1、第1章 卫星定位系统概论,本章要点: 1、人造卫星的类型和运行轨道； 2、卫星定位技术的发展阶段； 3、目前世界正在运行和建设的卫星导航定位系统; 4、卫星导航设备国内外知名制造商和运营商介绍。,第1节 人造卫星,一、人造卫星的概念 人造卫星是指环绕宇宙中某一星体在空间轨道上运行(至少一圈)的无人航天器。围绕哪一颗行星运转的人造卫星，就叫它哪一颗行星的人造卫星。,二、人造卫星 基本概况,人造卫星的最出设想：牛顿在思考万有引力定律时曾设想过，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球
2、旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。 人造卫星是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。1957年10月4日苏联发射了世界上第1颗人造卫星。之后，美国、法国、日本也相继发射了人造卫星。中国于1970年4月24日发射了东方红1号人造卫星。,人造卫星一般由专用系统和保障系统组成。专用系统是指与卫星所执行的任务直接有关的系统，也称为有效载荷。应用卫星的专用系统按卫星的各种用途包括：通信转发器，遥感器，导航设备等。 人造卫星的运动轨道取决于卫星的任务要求，区分为低轨道、中高轨道、地球同步轨道、静止轨道、太阳同步轨道等。人造卫星绕地球飞行的速度非常快，低轨道和中高轨道卫星一天可绕地球
3、飞行几圈到十几圈，不受领土、领空和地理条件限制，视野广阔。,三、人造卫星 - 基本种类,人造卫星按用途分为三大类：科学卫星，技术试验卫星和应用卫星。 科学卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星，用来研究高层大气，地球辐射带，地球磁层，宇宙线，太阳辐射等。 技术试验卫星是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星。航天技术中有很多新原理，新材料，新仪器，其能否使用，必须在天上进行试验；一种新卫星的性能如何，也只有把它发射到天上去实际“锻炼”，试验成功后才能应用，这些都是技术试验卫星的使命。 应用卫星是直接为人类服务的卫星，它的种类最多，数量最大，其中包括：通信卫星，导航
4、卫星，地球资源卫星。,四、人造卫星 - 运行轨道,人造卫星的运行轨道：地球同步轨道，太阳同步轨道，极轨轨道,顺行轨道,逆行轨道,赤道轨道。 顺行轨道：特点是轨道倾角即轨道平面与地球赤道平面的夹角小于90度。中国地处北半球，要把卫星送入这种轨道，运载火箭要朝东南方向发射，这样能够利用地球自西向东自转的部分速度，从而可以节约火箭的能量。中国发射的科学技术试验卫星和返回式遥感卫星以及神舟号试验飞船，都是用顺行轨道。北斗导航试验卫星也是采用顺行轨道。,逆行轨道：特征是轨道倾角大于90度。欲把卫星送入这种轨道运行，运载火箭需要朝西南方向发射。不仅无法利用地球自转的部分速度，而且还要付出额外能量克服地球自
5、转。因此，除了太阳同步轨道外，一般都不利用这类轨道。 赤道轨道：特点是轨道倾角为0度，卫星在赤道上空运行。由于卫星飞行速度随距地面的高度而变化，轨道越高，速度越小，环绕周期越长，故由计算可知，当其在赤道上空35786公里高的圆形轨道上由西向东运行1周的时间，恰好是23小时56分4秒，正与地球自转一周的时间相同。 极地轨道：它是因轨道平面通过地球南北两极而得名，轨道倾角为90度的极地轨道。在这种轨道上运行的卫星可以飞经地球上任何地区上空。中国未研制此类轨道的卫星，但发射过此类轨道的卫星。长征二号以1箭双星的方式6次从太原起飞，把12颗美国铱星送入太空，就属于这种发射方式。,五、人造卫星 - 世界
6、之最,1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星。这一事件具有划时代的意义，它宣告人类已经进入空间时代。第一颗人造地球卫星呈球形，直径58厘米，重83.6公斤。它沿着椭圆轨道飞行，每96分钟环绕地球一圈。 一个月后，1957年11月3日，苏联又发射了第二颗人造地球卫星，它的重量增加了5倍多，达到508公斤。这颗卫星呈锥形，在卫星上增设一个密封生物舱，舱内安然静卧着一只名叫“莱卡依”的小狗。小狗身上连接着测量脉搏、呼吸、血压的医学仪器，通过无线电随时把这些数据报告给地面。另外还安装了空气再生装置和处理粪便的排泄装置，一套自供食装置以及定时用餐信号灯通知莱依卡。由于当时技术水平的限制，这颗
7、卫星无法收回，试验狗在卫星生物舱内生活了一个星期，完成全部实验任务后只好让它服毒自杀，成为宇航飞行中的第一个牺牲者。,美国于1958年1月31日成功地发射了第一颗“探险者”-1号人造卫星。该星重8.22公斤，沿近地点360.4公里、远地点2531公里的椭圆轨道绕地球运行，轨道倾角33.34度，运行周期114.8分钟。 法国于1965年11月26日成功地发射了第一颗“试验卫星”-1（A-l）号人造卫星。该星重约42公斤，运行周期108.61分钟，沿近地点526.24公里、远地点1808.85公里的椭圆轨道运行，轨道倾角34.24度。 日本于1970年2月11日成功地发射了第一颗人造卫星“大隅”号
8、。该星重约9.4公斤，轨道倾角31.07度，近地点339公里，远地点5138公里，运行周期144.2分钟。 中国于1970年4月24日成功地发射了第一颗人造卫星“东方红”1号。该星直径约1米，重173公斤，沿近地点439公里、远地点2384公里的椭圆轨道绕地球运行，轨道倾角68.5度，运行周期114分钟。,第2节 卫星导航定位技术的发展,一、卫星导航定位技术的概念卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。具体地讲就是接收导航卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态已知点，实时地测定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航定位。,二、卫星定位技术发展的三个阶段 1、卫星三角测量定位20
9、世纪6070年代，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，由地面观测站对它进行观测建立卫星三角网或卫星测距网。观测卫星的方法有: 卫星照像观测:它是在地面站上，以恒星为背景，拍摄卫星发出的闪光或卫星反射的太阳光，根据底片上卫星和恒星影像的位置以及拍摄时刻，经过底片处理和归算，可求出拍摄瞬间卫星所在的空间方向。现已很少使用。 卫星激光测距:卫星激光测距是由安置在地面站的激光测距仪向卫星发射激光脉冲，并接收由卫星反射镜反射回来的脉冲，测量脉冲往返传播时间，从而计算测站至卫星的距离。,优点：对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量技术难以实现的远距离陆地 -海岛联测定位的问题。 缺点：受卫星可见条件及
10、天气的影响，费时费力，不仅定位精度低，而且不能测得点位的地心坐标。获得的是相对坐标系。,2、卫星多普勒定位,利用多普勒卫星定位技术进行测速、定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统。 20世纪50年代末期，美国开始研制。20世纪70年代，卫星多普勒定位技术迅速兴起。 卫星多普勒频移测量定位的基本原理是以多普勒效应为基础。装在卫星上的无线电发射机连续发射电磁波信号，地面站上的多普勒接收机，接收卫星通过时所发射的电磁波信号，并将观测到的多普勒频移个数记录下来，利用多普勒定位基本关系式可推求出卫星位置或地面站位置。,多普勒定位优点：具有经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制等。只要在测点上能收到从
11、子午卫星上发来的无线电信号，便可获得测站点的三维地心坐标。 缺限：1）比如卫星少、不能实时定位，一台接收机需观测15次合格的卫星通过，才能使单点定位精度达10m左右。2）卫星轨道低(平均高度1070km)，难以精密定轨。,70年代中期，我国开始引进多普勒接收机，进行了西沙群岛的大地测量基准联测。国家测绘局和总参测绘局联合测设了全国卫星多普勒大地网，石油和地质勘探部门也在西北地区测设了卫星多普勒定位网。 在美国子午卫星导航系统（NNSS， 6颗卫星）建立的同时，前苏联也于1965年开始建立了一个卫星导航系统（CICADA，有12颗所谓的宇宙卫星）。,3、全球卫星导航定位系统 该系统具有全天候、全
12、球性和高精度的连续导航与定位功能。 主要运行和再建系统有：GPS卫星全球定位系统；GLONASS卫星全球导航系统；北斗卫星导航系统；建设中的Galileo卫星导航系统。,第3节 主要的卫星定位系统,一、GPS全球定位系统1、发展过程 1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统，全称为“卫星测时测距导航全球定位系统”。简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。自1974年以来，已经历了方案论证（19741978年），
13、系统论证（19791987年）、生产实验19881993）3个阶段。总投资超过200亿美元。,2、系统组成整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备三大部分。GPS卫星星座见图 13。其基本参数是：卫星颗数为 24，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11H58M(恒星时12H)，载波频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15度以上(地平)，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。,图1-3 GPS工作卫星和卫星星座,GPS卫星地面监控站,二、GLONAS
14、S全球导航卫星系统1、发展过程GLONASS的起步比GPS晚9年。前苏联于1982年 10月12日发射第一颗GLONASS卫星开始，到1996年，13年时间内历经周折，虽然遭遇了苏联的解体，由俄罗斯接替部署，但始终没有终止或中断GLONASS卫星的发射。1995年初只有16颗GLONASS卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，完成了24颗工作卫星加1颗备用卫星的布局。经过数据加载，调整和检验，已于1996年1月18日，整个系统正常运行。,2、 GLONASS系统组成在系统组成和工作原理上与GPS类似，也是由空间卫星星座，地面控制和用户设备三大部分组成。,1）卫星星座,
15、GLONASS卫星星座的轨道为三个等间隔椭圆轨道，轨道面间的夹角为120度，轨道倾角64.8度，轨道的偏心率为0.01，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星离地面高度19100km。 GLONASS和GPS的对比参见表1。 优点：由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度(50度以上)地区的可视见性较好。,2)地面控制系统地面控制站组（GCS）包括一个系统控制中心，一个指令跟踪站（CTS），网络分布于俄罗斯境内。CTS跟踪着GLONASS可视见卫星，它遥测所有卫星，进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。在GCS内有激光测距设备对测距数据作周期修
16、正，为此所有GLONASS卫星上都装有激光反射镜。,3)用户设备接收机中的计算机对所有输入数据处理并算出位置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。GLONASS系统进展较快，运行正常，但生产用户设备的厂家较少，生产的接收机多为专用型。美国的3S公司研制了GPSGLONASS联合接收机。GPS与GLONASS联合型接收机有很多优点：用户同时可接收的卫星数目增加约一倍，可以明显改善观测卫星的几何分布，提高定位精度（单点定位精度可达16m）；由于可见卫星数目增加，在一些遮挡物较多的城市、森林等地区进行测量定位和建立运动目标的监控管理比较容易开展；利用两个独立的卫星定位系统进行导航和定位测量，可有
17、效地削弱美俄两国对各自定位系统的可能控制，提高定位的可靠性和安全性。,3、俄罗斯联邦政府对GLONASS系统的使用政策早在1991年俄罗斯首先宣称：LONSS系统可供国防民间使用，不带任何限制，也不计划对用户收费，该系统将在完全布满星座后遵照已公布的性能运行至少15年。民用的标准精度通道(CSA)精度数据为：水平精度5070m，垂直精度75m，测速精度15cms。,GLONASS卫星星座 GPS卫星星座,三、 建设中的Galileo卫星导航系统,02年3月24日，欧盟首脑会议冲破美国政府的干扰，批准了建设Galileo系统的实施计划。在2002年3月7日，美国国务院还发表声明说，“美国政府认为
18、没有必要建造Galileo系统，因为GPS系统能够满足全球用户现在和将来的应用需要”。但是，在科索沃战争以及阿富汗战争期间，欧洲军队使用GPS技术事实都受到了限制。因此，法国总统希拉克反驳说，“实施Galileo 计划，将使欧洲拥有自己独立的卫星导航定位系统，而赢得创立欧洲共同安全防务体系的条件”。“如果放弃Galileo计划，欧盟将在今后2030a间失去防务上的主动权。”,此外，该计划带来的经济利润也是不容忽视的。研究预测表明，发展伽利略卫星导航定位技术，仅在欧洲就可以创造出14多万个就业岗位，每年创造的经济收益将会高达90亿欧元。在该次欧盟首脑会议之后，欧盟15国交通部长会议随即做出决定，
19、采取“一切必要措施”加速G伽利略系统的开发和建设。目前已有GPS用户开发研制了Galileo接收机。世界著名的GPS接收机提供商瑞士的u-blox在2008年“德国汉诺威信息技术及通信博览会”（CeBIT）上，实况演示GALILEO卫星跟踪技术，采用该公司革命性的u-blox 5 A-GPS和GALILEO-ready（预留有GALILEO功能）芯片。,1Galileo星座Galileo系统的卫星星座，是由30颗（27颗工作卫星+3颗在轨备用卫星）Galileo卫星组成的。这 30颗卫星均匀分布在 3个轨道上，Galileo卫星的轨道高度是23 616km，轨道倾角为560。它与GPS卫星星座
20、相较如表171所示。,2004年第四季度，计划发射GSTB（galileo system test bed）试验卫星。 2005 2006年内，计划发射4颗Galileo 作卫星，实施在轨作业试验。 2008年年底前，建成Galileo 卫星工作星座（如图 11-5)。,Galileo 系统的主要特点是，多载频，多服务，多用户。它除具有与GPS系统相同的全球导航定位功能以外，还具有全球搜寻援功能。为此，每颗卫星还装备一种援救收发器，接收来自遇险用户的求援信号，并将它转发给地面援救协调中心，后者组织对遇险用户的援救。与此同时，Galileo系统还向遇险用户发给援救安排通报，以便遇险用户等待援救。
21、 2. Galileo信号系统，也采用被动式导航定位原理和扩频技术发送导航定位信号。但是，它将其功能分成公开、安全、商业和政府等4种服务模式，每种服务采用不同的信号。只有公开服务和安全服务，是采用自由使用的信号；余者是需要经过特许，才可使用的。,四、中国第一代导航卫星-北斗导航卫星,1、概况 “北斗一号”卫星导航定位系统，是区域性有源三维卫星定位与通信系统，英文缩写CNSS。它是继美国的GPS、俄罗斯的CLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。 目前有3颗“北斗一号”导航定位卫星。标志着我国已自主建立了完善的卫星导航系统。三颗星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信
22、息。,北斗3号星的发射,北斗卫星与工作原理,2、北斗星定位原理,“北斗”导航卫星系统是通过双星定位方式来工作的。该系统由2颗经度相距60度的地球静止卫星对用户双向测距，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是：以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。,3、三大功能, 快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。北
23、斗导航系统定位精度20米，定位可以在1秒之内完成。 简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息。 精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。,4、北斗导航卫星的五大优势, 它同时具备定位授时与通讯功能，不需要其他通讯系统支持。而GPS只能定位。 覆盖范围大，没有通讯盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务。 特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户
24、数据传输应用。 融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。 自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。,5、覆盖范围,三颗“北斗”分布在赤道面东经80度、140度和110.5度，涵盖整个中国大陆和其周边地区，尤其“北斗一号”覆盖范围的最宽处在北纬35度左右，即日本、黄海、东海一带，也是美军增援台海的关键海域。,6、斗导航卫星的进一步发展,北斗双星定位系统是一种有源定位方式，除了具有授时、简短数字报文等功能，只能提供低动态和静态定位服务。北斗系统主要是为军方服务，但是由于它是有源定位方式，容易暴露接收目标，使得在军方的运用有所限制。 我国目前正
25、在研究新一代无源卫星定位系统。,教学内容： 本节主要介绍天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。 GPS测量中涉及的几种主要时间系统的定义和应用；各种时间的换算。,第2章 GPS定位的坐标系统和时间系统,第1节 天球坐标系,一、坐标系的类型 地球在宇宙有两种运动形式，即围绕地球旋转轴的自转和围绕太阳的公转。以此为基础就有两种不同的坐标系统：地球自转无关、固定在空间的天球坐标系统；和地球相固连的地球坐标系统；,二、坐标系统的组成 坐标系统由原点位置、坐标轴的指向和单位3个要素组成。 在GPS测量定位中，坐标系的原点一般取地球的质心，坐标轴通过国际相关机构协商来确定全球性坐标系统
26、的坐标轴指向。通过协商达成共同认知的坐标系，称为协议坐标系。,三、天球坐标系基本元素,1、天球：是指以地球质心M为中心，半径R为任意长度的一个假想球体。在天文学中都是把天体投影到天球的球面上，并利用球面系统来研究和表达天体的位置及天体之间的位置关系。 2、天轴和天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天球的交点为天极，其中与北极点对应的称为北天极，与南极点对应的称为南天极。,3、天球赤道面与天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平面，称为天球赤道面，天球赤道面与地球赤道面是相重合的。天球赤道面与天球相交的大圆称为天赤道。 4、时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。 5、黄道：地球公转轨道面与天
27、球相交的大圆，黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角(23度26分)。,6、黄极:通过天球中心,且垂直于黄道面的直线与天球的交点。 7、春分点；太阳在黄道上从天球南半球向北半球运动时，黄道与天球赤道的交点。 8、春分点和天球赤道面是建立天球坐标系的基准点和面。,1、天球球面坐标系的定义 地球质心O为坐标原点，春分点轴与天轴所在平面为天球经度(赤经)测量基准基准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。空间点的位置在天球坐标系下的表述为(r,)。 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图2-1表示。 左图 天球直角坐标系与球面坐标系.,四、天球球面坐标系定义,2、天体坐标的定义,2、天体坐标
28、的定义在天球坐标系中，天体的坐标定义为（a,，r ）。1)原点：地球质心。2)基圈：天赤道。3)始圈：春分圈。4)赤纬：任意一点P的赤纬，是点P与地球质心M的连线与天球赤道面的夹角。5)向经长度r：指点P到原点M的距离。6)赤经：过P点的子午面与始圈面的夹角,五、天球直角坐标系定义,1、天球直角坐标系的定义 地球质心O为坐标原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。 2、在天球直角坐标系中，天体的坐标定义为（x，y，z） 原点M：位于地球质心；Z轴指向天球北极；X轴指向春分点；Z轴与X轴和Z
29、轴构成右手坐标系统。,六、天球球面坐标系与直角坐标系的转换,对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：,第2节 地球坐标系,地球坐标系有两种表达方式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。,一、地球坐标系概念,1地球直角坐标系的定义 地球直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。 2.地球大地坐标系的定义 地球大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。 地球直角坐标系和地球大地坐标系可
30、用图2-2表示：,地球直角坐标系和地球大地坐标系,三、空间直角坐标系与大地坐标系转换关系,对同一空间点，空间直角坐标系与大地坐标系转换关系：,子午圈（PAP1）和卯酉圈（QAW）曲率半径M和N数学表达式如下。,三、站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系,1站心赤道直角坐标系 如图2-3，P1 是测站点，O为球心。以O为原点建立球心空间直角坐标系。以P1 为原点建立与相应坐标轴平行的坐标系叫站心赤道直角坐标系。 显然，两坐标系有简单的平移关系：,2站心地平直角坐标系 以P1 为原点，以P1 点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴（向北为正），y轴与x，z垂直（向东为正）建立的坐标系叫
31、站心地平直角坐标系。 站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：,3、站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系的转换,把（2-6）式带入（2-5）式可以得到站心地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的关系式（2-7）：,四、卫星测量中常用坐标系,1瞬时极天球坐标系与地球坐标系 瞬时极天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向(真天极),x轴指向瞬时春分点(真春分点),y轴按构成右手坐标系取向。 瞬时极地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转轴方向，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点的子午面之交点，y轴构成右手坐标系取向。 瞬时极天球坐标系与
32、瞬时极地球坐标系的关系如图2-4所示。,2.固定极天球坐标系平天球坐标系 由于瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化，对研究卫星的运动很不方便，需要建立一个三轴指向不变的天球坐标系平天球坐标系。即选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标系取向，坐标系原点与真(瞬时极)天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现。,章动和岁差：地球在自传过程中，由于受日月引力的影响，使地球自转轴的方向在天球上缓慢移动，这种运动可以分解为一个长周期变化(25800年)和一个短周期变化(18.6年),长周期
33、变化使春分点产生每年约50.2“的变化，称之为日月岁差；短周期变化使春分点产生每年约9“的变化，称为章动。春分点除因地球自转轴方向改变引起的变化外，还因黄道的缓慢变化而变化(行星引力对地球绕日运动轨道的摄动)，称为行星岁差。日月岁差和行星岁差合称为岁差。,（1）岁差旋转变换 ZM(t0)表示历元J2000.0年平天球坐标系z轴指向，ZM(t)表示所论历元在时刻t时的真天球坐标系z轴指向。由于岁差导致地球自转轴的运动使二坐标系z轴产生夹角A；同理，因岁差导致春分点的运动使二坐标系的x轴XM(t0)与XM(t)产生夹角A ，ZA。通过旋转变换得到这样两个坐标系间的变换式为：式中：A ，A，ZA为岁
34、差参数。,（2）章动旋转变换 类似地有章动旋转变换式(式中：为所论历元的平黄赤交角，分别为黄经章动和交角章动参数)：,3. 固定极地球坐标系平地球坐标系,(1)极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。 (2)瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相应的极点称为瞬时极。依瞬时地球自转轴定向的坐标系称为瞬时极地球坐标系。 (3)国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。平地球坐标系的z轴指向CIO。,瞬时极(P)与平极(CIO)关系,（
35、4）平地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式(下标em表示平地球坐标系，et表示t 时的瞬时地球坐标系，为t时刻以角度表示的极移值。 )：,第3节 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,WGS-84坐标系 1954年北京坐标系（BJ54旧） 1980年国家大地坐标系（GDZ80） 新1954年北京坐标系（BJ54新） 地方独立坐标系,一、WGS-84坐标系,WGS-84的定义：WGS-84其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到
36、的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极(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。它是一个地固坐标系。 WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值。 建立WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的，是在世界上建立一个统一的地心坐标系。,二、1954年北京坐标系（BJ54旧）,1.1954年北京坐标系（BJ54旧） 坐标原点：前苏联的普尔科沃。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 存在问题： （1）椭球参数有较大误差。
37、（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。,三、1980年国家大地坐标系(GDZ80),坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球。 特点： （1）采用1975年国际椭球。 （2）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。 （3）定向明确。 （4）大地原点地处我国中部。 （5）大地高程基准采用1956年黄海高程。,四、新1954年北京坐标系（BJ54新）,3. 新1954年北京坐标系(BJ54新)是由1980年国家大地坐标系（GDZ80）转换得来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。
38、BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 （3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同。,五、地方独立坐标系,在生产实际中，我们通常把控制网投影到当地平均海拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影建立地方独立坐标系。地方独立坐标系隐含一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球地方参考椭球。地方参考椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，
39、其长半径则有一改正量。,第4节 时间系统,学习重点：时间的定义和应用；各种时间的换算；掌握各种时间的概念和区别。,一、恒星时ST,定义： 以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒；一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 分类：真恒星时和平恒星时。,平太阳日和平太阳时,太阳的周年视运动是不均匀的，太阳运行至近地点时最快，至远地点时最慢，同时因为黄道与赤道并不重合，存在黄赤交角，因而根据太阳来确定的真太阳日有长短不一的问题。 为了解决这个问题，使计时系统均匀化，人们假想了一个辅助点“平太阳”，它沿着天赤道匀
40、速运行，速度等于太阳在一年内的平均速度，并且和太阳同时经过近地点（即地球过近日点）和远地点（即地球过远日点）。我们将这个“平太阳”连续上中天的时间间隔叫做“平太阳日”。 以“平太阳日”作为计量时间的基本单位，是从十九世纪末期开始的。为了计算方便，纽康（SNewcomb，1835-1909）首先假设了一个“平太阳”。,二、平太阳时MT,定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒；一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示的时刻正
41、是平太阳时。,三、世界时UT,定义：以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。由于世界时系统是以地球的自传为基础，而地球的自转轴不固定和自转速度不稳定，这样就破坏了建立世界时时间系统的基本条件，为此在世界时中引入了极移改正和地球自转速度变化的改正，未经改正的世界时用UT0表示，经极移改正的用UT1表示，经极移和自转速度改正的用UT2表示，期间的关系式为：UT1=UT0+； UT2=UT1+Ts,四、原子时 AT,原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。 原子时的尺度标准：国际制秒（SI）。 原子时的原点由下式确定：AT=UT2-0.0039(s）。即1958年1月1
42、日0时0秒（UT2）作为原子时的起点，事后发现两者相差了0.0039S。 原子时的秒长被定义为铯原子基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9 192 631 170周所持续的时间。就目前的观测水平而言这一时间尺度是均匀的。,五、协调世界时UTC,为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长两者的需要建立了一种折衷的时间系统，称为协调世界时UTC。根据国际规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽可量与世界时接近。 协调时与国际原子时之间的关系式：IAT=UTC+1sn （n 为调整参数） 协调世界时UTC即是一种折衷办法。它采用原子时秒长，但因原子时比世界时每年快约1秒，两者之差逐年积累，
43、便采用跳秒/闰秒的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1秒。跳秒一般安排在每年12月末或6月末。具体日期由国际时间局安排并通告。,六、GPS时间系统GPST GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点与国际原子时IAT相差19s。有关系式：IAT-GPST=19（s） GPS时间系统与各种时间系统的关系，图2-6,空间直角坐标系与大地坐标系转换关系式的推导,球面坐标系与空间直角坐标系,大地坐标系与空间直角坐标系,一、推导思路,第一步推导P点在子午平面坐标系中的表达,首先在空间直角坐标系与大地坐标系中L是相同的，问题是x,y同B的关系。 如图过P点作法线Pn,它与x轴
44、的夹角为B，过P点作子午圈的切线TP,它与x轴的夹角为900+B，过该点的切线的斜率，等于曲线该点处的一阶导数。,第二步子午平面坐标系同归化纬度坐标系的关系,第三步空间直角坐标系同子午面直角坐标系的关系,第四步空间直角坐标系与大地坐标系的关系,由麦尼尔定理知，假设通过曲面上一点引两条截弧：一条为法截弧，一条为斜截弧，且在该点处有公共切线，这时斜截弧在该点处的曲率半径等于法截弧的曲线半径乘以两截弧平面夹角的余弦。 x=NcosB; y=N(1-e2)sinB,如果P点不在椭球面上的情况,第3章 卫星运动基础及GPS卫星星历,本章主要讨论卫星的二体问题、卫星的受摄运动以及GPS卫星星历。,第一节
45、卫星运动概述,一、卫星运动中的引力1、引力来源 人造地球卫星绕地球的运动状态取决于它所受到的各种作用力。这些作用力主要有：地球对卫星的引力，太阳、月亮对卫星的引力，大气阻力，太阳光压，地球潮汐力等。在这些作用力中，地球引力是主要的。如果将地球引力视为1，则其他作用力均小于10-5。在这多种力的作用下，卫星在空间运行的轨迹极其复杂，难以用简单而精确的数学模型表达。,2、中心引力和摄动力,第一类是地球质心引力。将地球看作密度均匀或由无限多密度均匀的同心球层所构成的圆球，它对球外一点的引力等效于质量集中于球心的质点所产生的引力，也叫中心引力。第二类是非中心引力的摄动力。地球为非球形对称，这种非球形对
46、称的地球引力场会对卫星产生非中心的引力，加上日、月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力等产生了非中心引力的摄动力。摄动力仅为中心引力的10-3。,为了研究卫星运动的基本规律，将卫星受到的作用力分为两类：,二、二体问题,在忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力，研究卫星相对于地球的运动，称之为二体问题。仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动，无摄运动的卫星轨道称为无摄轨道。 在摄动力的作用下，卫星的运动将偏离二体问题的运动轨道，通常考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的受摄运动。 二体问题下的卫星运动虽然是一种近似描述，但能得到卫星运动的严密解，在此基础上引入摄动力来推求卫星受摄运动的轨道。,
47、三、摄动力与卫星定轨精度,GPS卫星高度为两万公里。利用 GPS卫星进行定位测量，要达到10-7的相对定位精度，GPS卫星的定轨精度要求达到2m的精度。在这种情况下，任何摄动力的模型必须满足和达到2m级精度。目前GPS卫星的广播星历轨道误差约为30m。因此若要进行高精度的相对定位，在实际应用中必须研究GPS卫星的运行规律，改进GPS卫星的定轨精度。,第二节 卫星的无摄运动,只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为卫星的无摄运动,卫星的无摄和有摄运动轨道,一、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的引力F为：式中：G万有引力常数，G=(66724.
48、1)10-14 Nm2/ 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：,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=GM=1，此时（3-4）式可写成为：,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=（X，Y，Z），加速度 代入（3-4）得二体问题的运动方程：,上述方程解的一般形式为：,三、开普勒第一定律如果忽略卫星的质量，则有引力加速度决定着卫星绕地球运行的基本规律，这些基本规律可以用开普勒定律具体描述。1开普勒第一定律卫星运行的轨道是一个椭圆，地
49、球质心位居椭圆的一个焦点上。根据开普勒第一定律，卫星相对于地球质心的运动轨道是一个椭圆，该椭圆有着固定的形状和大小，椭圆上距离地球质心最远的一点称为远地点，距离地球质心最近的一点称为近地点。,8,2开普勒第二定律,开普勒第二定律-卫星的地心向径，在相等的时间内所扫过的面积相等。 开普勒第二定律表明，卫星沿轨道椭圆的运行速度在不断变化，在近地点处速度最大在远地点处速度最小，如图33所示。,将地球引力常数GM=3.986005E+14m3/s2和GPS卫星轨道的长半轴 a=26.562Km 代入3-7式,得到GPS卫星的运行周期11h58m,四、无摄卫星运动的轨道参数,在研究卫星的无摄运动中，将地球和卫星看作两个质点，作为二体问题研究两个质点在万有引力作用下的运动。 描述卫星轨道状态和位置的参数称为轨道参数。,轨道椭圆长半径a； 轨道椭圆偏心率e：a和e共同确定了椭圆的形状和大小，其它的几何参数都可由a和e推导出来。 升交点赤经：升交点即是卫星由南向北的运行轨道与地球赤道面的交点。升交点赤经就是升交点与春分点所对应的地心夹角。,
