第一章 GPS 原理及应用概论

1. 第一章 GPS原理及应用概论

2. 一、早期的卫星定位技术 常规测量无法实现远距离的联测定位以及实时定位，因此引发了人们采用新的技术。1966－1972年，美国出现了卫星大地测量技术。 早期的卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的。仅仅将卫星作为空间测量目标，后来发展到了把卫星作为动态已知点的高级阶段。

3. （1） 卫星摄影测量－－卫星测向三角网 在AB两点同时观测卫星S1的方向r1和r2， 在AB两点同时观测卫星S2的方向r3和r4， 观测的方向用天球坐标（α，δ）表示， 计算地面AB的方向rAB：AB=n1 x n2，n1=r1 x r2，n2=r3 x r4根据AB和AC的方向计算出角度BAC（用点积乘夹角余弦）

4. (2) 卫星激光测距(SCR) (Satellite Laser Ranging) 在ABC三个已知点上同时测定至卫星S1的三个距离，可以计算出S1的空间坐标；同理可测定S2、S3的坐标。在未知点D上和ABC三点同步观测卫星S1、S2、S3的距离值，同样可以计算出D点的坐标。测距及相对定位精度可达厘米级。仪器构成：激光发射、接收望远镜，卫星跟踪望远镜，光电转换器件，计数器，驱动机构，控制部分等。测程： 50M~8000KM测距精度：厘米级

5. (3) 甚长基线干涉测量(VLBI) (Very Long Baseline Radio Interferometry) 在相距一定距离的两个测站点上分别安置射电仪，描准宇宙中同一射电源，同步接收射电源发射的电磁波，经事后处理，计算出两测站之间的空间距离。 测程：可达数千KM测距精度：厘米级 天线直径：几十CM~数KM

6. (4) 子午卫星导航系统(NNSS) (Navy Navigation Satellite System) 子午卫星导航系统组成：卫星网、监测站、接收机。 卫星网共六颗子午卫星分别在六个轨道面上并都通过地球南北极，卫星平均高度1070KM。 定位精度：单点定位几十M，联测定位0.5~1M。 全天侯观测，事后处理。

7. 子午卫星导航系统的局限性 (1) 卫星少，不能实时定位 。子午卫星导线系统一般采用6颗卫星。两次卫星通过的时间间隔约为0.8~1.6小时。(2) 轨道低，难以精密定轨。子午卫星飞行高度平均为1070KM，运动速度快，定轨精度低。(3) 频率低，难以补偿电离层效应的影响。子午卫星的射电频率分别为400MHz和150MHz。难以削弱电离层效应的高阶项影响 。

8. 二、GPS技术 1973年批准研制GPS系统；1974~1993先后经历了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段。论证阶段发射了11颗卫星，试验阶段发射了第三代GPS卫星。GPS卫星星座24颗卫星，卫星轨道面个数6个，卫星高度20200KM，轨道倾角55度，运行周期11小时58分，载波频率为1575和1227MHZ，GPS卫星在轨重量为843.68KG，设计寿命七年半。

9. GPS技术的特点 （1）观测站之间无需通视。 既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。 不过为了使接收GPS卫星的信号不受干扰，必须保持观测站的上空开阔（净空）。

10. ●定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1~2×10-6，而在100km~500km的基线上可达10-6 ~ 10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度可达到或优于10-8。 ●观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1~3小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。

11. ●提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。●提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。

12. ●操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻，体积较小，因此携带和搬运都很方便。 ●全天侯作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。

13. 三 GPS系统组成 GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。

14. （1）地面监控部分 每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准――GPS时间系统。

15. 地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成；地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成；

16. 监控站的作用： 监控站是无人值守的数据采集中心，其位置经精密测定；主要设备包括1台双频接收机，1台高精度原子钟，1台电子计算机和若干台环境数据传感器。 作用如下： • 利用接收机求出卫星相对其原子钟的伪距和伪距差 • 利用原子钟获得时间标准 • 利用环境传感器得到当地的气象数据 • 然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态传给主控站；

17. 主控站的作用 主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算和传播设备，作用如下： 1：收集数据：收集各监测站获得的伪距和伪距差观测值，卫星时钟、气象参数和工作状态等； 2：数据处理：根据收集到的数据计算各卫星的星历，时钟改正，卫星状态和大气传播改正。并将这些数据按照一定格式编成导航电文，并及时将导航电文传给注入站。导航电文的作用即在于获得卫星的坐标； 3：时间协调： 各测站和GPS卫星的原子钟均应与 监控站的原子钟同步，或测出其间的钟差； 4：控制卫星：修正卫星的运行轨道，调用备用卫星更换失效卫星；

18. 注入站的作用 注入站是无人值守的工作站，设有3.66m的抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机； 其作用是将主控站编制的导航电文等资料以既定的方式注入到卫星存储器钟，供卫星向用户发射。

19. 地面监控系统的工作程序为： • 由监测站连续接收GPS卫星信号，不断积累测距数据，并将这些测距数据以及气象数据、卫星状态数据等 发送到主控站； • 主控站对测距数据进行包括电离层、对流层、相对论效应、天线相位中心的偏移以及地球自转和时钟改正等的传播时间延迟改正，并用卡尔曼滤波器进行连续数据平滑及最小二乘与多项式拟合，以提供卫星的位置和速度的六个轨道根数的摄动，每个卫星的三个太阳压力常数、卫星的时钟偏差； • 最后注入站将主控站的导航电文注入到卫星的存储器中。

20. （2） GPS卫星 GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发出的导航电文，实时的计算出测站的三维坐标位置，甚至三维速度和时间。

21. GPS卫星的主要作用如下： • 接收地面注入站发送的导航电文和其他信号； • 接收地面主控站的命令，修正其在轨运行偏差及启用备用设备等； • 连续地向用户发送GPS卫星导航定位信号，并用电文的形式提供卫星的现势位置与其他在轨卫星的概略位置； • GPS卫星关键在于卫星的寿命要长，时间精度要高；

22. （3）GPS接收机 早期的GPS接收机一般有硬件和软件两大部分，其中硬件又包括：主机、电源和天线三个部分；

23. GPS接收机 按照用途分有：导航型、测地型和授时型 按照携带形式分有：手持式、车载式等 按照载波频率分有：单频接收机和双频接收机 按照工作原理分有：码接收机和无码接收机

25. 四 GPS现代化计划(以下部分为阅读材料，不要求掌握。） 1.GPS卫星现代化的提出和内涵 GPS现代化的提法是1999年1月25日美国副总统戈尔以文告的形式发表的。文告只提出了几项民用GPS导航技术的改进和发展，但其整个GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。随后美国军方和波音公司（GPS系统主要制造商）发表的文章都阐明了他的内涵：一是保护，即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；二是阻止：即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；三是保持，即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。    目前在轨道上的29颗卫星运行正常。其中的26颗都是属于GPS BLOCK ⅡA型，预计可以再正常运行2年，至2002年初，即由原计划的5年寿命延长到10.6年，而其中的两颗BLOCK ⅡR型号的GPS卫星正在轨道上正常运行，其中的一颗是1999年10月7日才发射的。    最新型的BLOCK ⅡF已有六颗进入了工厂生产线，并已经发射了一颗。

26. 2.GPS现代化计划中的军事部分 •   美国提出GPS现代化的基本目的是满足和适应21世纪美国国防现代化发展的需要，这是GPS现代化中第一位的，根本的。GPS现代化是为了更好地支持和保障军事行动。 美国军事用户对GPS的需求大体有以下4个主要方面。 • 在今后“信息战”“电子战”的背景下，GPS必须要有更好的抗电子干扰能力； • 要有安全的GPS使用范围，这包括两方面的含义，一是GPS用户能安全使用，二是对不同类型GPS用户要有不同使用范围，要区别对待； • GPS用户要有更短的首次初始化时间； • 和其他军事导航系统和各类武器装备要相互配适。

27. 3.GPS现代化计划中的军事部分 • 使用美国GPS精码P（Y）的除美国军方以外，目前美国军方授权所在国家和地区的军方使用的有27个。其中主要是北约国家的军方，在授权亚太地区军方使用的国家和地区主要有：韩国、中国台湾、日本、新加坡、沙特阿拉伯、科威特、泰国等。GPS除了在各类运载器（包括载人和火器）的导航和定位方面发挥了巨大作用外，在对战斗人员的支持和援助中发挥了关键性作用。 在军事用户需求调查的基础上，美国军方作出以下4项GPS现代化的响应技术措施。 • 增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。 • 在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），与民用码分开。M码有更好的抗破译的保密和安全性能。 • 军用接受设备比民用设备有更好的保护装置，抗干扰能力和快速初始化功能更强。 • 创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。

28. 4.GPS现代化计划中的民用部分 • 为更好地满足民用导航、定位、大气探测等方面的需求，美方认为大体有以下5个主要方面。 • 改善民用导航和定位的精度； • 扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性； • 提高导航的安全性（integrity),如增强信号功率,增加导航信号和频道； • 保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位； • 注意和现有的和将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容。

29. 4.GPS现代化计划中的民用部分 • 基于上述需求，美方拟采取的措施有： • 在一年一度评估的基础上，决定是否将SA信号强度降为零。停止SA的播放，将使民用实时定位和导航的精度提高3—5倍。这已开始实行。这里要说明一点，美国军方已经掌握了GPS施加SA的技术，即GPS可以在局部区域内增加SA信号强度，使敌对方利用GPS时严重降低定位精度，无法用于军事行动。 • 在L2频道上增加第二民用码，即CA码。这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正。 • 增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。

30. 5. GPS现代化计划的进程安排   （1）GPS现代化第一阶段    发射12颗改进型的GPS BLOCK ⅡR型卫星，它们具有一些新的功能。使其能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；ⅡR型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。

31. 5. GPS现代化计划的进程安排 • （2）GPS现代化第二阶段     发射6颗GPS BLOCK ⅡF。GPS BLOCK ⅡF型卫星除了有上面提到的GPS BLOCK ⅡR型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。GPS ⅡF型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗 ⅡF型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以ⅡF卫星运行，共计24+3颗。

32. 5. GPS现代化计划的进程安排 • （3）GPS现代化计划的第三阶段    发射GPS BLOCK Ⅲ 型卫星，在2003年前完成代号为GPS Ⅲ的 GPS完全现代化计划设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPS Ⅲ 型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPS Ⅲ 的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPS Ⅲ 计划，取代目前的GPS Ⅱ。

33. GLONASS卫星导航系统 • 本世纪70年代，作为对美国宣布建立和发展GPS的反应，前苏联国防部构想了GLONASS。1993年，俄罗斯政府正式将GLONASS交由俄空军（VKS）负责。VKS负责GLONASS的航天器部署及在轨维护，并通过科学信息中心将GLONASS的信息传播给公众。在80年代，GLONASS的信息鲜为人知，除了卫星轨道的一般特征和传送导航信息的频率之外，前苏联国防部未披露任何其它信息。然而，Leeds大学的Peter Daly教授和它的研究生们经过努力，侦察出了GLONASS卫星信号结构的一些细节。随着前苏联的解体，俄罗斯解密了界面控制文件（the Interface Control Document：ICD）。ICD描述了系统及其组成，信号结构以及供民用的导航信息。1995年11月4日在加拿大蒙特利尔国际民用航空组织第二次会议上，俄罗斯将其最新版本的ICD交给大会的导航卫星系统讨论组。自此，有关GLONASS的信息越来越明朗。

34. 参数 GPS GLONASS 卫星（Satellite） 卫星数 21+3 21+3 轨道平面上卫星个数 4 (不均匀分布) 8 (均匀分布) 轨道数 6 3 轨道倾角 55度 64.8度 轨道半轴 26560km 25510km GPS与GLONASS的特征对比

35. 运行周期 11小时58分钟 11小时15分钟 地面跟踪重复周期 1个恒星日 8个恒星日 信号（Signal） 码速率(Code rate) (MHz) P码 : 10.23 C/A码: 1.023 P码 : 5.11 C/A码: 0.511 码元宽度(Code width) (米) P码: 29.3 C/A码: 293 P码: 58.7 C/A码: 587 码长度(Code length) (bits) P码: 6.1871041012 C/A码: 1023 P码: 5.11106 C/A码: 511 主帧电文重复率 12.5分钟 2.5分钟 P码保密 有 无 信号区分法 CDMA(码分多址) FDMA(频分多址) 载波频率(Carrier frequencies) （MHz） L1: 1575.42 L2: 1227.60 L1: 1602+0.5625k L2: 1246+0.4375k (1<k<24) 参考系 时间参考系 UTC（USNO） UTC（SU） 坐标系 WGS84 PZ90

36. GPS/GLONASS接收机 • ①用户可同时接收的可见卫星的数目约增加一倍，因而可以明显改善观测卫星的几何配置，提高定位的精度； • ②利用两个独立的卫星定位系统，可大为提高导航的可靠性与安全性； • ③由于可见卫星数目增加，可能在一些卫星被遮挡的情况下，能进行正常的导航和测量，这对于城市测量与城市交通管理与监控极为重要； • ④可有效地削弱美、俄两国对各自定位系统的可能限制，保障用户利用导航系统的安全性与可靠性；

37. “伽利略”卫星导航计划 　目前世界上已有的两大卫星导航定位系统在运行：一是美国的全球定位系统（GPS），二是俄罗斯的“格鲁纳斯”（GLONASS）。但是这两个系统受到美、俄两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证。长期以来欧洲只能在美、俄的授权下从事接收机制造、导航服务等从属性的工作。科索沃战争时，欧洲完全依赖美国的全球定位系统。当这个系统出于军事目的而停止运作时，一些欧洲企业的许多事务被迫中断。为了能在卫星导航领域中占有一席之地，欧洲认识到建立拥有自主知识产权的卫星导航系统的重要性。同时在欧洲一体化的进程中，建立欧洲自主的卫星导航系统将会全面加强欧盟诸成员国间的联系和合作。在这种背景下，欧盟决定启动一个军民两用的与现有的卫星导航系统相兼容的全球卫星导航计划———“伽利略”（GALILEO）计划。

38. 　　欧盟在1999年2月首次提出“伽利略”计划。计划分成四个阶段：论证阶段，时间为2000年；系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年；星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；运营阶段，从2008年开始。2000年度的论证工作为“伽利略”计划勾画出一个轮廓。论证报告指出，计划投入32.5亿欧元的资金，服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个方面。　　欧盟在1999年2月首次提出“伽利略”计划。计划分成四个阶段：论证阶段，时间为2000年；系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年；星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；运营阶段，从2008年开始。2000年度的论证工作为“伽利略”计划勾画出一个轮廓。论证报告指出，计划投入32.5亿欧元的资金，服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个方面。

39. 　 “伽利略”系统的基本结构包括星座与地面设施、服务中心、用户接收机等。卫星星座将由30颗卫星组成，卫星采用中等地球轨道，卫星均匀地分布在高度约为2.3万公里的三个轨道面上。每颗卫星都将搭载导航载荷和一台搜救转发器。每次发射将会把5或6颗卫星同时送入轨道。地面控制设施包括卫星控制中心（用于卫星轨道改正的遥感和遥测中心）和提供各项服务所必需的地面设施。地面控制设施管理卫星星座及测定和播送集成信息。系统使用4个载频向全球播发5种导航信号，这些导航信号支持开放、商用、生命安全和政府管理和搜救服务。系统还划分为8个区域部分，用来发送针对各自区域的集成信息。每个区域部分的耗费将由所在区域来负担。

40. 区域部分将由一个用于监测信号集成信息的测站网和一个数据处理中心组成。它能满足例如机场、港口、铁路、公路、人口和工业密集区等处的不同要求，其定位为精度好于1米。典型功能是信号中继包括信号集成信息的监测、数据处理和传输。向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通讯网或通过航海导航系统等。系统通过服务中心向用户提供接口，存储和发布信息，支持开发应用。种类齐全的“伽利略”接收机不仅可以接收本系统信号，而且可以接收GPS、“格鲁纳斯”这两大系统的信号，并且实现导航功能和移动电话功能的结合，与其他飞行导航系统的结合。区域部分将由一个用于监测信号集成信息的测站网和一个数据处理中心组成。它能满足例如机场、港口、铁路、公路、人口和工业密集区等处的不同要求，其定位为精度好于1米。典型功能是信号中继包括信号集成信息的监测、数据处理和传输。向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通讯网或通过航海导航系统等。系统通过服务中心向用户提供接口，存储和发布信息，支持开发应用。种类齐全的“伽利略”接收机不仅可以接收本系统信号，而且可以接收GPS、“格鲁纳斯”这两大系统的信号，并且实现导航功能和移动电话功能的结合，与其他飞行导航系统的结合。

41. 中国北斗导航定位系统 • 3颗地球同步卫星 • 快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务 • 简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。 • 精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步,可提供数十纳秒级的时间同步精度 • 正在建设中的北斗二代