GPS卫星导航定位技术与方法

1、知 识点总结 的不容易一页一页总结的，用积分来换吧！第一章全球定位系统概论全球导航卫星系统GNSS目前包括全球定位系统GPS、俄罗 斯的格罗纳斯系统GLONASS。中国的北斗卫星定位系统 COMPASS以及欧洲联盟正在建设的伽利略系统GALILEOGPS利用卫星发射无线电信号进行导航定位，具有全球、全 天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功 能。 GPS 主要由 GPS（GPS 卫星星座）空间部分、地面监 控部分、用户接受处理部分组成，GPS地面监控部分有分布 在全球的若干个跟踪站组成的监控系统组成，跟踪站被分为 主控站、监控站和注入站。 GPS 用户部分有 GPS 接收机、 数据处理软件及相应的用户设备（如计算机气象仪）组成。GPS 实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从 1973年到 1979年，共发射了4 颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面 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、 2 月 4 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 II和Block IIA型卫星。这两组卫星差别是：Block II只能存储14天用的导航电文（每 天更新三次）；而Block IIA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 颗 工作卫星+3颗备用卫星）GPS星座已建立，今后将根据计划 更换失效的卫星。GPS 的特点：定位精度高、观测时间短、测站无需通视、可 提供三维坐标、操作简便、全天候作业。功能多，应用广GPS卫星信号包括测距码信号（即P码和C/A码信号）、导航 电文（或称D码，即数据码信号）和载波信号。GPS 卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正参 数、电离层时延改正参数、遥测码，以及由 C/A 码确定 P 码信号时的交接码等参数。电文以二进制码的形式发送，因 此又叫数据码，或称 D 码。GPS 根据不同的用户提供两种不同的服务。一种是标准定位服务SPS、另一种是精密定位服务PPS。SPS主要面向全 世界民用用户，PPS主要面向美国及其盟国的军事部门

3、以 及民用特许用户。SA 选择可用性 AS 反电子欺骗第二章 坐标与时间系统在 GPS 定位中通常采用的两类坐标系统：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天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自 转方向，x轴指向瞬时春分点，y轴按构成右手坐标系取向。地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自 转方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均 天文台赤道参考面的子午面的交点，y轴按构成右手坐标系 取向。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

4、（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面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。时圈：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 23.50。黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点口 n称北黄极，靠近南天极的交点口 s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Y。实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它 天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时， 自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓 西移，此现象在天文学上称为岁差。在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天 极产生旋转，轨迹大致为椭圆。这种现象称为章动。大地坐标系的定义：B为过坐标点椭球面的法线与赤道面 交角、L为过坐标点的子午线

5、与起始子午线的夹角，H为点 沿法线到椭球面的距离。站心坐标系以地面上某基点（观测站）为原点的一种坐标 系，常用的有站心平面极坐标系和站心平面直角坐标系。地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象简称地球移动，简称极 移。国际协议原点 CIO 协议地极 CTP 协议地球坐标 系 CTSUTM 投影 地球坐标系包括空间直角坐标系和大地坐标系，空间大地坐 标系是通过采用大地经纬度和大地高来描述空间位置的。WGS84 即 world geodetic system of 1984 的简称WGS-84 大地坐标系的几何定义是：原点位于地球质心， Z 轴指向国际时间局（BIH） 1984年0时定义的BIH1984.0协 议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面 和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。对应 于 WGS-84 坐标系有 WGS-84 椭球。国家大地坐标系包括 1954 年北京坐标系、 1980 年西安大地 坐标系、 2000 国家大地坐标系ITRF 是指国际地球参考框架。它是由空间大地测量观 测站的坐标和运动速度

6、来定义的，是国际地球自转服务IERS 的地面参考框架。ITRF 实质上也是种地固坐标系，其原点在地球体系的质心，以 WGS-84 椭球为参考椭球。恒星时（Sidereal Time ST）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。利用太阳的视运动来确定时间基准，得到的时间称为太阳时 MTS平太阳时(Mean Solar TimeMT)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。世界时(Universal Time UT)以平子夜(在平太阳日系统中,一般采用夜半时刻作为平太阳日的起算点 ,也叫平 子夜 )为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。UTC 协调世界时20世纪 50年代建立了精度和稳定性更高的以物质内部原子 运动为特征的基础原子时(AT)系统(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时间系统。) 国际制秒 SI 国际原 子时ATI 力学时(Dynamic TimeDT) 第三章 卫星轨道运动及卫星坐标计算为了研究工作和实际应用的方便，通常把作用于卫星上的各 种力按其影响的大

7、小分为两类：一类是假设地球为均质球体的引力(质量集中于球体 的中心)，称为中心引力，决定着卫星运动的基本规律和特 征，从而决定卫星的轨道，可视为理想轨道，是分析卫星实 际轨道的基础；另一类是摄动力或非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力 等。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想 轨道，同时偏离量的大小也随时间而改变。在摄动力作用下的卫星运动成为受摄运动，相应的卫星轨道称为受轨道。理想椭圆轨道六参数：1、轨道椭圆的长半轴 a2、轨道椭圆的偏心率 e3、轨道倾角i：卫星轨道平面和地球赤道面之间的夹角4、升交点赤经Q：即地球赤道面上，升交点与春分点之 间的地心夹角5、近地点角距3：即在轨道平面上，升交点与近地点之 间的地心夹角，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向6、真近地点角：即轨道平面上的卫星与近地点之间的地 心角距GPS 卫星星历分为广播星历和精密星历 广播星历包括开普勒轨道参数和必要的摄动参数。当前卫星 轨道参数是根据前一段时间求出的轨道参数外推得到的，所 以卫星星历也称广播星历也称预报星历。精密星历是一些国家活国际组织根据各自建

8、立的卫星跟 踪站对 GPS 卫星的精密观测后经处理计算出的，所以也叫后处理星历。最著名的是国际GPS动力学服务组织IGS发 布的精密星历。卫星坐标计算步骤1、平均角速度 2、规划时刻3、平近交点4、偏近角点 5 真近角点6、升交角距7、摄动改正8、改正后升交角距 9 卫星在升交点轨道直角坐标系的坐标 10、升交点精度 GPS 卫星可见性预报用户接收机在取得导航电文的轨道参数后就可以计算卫星的位置 （WGS84） 。根据概略星历（YUMA）进行卫星可见性预报。第四章 GPS 基本观测量及其误差分GPS基本观测量包括码伪距观测量、载波相位观测量和积分 多普勒观测量（还有由干涉法测量得出的时间延迟）。GPS 定位方法分类： （1）绝对定位（单点定位）：在地球 协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。 （2） 相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参 考点之间的相对位置。按用户接收机作业时所处的状态划分：（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是 固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或 变化极其缓慢，以

9、致在观测期内可以忽略。2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达 GPS 接收机的 传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星时钟、接收 机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延 迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差 值，因此一般称量测出的距离为伪距。用 C/A 码进行测量的伪距为 C/A 码伪距，用 P 码测量的伪 距为P码伪距。伪距法定位虽然一次定位精度不高（P码定位误差约为10m， C/A码定位误差为20-30m），但因其具有定位速度快，且无 多值性问题等优点，仍然是 GPS 定位系统进行导航的最基 本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波 数不确定问题（整周模糊度）的辅助资料。载波相位观测是 目前最精确的观测方法。载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传 播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外， 在接收机跟踪 GPS 卫星进行观测过程中，常常由于接收机 天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳 变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理 而解决，但将使数据处理复杂化。GPS测量误差来源1、与卫星有关的误差。（卫星钟差、卫星轨道误差、卫星天 线相位偏差）2、与信号传播有关的误差：电离层延迟3、与接收设备有关的误差。（接收机钟差、接收机天线相位 钟差、周跳及整周模糊度）4、相对论的影响（对卫星钟的影响、对接收机钟的影响）5、多路径的影响（单反射信号多路径的影响、多个反射信 号路径的影响、墙面和地面反射信号路径的延迟）6、其他误差的影响（地球自转改正、潮汐的影响） 多路径效应：也称多路径误差

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