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GNSS原理及其应用期末重点资料(成信)
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2024-06-27
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GNSS原理及其应用期末重点资料(成信)
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全球定位系统(GPS):格洛纳斯”系统、“伽利略”系统、“北斗三号”系统
美国全球定位系统(GPS):有 24 颗卫星组成,分布在 6 条交点互隔 55 度的轨道面上,精度约为 10 米,军民两用。
主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。
GPS 系统组成:控制部分、空间部分、用户部分
空间部分
> 空间部分是由广播导航信号的多颗卫星组成的星座。
> GPS 星座由 24 颗工作卫星组成。实际在轨卫星数在 30 颗左右。
> GPS 卫星分布在 6 个倾角 55°的轨道面上,每个轨道有 4 颗卫星。
> GPS 卫星属于地球中轨(MEO)卫星,卫星轨道平均高度约 20200km,运行周期约 11 小时 58 分钟,即半个
恒星日。
> 卫星信号从 20200km 的高空发出后,大约需要 70ms 时间到达地面。
地面测控部分
地面测控部分由 1 个主控站,5 个全球监测站和 4 个地面控制站(注入站)组成。
主要任务是:
跟踪所有的卫星以进行轨道和时钟测定;
预测修正模型参数;
卫星时间同步;
为卫星加载导航数据电文等。
用户部分
GPS 卫星接收机种类很多,根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、
船载式、机载式、星载式、弹载式
北斗卫星导航系统﹝BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System﹞是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航
系统。与美国 GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。
北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成
短报文通信:北斗系统用户终端具有双向报文通信功能,用户可以一次传送 40~60 个汉字的短报文信息。
精密授时:北斗系统具有精密授时功能,可向用户提供 20ns~100ns 时间同步精度。
定位精度:优于 10 米。工作频率:2491.75MHz。
系统容纳的最大用户数:每小时 540000 户。
怎样定义一个坐标系:坐标系固连在参照系上,且与参照系同步运动。要完全定义一个三维空间直角坐标
系必须明确指出: ①坐标原点的位置。 ②三个坐标轴的指向。③长度单位。
天球:指以地球质心 M 为中心,半径 r 为任意长度的一个假想的球体 。
黄道:地球公转的轨道面与天球相交的大圆。
黄赤交角:黄道与赤道的夹角。
天球赤道面与天球赤道:通过地球质心 M 与天轴垂直的平面,称为天球赤道面。天球赤道面与天球相交的大
圆,称为天球赤道。
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 和 Ps 称为天极,其中 Pn 为北天极,为 Ps
南天极。
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。
黄极:通过天球中心,且垂直于黄道面的直线与天球的交点。其中靠近北天极的交点为北黄极,靠近南天极的
交点为南黄极。
注:春分点和天球道赤 面,是建立参考系的重要的基准点和基准面
天球空间直角坐标(X,Y,Z)的定义:
原点—地球质心 M
Z 轴—指向天球北极 Pn
X 轴—指向春分点
Y 轴—垂直于 XMZ 平面,与 X 轴和 Z 轴构成右手坐标系统。
天球球面坐标(α,δ,γ)的定义:
天球球面坐标(α,δ,γ)的定义:天球中心与地球质心 M 重合,赤经 α 为含天轴和春分点的天球子午面与过天体
s 的天球子午面之间的夹角,赤纬 δ 为原点 M 至天体 s 的连线与天球赤道面之间的夹角,向径 γ 为原点 M 至天体 s
的距离。
岁差和章动的影响
岁差:地球实际上不是一个理想的球体,地球自转轴方向不再保持不变,这使春分点在黄道上产生缓慢的西移,
这种现象在天文学中称为岁差。
岁差产生的原因:日月和其他天体对地球赤道隆起部分的吸引。
岁差周期:25800 年,每年春分点西移 50.371″
章动:在日月引力等因素的影响下,瞬时北天极 将绕瞬时平北天极旋转,大致呈椭圆,这种现象称为章动。
章动产生的主要原因:月球轨道面(白道)位置的变化
章动的规律章动的周期:18.6 年
岁差章动的叠加效果:在岁差和章动的影响下,瞬时天球坐标系的坐标轴的指向在不断的变化,将不能直接根据牛
顿力学定律来研究卫星的运动规律。
地球空间直角坐标系的定义:
原点 O:地球质心
Z 轴:指向地球北极 Pn
X 轴:指格林尼治子午面与地球赤道的交点 E
Y 轴:垂直于 XOZ 平面,与 X 轴和 Y 轴构成右手坐标系。
大地坐标系的定义:地球椭圆的中心与地球质心重合,椭球短轴与地球自转轴重合,大地纬度 B 为过地面点的椭球
法线与椭球赤道面的夹角,大地经度 L 为过地面点的椭球子午面与格林尼治平子午面之间的夹角,大地高 H 为地面
点沿椭球法线至椭球面的距离。
岁差、章动和极移的影响:地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其在空间变化,而且还受地球内部质量不均匀
影响在地球内部运动。前者导致岁差和章动,后者导致极移。
极移:地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的,因而,地极点在地球表面上的位置,是随时间而变化的,这种
现象称为极移。
研究分析表明,极移周期有两种:一种周期约为一年,振幅约为 0.1″的变化;另一种周期约为 432 天,振幅约
为 0.2″的变化,即张德勒(S.C.Chandler )周期变化。
瞬时地球坐标系:
原点:地球质心
Z 轴—指向瞬时地球自转轴
X 轴—指向格林尼治子午面与瞬时赤道的交点
Y 轴—与 x 轴、z 轴构成右手系
注:极移的存在,致使地面点的坐标具有类似周期性的变化,使用起来十分不便。
坐标系的变换方法(同一基准)
1、空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换。
2、空间坐标系与平面直角坐标系间的转换
坐标系的转换方法(不同基准)
不同坐标系之间的转换实质上就是不同基准间的转换,常用布尔萨七参数转换方法。即 3 个平移参数,3 个旋
转参数,1 个尺度参数。
不同空间直角坐标系之间的转换
布尔萨七参数转换模型:
时间的概念:时间包含时刻和时间间隔两个概念。
时刻:发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中,与所获数据对应的时刻也成为历元。
时间间隔:发生某一现象所经历的过程,是这一过程始末的时刻之差。
所以,时间间隔测量,也称为相对时间测量,时刻测量,相应地称为绝对时间测量。
时间基准:包含时间原点(时刻)和时间尺度(时间段)。
时间系统与坐标系统一样,应有其尺度(时间单位)与原点(起始历元)。其中时间的尺度是关键,而原点可
以根据实际应用加以选定。不同的原点和尺度对应不同的时间系统。任何一个可观测的周期的运动现象,只要符
合条件,都可用作确定时间间隔。
任何一个可观测的周期的运动现象,只要符合条件,都可用作确定时间间隔。
运动应是:①连续的,周期性的②运动的周期就具有充分的稳定性;③运动的周期必须具有复现性(可重复性)
常用下列周期性运动作为测时标准①地球自转;②地球公转;③原子内部能级跃迁。
恒星时:以春分点为参考点,由春分点的周日视运动所确定的时间。
时间尺度:春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日,一恒星日分为 24 个恒星时。
起算原点:恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点,所以恒星时在数值上等于春分点相对于本地子
午圈的时角。
恒星时的特性: 恒星时具有地方性,导致时间尺度不稳定。恒星时是以地球自转为基础的,由于岁差和章动
的影响,春分点在天球上的位置并不确定。因此,恒星时不具有统一的时间原点。
平太阳时:以平太阳为参考点,由平太阳的周日视运动所确定的时间。
时间尺度:平太阳连续两次经过本地子午圈的时间 间隔为一平太阳日,一平太阳日分为 24 个平太阳时。
起算原点:平太阳时以平太阳通过本地子午圈时刻为起算原点,所以平太阳时在数值上等于平太阳相对于本
地子午圈的时角。
平太阳时的特性:平太阳时具有地方性,导致时间尺度不稳定
世界时:以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。世界时与平太阳时尺度基准相同,其差别仅在于起算点不
同。
世界时的特性:世界时虽然属全球性,但时间尺还是不稳定。
原子时:随着对时间准确度和稳定度的要求不断提高,以地球自转为基础的世界时系统难以满足要求。20 世纪
50 时年代,便开始建立以物质内部原子运动特征为基础的原子时系统。
原子时:秒长被定义为铯原子基态的两个超精细能级 间跃迁辐射震荡 9192631170 周所持续的时间;
起点:按国际协定取为 1958 年 1 月 1 日 0 时 0 秒,事后发 现该瞬间原子时与世界时有差异。
特性:原子时虽然时间尺度还是稳定,但没有统一的时间原点。
协调世界时:是原子时和世界时的结合。既有时间原点,也有稳定的时间尺度。
协调世界时产生的原因:
1、许多部门惯用天体作为观测对象,确定时间;
2、地球自转的速度逐渐转慢;
3、时间原点应尽量靠近世界时。
GPS 时间系统
GPS 系统是测时测距系统。时间在 GPS 测量中是一个基本的观测量。卫星的信号,卫星的运动,卫星
的坐标都与时间密切相关。对时间的要求既要稳定又要连续。为此,GPS 系统中卫星钟和接收机钟均采用
稳定而连续的 GPS 时间系统。
GPS 时间系统:采用原子时 ATI 秒长作为时间基准,时间的起算点定义在 1980 年 1 月 6 日的 UTC0 时。
第三章
作用在卫星上的外力:
地球引力
地球质心引力:将地球作为匀质球体(中心力或非摄动力)
地球非球形引力(也称地球形状摄动力) 摄动力,也称非中心力
日、月及其它天体的引力
大气阻力
太阳光压
其它作用力(如:地磁、地球潮汐摄动等)
卫星轨道
无摄轨道:受非摄动力作用的卫星轨道。理想状态的卫星轨道。
受摄轨道:受摄动力作用的卫星轨道。
对轨道的分析研究:由无摄轨道到受摄轨道
分 2 步:
二体问题:忽略所有摄动力,仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动规律
研究各种摄动力的影响,修正无摄轨道,确定受摄运动轨道的瞬时特征。
Kepler 六个轨道根数
a:椭圆轨道的长半径
e:椭圆轨道的偏心率
i:椭圆轨道平面的倾角(轨道平面与地球赤道面的夹角)
Ω:升交点的赤经(、卫星轨道的升交点与春分点之间的角距)
:椭圆轨道近地点角距(近地点与升交点夹角)
f :卫星的真近点角(与时间 T 有关),卫星与近地点之间的地心角距。
卫星的受摄运动
摄动因素包括:地球形状摄动,日、月引力,大气阻力摄动,光压摄动,潮汐摄动等
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