GPS卫星定位测量探素

《GPS卫星定位测量探素》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS卫星定位测量探素（95页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、GPSGPS卫星定位测量探素卫星定位测量探素课程性质：课程性质：测绘、地信、资管专业必修课测绘、地信、资管专业必修课学时数：学时数：56 56 学时；学分：学时；学分：3 3考试形式考试形式：闭卷闭卷考试成绩考试成绩：平时占平时占20%20%，其中占，其中占20%20%，期末占，期末占60%60%教材及主要参考书教材及主要参考书 1 1GPSGPS测量原理及应用科学出版社测量原理及应用科学出版社 2 2GPSGPS测量原理及应用武汉大学出版测量原理及应用武汉大学出版社社 3 3GPSGPS定位技术与应用科学出版社定位技术与应用科学出版社本课程主要内容第一章第一章 GPS卫星定位测量基础卫星定位

2、测量基础第二章第二章 GPS卫星信号及其测量原理卫星信号及其测量原理第三章第三章 GPS静态定位原理静态定位原理第四章第四章 GPS动态定位原理动态定位原理 第五章第五章 GPS控制网的设计与外业工作控制网的设计与外业工作 第六章第六章 GPS定位测量数据处理定位测量数据处理 第七章第七章 GPS定位测量技术应用定位测量技术应用 第八章第八章 现代全球卫星导航定位系统发展现代全球卫星导航定位系统发展绪论：空间大地测量概述绪论：空间大地测量概述一、甚长基线干涉测量一、甚长基线干涉测量一、甚长基线干涉测量一、甚长基线干涉测量（Very Long Baseline InterferometryVLB

3、IVery Long Baseline InterferometryVLBIVery Long Baseline InterferometryVLBIVery Long Baseline InterferometryVLBI）一种靠接收宇宙射电源发出的波来进行射电干涉测量的技术产生于20世纪60年代末宇宙中各种天体辐射着各种波长不同的电磁波，但其中能够很好地透过大气层到达地面的只有两个波段：可见光波段，无线电波段精度、稳定性、基准系统非常庞大，造价昂贵，仅用于固定台站激光脉冲发射到卫星卫星上的反射镜反射后由地面的接收设备接收测出往返时间即可知地面至卫星的距离二、卫星激光测距二、卫星激光测距二、

4、卫星激光测距二、卫星激光测距（Satellite Laser RangingSLRSatellite Laser RangingSLRSatellite Laser RangingSLRSatellite Laser RangingSLR）星载雷达测量卫星到地面的距离对于大地测量而言：可以直接测定大地水准面 三、卫星测高（三、卫星测高（三、卫星测高（三、卫星测高（Satellite AltimetrySatellite AltimetrySatellite AltimetrySatellite Altimetry）全球地面连续覆盖，卫星数目多且分布合理，在地球上任何地方可连续同步观测至少4颗卫

5、星。保障了全球、全天候连续实时导航与定位。功能多、精度高，连续提供动态目标的三维位置信息、三维速度和时间信息实时定位速度快，一秒即可完成定位抗干扰性能好，保密性强四、全球定位系统四、全球定位系统四、全球定位系统四、全球定位系统GPSGPSGPSGPS五、全球导航卫星系统五、全球导航卫星系统五、全球导航卫星系统五、全球导航卫星系统GNSSGNSSGNSSGNSS1、未来的十年将进入群星灿烂的时代；2、GPS现代化为GNSS的启动吹响了进军号；3、GNSS代表了新的要求和新的发展方向；4、要实现全球无缝的工作环境，必须解决增强和互操作性问题；5、GNSS+X是最具发展前景的应用模式；6、中国将从导

6、航卫星应用大国发展为强国；7、导航卫星用户设备产业化是我国当务之急；8、建设GPS信息综合服务体系是个大方向。第一章第一章 GPS GPS卫星定位测量概述卫星定位测量概述1.1 GPS定位系统概述1.2 GPS定位系统的坐标系1.3 GPS定位的时间系统1.4 人造地球卫星的正常轨道运动1.5 人造地球卫星的受摄运动1.1 GPS1.1 GPS定位系统概述定位系统概述 1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星（SPUTNIK-1）发射成功，标志着空间科学技术的发展进入到了一个崭新的时代。随着人造地球卫星的不断入轨运行，利用人造地球卫星进行定位测量已成为现实。20世纪60年代卫星定位技术问

7、世，并逐步发展成为利用人造地球卫星解决大地测量问题的一项空间技术。卫星定位测量技术的发展过程可归结为三个阶段：卫星三角测量、卫星多普勒定位测量、GPS卫星定位测量。1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 卫星大地测量的发展概况卫星大地测量的发展概况卫星大地测量的发展概况卫星大地测量的发展概况1.1.1.1.卫星三角测量原理卫星三角测量原理卫星三角测量原理卫星三角测量原理 卫星定位测量技术问世之初，人造地球卫星仅仅作为一种空间的动态观测目标，由地面测站拍摄卫星的瞬时位置而测定地面点的坐标，称为卫星三角测量卫星三角测量。2.2.2.2.卫星多普勒定位测量卫星多普勒定位测量卫星多普勒定位测量

8、卫星多普勒定位测量系统简介NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座系统组成空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；）卫星星座 由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km，运行周期为107min.地面控制部分包括：跟踪站、计算

9、中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接收机大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机 - 1（MX1502）大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机 - 2（CMA751）应用领域海上船舶的定位大地测量精度单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h 1.6h），精度约为10m联测定位： 各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m。多普勒联测定位多普勒联测定位多普勒单点定位多普勒单点定位系统缺陷卫星颗数少，观测时间和间隔时间长，无法提供连续实时导航定位服务卫星轨道低，难以进行精密定轨卫星信号频率低，难以补偿电离层折射效应的影响TRANSIT系统系统卫星：卫星：

10、6颗颗极地轨道极地轨道轨道高度：轨道高度：1075km信号频率：信号频率：400MHz、150MHz绝对定位精度：绝对定位精度：1m相对定位精度：相对定位精度：0.1m0.5m定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位存在问题：卫星少，无法实现实时定存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响难以消除电离层影响。3.GPS3.GPS3.GPS3.GPS卫星定位测量卫星定位测量卫星定位测量卫星定位测量GPS系统的研制计划共分三个阶段： 第一阶段为原理与可行性实验阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面

11、接收机及建立地面跟踪网。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为Block 和BlockA型卫星。这两组卫星差别是：Block 只能存储14天用的导航电文（每天更新三次）；而BlockA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21+3)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。 和子午卫星导航系统相比，GPS系统

12、具有一下几个优点：1、定位精度高、观测时间短2、全天候作业、测站间无需通视3、功能多、应用广，操作简便4、可提供三维坐标1.1.2 GPS1.1.2 GPS1.1.2 GPS1.1.2 GPS系统的组成系统的组成系统的组成系统的组成GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分GPSGPSGPSGPS系统的组成系统的组成系统的组成系统的组成空间部分（空间部分（空间部分（空间部分（1 1 1 1）n GPS的空间部分 GPSGPS卫星星座卫星星座 设计星座：21+321颗正常的工作卫 星+3颗活动的备用卫星6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min保证在2

13、4小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座28颗GPSGPSGPSGPS系统的组成系统的组成系统的组成系统的组成空间部分（空间部分（空间部分（空间部分（2 2 2 2）GPSGPS卫星卫星作用：执行地面监控站的指令，接受和储存由地面监控站发来的导航信息。向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息。通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。主要设备：原子钟（2台铯钟、2台铷钟、信号生成与发射装置）类型：试验卫星（ 11颗）：Block I 工作卫星（28颗）：Block IIBlockII, BlockII A, BlockII R,BlockII F（新一代的GPS卫星）B

14、lock IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同类型的不同类型的GPS卫星卫星GPSGPSGPSGPS系统的组成系统的组成系统的组成系统的组成地面控制部分（地面控制部分（地面控制部分（地面控制部分（1 1 1 1）GPS的地面控制部分（地面监测系统） 组成：主控站（1个）、注入站（3个）、监测站（5个） 作用：监测和控制卫 星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统 时间。GPSGPSGPSGPS系统的组成系统的组成系统的组成系统的组成地面控制部分（地面控制部分（地面控制部分（地面控制部分（2 2 2 2）主控站（主控站（1 1个）

15、个）作用： 收集各监测站资料，编算各颗卫星星历、卫星钟差和大气修正参数等，并把这些数据以导航电文的形式传送到注入站。 调整偏离轨道的卫星，必要时启用备用卫星以取代失效的工作卫星。监测站（监测站（5 5个）个）作用：为主控站编算导航电文提供观测数据。注入站（注入站（3 3个）个）作用：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。GPSGPSGPSGPS系统的组成系统的组成系统的组成系统的组成用户设备部分用户设备部分用户设备部分用户设备部分 GPS系统用户设备部分组成：硬件、数据处理软件、微处理机及其终端设备接收机硬件组成：主机、天线和电源接收机类型：导航型、测量型、授时型功能：接受GPS卫星发

16、射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。1.1.3 1.1.3 1.1.3 1.1.3 其他卫星导航定位系统其他卫星导航定位系统其他卫星导航定位系统其他卫星导航定位系统GLONASS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）开发者俄罗斯（前苏联）系统构成卫星星座地面控制部分用户设备其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASSGLONASSGLONASS constellationGLONASS satelliteGLONASS与GPS的比较参参 数数GLONASSNAVSTAR GPS系统中的

17、卫星数系统中的卫星数213213轨道平面数轨道平面数36轨道倾角轨道倾角64.8 55轨道高度轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）轨道周期（恒星时）11h15min11h58min卫星信号的区分卫星信号的区分FDMACDMAL1频率频率16021615MHz频道间隔频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率频率12461256MHz频道间隔频道间隔0.4375MHz1228MHz卫星运行状况卫星运行状况从从19821982年年1010月月1212日发射第一颗日发射第一颗GLONASSGLONASS卫星起，卫星起，至至19951995年年1212月月1414日共发射了日共

18、发射了7373颗卫星。颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。维持正常工作。到目前为止（到目前为止（20062006年年3 3月月2020日）日）,GLONASS,GLONASS系统共系统共有有1717颗卫星在轨。其中有颗卫星在轨。其中有1111颗卫星处于工作状态，颗卫星处于工作状态，2 2颗备用，颗备用，4 4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到20072007年使年使GLONASSGLONASS系统的工作卫星数量至

19、少达到系统的工作卫星数量至少达到1818颗，开始发挥导航定位功能。颗，开始发挥导航定位功能。其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统Galileo伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统 Galileo系统。Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。the Galileo

20、satellite constellation 2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。 无论是美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统，还是正在建设的Gal

21、ileo系统均采用被动式导航定位的方法，即用户不发射信号，仅接收卫星发射的信号，由用户完成对信号的处理及定位，是一种无源定位导航系统。无源定位系统的优点是用户自身的保密性好，且用户数量不受限制；存在的问题是用户间、用户与地面系统之间无法进行通讯。双星导航定位系统（北斗一号）双星导航定位系统（北斗一号） 1982198219821982年年年年7 7 7 7月，美国月，美国月，美国月，美国L.A.LvarezL.A.LvarezL.A.LvarezL.A.Lvarez和和和和C.TrophyC.TrophyC.TrophyC.Trophy及及及及F.RoseF.RoseF.RoseF.Rose三

22、三三三位科学家提出主动式卫星导航通信系统，并于位科学家提出主动式卫星导航通信系统，并于位科学家提出主动式卫星导航通信系统，并于位科学家提出主动式卫星导航通信系统，并于1982198219821982年年年年12121212月完成了总体设计月完成了总体设计月完成了总体设计月完成了总体设计, , , ,定名为定名为定名为定名为GEOSTARGEOSTARGEOSTARGEOSTAR。该系统是一个局域。该系统是一个局域。该系统是一个局域。该系统是一个局域实时导航定位系统，据实时导航定位系统，据实时导航定位系统，据实时导航定位系统，据1991199119911991年年年年9 9 9 9月的报导，由于

23、月的报导，由于月的报导，由于月的报导，由于GEOSTARGEOSTARGEOSTARGEOSTAR系统缺乏竞争能力，拟投资的用户日渐减少，最后不得系统缺乏竞争能力，拟投资的用户日渐减少，最后不得系统缺乏竞争能力，拟投资的用户日渐减少，最后不得系统缺乏竞争能力，拟投资的用户日渐减少，最后不得不中断该系统的建设。不中断该系统的建设。不中断该系统的建设。不中断该系统的建设。 我国类似我国类似我国类似我国类似GEOSTARGEOSTARGEOSTARGEOSTAR系统的双星导航定位系统（北斗一系统的双星导航定位系统（北斗一系统的双星导航定位系统（北斗一系统的双星导航定位系统（北斗一号），已于号），已于

24、号），已于号），已于2000200020002000年底发射了两颗同步静止定位卫星，并年底发射了两颗同步静止定位卫星，并年底发射了两颗同步静止定位卫星，并年底发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在卫星，在卫星，在卫星，在2003200320032003年年年年5 5 5 5月月月月25252525日发射，于日发射，于日发射，于日发射，于6 6 6 6月月月月3 3 3 3日日日日5 5 5 5时顺利定点，

25、时顺利定点，时顺利定点，时顺利定点，系统大功告成。系统大功告成。系统大功告成。系统大功告成。 1.1.1.1.双星导航定位系统的组成双星导航定位系统的组成双星导航定位系统的组成双星导航定位系统的组成: : : : （1 1 1 1）卫星星座：由）卫星星座：由）卫星星座：由）卫星星座：由3 3 3 3颗同步静止卫星组成（其中颗同步静止卫星组成（其中颗同步静止卫星组成（其中颗同步静止卫星组成（其中1 1 1 1颗在轨备用）。轨道倾角颗在轨备用）。轨道倾角颗在轨备用）。轨道倾角颗在轨备用）。轨道倾角i =0i =0i =0i =0；公转周期；公转周期；公转周期；公转周期T=24hT=24hT=24h

26、T=24h恒恒恒恒星时；轨道高度星时；轨道高度星时；轨道高度星时；轨道高度H=36000km H=36000km H=36000km H=36000km 。 （2 2 2 2）地面系统：一个中心站：负责系统测控、定）地面系统：一个中心站：负责系统测控、定）地面系统：一个中心站：负责系统测控、定）地面系统：一个中心站：负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。授时等。授时等。授时等。 2.2.双星导航定位系统的技术特点：双星导航定位

27、系统的技术特点：双星导航定位系统的技术特点：双星导航定位系统的技术特点： （1 1）服务区域：）服务区域：）服务区域：）服务区域：70-145E70-145E； 5-55N 5-55N （2 2）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。大。大。大。 （3 3）定位精度：平面精度）定位精度：平面精度）定位精度：平面精度）定位精度：平面精度20m20m；垂直精度；垂直精度；垂直精度；垂直精度10m 10m 3.3.双星导航定位系统的定位原理双星导航定位系统的定位原理双星导航定位系统的定

28、位原理双星导航定位系统的定位原理 地面中心站通过地面中心站通过地面中心站通过地面中心站通过2 2颗同步静止定位卫星传送测距问颗同步静止定位卫星传送测距问颗同步静止定位卫星传送测距问颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为

29、中心以两个户星距离为半离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。（这两个交点一定是以赤道为

30、对称轴南北对称的）。（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程高程模型读出用户高程高程模型读出用户高程高程模型读出用户高程进而让卫星转告用户进而让卫星转告用户进而让卫星转告用户进而让卫星转告用户 。 卫星卫星 1 星下点星下点星下点星下点1 1星下点星下点星下点星下点2 2 定位圆 1定位圆 2地面中心站卫星卫星 2北斗一号定位原理 与与GPS

31、GPS、GLONASSGLONASS、GalileoGalileo等国外的卫等国外的卫星导航系统相比，星导航系统相比，BD1BD1有自己的优点。如有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。大等。BD2为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD2）。从导航体制

32、、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。1.2 GPS1.2 GPS定位系统的坐标系定位系统的坐标系在GPS定位测量中根据坐标轴的指向不同有两类坐标系： 天球坐标系是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。 地球坐标系是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方便。 坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在GPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上

33、的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。北天极北天极南天极南天极北黄极北黄极南黄极南黄极天球子午圈天球子午圈春分点春分点1.2.1 天球概述 1.天球的基本概念 天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。 天球赤道面与天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。 天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午

34、面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。时圈时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.5。 黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点Kn称北黄极，靠近南天极的交点Ks称南黄极。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。 在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准点和基准面。2.岁差和章动 地球形状接近于一个两级扁平赤道隆起的

35、椭球体，地球形状接近于一个两级扁平赤道隆起的椭球体，因此在日月引力和其他天体的作用下，地球在绕太阳因此在日月引力和其他天体的作用下，地球在绕太阳运行时，其自转轴方向并不保持恒定，而是绕着北黄运行时，其自转轴方向并不保持恒定，而是绕着北黄极缓慢的旋转。地球自转轴的这种变化意味着天极的极缓慢的旋转。地球自转轴的这种变化意味着天极的运动，即北天极绕着北黄极做缓慢的旋转运动。天极运动，即北天极绕着北黄极做缓慢的旋转运动。天极运动由于受到引力场不均匀变化的影响而十分复杂，运动由于受到引力场不均匀变化的影响而十分复杂，天文学中把天极的运动分解为一种长周期运动天文学中把天极的运动分解为一种长周期运动岁差岁差

36、，和一种短周期运动和一种短周期运动章动章动。天极位置是变化的，天文学中把天极的瞬时位置天极位置是变化的，天文学中把天极的瞬时位置称为真天极。把称为真天极。把扣除章动影响扣除章动影响后的天极称为后的天极称为平天平天极极。相应的天球赤道和春分点称为。相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球平赤瞬时天球平赤道道和和瞬时平春分点瞬时平春分点。岁差：岁差：平北天极以北黄极为中心，以黄赤交角平北天极以北黄极为中心，以黄赤交角 为半径的一种顺时针圆周运动。岁差周期约为为半径的一种顺时针圆周运动。岁差周期约为25800年。年。产生原因产生原因:主要由于太阳、月亮和其他主要由于太阳、月亮和其他星体对地球赤道降起带的重

37、力作用而造成。星体对地球赤道降起带的重力作用而造成。章动：章动：指真北天极绕平北天极所作的顺时针椭圆指真北天极绕平北天极所作的顺时针椭圆运动。章动的周期为运动。章动的周期为18.6年，与岁差相比是一种年，与岁差相比是一种短周期运动。短周期运动。产生原因产生原因：月球绕地球的运行轨道：月球绕地球的运行轨道面以及月地距的变化面以及月地距的变化 在在GPSGPS定位测量中。为了了解天体运动与地定位测量中。为了了解天体运动与地面观测站点间的关系，通常需要做协议天球坐标面观测站点间的关系，通常需要做协议天球坐标系到协议地球坐标系的变换。具体过程如下：系到协议地球坐标系的变换。具体过程如下：协议（平）天球

38、坐标系协议（平）天球坐标系瞬时极（真）天球坐标系瞬时极（真）天球坐标系瞬时极（真）地球坐标系瞬时极（真）地球坐标系协议（平）地球坐标系协议（平）地球坐标系岁差旋转章动旋转岁差旋转章动旋转旋转真春分点时角旋转真春分点时角极移旋转极移旋转1.2.2 两种天球坐标系及其转换模型瞬时极（真）天球坐标系瞬时极（真）天球坐标系瞬时极（真）天球坐标系的原点为地球质心M；Z轴指向瞬时（真）北天极PN；X轴指向为真春分点；Y轴垂直于XMZ平面，且与X轴和Z轴构成右手系。协议（平）天球坐标系协议（平）天球坐标系平天球坐标系的原点为地球质心M；Z轴指向为平北天极P0；X轴指向平春分点0；Y轴垂直于XMZ平面，且与X

39、轴和Z轴构成右手系。 上述两种天球坐标系的差异，在于采用了不同的北天极，因此要实现上述两种天球坐标系之间的转换，实际上就是要转换北天极的位置。由协议（平）天球坐标系到瞬时极（真）天球坐标系的转换，需要做两个旋转变换，即岁差旋转和章动旋转。岁差旋转：岁差旋转：（历元）平天球坐标系（观测）平天球坐标系岁差旋转岁差旋转数学模型：上式中， 为岁差参数。章动旋转章动旋转（观测）平天球坐标系瞬时极（真）天球坐标系章动旋转转换模型：式中， 是黄赤交角， 是章动交角， 是黄经章动。 地球自转轴不仅受到日月引力作用，而且受到地球内部质量不均匀影响而在地球内部运动。前者导致岁差、章动，后者导致地极在地球表面上的位

40、置随时间而变化，这种现象称为地极移动，简称极移。 国际天文联合会和国际大地测量协会于1967年建议，在1900-1905年间测定的平均地极位置为国际协议原点（CIO），简称平极。1.2.3 极移与国际协议地极原点1.2.4 两种地球坐标系及其转换模型1.协议（平）地球坐标系（地固坐标系）协议（平）地球坐标系的地极位置采用国际协议地极原点CIO，有两种表达形式：空间直角坐标系和大地坐标系地心空间直角坐标系：原点与地球质心重合，Z轴指向国际协议地极原点CIO，X轴指向格林尼治起始子午面与地球平赤道的交点。Y轴垂直于XMZ平面，与X轴和Z轴构成右手系。地心大地坐标系：地球椭球中心和地球质心重合，椭球

41、短轴与地球自转轴重合。大地纬度B：过地面点的椭球面法线与椭球赤道面的夹角。大地经度L：过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角。大地高H：地面点沿椭球面法线到椭球面的距离。地心大地坐标系地心大地坐标系对同一空间点，由大地坐标系转化为空间直角坐标系：式中，N为椭球的卯酉圆曲率半径；e为椭球的第一偏心率，表达式为：当空间直角坐标系转为大地坐标系时，公式如下：2.瞬时极（真）地球坐标系瞬时极（真）地球坐标系的原点与各个坐标轴的指向如下：原点地球质心M；Z轴指向地球的瞬时极，与地球的瞬时自转轴一致；X轴指向平格林尼治起始子午面与地球瞬时（真）赤道的交点；Y轴垂直于XMZ平面，且与X轴和Z轴

42、构成右手系。由瞬时极（真）地球坐标系到协议（平）地球坐标系的变换，可通过顺时针转动极移分量YP与XP实现。由瞬时极（真）地球坐标系到协议（平）地球坐标系的转换模型为：其中：1.2.5 瞬时极（真）天球到瞬时极（真）地球真天球坐标系和真地球坐标系的原点都是地心M，且其Z轴都与地球真自转轴重合，差异在于X轴的指向不同。真天球坐标系的X轴指向真春分点，而真地球坐标系的X轴指向平格林尼治起始子午面与地球真赤道的交点，两者之间的夹角 ，因此，由真天球坐标系到真地球坐标系的变换仅需绕Z轴逆时针转动 角。瞬时极天球坐标系到瞬时极地球坐标系的转换模型：在GPS卫星定位测量中，天球和地球坐标系统之间的变换过程总

43、结如下：协议（平）天球坐标系协议（平）天球坐标系瞬时极（真）天球坐标系瞬时极（真）天球坐标系瞬时极（真）地球坐标系瞬时极（真）地球坐标系协议（平）地球坐标系协议（平）地球坐标系章动旋转章动旋转旋转真春分点时角旋转真春分点时角极移旋转极移旋转（观测）平天球坐标系（观测）平天球坐标系岁差旋转岁差旋转 坐标轴 指向坐标系名原点X轴指向Y轴指向Z轴指向平天球坐标系地球质心平春分点垂直于XMZ平面平北天极真天球坐标系地球质心真春分点垂直于XMZ平面真北天极真地球坐标系地球质心格林尼治起始子午面与地球真赤道交点垂直于XMZ平面地球的瞬时极，与地球的瞬时自转轴一致平地球坐标系地球质心格林尼治起始子午面与地球

44、平赤道的交点垂直于XMZ平面国际协议地极原点1.3 GPS1.3 GPS定位的时间系统定位的时间系统 在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。 在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在： 1.GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于2.6 10-6s。 2.准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于310-11s 3.由于地球的自

45、转现象，在天球坐标系中地球上点的位置是不断变化的，若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则时间测定误差要小于210-5s。 显然，利用GPS进行精密导航和定位，尽可能获得高精度的时间信息是至关重要的。1.3.1 世界时系统 地球的自转运动是连续的，且比较均匀。最早建立的时间系统是以地球自转运动为基准的世界时系统。由于观察地球自转运动时所选取的空间参考点不同，世界时系统包括恒星时、太阳时和世界时。1.恒星时 定义：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 春

46、分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，含24个恒星小时。恒星时以春分点通过本地子午圈的时刻为起算原点，在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角，同一瞬间不同测站的恒星时不同，具有地方性，也称地方恒星时。 由于岁差和章动的影响，地球自转轴在空间的指向是变化的，春分点在天球上的位置也不固定，有真春分点和平春分点之分。相应的恒星时就有真恒星时和平恒星时之分。恒星时是以地球自转为基础，并与地球的自转角度相对应的时间系统。 定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒； 一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太

47、阳分=86400个平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示的时刻正是平太阳时。 2.太阳时3.世界时 以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时UT。世界时与平太阳时的尺度基准相同，其差别仅仅是起算点不同。 世界时系统是以地球自转为基础的时间系统，而地球自转速度是不均匀的，存在长周期性变化、季节性短周期变化和不规则变化。地球自转的这种不稳定导致世界时的不均匀。为了弥补这一缺陷，国际天文联合会在世界时中引入极移改正，但世界时仍不是一个严格均匀的时间系统。1.3.2 原子时 物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定度，由此建立的原子时成为最理想的

48、时间系统。 原子时秒长的定义；位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为一原子时秒。原子时秒为国际制秒（SI）的时间单位。 原子时的尺度标准：国际制秒（SI）。 原子时的原点由下式确定：AT=UT2-0.0039(s） 不同的地方原子时之间存在差异，为此，国际上大约100座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时（International Atomic TimeIAT） 在卫星测量中，原子时作为高精度的时间基准，普遍用于精密测定卫星信号的传播时间。1.3.3 力学时 力学时（DT）是天体力学中用以描

49、述天体运动的时间单位。根据天体运动方程所对应的参考点不同，力学时分为质心力学时和地球力学时。 质心力学时是相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数。 地球质心力学时是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。 在GPS定位中，地球质心力学时，作为一种严格均匀的时间尺度和独立的变量，被用于描述卫星的运动。1.3.4 协调世界时 在进行大地天文测量、天文导航和空间飞行器的跟踪定位时，仍然需要以地球自转为基础的世界时。但由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近20年，世界时每年比原子时慢约1秒，且两者之差逐年积累。为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1972年采用了一种以原子时秒长为基础，在

50、时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统，称为协调世界时（UTC）或协调时。 采用润秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时刻相接近。即当协调时与世界时的时刻差超过0.9s时，便在协调时中引入一润秒（正或负）。一般在12月31日或6月30日末加入，具体日期由国际地球自转服务组织（IERS）安排并通告。 协调时与国际原子时的关系定义为： IAT=UTC+1S n n为调整参数，由IERS发布。 为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，简称GPST。由GPS主控站的原子钟控制，GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差

51、。即IAT-GPST=19。1.3.5 GPS时间系统 GPS时与协调时的时刻，规定于1980年1月6日0时相一致，其后随着时间的积累，两者之间的差别表现为秒的整倍数。至1987年这个差值为4秒，而到1989年其值已达5秒，目前为13s。在GPS测量中，所应用的几种主要时间系统之间的差别见下图。GPS测量中不同时间系统间的关系测量中不同时间系统间的关系国际原子时国际原子时地球力学时地球力学时GPS时协调世界时协调世界时1.4 1.4 人造地球卫星的正常轨道运动人造地球卫星的正常轨道运动 人造地球卫星绕地球的运动状态取决于它所受到的各种作用力。为了研究卫星运动的基本规律，可将卫星受到的作用力分为

52、两类：第一类是地球质心引力或称为中心引力，第二类是摄动力的非中心引力。 我们可以把卫星只受地心引力的作用作为一种近似于研究卫星的运动。忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对与地球的运动，在天体力学中，称之为二体问题。也称为无摄运动。一、二体问题意义下卫星的运动方程一、二体问题意义下卫星的运动方程 它是卫星运动的第一近似描述研究意义它是至今唯一能得到的严密分析解的运动它是全部作用力下的卫星运动更精确解的基础 根据牛顿万有引力定律，在上述理想情况下，根据牛顿万有引力定律，在上述理想情况下，卫星相对于地球的引力加速度为：卫星相对于地球的引力加速度为： 式中式中 G G地球引力常数；地球引力

53、常数； M M地球质量；地球质量； m m卫星质量；卫星质量； r r卫星的地心向径。卫星的地心向径。 二、开普勒定律和卫星运动的轨道参数 在二体问题下，卫星运动状态由6个积分常数确定，他们被称为卫星的轨道参数或者卫星星历。又因为行星围绕太阳的运动和卫星围绕地球的运动具有相同的力学关系，故卫星的运动规律，可由德国天文学家开普勒所发现的行星运动三大定律描述。 开普勒第一定律开普勒第一定律卫星运卫星运行的轨道是一个椭圆，地球质心行的轨道是一个椭圆，地球质心位居椭圆的一个焦点上。位居椭圆的一个焦点上。 卫星运行轨道椭圆卫星运行轨道椭圆asbsMp近地点近地点远地点远地点fs 开普勒第二定律开普勒第二

54、定律卫星在通过地球质心的平卫星在通过地球质心的平面内运动，其向径扫过的面积与所经历的时间成正面内运动，其向径扫过的面积与所经历的时间成正比比相等时间地心向径扫过的面积相等时间地心向径扫过的面积卫星运动的轨道方程： 开普勒第三定律开普勒第三定律卫星运动周期之平方卫星运动周期之平方与轨道椭圆长半径之立方的比值为一常数。与轨道椭圆长半径之立方的比值为一常数。开普勒第三定律的数学形式为：开普勒第三定律的数学形式为： 式中式中 T T为卫星运动的周期为卫星运动的周期 由开普勒第三定律可以确定卫星通过近地点的时刻参数至此二体问题意义下，人造地球卫星运动的6个轨道参数已全部求得，即：只要知道以上这6个轨道参

55、数，就可以计算卫星的瞬时位置和瞬时速度。轨道平面参数： 为轨道平面倾角， 为升交点赤经；轨道椭圆形状参数： 为椭圆长半径， 为轨道椭圆离心率；轨道椭圆定向参数： 为近升角距；时刻参数： 为卫星通过近地点时刻。1-5 1-5 人造地球卫星的受摄运动人造地球卫星的受摄运动 卫星在地球质心引力和各种摄动力综合影响下的轨道运动，称为卫星的受摄运动。相应的卫星运行轨道称为摄动轨道或瞬时轨道。摄动轨道偏离正常轨道的差异，称为卫星的轨道摄动。地球体不规则及质量分布不地球体不规则及质量分布不均匀而引起的作用力均匀而引起的作用力太阳和月球的引力太阳和月球的引力太阳的直接与间接辐射压力太阳的直接与间接辐射压力大气的阻力大气的阻力摄动力的影响摄动力的影响地球潮汐的作用力、磁力地球潮汐的作用力、磁力本章小结本章小结了解卫星定位技术的发展。掌握GPS定位系统的组成，以及各部分的作用。了解全球现有的其他卫星导航定位系统。掌握GPS定位系统几种坐标系，及其转过过程。了解GPS定位系统的时间系统。了解开普勒三大定律，以及卫星的无摄运动和受摄运动。课堂作业：课堂作业：简述GPS全球定位系统的组成，以及各组成部分的功能。简述GPS定位系统的几种坐标系的差别试描述GPS卫星正常轨道运动的开普勒三大定律。结束结束