卫星定位与导航系统ppt课件

卫星定位与导航 系统教学
第九章卫星定位与导航系统
9.2.1 坐标系与时间体系
• 卫星导航的最基本任务是确定用户在空间的位置， 即定位。定位实际是确定用户在某特定坐标系的 位置坐标。因此，需要首先定义适当的空间参考 坐标系。 • 一类常用的坐标系是与地球固连的坐标系，它的 坐标轴随着地球自转而移动，称为地球固定坐标 系。
• (1)世界时 世界时以地球自转周期为基准。由于地球的 自转，太阳会用期性地经过地面一点的上空。太 阳连续两次经过某条子午线的平均时间间隔称为 一个平太阳日，以此为基准的时间称为平太阳时。 从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时， 一个平太阳日的1/86400规定为一个世界时秒。地 球除了绕轴自转以外，还绕太阳公转，因此，一 个平太阳日并不等于地球自转一周的时间。 • (2)原子时 • (3)协调时 • (4)GPS时
称为对应于观测量ρ的导航定位方程。
• 由上述导航定位方程可见，用户位置与导航定位 参量有一一对应的关系。而方程中用户坐标为3个 未知量，为求得用户的3个坐标，必须得到3 个独 立的方程，因而必须有3个定位参量。实际中由于 存在测量误差，以及观测误差还依赖于其他的未 知量，如时间、频率等，往往需要引入3个以上的 定位观测量并建立相应的导航定位方程，才能求 解出用户坐标。
• 显然，由于地球的极移，将使地心固定坐标系坐 标轴的指向发生变化，从而对实际定位造成很多 困难。因此，需要建立一种地球固定坐标系，使 其Z轴指向某一固定的基准点，它随地球自转，但 坐标轴的指向不再随时间而变化。 • 确定一平均地极位置，作为地极的基准点，称为 国际协议原点。与之相应的地球赤道面，称为平 赤道面或协议赤道面。这样建立的坐标系称为协 议地球坐标系。其中WGS—84是目前广泛使用的 坐标系统。
• 由图可见，该 坐标系中三条 轴与地球固连 在一起，地球 上每个静止的 物体将具有固 定的坐标。因 此该坐标系称 为地心固定直 角坐标系，又 称为宇宙直角 坐标系。
• 另一类坐标系是惯性坐标系。 • 由于每种坐标系中坐标轴的选取会带来坐标系是指在国际上通过协议确定某些全球 性的坐标轴指向，便于在全球范围内作为位置确 定的标准。
1.协议地球坐标系 • 卫星导航系统中采用的地球坐标系是以地心为 原点、地球自转轴为Z轴，以地球赤道面为基准面 的地心固定坐标系，地球自转轴与地球体表面的 两个交点称为地极，坐标系的Z轴指向北地极。 • 由于地球并非刚体，其内部还存在复杂的物质运 动，因此，地球瞬时自转轴在地球体内的位置并 不是固定不变的，地极点在地球表面的位置随时 间不断移动，这种现象称为地球的极移。
9.2.2卫星定位的一般原理
卫星定位的一般方法可以概述为以下三个步骤： ①已知卫星在某指定坐标系的坐标。 ②测得用户相对于卫星的位置。 ③计算用户在指定坐标系中的坐标。
• 目前典型的卫星导航系统划分为低轨卫星导航系 统、双静止卫星导航系统和中高轨卫星导航系统。 • 这些系统都有共同之处，这就是都是通过将用户 坐标、卫星坐标、观测量通过导航定位方程联系 在一起。
• 以大地水准球面为基础，可以选取一个几何体使 之与大地水准球体最吻合，这个几何体便称为基 准 椭 球 体 ， 可 以 用 于 表 示 地 球 。 表 9-1 所 示 为 WGS-84椭球的基本参数。 • 有了基准椭球以后，可以定义地球上任一点的地 理坐标。
Q’
•如图9—3所示，设点O为椭球中心，即地心，对地球上任一点G，可 以过G点作基推椭球面的垂线GO’。GO’与基准椭球面交于点P，与赤 道半径交于点Q’，与地轴OZ交于O’。P点在赤道面XOY上的投影为P’。 定义G点的地理经度λ为OP’与OX轴的夹角，地理纬度φ为GO’与OL的 夹角，大地高度H是G点与P点的距离GP。
• 地理坐标中的大地高H是G点与基准椭球之间的距 离，该距离与大地水准面和海拔高度之间的关系 为： H=n+h • 式中，n为大地水准面高度，定义为对应G点的大 地水准面与基准椭球面之间的距离。h是海拔高度， 定义为G点与大地水准面之间的距离。
3.天球与天球坐标系
4.时间体系
• 卫星导航是建立在卫星位置精确已知的基础上， 推算卫星的位置需要根据准确的星历和时间数据。 因此，卫星导航系统需要有高精度、高稳定的时 间基准系统。 • 时间体系就是一些在一定基准下表示时间的标准 单位。
2.大地水准椭球、基准椭球和地理坐标
• 确定用户在空间的位置时，最经常的是要确定用 户在地面上或地球上空的位置。用户或地面站在 地球上的位置常用地理坐标，即经度、纬度、高 度来表示。 • 但是，实际中的地球并非一个圆球，以圆球来代 替地球误差太大。为了高精度定位，需采用更好 的近似方法。
• 地球的大地水准面是一个假想的海面，海水的分 布面实际上是地球重力场的等位面，称为大地水 准球面。由于地球形状的不规则和地球质量分布 的不均匀，大地水准球面并不是平滑的球面，仍 然是一个不很规则的球面，如图9—2所示。
9.5GPS导航系统 全球定位系统 (Global Positioning System GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制 的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是 为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球 性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应 急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的 重要组成。经过 20 余年的研究实验，耗资 300 亿 美元，到 1994 年 3 月，全球覆盖率高达 98% 的 24 颗GPS卫星星座己布设完成。
• 如果测得用户与卫星的距离I，那么对应于l的位置面，是 以卫星S为中心，以l为半径的球面C，用户在该球面上， 如图9—5(a)所示。如果要完全根据距离参量确定用户的 三维坐标，则至少需要测得用户到卫星的3个距离。
• 任何测量得到的导航定位参量都可以表示为用户 和卫星的地心固定坐标系坐标的函数，而导航定 位参量可以是距离、距离差、速度等观测量，因 此，将这些函数式称为导航定位方程。可以将这 些函数式一般化，写成：