第二章、GPS衛星定位基礎含教材二、三、四章主要內容2.1、時間系統和坐標系統；（重點）2.2、衛星軌道運動；2.3、GPS衛星信號；2.4、美國政府的GPS政策及其現代化2.1、時間系統和坐標系統一、GPS定位的坐標系統GPS定位測量涉及兩類坐標系，即天球坐標系和地球坐標系。天球坐標系是一種慣性坐標系。即其坐標原點和各坐標軸的指向在空間保持不動，可較方便地描述衛星的運行位置和狀態。而地球坐標系則是與地球體相固聯的坐標系統，用于描述地面測站的位置。本節介紹幾種主要的天球和地球坐標系，以及坐標系之間轉換模型。GPS定位的坐標系統

1、慣性坐標系—天球坐標系?定義：沒有加速度的系統?=>可以應用牛頓運動定律?在此系統中，衛星運動滿足下式：F=ma?已知作用在衛星上的力，衛星的速度和位置可用加速度完整地描述?可以非常方便地定義此系統與地球的關系GPS定位的坐標系統

GPS定位的坐標系統

歲差和章動?歲差和章動:地球自轉軸的運動?原因:日、月、地球與其他星體的相對運動，地球內部質量分布的不均勻。?歲差：歲差就指平北天極的以北黃極為中心，以黃赤交角ε為半徑的一種順時針圓周運動。長周期的緩慢運動(25800年)?章動：章動是指真北天極繞平北天極所作的順時針橢圓運動。短周期運動，周期約18.6年GPS定位的坐標系統

2、地心坐標系——Earth-CenteredInertialCoordinateSystem?定義:–原點:地球質心–z軸:地球的自轉軸–x-y平面:與地球赤道面重合–x軸:指向格林威治起始子午線與地球赤道面的交點–y軸:與x軸、z軸構成右手系GPS定位的坐標系統

極移：地極在地球表面上的位置隨時間而變化，這種現象稱為地極移動。GPS定位的坐標系統

GPS定位的坐標系統

3、天球坐標系到地球坐標系的轉換（1）歲差旋轉、章動旋轉（平天球——真天球）（2）旋轉真春分點時角（真天球——真地球）（3）極移旋轉（真地球——協議平地球—WGS84)

GPS定位的坐標系統4、WGS-84坐標系該坐標系由美國國防部研制，自1987年1月10日開始起用。WGS—84坐標系的原點為地球質心M；Z軸指向BIH1984.0定義的協議地極(CTP—ConventionalTerrestrialPole)；X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與CTP相應的赤道的交點；Y軸垂直于XMZ平面，且與Z、X軸構成右手系。WGS—84坐標系采用的地球橢球，稱為WGS—84橢球，其常數為國際大地測量學與地球物理學聯合會(IUGG)第17屆大會的推薦值。GPS定位的坐標系統

5、參心坐標系?定義:–原點:參考橢球中心–z軸:指向與地球的自轉軸平行的參考橢球的短軸–x-y平面:與地球赤道面重合–x軸:指向起始子午面與地球赤道面的交點–y軸:與x軸、z軸構成右手系１９５４年北京坐標系、１９８０年國家大地坐標系、新１９５４年北京坐標系GPS定位的坐標系統

GPS衛星定位的時間系統二、GPS衛星定位的時間系統?時間:

測量周期性運動的指標?時鐘:–鐘擺，機械表–地球自轉、公轉–石英表–原子時(銫—cesium,銣—rubidium,氫—hydrogen)GPS衛星定位的時間系統GPS衛星定位的時間系統GPS衛星作為一個高空動態已知點，其位置是隨時間不斷變化的。因此，在給出衛星運行位置的同時，必須給出相應的瞬間時刻。并且，衛星位置的精度和時刻的精度密切相關，例如：當要求GPS衛星的位置誤差小于1cm時，相應的時刻誤差應小于2.6×10-6s。GPS衛星定位的時間系統GPS測量是通過接收和處理GPS衛星發射的無線電信號，來確定用戶接收機(即觀測站)至衛星間的距離，進而確定觀測站的位置。而欲準確地測定測站至衛星的距離，就必須精密地測定信號的傳播時間。如果要求站星距離誤差小于1cm，則信號傳播時間的測定誤差應不超過3×10-11s。GPS衛星定位的時間系統

由于地球的自轉現象，在天球坐標系中，地球上點的位置是不斷變化的。若要求赤道上一點的誤差不超過1cm，則時間的測定誤差須小于2×10-6s。顯然，利用GPS技術進行精密定位與導航，應盡可能獲得高精度的時間信息，這就需要一個精確的時間系統。以下介紹與GPS測量有關的幾種時間系統，即：世界時，原子時和力學時。確定一個時間系統和確定其他測量基準一樣，要定義時間單位(尺度)和原點(起始歷元)。GPS衛星定位的時間系統1、世界時系統：世界時系統是以地球自轉為基準的一種時間系統。1）恒星時：如果以春分點為參考點，則由春分點的周日視運動所確定的時間，稱為恒星時。GPS衛星定位的時間系統2）太陽時：太陽時有真太陽時和平太陽時(MeanSolarTime——MT)兩種。

如果以真太陽作為觀察地球自轉的參考點，那么由真太陽周日視運動所確定的時間，稱為真太陽時。

平太陽連續兩次經過本地子午圈的時間間隔，為一個平太陽日，而一個平太陽日包含有24個平太陽時。平太陽時也具有地方性，故常稱為地方平太陽時。GPS衛星定位的時間系統3）世界時：UniversalTime—UT，以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時UT。GPS衛星定位的時間系統2、原子時：隨著空間科學技術和現代天文學和大地測量學的發展，對時間系統的準確度和穩定度的要求不斷提高。以地球自轉為基礎的世界時系統，已難以滿足要求。為此，人們從20世紀50年代，便建立了以物質內部原子運動的特征為基礎的原子時間系統。

因為物質內部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有很高的穩定性和復現性，所以由此而建立的原子時，便成為當代最理想的時間系統。GPS衛星定位的時間系統原子時秒長的定義為：位于海平面上的銫［133］原子基態兩個超精細能極，在零磁場中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續的時間，為一原子時秒。該原子時秒作為國際制秒(SI)的時間單位。這一定義嚴格地確定了原子時的尺度，而原子時的原點由下式確定：AT＝UT2-0.0039(s)GPS衛星定位的時間系統

原子時出現后，得到了迅速的發展和廣泛的應用，許多國家都建立了各自的地方原子時系統。但不同的地方原子時之間存在著差異。為此，國際上大約有100座原子鐘，通過相互比對，并經數據處理推算出統一的原子時系統，稱為國際原子時(International

AtomicTime——IAT)。原子時是通過原子鐘來守時和授時的，因此，原子鐘振蕩器頻率的準確度和穩定度便決定了原子時的精度。GPS衛星定位的時間系統3、力學時(DynamicTime——DT)

力學時是天體力學中用以描述天體運動的時間單位。根據天體運動方程，所對應的參考點不同，力學時又分為質心力學時和地球力學時的兩種形式。

質心力學時(BarycentricDynamicTime——TDB)，是相對太陽系質心的天體運動方程所采用的時間參數。GPS衛星定位的時間系統

地球力學時(TerrestrialDynamicTime——TDT)，是相對地球質心的天體運動方程所采用的時間參數。地球力學時(TDT)的基本單位是國際制秒(SI)，與原子時的尺度一致。國際天文學聯合會決定，于1977年1月1日原子時(IAT)0時與地球力學時的嚴格關系定義如下：TDT＝IAT＋32.184(s)GPS衛星定位的時間系統

若以T表示地球力學時(TDT)與世界時(UT1)之差的差，則由上式可知ΔT＝TDT-UT1＝IAT-UT1＋32.184(s)

該差值可通過國際原子時與世界時的比對而確定，通常載于天文年歷中。

在GPS測量中，地球力學時作為一種嚴格均勻的時間尺度和獨立的變量而用于描述衛星的運動。GPS衛星定位的時間系統4、協調世界時——(CoordinateUniversalTime—UTC)

在許多應用部門，如大地天文測量、天文導航和空間飛行器的跟蹤定位等部門，當前仍需要以地球自轉為基礎的世界時。但是，由于地球自轉速度長期變慢的趨勢，近20年來，世界時每年比原子時約慢1s，兩者之差逐年積累。為了避免發播的原子時與世界時之間產生過大的偏差，所以，從1972年便采用了一種以原子時秒長為基礎，在時刻上盡量接近于世界時的一種折衷的時間系統，這種時間系統稱為協調世界時(UTC)，或簡稱協調時。GPS衛星定位的時間系統

協調世界時的秒長嚴格等于原子時的秒長，采用閏秒(或跳秒)的辦法使協調時與世界時的時刻相接近。當協調時與世界時的時刻差超過±0.9s時，便在協調時引入一閏秒(正或負)，閏秒一般在12月31日或6月30日末加入。具體日期由國際時間局安排并通告。為了使用世界時的用戶得到精度較高的UT1時刻，時間服務部門在發播協調時(UTC)時號的同時，還給出UT1與UTC的差值。這樣用戶便可容易地由UTC得到相應的UT1。GPS衛星定位的時間系統目前，幾乎所有國家時號的發播，均以UTC為基準。時號發播的同步精度約為±0.2ms，考慮到電離層折射時的影響，在一個臺站上接收世界各國的時號，其互差將不會超過±1ms。GPS衛星定位的時間系統5、GPS時間系統(GPST)

為了保證導航和定位精度，全球定位系統(GPS)建立了專門的時間系統，簡稱GPST。

GPST屬原子時系統，其秒長為國際制秒(SI)，與原子時相同，但其起點與國際原子時(IAT)的起點不同。因此GPST與IAT之間存在一個常數差，它們的關系為：IAT-GPST＝19(s)GPST與協調時(UTC)規定于1980年1月6日0時相一致，其后隨著時間成整倍數積累，至1987年該差值為4s。

GPST由主控站原子鐘控制。2.2衛星軌道運動

假如地球是一質量分布均勻的球體，因此地球的引力就等效于一個質點的引力。地球可視為質量全部集中在其質心的質點，衛星當然同樣可以看作是質量集中的質點。

研究兩個質點在萬有引力作用下的相對運動問題，在天體力學中稱為二體問題。在二體問題意義下，地球人造衛星的軌道運動，稱為正常軌道運動。衛星軌道運動衛星軌道：衛星在空間繞地球飛行時的的運行軌跡。無攝運動：僅僅考慮地球的質心引力對衛星的引力作用來研究衛星的運動。受攝運動：衛星在各種引力作用下的運動，或衛星在攝動力下的運動。衛星軌道運動1、衛星軌道在固定的軌道上運行，在地球引力場中運動。二體運動（無攝運動）：研究兩個質點在萬有引力作用下的下的相對運動問題，在天體力學中稱為二體問題。二體運動是一種理想狀態下的衛星運動：（1）視地球為一理想的均質球體（2）在一理想的引力場中的運動（地球與衛星之間）衛星受地球的引力為：衛星軌道運動衛星運動遵從開普勒三大定律開普勒第一定律：衛星在通過地球質心的平面內運動，其向徑掃過的面積與所經歷的時間成正比。（衛星在軌道上運行的速度不等，是不斷變化的，在近地點速度快，在遠地點速度慢，隨引力的變化而變化）衛星軌道運動衛星軌道運動衛星軌道運動衛星開普勒正常運動軌道的六個參數：1）軌道平面參數：i為軌道平面傾角；Ω為升交點赤經。2）軌道橢圓形狀參數：a為軌道橢圓長半徑；e為軌道橢圓離心率。3）軌道橢圓定向參數：f(或w)為近升角距。4）時間參數：τ為衛星通過近地點的時刻。衛星軌道運動衛星軌道運動如果已知這6個軌道參數，就惟一地確定了二體問題意義下衛星的運動狀態。換句話說，只要已知這6個軌道參數，就可以計算衛星的瞬時位置和瞬時速度。由這6個軌道參數所構成的坐標系統，稱為軌道坐標系統，它廣泛用于描述衛星的運動。這6個軌道參數的大小則由衛星的發射條件決定。衛星軌道運動受攝運動：受太陽引力、月亮引力、地球潮汐、光輻射等的影響下衛星的運動。改正值：9個改正參數。衛星軌道運動衛星軌道運動2、衛星星歷廣播星歷：也叫預報星歷，是指相對參考歷元的外推星歷。參考歷元瞬間的衛星星歷(即參考星歷)，由GPS系統的地面監控站根據大約一周的觀測資料計算而得，為參考歷元瞬間衛星的軌道參數。預報星歷的內容包括：參考歷元瞬間的kepler軌道6參數，反映攝動力影響的9個參數，以及參考時刻參數和星歷數據齡期，共計17個星歷參數。用戶接收機在接收到衛星播發的導航電文后，通過解碼即可直接獲得預報星歷。由于預報星歷是以電文方式由衛星直接播送給用戶接收機，因此又稱為廣播星歷。衛星軌道運動后處理星歷：后處理星歷是不含外推誤差的實測精密星歷，它由地面跟蹤站根據精密觀測資料計算而得，可向用戶提供用戶觀測時刻的衛星精密星歷，其精度目前為米級，將來可望達到分米級。但是，用戶不能實時通過衛星信號獲得后處理星歷，只能在事后通過磁帶、網絡、電傳等通訊媒體向用戶傳遞。２.３GPS衛星信號GPS衛星定位測量是通過用戶接收機接收GPS衛星發射的信號來測定測站坐標的，那么究竟什么是GPS衛星信號呢?粗略地說，GPS衛星信號包括測距碼信號(即P碼和C/A碼信號)、導航電文(或稱D碼，即數據碼信號)和載波信號。GPS衛星信號的產生、調制和解調都非常復雜，涉及到現代數字通訊理論和技術方面的若干高科技問題。作為GPS信號用戶，雖然可以不去深入鉆研這些問題，但了解其基本知識和概念，將有助于理解GPS衛星導航和定位測量的原理，因而仍舊是十分必要的。２.３GPS衛星信號1GPS信號的組成用于導航定位的GPS信號由三部分組成：?測距碼（C/A碼和P碼（Y碼））?載波（L1，L2和L5三個民用頻率）?導航電文（數據碼，D碼）2碼、隨機噪聲碼和偽隨機噪聲碼（1）碼：表達表達信息的二進制數及其組合。（2）隨機噪聲碼：每一時刻，碼元是0或是1完全是隨機的一組碼序列，這種碼元幅值是完全無規律的碼序列，稱為隨機噪聲碼序列。它是一種非周期序列，無法復制。但是，隨機噪聲碼序列卻有良好的自相關性，GPS碼信號測距就是利用了GPS測距碼的良好的自相關性才獲得成功。（3）偽隨機噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)雖然隨機碼具有良好的自相關特性，但由于它是一種非周期性的碼序列，沒有確定的編碼規則，所以實際上無法復制和利用。因此，為了能夠實際應用，GPS采用了一種偽隨機噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)，簡稱偽隨機碼或偽碼。這種碼序列的主要特點是，不僅具有類似隨機碼的良好自相關特性，而且具有某種確定的編碼規則。它是周期性的、可人工復制的碼序列。偽隨機噪聲碼表面上看無規律，實際上有一定的規律和周期性，且可以復制。偽隨機噪聲碼(PseudoRandomNoise-PRN)由多級反饋移位寄存器產生。這種移位寄存器由一組連接在一起的存儲單元組成，每個存儲單元只有“0”或“1”兩種狀態，并接受鐘脈沖和置“1”脈沖的驅動和控制。假定一由4個存儲單元組成的四級反饋和移位寄存器，如下圖所示。在鐘脈沖的驅動下，每個存儲單元的內容，都按次序由上一單元轉移到下一單元，而最后一個存儲單元的內容便輸出。并且，其中某兩個存儲單元，例如單元3和4的內容進行模二相加，再反饋輸入給第一存儲單元。

當移位寄存器開始工作時，置“1”脈沖使各級存儲單元全處于“1”狀態，此后在鐘脈沖的驅動下，移位寄存器將經歷15種不同的狀態，然后再返回到全“1”狀態，從而完成了一個周期。在四級反饋移位寄存器經歷上述15種狀態的同時，其最末級存儲單元輸出了一個具有15個碼元，且周期為15的二進制數碼序列，稱為m序列。表示鐘脈沖的時間間隔，也就是碼元的寬度。3測距碼?方波?偽隨機噪聲碼?兩種測距碼：–C/A碼-粗碼?碼速：1.023MHz?碼元長度：293m–P(Y)碼-精碼?碼速：10.23MHz?碼元長度：29.3m—C/A碼-粗碼C/A碼的碼長、碼元寬度、周期和數碼率為：碼長Nu=210-1=1023bit；碼元寬度tu≈0.97752μs，相應長度293.1m；周期Tu=Nutu=1ms；數碼率BPS＝1.023Mbit/s。各顆GPS衛星所使用的C/A碼，其上述四項指標都相同但結構相異，這樣既便于復制又容易區分。C/A碼有如下2個特點：(1)C/A碼的碼長很短，易于捕獲。在GPS導航和定位中，為了捕獲C/A碼以測定衛星信號傳播的時延，通常需要對C/A碼逐個進行搜索。因為C/A碼總共只有1023個碼元，所以若以每秒50碼元的速度搜索，只需要約20.5s便可完成。由于C／A碼易于捕獲，而且通過捕獲的C/A碼所提供的信息，又可以方便地捕獲P碼，所以通常C／A碼也稱為捕獲碼。(2)C/A碼的碼元寬度較大。假設兩個序列的碼元對齊誤差為碼元寬度的1/10～1/100，則這時相應的測距誤差可達29.3～2.9m。由于其精度較低，所以C/A碼也稱為粗碼。所以，C/A碼的原意就是粗捕獲碼(CoarseAcguisitonCode)。—P(Y)碼-精碼P碼由兩組各由兩個12級反饋移位寄存器的電路發生，其基本原理與C/A碼相似，但其線路設計細節遠比C/A碼復雜并且嚴格保密。P碼的特征是：碼長Nu≈2.35×1014bit；碼元寬度tu≈0.097752μs，相應長度29.3m；周期Tu=Nntu≈267d；數碼率BPS＝10.23Mbit/s。實際上P碼的一個整周期被分為38部分，每一部分周期7d，碼長約6.19×1012bit。其中，5部分由地面監控站使用，32部分分配給不同的衛星，1