GPS卫星导航定位技术与方法

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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GALILEO GPS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BlockⅡA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BlockⅡA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(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∏n称北黄极，靠近南天极的交点∏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γ。

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慢西移，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CTS

UTM投影——墨卡托投影

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实质上也是一种地固坐标系，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。