GPS作业

第一章 导航定位系统简介

1、 当前的卫星导航系统有哪些？我国的北斗卫星导航定位系统的发展和规划如何？

答：① GPS ② GLONASS ③ GALILEO定位系统 ④ 日本“准天顶”卫星系统 ⑤ 印度IRNSS系统 ⑥ 北斗卫星导航定位系统（COMPASS）

北斗发展与规划：我国的北斗卫星导航定位系统（20世纪80年代提出）——双星快速定位系统。 北斗一代：2000年10月31日和12月21日两颗实验卫星成功发射升空，标志着我国已建立起第

一代独立自主导航定位系统；2003年5月25日第三颗“北斗一号”卫星发射成功，与前两颗工作卫星组成了一个完整的卫星导航系统。

北斗二代：2007年4月15日凌晨4时10分“北斗二号”试验卫星成功发射；2009年4月15日

零时16分第2颗导航卫星成功进入预定轨道；2010年1月17日零时12分第三颗“北斗”成功送入预定轨道；北斗二代局域导航卫星系统预期在2012年前建成，届时北斗二代在轨卫星数量应有12颗。

北斗三代：即北斗全球导航卫星系统，估计在2020年建成，届时北斗三代在轨工作卫星数量应该

有30颗左右。

北斗卫星导航定位系统建设按照“先区域、后全球”的总体思路分步实施，采取“三步走”的发展战略：

第一步：2000年初步建成北斗卫星导航试验系统；

第二步：2012年北斗卫星导航（区域）系统将为中国及周边地区提供服务； 第三步：2020年全面建成北斗卫星导航系统。

2、 北斗卫星导航定位系统的坐标系统和时间系统是如何定义的？

答： 坐标系统：2000中国大地坐标系（简称CGCS2000），参考历元为2000.0

原点在地心，Z轴为国际地球旋转局（IERS）参考极（IRP）方向，X轴为IERS的参

考子午面（IRM）与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。

时间系统：北斗时间系统，简称北斗时（BDT），是一个连续的时间系统，长取国际单位制SI

秒，起始历元为2006年1月1日0时0分0秒协调世界时（UTC）。BDT与UTC的偏差保持在100纳秒 内（模1秒）。

2000中国大地坐标系（简称CGCS2000）：

原点：包括海洋和大气的整个地球的质量中心，即地心； Z轴：由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向；

X轴：由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点； Y轴：与Z轴、X轴构成右手正交坐标系； 尺度：采用广义相对论意义下的尺度。 地球椭球参数：长半轴 a=6378137.0 扁率 f=1/298.257222101

地心引力常数 GM=3.986004418×10 自转角速度 ?=7.292115×10

-514ms

3-2

rad /s

3、 何谓惯性导航系统？其核心设备有哪些？有哪些优缺点？

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答：惯性导航系统（INS——inertial navigation system）的定义：

① 应用高精度的陀螺仪和加速度计等惯性敏感器件测量运动载体的加速度，再经过计算机解

算出运动载体的加速度、位置、姿态和航向等导航参数的自主式导航系统。

② 惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。 ③ 它不需要外部参考系，常被用在飞机、潜艇、导弹和各种航天器上。

其原理是：惯性导航系统属于一种推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运载体

航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。

核心设备：陀螺仪、加速度计

主要优点：① 由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性

好，也不受外界电磁干扰的影响；

② 可全天候、全球、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下； ③ 能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低； ④ 数据更新率高、短期精度和稳定性好。

缺点： ① 由于导航信息经过积分产生，定位误差随时间而增大，长期精度差； ② 每次使用之前需要较长的初始对准时间； ③ 设备的价格较昂贵；

④ 不能给出时间信息。

4、 何为惯性技术？

答：惯性技术是对载体进行导航的关键技术之一，是利用惯性原理或其它有关原理，自主测量和控制

运载体运动过程的技术，它是惯性导航、惯性制导、惯性测量和惯性敏感器技术的总称。

5、 何为虚拟参考站技术？

答：虚拟参考站技术就是利用各基准站的坐标和实时观测数据解算该区域实时误差模型，然后用一定

的数学模型和流动站概略坐标，模拟出一个临近流动站的虚拟参考站的观测数据，建立观测方程，解算虚拟参考站到流动站间这一超短基线。

6、 何为GNSS CORS 系统？由哪几部分组成？有何作用？

答： 全球导航卫星系统(GNSS)连续运行站（Continous Operating Reference Station）系统是指在一

定地域内建立若干个GNSS固定的连续运行站（CORS）,并通过数据通讯网络将这些CORS的观测数据传送至一个或多个数据处理和监测中心，以集中进行数据处理和监控，然后通过通讯网络，以这些已经数据处理的GNSS的信息为基础，根据用户需求，提供服务。这种以连续运行站网为核心、通讯网络为骨干、以用户需求为服务目标、以用户接收点为终端的集成系统，就是通常称其为全球导航卫星连续运行站网系统或简称GNSS CORS系统。 组成部分：① 基准站：由若干个分布合理的GNSS CORS组成；

② 数据传输系统：基准站的GNSS数据通过有线或无线网络传输至数据处理和监控

中心；

③ 数据处理和监控中心：接收基准的数据，进行数据处理和监控，形成为用户服务

所需要的数据；

④ 面向用户的数据发播系统：

这一系统包含了多种手段：因特网，主要用于需要精密定位、精密定时、电离层延迟参数、对流层延迟参数等用户的数据发送；UHF/VH电台和FM电台的副载波，用户密度高的地区，这类电台可发送局域GNSS差分导航数据、局域RTK定位数据、GNSS气象数据、GNSS电离层数据、GNSS视频数据等，与全国联网的条件成熟后，也可发射广域GNSS差分导航数据。

作用： ① 为用户提供导航、定位、授时、测速、测向、测行变、降雨和电离层探测等服务，

以满足国土资源管理、环境监测、基础测绘、工程测量、精细农业、气象预报、交通管理等部门的工作需求。

② 建立GPS综合服务系统是区域和城市社会经济发展的需要，是区域和城市现代化资源和环境管理、规划和建设的需要。对加速区域和城市实现“数字区域”和“数字城市”具有重要意义与价值。

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第二章 卫星在轨位置的计算

1、 名词解释：恒星时、世界时、原子时、协调世界时（UTC）、儒略日、约化儒略日、

年积日、GPS时

① 恒星时ST： 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。 ② 平太阳时MT：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间。 ③ 世界时UT：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。 ④ 原子时IAT：是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。

⑤ 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。 ⑥ 儒略日：（Julian day，JD）是指由公元前4713年1月1日，协调世界时中午12时（格林尼治平

子午）开始（起算到某天格林尼治平子午）所经过的天数。

【儒略日的起点订在公元前4713年（天文学上记为 -4712 年）1月1日格林威治时间平午（世界时12:00），

即JD 0 指定为 4713 B.C. 1月1日12:00 UT到4713 B.C. 1月2日12:00 UT的24小时。每一天赋予了一个唯一的数字，顺数而下，如：1996年1月1日12:00:00的儒略日是2450084。这个日期是考虑了太阳、月亮的运行周期，以及当时收税的间隔而订出来的。Joseph Scliger定义儒略周期为7980年，是因28、19、15的最小公倍数为28×19×15=7980。其中：

28年为一太阳周期(solar cycle)，经过一太阳周期，则星期的日序与月的日序会重复。

19年为一太阴周期，或称默冬章(Metonic cycle)，因235朔望月=19回归年，经过一太阴周期则阴历月

年的日序重复。

15年为一小纪(indiction cycle)，此为罗马皇帝君士坦丁（Constantine）所颁，每15年评定财产价值以

供课税，成为古罗马用的一个纪元单位，

故以7980年为一儒略周期，而所选的起点公元前4713年，则是这三个循环周期同时开始的最近年份。】

⑦ 约化儒略日：由于儒略日数字位数太多，国际天文学联合会于1973年采用简化儒略日（MJD），其

定义为：MJD = JD - 2400000.5

【 MJD相应的起点是1858年11月17日世界时0时】

⑧ 年积日：从当年1月1日开始的天数。

常用于GPS测量观测计时,第一天测的GPS数据就是仪器标识号+年积日号+当天的时段号。 ⑨ GPS时：用从1980年1月6日0时开始起算的周数加上周内时间的秒数来表示。

GPS周：零点定义的为：1980年1月5日夜晚与1980年1月6日凌晨之间0点。 每1024周（即7168天）为一循环周期。 GPS秒：起算点是周日的零点。

2、 时间换算：

⑴ 由日历时间转换到儒略日的步骤；

⑵ 由（约化）儒略日JD00转换到日历时间的步骤；

① 计算1980年1月6日0时的约化儒略日JD01 ② 计算JD00与JD01的差值（结果+1）JD02 ③ 计算差值的年月日的数量（含闰年） ④ 转换到日历时间

例：①约化儒略日为56028.5 日历时间为：2102.04.11、12时以后 ②约化儒略日为56474.0 日历时间为：2013.06.31 例：①2010.02.18 年积日：49 儒略日：55245.0+2400000.5 ②2012.04.11/15 年积日：102 儒略日：56028.5+2400000.5 ⑶ 年积日转换到儒略日的步骤；

① 计算出当年1月1日的儒略日JD1 ② 计算该时间的年积日JD2 ③ 年积日JD2+JD1－1得儒略日

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⑷ 由GPS时间转换到日历时间的步骤；

① 由GPS时——儒略日 ② 儒略日——日历时间

例： ⑸ 由2010.03.25/11:12:35计算GPS时间的基本步骤。

3、 我国的2000国家大地坐标系是如何定义的？

答：2000国家大地坐标系（简称CGCS2000）参考历元为2000.0

定义为：原点在地心，Z轴为国际地球旋转局（IERS）参考极（IRP）方向，X轴为IERS的参考子

午面（IRM）与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。

4、 试述采用广播星历计算卫星瞬时坐标的基本步骤。 答：

① 计算卫星运行的平均角速度n

根据开普勒第三定律，卫星运行的平均角速度n0可以用下式计算：

n0?GM/a3??(a)3?4?11?

式中μ为WGS-84坐标系中的地球引力常数，且μ=3.986005×1014m3/s2。平均角速度n0加上卫星电文给出的摄动改正数Δn，便得到卫星运行的平均角速度n

n=n0+Δn (4-12)

② 计算归化时间tk

首先对观测时刻t′作卫星钟差改正

t=t′-Δt

?t?a0?a1(t'?toc)?a2(t'?toc)2

然后对观测时刻t归化到GPS时系

tk=t-toc (4-13)

式中tk称作相对于参考时刻toe的归化时间（读者注意：toc≠toe）。 ③ 观测时刻卫星平近点角Mk的计算

Mk=M0+ntk (4-14) 式中M0是卫星电文给出的参考时刻toe的平近点角。 ④ 计算偏近点角Ek

Ek=Mk+esinEk(Ek,Mk以弧度计) （4-15）

上述方程可用迭代法进行解算，即先令Ek=Mk,代入上式，求出Ek再代入上式计算，因为GPS卫星轨道的偏心率e很小，因此收敛快，只需迭代计算两次便可求得偏近点角Ek。 ⑤ 真近点角Vk的计算

4

由于:cosVk?(cosEk?e)(1?ecosEk)2sinVk?arctg?1?e?sinEk(cosEk?e)??????4?16?

?4?17?

因此:

Vk?arctg???(1?e)?sinEk2(cosEk?e)????4?18?

⑥ 升交距角Φk的计算

?k?Vk??(4?19)

ω为卫星电文给出的近地点角距。 ⑦ 摄动改正项δu,δr,δi的计算

?u?Cuc?cos(2?k)?Cus?sin(2?k)??rr?Crc?cos(2?k)?Crs?sin(2?k)??ri?Cic?cos(2?k)?Cis?sin(2?k)???(4?20)

δu,δr,δi分别为升交距角u的摄动量，卫星矢径r的摄动量和轨道倾角i的摄动量。 ⑧ 计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik

uk??k??u??rk?a(1?ecosEk)??r??ik?i0??i?Itk?(4?21)

⑨ 计算卫星在轨道平面坐标系的坐标

卫星在轨道平面直角坐标系（X轴指向升交点）中的坐标为

xk?rkcosuk??yk?rksinuk?(4?22)

⑩ 观测时刻升交点经度Ωk的计算

升交点经度Ωk等于观测时刻升交点赤经Ω（春分点和升交点之间的角距）与格林泥治视恒星时GAST（春分点和格林尼治起始子午线之间的角距）之差，

Ωk=Ω-GAST （4-23） 又因为:

????oe??tk (4-24)

其中Ωoe为参与时刻toe的升交点的赤经；

?是升交点赤经的变化率，卫星电文每小时更新一次Ω和t?oe。

此外，卫星电文中提供了一周的开始时刻tw的格林尼治视恒星时GASTw。由于地球自转作用，

GAST不断增加，所以:

GAST=GASTw+ωet （4-25）

式中ωe=7.29211567×10-5rad/s为地球自转的速率；t为观测时刻。 由式（4-24）和（4-25），得:

?k??oe?GASTw??et(4-26)??k

(4-27)由（4-13）式，得: ???0?(???e)tk??etoe

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