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。
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。
• 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：
• 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。
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
全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包 括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物 理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监 测、 市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船 最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋 救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定 位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括 飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、 导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
• GPS原理
24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上， 以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻， 在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的 卫星。 GPS系统的定位过程可描述为：围绕地球运 转的人造卫星连续向地球表面发射无线电信号， 信号中含有卫星信号准确的发射时间，以及不同 的时间卫星在空间的准确位置。
• 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。
• 全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分， 由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的 工 作)、地面天线、监测站(数据自动收集中心)和通 讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分，由24 颗卫星组成；(3)用户装置部分， 主要由GPS接收 机和卫星天线组成。 • 全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球 覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效 率：(5)应用广泛多功能。
• 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统 较大的差异，常用协议坐标系作为统一的参考， 这种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。
• 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。
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。
卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号，测量 信号的到达时间，计算卫星和用户之间的距离。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差， 实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要 引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而 得 到 观 测 点 的 经 纬 度 和 高 程 。
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。
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。