20卫星导航原理——预备知识

1、20GPS导航原理预备知识控制理论与制导技术研究中心GPS导航原理（预备知识）v回顾：GPS的基本功能：定位、测速、授时哪个时间基准？哪个坐标？WGS-84坐标GPS系统时接下来的主要内容：1）GPS授时的时间系统 GPS系统时2） GPS定位的参考坐标系WGS-84时间系统简介v平太阳时、世界时：平太阳时、世界时：以地球自转为基础定时，是不均匀的时以地球自转为基础定时，是不均匀的时间标度。与间标度。与TAI的差别一年可积累到的差别一年可积累到1s。v国际原子时（国际原子时（TAI）：）：基于原子秒的基于原子秒的均匀均匀时间标度。时间标度。原子秒：处于海平面铯原子原子秒：处于海平面铯原子133

2、基状态两个超精细能级之基状态两个超精细能级之间的跃迁所对应辐射的间的跃迁所对应辐射的9,192,631,770个周期所经历的时个周期所经历的时间区间。间区间。TAI由国际标准度量衡局由国际标准度量衡局(BIPM)根据位于不同国家的根据位于不同国家的100多个定时实验室的原子标准整体导出。多个定时实验室的原子标准整体导出。原子钟原子钟时间系统简介v世界协调时（UTC）：具有国际原子时的均匀性。以闰秒方式保持与世界时之间的差值0.9s。均匀、有跳变。vGPS系统时：1980年1月6日0时与UTC重合。不闰秒，由GPS地面控制部分调节，使其与UTC之差处于1us（模1s）内。计时方法：星期数秒数。均

3、匀、无跳变。2011年11月21日北京时间11:57分2013年3月7日北京时间10:42分坐标系统简介v地固坐标系（地固坐标系（ECEF）随地球旋转，原点位于地心，X轴指向赤道与0经度线交点，Z轴与地轴重合，XYZ构成右手坐标系。vWGS-84参考椭球体参考椭球体WGS84（World Geodetic System，1984年）是美国美国国防部地图局国防部地图局1984年制定年制定的大地坐标系。其坐标系的几何定义是：原点在地球质心,z轴指向 地球极方向，X轴指向 零子午面和赤道的交点。Y轴与 Z、X轴构成右手坐标系。是一种特殊的地固坐标系。定义了参考椭球体和重力模型。WGS-84简介vWG

4、S-84参考椭球体参考椭球体（）v大地水准体：假设地球被海洋包大地水准体：假设地球被海洋包围，各处海平面形成的地球形状围，各处海平面形成的地球形状v大地水准面大地水准面v参考椭球体参考椭球体vWGS-84椭球及有关常数：椭球及有关常数：对应于对应于 WGS-84大地坐标系大地坐标系有一个有一个WGS-84椭球，其常数采椭球，其常数采用用 IUGG第第 17届大会大地测量常届大会大地测量常数的推荐值。下面给出数的推荐值。下面给出WGS-84椭球两个最常用的几何常数：椭球两个最常用的几何常数：长半轴：长半轴： 6378137 2（m）扁扁 率：率： v v =1/298.2572235631222

5、222peeRzRyRxepRRf1经纬度、高度定义v经度。v地理垂线：参考椭球上一点P0的法线。v纬度：地理垂线与赤道平面的夹角。v高度：严格来讲，应沿大地水准面法线方向测量。实际应用中以地理垂线方向代替。各种高度的区别v飞行高度（简称高度）PP0(一般GPS接收机给出的高度H）v海拔高度（绝对高度）PP(气压高度表测量)v相对高度 PP(雷达高度表测量)v大地起伏 P0Pv当地海拔 PP两种定位解输出形式笛卡儿坐标（笛卡儿坐标（x,y,z）地理坐标（经纬度、高度）地理坐标（经纬度、高度）GPS直接获得直接获得惯导等系统给出的定位形式惯导等系统给出的定位形式地图中常用的定位、查询方式地图中常

6、用的定位、查询方式如何统一如何统一 ？坐标转换v经纬度、高度定位直角坐标定位转换v思路：vPP0（高度）已知，欲求PA和PQ，关键是：计算辅助变量|P0A|与|P0Q|cos ONxsin ONysin PAzcos PQON坐标转换v经纬度、高度定位直角坐标定位转换v在P所在子午面内考虑v子午圈椭圆方程12222eepeRxRzepRRf1坐标转换v经纬度、高度定位直角坐标定位转换|P0Q|的计算22200cossin)1 (coscos|fRxCPQPee)1 ()1 (|220eRfRAPNN记RN=|P0Q|P0A的计算Prime vertical坐标转换v经纬度、高度定位直角坐标定位

7、转换sin)1 (sincos)(coscos)(2HfRzHRyHRxNNN坐标转换v直角坐标定经纬度、高度定位 转换经度纬度和高度v计算辅助变量)(xyarctg22yxzarctgv正弦定理)1 (1 )1 ()(|22fRHfRHRPAPQAQNNN221)1 (eRRfep22222cossin)1 (|eReeRAQeNcos|AQOA |sin|)180sin(OADOPv令2222cossin)1 (2sin|21|)180sin(|sineOPeROPOADe|22OPeRke)cossin)1 (2sinarcsin(222ekDD322110! 3121DADADADDv

8、将（*）右侧在附近作泰勒展开（*）D很小，但如果用地心纬度代替地理纬度，D带来的地面距离误差却不小地理纬度与地心纬度的差别由笛卡尔坐标计算出纬度和高度v求解DD222cossin)1 (eRReNNRyxHcos22GPS的组成控制理论与制导技术研究中心回顾vGPS的基本功能：输出PVTvGPS定时系统与参考坐标GPS系统时WGS-84坐标（WGS-84参考椭球）vGPS定位的基本原理如何通知用户卫星的位置？怎样测量与卫星间的距离？按以下顺序逐步介绍vGPS系统组成vGPS信号特性v卫星导航电文的解调v利用伪距确定位置GPS系统组成v概述概述组成：卫星星座（空间区段）、地面控制/监视网络（操作

9、控制区段）和用户接收设备（用户设备区段）卫星星座（空间区段）v卫星数量：24v轨道数：6，沿赤道均布（60 ），每个轨道4颗卫星v周期：11小时58分钟，卫星速度3800m/sv轨道形状：近圆形，偏心率0.02v轨道倾角：约55v轨道半径26600km（地球半径6378.137km，卫星距地约2万千米）v确保在地面可同时观测到4颗卫星平均可见6颗，最多10颗 GPS星座GPS卫星轨道分布v使用的卫星：Block I：初期概念证实卫星，1995年已全部清除Block II：初期生产卫星（8990年）Block IIA：增强型(90-97年，19颗；到2012年11月，仍有9颗在工作）Block

10、IIR：补充卫星（星际横向链路，180天自维持，97-2004年，到2012年11月，有12颗在工作）Block IIR(M)：现代化，05-09年； 7颗在工作，带有L2C，但未调制导航信息Block IIF：后续维持卫星，增加民用频率v卫星上装备有：导航载荷（接收来自操作控制区段的数据），原子钟，天线、馈线系统,发射L1,L2,L3（用于核试验监视）载波信号v Block IIR v Block IIF星座的自主导航（AutoNav）v在在Block-IIR之前的所有型号卫星都没有自主导航功能，卫星广播的导航信息需之前的所有型号卫星都没有自主导航功能，卫星广播的导航信息需由地面控制段的上行

11、注入站每天注入一次。由地面控制段的上行注入站每天注入一次。vBlock-IIR卫星的重大改进就是能够在星上自动预估星钟与星历参数，并生成导卫星的重大改进就是能够在星上自动预估星钟与星历参数，并生成导航信息。航信息。 v一是提高一是提高GPS系统的生存能力。美国认为地面控制段是系统的生存能力。美国认为地面控制段是GPS系统中的薄弱环节系统中的薄弱环节，一旦遭到攻击可能造成整个系统瘫痪。自主导航能保障，一旦遭到攻击可能造成整个系统瘫痪。自主导航能保障GPS卫星在失去地面卫星在失去地面支持的条件下，自主运行支持的条件下，自主运行180天，且能满足导航精度要求；这种能力还可以保证天，且能满足导航精度要求；这种能力还可以保证在一些地面监控站失效的情况下不影响提供正常的导航信息。在一些地面监控站失效的情况下不影响提供正常的导航信息。v二是减少上行注入要求。上行注入站上只需发送很少数据。二是减少上行注入要求。上行注入站上只需发送很少数据。v三是完好性。星间链路测距功能提供了一种能与其星钟和星历参数比对的独立三是完好性。星间链路测距功能提供了一种能与其星钟和星历参数比对的独立参考基准。参考基准。v四是精度。由于自主导航功能能够每小时四是精度。由于自主导航功能能够每小时4次更新星历与星钟参数，与现有的每次更新星历与星钟参数，与现有的每天更新一次相比，将