GPS原理与应用第三章 全球卫星定位系统及其应用

1、第3章 全球卫星定位系统及其应用3.1 概 论3.1.1 GPS卫星定位系统的发展六千多年以前，古波利尼西亚人就通过卫星测量地面点与天体的夹角，在推算天体位置的基础上，对远处的点进行导航定位。1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功，不仅为遥感调查地球资源提供最佳平台，而且由于卫星位置可以通过卫星轨道参数计算而得，为卫星定位系统准备了必要的条件。目前世界上广泛采用的卫星定位系统是由美国研制并发射的“卫星授时与测距导航系统”（Navigation by Satellite Timing and Ranging Global Positioning System，NAVSTAR GPS），

2、简称全球定位系统（GPS）。GPS从1973年开始研制，1978年2月发射第一颗试验卫星，到1994年3月发射第24颗工作卫星，1995年宣布达到全运行工作能力，历经20年，耗资300多亿美元。目前GPS已广泛应用于航空、航天、航海、陆上车辆、测绘、勘探、授时等民用领域和各种军用卫星、航天发射器、军用飞机、海面舰船、潜艇、地面军用车辆、步兵、炮兵、导弹阵地、洲际导弹、巡航导弹以及精确制导炸弹等军事领域。世界上第一个卫星导航系统（海军导航卫星系统）出现于1964年1月，它是在美国海军授权下，由霍普金斯应用物理实验室开发，用于美国海军舰队导航与定位的卫星系统。由于该系统的卫星轨道均通过地极，因此常

3、称为“子午卫星系统”。利用该卫星定位系统，不论在地球表面任何地方，在任何气候条件下，一小时内均能测定位置，其定位精度根据观测卫星的次数可高可低（1米500米）。因此该系统被誉为是一种简便可靠的全天候全球导航卫星系统。但是该系统也存在着较大的缺陷，如，卫星数目较少（约五个）而会出现卫星发送的无线电信号的突然间断，观测所需等待卫星出现的时间较长（约35-100分钟），以及高精度定位虽然可以达到1米，但需要40次以上的卫星观测（数天），且需要使用精密星历，等等。这些都不能满足当前实时、动态、精确的定位需要。因此，尽管子午卫星系统目前仍在运行中，美国海军已不再发射新的卫星，美国联邦无线电导航计划中已宣

4、布将终止该系统的研制与应用。1972年，美国海军卫星系统中出现了授时卫星系统，主要用于为地球上的不同点位提供精确时间及时间的转换，同时提供导航信息。在授时卫星系统上，首次采用了原子时钟标准（铷、铯），为GPS的高精度授时系列奠定了基础。随着卫星技术的不断发展，卫星定位越来越受到人们的重视。1973年12月17日，美国国防部批准了建立新的卫星导航定位系统计划，即GPS。1978年第一颗试验卫星发射成功，1994年顺利完成了24颗卫星的布设。该系统不仅集成了以前所有的单用途卫星系统，并且致力于更广泛的用途。据前GPS联合项目组主任Pakison称，最初的设计有两个目标：（1）在GPS定位的帮助下，

5、五发炮弹可以穿过同一洞口，（2）建立廉价的导航设备（低于1万美元）。GPS是美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程，其实施共分三个阶段：（1）方案论证和初步设计阶段，从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行了试验，试验结果令人满意；（2）全面研制和试验阶段，从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，同时研制了各种用途的接收机；（3）实用组网阶段，1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设阶段，到1994年3月第24颗工作卫星发射，实用的GPS网即（213）GPS星座已经建成，今后

6、将根据计划更换失效的卫星。随着GPS定位和授时服务在军民应用中有了巨大的增长，GPS已成为美国信息基础的必备组成部分。为了提高GPS的性能，更好地满足军民用户的需求，同时应对俄罗斯GLONASS和欧洲卫星导航系统计划的竞争，保持美国在卫星导航领域的霸权地位，美国已决定对GPS进行现代化改进。1997年，由美国国防部、交通部、贸易部、农业部以及美国国家航空及航天局（NASA）成立了一个专门小组，收集军民用户的各种需求，确定了GPS系统相对这些需求的不足，提出了提高GPS服务的改进建议。GPS现代化将主要集中于提高GPS 的定位和授时精度、可用性、完好性监测能力以及提高信号的抗干扰能力。GPS现代

7、化的第一个步骤是将于2003年在L2频率上提供民用信号。到时民用GPS用户将可利用L1和L2两个频率校正电离层延时误差。在2005年发射的GPS BLOCK F卫星上将加发第三民用信号，其频率为1176.45MHz。2000年5月1日美国停止了GPS标准定位服务中的选择可用性（Selective Availability，SA）措施，民用用户的定位精度大为提高。在军用方面，GPS现代化可能将通过把军、民用信号频谱分隔开，提高军用信号功率，使用新的伪码和星历等方法，以确保美军及其盟军能够不间断地获得GPS精密定位服务信号。另外，在停止使用SA后，将采用GPS区域性禁用方式以禁止敌方利用GPS服务

8、。GPS信号的现代化改进具有后向兼容性，因此，用户的现有GPS接收机将可以继续使用，但要充分利用GPS新的信号功能，必须购买新的用户设备。3.1.2 GPS系统的组成GPS定位系统由三个部分组成，即（1） GPS卫星（空间部分）；（2） 地面监控系统（地面监控部分）；和（3） GPS接收机（用户部分）。空间部分由24颗卫星组成，目前24颗卫星已经全部在轨。监控部分包括1个主控站、3个注入站和5个监测站，它们主要是收集数据、编算导航电文、诊断状态及调度卫星。用户部分即GPS接收机，主要是接收、跟踪、变换和测量GPS信号，随使用目的不同，用户要求的GPS接收机也各有差异。GPS接收机之所以能进行定

9、位就在于GPS卫星能发射无线电信号，GPS卫星播发两个频率的载波无线电信号：和L2=1227.6 MHz。L1上调制有的粗捕获码（C/A码）、的精码（P码）及每秒50bit的导航电文。L2载波上仅调制了P码和导航电文。相应于P码和C/A码，GPS提供两种定位服务标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。目前，SPS对一切用户开放，也不直接向用户收费，其水平定位精度为100米（95%的置信度）或300米（99.99%的置信度）。PPS服务对象限于美国军事用户以及国防部（DoD）有专门协定的盟国政府的军事部门、政府部门，它能提供高精度的定位、定时、和测速服务。为了进行高精度定位就必须获得P码

10、，P码本来是加密的，但后来被民用所解密，因而自1994年3月开始启动反电子欺骗技术（Anti Spoofing，AS），又称抗窃密，这样P码将变成加密的Y码，这就使民用用户增加了获得观测量的难度。1、GPS卫星星座自1978年2月22日发射第一颗GPS试验卫星以后，到1985年10月9日发射最后一颗GPS试验卫星，共有11颗试验卫星在轨道上运行。这些试验卫星称为Block卫星。试验卫星是在加利福尼亚的范登堡空军基地采用Atlas F火箭发射入轨的。运行轨道呈圆形，长半轴为26560km，倾角为64，轨道高度约20000km。这些卫星只分布在A、C两个轨道平面内，其目的是为了保证亚利桑那州的Yu

11、ma试验基地能够获得最长的连续观测时间。按原订计划，1986年采用火箭和航天飞机两种运载工具发射GPS工作卫星。但由于“挑战者” 号航天飞机的失事，使这一计划大大推迟。于1989年初着手Block卫星的发射，采用Delta火箭在佛罗里达州肯尼迪空间中心的卡纳维尔角基地发射。卫星轨道做了某些调整，长半轴为26609km，偏心率为，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55，各卫星轨道面升交点赤经相差60，在相邻轨道上卫星的升交距角相差30，卫星高度为20200km，卫星运行周期为11小时58分钟。这样轨道参数的卫星能覆盖地面面积38。卫星运行到轨道的任何位置上，它对地面的距离和波束覆盖面积基本上不变。

12、同时在波束覆盖区域内，用户接收到的卫星信号强度近似相等。这就是说，用于定位的卫星信号信噪比近似相等，对提高定位精度有好处。GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布4颗卫星。图3.1显示出GPS星座的卫星分布，图3.2为卫星轨道，图3.3为轨道平面图。图3.1 GPS 工作卫星星座（21颗工作卫星）图3.2 卫星轨道图3.3 轨道平面图同一观测站每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。GPS卫星在空间的上述配置，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，最多可达11颗。卫星信号传播和接收不受天气影响，因此，GPS是全

13、球性、全天侯的连续实时定位系统。但个别地区可能在短时间内（如数分钟）观测到的4颗卫星图形结构较差，不能达到定位精度要求，这段时间成为“间隙段”。2、GPS卫星及其功能迄今，GPS卫星已设计了三代，分别为Block、Block 和Block（表4.1）。表4.1 GPS卫星的概况GPS卫星区分数量（颗）发射时间用途第一代Block111978-1985系统实验第二代Block ，A281989-1994正式工作第三代Block ，R2090年代末改善GPS第一代卫星现已停止工作。第二代卫星用于组成GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。Block A的功能比Block 大大增强，表现在军事功

14、能和数据存储容量。Block 只能存储供45天用的导航电文，而Block A则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部研制的。卫星重774kg（包括310 kg燃料），采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为。星体两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长，接受日光面积2。对日定向系统控制两翼帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15AH的镉镍

15、蓄电池充电，以保证卫星在地影区能正常工作。在星体底部装有多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。工作卫星的设计寿命为7年。从试验卫星的工作情况看，一般都能超过或远远超过设计寿命。卫星设有导航分系统，包括：导航电文存储器；高稳定度的原子频标；伪噪声码发生器；S波段接收机；L波段双频发射机。由于GPS采用被动定位原理，星载高稳定度的频率标准是精密定位的关键。早期的两颗试验卫星采用霍布金斯大学应用物理实验室设计的石英晶

16、体振荡器，其相对日稳定度为10101011/d。这样的频率标准给卫星位置带来的误差为。1974年采用了文富拉德姆公司研制的铷钟。这种铷钟的体积为101011cm3，重，耗电13W，频率稳定度为（510）1013/d。此钟装于PRN03，PRN06，PRN09卫星上，经多次测试，所造成的卫星位置误差为。1977年，采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟，其尺寸为19.53，重，频率稳定度为（12）1013/d。在此基础上，研制出功耗小、重量轻且体积小的铯钟，作为卫星的频率标准，它给卫星定位带来的位置误差仅为。1981年，采用休斯公司研制的氢钟作为频率标准，频率稳定度达到1015/d。经过这些

17、试验比较，在正式发射的工作卫星上采用了铯钟作为频标。它能保证所有的卫星能够在一个月或更长时间内独立工作而无需地面校正，同时也保证了精密定位的要求。GPS卫星的基本功能包括：接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准；向用户发送导航定位信号。包括：两种载波（L1 和L2）调制在L1上的伪噪声码C/A码（Coarse Acquisition Code，粗捕获码）调制在L1和L2上的伪噪声P码（Precise Code精码）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和

18、启用备用卫星。3、GPS地面监控系统在导航定位中，首先必须知道卫星的位置。而位置是由卫星星历计算出来的。地面监控系统测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，然后由卫星实时地播送给用户。这就是卫星提供的广播星历。工作卫星的地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个监测站（参见图3.4）。主控站位于科罗拉多斯平士（Colorado Spings）的联合空间执行中心（CSOC），三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地上，即大西洋的阿松森（Ascension）岛、印度洋的狭哥伽西亚（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein），五个监测站设在主控站和

19、三个注入站以及夏威夷岛。监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。每个监测站配有GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6S进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大洋的美军基地上，保证了全球GPS定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。主控站拥有大型电子计算机，用作为主体的数据采集、计算、传输、诊断、编辑等设备。它完成下列功能：（1）采集数据：主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、

20、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。（2）编辑导航电文：根据采集到的全部数据计算出每一颗卫星的星历、时钟改正数、状态数据以及大气改正数，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。（3）诊断功能：对整个地面支撑系统的协调工作进行诊断；对卫星的健康状况进行诊断，并加以编码向用户指示。（4）调整卫星：根据所测的卫星轨道参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其发挥正常作用。而且还可以进行卫星调度，用备份卫星取代失效的工作卫星。主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户，这就用所用的广播星历

21、。 GPS卫星 GPS卫星接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段图3.4 地面监控系统框图4、GPS接收机GPS接收机也可称为用户装置。主要由天线、接收机、微处理机和输入输出部分组成。其主要结构框架（单频接收机）如图3.5所示。图3.5 接收机结构框图GPS接收机是用户接收卫星信号的设备，定位质量与其有直接关系。目前已有一百多个接收机生产厂家，价格根据性能不同也有较大的差别。衡量接收机的性能指标主要有：信号跟踪的通道数，跟踪信号种类，跟踪卫星数，定位精度（位

22、置、速度和授时），重捕信号时间，工作温度与湿度，体积，重量，天线类型及用途等。现在接收机主要部件已经集成化，用户可以单独购买接收机的集成芯片。对接收机采集到的数据进行处理，有两种方式：实时方式和后处理方式。实时数据处理是在接收机接收卫星信号后在测站点直接通过微处理器进行数据运算与平差运算，得到三维测站点坐标信息。数据后处理方式是将采集到的数据存入存储器，在室内通过GPS计算软件进行计算。计算中可选择平差方法以及适当的参考点等数据。目前在GPS大地测量中进行整体网平差一般采用数据后处理的方式。3.1.3 GPS系统的特点从发射第一颗GPS试验卫星以来，国际上开展了卫星定位系统软件与硬件的不断研究

23、，使得该系统不断改善。作为导航与定位系统，GPS有以下特点：全球地面覆盖 当前，GPS卫星数目为24颗，且按一定的轨道规律分布，使得在地球上任何地点都能同时观测到至少四颗卫星。从而保障了全球、全天候的实时定位。多功能，高精度的信息 GPS可以为用户提供连续的三维坐标、三维速度和时间信息。一般来说，目前单点实时定位精度可达3米，静态差分定位精度可达，测速精度为，测时精度小于10ns。随着GPS测量技术和数据处理方法的不断发展，其测量精度会进一步提高。快速定位 GPS接收机可利用多通道同时观测数个卫星，因而一次定位只需数秒至数十秒，既可以用于高动态定位，也提高了静态定位的效率。抗干扰性和保密性好

24、由于卫星发送无线电信号时采用了伪随机噪声码技术，因而GPS的导航信息具有强抗干扰力和较好的保密性能。被动式导航 用户只需通过接收机接收卫星信号，而无须发射任何信号，隐蔽性好。不仅保障了军事用户的安全，也简化了普通GPS定位工作。GPS的发展不仅在军事定位与导航中有重要的作用，而且不可避免地在民用领域发挥它的优势。因此，美国政府于1994年第一次明确表示不再认为GPS仅适用于军事目的，而将其视为国际事物与商业活动中的重要手段。3.1.4 其它卫星导航系统1、GLONASS全球轨道导航卫星系统（Global Orbiting Navigation Satellite System，Globalna

25、ya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema，GLONASS）是前苏联研制建立的，1978年开始研制，1982年10月开始发射导航卫星。自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星。它由24颗卫星组成卫星星座（21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星），均匀地分布在3个轨道平面内。卫星高度为19100km，卫星的运行周期为11 时15分。GLONASS卫星的这种空间配置，保证地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测5颗卫星。俄罗斯的GOLNASS定位系统和美国GPS定位系统是二个超级大国军备竞赛的产物。GPS是从1973年开始研制历经20年到199

26、4年24颗工作卫星组网完毕。GOLNASS于1982年发射第一颗卫星，1995年组网成功。这两个系统共同点是：都是军用全球卫星导航定位系统，兼为民用，主管部门都属军事序列；定位原理都是单程测距定位，都属于被动式定位系统。适用于移动用户主动导航，用户无限，多用户同时使用不会饱和；都是采用伪随机码测距技术作为导航观测手段。军用都采用双频P码测距，民用采取单频C/A码测距。表3.2表3.5从卫星轨道特征有效载荷和卫星信号等几个方面对二个系统进行比较。表3.2 GPS卫星和GLONASS卫星轨道特征卫星参数GPSGLONASS卫星数（颗）2424每轨道卫星个数48卫星分布轨道面数63相邻轨道卫星相位差

27、40度15度轨道倾斜角55 度轨道长半轴26560km25510km轨道高度20200km19100km偏心率运行周期11小时58分11小时15分44秒卫星寿命7.58年3-5年表3.3 GPS卫星和GLONASS卫星有效载荷卫星参数GPSGLONASS卫星钟铯钟和铷钟各两台三台铯钟卫星钟基频1023MHz太阳能电池帆板27m2提供功率410-580w1600w镍镉蓄电池三组12A姿态控制三轴稳定三轴稳定推进系统有有发射天线多波束天线射电频率L1L2L1=1602+KL2=1246+K遥控遥测天线S波段卫星形体柱形，高3m卫星重1400kg激光发射镜有有表3.4 GPS卫星和GLONASS卫星

28、发播的信号卫星参数GPSGLONASS卫星信号区分CDMAFDMAL1调制信号C/A码(共有32种)民用码C/A码一种，民用码P码可采用w码变成Y码防干扰P码军用码导航电文导航电文L2调制信号P码P码导航电文导航电文测距信号伪随机噪声码伪随机噪声码测距码格式格尔德码M序列C/A码之数1023bit511bitC/A码码频C/A码周期1ms1msC/A码功率谱带宽P码码长1012106P码码频P码功率谱带宽星历数据卫星轨道开普勒参数卫星地心直角坐标x，y，z及其速度和加速度分量坐标系统WGS84SGS-85(95年后采用PZ-90)时间系统GPS时间，与原子时差19秒，与世界协调时采用跳秒办法采

29、用俄罗斯维持的世界协调时UTC(SO)为基准。与国际标准世界协调时UTC(BTMP)差数微妙表3.5 GPS和GLONASS地面监控部分卫星参数GPSGLONASS主控站(控制中心)美国科罗拉多 斯平士莫斯科注入站大西洋：阿松森美军事基地利用分布在俄罗斯境内的指令跟踪站向卫星发送控制命令和导航信息印度洋：狄哥伽西亚太平洋：卡瓦加兰美军事基地监测站除主控站、注入站外另加夏威夷监测站，接收卫星信号，进行信号预处理；再信号送主控站处理在俄罗斯境内布有指令跟踪网（CTS），遥测所有卫星，进行测距数据处理，信号送至主控站2、ENSS欧洲空间局（ESA）早已开始了对其下一代卫星导航定位系统（GNSS-2）

30、的研究。GNSS-2被称为GALILEO计划，是欧洲导航卫星系统（European Navigation Satellite System，ENSS）的重要组成部分和未来发展目标。GALILEO计划的目标是建设欧洲自主的民用全球卫星导航服务系统，从欧洲广域差分系统EGNOS工作引申发展而来。在欧盟内部，此项计划由欧盟交通能源司总体负责，技术方面由欧洲空间局负责。其实施分为四个阶段：系统定义阶段（1999-2001），进行系统框架的定义以及效益分析等其它准备工作，这个阶段已经在2001年底结束；系统发展阶段（2002-2005），确定系统的整体结构，设计卫星和地面设施，最终确定系统的可行性，这部

31、分工作将由欧洲空间局为主组织完成；系统建设阶段（2006-2007），完成卫星制造、发射和地面工作站建设与设备安装，这部分工作将通过招标由相关企业完成；系统运行、应用阶段（2008-2020），进行系统运行和维护工作，包括系统调度、卫星更新、设备维护和升级等。GALILEO系统分为星座、卫星、地面设施、地面部分、EGNOS等部分。系统的卫星星座由分布在三个轨道上的30颗中等高度卫星组成，每个轨道上有10颗卫星，其中九颗正常工作，一颗运行备用。轨道倾斜角56度，轨道高度23616公里，运行周期14小时4分。系统的卫星重700公斤，计划寿命20年，由三部分组成：卫星平台、导航有效载荷和搜索救援有效

32、载荷，运载发射初步考虑采用1箭8星方案。地面部分主要完成导航控制、星座管理、完好性检测和分发。导航控制和星座管理部分包括导航系统控制中心、15个地面监测站和4个遥测遥控站；完好性监测和分发部分由若干个完好性监视站、完好性注入站和完好性控制中心组成。GALILEO系统将提供五套导航定位信号，其中两套信号供公开服务、商业服务和生命救援服务使用，一套供提高地区性精确度再开发使用，还有两套受控信号，在欧盟的控制为特殊用途服务，如警察、国民警卫队等。系统根据不同的服务有不同的精度。3、“北斗一号”我国在70年代就开始了导航卫星的论证和研究工作，到90年初期，我国开始了独立自主的区域卫星定位系统工程建设，

33、即“北斗一号”工程，为我国自行设计的区域性二维有源导航定位系统（系统构成参见图3.6），第三个位置量需要借助其它方式获得，该系统可向我国及周边地区的用户提供定位、通信服务。它由三颗高度为36000公里的地球同步卫星组成卫星星座，两颗工作星和一颗在轨备份星分别定点于80、140。定位精度20100米；双向定时精度：20ns，单向定时精度：100ns；目前已投入使用。北斗一号迈出了我国卫星导航系统坚实的一步，它不受其他国家的控制，其方便的位置报告功能，对陆海空用户定位和集中管理尤其有利。 北斗一号为二维定位系统，对于空中用户提供高程数据比较困难，目前可用的用户测高系统精度较低，不能较好地解决空中用

34、户的三维导航问题。 由于需要用户发上行信号，为有源定位系统，导航定位处理必须在地面中心进行，这样用户的数量就受到一定的限制，同时也不能满足用户的隐蔽、无源定位要求。图3.6 BD-1卫星导航系统工作原理示意图4、卫星导航的差分和增强系统目前卫星导航定位系统民用精度都只能达到30m左右。而在许多民用导航中如：近海和海洋船舶航行、测量船导航及、船舶进港、靠泊、直升机导航、民航机航路导航和进近着陆、精密农业导航、城市车辆调度、特殊车辆监控等等都需要更高精度的实时导航定位。为了满足上述需求，采用对卫星导航的监测和增强技术。包括差分技术和卫星完好性监测。增强系统有两种，一种为本地增强系统(LASS)和广

35、域增强系统（WASS）。LASS系统由于采用伪据差分，其差分精度随着用户机与基台距离加大而减退。当用户机距基台100200公里以上时差分能力降低。WASS系统是将测量误差中与空间分布相关的误差（电离层延迟误差）及与空间分布不相关的误差（卫星星历误差、星钟误差）分别计算，分别修正。这样只需再布置少量基准台站就能满足大面积差分要求。表3.6为两种增强系统的性能比较。广域差分GPS （Wide Area Differential GPS，WADGPS）是为大范围的区域（几千公里）提供精度一致的差分GPS服务的系统。WADGPS提供给用户的是由三维星历误差、每颗卫星的时钟偏移和电离层时延组成的误差校正

36、矢量。这种误差矢量校正技术克服了伪距差分GPS系统中，随着用户与基准站距离增大定位精度会降低的问题。WADGPS网至少包括一个主控站、若干个监测站和通信链路。每个监测站配有高质量的原子钟以及能够接收视野内所有卫星信号的高质量的GPS接收机。在每一个监测站进行GPS测量，并将测量结果传送到主控站。主控站则根据已知监测站的位置和采集到的参数计算GPS误差分量，然后，通过适当的通信链路将计算的误差修正值传送给用户。其处理过程摘要如下：在位置已知的监测站采集其视野中所有GPS卫星的伪距。将测得的伪距和双频电离层延迟传送到主控站。主控站计算误差修正矢量。用恰当的通信链路将误差修正矢量发送给用户。用户利用

37、误差修正矢量值，校正他们测量的伪距和采集的星历数据，以改善导航精度。表3.6 LASS系统与WASS系统的性能比较广域增强(WASS)本地差分(DGPS)建造单位美国联邦航空局FAA建，用于1类精密进场美国海岸警备队(USCG)建，用于进港引导覆盖范围由近地地卫星广播覆盖地域所定由海上NDB信标台发射有效距离决定，一般为40200英里覆盖范围内精度76m10m可用性完好性服务4108目前已建和正在建的WASS系统有：美国联邦航空局（FAA）的WASS计划美国FAA计划部署一个全美国及太平洋、大西洋地区大片覆盖的WASS系统。计划建二个主控站和上行注入站，24个基准站，各站与主控站间用数据多址网

38、络(DNN)通信系统连接起来，计划在2001年建成，耗资5亿美元。空间部分利用美国和加拿大合作发射的NSAT移动通信卫星，也利用INMARSAT-3卫星，作双重余度，互为备份。FAA把WAAS看作是民用航空无缝卫星导航系统战略目标的关键组成部分，它将提高覆盖区域内GPS的精度（通过差分技术）完好性（提供及时的报警能力）和可用性（通过附加测距信号）。WAAS的目标是要使GPS能够成为民航飞机从起飞至类精密进近阶段的主用导航方式。WAAS的工作过程为：由广泛分布于美国及其周边区域内的广域基准站(WRS)收集GPS及静地轨道（GEO）卫星发来的数据。广域主控站（WMS）汇集来自各WRS的数据并进行处

39、理，以确定每颗被监测卫星的完好性、差分校正适量值、残差和电离层信息，并产生静地轨道(GEO)卫星的导航参数。这些信息然后传到上行注入站(GUS)，随同GEO卫星导航信息一起上行传给GEO卫星。GEO卫星上的转发器在L1频率上以与GPS卫星相同的调制方式下行传送这些数据。同时GEO卫星还发射C/A码测距信号，以增加用户可用的测距卫星源，从而大大提高了系统的导航精度、可用性及完好性。WAAS将使覆盖区域内的GPS水平精度提高至7.6m（2drms）。日本运输省的MSAS计划日本运输省部署一个覆盖本国陆地和近海的WASS系统是由日本民航局为民用航空应用而开发的对GPS进行区域性星基增强的系统。MSA

40、S系统原理与美国WAAS相似，并将与WAAS兼容。MSAS从1996年开始实施，系统建成时将包括两个空间转发器（MTSAT-1和MTSAT-2卫星），2个基准站和2个主控站。覆盖范围为日本飞行服务区，也可以逐步扩展到亚太地区。MTSAT是多功能传送卫星（Multi-functional Transport Satellite）的缩写，MTSAT将为空中飞机提供通信和导航服务，并可为亚太地区的机动用户发送气象数据。按照MSAS计划，1999年发第一颗MTSAT-1多功能卫星，2000年进入初始运行阶段，2004年发MTSAT-2，2005年进入全面运行阶段。但是，1999年11月15日的第一颗M

41、TSAT发射失败，预计2002年才能达到初始运行阶段。澳大利亚民航局的WASS计划澳大利亚民航局计划建设一个覆盖澳大利亚、新西兰国土和大洋州海域的WASS系统，建二个主控站和两个导航岸沿作上行注入，十个基准站（其中八个在澳大利亚，一个在新西兰，一个在可可岛。空间段利用INMARSAT的印度洋卫星，将来使用澳大利亚自己的AUSAT卫星。印度的WASS计划印度计划建八个监测站，分两步走：第一步19961999年，先做GPS卫星完好性监测，提高可用性；第二步19982000年提高精度满足1类精密进场着陆，空中利用INMARSAT-3卫星注入导航电文。欧洲EGNOS计划0.78m（经度）。中国广域增强

42、系统利用我国双星系统的卫星导航增强系统是我国计划研制和建设的广域差分GPS系统。卫星导航增强系统（一期工程）由空间和地面两部分组成。空间部分包括GPS卫星和“北斗一号”卫星，地面部分除利用“北斗一号”地面应用系统中心控制系统以外，由中心站、参考站和用户机三个分系统组成，其中用户机含各型广域差分信息接收机和广域差分GPS接收机。卫星导航增强系统(一期工程)的基本工作原理为：分布在覆盖区域内的参考站监测全部可见的GPS卫星，并将监测数据通过“北斗一号”卫星和地面中心控制系统发送到中心站分系统，中心站分系统用所收集到的数据计算GPS差分改正数和完好性信息。差分改正数包括卫星钟差、卫星星历、电离层延迟

43、改正数。完好性信息包括“不要用”、“未被监测”和GPS伪距误差以及差分改正数的误差。差分改正数和完好性信息通过“北斗一号”地面中心控制系统和卫星用S波段发播，卫星导航增强系统广域差分GPS接收机(或广域差分信息接收机与GPS接收机)接收差分改正数、完好性信息和GPS卫星数据，经计算处理得到精确的用户位置和导航参数，同时获得GPS系统和卫星导航增强系统的完好性状况信息。卫星导航增强系统（一期工程）建成后，将为军、民用户提供全天候（一天24小时不间断）、大范围（覆盖我国大陆及周边一定范围）、高精度（东部5米、西部10米）的导航定位服务，具有十分广阔的应用前景，并将产生巨大的军事、政治和经济效益。3

44、.2 GPS导航电文与卫星信号3.2.1 导航电文1、导航电文格式导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。它包含该卫星的星历、工作状况、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正以及由C/A码捕获P码等导航信息，也是由卫星信号中解调出来的数据码D(t)。这些信息以50bit/s的数据流调制在载频上，数据采用不归零制（NRZ）的二进制码。导航电文的格式是：主帧、子帧、字码和页码（图3.7）。每主帧电文长度为1500bit，播送速率为50bit/s，所以发播一帧电文需要30s时间。图3.7 导航电文的格式每帧导航电文包括5个子帧，每子帧长6s，共含300bit。第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码

45、为30bit，这3个子帧的内容每30s重复一次，每小时更新一次。第4、5子帧各有25页，共有15000bit。一帧完整的电文共有37500bit，要750smin。其内容仅在卫星注入新的导航数据后才更新。2、导航电文内容导航电文的内容包括遥测码（TLW）、转换码（HOW）、第一数据块、第二数据块和第三数据块等5部分。（1）遥测码（TLM）每个子帧的第一个字码都是遥测码，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解释电文数据。具体码位如下：第18bit为同步码（10001001），第922bit为遥测电文，包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其它

46、信息，以此指示用户是否选用该卫星。第23、24bit无意义，第2530bit为奇偶检验码。（2）转换码（HOW）每个子帧的第二个字码是转换码，它的主要作用是帮助用户从捕获的C/A码转换到P码的捕获。第117bit表示Z计数，它表示从每星期六/星期日午夜零时起算的对P码中PN1(t)（周期）的累计数，量程为0403200。知道Z计数，就知道观测时刻P码在周期中的准确位置，以此较快地捕获P码。第18bit表明卫星注入电文后是否发生滚动动量矩缺载现象。第19bit用于指示数据帧的时间是否与PN1(t)钟信号同步。第2022bit是子帧识别标志。第23、24bit无意义。第2530bit为奇偶检验码。

47、（3）第一数据块第一子帧的第310个字码为第一数据块。它的主要内容是：（1）标识码，指明载波L2的调制波类型、星期序号、卫星的健康状况等；（2）数据龄期；（3）卫星时钟改正系数。（4）第二数据块第二和第三子帧共同构成第二数据块，它表示GPS卫星的星历，这是GPS定位中最有用的电文，包括：开普勒6参数，即卫星轨道长半轴的平方根、卫星轨道偏心率e、参考时刻toc的轨道倾角io、参考时刻toc的升交点赤经、近地角距、参考时刻toc的平近点角M0。轨道摄动9参数，即卫星平均运动角速度与计算值之差n（也称平近点角速度的改正数）、升交点赤经的变化率、轨道倾角的变化率i、升交点距的正弦和余弦摄动改正项之系数

48、Cus，Cuc、轨道倾角的正弦和余弦摄动改正项i系数Cis，Cic、轨道半轴的正弦和余弦摄动改正项之系数Crs，Crc。时间2参数，即从星期日子夜零时开始的星历参考时刻toe、星历表的数据龄期AODE(又称IODE)。其中AODE=toe-tL式中，tL为预报星历测量的最后观测时间，故AODE(IODE)为预报星历的外推时间间隔。（5）第三数据块第三数据块是由第4和第5两个子帧构成的，它提供GPS卫星的历书数据。当接收机捕获到某颗卫星后，利用第三数据块提供其它卫星的概略星历、时钟改正、码分地址和卫星工作状态等数据。用户不仅能选择工作正常和位置适当的卫星，而且还可根据所在的位置，选择最佳星座，依

49、据已知的卫星PRN号进行设置，以快速捕获和定位。1）第四子帧第2、3、4、5、7、8、9、10页面提供第2532颗卫星的历书；第18页面给出大气时延改正模型03， 03和UTC数据；第25页面给出32颗卫星反电子欺骗特征符（AS关闭或接通）和卫星型号，以及第2532颗卫星的健康状况；第17页面提供专用电文；第1、6、11、12、16、19、20、21、22、23、24页面作为备用；第13、14、15页面为空页。2）第五子帧第124页面提供124颗卫星的历书；第25页面给出第124颗卫星的健康状况和星期编号。当指示卫星健康状况的6bit为000000时，表示导航数据良好，当表示成其他形式时，说明

50、信号有一处或者几处故障；在第三数据块中，也有一些意义相同的字码。例如，第四和第五子帧的每个页面的第3个字码，其开始的8bit是识别字符，且分成两种形式：（1）第1和第2bit为电文识别（DATA ID），当DATA ID为“00”时，它是GPS试验卫星的数据格式，当DATA ID为“01”时，它是GPS工作卫星的数据格式；（2）第38bit为卫星识别（SV ID），对于含有历书数据的各个页面，SV ID的编号对应于该颗GPS卫星的伪噪声码之相位偏差系数，对于其它各个页面，SV ID相当于页面识别符。3.2.2 GPS卫星信号GPS定位的基本观测量，是观测站（用户接收天线）至GPS卫星（信号发射

51、天线）的距离（或称信号传播路径），它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟），或测定卫星载波信号相位在该路径上变化的周数（相位延迟）来导出的。GPS卫星所发播的信号（图3.8），包括： 载波 P码（或Y码） 测距码 C/A码 数据码（或称D码）图3.8 GPS卫星信号GPS卫星信号采用伪随机噪声码（Pseudo Random Noice， PRN，伪随机码或伪码），与随机码（即码元幅度的取值是完全无规律的码序列，它是一种非周期序列，无法复制）相比，具有如下特点：具有随机码的良好自相关性具有某种确定的编码规则可以容易地复制伪随机码是由一个称为“多极反馈移位寄存器”的装置产生的。它由一组

52、连接在一起的存储单元组成，每个存储单元只有0或1两种状态，移位寄存器是在钟脉冲和置“1”脉冲的控制下工作的。例如，移位寄存器是由4个存储单元组成的4极反馈移位寄存器，当钟脉冲加到该移位寄存器之后，每个存储单元的内容，都顺序地由上一单元移到下一单元，而最后一个存储单元的内容便输出。与此同时，将其中某几个单元，如3和4单元的内容进行模二相加，反馈给第一个存储单元。图3.9 4极反馈移位寄存器示意图表3.7 4极反馈移位寄存器状态序列状态编号各级状态模二加反馈+末级输出的二进制数11 1 1 10121 1 1 00131 1 0 00141 0 0 01150 0 0 10060 0 1 0007

53、0 1 0 01081 0 0 11190 0 1 100100 1 1 010111 1 0 101121 0 1 011130 1 0 110141 0 1 111150 1 1 110在4极反馈移位寄存器经历上述15种可能状态之后，再重复全“1”状态，从而完成一个最大周期。从第四级存储单元也输出了一个最大周期为15tu的二进制序列，其中，tu为两个钟脉冲的时间间隔。这种周期最大的二进制数序列，通常称为m序列。一般情况下，对于一个r级反馈移位寄存器，将会产生更为复杂的周期性m序列。这时，移位寄存器可能经历的状态有：Nu = 2r-1在m序列的每一周期中，最多可能包含Nu个码元，其宽度等于钟

54、脉冲的时间间隔，因而m序列的最大周期为：Tu = （2r-1）tu = Nu tu在一个m序列周期中，状态为“1”的个数，总比为“0”的个数多1，所以当两个周期相同的m序列，相应的码元完全对齐时，其自相关系统R（t）=1，而在其它情况下则为 R（t）= - = -随着r增大，R（t）将很快趋近于0。所以，伪随机码既具有与随机码相类似的良好自相关性，又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。这样，用户接收机便可容易地复制卫星所发射的伪随机码，以便通过接收码与复制码的比较，来准确地测定其间的时间延迟。1、GPS信号载波已运行的GPS卫星系列采用两类波长(L1，L2)的电磁波作为信号的载波。载波L1，

55、L2都是在同一基本频率f0=10.23 MHz的控制下产生，即：L1载波，频率f1=154*f0=1575.42 MHz，波长1L2载波，频率f2=120*f0=1227.60 MHz，波长2作为电磁波，L1，L2载波在传输过程中将受到大气层的折射影响。对流层中大气基本为中性，载波传输主要受到对流层的水气、尘埃等的影响。电离层内的大气分子由于太阳与其它天体的各种射线作用，大部分发生电离，载波传输受到电子较强的折射作用。大气折射作用将改变电磁波传输的速度、方向等。卫星信号在卫星与地面接收机之间的传输时间小于秒，因此光速值微小的差异都会引起不可忽略的测距误差。实际GPS测量工作中，需进行对流层和电

56、离层折射改正。对流层折射误差的产生主要与大气压力、绝对温度、水气压的影响有关。因此，实测中应掌握测站周围的气象资料，尽量选择良好的大气条件施测，此外还可以通过邻近点同步观测来消除大气折射的影响。电离层中的电磁波折射主要为散射形式。散射强度与电磁波波长与传输路径上的电子总数有关。为了削弱电离层对卫星信号的影响，可以建立电离层模型来近似计算改正量。由于建立电离层产生的传播路径误差与电磁波频率平方成反比，因此目前GPS精密定位多采用双频(f1，f2)观测技术，利用误差的系统性，达到降低误差的目的。2、GPS测距码C/A码C/A码是由两个10级反馈移位寄存器相组合而产生的，其构成示意图见图3.10。图

57、3.10 C/A码的产生示意图码长Nu = 210-1=1023比特码元宽tu = 1/f1s()周期Tu = Nu tu = 1ms数码率=C/A码的码长易于捕获，且通过C/A码提供的信息，又可方便的捕获P码。C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差，为码元宽度的1/100，则相应的测距误差达2.9m，以因此也称粗码。P码GPS卫星发射的P码，其产生的基本原理与C/A码相似，但其发生电路，是采用两种各由两个12级反馈移位寄存器构成的，情况更为复杂。线路设计细节均是保密的。P码特征：码长Nu 2.35*1014比特码元宽度tu 0.0977752s()周期Tu = Nu tu 267

58、数码率=P码周期被分为38部分（7天/每一部分周期，码长约为6.19*1012比特），其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同的卫星。这样，每颗卫星所使用的P码不同部分，便都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的码长较长，无法采用C/A码逐个进行搜索。一般都是先捕获C/A码，然后根据导航电文中给出的有关信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元的对齐精度仍为码元宽度的1/100，则由此引起的相应距离误差为，仅为C/A码的1/10。所以P码定位精度高，故也称为精码。3.3 GPS卫星定位原理3.3.1 伪距测量利用GPS进行定位的方法很多，有绝对定位（单

59、点定位）和相对定位，静态定位和动态定位等。概括来说，主要有伪距法、多普勒法、干涉测量法和载波相位测量法等。后两种方法可以获取非常精确的结果，但干涉法测量费用太高，难以推广应用。这里主要介绍伪距法定位和载波相位测量法。所谓的伪距，是指卫星信号并不是在真空中传播，它含有大气传播延迟误差，通过这种卫星信号测出的距离称为伪距。伪距法定位是利用GPS进行导航定位的最基本方法。其原理是：在某一瞬时利用GPS接收机测定至少四颗卫星的伪距，采用距离交会法即可求得接收机的三维坐标和卫星时钟改正数。伪距法测量定位的原理主要如下。设：为卫星至测站的真正距离为卫星至测站的伪距（xi，yi，zi）为第i颗卫星的位置坐标

60、（Xj，Yj，Zj）为第j个测站的位置坐标Tj 为第j个测站根据接收机时钟所获得的时间ti 为第i个卫星根据卫星钟所获得的时间为GPS标准时间显然，Tj和ti皆为的函数，即Tj=Tj（），ti=ti（）。测得卫星信号（电磁波）传播的时间，即可得知传播路径的距离。因此，伪距测量实际上是测定时间差，即(4-1)或(4-2)式中，为卫星i至测站j的伪距，c为真空光速，是卫星钟的读数为ti这一瞬间的GPS标准时，则为卫星钟的时钟改正数。同样，为接收机时钟的改正数。是没有误差的时钟所测定的信号自卫星到测站的实际传播时间。设和分别表示大气电离层和对流层的折射改正，则(4-3)因此伪距和真正距离之间的关系为