GPS导航系统的工作原理详解

GPS导航系统的常用雷达格式有哪些

GPS导航系统的基本原理:是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。 

卫星轨道资源十分拥挤。卫星受到地面发射源的干扰越来越多，这些干扰给正常的卫星广播和通信业务带来了巨大的威胁，甚至产生了无法估量的社会影响。为了保证卫星的通信安全，2 0 0 2 年国家无线电监测中心引进了美国T L S 公司生产的TLS2000卫星定位系统，使我国具有了对静止轨道卫星的发射源进行定位的能力。

TLS2000定位系统在对卫星的上行发射源进行定位时需要有一个位置及频率合适的卫星给予配合，同时对该卫星的星历也有很高的要求(定位的精度和可靠性依赖于卫星星历的精度)。 目前，卫星星历的来源是美国的celestrak.com 网站，近期该网站声称由于涉及到美国国家安全的一些问题，将关闭该网站。因此，建立自己的卫星星历生成系统刻不容缓。

另一方面，卫星监测的目的之一是核实卫星的在轨情况，通过卫星星历可以掌握卫星是否在合法的轨位范围内运行。从卫星信号监测的角度考虑，建立卫星星历生成系统也是很必要的。

1 卫星星历格式及经典轨道参数

在卫星干扰源定位系统中，我们采用的星历格式为双行根数星历即指Two-Line Element，是北美联合防空司令部(NORAD)、美国航天司令部(U S S C )以及美国宇航局(NASA)普遍采用的一种星历格式，在他们的相关网站上提供有定时更新的双行根数卫星星历数据库。

根据开普勒定律：卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合；卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等；卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量。由此可知，人造地球卫星在空间的位置可以用几个特定数据来确定，这些数据就是轨道要素也可以称为轨道参数。在双行根数星历中就包含着人造地球卫星的最重要的6 个轨道参数。

(1)a—— 轨道半长轴：轨道长轴的一半，可说明轨道的大小；

(2)e—— 轨道偏心率：椭圆轨道两焦点间的距离与长轴的比值，可说明轨道的形状；

(3)i —— 轨道平面倾角：卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角，为IJK 坐标系(地心惯性坐标系)的坐标单位矢量K 与卫星动量矩；

(4)—— 升交点赤经：卫星由南半球飞往北半球时，轨道与赤道平面相交的那一点称为升交点；赤道上另一对称点称为降交点。从春分点量起逆时针方向到升交点的经度http://www.chong123.cn叫升交点赤径，为IJK 坐标系基本平面(赤道平面)内坐标单位矢量I 与交点线之间的夹角，从上往下看逆时针；

(5)—— 近地点幅角，也称近地点角距：轨道平面上，地心与升交点的连线与地心和近地点的连线之间的夹角，为卫星轨道平面内交点线矢量与近地点方向(方向)之间的夹角，由升交点向卫星运动的方向计量；

(6)—— 过近地点的时刻，即卫星通过近地点的时间：指轨道平面上卫星运动的起量点，为时间的函数，以年月日时分秒来表示，确定卫星在轨道上的瞬间位置。

在明确了6 个轨道参数的含义后，我们就需要研究各参数之间的数学关系，搞清楚它们如何确定卫星轨道。对于人造地球卫星轨道而言，是一个由地心指向近地点方向的矢量。该矢量的模，就是我们所说的轨道偏心率。轨道偏心率e 为半焦点距c 与半长轴a 的比值，是一个无量纲数。轨道半长轴a 说明轨道的大小。在实际应用中也常以平均运动来代替a 作为一个经典轨道要素。过近地点时刻τ是一个确定人造地球卫星某一时刻t 在轨道上位置(真近点角v)的重要参数。它们之间可通过开普勒方程和高斯方程联系起来。在a确定的情况下，可用某一确定时刻t0的M0 来代替τ作为一个轨道要素。

另外，由于非球形地球等摄动因素的存在，卫星实际上不在一个封闭的椭圆轨道上运动。为了便于应用经典的行星椭圆轨道理论研究人造地球卫星轨道，航天动力学中常把人造地球卫星的运动当作椭圆运动。将卫星实际轨道上的每一点都看作是某一椭圆上的点，但这些椭圆的大小、形状、近地点方向及椭圆平面在空间的位置、方向各不相同。这种在实际轨道上某一点的椭圆轨道，通常称为密切轨道。卫星在该点的速度与卫星在密切轨道上这一点的速度相等；该点称为给定时刻实际轨道与密切轨道的切点。我们所说的卫星经典轨道参数，实际上是指某一给定时刻密切轨道的经典轨道参数，这一时刻t 0 称为历元(时间尺度上的一定点)。

2 目前实际采用的卫星定轨手段及其理论依据

利用对人造地球卫星的外弹道测量数据或遥测数据中的自主导航数据，计算某一时刻(称为历元)一组轨道要素的过程叫做人造地球卫星的轨道确定。严格地讲，整个轨道确定过程应包括测量数据预处理、初始轨道确定、轨道微分改进等几个环节。

经过调研，目前卫星定轨采用的实际手段主要分成光学测量和无线电测量两大类，其中光学测量主要是利用望远镜、光学经纬仪、高速摄影机、激光测距仪等光学仪器，对卫星进行跟踪测量。

光学测量的主要理论依据就是纯角度观测定轨，这种手段不需要卫星太多的配合，只是观测、记录它的运动情况。在至少保证有3 个不同时刻的观测数据的前提下，即可确定该卫星的轨道。但是由于是光学方法，所以它受卫星的大小和表面反射特性、观测时间、天气的好坏等因素的影响和限制，因此其跟踪的范围有限，不能保证随时需要，随时定轨。加之，用这种方法对地球静止轨道卫星定轨需要很精密的光学观测仪器，这就更增加了它的局限性。

无线电测量是通过地面测控站向卫星发射信号并接收卫星的下行信号，从而计算出卫星的运动参数，通过运动参数确定该卫星的轨道。无线电测量的优点是不受天气影响，可以实现全天候跟踪测量。

常用的卫星无线电测轨系统主要分为单脉冲雷达测轨系统、多普勒测速系统和干涉仪系统。

单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。它每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。单脉冲雷达通常有振幅比较单脉冲雷达和相位比较单脉冲雷达两大类。这种测轨方法有较高的测角精度、分辨率和数据率，但设备比较复杂，机动性差，主要用于低轨卫星的测量。