卫星通信导论上课课件第9章_卫星定位与导航系统

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1、第九章卫星定位与导航系统内容：概述卫星导航技术基础低轨卫星定位系统双静止卫星导航系统GPS导航系统新一代卫星导航系统9.1概述卫星导航技术的发展历史Transit系统（多普勒技术）GPS系统（伪码测距技术、载波相位测距技术）卫星导航系统提供的服务定位（SPS，PPS）导航授时通信9.2卫星导航技术基础坐标系和时间体系坐标系：惯性坐标系、地球坐标系、协议坐标系、大地坐标系、天球坐标系时间体系：世界时、原子时、协调时、GPS时定位一般原理测距定位测速定位测角定位9.2.1坐标系和时间体系地球固定坐标系与惯性坐标系XYZ格林威

2、治子午线O地心地球图9－地心固定坐标系协议地球坐标系概念：地球的极移协议地球坐标系CIO:国际协议原点CTP：协议地球坐标系WGS84坐标系大地水准椭球、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参数符号采用值长半轴a6378137m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ω7292115×10-11rad/s地球质量与万有引力常数乘积GM3986005×106m3/s2椭球扁率f1/298.257223563椭球第一偏心率平方e20.00669437999013WGS-84

3、基准椭球参数基准椭球下的地理坐标(a)φλOO′XYZ格林威治子午线基准椭球PLP′基准椭球大地水准面ZOO′GPP′ψφhnQ′(b)图9－地理坐标与地心固定坐标系坐标的计算基准椭球下地理坐标与空间直角坐标的关系1－地理坐标变换到直角坐标以WGS-84椭球为基准，地球上任一点的地理坐标，即（λ，φ，H），可以以下式变换到WGS-84三维直角坐标(X,Y,Z)：X=(N+H)cosφcosλY=(N+H)cosφsinλZ=[N(1-e2)+H]sinφ式中由直角坐标(X,Y,Z)变换到地理坐标的逆变换式为：基准椭球下地

4、理坐标与空间直角坐标的关系2－直角坐标变换到地理坐标第二式中，右端的N是纬度φ的函数，因此，需要迭代求解纬度φ，直至收敛，然后由第三式求解大地高H。天球与天球坐标系概念：天球赤道、黄道、春分点、秋分点天球空间直角坐标系与天球赤道坐标系天球坐标系与惯性坐标系的关系：天球坐标系可以看作一个近似的惯性坐标系图9－天球空间直角坐标系和天球球面坐标系δαOXYZ天球赤道sr时间体系世界时（UT）：从午夜起算的英国格林尼治平太阳时称为世界时。原子时（AT）：国际时间局目前以大约100台位于世界各地的原子钟的读书，分别以不同的权值作平

5、均，获得综合的时间基准，称为国际原子时。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时间在0～604800s之间变化。主要作为GPS卫星轨道确定的精密参考。9.2.2卫星定位的一般原理卫星导航的必要条件：卫星的位置用户相对于卫星的某种观测量根据观测量的不同，定位方法可以分为：测距定位、测速

6、定位、测角定位等观测量可以进一步划分为：距离差、距离和、频率、频率差、相位等卫星定位的几何原理定位参量与位置面S卫星U用户U用户S1S2S卫星U用户卫星速度Vl1l2α(a)(b)(c)l图9－定位参量与位置面定位的原理几何原理：球面交汇定位、双曲面交汇定位代数原理：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方程数量与卫星数量的关系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。则卫星数量越多，观测值越多，定位结果越准确。9.3低轨卫星定位系统低轨卫星的特点轨道高度低、需要较多卫星才能实现多

7、重覆盖卫星运动速度快，信号有较大的多普勒频移。低轨卫星定位系统原理：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：子午仪系统、搜索救援卫星系统9.3.1子午仪系统子午仪系统结构定位卫星有效载荷：高稳定度的频率源地面站组用户设备工作方式：无源被动定位，测量信号的多普勒频移子午仪系统的工作原理积分多普勒定位9.3.2积分多普勒定位技术－1多普勒频移与用户速度的关系图9－低轨卫星的多普勒频移VγVr9.3.2积分多普勒定位技术－2基于多普勒积分观测量的定位观测方程发射ftUS1t1S2t2r1r2t1t2t1+

8、τ1t2+τ2接收fr多普勒积分的获得基于多普勒积分观测量的定位观测方程考虑到接收机的本振频率不等于卫星发射频率，上述等式可稍作修改，经整理可得以积分多普勒测量值为观测量的定位观测方程：式中，△r(λ,φ)是以用户经纬度的函数形式表示的用户与卫星之间的距离，该式假定用户的高度为已知值定位观测方程的求解利用泰勒级数将上