GPS若干命题.docx

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GPS若干命题

GPS若干命题

命题1、GPS全球定位系统的建立

1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统:

NAVSTAR/GPS。

它是英文“NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem”的缩写词。

其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”。

简称GPS系统。

该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。

能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。

自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证（1974一1978年），系统论证（1979一1987年）、生产实验（1988一1993）三个阶段。

总投资超过200亿美元。

整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备三大部分。

论证阶段共发射了11颗叫做BLOCKI的试验卫星，生产实验阶段发射BLOCKIIR型第三代GPS卫星，GPS系统由此为基础改建而成。

GPS卫星星座见图1-1。

其基本参数是:

卫星颗数为21十3，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分（恒星时12小时），载波频率为1575.42MHz和1227.60MHz。

卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。

图1-2是GPS工作卫星的外部形态。

GPS工作卫星的在轨重量是843.68公斤，其设计寿命为七年半。

当卫星人轨后，星内机件靠太阳能电池和锡镍蓄电池供电。

每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当位置。

GPS卫星通过12根螺旋型天线组成的阵列天线发射张角大约为30度的电磁波束，覆盖卫星的可见地面。

卫星姿态调整采用三轴稳定方式，由四个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，致使螺旋天线阵列所辐射的波速对准卫星的可见地面每2分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。

命题2.GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是:

能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。

而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。

GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。

载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。

GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。

对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。

也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池作电源。

同时采用机内机外两种直流电源。

设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。

在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。

关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。

近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。

各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达Smm+1ppm}D，单频接收机在一定距离内精度可达lOmm+2ppm}D。

用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

行偏差或启用备用时钟等。

GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机。

而对于GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。

这种高稳定度的频率标准由高度精确的时钟提供。

因为10-”秒的时间误差将会引起30cm的站星距离误差。

为此，每颗GPS工作卫星一般安设两台铆原子钟和两台艳原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟。

原点和单位尺度。

天文学上把观测资料所对应的时刻（观测瞬间）nq历元化加。

h），因此时间的原点也叫起始历元（InitialEpoch）。

起始历元可根据需要而有所选抒异沐伺的时间系统可能有不同的时间原点，但从本质上讲，真正的差异体现在度量时间的主具—时钟上。

不同的时钟有着不同的度量时间的方式，因此时间单位尺度的定义也有所区别石

命题3.GPs使用的坐标系统

3.1协议天球坐标系

天球（Celestialsphere）是一个半径巨大的假想的虚球（lmaginativeSphere），是天文学上用来描述天体位置的参照物。

根据天球中心位置的不同，天球可分为日心天球、站心天球和地心天球。

天文学中，为了使星表中提供的恒星位置不随地球公转而变化，一般把坐标系原

点一设在太阳中心，称日心天球;在地球上某一点观测天体坐标，可将中心设在测站中心上，称站心天球;对于GPS卫星而言，我们关心的是卫星相对于地球的运动，因而总把原点置于地心上，叫地心天球（GeocentricCele，;tialsphere）。

同一个天体在任意瞬时，可以有这3种坐标，它们之间是有差异的，也可以相互转换。

3.2.卫星测量中常用坐标系

卫星测量是利用空中卫星的位置确定地面观测点的位置。

由于卫星围绕地球质心运动，所以卫星测量中通常定义地球质心为坐标系原点，按其三轴指向分别定义天球坐标系和地球坐标系，前者指向天球上的参考点（或方向），后者指向地球上的参考点（或方向）。

地球坐标系随地球自转而不断地相对于天球坐标系旋转。

显然，地面上观测站使用地球坐标系表示其位是方便的，而不随地球自转一起运动的天体和人造卫星则使用天球坐标系表示位置更为方便。

a.瞬时极天球坐标系与地球坐标系

瞬时极天球坐标系与地球坐标系卫星定轨与导航定位中，接收机的位置通常是在地球坐标系内示的，而卫星的位置通常在天球坐标系内表示。

应用中需要把表示卫星位置的天球坐标系与表示测站位置的球坐标系互相变换。

由于地球

的自转，地球坐标系与天球坐标

系之间存在相对运动。

如果使两坐标系原点重合，取为地球质心，两坐标系z轴重合，取为瞬时地球自转轴，则所定义的瞬时天球坐标系与瞬时地球坐标系具有最简便的变换关系。

瞬时极天球坐标系也称真天球（赤道）坐标系:

原点位于地球质心，:

轴指向瞬时地球自转方向（真天极），二轴指向瞬时春分点（真春分点）,y轴按构成右手坐标系取向。

瞬时极地球坐标系和瞬时极天球坐标系的转换关系为

b.固定极天球坐标系—平天球坐标系

瞬时极天球坐标系，即真天球坐标系可以方便地与地球坐标系相互变换，但由于真天极和真春分点方向不断变化，使瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化。

由于地球近似为旋转椭球，日、月对地球的引力产生力距，从而使地球自转轴在空间产生进动，即地球自转轴的方向在天球上缓慢地移动。

地球自转轴的变化引起与它垂直的赤道面的倾斜，从而使春分点（黄道与赤道的交点）变化。

这种运动取决于日、月、地球三者的相关位置，其结果使运动十分复杂。

可以将运动分解为一个长周期变化和一系列短周期变化的叠加。

地球自转轴的长周期变化约25800年绕黄极一周。

使春分点产生每年约50.2"的长期变，称之为日月岁差。

一系列短周期变化中幅值最大的约为9"，周期为18.6年，这些短周期变化统称为章动。

春分点除因地球自转方向改变引起的变化外还因黄道的缓慢变化（行星引力对地球绕日运动轨道的摄动）而变化，称为行星岁差。

瞬时极天球坐标系的坐标轴指向是不断变化的，也就是说它是一个不断旋转的坐标系。

一个旋转的坐标系不是惯性系统，在这样的坐标系中不能直接使用牛顿第二定律，这对研究卫星的运动是很不方便的。

因此需要建立一个三轴指向不变的天球坐标系，以便在这个坐标系内研究人造卫星的运动（计算卫星的位置）。

而这个坐标系中所得到的卫星位置又可以方便地变换为瞬时极天球坐标系中的值，以便与地球坐标系进行坐标变换。

历元平天球坐标系（简称平天球坐标系）就是三轴指向不变的坐标系。

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:

轴和x轴指向，Y轴按构成右手坐标系取向，坐标系原点与真天球坐标系相同。

这样的坐标系称为该历元时刻的平天球坐标系。

瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换可以通过岁差与章动两次旋转变换来实现。

（1）岁差旋转变换

ZM（ta）表示历元J2000.0年（200（〕年1月1.5日）平天球坐标系z轴指向，ZM（t）表示所论历元时刻t真天球坐标系z轴指向，由于岁差导至地球自转轴的运动使二坐标系:

轴产生夹角BA;同理，因岁差导至春分点的运动使二坐标系的x轴XM（to）与XM（t）产生夹角}n}Za。

通过旋转变换得到这样两个坐标系间的变换式:

式中为岁差参数。

（2）章动旋转变换

在已进行岁差旋转变换的基础上，还要进行章动旋转变换。

类似地有

式中为所论历元的平黄赤交角。

分别为黄经章动和交角章动参数。

c.固定极地球坐标系—平地球坐标系

地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。

瞬时极地球坐标系是依瞬时地球自转轴定向的，这将使地球上的测站在该坐标系内不能得到一个确定不变的坐标表示。

与天球坐标系一样，需要定义一个在地球上稳定不变的坐标系。

这一稳定不变的坐标系与瞬时极地球坐标系应能方便地进行坐标转换。

平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换关系为:

下标em表平地球坐标系，et表示t时的瞬时地球坐标系，和表示t时刻以角度表示的极移值。

d.坐标系的两种定义方式与协定坐标系

通常，理论上坐标系的定义过程是先选定一个尺度单位（一般采用标准米），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，通过观侧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。

而由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。

事实上点位的坐标值通常是通过一定的测量手段得到的，它们总是含有误差的。

由它们反过来定义的协定坐标系与原来的理论定义的坐标系会有所不同。

尤其是所采用的已知点坐标值的个数多于坐标系定义所必需的参数时，只能通过平差的方法求得协定坐标系的有关参数。

凡依据这些已知点位测定的其他点位的坐标值均属于这一协定坐标系而不属于理论定义的坐标系。

例如，所测定的卫星轨道及利用卫星轨道所测定的点位均属于卫星跟踪站及其坐标值所定义的协定坐标系。

GPS所采用的坐标系统是测轨跟踪站及其坐标值所定义的协定坐标系。

由于可以采用激光测卫、激光测月和甚长干涉等高精度测量手段，可以使GPS跟踪站的坐标误差很小（分米级），即这种协定坐标系与理论定义的坐标系偏差不大。

3.3.地方独立坐标系

我国许多城市、矿区基于实用、方便和科学的目的，将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求得平面坐标。

仔细地分析研究这些地方独立测量控制网，可以发现，这些网都有自己的原点，自己的定向，也就是说，这些控制网都是以地方独立坐标系为参考的。

而地方独立坐标系则隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球。

该椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其长半径则有一改正量。

我们将该参考椭球称为“地方参考椭球”。

下面讨论地方参考椭球长半径与