09GPS(卫星轨道运动理论)
gps卫星定位基本原理
gps卫星定位基本原理
GPS卫星定位基本原理
GPS（全球定位系统）是一种基于卫星定位的技术，可以精确地确定地球上任何一个点的位置。
GPS系统由一组卫星、地面控制站和接收器组成。
GPS卫星定位基本原理是通过卫星发射的信号，接收器接收到信号后计算出自己的位置。
GPS卫星定位基本原理包括三个主要的部分：卫星、接收器和信号。
卫星：GPS系统由24颗卫星组成，这些卫星在地球轨道上运行，每颗卫星都有自己的轨道和时钟。
卫星发射的信号包含了卫星的位置和时间信息。
接收器：接收器是用来接收卫星发射的信号的设备。
接收器可以接收到多颗卫星发射的信号，并计算出自己的位置。
接收器需要至少接收到三颗卫星的信号才能计算出自己的位置。
信号：GPS卫星发射的信号是一种无线电波，这种无线电波可以穿过云层和建筑物，到达地面上的接收器。
信号包含了卫星的位置和时间信息，接收器通过计算信号的传播时间和卫星的位置信息来确定自己的位置。
GPS卫星定位基本原理的实现过程如下：
1. 接收器接收到卫星发射的信号。
2. 接收器计算信号的传播时间。
3. 接收器通过卫星发射的信号中包含的卫星位置信息计算出卫星和接收器之间的距离。
4. 接收器接收到多颗卫星发射的信号，并计算出自己的位置。
5. 接收器通过计算多颗卫星发射的信号，可以确定自己的位置和精度。
GPS卫星定位基本原理是通过卫星发射的信号，接收器接收到信号后计算出自己的位置。
GPS系统可以在全球范围内提供高精度的定位服务，广泛应用于交通、军事、航空、航海、地质勘探等领域。
GPS定位原理概述
GPS定位原理概述GPS的组成GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。
GPS计划始于1973年，已于1994年进入完全运行状态。
GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：空间部分 GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。
这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。
卫星的运行周期约为12恒星时。
每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。
GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。
控制部分 GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。
主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。
监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。
GPS原理及应用
GPS原理及应用
全球定位系统（GPS）是一种通过卫星导航来确定地球上任何位
置的系统。
它由一组24颗卫星组成，这些卫星以恒定的速度在地球
轨道上运行，每颗卫星都能够向地面发射信号。
GPS系统的原理基
于三角定位原理，通过接收至少三颗卫星发射的信号，就可以确定
接收器所在的位置。
GPS技术在军事、航空、航海、地理测绘、运输、探险等领域都有着广泛的应用。
首先，GPS系统的原理是基于卫星导航的。
每颗卫星都会发射
包含卫星位置和时间信息的信号，接收器接收到这些信号后，通过
计算信号的传播时间和卫星的位置，就可以确定接收器所在的位置。
由于GPS卫星的轨道和位置都是精确已知的，因此可以通过接收信
号的时间差来计算出接收器与卫星的距离，进而确定位置。
其次，GPS系统的应用非常广泛。
在军事领域，GPS系统可以用
于导航、目标定位、军事行动规划等方面。
在航空领域，GPS系统
可以用于飞行导航、飞行轨迹规划等。
在航海领域，GPS系统可以
用于船舶导航、海图绘制等。
在地理测绘领域，GPS系统可以用于
地图制作、地形测量等。
在运输领域，GPS系统可以用于车辆跟踪、货物定位等。
在探险领域，GPS系统可以用于户外定位、求救信号
发送等。
总之，GPS系统通过卫星导航来确定地球上任何位置，其原理
基于三角定位原理。
GPS系统的应用非常广泛，涵盖了军事、航空、航海、地理测绘、运输、探险等多个领域。
随着技术的不断进步，GPS系统的精度和稳定性将会不断提高，为人类的生活和工作带来
更多便利和安全。
《GPS 组成及其工作原理》 讲义
《GPS 组成及其工作原理》讲义一、GPS 系统简介全球定位系统（Global Positioning System，简称 GPS）是一种基于卫星的导航系统，它能够为全球范围内的用户提供精确的位置、速度和时间信息。
GPS 系统最初是由美国国防部开发的，如今已经广泛应用于民用领域，如汽车导航、手机定位、航空航海等。
二、GPS 系统的组成GPS 系统主要由三大部分组成：空间部分、地面控制部分和用户设备部分。
1、空间部分GPS 卫星星座是空间部分的核心，由 24 颗卫星组成，其中 21 颗工作卫星，3 颗备用卫星。
这些卫星分布在 6 个轨道平面上，轨道倾角为55 度，平均高度约为 20200 千米，运行周期约为 11 小时 58 分钟。
每颗卫星都持续向地面发送包含其位置、时间和其他相关信息的无线电信号。
2、地面控制部分地面控制部分包括一个主控站、五个监测站和三个注入站。
主控站位于美国科罗拉多州的猎鹰空军基地，它负责收集、处理和分析来自监测站的数据，并计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将这些信息发送给注入站。
监测站分布在美国本土及海外的一些地区，它们负责监测卫星的运行状态，并将数据发送给主控站。
注入站则负责将主控站计算出的卫星导航信息注入到卫星中，以确保卫星能够准确地发送导航信号。
3、用户设备部分用户设备部分是指各种能够接收和处理 GPS 信号的设备，如车载导航仪、手持 GPS 接收机、手机内置的 GPS 模块等。
用户设备通过接收来自多颗卫星的信号，并根据这些信号计算出自己的位置、速度和时间等信息。
三、GPS 工作原理GPS 系统的工作原理基于三角测量原理。
用户设备通过接收来自至少四颗卫星的信号，测量这些信号的传播时间，从而计算出自己与每颗卫星之间的距离。
由于卫星的位置是已知的，通过测量与多颗卫星的距离，用户设备就可以利用三角测量的方法确定自己在地球上的位置。
具体来说，GPS 信号是一种包含卫星位置、时间和其他相关信息的无线电波。
GPS(卫星轨道运动理论)
卫星轨道运动理论>卫星受摄运动②
•摄动力对GPS卫星的影响
摄动源 地球的非 对称性 （a）C2u （b）其他 调和项
加速度 （m/s2）
5×10-5 3×10-7 5×10-6
摄动力对GPS卫星的影响
轨道摄动/m
2d弧段 ≈14km 100~1500 1000~3000
3h弧段 ≈2km 5~80 5~150
日月引力影响
地球潮汐 位
（a）固体 潮
（b）海洋 潮汐
1×10-9
1×10-9 1×10-7 1×10-8
——
—— 5~10 ——
0.5~1.0
0.0~2.0 100~800 1.0~1.5
太阳辐射压 反照压
卫星轨道运动理论>卫星无摄运动⑩
真 近 点 角 fs
cos f s e cos E 1 e cos f s
偏 近 点 角 E
开普勒方程
M= E - esinE
平 近 点 角 M
T 2 4 2 开普勒第三定律： 3 a GM
n :卫星平均角速度
E表示为时间的函数
:卫星过近地点时刻
0 0 1 R1 ( i ) 0 cos i sin i 0 sin i cos i
cos sin 0 R3 ( ) sin cos 0 0 1 0
卫星无摄运动>卫星瞬时位置与瞬时速度的计算④
• 卫星在地球坐标系的位置
卫星轨道运动理论>卫星无摄运动④
•开普勒轨道参数
开普勒第一定律
远地点p′
a
b
M
s
fs
真近点角 true anomaly 近地点p
全球定位系统(GPS)的原理
GPS的基本原理和功能介绍全球定位系统（GPS）是一种用于确定地球上特定位置的卫星导航系统。
它由一系列卫星、地面控制站和GPS接收器组成。
GPS的基本原理是利用卫星之间的距离测量和三角定位的原理来确定接收器的位置。
1.GPS卫星组成和运行原理•GPS系统由一组运行在中轨道上的卫星组成，这些卫星分布在地球的不同位置，以确保全球范围的覆盖。
目前，GPS系统中通常有24颗卫星运行。
•GPS卫星通过精确的轨道控制和时间同步，以稳定的速度绕地球运行。
卫星的运行轨道和位置信息由地面控制站进行监测和调整。
2.GPS接收器的工作原理和定位方法•GPS接收器是用于接收和处理来自卫星的信号的设备。
接收器通过接收多颗卫星发射的信号，并计算信号的传播时间和距离来确定接收器的位置。
•GPS接收器使用三角定位的原理，通过同时接收来自至少三颗卫星的信号来确定接收器的位置。
通过接收更多卫星的信号，精度可以进一步提高。
3.GPS的定位精度和误差来源•GPS定位的精度取决于多种因素，包括卫星的几何分布、接收器的性能、大气条件等。
•可能的误差来源包括信号传播时的大气延迟、卫星钟的不准确、接收器钟的不准确、多径效应等。
这些误差需要进行校正和纠正，以提高定位的精度。
4.GPS在导航、测量和定位应用中的作用•GPS在导航领域是非常重要的，它被广泛应用于航空、航海、汽车导航等。
通过GPS定位，人们可以准确地确定自己的位置并导航到目的地。
•在测量领域，GPS被用于测量地球表面的形状、地壳运动、地震活动等。
它在地理测量、地质勘探等领域发挥着重要作用。
•GPS还被用于定位和追踪移动设备、车辆和人员，例如物流追踪、紧急救援等。
5.GPS技术的发展和未来趋势•GPS技术在过去几十年中取得了巨大的发展，定位精度和覆盖范围不断提高。
现代的GPS接收器可以实现亚米级的定位精度。
•随着技术的进步，GPS系统的性能将进一步改善，包括更多卫星的部署、更高的定位精度、更快的信号更新速度等。
GPS卫星轨道的理论和计算
一、GPS卫星轨道的理论和计算（空间坐标系）GPS领域常用的坐标系分为惯性坐标系和地球坐标系两大类。
不同的坐标系统对于描述GPS卫星和用户的空间位置有不同的特点1. 地理术语1. 地极：地球自转轴与地球表面的两个交点称为南极和北极，统称地极2. 赤道面：通过地心并与地球自转轴垂直的平面称为赤道面，赤道面与地球表面相交的大圆叫做赤道面3. 赤道：赤道面与地球表面相交的大圆称为赤道4. 子午面：包含地球自转轴的任何一个平面都叫子午面5. 子无圈：子午面与地球表面相交的大圆叫子午圈6. 时圈：以南极和北极为端点的半个子午圈7. 黄道：地球绕太阳公转的轨道平面与地球表面相交的大圆称为黄道，从地球上的观测者来看，黄道是太阳相对于地球做运动轨道在地球表面上的投影8. 黄赤交角：黄道面与赤道面之间约23.5度的夹角称为黄赤夹角9. 南黄极和北黄极：通过地心且与黄道面垂直的直线跟地球表面的两个交点分别称为南黄极和北黄极10. 春分点：黄道与赤道有两个交点，其中当太阳的投影沿着黄道从地球的南半球向北半球运动时与赤道的那一个交点叫做春分点。
因为从地心到春分点的方向并不随地球的自转或者公转而发生变化，所以，春分点成为在天文学和大地测量学中的一个重要的空间基准点2. 惯性坐标系以地球质心点O的地心直角惯性坐标系(XI,YI,ZI).该坐标系以指向北极的地球自转轴为Z轴，X轴指向春分点，X，Y，Z三轴一起构成直角坐标系GPS卫星绕地球旋转的周期约为12个小时。
该12小时远远小于地球公转，岁差和章动现象的周期，所以对于描述GPS 卫星轨道而言，地心直角惯性坐标系在一小段时间可以近似视为做匀速直线运动的惯性坐标系。
3. 地球坐标系因为惯性坐标系与地球自转无关，所以地球上任一固定点在惯性坐标系中的坐标会随着地球的自转而时刻改变，这使得他在描述地面上物体的位置坐标时极为不便。
与惯性坐标系不同，地球坐标系固定在地球上而随地球一起在空间做公转和自转运动，所以，他又称地固坐标系地心地固直角坐标系以地心O为坐标原点，其Z轴指向协议地球北极，X轴指向参考子午面（格林尼治子午面）与地球赤道的一个交点，而X,Y,Z三轴一起构成右手坐标系。
gps卫星工作原理
GPS卫星工作原理什么是GPS卫星？全球定位系统（GPS）是一种由美国政府开发并维护的导航系统，它利用一组卫星和接收器来确定地球上任何位置的精确坐标。
GPS卫星是该系统的核心组成部分，它们以大约20200公里的高度绕地球轨道运行。
GPS卫星工作原理GPS卫星工作原理涉及到三个主要部分：空间段、控制段和用户段。
以下是每个部分的详细解释：1. 空间段空间段由一组高度约为20200公里的24颗GPS卫星组成。
这些卫星被安排在6个轨道上，每个轨道上有4颗卫星。
这些轨道被设计为倾斜于地球赤道面，并且彼此之间相互交叉以实现全球覆盖。
每颗GPS卫星都以恒定速度绕地球运行，完成一次公转需要大约12小时。
它们沿着预定的轨道运行，并以准确的时间信号广播其位置和时间信息。
2. 控制段控制段由多个地面站组成，负责监测和控制GPS系统中的各个卫星。
这些地面站与卫星之间通过微波通信链路进行数据传输。
地面站使用精确的原子钟来校准卫星上的时钟，并跟踪卫星的轨道和健康状态。
它们还计算并预测每颗卫星在任何给定时间和位置上的位置。
控制段通过将这些信息上传到相应的GPS卫星上，确保所有卫星都以准确的时间和位置广播信号。
3. 用户段用户段是指GPS接收器，它们由人们使用来获取位置信息。
GPS接收器可以是便携式设备（如手机或导航仪）或安装在车辆、飞机等交通工具上的设备。
GPS接收器通过接收来自多颗GPS卫星的信号来确定其位置。
每颗GPS卫星都会广播其当前位置和时间信息，接收器通过测量从不同卫星接收到信号的时间差来计算自己相对于这些卫星的距离。
为了确定准确的位置，至少需要接收到4颗不同的GPS卫星发送的信号。
根据所接收到的多个信号以及这些信号传播速度已知（光速），GPS接收器能够计算出自己相对于每颗卫星的距离，并利用三角测量原理确定自己的准确位置。
GPS卫星工作原理的关键技术GPS卫星工作原理涉及到一些关键技术，使其能够实现准确的定位和导航功能。
第三章GPS卫星轨道理论
1571.12.27 － 1630.11.15
主要成就: 发现了行星运动三定律
开普勒行星运动三定律
行星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一 个焦点与太阳的质心重合。 行星与太阳之间的向径，在相同的时间内所 扫过的面积相等。 行星运行周期的平方，与轨道椭圆长半径的 立方之比为一常量。
３.３二体问题的运动方程
在图3-1中所示的二体问题中，依据万有引力定律可知， 地球O作用于卫星S上的引力F为：
式中：G——万有引力常数， G=(6672±4.1)×10-14 N· m2/ kg2 ； Ｍ，m——地球和卫星的质量； r——卫星的在轨位置矢量。
由牛顿第二定律可知，卫星与地球的运 动方程：
二体问题的运动方程
轨道摄动
人卫真实轨道 除了地球引力(1)外，卫星还受到地球引力(2) 以及其它摄动力的作用。卫星在所有这些力 的作用下的轨道，称为人卫真实轨道。 轨道摄动 卫星的真实轨道与正常轨道之间的差异，称 为轨道摄动。
轨道理论的分类
人卫正常轨道理论 确定人造卫星正常轨道的形状、大小与空间定 向以及卫星在轨道上的位置的一整套方法及相 关理论，称为人卫正常轨道理论。 人卫摄动轨道理论 解决人造卫星轨道摄动问题的一整套方法和相 应的理论，称为人卫摄动轨道理论。 人卫正常轨道与人卫真实轨道之间的关系
设 为卫星S相对于O的加速度，则:
由于M远大于m，通常不考虑m的影响，则有：
取地球引力常数µ =GM=1，此时（3-4）式可写成 为：
二体问题的运动方程
设以O为原点的直角坐标系为O-XYZ，S点的坐标 为（X，Y，Z），则卫星S的地心向径r边(3-6)方程解的一般形式为：
二体问题微分方程的解
卫星运动的轨道平面方程 直接由微分方程（3-6）求积分，可得卫星运动 的轨道平面方程：
GPS卫星轨道的理论和计算
GPS卫星轨道的理论和计算1.引言GPS全球定位系统是一种利用卫星定位技术实现精确定位和时间同步的全球导航卫星系统，由美国的军方开发，目前已经向全世界开放。
其中，GPS卫星是实现GPS定位的核心部分，而卫星的轨道是卫星运动的基础，也是GPS定位的重要参考基准。
2. GPS卫星轨道的理论GPS卫星运动的物理过程与地球引力和旋转的运动规律密切相关。
GPS卫星的轨道通常是圆形或近似圆形的，但在现实世界中，卫星的轨道呈现为稍微不规则的椭圆形。
GPS卫星成功运行的关键在于，卫星轨道的参数设定和运行稳定性的维持，这些问题都需要靠严密的理论计算处理。
2.1 GPS卫星轨道的类型GPS卫星轨道主要分为两类：中心天球和地球中心。
中心天球轨道不考虑地球的自转和引力等因素，只以恒星为参照物，将GPS卫星的轨道作为一个运行的天体，根据行星运动学的定义和理论计算出卫星的运行轨迹。
而地球中心轨道则更加复杂，它不仅需要考虑恒星引力，还要包括地球引力、地球自转引起的离心效应等因素，这些因素对于卫星的轨迹有着较大的影响。
2.2 GPS卫星轨道计算方法GPS卫星轨道的计算方法比较复杂，需要使用天文学和航空航天学等多个领域的相关知识。
目前，根据GPS卫星运行的特点，卫星轨道的计算主要分为以下两种方法。
2.2.1 斯塔克-德鲁瑟方法斯塔克-德鲁瑟方法也称为SDP4算法，它是一种常用的GPS卫星轨道计算方法。
该方法通过外推算法预测卫星位置，并在每个预报周期内根据实际观测数据进行校正。
SDP4方法的优点是速度快，精度较高，但在某些情况下可能会出现误差。
2.2.2 数值积分方法数值积分方法是一种更加精确的GPS卫星轨道计算方法，它可以模拟卫星运动在地球引力和自转等因素的影响下的完整轨迹。
该方法的优点在于精确度很高，但计算量较大，需要进行多次迭代计算。
3. GPS卫星轨道计算案例以GPS卫星PRN25为例，我们来看看如何进行轨道计算。
3.1 基本信息卫星编号：PRN25发射时间：1987年6月10日升轨期：20分钟轨道高度：20200公里3.2 计算过程我们可以通过卫星计算软件，填入卫星的基本信息，以及需要预测的时间和卫星位置，进行轨道计算。
GPS原理第三章卫星运动基础及GPS卫星星历
15
预报星历
• 利用跟踪站以往的观测资料推求的轨道参 数为基础，并加入轨道摄动改正而外推的 星历。
• 观测时通过导航电文实时地得到
16
后处理星历
• 一些 国家的某些部门，根据各自建立的 跟踪站所获得的精密观测资料，应用与 确定预报星历相似的方法，计算的卫星 星历。
• 可以向用户提供，避免了预报星历外推 的误差。
• 事后才提供，所以叫后处理星历或者预 报星历。
• 有偿服务。
17
后处理星历
• 国际组织、国家、城市、仪器制造商等由自 已的跟踪站观测数据推算，由网络、手机、 电视、光盘、磁带等介质以免费或收费的方 式向用户提供。一般不能实时定位。
• 利用精密星历及其它手段进行精密单点定位， 精度可达0.1m。
18
• 其次，研究各种摄动力对卫星运动的影 响，并对卫星的无摄轨道加以修正，从 而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征
3
3.2 无摄运动
• 二体问题
– 忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究 卫星行对于地球的运动，在天体力学中称为二 体问题
4
3.2 无摄运动
卫星运动不仅受地心引பைடு நூலகம்的作用，而 且还受到非地心引力、日月引力、行星引 力、太阳光压、地球潮汐、大气阻力等影 响。除地心引力外的其它作用力称为摄动 力。只考虑地心引力的卫星运动叫无摄运 动，考虑其它作用力的卫星运动叫受摄运 动。
• 轨道形状与大小：轨道长半径a；扁心率e；
• 卫星在轨道平面上的位置：真近点角V（变量）；
• 轨道椭圆在轨道平面上的定向：近地点角距ω； • 轨道平面与地球体之间的相对定向：升交点赤经Ω；轨道
GPS卫星定位原理及其应用卫星导航定位系统概论
电池帆板，全长
多波束定向天线，这是一种由12个单元构成
5.3230m24，/7/1接5 受日光面
的条形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段
13
积7.2m2。
的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。
GPS卫星的核心部件
微处理器 导航电文存储器 高稳定度的原子频标 伪噪声码发生器 S波段接收机 L波段双频发射机
▪ 基本结构
▪ 天线单元：接收天线、前置放大器 ▪ 接收单元：通道单元、计算和显示单元、存储
单元、电源
2024/7/15
22
当前美国对GPS用户的主要限制性政策
1.对不同的GPS用户，提供不同的服务方式。
2.实施选择可用性（Selective Availability—SA）政策。
3.精测距码（P码）的加密措施（Anti-spoofing —AS ） 也叫反电子欺骗措施。
2024/7/15
25
24 颗 卫 星 分 布 在 互 为 55 度 交 角 的 6 个 轨 道 平 面 上， 每个轨道面上布有4 颗卫星
卫 星 高 约 20200 Km
• 12 小 时 绕 轨 道 一 周
– 可 见 时 间 为 4-5 小 时
• 设计寿命为 7.5 年 • 卫 星 种类 区 分
– Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)
根据Wooden 1985年所给出 的定义：NAVSTAR全球定位 系统（GPS）是一个空基全 天侯导航系统，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。
2024/7/15
3
卫星定位技术的发展简介
GPS第章-GPS定位基本原理课件 (二)
GPS第章-GPS定位基本原理课件 (二)
GPS定位基本原理课件是一份介绍GPS定位原理的教学资料。
GPS定位
是一种基于卫星信号的定位技术，它可以精确地确定一个物体的位置、速度和时间信息。
以下是关于GPS定位基本原理的一些要点：
1. GPS系统概述：GPS是由美国国防部研制的一种全球卫星定位系统，它由一组卫星、地面控制站和用户接收机组成。
GPS系统可以提供全球覆盖的定位服务，其精度可以达到数米级别。
2. GPS信号结构：GPS信号由L1、L2和L5三个频段组成，其中L1频
段是最常用的频段。
GPS信号包括导航消息和载波信号两部分，其中导航消息包含了卫星的位置、速度、时间等信息，而载波信号则用于精
确定位。
3. GPS定位原理：GPS定位原理基于三角定位原理，即通过测量接收
机与卫星之间的距离来确定接收机的位置。
GPS定位需要至少接收到四颗卫星的信号才能进行定位计算，其中三颗卫星用于确定接收机的空
间位置，第四颗卫星用于校正接收机的时间误差。
4. GPS定位误差：GPS定位误差包括系统误差和随机误差两部分。
系
统误差是由卫星轨道误差、大气层延迟、钟差等因素引起的，而随机
误差则是由信号传播过程中的噪声和干扰引起的。
5. GPS应用领域：GPS定位技术在军事、民用、科研等领域都有广泛
应用。
在民用领域，GPS定位被广泛应用于汽车导航、航空航天、地质勘探、海洋测量等领域。
总之，GPS定位基本原理课件介绍了GPS定位的原理、信号结构、误差和应用领域等方面的知识，对于了解GPS定位技术有很大的帮助。
GPS卫星导航系统运行原理
GPS卫星导航系统运行原理GPS卫星导航系统（Global Positioning System）是一套全球定位系统，通过一系列卫星和地面控制站共同运作，提供准确的地理位置和时间信息。
本文将深入探讨GPS卫星导航系统的运行原理。
GPS卫星导航系统由三部分组成：太空部分、控制部分和用户部分。
太空部分由一组维持在轨运行的卫星组成，它们被放置在高度约20180千米的轨道上，以保证在任何地方都能看到至少4颗卫星。
控制部分由地面上的监测站和控制站组成，用于监测卫星的运行状况，并发送指令给卫星。
用户部分则由GPS接收器组成，由用户携带或安装在车辆或设备上，用于接收和处理卫星信号。
GPS卫星导航系统的原理是通过三角定位实现的。
具体而言，GPS接收器接收到至少4颗卫星的信号后，会测量每颗卫星发射的信号从发射到接收的时间间隔，并与卫星发射信号的时间标记进行比较。
通过计算信号在空中传播的时间和速度，接收器可以确定自身与每颗卫星的距离。
通过三颗卫星的距离和位置信息，接收器可以得出自身所在的地理位置。
GPS卫星导航系统的运行原理依赖于卫星的精确时间同步和测量信号的准确性。
卫星上装载有高精度的原子钟，用于同步卫星之间的时间。
当接收器接收到卫星发射的信号时，它会同时接收到卫星的时间标记，通过比较这两个时间标记的差异，接收器可以计算出信号的传播时间。
同时，由于信号传播的速度已知，接收器可以通过简单的计算得出与卫星的距离。
然而，GPS卫星导航系统的运行并非如此简单。
在实际应用中，还需要解决一些问题，例如大气延迟和钟差。
大气延迟是由于信号在通过大气层时会受到干扰而产生的误差，它会导致接收器测量的距离不准确。
为了解决这个问题，GPS卫星导航系统中的卫星会发送额外的修正数据，用户接收器会利用这些数据进行修正。
另一个问题是钟差，即卫星和接收器中的时钟存在微小的差异。
为了解决这个问题，GPS接收器会从多个卫星接收时间信息，并使用差分定位技术来校正钟差。
GPS思考题和参考答案(2009)
GPS思考题及参考答案1．L1载波上没有P码信息。
（×）L1载波上有P码信息，用于捕获P码2．精密星历可以用于实时导航之中。
（×）精密星历是后处理星历，不能用于实时导航中3．WGS-84是一种协议坐标系。
（√）4．GPS相对定位中至少需要两台接收机。
（√）5．LADGPS是局部区域差分系统的简称。
（√）6．天球坐标系和地球坐标系无关，因此常用天球坐标系描述卫星的位置。
（√）7．从时间系统的实质来说，GPS时间系统是一种原子时。
（√）8．GPS载波相位观测值在接收机间求差可以消除接收机的钟差。
（×）GPS载波相位观测值在星站二次差分可以消除接收机的钟差。
9．在平面控制中，地方坐标系和WGS84存在着一定的关系，一般是先进行旋转后平移，实现两坐标的转换。
（×）在平面控制中，地方坐标系和WGS84存在着一定的关系，一般是先进行平移后旋转，实现两坐标的转换。
10、在观测中要求卫星高度角的目的主要是减弱电磁波在大气层传播的误差。
（√）11、地球自转轴长周期变化，引起黄道缓慢变化，称为岁差。
（√）12.升交点的赤径，轨道的倾角，唯一的确定了卫星轨道平面和地球体的相对定位。
（√）13.GPS中定位中获得的是大地高，可以直接纳入我国高程系统。
（×）GPS中定位中获得的是大地高，不可以直接纳入我国高程系统。
14.地球瞬时自转轴在天球上随时间而变，称极移。
（×）地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称极移。
15.GPS定位结果的转换可以在约束平差过程中实现。
（√）16.WGS84坐标系是一种理论坐标系。
（×）WGS84坐标系是一种协议坐标系。
17. 实时导航中可以使用精密星历。
（×）实时导航中使用广播星历。
18. GPS网平差是以野外原始观测数据值为基本观测量。
（×）GPS网平差是以基线解算后获得的基线向量为基本观测量。
19.不同的坐标系之间一般存在着平移和旋转关系。
gps工作原理
gps工作原理GPS（Global Positioning System）是一种利用卫星信号确定地面位置的系统。
它是由一组24颗绕地球轨道运行的卫星组成，可以提供全球范围内的定位、导航和时间信息。
GPS系统的工作原理是基于三角定位原理，通过接收多颗卫星发出的信号来确定接收器的位置，下面我们来详细了解一下GPS的工作原理。
首先，GPS系统由24颗运行在地球轨道上的卫星组成，这些卫星分布在6颗轨道上，每颗轨道上有4颗卫星。
这样的布局可以确保在任何时刻，至少有4颗卫星处于接收范围内。
这些卫星每天都会绕地球运行两次，它们发射的信号包含了卫星的位置和时间信息。
接收器接收来自卫星的信号，并通过计算信号的传播时间来确定卫星和接收器之间的距离。
接收器至少需要接收来自3颗卫星的信号才能确定自己的位置，因为三个点可以确定一个平面上的位置。
如果接收器能接收来自4颗或更多卫星的信号，那么它还可以确定自己的海拔高度。
接收器通过测量来自不同卫星的信号传播时间，并利用三角定位原理来确定自己的位置。
三角定位原理是利用三个已知点确定一个位置的原理，即通过计算接收器到每颗卫星的距离，然后利用这些距离来确定接收器的位置。
在确定位置之后，接收器可以通过计算自己和目的地之间的距离和方向来提供导航信息。
这样，人们就可以利用GPS系统来确定自己的位置，并找到需要前往的目的地。
总的来说，GPS系统的工作原理是通过接收来自多颗卫星的信号，并利用三角定位原理来确定接收器的位置。
这样的系统可以提供全球范围内的定位、导航和时间信息，为人们的生活和工作提供了便利。
通过对GPS工作原理的了解，我们可以更好地理解这一系统是如何工作的，以及它是如何为我们提供定位和导航服务的。
随着技术的不断发展，GPS系统的定位精度和功能也在不断提升，相信它会在未来发挥更加重要的作用。
GPS原理及其应用
GPS原理及其应用GPS（全球定位系统）是由美国建立和维护的卫星导航系统。
它通过一组在轨道上运行的卫星，在地球上的任何位置提供精确的位置和时间信息。
GPS由三个主要组成部分组成：空间段、控制段和用户段。
空间段由一组24颗卫星组成，其中包括21颗工作卫星和3颗备用卫星。
这些卫星以不同的高度和轨道分布在地球周围，确保地球上任何地方都可以同时接收到至少4颗卫星的信号。
这些卫星通过广播的方式发送带有时间和位置信息的信号。
控制段由一组地面设备组成，负责维护和管理卫星系统。
它包括主控站、监测站和遥测测站。
主控站用于监控和控制卫星，监测站负责监测卫星的发射、轨道和时钟，而遥测测站用于接收来自卫星的遥测数据。
用户段是由使用GPS接收器的个人和机构组成。
GPS接收器可以接收和解码卫星发出的信号，并计算出接收器的位置和时间信息。
根据接收到的信号强度和时间延迟，接收器可以通过三角测量原理计算出自身的准确位置。
GPS的应用非常广泛，涵盖了各个领域。
以下是一些主要的应用领域：1.实时定位和导航：GPS可以提供实时的位置信息，以帮助人们准确导航，无论是驾车、步行还是航海。
许多交通和航空运输系统都依赖于GPS来确保行车安全和航班准时到达。
此外，GPS还被广泛用于控制和导航无人机，军事导航和飞行器导航。
2.测绘和地图制作：GPS可以提供高精度的地理坐标，用于地图制作和土地测量。
测绘人员可以使用GPS接收器来标记和记录地物的位置和边界，以创建准确的地图和地理信息系统。
3.水资源管理：GPS可以用于监测和管理水资源，如湖泊、河流和水库。
通过使用GPS接收器和传感器，可以测量水位、流速和水质，并跟踪水源的变化和流动，以帮助有效管理和保护水资源。
4.农业和林业管理：GPS可以在农业和林业管理中提供重要的帮助。
农民可以使用GPS来精确定位农田的边界和地点，并监控农作物的生长和施肥。
在林业管理中，GPS可以帮助监测树木的生长和播种，并跟踪森林资源的变化。
第三章 - GPS卫星运动理论及其轨道确定
fs为卫星的真近点角：即轨道平面上卫星与近地点之间的地心 角距。该参数为时间的函数，确定卫星在轨道上的瞬时位置。
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17
开普勒轨道参数示意图
y Z' (Z) 卫星 近地点 轨道平面 r
t0 过 近 地 点 时 刻 f 真近点角 ω 近地点角距
起始子午面
赤道面
地心 o
Y
Y' 春分点 i 轨道倾角 G A ST 升交点 X' X Ω 升 交 点 赤 经 Ω k升 交 点 经 度 轨道椭圆中心 x
G ( M ms ) r r 3 r
G为引力常数，M为地球质量，ms为卫星质量，r为卫星 的地心向径。根据上式来研究地球和卫星之间的相对运动 问题，在天体力学中称为两体问题。引力加速度决定了卫 星绕地球运动的基本规律。卫星在上述地球引力场中的无 摄运动，也称开普勒运动，其规律可通过开普勒定律来描 述。
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无摄轨道与受摄轨道
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25
卫星的受摄运动
卫星摄动力 非中心力 引力（保守力） 地 球 非 球 形 引 力 位 摄 动 非引力（非保守力） 相 对 论 效 应 引 起 的 摄 动 中心力 二体问题
多 体 摄 动
固 体 潮 摄 动
海 潮 摄 动
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内容要点
GPS卫星轨道的作用 GPS卫星的无摄运动 GPS卫星的受摄运动 GPS卫星轨道的确定 GPS卫星星历
28
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卫星摄动轨道确定思路
GM e r r r
3
f1 (t , r , r , p) f0 (t , r ) f1 (t , r, r, p) f (t , r, r, p)
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.2卫星的瞬时位置 卫星的瞬时位置
在天球坐标系中卫星的位置 绕ξs轴顺转角度i，使ζs 轴与z轴重合。
ζs
z
0 1 0 Rξ (−i) = 0 cos i −sin i 0 sin i cos i
卫星轨道大小 卫星轨道形状 卫星在轨位置
椭圆长半径a 椭圆长半径 椭圆偏心率e 椭圆偏心率 真近点角fs 真近点角
e = (a2 − b2 ) a2
轨道的方位…… 轨道的方位……
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GPS Principles and Applications
Chapter 3 Theory of satellite orbit
a(1− e2 ) r= 1+ ecos fs
cos fs + e cos E = 1+ e cos fs
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GPS Principles and Applications
Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.1卫星无摄运动 卫星无摄运动
GPS Principles and Applications
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Chapter 3 Theory of satellite orbit
3.1卫星无摄运动 卫星无摄运动 开普勒轨道参数
开普勒第一定律
远地点p 远地点 ′
a b
M
s
fs
真近点角 true anomaly 近地点p 近地点
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.1卫星无摄运动 卫星无摄运动
真近点角的计算
辅助圆
a
b
a
s′ s
r
真近点角( 真近点角 fs ) 偏近点角( 偏近点角 E )
O c
E fs R
M
卫星轨道
OR = r cos fs + c = acos E
Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.1卫星无摄运动 卫星无摄运动
真近点角的计算
开普勒第一定律
卫星运动的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合 卫星运动的轨道是一个椭圆，
y
a
远地点 p′
2 2
b
O
s(x, y)
c
M
r fs
x 近地点 p
2 x = r cos fs + c a(1− e ) x y r= + 2 =1 c = ae 2 1+ ecos fs a b y = r sin fs GPS Principles and Applications
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.2卫星的瞬时位置 卫星的瞬时位置
在天球坐标系中卫星的位置 轨道平面直角坐标系只 确定了卫星在轨道平面 上的位置，
ζs
z
ηs
S
而轨道平面与地球体 的相对定向尚需由轨 道参数Ω、i和ωs确定。
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.2卫星的瞬时位置 卫星的瞬时位置
卫星在地球坐标系的位置
利用GPS定位时，应使观测卫星和观测站的位置处于统一的坐标系统。
由于瞬时地球空间直角坐标系与瞬时天球空间直角坐标系的差别在于x轴的 指向不同，若取其间的夹角为春分点的格林尼治恒星时GAST，则在地球坐标 系中卫星的瞬时坐标（X，Y，Z）与天球坐标系中的瞬时坐标（x，y，z）存 在如下关系：
3.1卫星无摄运动 卫星无摄运动 卫星受到的作用力
太阳引力f 太阳引力 s 太阳反照压力f 太阳反照压力 a 太阳辐射压力f 太阳辐射压力 r 地心引力F 地心引力 c 非中心引力f 非中心引力 c 地球潮汐力f 地球潮汐力 t 大气阻力 d 大气阻力f 阻力 月亮引力f 月亮引力 m
GPS Principles and Applications
苏州科技学院空间信息与测绘工程系 of satellite orbit 3.3卫星受摄运动 卫星受摄运动
地球的实际运动受到摄动力作用的影响，结果是开普勒轨参数不 再是常数而成为时间的函数。 地球形状不规则， 地球形状不规则，质量分布不均匀的影响
卫星的运动轨道并不在一个平面上，而是在空间划出一条螺旋状曲线；
S
Ω ω
升交点
M
fs
i
近地 点
x ξs y = R (−i)R (−ω ) η 春分点 ξ ζ s s z ζ s
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.2卫星的瞬时位置 卫星的瞬时位置
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Chapter 3 Theory of satellite orbit
3.1卫星无摄运动 卫星无摄运动 研究卫星运动规律的步骤 无摄运动规律
非球形引力 日、月引力 太阳光压力 地球潮汐力
摄动力的影响
开普勒
受摄运动规律
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3.1卫星无摄运动 卫星无摄运动 开普勒轨道参数 卫 星 的 瞬 间 位 置 和 速 度 卫 星 发 射 条 件 决 定
fs
M
fs
a e i
Ω ω
fs
fs ：时间的函数
如何计算f 如何计算 s ……
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日月引力影响
日月引力影响对卫星轨道的影响是长周期的，主要影响来自月球，太阳的影响 力大略是月球的46％，在3h的轨道弧段上，大略会造成50－150m的位置误差；
太阳光压的影响
太阳光压的影响大略会使卫星在在3h的轨道弧段上，产生5－10m的位置误差；
其他摄动力影响
大气的摄动影响、固体潮及海洋潮汐的影响对于一般的GPS用户，可以忽略不计。
在天球坐标系中卫星的位置 绕ζs轴顺转角度Ω，使x轴与 ξs轴重合。
cos Ω −sin Ω 0 Rζ (−Ω) = sin Ω cos Ω 0 0 0 1
x ξs y = R (−Ω)R (−i)R (−ω ) η ζ ξ ζ s s z ζ s
cosωs Rζ (−ωs ) = sinωs 0 −sinωs cosωs 0 0 0 1
ζs
z
S
Ω ω
春分点 升交点
M
fs
i
ξs 近地 点
x ξs y = R (−ω ) η ζ s s z ζ s
GPS Principles and Applications
x ξs y = R (−Ω)R (−i)R(−ω )η 3 1 s s z ζ s
0 1 0 R (−i) = 0 cosi − sin i 1 0 sin i cosi
cosΩ − sin Ω 0 R3(−Ω) = sin Ω cosΩ 0 0 1 0
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.2卫星的瞬时位置 卫星的瞬时位置 在轨道直角坐标系中卫星的位置
轨道直角坐标系
原点 与地球质心重合 坐标轴 ξs轴指向近地点
Pn
S
Ω ω
春分点 升交点
M
i
近地 点
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.2卫星的瞬时位置 卫星的瞬时位置
在天球坐标系中卫星的位置 用旋转矩阵表示如下
cosωs − sin ωs 0 R(−ωs ) = sin ωs cosωs 0 0 1 0
cosGAST − sin GAST 0 R3(GAST) = sin GAST cosGAST 0 0 0 1
X x Y = R (GAST) y 3 Z z
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 学习要求
了解卫星受到的作用力， 理解卫星运动规律的研究过程， 熟悉卫星无摄运动，掌握开普 勒轨道参数的意义，理解卫星 瞬时位置的表示方法，了解卫 星受摄运动。
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Ω ω
春分点 升交点
M
fs
i
ξs 近地 点
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Chapter 3 Theory of satellite orbit 3.2卫星的瞬时位置 卫星的瞬时位置
在天球坐标系中卫星的位置 绕ζs轴（垂直轨道面）顺转 角度ωs使ξs轴的指向由近地 点改为升交点。