GPS期末复习资料

GPS 测量原理及应用

第一章绪论

•GPS 的含义：全球定位系统（GPS）是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。

•卫星导航系统分类：

①按用户接收机是否发射信号分类：无源系统、有源系统。

②按测量的参数分类：测距导航系统、测距离差导航系统、卫星多普勒导航系统、

测角导航系统、混合系统。

③按卫星运行轨道高度分类：低轨道（近地轨道）、中高轨道、同步轨道。

④④按工作区域分类：全球覆盖系统、区域覆盖系统。

–北斗一号卫星导航定位系统：

①北斗导航系统同时具备定位与双向通信能力，可以独立完成移动目标的定位与调度功

能；GPS 系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与监控功能。

②北斗导航系统是区域性导航系统；GPS系统是全球性导航系统。

③北斗导航系统是由我国自主控制；GPS系统是由美国军方控制。

–欧盟伽利略系统：

①空间段：由分布在三个轨道上的30 颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有

10 颗卫星（9 颗正常工作，1 颗运行备用）；轨道面倾角56 度。②地面段：包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施地面管理机构。

③用户：用户端主要就是用户接收机及其同等产品，伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS 的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容型接收机。–前苏联GLONASS 系统：星座轨道为3个等间距椭圆轨道，轨道面间夹角120°，轨道倾角64.8°，偏心率0.01，每个轨道上等间距地分布8颗卫星。卫星离地高度19100km，绕地运行周期为11 时15 分，地迹重复周期为8 天，轨道同步周期17圈。其卫星轨道倾角大于GPS卫星轨道倾角，所以在高纬度地区的可视性好。面控制系统包括1 个系统控制中心、1 个指令跟踪站，网络分布于俄罗斯境内。

–GNSS 系统：27＋3 颗卫星组成，部署在 3 个中高度圆轨道面上，轨道高度23616km，倾角56°，设计思想是完全从民用出发，与GPS、GLONASS兼容，有2个控制中心。GPS 系统组成：由空间部分、地面控制部分、用户设备部分三部分组成。

–GPS 卫星星座：21颗正式的工作卫星＋3颗活动的备用卫星。6 个轨道面，平均高度20200km，轨道倾角55°，周期11h58min（顾及地球自转，地球—卫星的几何关系每天提前4min 重复一次）。保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4—11 颗卫星。

–地面监控系统：包括1 个主控站、3个注入站和5 个监测站。

•GPS 系统各部分的作用

–GPS 卫星：①向用户发送导航定位信号。②接收注入站发送的导航电文和其他信息。③接收调度命令，改正运行偏差或启用备用时钟。

–主控站：①采集数据：主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。②编辑导航电文：根据采集到的全部数据计算出每一颗卫星的星历、时钟改正数、

状态数据，以及大气改正数，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。③诊断功能：对整个地面支撑系统的协调工作进行诊断；对卫星的健康状况进行诊断，并加以编码向用户指示。④调整卫星：根据所测的卫星轨道参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其发挥正常作用，而且还可以进行卫星调度，用备份卫星取代失效的工作卫星。

–监测站：为主控站提供卫星的观测数据、气象数据。

–注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应的卫星存储器。

–GPS 信号接收机：①捕获卫星信号、跟踪卫星运行。②对接收的GPS 信号进行变换、放大和处理。③测出信号传播时间，解译导航电文。④实时计算测站的三维坐标、三维速度和时间。

•GPS系统的特点：定位精度高；观测时间短；测站间无需通视；可同时提供三维坐标；操作简便；全天候作业；功能多、应用广。

第二章坐标系和空间系

•坐标系统的定义：坐标原点的位置、三个坐标轴的指向、坐标轴的长度单位。任一坐标系中，坐标值与空间点位一一对应。

球面坐标系：以地球质心为坐标系的原点，以天极和春分点作为天球定向基准的坐标系•常用的坐标系统

–球面坐标系：以地球质心为坐标系的原点，以天极和春分点作为天球定向基准的坐标系。–大地坐标系：以参考椭球中心为原点，起始子午面和赤道面为基准面的地球坐标系。

空间直角坐标系：直角坐标系定义的三要素：坐标原点的位置、三个坐标轴的指向、坐标轴长度单位

•常见的时间系统

–恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统。

–平太阳时：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统。（假设一个平太阳以真太阳周年运动的平均速度在天球赤道上作周年视运动，其周期与真太阳一致。

–世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。

–原子时：以物质内部原子运动的特征为基础的时间系统。

–协调世界时：采用原子时秒长，采用跳秒的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1秒。

–GPS时间系统：采用原子时A TI秒长作为时间基准，起算的原点定义在1980.1.6 UTC0 时。GPS时是用周数＋周内时间（秒）来表示，以1980 年1月6 日0 时0分0 秒为第0 周第0 秒，如2004 年5 月 1 日10 时5分15 秒为第1268 周554715 秒。

时间尺度：运动连续、周期恒定、可观测、可用试验复现的周期运动。

第三章GPS 卫星运动基础及卫星星历

•卫星所受的作用力：地球对卫星的引力（主要）、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力。

–受力分类：中心引力（地球质心引力）、摄动力（地球对卫星的非中心引力、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力）。

卫星的运动：①无摄运动：只考虑地球质心引力作用的卫星运动。②受摄运动：考虑摄动力作用的卫星运动。

•卫星运动轨道的描述：

①开普勒轨道六参数（轨道根数）：a、e、V、Ω、i、ω。

②轨道摄动九参数：△n、I、Ω、Cuc、Cus、Crc、Crs、Cic、Cis。