GPS期末整理

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1、11 地本钟福昌整理- 1 - / 33GPS 期末复习整理（全）第一章 绪论【重点】1、各种卫星导航系统的构成、工作流程、各部分作用、GPS 系统的特点【整理】GPS 的含义： 课件：（卫星测时测距导航全球定位系统）全球定位系统（GPS）是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。课本（P2）：GPS 系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天） 、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。【整理】卫星导航系统分类：根据用户接收机是否发射信号分类 ：无源系统、有源

2、系统 按测量的参数分类：测距导航系统测距离差导航系统卫星多普勒导航系统测角导航系统混合系统 按卫星运行轨道的高度分类：低轨道（近地轨道）9002,700km中高轨道 13,00020,000km 同步轨道 36,000km按工作区域分类：全球覆盖系统、区域覆盖系统【整理】GPS 系统的特点：定位精度高；观测时间短；测站间无需通视；可同时提供三维坐标；操作简便；全天候作业；功能多、应用广【整理】GPS 系统组成： GPS 系统 构成 作用空间部分 GPS 卫星向用户发送导航定位信号。接收注入站发送的导航电文和其他信息。接收调度命令，改正运行偏差或启用备用时钟。主控站（1 个）采集数据编辑导航电文

3、诊断功能调整卫星注入站（3 个） 将主控站发来的导航电文注入到相应的卫星存储器地面控制部分监测站（5 个） 为主控站提供卫星的观测数据、气象数据用户设备部分 GPS 信号接收机捕获卫星信号、跟踪卫星运行。对接收的 GPS 信号进行变换、放大和处理。测出信号传播时间，解译导航电文。实时计算测站的三维坐标、三维速度和时间。【整理】北斗卫星导航系统：第一代是区域系统(北斗导航试验系统 )双星区域卫星定位系统； 4 颗卫星 ：两颗工作，两颗备用第二代是全球系统：A、三大功能 ：快速定位、简短通信、精密授时11 地本钟福昌整理- 2 - / 33B、时间系统：北斗时（ BDT）溯源到协调世界时 UTC（

4、NTSC） ，与 UTC 的时间偏差小于 100 纳秒。BDT 的起算历元时间是 2006B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T、U、V、W、X、Y、Z、AA、BB、CC、DD、EE、FF、GG、HH、II、JJ、KK、LL、MM、NN、OO、PP、QQ、RR、SS、11 地本钟福昌整理- 3 - / 33TT、UU、年 1 月 1 日零时零分零秒（UTC） 。C、坐标系统：中国 2000 大地坐标系统 （CGS2000） 。【整理】除 GPS 外的三大卫星导航系统：空间部分 地面控制段 用户部分北斗导航卫星系统（第二代）5 颗 GEO（地球静止轨道）卫星和

5、 30 颗Non-GEO 卫星主控站、上行注入站和监测站组成北斗用户终端以及与其他 GNSS 兼容的终端组成GLONASS 系统由 24 颗卫星构成，分布于 3 个轨道面，轨道面之间的夹角 120度，每个轨道分布 8颗卫星，1 个系统控制中心（SCC） ；5 个遥测跟踪指令中心(TT&C)；3 个注入站（ULS） ，2 个激光测距站(SLR)；4+6 个监测站（MS） ； 时间同步控制中心（CC-M）GLONASS 信号接收机及相关设备伽利略 (Galileo)系统由分布在三个轨道上的 30 颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有 10 颗卫星，9 颗正常工作，1 颗运行备用；轨道面

6、倾角 56 度。 包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。 用户接收机及其等同产品，用户接收机将是多用途、兼容性接收机【整理】GPS 系统工作流程：11 地本钟福昌整理- 4 - / 33第二章 坐标系统和时间系统【重点】1、坐标系的定义、不同坐标系统的区别2、坐标系间的转换3、WGS-84 坐标系、 1954 北京坐标系、1980 年国家大地坐标系4、时间系统的定义、GPS 时间系统、时间的不同表现形式【整理】卫星导航系统、坐标系、系统时：卫星导航系统是构成天基 PNT 能力的基础设施，其基本功能是产生和提供 PNT 信息。P N T：定位（P

7、ositioning） 、导航（ Navigation） 、定时（Timing） 。导航系统使用的坐标系和系统时是导航系统产生 PNT 能力的基础。坐标系为 PNT 提供大地基准，系统时为 PNT 提供时间尺度 。【整理】坐标系统：（1）直角坐标系定义的三要素：坐标原点的位置、三个坐标轴的指向、坐标轴的长度单位。任一坐标系中，坐标值与空间点位一一对应。（2）天球坐标戏：以地球质心为坐标系的原点; 以天极和春分点作为天球定向基准的坐标系（3）大地坐标系：以(参考) 椭球中心为原点、起始子午面和赤道面为基准面的地球坐标系。（4）坐标系的两种定义方式：理论上坐标系统的定义过程是先选定一个尺度单位（一

8、般采用标准米），然后定义坐标原点的位置和坐标轴的指向。坐标系统一经定义，任意几何点都具有一组在坐标系内的坐标值。反之亦然，即一组该坐标系内的坐标值就定义了一个几何点。实际应用中，在已知若干测站点的坐标值后，通过观测又可反过来定义该坐标系。可以将前一种方式称为坐标系的理论定义。而有一系列已知测站点所定义的坐标系称为协定坐标系。在点位坐标值不存在误差的情况下，这两种方式对坐标系的定义是一致的。（5）卫星测量中常用的坐标系：瞬时极天球坐标系：原点位于地球质心，z 轴指向瞬时地球自转方向（真天极） ，x 轴指向瞬时春分点（真春分点） ，y 轴按构成右手坐标系取向。瞬时极地球坐标系：原点位于地球质心，z

9、 轴指向瞬时地球自转轴方向，x 轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，y 轴按构成右手坐标系取向。平天球坐标系：原点位于地球质心，选择某一个历元时刻（即时刻的起算点） ，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为 z 轴和 x 轴指向，y 轴按构成右手坐标系取向。平地球坐标系：z 轴指向国际协定原点 CIO，取地平极为原点，x p 轴指向格林尼治平子午圈，指向经度 0的方向，y p 轴指向经度 270的方向。11 地本钟福昌整理- 5 - / 33（6）目前我国常用的坐标系统几何定义 坐标原点 参考椭球 高程基准 补充WGS-84 大地坐标系

10、（GPS 采用）Z 轴指向 BIH 19840 定义的协议地球极(CTP ）方向，X 轴指向 BIH 1984.0 的零子午面和 CTP 赤道的交点。Y 轴与 Z、X 轴构成右手坐标系地球质心, WGS-84 椭球 WGS-84 大地水准面高 N1954 年北京坐标系（北京 54）Z 轴平行于地球质心指向极原点 JYD1968的方向，X 轴在大地起始子午面内与 z 轴垂直指向经度 0的方向，y 轴与 z、x 轴构成右手坐标系。原苏联的普尔科沃克拉索夫斯基椭球1956 年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；采用多点定位法进行椭球定位；高程异常以原苏联 1955 年大地水准面重新平差结果为起算数据。按

11、我国天文水准路线推算而得 。1980 年西安大地坐标系（西安80）Z 轴平行于地球质心指向地极原点JYD1968 方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X 轴在大地起始子午面内与 Z 轴垂直指向经度 0 方向；Y 轴与 Z、X 轴成右手坐标系；陕西省西安市径阳县永乐镇椭球参数采用IUGG 1975 年大会推荐的参数1956 年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数2000 国家大地坐标系（CGCS2000）Z 轴 指 向 BIH1984.0定 义 的 协 议 极 地 方 向（ BIH 国 际 时 间 局 ） ，X 轴 指 向 BIH

12、1984.0定 义 的 零 子 午 面 与 协议 赤 道 的 交 点 ，Y 轴 按 右 手 坐 标 系确 定 。包括海洋和大气的整个地球的质心2000 参考椭球 1985 国家高程基准11 地本钟福昌整理- 6 - / 33【整理】坐标系统转换：（1）不同空间直角坐标系之间的转换：平移旋转 Z尺度变换，重合点数为三个以上，可以采用布尔莎七参数法进行转换 （2）不同大地坐标系的换算：平移(X, Y, X)，旋转，尺度变换 k，变换椭球 (da,d)（3）大地坐标与高斯平面坐标的转换：高斯投影正算 BLxy，高斯投影反算 xy BL【整理】时间系统：（1）时间系统的定义：1.尺度（时间单位）2.原

13、点（2）时间尺度：运动连续、周期恒定、可观测、可用试验复现的周期运动。（3）常见的时间系统：恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统。 平太阳时：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统。 （假设一个平太阳以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运动，其周期与真太阳一致。世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。 原子时：以物质内部原子运动的特征为基础的时间系统。 协调世界时：采用原子时秒长，采用跳秒的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过 1 秒。（4）GPS 时间系统：尺度（基准）：原子时 ATI 秒长、原点：1980 年 1 月 6 日

14、 UTC 0 时。启动后不跳秒，保持时间的连续性。（5）几种常见的时间标示法：历法（Calendar ）：最常用格里高利历（阳历）和农历（阴历）表示方式：XX 年 XX 月 XX 日 XX 时 XX 分 XX 秒特点：不连续、可反映节气变化，适合日常生产与生活儒略日（JDJulian Date）：是一种采用连续数值表示时间的方法、以-4712 年 1 月 1 日 12 时开始计算天数（如 1982 年 1 月 1 日 0 时的儒略日为：2444970.5）特点：连续、适合科学计算、表示的数值较大约化儒略日（MJDModified Julian Date）：为减小儒略日表示日期的数值的大小、 M

15、JD=JD 2400000.5（如 1982 年 1 月 1 日 0 时的约化儒略日为：44970.0）GPS 时：用周数 +周内时间（秒）来表示、WN（Week Number） + TOW（Time of Week） 、以 1980年 1 月 6 日 0 时 0 秒为第 0 周第 0 秒（如 2004 年 5 月 1 日 10 时 5 分 15 秒为第 1268 周 554715 秒）年积日（DOYDay of Year）：从每年的 1 月 1 日起，开始累计天数，计数从 1 开始（如 2004 年 5 月1 日的年积日为 122） （在 Rinex 文件的命名中使用）第三章 卫星运动基础及

16、 GPS 卫星星历【重点】1、卫星所受的作用力、受力分类及中心引力与非中心引力的定义2、卫星的无摄运动与受摄运动的定义、卫星运动轨道的描述3、卫星星历的定义、历书的概念、精密星历、Rinex 文件的命名规则、精密星历 SP3 表现形式【整理】GPS 卫星运动基础：（1）卫星所受的作用力：地球对卫星的引力（主要） 、日月引力、大气阻力、太阳光压（太阳辐射压力） 、地球潮汐作用力。（2）受力分类：中心引力（地球质心引力）摄动力（地球对卫星的非中心引力、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力） 。（注解：）11 地本钟福昌整理- 7 - / 33中心引力：将地球看作密度均匀或由无限多密度均匀的同心球层所构成的圆球，它对球外一点的引力等效于质量集中于球心的质点所产生的引力，这种引力叫做中心引力。摄动力（非中心引力）：地球为椭球体，这种非球形对称的地球引力场便对卫星产生非中心的引力，加上日月引力，大气阻力，太阳光压，