卫星定位与导航系统
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7.2 卫星导航技术基础 续1
▪ 坐标系
➢ 与CIO和地极基准点所对应的地球赤道平面称为平 赤道面或协议赤道面，坐标系称为协议地球坐标系 (CTS)
➢ 以瞬时地极对应的地区固定坐标系，称为瞬时地球 坐标系
➢ 目前，由国际时间局(BIH) 所公布的瞬时地极坐标 所对应的坐标基准点就是BIH系统中的协议地极原 点
GM
3 986 005×106 m3/s2
椭球扁率
f
1/298.257 223 563
椭球第一偏心率平方
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e2
0.006 694 379 990 13
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7.2 卫星导航技术基础 续4
▪ 时间体系
➢ 世界时(UT)：以地球自转周期为基准，从午夜起算的英国格 林尼治平太阳时称为世界时
➢ 原子时(ATM)：国际时间局目前以大约100台位于世界各地
间在0～604800 s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定的
精密参考
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7.3 卫星定位的基础原理
▪ 卫星定位的必要条件
➢卫星在坐标系内的精确位置 ➢用户相对于卫星的某种观测值
▪ 定位方法，根据观测值的不同可以分为
➢测距定位 ➢测速定位 ➢测角定位
▪ 观测量包括距离差、距离和、频率、频率差、 相位等
▪ 定位的代数原理
➢ 建立对应于观测量的定位方程
➢ 将方程线型化
➢ 利用数值算法解方程
▪ 由于实际观测量存在误差，因此一般说来观 测量越多，定位结果越准确，即卫星数量越
多，观测值越多，定位结果越准确
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7.4 低轨卫星导航技术
▪ 低轨卫星的特点
➢ 轨道高度低、需要较多卫星才能实现多重覆盖 ➢ 卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移
➢ 1973年开始方案和原理研究 ➢ 1993年7月，24颗GPS卫星部署完成 ➢ 1993年12月8日，美国国防部正式宣布GPS具有初
始运行能力 ➢ 采用基于时间测量确定距离的伪距定位技术 ➢ 标准定位服务SPS提供民用，精密定位服务PPS提
供军用和特许用户
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7.1 卫星定位与导航概述 续2
的原子钟的读数，分别以不同的权值作平均，获得综合的时 间基准
➢ 协调时(UTC)：时间播发中把原子时的秒长和世界时的时刻 结合起来的一种时间 ，秒长严格等于原子时的秒长，采用整
数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内
➢ GPS时(GPST)：与国际原子时保持有19s的常数差，并在
GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。GPS时
▪ 第二代卫星导航系统：GPS
➢ 2001年以前，美国政府对GPS施加了SA和AS政策
➢ SA：选择可用性政策，在GPS的基准频率上施加高 频抖动噪声信号，降低卫星星历数据中轨道参数的 精度
➢ 采用SA时的SPS定位精度约100米左右，取消后定 位精度达14米左右
➢ AS：反电子欺骗政策，其目的是保护P码，限定非 特许用户的使用
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7.2 卫星导航技术基础 续3
▪ 大地水准椭球和基准椭球
实际地球面 大地水准面
大地水准面与实际地球面
WGS-84 基准椭球参数
参数
符号
采用值
长半轴
a
6 378 137 m
地球引力场规格化的二 阶带球函数系数
-484.16685×10-6
地球自转角速度
地球质量与万有引力常 数乘积
ω
7 292 115×10-11 rad/s
▪ 低轨卫星定位系统
➢ 利用信号的多普勒频移实现测速，进而实现双曲线 交汇定位
➢ 典型系统为子午仪系统、搜索救援卫星系统
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7.4 低轨卫星导航技术 续1
▪ 多普勒频移与用户速度
fd
ft
Vr c
ft
V
cos
c
V
γ
Vr
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7.3 卫星定位的基础原理 续1
▪ 定位参量与位置面
➢ 测距定位：球面交汇定位
U用户
l S卫星
➢ 距离差定位：双曲面交汇
l1 S1
U用户 l2 S2
➢ 测速定位
S卫星
α
U用户
卫星速度V
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7.3 卫星定位的基础原理 续2
▪ 定位的几何原理
➢ 球面交汇定位
➢ 双曲面交汇定位
第七章 卫星定位与导航系统
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第七章概要
▪ 卫星定位与导航概述 ▪ 卫星导航技术基础 ▪ 卫星定位的基础原理 ▪ 低轨卫星导航技术 ▪ 双静止卫星导航系统 ▪ GPS导航系统 ▪ 新一代卫星导航系统
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7.1 卫星定位与导航概述
▪ 第一代卫星导航系统：子午仪(Transit)系统
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7.1 卫星定位与导航概述 续3
▪ 其它卫星导航系统
➢ 俄罗斯GLONASS：伪码测距定位 ➢ 区域性导航与定位系统，采用GEO卫星
✓欧洲的LOCSTAR ✓美国的GEOSTAR ✓美国Qualcomm公司的OmniTRACS ✓中国的“北斗一号”
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7.1 卫星定位与导航概述 续4
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7.2 卫星导航技术基础 续2
Hale Waihona Puke ▪ WGS84坐标系➢ 1984年世界大地坐标系，由美国国防部制图局建立 并公布
➢ 是GPS卫星广播星历和精密星历的参考系
➢ 是GPS导航系统中标识被定位用户坐标所采用的坐 标系
➢ 是一个地心固定坐标系，坐标轴方向与BIH1984.0 系统中定义的方向一致，是CTS-84的一个实现，是 目前最高水平的卫星定位与全球大地测量参考系统
➢ 出现于20世纪60年代 ➢ 利用低轨卫星的多普勒频移效应进行定位 ➢ 最初为美国海军提供潜艇提供高精度二维定位服务，
1967年开放为民用 ➢ 系统缺点：卫星数量少、轨道高度低、轨道精度保
持低，使得定位时间间隔长，精度差
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7.1 卫星定位与导航概述 续1
▪ 第二代卫星导航系统：GPS
▪ 卫星定位与导航系统提供的服务 ➢ 定位 ➢ 导航 ➢ 授时 ➢ 通信
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7.2 卫星导航技术基础
▪ 坐标系
➢ 地球坐标系：以地心为原点，地球自转轴为Z轴， 以地球赤道面为基准平面的地心固定坐标系
➢ 极移：地极点在地球表面移动的现象，使得地心固 定坐标系坐标轴的指向发生变化
➢ 国际协议原点CIO：1967年国际天文学联合会和国 际大地测量学协会建议，采用国际上5个纬度服务 站在1900-1905年的平均纬度所确定的平均极地位 置，作为地极的基准点，对应的坐标原点为CIO
