信号源的运行方向与观测者到信号源初始点的连线成夹角αfr-fs=（v*cosα/c）*fs
子午卫星系统的局限性
一次定位所需时间过长
不是一个连续的、独立的卫星导航系统
GPS的产生、发展及前景
全球定位系统GPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。
根据Wooden1985年所给出的定义：
NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。
GPS的定义：
全球定位系统（GPS）是由美国国防部（DoD）建立的基于卫星的无线电定位、授时、测速系统。
三大功能：
定位测速授时
方案论证（1973-1979）
系统论证——工程研制（1980-1989）
生产实验——生产作业（1990-1999）
GPS现代化（2000-2030）
GPS系统的优点
定位精度高
观测时间短
测站间无须通视
可提供三维坐标
操作简便
全天候作业
功能多、应用广
GPS系统的前景
GPS系统用途广泛
多元化空间资源环境的出现
发展GPS产业
GPS的应用将进入人们的日常生活
§1.2 GPS在各个领域中的应用
GPS在军事中的应用
GPS在交通运输业中的应用
在航空领域中的应用
在车辆导航和管理方面的应用
在水上运输中的应用
GPS在测量领域中的应用
建立和维持全球性的参考框架
建立各级国家平面控制网
布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量
在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用
GPS在其他领域中的应用
在精细农业和林业中的应用
在资源调查、环境监测中的应用
在移动通信中的应用
利用GPS监测电离层延迟
GPS气象学
§1.3 GPS系统组成
空间部分
地面监控部分
用户部分
空间部分
成员：
卫星星座。
作用：
发送信号用于测距和告知自身位置。
GPS卫星
有效载荷：
原子钟，信号生成、发射装置，存储器、处理器
信号：
两个频率的载波L1:
1575.42MHz，L2:
1227.60MHz两种测距码（C/A码和P码）和导航电文
试验卫星：
BlockⅠ
工作卫星：
BlockⅡ
BlockⅡ：
存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力
BlockⅡA（Advanced）：
卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜
BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：
卫星间可相互跟踪相互通讯
BlockⅡF（FollowOn）：
新一代的GPS卫星,增设第三民用频率
GPS卫星星座：
由24颗GPS卫星组成
6个轨道面
轨道高度约20200km，轨道周期11h58min，卫星地面轨迹每天提前4min重复一次
轨道倾角55°
地面监控部分
成员：
主控站、监测站、注入站。
作用：
监控、操纵系统，预报卫星轨道和钟差。
主控站
负责管理、协调各部分的工作
计算、预报卫星轨道和卫星钟改正数
维护GPS星座的正常运行、诊断卫星工作状态、调度卫星
监测站
对视场中的各GPS卫星进行伪距测量
测定气象元素
对伪距观测值进行改正后再进行编辑、平滑和压缩，传送给主控站
注入站
向GPS卫星输入导航电文和其他命令
通信和辅助系统
组成：
地面通信线、海底电缆、卫星通信
作用：
负责数据传输以及提供其他辅助服务
用户部分
成员：
接收机及辅助设备。
作用：
接收信号，用于定位、测速和授时
GPS接收机
定义：
能接收、处理、量测GPS卫星信号以进行导航、定位、定轨、授时等项工作的仪器设备叫做GPS接收机。
组成：
接收天线、信号处理设备、输入输出设备、电源和微处理器
分类：
按用途：
导航型、测量型、授时型
按频率数：
单频、双频
天线单元
天线相位中心的偏差
天线对中时是以几何中心为准的，而测量的却是平均相位中心的位置。
由于天线结构方面的原因，平均相位中心和几何中心往往不重合，两者之差称为平均相位中心偏差。
消除天线相位中心的偏差的影响：
归心改正法、消去法
天线高：
天线平均相位中心至标石中心的垂直距离称为天线高。
接收单元
接收单元由接收通道、存储器、微处理器、输入输出设备及电源等部件组成。
§1.4 美国政府的GPS政策
两种服务
标准定位服务SPS
精度：
利用粗测距码定位，精度约100米
服务对象：
民间普通用户
精密定位服务PPS
精度：
利用精测距码定位，精度约10米
服务对象：
美国军方或美国盟国及得到特许的民间用户
SA政策——选择可用性政策（selectiveavailability,SA）
美国政府为防止未经特许的用户将GPS用于军事目的，人为地将误差引入卫星时钟和卫星星历数据中，故意降低标准定位服务的定位精度。
它是通过两种技术实现的：
ε（epsilon）技术、δ（delta）技术
A-S政策“反电子欺骗”措施（anti-spoofing,A-S）
如果敌方知道卫星信号频率和相位，就可以发射适当频率的干扰信号，使定位信息发生错误。
美国政府为了防止这种干扰信号带来的电子欺骗，采取了反电子欺骗技术。
它是通过对P码进行加密实现的：
引入机密码W码，并将P码与W码进行模二和运算，将P码转换成Y码。
反限制性政策的措施
独立精密地测定GPS卫星轨道
加强GPS差分定位技术的研究与开发
开发GPS/GLONASS兼容接收机
研制、建立独立自主的卫星定位系统
美国政府GPS政策的新变化
美国政府调整GPS政策的原因：
苏美争霸局面不复存在，国际形式变化
GPS产业成为美国经济新的增长点
差分GPS的出现使得SA政策失去意义
无SA政策的GLONASS系统的国际竞争
美国政府做了许多有利于GPS普及推广的工作，SA已于2000年5月2日4时取消
GPS现代化的内容
在L2载波上调制C/A码，增加民用频率
增强卫星信号强度，增强抗干扰能力
增设新的军用码（M码），军民用分开
使用新技术阻止或干扰敌方使用GPS
研制军用接收机
坐标系统和时间系统
§2.1 基本概念
地形面、大地水准面和参考椭球面
1、地形面（Topography）
地球的自然表面
大地测量作业面
2、大地水准面（Geoid）
是一个物理参考面，是地球的一个重力等位面
大地测量野外作业的基准面
3、参考椭球面（ReferenceEllipsoid）
是一个几何或数学参考面，是一个与大地水准面非常接近的旋转椭球面
地球的数学表面,大地测量成果处理的依据面
坐标系的分类
空固系天球参照系
坐标轴相对于宇宙中遥远天体固定不动
地固系地球参照系
随着地球在空间中一同旋转
常用坐标系
1、空间直角坐标系（笛卡儿坐标系）
定义：
坐标轴相互正交的坐标系被称为笛卡儿坐标系。
三维笛卡尔坐标系也被称为空间直角坐标系。
原点：
参考椭球中心
Z轴：
地球自转轴
X轴：
本初子午线与赤道交点
表示方法：
X、Y、Z
特点：
表达简单，但不直观，没有明确的高程概念
2、大地坐标系（椭球坐标系）
定义：
为了明确反映出点与地球之间的空间关系，建立了以大地基准为基础的坐标系称为大地坐标系，或椭球坐标系。
表示方法：
大地经度B、大地纬度L、大地高H
特点：
用大地高（从参考椭球面沿经过该点的法线量测至该点的距离）表示点的高程，但此高程可正可负，没有物理意义
3、站心坐标系
在描述两点间的空间关系时，有时采用一种被称为站心坐标系的坐标系更为方便直观。
分类：
站心直角坐标系、站心级坐标系
表示：
N、E、U（短半轴N、E垂直于NU、天顶U），或R、A、EL（极距R、方位角A、高度角EL）
进行GPS观测时，常常采用GPS卫星相对于测站的高度角、方位角来描述其在空间中的方位
4、平面坐标系（格网坐标系）
在工程测量和地图绘制中，要将球面坐标转换为平面坐标，采用“投影”的方法来实现。
表示方法：
x,y（平面坐标系下的坐标）
投影方法：
等角投影（正形投影）一般采用高斯正形投影
§2.2 天球坐标系
天球、天球坐标系
为了确定卫星、宇宙飞船等在宇宙空间的位置和飞行状态，首先需要确定一个在宇宙空间可视为不变的参考系。
于是，假设以地球的质心为球心，半径无穷大的球存在于宇宙空间，天文学中称之为天球。
1、天球空间直角坐标系
坐标原点：
地心M；
X轴：
指向春分点；
Z轴：
指向北天极；
Y轴：
垂直XMZ轴，并构成右手坐标系。
2、天球球面坐标系
坐标原点：
地心M；
赤经α：
含天轴和春分点的天球子午面与过空间点S的天球子午面之间的夹角；
向径γ：
原点M至空间点S的距离；
赤纬δ：
原点M至空间点S的连线与天球赤道面之间的夹角
岁差和章动、协议天球坐标系
1、岁差和章动
地球自转轴指向在空间不断摆动。
岁差是指由于日月行星引力共同作用的结果，使地球自转轴在空间的方向发生周期性变化。
在日月引力的共同影响下，使北天极绕黄北极以顺时针方向缓慢地旋转，从而使春分点在黄道上每年西移约50.371秒，其漂移周期大约为25800年。
北天极除了均匀地每年西行以外,还要绕着平北天极做周期性的运动。
其运动轨迹为一椭圆。
该椭圆的半径为9.2″，周期为18.6年，这种周期性运动被称为章动。
2、三种天球坐标系
非惯性坐标系
惯性坐标系
协议天球坐标系：
选择某一时刻t作为标准历元（StandardEpoch），此刻的瞬时北天极、瞬时春分点和瞬时天球赤道经该时刻岁差和章动改正后，可构成一个天球坐标系，称为标准历元t的平天球坐标系，也叫协议惯性坐标系（CIS）。
三种天球坐标系的定义与缩写
天球坐标系
原点
Z轴指向
X轴指向
坐标系缩写
瞬时真天球坐标系（ts）
地心
瞬时真北天极
瞬时真春分点
t
瞬时平天球坐标系（Ms）
地心
瞬时平北天极
瞬时平春分点
M
协议天球坐标系（CIS）
地心
标准历元平北天极
标准历元平春分点
I
三种天球坐标系之间的坐标变换
1、协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系
其中：
z表示赤经岁差部分
θ表示赤纬岁差
ζ表示赤经岁差部分
2、瞬时平天球坐标系转换到瞬时真天球坐标系
其中：
ε表示黄赤交角
△ε表示交角章动
△ψ表示黄经章动
§2.3 地球坐标系
地球坐标系
地球表面的GPS接收机的位置是相对于地球而言的，比如，要描述飞机、舰船、地面车辆、大地测量观测站的位置，需要采用固连于地球上随同地球转动的坐标系，即地球坐标系作为参照系。
地球坐标系有两种几何表达形式：
地球直角坐标系、地球大地坐标系。
1、地球直角坐标系
原点：
与地球质心重合
Z轴：
指向地球北极
X轴：
指向地球赤道面和格林尼治子午圈的交点
Y轴：
在赤道平面里与xoz构成右手系
2、地球大地坐标系
地球椭球的中心：
与地球质心重合
椭球短轴：
与地球自转轴重合
大地纬度：
椭球法线与椭球赤道面夹角
大地经度：
椭球子午面与起始子午面夹角
高度：
沿椭球法线至椭球面的距离
极移、协议地球坐标系
1、极移定义：
地极在地球表面的位置随时间的推移会发生变化，这个现象叫做极移
产生原因：
地球并非是一个刚体，地球内部时刻在发生复杂的变化，而且地球的表面也有潮汐作用，地震、火山爆发等现象也会影响到地球形状。
因此，地球自转轴在地球体内的位置也并非固定不变，地极在地球表面的位置随时间的推移会发生变化。
2、协议地球坐标系
产生原因：
每个观测瞬时对应一个瞬时地极，瞬时地极对应一个瞬时坐标系，显然，瞬时坐标系在地球体中的指向时刻发生变化，这对于描述地球表面上某一点的位置显然是很不方便的。
因此，需要找一个真正相对于地球固定的基准点，使地球坐标轴的指向这个固定点，而不再随时间变化。
国际天文学联合会和国际大地测量学协会规定了这个地极基准点，即国际协议原点CIO，协议地极叫做CTP，以此建立的地球坐标系称协议地球坐标系CTS，但它只是一个理论上的定义，要完全实现是不可能的，只能对其进行逼近。
在实际应用中，采用的是国际时间局建立的协议地球坐标系BTS。
随着BTS的不断完善，将会越来越接近于CTS。
由于理论发展水平和技术条件的限制，具体应用要求的不同，以及地球自身内部的变化，不同时期或不同机构所确定的地心、地极、本初子午线、参考椭球都不尽相同，因而据此所定义的地球参照系也不尽相同。
这种情况不利于全球坐标参照系的统一，而且也会给一些全球性的应用造成不便。
为了解决这些问题，建立了协议地球坐标系。
协议地球坐标系定义：
协议地球参照系是一个相对地球固定的地心系，其原点位于地球质心。
Z轴指向协议地球极（CTP–ConventionalTerrestrialPole），CTP是在1900年-1905年期间地极的平均位置
X轴指向协议地球赤道（与CTP垂直）与格林尼治子午圈的交点
Y轴与Z、X轴构成右手系
实现：
协议地球参考框架（CTRF–ConventionalTerrestrialReferenceFrame）是一组具有指定协议地球参照系下精确坐标的物理点，它们是该协议地球参照系的实现
WGS-84
1984年世界大地坐标系统，GPS内部所采用，广播星历基于此系统
ITRS和ITRF
国际大地测量界采用，IGS精密星历基于此系统
§2.4 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
1984年世界大地坐标系
名称：
WorldGeodeticSystem1984–WGS84
建立：
美国国防制图局（DMA，于1996年并入了美国国家影像制图局（NIMA））
20世纪80年代中期建立，1987年取代WGS-72
组成：
一个全球地心参考框架
由美国军方（原来的DMA，现在的NIMA）的一个全球分布的跟踪站网所组成
一组相应的模型
地球重力场模型（EGM–EarthGravitationalModel）
WGS-84大地水准面（WGS-84Geoid）
用途：
GPS系统内部处理与位置有关信息
定义：
Z轴与IERS参考极（IRP–IERSReferencePole）指向相同，该指向与历元1984.0的BIH协议地极（CTP–ConventionsTerrestrialPole）一致；
X轴指向IERS参考子午线（IRM-IERSReferenceMeridian）与通过原点并垂直于Z轴的平面的交点，IRM与在历元1984时的BIH零子午线（BIHZeroMeridian）一致；
Y轴最终完成右手地心地固正交坐标系。
我国大地坐标系
1、1954年北京坐标系
基本情况：
源于前苏联的1942年普尔科夫坐标系。
未根据我国情况，进行椭球定位，由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区的呼玛、吉拉林、东林三个基准网传算。
高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。
基于1954年北京坐标系的我国天文大地网未进行整体平差。
椭球参数：
克拉索夫斯基椭球
存在问题：
椭球参数与现代精确的椭球参数的差异较大，不包含表示地球物理特性的参数
椭球定向不十分明确。
参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常最大达67米。
参考框架未进行全国统一平差。
2、1980年西安大地坐标系
基本情况：
1978年决定对我国天文大地网进行整体平差。
重新选定椭球，并进行定位、定向。
椭球椭球参数及定位、定向：
地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG1975年的推荐值
椭球的短轴由地球质心指向1968.0JYD，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统采用1956年黄海平均海水面为高程起算基准。
特点：
采用多点定位原理建立，理论严密，定义明确。
椭球参数为现代精确的总体球椭球参数。
椭球面与我国大地水准面吻合得较好。
椭球短半轴指向明确。
经过了整体平差，点位精度高。
3、2000年国家大地坐标系
基本情况
原点：
包括海洋和大气在内的整个地球的质心。
长度单位：
米，与局部地心框架下的地心坐标时的时间坐标一致，通过建立适当的相对论模型获得；
定向：
初始定向由1984.0时的BIH（国际时间局）定向给定；
定向的时间演化：
定向的时间演化不产生相对于地壳的残余全球旋转；
定义
CGCS2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。
原点在地心；轴为国际地球自转局（IERS）参考极（IRP）方向，轴为IERS的参考子午面（IRM）与垂直于轴的赤道面的交线，轴与轴和轴构成右手正交坐标系。
椭球参数
长半轴：
地球（包括大气）引力常数：
地球动力形状因子：
地球自转速度：
CGCS2000的实现（三个层次）
第一层次：
连续运行参考站。
由它们构成CGCS2000的基本骨架，其坐标精度为mm级，速度精度为1mm/a。
第二层次：
大地控制网。
包括中国全部领土和领海内的高精度GPS网点，其三维地心坐标精度为cm级，速度精度为2~3mm/a。
第三层次：
天文大地网。
包括经空间网与地面网联合平差的约5万个天文大地点，其大地经纬度误差不超过0.3m，大地高误差不超过0.5m。
§2.5 坐标系转换和基准转换
坐标系转换
空间直角坐标与大地坐标间的转换
空间直角坐标与站心直角坐标间的转换
球面坐标与平面坐标间的转换
横轴墨卡托投影（TransverseMercatorProjection）
通用横轴墨卡托投影（UniversalTransverseMercatorProjection）
横轴墨卡托投影与通用横轴墨卡托投影
基准转换
平移变换
缩放变换
旋转变换
§2.6 时间系统
时间标示法
1、历法（Calendar）
日常生活中最常用的时间标示法
用年、月、日来标示时间
世界各国的历法：
罗马历、儒略历、格里高利历、我国的农历。
目前世界上广泛采用格里高利历。
特点：
符合人们的日常生活习惯。
但不适合直接用于科学计算。
2、儒略日（JD-JulianDate）
是一种采用连续数值标示时间的方法
由在法国出生的JosephJustusScaliger于1583年提出
特点：
特别适合用于科学计算，另外，可以很方便地与其他时间标示法联系起来。
但无法直接反映季节等信息，在日常生活中不太常用。
3、约化儒略日（MJD-ModifiedJulianDate）
为了解决儒略日数值较大的问题，1973年国际天文学联合会提出约化儒略日。
MJD=JD-2400000.5
区别：
约化儒略日所标示的时间数值比儒略日要小。
另外，约化儒略日以子夜为参考，儒略日以正午为参考。
4、GPS时
GPS系统内部所采用的时间系统
零点：
1980年1月5日夜与1980年1月6日晨之间的子夜
最大时间单位为：
周（Week，即604800秒）
时间标示方法：
周数（WN——WeekNumber）+周内时间（TOW——TimeofWeek）
5、年积日（DOY-DayofYear）
从每年的1月1日起开始累计的天数，从1开始计数。
在GPS应用中，年积日标示法通常用来区分观测时段，常用于GPS观测文件的命名。
例如，在RINEX格式中规定：
在数据文件的8个字符主文件名中，第5-7个字符为观测起始时刻的年积日。
仅通过年积日无法确定实际日期，必须结合年份信息。
时间参考系统
时间参考系统包括：
时间原点（起始历元）和时间单位（尺度）
时间参考系统的物理实现必须具有可观测的周期运动，这种周期运动应具备连续性、稳定性、复现性。
1、恒星时、平太阳时、世界时
人类很早就发现地球的自转是一种连续的、比较稳定的周期运动，因此，科学家最先建立的时间系统，就是以地球自转运动为基础的世界时系统。
观察地球的周期运动，必须选定空间的一个静止参考点。
世界时系统中，由于参考点的不同，又有恒星时、平太阳时和世界时
升级会员 