和注入站（3個）1、監(jiān)測站：是主控站直接控制下的數據自動采集中心。站內設有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、計算機1臺和若干臺環(huán)境數據傳感器。觀測資料由計算機進行初步處理，存儲并傳輸到主控站，以確定衛(wèi)星軌道。2、主控站除協(xié)調和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務：1）根據本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數，并將數據傳送到注入站。2）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應與主控站的原子鐘同步，測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導航電文，送入注入站。3）調整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預定軌道運行。4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。3、注入站：主要設備為1臺直徑3.6m的天線、1臺S波段發(fā)射機和1臺計算機。主要任務是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令等，注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。整個GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現代化通訊網絡聯系，在原子鐘和計算機的驅動和控制下，實現高度的自動化標準化。地面監(jiān)控系統(tǒng)流程圖接收機調制解調器銫鐘氣象傳感器監(jiān)測站觀測星歷與時鐘主控站計算誤差編算注入導航電文調制解調器高功率放大器指令發(fā)生器數據存儲器和外部設備注入站數據處理機數據處理機L1L2S波段GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星GPS地面控制部分的作用負責監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作：監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預定的軌道運行跟蹤計算衛(wèi)星的軌道參數并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過導航電文發(fā)送給用戶保持各顆衛(wèi)星的時間同步必要時對衛(wèi)星進行調度GPS用戶設備部分GPS的空間星座部分和地面監(jiān)控部分是用戶應用該系統(tǒng)進行導航定位的基礎，而用戶只有使用GPS接收機才能實現其定位、導航的目的。用戶部分組成

GPS信號接收機及相關設備GPS接收機接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的無線電設備GPS接收機的組成天線、接收機、處理器、控制顯示單元、電源GPS接收機的作用接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，以獲得必要的定位信息和觀測量，并經過數據處理而完成定位工作3.2.3美國對利用GPS的限制政策美國實行所謂“選擇可用性”—SA政策(SelectiveAvailability)提供兩種定位服務方式：

1.精密定位服務(PPS)—P碼(精碼)2.標準定位服務(SPS)—C/A碼(粗碼)（二)用戶擺脫SA限制政策的措施：

1.建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)；

2.加強GPS差分定位技術的研究與開發(fā)；

3.開發(fā)GPS/GLONASS兼容接收機

4.建立獨立的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。§3.3GPS的時空參考系統(tǒng)GPS的最基本任務是確定用戶在空間的位置。所謂用戶的位置，實際上是指該用戶在特定坐標系中的位置坐標，位置是相對于參考坐標系而言的。因此首先要確定坐標系基準和時間基準。坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是GPS的基本參考系統(tǒng)確定的時空參考系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運動、處理觀測數據、表達用戶位置的物理與數學基礎3.3.1坐標系參考系統(tǒng)GPS衛(wèi)星主要受地球引力作用而繞地心旋轉，與地球自轉無關。因此描述GPS衛(wèi)星在其軌道上的運動規(guī)律，選擇不隨地球自轉的地心坐標系是方便的。在GPS定位中，用戶往往固定在地球表面或地球附近，對用戶的定位往往是相對于地球定位，因此引用與地球固聯的坐標系是必要的。對于GPS衛(wèi)星，坐標基準是天球坐標系對于用戶，坐標基準是地球坐標系天球坐標系天球坐標系原點Z軸X軸標準歷元平天球坐標系（CIS協(xié)議天球系）地心標準歷元平天極平春分點瞬時平赤道天球坐標系地心瞬時平天極瞬時平春分點瞬時真赤道坐標系地心瞬時真天極瞬時真春分點地球坐標系

瞬時地球系

協(xié)議地球系三種天球坐標系之間可以進行坐標轉換。二種地球坐標系之間可以進行坐標轉換天球坐標系和地球坐標系之間也可以進行坐標轉換GPS衛(wèi)星的參考系是WGS-84坐標系，是一種地固坐標系3.3.2GPS的時間參考系統(tǒng)在GPS定位系統(tǒng)技術中，要研究分析人造天體GPS衛(wèi)星、GPS接收機的運動規(guī)律和位置。有關研究對象的運動描述，不僅需要空間參照系（坐標系），而且需要時間參照系（時間基準）作為重要的基準來精確刻畫研究對象的運動狀態(tài)（位置、速度、姿態(tài)等）。時間參考系統(tǒng)包括時間原點（起始歷元）和時間單位（尺度），其中時間的尺度是關鍵，而原點可以根據實際應用加以選定。時間參考系統(tǒng)的物理實現必須具有可觀測的周期運動。這種周期運動應具備連續(xù)性、穩(wěn)定性和復現性。實踐中，由于所選擇的周期現象不同，便產生了不同的時間系統(tǒng)。恒星時（ST）、平太陽時（MT）、世界時（UT）原子時（AT）協(xié)調世界時（UTC）GPS時間系統(tǒng)（GPST）地球動力學時（TDT）§3.4GPS衛(wèi)星位置的計算衛(wèi)星軌道參數（軌道根數）：衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為衛(wèi)星軌道，描述衛(wèi)星軌道狀態(tài)和位置的參數稱為衛(wèi)星軌道參數。衛(wèi)星的無攝運動可由一組經過選擇的軌道參數來描述，他們是。稱為開普勒軌道參數（軌道根數）。a——橢圓軌道長半軸e——橢圓離心率升交點赤經軌道面傾角近地點角距真近點角在衛(wèi)星的6個軌道參數中，前5個是常量，不隨時間變化而變化，它們的大小是由衛(wèi)星的發(fā)射條件所決定的。只有真近點角f是時間的函數。因此，計算衛(wèi)星瞬時位置的關鍵，在于計算參數f。計算真近點角f

在計算真近點角時，要用到兩個輔助參數：一個是偏近點角E，另一個是平近點角M。偏近點角E：由近地點P至S‘的圓弧所對應的圓心角即為衛(wèi)星S所對應的偏近點角。僅當衛(wèi)星位于近地點和遠地點時，偏近點角E與真近點角f的數值是相同的。在其他位置，偏近點角E與真近點角f是不同的。由圖，得到E和f的關系式：將上式兩端平方，再相加，得到上式即為以偏近點角E為自變量的軌道方程。由上述三個式子，可得平近點角軌道直角坐標系：坐標原點O在地心，X軸指向橢圓軌道近地點P，Y軸為軌道橢圓的短軸，Z軸為軌道橢圓的法向。平近點角：以tp作為起始時刻，在時刻t，衛(wèi)星以平均角速度n繞地心在軌道平面中轉過的角度M，稱為平近點角。平近點角與偏近點角的關系：開普勒方程計算真近點角f思路：通過平近點角計算偏近點角，由偏近點角計算真近點角。上式是一個超越方程，不易由M直接求得E。一般采用迭代算法，迭代法的初值可近似取GPS衛(wèi)星的瞬時位置思路：對于任意觀測歷元t，根據衛(wèi)星的平均運行速度n，求平近點角。再采用迭代的方法求出偏近點角，由偏近點角可以唯一確定相應的真近點角。由真近點角就可以求出GPS衛(wèi)星在任意觀測歷元t相對于地球的瞬時空間位置。軌道直角坐標系下衛(wèi)星的位置軌道直角坐標系下，GPS衛(wèi)星位置的表達，只是一種過渡性表達。我們的目的是求出GPS衛(wèi)星在地球坐標系中的位置。求天球坐標系下衛(wèi)星的位置軌道直角坐標系與天球坐標系的關系由3個軌道參數來確定。由軌道直角坐標系繞Zs軸轉過角，再繞Xo軸轉過角，最后繞Zo軸轉過角，則軌道直角坐標系就與天球坐標系重合了。地球坐標系下衛(wèi)星的位置瞬時地球直角坐標系和天球坐標系的關系§3.5GPS衛(wèi)星的星歷衛(wèi)星星歷：描述任一時刻t，衛(wèi)星在空間的位置的一組參數稱為衛(wèi)星星歷。GPS衛(wèi)星星歷有兩種方式：預報星歷（廣播星歷）和后處理星歷（精密星歷）。GPS衛(wèi)星的預報星歷是這樣一組參數：它包含相對于某一參考歷元toe的開普勒軌道參數和必要的軌道攝動改正項參數。預報星歷是由衛(wèi)星廣播發(fā)射的導航電文傳遞到用戶的，用戶接收機捕獲到這些信號，經過解碼便可獲得所需要的衛(wèi)星星歷。在衛(wèi)星星歷中，其中相應于某參考歷元的開普勒軌道參數，是根據地面GPS監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星約一周