卫星通信与卫星网络 课件 (李晖) 第15章 卫星导航与定位系统.pptx

第15章 卫星导航与定位系统;15.2 卫星导航技术原理;　　从理论上来说,任何一个周期运动,只要其周期是恒定且可观测的,都可以作为时间的尺度。时间体系就是一些在一定基准下表示时间的标准单位。常用的时间体系如下:　　1. 历书时　　历书时(ET,EphemerisTime)是由天体位置历表给出的牛顿时,通过观测得到某一瞬间天体的位置,从其位置历表获得时间。　　2. 力学时　　力学时分为两种:太阳系质心力学时(TDB,BarycentricDynamicTime)和地球力学时(TDT,TerrestrialDynamicalTime)。;　　3. 世界时　　地球的自转使得太阳会周期性地经过地面一点的上空,把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,以此为基准的时间就称为平太阳时。　　由于地球自转的不均匀性和极移的影响,UT 是一种不均匀的时间系统,通常有三种形式:① UT0,根据天文观测直接测定的世界时;② UT1,对 UT0加上相应的经度改正值,以消除极移对测站经度的影响;③ UT2,对 UT1进行周期性季节变化的改正值。对于一般的精度要求,可以用 UT1作为统一的时间系统;而对于高精度要求,UT2也不能满足,必须寻求更均匀的时间尺度。;　　4. 原子时　　原子时(AT,AtomicTime)于1958年1月1日世界时的零时开始启用,以位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁所对应的辐射9192631770个周期的持续时间为1原子秒,以此为基准,86400个原子时秒定义为1个原子时日。原子内部能级跃迁所发射或吸收的电磁波频率极为稳定,比以地球转动为基础的计时系统更为均匀,因此得到了广泛应用。;　　5. 协调时　　协调时(UTC,UniversalTimeCoordinated)是零经度处的标准时间,并不是一个独立的时间,而是为了兼顾对 UT 和 AT 的需要而建立的一种折中时间系统。UTC的定义是它的秒长严格等于原子时的秒长,采用整数调秒的方法使 UTC 与 UT 之差保持在0.9s之内,具体的调整由国际时间局提前两个月公布。UTC是测站时间同步的标准时间,是地面深空站通常使用的参考时间尺度。;　　6.GPS时　　GPS时(GPST,GPSTime)是由 GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一种原子时系统,它与国际原子时保持有19s的常数???,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,0s是每星期六午夜,每到此时GPS时间重新设定为0s,GPS周数加1。GPS时间的一个重要作用是作为 GPS卫星轨道确定的精密参考。;15.2.2 空间参考系　　卫星导航的最基本任务是定位,即确定用户在空间的位置。因此,需要首先定义适当的空间参考坐标系,才能确定用户在某特定坐标系的位置坐标。在卫星导航系统的工作中涉及的空间坐标系通常有很多种。一种常用的坐标系是地心固定坐标系,它的坐标轴随着地球自转而移动,是与地球固连的坐标系。另一种坐标系是惯性坐标系,它在空间的位置和指向是固定的,与地球的自转无关。;　　地心固定坐标系用来描述被定位用户的坐标以及飞行器相对于地球的运动非常方便,在此参考坐标系中,与地面相对静止的物体的坐标保持不变,这与人们实际生活中的感觉是一致的,因此称为地心固定坐标系。地心固定坐标系的示意图如图15-1所示。;;　　惯性坐标系对于描述各种空间飞行器的运行状态非常方便,事实上,卫星及其他飞行器的运动理论就是根据牛顿运动规律在惯性坐标系中建立起来的。惯性坐标系在空间保持静止或做匀速直线运动,要严格满足这种条件实际上是非常难的,因此惯性坐标系一般通过观察星座近似定义。;　　物体的坐标在不同的坐标系中有不同的表示,通过坐标平移、旋转和尺度变换等方法,其空间位置向量可以转换为另一坐标系中的位置向量。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,因此常用协议坐标系作为统一的参考。地球固定坐标系和惯性坐标系都有相应的协议坐标系,即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。;　　1. 协议地球坐标系　　卫星导航系统中采用的地球坐标系是如图15-1所示的地心固定坐标系。　　2. 椭球与坐标系　　用户在空间的位置或者说用户在地面上或地球上空的位置,通常用地理坐标(经度、纬度、高度)来表示。　　;　　假想一个无潮汐、无温差、无风、无盐的海面,海水渗透到陆地每一处,海面海水的分布仅由地球重力场决定,这样海水的分布面实际上就是地球重力场的等位面,称为大地水准面。考虑到地球形状的不规则和地球质量分布的不均匀,大地水准面不是平滑的球面,而是一个不规则的球面,