【正文】 (41)中就得到：Cosfs= (410)Esesco1?或者得到以下常用的形式：Tan( )= (411)2fs)2tan(1es?? 衛(wèi)星瞬時位置的求解 對于任意的觀測時刻，根據(jù)衛(wèi)星的平均運行速度 n,根據(jù) 49，410，411，便可以唯一確定真近點角 fs。由上面的式子知道，衛(wèi)星的平近點角僅僅為衛(wèi)星平均速度的時間的函數(shù)，對于一個確定的衛(wèi)星來說，這個參數(shù)可以認為是常數(shù)。Ms:平近點角。為此，需要引進兩個參數(shù) Es 和 Ms 去計算真近點角。 圖 43 開普勒軌道參數(shù)當這 6 個參數(shù)一旦確定后，衛(wèi)星在任意瞬時的相對于地球的空間位置及其速度，就被唯一的確定了！ 真近點角的概念及其求解在描述衛(wèi)星無攝運動的 6 個參數(shù)當中，只有 fs 是關(guān)于時間的函數(shù)，其他的都是一般的參數(shù)。其數(shù)學(xué)表達式為： (43)GsAT?2432?在這個式子當中， N,s則有:N= (44))/(2sradT?于是，開普勒第三定律 42 就可以寫成： (45)GNAs)232(?或者表示為常用的形式：N= (436)顯然，當開普勒的長半徑確定了過后，衛(wèi)星運動的平均角速度就得到了確定，且保持不變。根據(jù)能量守恒定律，衛(wèi)星的勢vs21能與動能的總量是不變的，即 =常量 (42)rGMss?21因此，當衛(wèi)星運行到近地點的時候，其動能最大；在遠地點的時候，其動圖 42 衛(wèi)星地心向徑在相同的時間間隔內(nèi)掃描的面積能最小，由此，開普勒第二定律所包涵的內(nèi)容是：衛(wèi)星在橢圓軌道上的運行速度是不斷變化的，在近地點處的速度最大，而在遠地點的速度最小。動能則是由衛(wèi)星的運動所引起的，其大小是衛(wèi)星的運動速度的函數(shù)。在近地點其位能最小，而在遠地點其位能最大。 （如下圖 6 所示） （圖 2）與任何其它的運動物體一樣，在軌道上面運動的衛(wèi)星，也具有兩種的能量：位能和動能。開普勒定義定律闡述了衛(wèi)星運動軌道的基本形態(tài)及其與地心的關(guān)系。在軌道上，衛(wèi)星離地球質(zhì)心遠的一點叫做遠地點，近的一點就做近地點。這一個定律表明了，在中心引力的作用下，衛(wèi)星繞地球軌道運行的軌道面，是一個通過地球質(zhì)心的精致平面。衛(wèi)星在地球的引力場當中所做的無攝運動，也稱為開普勒運動，其規(guī)律可以由開普勒三大定律來描述。而在它影響下，衛(wèi)星的運動稱為衛(wèi)星的受攝運動。非中心力包括地球非球形對稱的作用力，日、月引力，大氣阻力，光輻射壓力以及地球的潮汐力等。通常把作用到衛(wèi)星上的力按其影響的大小分成兩部分：一類是中心力；一類是攝動力，也稱為非中心力。衛(wèi)星的實際運動軌道非常的復(fù)雜，很難用非常精確的數(shù)學(xué)模型加以描述。 GPS 時間系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(GPS)為保證導(dǎo)航和定位精度，建立了專門的時間系統(tǒng) —GPS時間系統(tǒng)(GPST)。協(xié)調(diào)時與 TAI 的關(guān)系如下:TAI=UTC+n1(s) (310)其中，n 為調(diào)整參數(shù)，其值由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(lERs)發(fā)布。世界時受地球速度長期性漸慢的影響，逐漸比原子時慢，為避免兩都之間誤差的擴大，自 1972 年起，國際上開始采用一種以原子時秒子為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種折衷的時間系統(tǒng)，稱為協(xié)調(diào)世界時(eoordinateuniversalTime，uTe)。TDT 所采用的基本單位為 sl，與原子時一致。當以太陽系質(zhì)心建立起天休運動方程時，所采用的時間參數(shù)稱為質(zhì)心力學(xué)時(BaryeeniricDynamicTime，TDB)。在目前的導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，均采用了原子時作為其高精度的時間基準。原子時的起點是定在 1958 年 1 月 1 日 0 時 0 分 0 秒(UT2)，但與之又有微小誤差，關(guān)系為: (38)原子時具有很高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，是現(xiàn)時段最為理想的時間系統(tǒng)。 上 述 修 正 并 不 能 完 全 消 除 地 球 自 轉(zhuǎn) 速 度 變 化 率 和 地 球 自 轉(zhuǎn) 季 節(jié) 性 變化 的 影 響 ， 故 而 UT:并 不 是 嚴 格 均 勻 的 時 間 系 統(tǒng) 。凡 ， 汽 分 別 為 天 文 經(jīng) 度 和 緯 度 。世界時與平太陽時的尺度標準完全一致，僅僅是起算點有所不同。與恒星時一樣，平太陽時也具有地方性，常稱地方平太陽時。以平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔，定義為一個平太陽日，其 1/24 為一平太陽時(MeansolarTim 。以真太陽周日視運動所確定的時間稱為真太陽時。當從格林尼治子午線上觀測時，所得的恒星時稱為格林尼治恒星時。選定春分點(地球赤道平面與其繞太陽公轉(zhuǎn)軌道的一個交點)作為參考點，由該點的周日視運動所確定的時間，即為恒星時(siderealTime，sT)。 世界時系統(tǒng) 以地球自轉(zhuǎn)為基準的一種時間系統(tǒng)?，F(xiàn)時的 GPS 測量的方法是通過接收和處理 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，以確定用戶接收機和觀測衛(wèi)星間的距離，然后通過一定的數(shù)學(xué)方法以確定接收機所在的具體位置，為得到接收機和衛(wèi)星的準確距離，必須獲得無線電信號從衛(wèi)星傳輸至接收機這一過程中的精確時間，因而利用衛(wèi)星技術(shù)進行精密的定位和導(dǎo)航，必須要獲得高精度的時間信息，這需要一個精確的時間系統(tǒng)。故僅僅需要繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)這個角度 Ω，就能夠做到二者的相互轉(zhuǎn)換。前者指向的是真春分點，而后者指向的是格林威治起始子午面與地球瞬時真赤道的交點。Y 軸：垂直于 XMZ 平面。Z 軸：指向地球瞬時極。Y 軸：垂直于 XMZ 平面。Z 軸：指向 CIO。1 平地球坐標系：它的地極位置采用國際協(xié)議地極原點 CIO(由 1900 到1905 年測定的平均緯度所確定的平均地極位置)。換句話說就是要考慮到歲差旋轉(zhuǎn)和章動旋轉(zhuǎn)地影響。平天球坐標系的原點為地球的質(zhì)心 M，Z 軸指向平北天極 Pn,X 軸指向春分點,Y 軸垂直于 XMZ 平面。章動指的是真北天極繞平北天極做得橢圓型運動。春分點和天球赤道面是建立天球坐標系的基準點和基準面。5：黃極：過天球中心垂直于黃道平面的直線與天球表面相交的點，它分為黃北極和黃南極，分別用 Kn 和 Ks 表示。3：天球子午面：包含天軸并通過天球面上任意一點的平面。1：天軸和天極：天軸是指地球自轉(zhuǎn)的延伸直線，天軸和地球表面的交點叫做天極 P,與地球北極相對應(yīng)的是北天極 Pn,與地球南極相對應(yīng)的是南天極 極并不是固定的，有歲差和章動的影響，這個時候叫做真天極，而無歲差和章動影像的天極叫做平天極。 天球坐標系天球就是指的是以地球質(zhì)心為中心，半徑無窮大的理想球體。而地球坐標系則是與地球體相關(guān)聯(lián)的坐標系，用于描述地面測量站的位置。第三章 GPS 的坐標、時間系統(tǒng) 坐標系統(tǒng)GPS 定位測量當中，要用到兩種坐標系，即天球坐標系和地球坐標系。接收機產(chǎn)生的本地載波相位為 ，根據(jù)（210）得到：在 Tb 時刻，)(tb?載波相位的觀測值為 (213))()(ttajb????，考慮到衛(wèi)星與接收機和系統(tǒng)時間的差值，Ta=ta+ ,Tb=tb+ ,?tatb則有： (2)()(Ttajbb??????14)由于衛(wèi)星和接收機的頻率都比較穩(wěn)定，所以在一個小的時間間隔里面，我們可以近似的理解在時間[t,t+ t]內(nèi)，有 ? (215)tftt???)()(??（上式是考慮在頻率前提下，所以沒有在 f 前面乘以 2 ）?，因為衛(wèi)星到接收機有一個傳播的延遲，即 Tb=Ta+ ,所以有：?? (216)?????fTab)()(由 215 和 216 代入到 214 得到： tttT abaajbb fffff ?????? ???????)()()()( (217)，如果同時考慮到傳播延遲電離層和對流層的影響（ ） ，有??21和= ， 為衛(wèi)星到接收機的距離。Sj(ti) 圖 21 載波相位測量原理圖如上圖 1 所示，在初始時刻 t0,測得小于一周的相位差為 ，其整周數(shù)為0??，此時包含整周數(shù)的相位觀測值為：jN0== + == + (211)??tjk?0??jN??0tk?tjkjN接收機繼續(xù)跟蹤衛(wèi)星信號，不斷地測量小于一周的相位差 ，并利)(t??用整波計數(shù)器記錄從 t0 到 ti 時間內(nèi)的整周數(shù)變化量 INT( ),只要衛(wèi)星 j 從 to 到?tj 時間內(nèi)信號沒有中斷，則整周模糊數(shù) 就為一個常數(shù)，任意時刻 ti 衛(wèi)星到j(luò)N0k 接收機的相位差為： INT( ) (212)????????tjikijkijk t0??這樣，觀測量就包含了相位差的小數(shù)部分和累計的整數(shù)部分的整周數(shù)。L2:120f0,）與本地接收機產(chǎn)生的本振參考載波產(chǎn)生的相位差來計算的.(GPS 所接收到得載波相位是不連續(xù)的，所以在進行相位測量的時候，先要進行解調(diào)工作，把調(diào)制在載波上面的測距碼和導(dǎo)航電文去掉，通過碼相關(guān)等方法重新獲取載波)。 最小二乘法介紹當我們在一個地方同時可見的衛(wèi)星如果多于四顆（GPS 衛(wèi)星的軌道設(shè)計和運動時間的安排使得用戶在地球的任意位置（兩極個別地點除外） ，都能夠看到4——11 顆的衛(wèi)星）的時候，我們可以用最小二乘法去解算未知數(shù)，這樣，充分的利用了已知的數(shù)據(jù)信息，使得結(jié)果的偏差最小化。當在進行迭代的過程當中，如果所給定的用戶的初始值越接近用戶的實際值，則迭代的次數(shù)就越少。 計算衛(wèi)星位置讀入導(dǎo)航電文后 首先根據(jù)需要調(diào)用廣播軌道 1 至廣播軌道 5 上的數(shù)據(jù) 然后依次計算衛(wèi)星的平均角速度 歸化時間 平均近點角 需要注意的是進行真近點角計算時要同時計算正弦和余弦以得到正確象限內(nèi)的角 計算經(jīng)校正的升交點精度時需要用到地球旋轉(zhuǎn)速率 在 WGS84 中這一常數(shù)為 [10]:Ωe= 105rdd/s。偽距定位法是利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行導(dǎo)航定位的最基本的方法，其基本原理是：在某一瞬間利用 GPS 接收機同時測定至少四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用距離交會法求出接收機的三維坐標和時鐘改正數(shù)。 偽距測量的原理GPS 定位采用的是被動式單程測距。然而 ,由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步 ,所以除了用戶的三維坐標 x、 y、 z 外 ,還要引進一個 Δt 即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù) ,然后用 4 個方程將這 4 個未知數(shù)解出來。而 Y 碼是在 P 碼的基礎(chǔ)上形成的 ,保密性能更佳。C/ A 碼頻率 1. 023MHz ,重復(fù)周期一毫秒 ,碼間距 1 微秒 ,相當于 300m。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間 ,再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾 ,這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離 ,而是偽距( PR) :當 GPS 衛(wèi)星正常工作時 ,會不斷地用 1 和 0 二進制碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼 )發(fā)射導(dǎo)航電文。第二章 GPS 測量原理GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離 ,然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。國際民間的這一策略，反過來又影響和迫使美國對其GPS 使用政策作出更開放的調(diào)整。這一多元化的空間資源環(huán)境，促使國際民間形成了一個共同的策略，即一方面對現(xiàn)有系統(tǒng)充分利用，一方面積極籌建民間GNSS 系統(tǒng)，待 2022 年左右，GNSS 純民間系統(tǒng)建成，全球 將形成GPS/GLONASS/GNSS 三足鼎立之勢，才能從根本上擺脫對單一系統(tǒng)的依賴，形成國際共有、國際共享的安全資源環(huán)境。用于測定航空航天攝影瞬間相機位置，實現(xiàn)僅有少量的地面控制或無地面控制的航測快速成圖，導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)境遙感監(jiān)測的技術(shù)革命 [4]。用 GPS 信號可以進行海、空和陸地的導(dǎo)航、導(dǎo)彈的制導(dǎo)、大地測量和工程測量的精密定位、時間的傳遞和速度的測量等。通過基礎(chǔ)原理的學(xué)習(xí)，一方面，可以使我們更進一步的理解衛(wèi)星運動，定位的實現(xiàn)方法；通過仿真，進一步了解簡單定位的方法及其在仿真平臺上的實現(xiàn)途徑；另一方面，也可以培養(yǎng)我們自學(xué)的能力，訓(xùn)練仿真模擬的技巧和方法。 本課題研究的意義和方法GPS 系統(tǒng)是一個很龐大的系統(tǒng)，包含了天文，地理，計算機，電磁學(xué)，通信學(xué)，信息學(xué)等等。四川大地震發(fā)生后 ,北京武警指揮中心和四川武警部隊運用 “北斗 ” 進行了上百次交流。如要提供全球定位服務(wù) ，則需要 24 顆衛(wèi)星。俄羅斯 “格洛納斯 ”，尚未部署完畢。1994 年 ，美國宣布在 10 年內(nèi)向全世界免費提供 GPS 使