20衛(wèi)星導航原理——預備知識解析

1、20GPS導航原理預備知識控制理論與制導技術研究中心GPS導航原理（預備知識）v回顧：GPS的基本功能：定位、測速、授時哪個時間基準？哪個坐標？WGS-84坐標GPS系統(tǒng)時接下來的主要內容：1）GPS授時的時間系統(tǒng) GPS系統(tǒng)時2） GPS定位的參考坐標系WGS-84時間系統(tǒng)簡介v平太陽時、世界時：平太陽時、世界時：以地球自轉為基礎定時，是不均勻的時以地球自轉為基礎定時，是不均勻的時間標度。與間標度。與TAI的差別一年可積累到的差別一年可積累到1s。v國際原子時（國際原子時（TAI）：）：基于原子秒的基于原子秒的均勻均勻時間標度。時間標度。原子秒：處于海平面銫原子原子秒：處于海平面銫原子133

2、基狀態(tài)兩個超精細能級之基狀態(tài)兩個超精細能級之間的躍遷所對應輻射的間的躍遷所對應輻射的9,192,631,770個周期所經(jīng)歷的時個周期所經(jīng)歷的時間區(qū)間。間區(qū)間。TAI由國際標準度量衡局由國際標準度量衡局(BIPM)根據(jù)位于不同國家的根據(jù)位于不同國家的100多個定時實驗室的原子標準整體導出。多個定時實驗室的原子標準整體導出。原子鐘原子鐘時間系統(tǒng)簡介v世界協(xié)調時（UTC）：具有國際原子時的均勻性。以閏秒方式保持與世界時之間的差值0.9s。均勻、有跳變。vGPS系統(tǒng)時：1980年1月6日0時與UTC重合。不閏秒，由GPS地面控制部分調節(jié)，使其與UTC之差處于1us（模1s）內。計時方法：星期數(shù)秒數(shù)。均

3、勻、無跳變。2011年11月21日北京時間11:57分2013年3月7日北京時間10:42分坐標系統(tǒng)簡介v地固坐標系（地固坐標系（ECEF）隨地球旋轉，原點位于地心，X軸指向赤道與0經(jīng)度線交點，Z軸與地軸重合，XYZ構成右手坐標系。vWGS-84參考橢球體參考橢球體WGS84（World Geodetic System，1984年）是美國美國國防部地圖局國防部地圖局1984年制定年制定的大地坐標系。其坐標系的幾何定義是：原點在地球質心,z軸指向 地球極方向，X軸指向 零子午面和赤道的交點。Y軸與 Z、X軸構成右手坐標系。是一種特殊的地固坐標系。定義了參考橢球體和重力模型。WGS-84簡介vWG

4、S-84參考橢球體參考橢球體（）v大地水準體：假設地球被海洋包大地水準體：假設地球被海洋包圍，各處海平面形成的地球形狀圍，各處海平面形成的地球形狀v大地水準面大地水準面v參考橢球體參考橢球體vWGS-84橢球及有關常數(shù)：橢球及有關常數(shù)：對應于對應于 WGS-84大地坐標系大地坐標系有一個有一個WGS-84橢球，其常數(shù)采橢球，其常數(shù)采用用 IUGG第第 17屆大會大地測量常屆大會大地測量常數(shù)的推薦值。下面給出數(shù)的推薦值。下面給出WGS-84橢球兩個最常用的幾何常數(shù)：橢球兩個最常用的幾何常數(shù)：長半軸：長半軸： 6378137 2（m）扁扁 率：率： v v =1/298.2572235631222

5、222peeRzRyRxepRRf1經(jīng)緯度、高度定義v經(jīng)度。v地理垂線：參考橢球上一點P0的法線。v緯度：地理垂線與赤道平面的夾角。v高度：嚴格來講，應沿大地水準面法線方向測量。實際應用中以地理垂線方向代替。各種高度的區(qū)別v飛行高度（簡稱高度）PP0(一般GPS接收機給出的高度H）v海拔高度（絕對高度）PP(氣壓高度表測量)v相對高度 PP(雷達高度表測量)v大地起伏 P0Pv當?shù)睾０?PP兩種定位解輸出形式笛卡兒坐標（笛卡兒坐標（x,y,z）地理坐標（經(jīng)緯度、高度）地理坐標（經(jīng)緯度、高度）GPS直接獲得直接獲得慣導等系統(tǒng)給出的定位形式慣導等系統(tǒng)給出的定位形式地圖中常用的定位、查詢方式地圖中常

6、用的定位、查詢方式如何統(tǒng)一如何統(tǒng)一 ？坐標轉換v經(jīng)緯度、高度定位直角坐標定位轉換v思路：vPP0（高度）已知，欲求PA和PQ，關鍵是：計算輔助變量|P0A|與|P0Q|cos ONxsin ONysin PAzcos PQON坐標轉換v經(jīng)緯度、高度定位直角坐標定位轉換v在P所在子午面內考慮v子午圈橢圓方程12222eepeRxRzepRRf1坐標轉換v經(jīng)緯度、高度定位直角坐標定位轉換|P0Q|的計算22200cossin)1 (coscos|fRxCPQPee)1 ()1 (|220eRfRAPNN記RN=|P0Q|P0A的計算Prime vertical坐標轉換v經(jīng)緯度、高度定位直角坐標定位

7、轉換sin)1 (sincos)(coscos)(2HfRzHRyHRxNNN坐標轉換v直角坐標定經(jīng)緯度、高度定位 轉換經(jīng)度緯度和高度v計算輔助變量)(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、將（*）右側在附近作泰勒展開（*）D很小，但如果用地心緯度代替地理緯度，D帶來的地面距離誤差卻不小地理緯度與地心緯度的差別由笛卡爾坐標計算出緯度和高度v求解DD222cossin)1 (eRReNNRyxHcos22GPS的組成控制理論與制導技術研究中心回顧vGPS的基本功能：輸出PVTvGPS定時系統(tǒng)與參考坐標GPS系統(tǒng)時WGS-84坐標（WGS-84參考橢球）vGPS定位的基本原理如何通知用戶衛(wèi)星的位置？怎樣測量與衛(wèi)星間的距離？按以下順序逐步介紹vGPS系統(tǒng)組成vGPS信號特性v衛(wèi)星導航電文的解調v利用偽距確定位置GPS系統(tǒng)組成v概述概述組成：衛(wèi)星星座（空間區(qū)段）、地面控制/監(jiān)視網(wǎng)絡（操作

9、控制區(qū)段）和用戶接收設備（用戶設備區(qū)段）衛(wèi)星星座（空間區(qū)段）v衛(wèi)星數(shù)量：24v軌道數(shù)：6，沿赤道均布（60 ），每個軌道4顆衛(wèi)星v周期：11小時58分鐘，衛(wèi)星速度3800m/sv軌道形狀：近圓形，偏心率0.02v軌道傾角：約55v軌道半徑26600km（地球半徑6378.137km，衛(wèi)星距地約2萬千米）v確保在地面可同時觀測到4顆衛(wèi)星平均可見6顆，最多10顆 GPS星座GPS衛(wèi)星軌道分布v使用的衛(wèi)星：Block I：初期概念證實衛(wèi)星，1995年已全部清除Block II：初期生產衛(wèi)星（8990年）Block IIA：增強型(90-97年，19顆；到2012年11月，仍有9顆在工作）Block

10、IIR：補充衛(wèi)星（星際橫向鏈路，180天自維持，97-2004年，到2012年11月，有12顆在工作）Block IIR(M)：現(xiàn)代化，05-09年； 7顆在工作，帶有L2C，但未調制導航信息Block IIF：后續(xù)維持衛(wèi)星，增加民用頻率v衛(wèi)星上裝備有：導航載荷（接收來自操作控制區(qū)段的數(shù)據(jù)），原子鐘，天線、饋線系統(tǒng),發(fā)射L1,L2,L3（用于核試驗監(jiān)視）載波信號v Block IIR v Block IIF星座的自主導航（AutoNav）v在在Block-IIR之前的所有型號衛(wèi)星都沒有自主導航功能，衛(wèi)星廣播的導航信息需之前的所有型號衛(wèi)星都沒有自主導航功能，衛(wèi)星廣播的導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衛(wèi)星的重大改進就是能夠在星上自動預估星鐘與星歷參數(shù)，并生成導衛(wèi)星的重大改進就是能夠在星上自動預估星鐘與星歷參數(shù)，并生成導航信息。航信息。 v一是提高一是提高GPS系統(tǒng)的生存能力。美國認為地面控制段是系統(tǒng)的生存能力。美國認為地面控制段是GPS系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，一旦遭到攻擊可能造成整個系統(tǒng)癱瘓。自主導航能保障一旦遭到攻擊可能造成整個系統(tǒng)癱瘓。自主導航能保障GPS衛(wèi)星在失去地面支衛(wèi)星在失去地面支持的條件下，自主運行持的條件下，自主運行180天，且能滿足導航精度要求；這種能力還可以保證在天，且能滿足導航精度要求；這種能力還可以保證在一些地面監(jiān)控站失效的情況下不影響提供正常的導航信息。一些地面監(jiān)控站失效的情況下不影響提供正常的導航信息。v二是減少上行注入要求。上行注入站上只需發(fā)送很少數(shù)據(jù)。二是減少上行注入要求。上行注入站上只需發(fā)送很少數(shù)據(jù)。v三是完好性。星間鏈路測距功能提供了一種能與其星鐘和星歷參數(shù)比對的獨立三是完好性。星間鏈路測距功能提供了一種能與其星鐘和星歷參數(shù)比對的獨立參考基準。參考基準。v四是精度。由于自主導航功能能夠每小時四是精度。由于自主導航功能能夠每小時4次更新星歷與星鐘參數(shù)，與現(xiàn)有的每次更新星歷與星鐘參數(shù)，與現(xiàn)有的每天更新一次相比，將