1、GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用測量原理與應(yīng)用（ Global Positioning System - GPS）GPS測量原理與應(yīng)用目錄第一章 緒緒 論論1.1 1.1 衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 1.2 GPS1.2 GPS系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 1.3 GPS1.3 GPS在國民經(jīng)濟建設(shè)中的應(yīng)用在國民經(jīng)濟建設(shè)中的應(yīng)用GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.1 PS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展. 早期的衛(wèi)星定位技術(shù) 缺點：缺點： 受可見條件和天氣條件影響，費時費力，定位精度低，被多普勒定位技術(shù)所代替。 衛(wèi)星三角網(wǎng)衛(wèi)星三角網(wǎng) 以人造地球衛(wèi)星作為空間觀測目標，由地面觀測站對其進行攝影測量，測定測站至

2、衛(wèi)星的方向，來確定地面點的位置的三角網(wǎng)。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄. 子午衛(wèi)星導(dǎo)航（多普勒定位）系統(tǒng)及其缺陷 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(NNSS) (NNSS) 將衛(wèi)星作為空間動態(tài)已知點，通過在測站上接受子午衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，利用多普勒定位技術(shù)，進行測速、定位的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 優(yōu)點優(yōu)點: : 經(jīng)濟快速、精度均勻、不受天氣和時間的限制。缺點缺點: : 不能實時定位、定位時間長、定位精度低等缺點。GPS測量原理與應(yīng)用目錄子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(NNSS)衛(wèi)星多普勒定位具有經(jīng)濟、快速、精度均勻、不受天氣和時間限制等優(yōu)點，只要能見到子午衛(wèi)星，便可在地球表面的任何地方進行單點定位或

3、聯(lián)測定位，從而獲得測站的三維地心坐標。但仍存在一些明顯的缺陷，主要表現(xiàn)在主要表現(xiàn)在：衛(wèi)星少，不能實時定位。衛(wèi)星少，不能實時定位。 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用顆工作衛(wèi)星，并能通過地球的南北級而運動，以致地面上任一點位所測到子午衛(wèi)星通過的間隔時間較長，而且隨著緯度的不同而變更。 軌道低，難以精密定軌。軌道低，難以精密定軌。 子午衛(wèi)星的飛行高度平均僅達屬于低軌道衛(wèi)星，難以得到一種高精度的動態(tài)定位已知點，致使衛(wèi)星多普勒定位精度局限在米級水平。頻率低，難以補償電離層效應(yīng)的影響。頻率低，難以補償電離層效應(yīng)的影響。子午衛(wèi)星的射電頻率分別為：400MHz和150MHz，用這兩種頻率信號進行雙頻多普勒定位時，只能

4、削弱電離層效應(yīng)的低階項影響，難以削弱電離層效應(yīng)的高階項影響。GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.1.3 全球定位系統(tǒng)的建立從1972年開始至1994年建成，耗資200億美元 24顆衛(wèi)星分布在6個軌道平面上 衛(wèi)星壽命78年 采用碼分多址（CDMA）技術(shù) 軍民兩用系統(tǒng) 受美國國防部控制GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPSGPS計劃實施的三個階段計劃實施的三個階段 方案論證和初步設(shè)計階段方案論證和初步設(shè)計階段 從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。 全面研制和試驗階段全面研制和試驗階段 從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，

5、GPS定位精度遠遠超過設(shè)計標準。 實用組網(wǎng)階段實用組網(wǎng)階段 1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進入工程建設(shè)階段。 1993年底實用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄全球定位系統(tǒng)的特點全球定位系統(tǒng)的特點全球通用全球通用 2424小時可以定位，測速和授時小時可以定位，測速和授時 用戶設(shè)備成本低廉用戶設(shè)備成本低廉 確保美國軍事安全，服務(wù)于全球戰(zhàn)略確保美國軍事安全，服務(wù)于全球戰(zhàn)略 導(dǎo)航精度可達導(dǎo)航精度可達1020m 1020m 取代現(xiàn)存各種導(dǎo)航系統(tǒng)取代現(xiàn)存各種導(dǎo)航系統(tǒng) 這種設(shè)備可以用來武裝戰(zhàn)車，艦船和飛機，提

6、高其作戰(zhàn)能力，并可廣泛用于地面部隊。其作用在海灣戰(zhàn)爭中已得到相當充分的顯示。GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.1.4 GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) 前蘇聯(lián)于1982年開始發(fā)射GLONASS衛(wèi)星，至1996年共發(fā)射24+1顆衛(wèi)星，經(jīng)數(shù)據(jù)加載，調(diào)整和檢驗，于1996年1月18日系統(tǒng)正式運行，主要為軍用。 主要特點：主要特點： 1、GLONASS衛(wèi)星的識別方法采用頻分復(fù)用制。 L1頻率為1.6021.616GHz,頻道間隔為0.5625MHz； L2頻率為1.2461.256GHz,頻道間隔為0.4375MHz。 2、可進行衛(wèi)星測距。 3、民用無任何限制，不收費。 4、民用的標準精度通道（CSA）精度為

7、： 水平精度為：水平精度為：505070m 70m 垂直精度為：垂直精度為：75m 75m 測速精度為：測速精度為：15cm/s 15cm/s 授時精度為：授時精度為：1s1sGPS測量原理與應(yīng)用目錄1.1.5 伽利略(Galileo)GNSS系統(tǒng) Galileo系統(tǒng)建設(shè)始于2002年，計劃2008年投入使用，我國參與了該系統(tǒng)的投資建設(shè)，是一個全開放型的高精度的民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 衛(wèi)星星座：衛(wèi)星星座： 30顆衛(wèi)星均勻分布在3個 中高度圓軌道平面上，軌道 高度23616km，傾角56度。 任一地區(qū)接收機至少可見 4顆衛(wèi)星，與 GPS/GLONASS有 機地兼容，增強系統(tǒng)使用的 安全性和完善性

8、。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng) GLONASS GPS GLONASS GPS GalileoGalileo衛(wèi)星數(shù)（顆） 21+3 21+3 27+3 軌道面數(shù)（個） 3 6 3 軌道傾角（度） 64.8 55 56 平均高度（km） 19100 20200 23616 周期（hm） 11h15m 11h58m 14h 衛(wèi)星射電頻率L1 1602-1616MHz 1575.42MHz 1575.42MHz 衛(wèi)星射電頻率L2 1246-1256MHz 1227.6 MHz 1207.14MHz C/A碼頻率 511 kHz 1.023 MHz 1176.75 MHz (E5a) C

9、/A碼碼長 511 bit 1023 bit _三種衛(wèi)星系統(tǒng)比較GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.1.6 雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號）空間部分：空間部分：2 2 1(1(備用備用) )地球同步衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星 地面中心站：地面應(yīng)用系統(tǒng)、測控系統(tǒng)地面中心站：地面應(yīng)用系統(tǒng)、測控系統(tǒng) 用戶部分：低動態(tài)、靜態(tài)用戶機用戶部分：低動態(tài)、靜態(tài)用戶機 服務(wù)范圍：服務(wù)范圍：70700 0E E1451450 0E E，5 50 0N N55550 0N N 定位精度：平面定位精度：平面 20m20m，高程，高程 20m 20m 功能：快速定位、簡短通信、精密授時功能：快速定位、簡短通信、精密授時 定位原理：三球交會測

10、量定位定位原理：三球交會測量定位 工作步驟：工作步驟： l地面控制中心向兩枚衛(wèi)星發(fā)送詢問信號；地面控制中心向兩枚衛(wèi)星發(fā)送詢問信號； l衛(wèi)星將詢問信號轉(zhuǎn)發(fā)給地面用戶；衛(wèi)星將詢問信號轉(zhuǎn)發(fā)給地面用戶； l用戶響應(yīng)詢問信號，向衛(wèi)星發(fā)回回應(yīng)信號；用戶響應(yīng)詢問信號，向衛(wèi)星發(fā)回回應(yīng)信號； l衛(wèi)星將用戶的響應(yīng)信號轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心；衛(wèi)星將用戶的響應(yīng)信號轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心； l地面控制中心接收用戶的響應(yīng)信號，并解讀出用地面控制中心接收用戶的響應(yīng)信號，并解讀出用 戶申請的服務(wù)內(nèi)容，計算出相應(yīng)的內(nèi)容；戶申請的服務(wù)內(nèi)容，計算出相應(yīng)的內(nèi)容； l地面控制中心將服務(wù)內(nèi)容經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。地面控制中心將服務(wù)內(nèi)容經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給用

11、戶。GPS測量原理與應(yīng)用目錄北斗一號系統(tǒng)組成圖GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)（CNSS），是除），是除美國的美國的全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的）、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。可。可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并兼具精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時

12、服務(wù)，并兼具短報文通信能力。第八顆和第九顆北斗衛(wèi)星于短報文通信能力。第八顆和第九顆北斗衛(wèi)星于2011年被年被長征三號甲運載火箭長征三號甲運載火箭送入太空預(yù)定轉(zhuǎn)移送入太空預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。軌道。2011年年12月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其表示，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在人冉承其表示，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在2020年形年形成全球覆蓋能力。成全球覆蓋能力。GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄一一 北斗系統(tǒng)介紹北斗系統(tǒng)介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)

13、航系統(tǒng)。與美國GPS、俄羅斯格羅納斯、歐盟伽利略系統(tǒng)并稱全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端三部分組成。空間端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若 干個地面站。用戶端由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）、歐洲“伽利略”（GALILEO）等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。 中國此前已成功發(fā)射四顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星和十顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星（其中，北斗-1A已經(jīng)結(jié)束任務(wù)），將在系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗基礎(chǔ)上，逐步擴展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)目標是建成獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠覆蓋全球的

14、導(dǎo)航系統(tǒng)。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動衛(wèi)星導(dǎo)航在國民經(jīng)濟社會各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。 該系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并兼具短報文通信能力。中國以后生產(chǎn)定位服務(wù)設(shè)備的產(chǎn)商，都將會提供對GPS和北斗系統(tǒng)的支持，會提高定位的精確度。而另外一種北斗系統(tǒng)特有的短報文服務(wù)功能將收費，這個功能的實用性還有待觀察。 2011年12月27日起，開始向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時服務(wù)。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖GPS測量原理與應(yīng)用目錄二二

15、系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)服務(wù) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，包括開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式。開放服務(wù)是向全球免費提供定位、測速和授時服務(wù)，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。授權(quán)服務(wù)是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄三三 系統(tǒng)特色系統(tǒng)特色 1 特色特色 北斗導(dǎo)航終端與GPS、“伽利略”和“格洛納斯”相比，優(yōu)勢在于短信服務(wù)和導(dǎo)航結(jié)合，增加了通訊功能； 全天候快速定位，極少的通信盲區(qū)，精度與GPS相當，而在增強區(qū)域也就是亞太地區(qū)，甚至會超過GPS；向全世界提供的服務(wù)都是免費

16、的，在提供無源定位導(dǎo)航和授時等服務(wù)時，用戶數(shù)量沒有限制，且與GPS兼容；特別適合集團用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；獨特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機設(shè)計，可同時解決“我在哪？”和“你在哪？”；自主系統(tǒng)，高強度加密設(shè)計，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用。 2 劣勢劣勢北斗一號系統(tǒng)屬于有源定位系統(tǒng)，系統(tǒng)容量有限，定位終端比較復(fù)雜。北斗一號系統(tǒng)屬于區(qū)域定位系統(tǒng)，目前只能為中國以及周邊地區(qū)提供定位服務(wù)，且與GPS完善成熟的運營相比，未來處于不斷完善之中。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄四四 發(fā)展歷程發(fā)展歷程衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，中國高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的

17、建設(shè)， 一直在努力探索和發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年，首先建成北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，使我國成為繼美、俄之后的世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。特別是在2008年北京奧運會、汶川抗震救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。為更好地服務(wù)于國家建設(shè)與發(fā)展，滿足全球應(yīng)用需求，我國啟動實施了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖GPS測量原理與應(yīng)用目錄五五 建設(shè)原則建設(shè)原則 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，以應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展為根本目標，不僅要建成系統(tǒng)，

18、更要用好系統(tǒng)，強調(diào)質(zhì)量、安全、應(yīng)用、效益，遵循以下建設(shè)原則： 1 開放性開放性 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)、發(fā)展和應(yīng)用將對全世界開放，為全球用戶提供高質(zhì)量的免費服務(wù)，積極與世界各國開展廣泛而深入的交流與合作，促進各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間的兼容與互操作，推動衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 2 自主自主性性 中國將自主建設(shè)和運行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可獨立為全球用戶提供服務(wù)。 3 兼容性兼容性 在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會（ICG）和國際電聯(lián)（ITU）框架下，使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與世界各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)兼容與互操作，使所有用戶都能享受到衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展的成果。 4 漸進性漸進性 中國將積極穩(wěn)妥地推進北斗衛(wèi)星

19、導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，不斷完善服務(wù)質(zhì)量，并實現(xiàn)各階段的無縫銜接。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄六六 建設(shè)計劃建設(shè)計劃 從古至今，人類在生產(chǎn)和生活實踐中發(fā)明了多種導(dǎo)航方法。例如，天文導(dǎo)航是通過觀測天體的位置來確定自身的位置和航向，此法設(shè)備簡單，但受到氣象條件的限制；無線電導(dǎo)航是接收海岸電臺發(fā)出的無線電波來確定艦船自身的位置，它雖不受氣象條件的影響，但由于無線電波的傳播距離有限，故用于遠航時有困難；其他導(dǎo)航方法也不盡如人意。從目前的技術(shù)水平和可以預(yù)見的將來看，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是一種比較理想的導(dǎo)航工具。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是指利用一組導(dǎo)航衛(wèi)星，對地面、海洋和空間用全戶進行精確的定位。它具有全時空、全天候、高精度、連

20、續(xù)實時地提供導(dǎo)航、定位和授時的特點，已成為應(yīng)用廣泛的導(dǎo)航定位技術(shù)。衛(wèi)星 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星行走軌跡北斗導(dǎo)航衛(wèi)星行走軌跡導(dǎo)航定位系統(tǒng)是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，可提供高精度的定位、測速和授時服務(wù)，能帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。我國高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，一直努力探索和發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。早在上世紀60年代末，我國就開展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制工作，但由于諸多原因而夭折。自20世紀70年代后期以來，國內(nèi)開展了探討適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的體制研究，先后提出過單星、雙星、三星和3-5星的區(qū)域性系統(tǒng)方案，以及多星的全球系統(tǒng)的設(shè)想，并考慮到導(dǎo)航定位與通信等綜合運用問題，但是由于種種原因，這些方案和設(shè)想都

21、沒能得以實現(xiàn)。在20世紀80年代到90年代，我國就結(jié)合國情，科學、合理地提出并制訂自主研制實施“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的“三步走”規(guī)劃： GPS測量原理與應(yīng)用目錄六六 建設(shè)計劃建設(shè)計劃 第一步是試驗階段，即用少量衛(wèi)星利用地球同步靜止軌道來完成試驗任務(wù)，為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)積累技術(shù)經(jīng)驗、培養(yǎng)人才，研制一些地面應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等； 第二步是到2012年，計劃發(fā)射10多顆衛(wèi)星，建成覆蓋亞太區(qū)域的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（即“北斗二號”區(qū)域系統(tǒng)）； 第三步是到2020年，建成由5顆靜止軌道和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄北斗衛(wèi)星發(fā)射計劃日期火箭衛(wèi)星軌道

22、使用狀況系統(tǒng)世代2000.10.31CZ-3A Y5北斗-1A36,086 x 36,256 km 廢棄衛(wèi)星軌道失效北斗一號2000.11.21CZ-3A Y6北斗-1B35,883 x 36,264 km 廢棄衛(wèi)星軌道失效2003.5.25CZ-3A Y7北斗-1C地球靜止軌道 110.5E正常2007.2.3CZ-3A Y12北斗-1D35844 x 36365 km 廢棄衛(wèi)星軌道失效2007.4.14CZ-3A Y13北斗-M1中地球軌道21500km正常，測試星北斗二號2009.4.15CZ-3C Y3北斗-G235594 x 36036 km 漂移失效2010.1.17CZ-3C Y

23、2北斗-G1地球靜止軌道 140E正常2010.6.2CZ-3C Y4北斗-G3地球靜止軌道 84E正常2010.8.1CZ-3A Y16北斗-I1傾斜地球同步軌道傾角55正常2010.11.1CZ-3C Y5北斗-G4地球靜止軌道 160E正常2010.12.18CZ-3A Y18北斗-I2傾斜地球同步軌道 傾角55正常2011.4.10CZ-3A Y19北斗-I3傾斜地球同步軌道 傾角55正常2011.7.27CZ-3A Y17北斗-I4傾斜地球同步軌道正常2011.12.2CZ-3A Y23北斗-I5傾斜地球同步軌道正常2012.CZ-3C北斗-G5地球靜止軌道GPS測量原理與應(yīng)用目錄G

24、PS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.2 GPS 系統(tǒng)的組成GPS 由三個主要部分組成 GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.2.1 GPS工作衛(wèi)星 及其星座NoImage1） 衛(wèi)星數(shù)21+3顆； 2） 6個衛(wèi)星軌道面，軌道傾角55度； 3） 衛(wèi)星高度為20200km,衛(wèi)星運行周期為11小時58分； 4） 載波L1頻率為1575.42MHz，L2為1227.60MHz。 GPSGPS衛(wèi)星星座的基本參數(shù)：衛(wèi)星星座的基本參數(shù)：GP

25、S測量原理與應(yīng)用目錄GPS工作衛(wèi)星在軌重量843.68kg，設(shè)計壽命七年半； 在軌時依靠太陽能電池及鎘鎳蓄電池供電； 有12根螺旋形天線組成的陣列天線，向地面發(fā)射張角為30度的電磁波束； 由一個推力系統(tǒng)保持衛(wèi)星在軌位置及姿態(tài)調(diào)整，衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整采用三軸穩(wěn)定方式，使衛(wèi)星天線始終對準地心。 GPSGPS衛(wèi)星的發(fā)展概況衛(wèi)星的發(fā)展概況 衛(wèi)星類型 衛(wèi)星數(shù)量/顆 發(fā)射時間/年 用途 第一代 第二代 第三代 Block II,IIA11 28 33 19781985 19891996 19972010 試驗 正式工作 改進GPS系統(tǒng) Block IBlock IIR,IIFGPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS工作衛(wèi)

26、星的圖片GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.2.2 地面監(jiān)控系統(tǒng)一個主控站一個主控站：科羅拉多法爾孔法爾孔 三個注入站：三個注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亞(Diego Garcia) 卡瓦加蘭(kwajalein) 五個監(jiān)測站：五個監(jiān)測站：1個主控站+3個注入站+夏威夷（Hawaii)5555HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado FalconGPS測量原理與應(yīng)用目錄1.2.3 GPS信號接收機 供電信號信息命令數(shù)據(jù)供電，控制 供電數(shù)據(jù)控制 GPSGPS接收機的結(jié)構(gòu)圖接收機的結(jié)構(gòu)圖GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.3 GPS在國民經(jīng)濟建設(shè)中

27、的應(yīng)用 1.3.1 GPS系統(tǒng)的特點1 1、定位精度高定位精度高 2 2、觀測時間短觀測時間短 3 3、測站間無須通視測站間無須通視 4 4、可提供三維坐標可提供三維坐標 5 5、操作簡便操作簡便 6 6、全天候作業(yè)全天候作業(yè) 7 7、功能多、應(yīng)用廣功能多、應(yīng)用廣GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.3.2 GPS系統(tǒng)應(yīng)用前景1 1、GPSGPS系統(tǒng)用途廣泛系統(tǒng)用途廣泛 2 2、多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn)多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn) 3 3、發(fā)展發(fā)展GPSGPS產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè) 4 4、GPS GPS 的應(yīng)用將進入人們的日常生活的應(yīng)用將進入人們的日常生活 有人預(yù)言：有人預(yù)言：GPS GPS 將將 改改 變變 我我 們

28、們 的的 生生 活活 方方 式式 ！ GPS測量原理與應(yīng)用目錄1.3.3 我國的GPS定位技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展情況 大地測量方面大地測量方面 利用GPS技術(shù)開展國際聯(lián)測，建立全球性大地控制網(wǎng) 全國GPS定位大會戰(zhàn)，建立A級、B級網(wǎng) 海島與全國大地網(wǎng)的聯(lián)測GPS測量原理與應(yīng)用目錄 在工程測量方面在工程測量方面l布設(shè)工程控制網(wǎng)，加密圖根控制點； l應(yīng)用RTK技術(shù)測繪各種比例尺地形圖和用于施工放樣。 在航空攝影測量方面在航空攝影測量方面l應(yīng)用GPS技術(shù)進行航測外業(yè)控制測量、航攝飛行導(dǎo)航、機載GPS航測等。 在地球動力學測量方面在地球動力學測量方面l全球板塊運動監(jiān)測、區(qū)域板塊運動監(jiān)測、地殼斷裂運動和地殼形變

29、觀測。 在其它方面的應(yīng)用與研究在其它方面的應(yīng)用與研究GPS測量原理與應(yīng)用目錄本章小結(jié)介紹了幾種主要的衛(wèi)星定位系統(tǒng)； 詳細介紹了GPS系統(tǒng)的組成； 介紹了GPS的應(yīng)用。GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage第二章 坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage 全球定位系統(tǒng)（GPS）的最基本任務(wù)是確定用戶在空間的位置。而所謂用戶的位置，實際上是指該用戶在特定坐標系的位置坐標，位置是相對于參考坐標系而言的，為此，首先要設(shè)立適當?shù)淖鴺讼怠Ｗ鴺讼到y(tǒng)是由原點位置、3個坐標軸的指向和尺度所定義，根據(jù)坐標軸指向的不同，可劃分為兩大類坐標系：天球坐標系和地球坐標系。 由于坐標系相對于時間的依賴性，每

30、一類坐標系又可劃分為若干種不同定義的坐標系。 不管采用什么形式，坐標系之間通過坐標平移、旋轉(zhuǎn)和尺度轉(zhuǎn)換，可以將一個坐標系變換到另一個坐標系去。 2.1 2.1 天球坐標系和地球坐標系天球坐標系和地球坐標系GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage圖2-1 直角坐標系與球面坐標系 1. 天球空間直角坐標系的定義天球空間直角坐標系的定義 地球質(zhì)心O為坐標原點，Z軸指向天球北極，X軸指向春分點，Y軸垂直于XOZ平面，與X軸和Z軸構(gòu)成右手坐標系。則在此坐標系下，空間點的位置由坐標（X，Y，Z）來描述。 2.1.1 2.1.1 天球坐標系天球坐標系 2天球球面坐標系的定義天球球面坐標系的定義 地球質(zhì)心O為坐

31、標原點，春分點軸與天軸所在平面為天球經(jīng)度（赤經(jīng)）測量基準基準子午面，赤道為天球緯度測量基準而建立球面坐標。空間點的位置在天球坐標系下的表述為（r，）。 天球空間直角坐標系與天球球面坐標系的關(guān)系可用圖2-1表示：GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.1.1 2.1.1 天球坐標系天球坐標系sincossincoscosrZrYrX3. 直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換 對同一空間點，天球空間直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：22222/arctan()/arctan(YXZXYZYXr(2-1)(2-2) GP

32、S測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.1.2 2.1.2 地球坐標系地球坐標系1地球直角坐標系的定義地球直角坐標系的定義 地球直角坐標系的定義是：地球直角坐標系的定義是：原點O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標系。 圖2-2 直角坐標系和大地坐標系2. 地球大地坐標系的定義地球大地坐標系的定義 地球大地坐標系的定義是：地球大地坐標系的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。空間點位置在該坐標系中表述為（L，B，H）。 地球直角坐標系和地球大地坐標系可用圖2-2表示：GPS測量原理與應(yīng)用目錄No

33、Image2.1.2 2.1.2 地球坐標系地球坐標系對同一空間點，直角坐標系與大地坐標系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系： 2()coscos()cossin(1)sinXNHBLYNHBLZNeHB（23）2222arctan( /)arctan()/(1)/sin(1)LY XBZ NHXYNeHHZBNe（24）222222/ 1sin()/,NaeBNeabaa e式中， 為該點的卯酉圈半徑；，分別為該大地坐標系對應(yīng)橢球的長半徑和第一扁心率。3. 直角坐標系與大地坐標系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換直角坐標系與大地坐標系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.1.3 2.1.3 站心赤道直角坐標系與

34、站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系站心地平直角坐標系XYZO 1站心赤道直角坐標系站心赤道直角坐標系 如圖2-3，P1 是測站點，O為球心。以O(shè)為原點建立球心空間直角坐標系 。以P1 為原點建立與 相應(yīng)坐標軸平行的坐標系 叫站心赤道直角坐標系。 顯然， 同 坐標系有簡單 的平移關(guān)系： （2-5) BHeNLBHNLBHNZYXZYXsin)1 (sincos)(coscos)(2_1ZYXP XYZOXYZO_1ZYXP GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.1.3 2.1.3 站心赤道直角坐標系與站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系站心地平直角坐標系2站心地平直角坐標系站心地平直角

35、坐標系以P1 為原點，以P1 點的法線為z軸（指向天頂為正），以子午線方向為x軸（向北為正），y軸與x，z垂直（向東為正）建立的坐標系叫站心地平直角坐標系。站心地平直角坐標系與站心赤道直角坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： 代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐標系與球心空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系式： 地平站赤）（zyxZYXyyz_PB-90RL180Rsincossincoscossinsincoscossin (2-6)cos0sinBLLBLBLLBLBB sincossincoscossinsincoscossincos0sinXBLLBLxYBLLBLyZBBz 球空地平2()cos cos()

36、cos sin (2-7) (1)sinN HBLN HBLNeHBGPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.1.3 2.1.3 站心赤道直角坐標系與站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系站心地平直角坐標系2站心地平直角坐標系站心地平直角坐標系以P1 為原點，以P1 點的法線為z軸（指向天頂為正），以子午線方向為x軸（向北為正），y軸與x，z垂直（向東為正）建立的坐標系叫站心地平直角坐標系。站心地平直角坐標系與站心赤道直角坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： 代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐標系與球心空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系式： 地平站赤）（zyxZYXyyz_PB-90RL180Rsincossin

37、coscossinsincoscossin (2-6)cos0sinBLLBLBLLBLBB sincossincoscossinsincoscossincos0sinXBLLBLxYBLLBLyZBBz 球空地平2()cos cos()cos sin (2-7) (1)sinN HBLN HBLNeHBGPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.1.4 2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系衛(wèi)星測量中常用坐標系 選擇某一歷元時刻，以此瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸和春分點方向分別扣除此瞬間的章動值作為z軸和x軸指向，y軸按構(gòu)成右手坐標系取向，建立天球坐標系平天球坐標系，坐標系原點與真天球坐標系相同。瞬時極天球坐標

38、系與歷元平天球坐標系之間的坐標變換通過下面兩次變換來實現(xiàn)。 （1）歲差旋轉(zhuǎn)變換）歲差旋轉(zhuǎn)變換 ZM（t0)表示歷元J2000.0年平天球坐標系z軸指向，ZM（t）表示所論歷元時刻t真天球坐標系z軸指向。兩個坐標系間的變換式為： (2-11) 式中：A ，A，ZA為歲差參數(shù)。 （2）章動旋轉(zhuǎn)變換）章動旋轉(zhuǎn)變換 類似地有章動旋轉(zhuǎn)變換式： （2-12） 式中：為所論歷元的平黃赤交角，分別為黃經(jīng)章動和交角章動參數(shù)。 )()(0)()()(tMAzAyAztMzyxRRZRzyx)()()()()(tMxzxtczyxRRRzyx2. 固定極天球坐標系固定極天球坐標系平天球坐標系平天球坐標系GPS測量原

39、理與應(yīng)用目錄NoImage2.1.4 2.1.4 衛(wèi)星測量中常用坐標系衛(wèi)星測量中常用坐標系3. 固定極地球坐標系固定極地球坐標系平地球坐標系平地球坐標系極移極移：地球瞬時自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時間而變，稱為地極移動，簡稱 極移。 瞬時極瞬時極：與觀測瞬間相對應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時的 地 球極軸，相應(yīng)的極點稱為瞬時極。 國際協(xié)定原點國際協(xié)定原點CIO：采用國際上5個緯度服務(wù)站的資料，以1900.00至 1905.05年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均位置作為 地球的固定極稱為國際協(xié)定原點CIO。 圖2-5為瞬時極與平極關(guān)系。GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.1.4 2.1.4 衛(wèi)星測量中常用

40、坐標系衛(wèi)星測量中常用坐標系平地球坐標系：平地球坐標系：取平地極為坐標原點，z軸指向CIO，x軸指向協(xié)定赤道 面與格林尼治子午線的交點，y軸在協(xié)定赤道面里，與 xoz構(gòu)成右手系統(tǒng)而成的坐標系統(tǒng)稱為平地球坐標系。 平地球坐標系與瞬時地球坐標系的轉(zhuǎn)換公式： （2-13） 下標em表示平地球坐標系，et表示t 時的瞬時地球坐標系， 為t時刻以角度表示的極移值。 ppyx ,GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.2 WGS-842.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系坐標系和我國大地坐標系WGS-84的定義的定義：WGS-84是修正NSWC9Z-2參考系的原點和尺度變化，并旋轉(zhuǎn)其參考子午面與BIH

41、定義的零度子午面一致而得到的一個新參考系，WGS-84坐標系的原點在地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)定地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐標系。它是一個地固坐標系。 WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù)：WGS-84采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù) 長半徑：a=63781372（m）； 地球引力常數(shù)：GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2； 正常化二階帶諧系數(shù)：C20= -484.1668510-61.310-9； J2=10826310-8 地球自

42、轉(zhuǎn)角速度：=729211510-11rads-10.15010-11rads-1 C20=-J2/ 52.2.1 WGS-842.2.1 WGS-84坐標系坐標系GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.2 WGS-842.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系坐標系和我國大地坐標系2.2.2 2.2.2 國家大地坐標系國家大地坐標系1. 1954年北京坐標系（年北京坐標系（BJ54舊）舊） 坐標原點：坐標原點：前蘇聯(lián)的普爾科沃。 參考橢球：參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：平差方法：分區(qū)分期局部平差。 存在的問題：存在的問題： （1）橢球參數(shù)有較大誤差。 （2）參考橢球面與我國大地水準

43、面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。 （3）幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。 （4）定向不明確。GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.2 WGS-842.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系坐標系和我國大地坐標系2.1980年國家大地坐標系（年國家大地坐標系（GDZ80）坐標原點：坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。 參考橢球：參考橢球：1975年國際橢球。 平差方法：平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 特點： （1）采用1975年國際橢球。 （2）參心大地坐標系是在1954年北京坐標系基礎(chǔ)上建立起來的。 （3）橢球面同似大地水準面在我國境內(nèi)最為密合，是多點定位。 （4）定向明確。 （

44、5）大地原點地處我國中部。 （6）大地高程基準采用1956年黃海高程。 GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.2 WGS-842.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系坐標系和我國大地坐標系3.新新1954年北京坐標系（年北京坐標系（BJ54新）新） 新1954年北京坐標系（BJ54新）是由1980年國家大地坐標（GDZ80）轉(zhuǎn)換得來的。 坐標原點：坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。 參考橢球：參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 BJ54BJ54新的特點新的特點 ： （1）采用克拉索夫斯基橢球。 （2）是綜合GDZ80和BJ54舊 建立起來的參心坐標系。 （

45、3）采用多點定位。但橢球面與大地水準面在我國境內(nèi)不是最佳擬合。 （4）定向明確。 （5）大地原點與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。 （6）大地高程基準采用1956年黃海高程。 （7）與BJ54舊 相比，所采用的橢球參數(shù)相同，其定位相近，但定向不同。 （8） BJ54舊 與BJ54新 無全國統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，只能進行局部轉(zhuǎn)換。GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.3 2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換1000cossin0sincos)(3zzzzzRyyyyyRcos0sin010sin0cos)(2xxxxxRcossin0sincos0001)(1 2.3.1 2.3.1

46、不同空間直角坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換不同空間直角坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換 2.微分旋轉(zhuǎn)矩陣微分旋轉(zhuǎn)矩陣 由于一般 為微小角，可取：111)()()(3210 xyxzyzzyxRRRRzyx,（2-14） 1.旋轉(zhuǎn)矩陣旋轉(zhuǎn)矩陣 GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.3 2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換3. 不同空間直角坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換公式不同空間直角坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換公式0001110000111321222)1 ()()()()1 (ZYXZYXRmZYXZYXRRRmZYXzyx（2-15） 上式即為兩個不同空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換模型，通過該模型，利用重合點的兩套坐標值（X1，Y1，Z1）（X2，

47、Y2，Z2）采取平差的方法可以求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。求得轉(zhuǎn)換參數(shù)后，再利用上述模型進行各點的坐標轉(zhuǎn)換。GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.4 2.4 時間系統(tǒng)概述時間系統(tǒng)概述2.4.1 2.4.1 恒星時恒星時ST ST 定義定義： 以春分點為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為 恒星時。 計量時間單位計量時間單位：恒星日、恒星小時、恒星分、恒星秒； 一個恒星日=24個恒星小時=1440個恒星分=86400個恒星秒 分類分類：真恒星時和平恒星時。 2.4.2 2.4.2 平太陽時平太陽時MT MT 定義定義：以平太陽作為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為平太陽 時。 計量時間單位計量時

48、間單位：平太陽日、平太陽小時、平太陽分、平太陽秒； 一個平太陽日=24個平太陽小時=1440平太陽分=86400個平太陽秒。 平太陽時與日常生活中使用的時間系統(tǒng)是一致的，通常鐘表所指示 的時刻正是平太陽時。 2.4.3 2.4.3 世界時世界時UT UT 定義定義：以平子午夜為零時起算的格林尼治平太陽時定義為世界時UT。GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2.4.4 2.4.4 原子時原子時IATIAT 原子時原子時是以物質(zhì)內(nèi)部原子運動的特征為基礎(chǔ)建立的時間系統(tǒng)。 原子時的尺度標準原子時的尺度標準：國際制秒（SI）。 原子時的原點原子時的原點由下式確定：AT=UT2-0.0039(s） （2

49、-16） 2.4.5 2.4.5 協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)世界時UTC UTC 為了兼顧對世界時時刻和原子時秒長兩者的需要建立了一種折衷的時間系統(tǒng)，稱為協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)世界時UTC。根據(jù)國際規(guī)定，協(xié)調(diào)世界時UTC的秒長與原子時秒長一致，在時刻上則要求盡可量與世界時接近。 協(xié)調(diào)時與國際原子時之間的關(guān)系，如下式所示： IAT=UTC+1sn （2-17） 式中n為調(diào)整參數(shù)。 2.4.6 GPS2.4.6 GPS時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)GPST GPST GPST屬于原子時系統(tǒng)，它的 秒長即為原子時秒長，GPST的 原點與國際原子時IAT相差19s。 有關(guān)系式： IAT-GPST=19（s） （2-18） GPS時間系

50、統(tǒng)與各種時間系統(tǒng) 的關(guān)系見圖2-6所示：GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage第三章第三章 衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及GPSGPS衛(wèi)星衛(wèi)星星歷星歷GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage1.1.作用在衛(wèi)星上的力作用在衛(wèi)星上的力作用在衛(wèi)星上的力 衛(wèi)星軌道 軌道理論地球引力（1）：地球正球（質(zhì)點）的引力 人衛(wèi)正常軌道 人衛(wèi)正常軌道理論 （二體問題） 攝 動 力地球引力（2）：形狀攝動力 日、月引力 大氣阻力 光壓力 其它作用力 軌道攝動 人衛(wèi)正常攝動理論 總和 人衛(wèi)真實軌道 人衛(wèi)軌道理論 3.1 3.1 概述概述GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage3.1 3.1 概述概述二體問題二體問題：研究兩

51、個質(zhì)點在萬有引力作用下的運動規(guī)律問題稱為二體問題。 衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為衛(wèi)星軌道。 衛(wèi)星軌道參數(shù)衛(wèi)星軌道參數(shù)：描述衛(wèi)星軌道狀態(tài)和位置的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。 無攝運動：無攝運動：僅考慮地球質(zhì)心引力作用的衛(wèi)星運動稱為無攝運動。 無攝軌道：無攝軌道：無攝運動的衛(wèi)星軌道稱為無攝軌道。2. 2. 與衛(wèi)星運動有關(guān)的幾個概念與衛(wèi)星運動有關(guān)的幾個概念GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage英文名稱中文名稱符號意義Inclination of orbital plane軌道平面傾角i 決定軌道平面 的空間位置Right ascension of the ascending node升交點赤經(jīng)S

52、emi-major axis of orbital ellipse 軌道橢圓的長半徑a決定軌道橢圓的大小Nunerial eccentricity of ellipse 軌道橢圓的偏心率e決定軌道橢圓的形狀A(yù)rgument of perigee近地點角距（幅角）決定近地點在軌道橢圓上的位置Mean anomaly 平近點角M衛(wèi)星以平均角速度n0運行的角度3.2 3.2 衛(wèi)星的無攝運動衛(wèi)星的無攝運動3.2.1 3.2.1 衛(wèi)星運動的軌道參數(shù)衛(wèi)星運動的軌道參數(shù)GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage3.2 3.2 衛(wèi)星的無攝運動衛(wèi)星的無攝運動 在圖3-1中所示的二體問題中，依據(jù)萬有引力定律可知， 地

53、球O作用于衛(wèi)星S上的引力F為： 式中：G萬有引力常數(shù)， G=(66724.1)10-14 Nm2/ kg2 ； M,m地球和衛(wèi)星的質(zhì)量； r衛(wèi)星的在軌位置矢量。 由牛頓第二定律可知，衛(wèi)星與地球的運 動方程： 3eGMarr（32）rrGmMF33sGmarr （31）3.2.2 3.2.2 二體問題的運動方二體問題的運動方程程GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage 3.2.2 3.2.2 二體問題的運動方程二體問題的運動方程設(shè) 為衛(wèi)星S相對于O的加速度，則： 由于M遠大于m，通常不考慮m的影響，則有： 取地球引力常數(shù)=GM=1，此時（3-4）式可寫成為： a2()seG Mmaaarr （33

54、）3GMarr （34）21arr （35）GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage3.2.2 3.2.2 二體問題的運動方程二體問題的運動方程( , , , , , , )( , , , , , )rg a e itdrg a e idt （37）333XXrYYrZZr （ 3 6 ）設(shè)以O(shè)為原點的直角坐標系為O-XYZ，S點的坐標為（X，Y，Z），則衛(wèi)星S的地心向徑r=（X，Y，Z），加速度 ，代入（3-4）得二體問題的運動方程：左邊(3-6)方程解的一般形式為：),(ZYXa GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage3.2.3 3.2.3 二體問題微分方程的解二體問題微分方程的解1 1、衛(wèi)

55、星運動的軌道平面方程、衛(wèi)星運動的軌道平面方程 直接由微分方程（3-6）求積分，可得衛(wèi)星運動的軌道平面方程： 式中，X,Y,Z是衛(wèi)星在地心天球坐標系中的坐標， 0AXBYCZ（38）22cossincossincos(1)AhiBhiChihae （39）GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage2 2、衛(wèi)星運動的軌道方程、衛(wèi)星運動的軌道方程 衛(wèi)星運動的軌道方程為： 由于 ，所以（3-10）式可以真近點角V表示： 另外由二體運動的微分方程可求出常用的表示衛(wèi)星運動速度U的活力積分： 3.2.3 3.2.3 二體問題微分方程的解二體問題微分方程的解V2() /(1cos()hre（310）2(1) /(

56、1cos)raeeV（311）2(2 /1 /)Ura（ 3 12）GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage3 3、用偏近點角、用偏近點角E E代替真近點角代替真近點角V V 從表示偏近點角E與真近點角V的關(guān)系的圖3-2，不難證明: 另外還可導(dǎo)出V和E的關(guān)系： 3.2.3 3.2.3 二體問題微分方程的解二體問題微分方程的解coscos1cos1tan()tan()212EeVeEVeEe（314）cos(cos)ORrVaEe（313）GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage3.2.3 3.2.3 二體問題微分方程的解二體問題微分方程的解4 4、開普勒方程、開普勒方程 設(shè)衛(wèi)星的運動周期為T，則衛(wèi)

57、星平均角速度為： 由此得到開普勒第三定律的數(shù)學表達式： 建立軌道坐標系：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。在此坐標系下可以得出著名的開普勒軌道方程：()sinn tEeE（317）23n a（ 3 16）2/nT（ 3 15）GPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage3.4 GPS3.4 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷：衛(wèi)星星歷：是描述衛(wèi)星運動軌道的信息。也可以說衛(wèi)星星歷就是一組對應(yīng)某一時刻的軌道根數(shù)及其變率。GPS衛(wèi)星星歷分為預(yù)報星歷和后處理星歷。 預(yù)報星歷：預(yù)報星歷：又叫廣播星歷。通常包括相對某一參考歷元的開普勒軌道根數(shù)和必要的軌道攝動改正

58、項參數(shù)。 后處理星歷：后處理星歷：是一些國家某些部門，根據(jù)各自建立的衛(wèi)星跟蹤站所獲得對GPS衛(wèi)星的精密觀測資料，應(yīng)用與確定廣播星歷相似的方法而計算的衛(wèi)星星歷。 參考星歷：參考星歷：相應(yīng)參考歷元的衛(wèi)星開普勒軌道根數(shù)也叫參考星歷。GPSGPS衛(wèi)星星歷傳送方式：衛(wèi)星星歷傳送方式： （1）C/A碼星歷，其中星歷精度為數(shù)十米。 （2）P碼星歷，精度提高到5m左右。GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄GPS測量原理與應(yīng)用目錄升交點Z (Z)YXro春分點軌道平面衛(wèi)星升交點赤經(jīng)i 軌道傾角軌道橢圓中心赤道面近地點近地點角距長半徑t0 過近地點時刻e 軌道偏心率地心f 真近點角XY起始子午面 升交

59、點經(jīng)度kG AST xyGPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImageGPSGPS衛(wèi)星廣播星歷預(yù)報參數(shù)及其定義如下：衛(wèi)星廣播星歷預(yù)報參數(shù)及其定義如下： （參見（參見SNR/8000SNR/8000用戶手冊）用戶手冊） toe星歷表參考歷元（秒）， IODE（AODE）星歷表數(shù)據(jù)量（N）， M0按參考歷元toe計算的平均點角（弧度）， N密星歷算得到的衛(wèi)星平均角速度與按給定參數(shù)計算所得的平均角速度之差（弧度）， e軌道偏心率， 軌道長半徑的平均根（0.5m）， 0按參考歷元toe計算的升交點赤經(jīng)（弧度）， i0按參考歷元toe計算的軌道傾角（弧度）， 近地點角距（弧度），3.4 GPS3.4 GPS衛(wèi)星

60、星歷衛(wèi)星星歷aGPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage 升交點赤徑變化率（弧度/秒） 衛(wèi)星軌道面傾角變化率Cuc緯度幅角的余弦調(diào)和項改正的振幅（弧度）， Cus緯度幅角正弦調(diào)和項改正的振幅（弧度）， Crc軌道半徑的余弦調(diào)和項改正的振幅（米）， Crs軌道半徑的正弦調(diào)和項改正的振幅（米）， Cic道傾角的余弦調(diào)角和項改正的振幅（弧度）， Cis軌道傾角的正弦調(diào)角和項改正的振幅（弧度）， GPD周數(shù)（周）， Tgd信號在衛(wèi)星內(nèi)部的延遲改正（秒），3.4 GPS3.4 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷IGPS測量原理與應(yīng)用目錄NoImage3.4 GPS3.4 GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷IODC星鐘的數(shù)據(jù)量（N）