GPS原理与应用复习总结

GPS定位原理及应用》第一章绪论

1.1GPS卫星定位技术的发展

早期的卫星定位技术

1、无线电导航系统

罗兰--C：工作在

100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域

2000KM，一般精度

200-300M。

Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），

推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高2、早期的卫星定位技术

卫星三角网：

以人造地球卫星作为空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影测量，测定测站至卫星的方向，来确定地面点的位置的三角网。

卫星测距网：

用激光技术测定测站至卫星的距离作为观测值的网则称为卫星测距网。

世纪60～70年代，美国国家大地测量局在英国和德国测绘部门协助下，建立了一个

共45个点的全球卫星三角网，点位精度 5米。

卫星三角网的缺点：

易受卫星可见条件和天气条件影响，费时费力，定位精度低。

子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷

多普勒频移：

多普勒效应是为纪念 Christian Doppler而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。

他认为电磁波频率在电磁源移向观察者时变高， 而在波源远离观察者时变低。 因此可利

用频率的变化多少来确定距离的变化量。

多普勒效应的一个常被使用的例子是火车， 当火车接近观察者时， 其汽鸣声会比平常更

刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。 同样的情况还有： 警车的警报声和赛车的发

动机声。

子午卫星导航系统 (NNSS)：

将卫星作为空间动态已知点， 通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号， 利用多普

勒定位技术，进行测速、定位的卫星导航系统。

子午卫星导航系统的优点：

经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制，且可获得测站的三维地心坐标。

子午卫星导航系统的缺点：

由于卫星数量少，故不能实时定位、定位时间长、定位精度也低。

1958年，美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题，

开始研制军用导航卫星，命名为“子午仪计划” 。1960年4月，美国发射了世界第一颗子午

导航卫星，传统的无线电导航系统从此被这种新的导航方式取代。美国 1964年建成子午导

航卫星系统，主要由美国海军使用，到 1967年开始正式向民用开放。由于该系统卫星数目

较小（5-6 颗），运行高度较低（平均 1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均

1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。单点定位精度约为 30—40

米，每次定位约需 8—10分钟。而各测站观测了公共的 17次合格的卫星通过时，联测定位

的精度才能达到 0.5米左右。子午导航卫星系统是低轨道导航卫星， 它集中了远程无线电导

航台全球覆盖和近程无线电导航台定位精度高的优点， 仅用4颗卫星组成的太空导航星座就

能提供全天候全球导航覆盖和周期性二维 （经纬度）定位能力，使全球用户统一于地心坐标

系进行高精度定位，使导航技术产生了革命性突破。

年代中期，我国利用引进的多普勒接收机进行了西沙群岛的大地测量基准联测，国

家测绘总局和总参测绘局联合测设了全国卫星多普勒大地网，石油和地质勘探部门也在西北地区测设了卫星多普勒定位网。

前苏联卫星导航系统（ CICADA）：

颗宇宙卫星组成，也存在上述缺点。全球定位系统的建立GPS全球定位系统：

全球定位系统（ Global Positioning System-GPS）是美国从本世纪 70年代开始研制，

历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS计划实施的三个阶段：

1)第一阶段为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。

2)第二阶段为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，

研制了各种用途接收机。实验表明，

GPS定位精度远远超过设计标准。

3)第三阶段为实用组网阶段。

1989

年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS

系统进入工程建设阶段。

1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根

据计划更换失效的卫星。

为了改进GPS系统，美国计划并发射了第三代

GPS卫星。

表1GPS卫星的发展概况

卫星类型

卫星数量/

发射时间/

用途

颗

年

第一代

BlockI

11

1978

～

试验

1985

第二代

Block

28

1989

～

正式工作

II,IIA

1996

第三代

Block

33

1997

～

改进GPS

IIR,IIF

2010

系统

注：BlockIIA(A=Advanced),IIR(R=Replacement),IIF(F=Followon)

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。GPS卫星星座的基本参数：

卫星数21+3颗；

6个卫星轨道面，轨道倾角55度；

卫星高度为20200km,卫星运行周期为11小时58分；

载波L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。

GPS工作卫星情况：

在轨重量843.68kg，设计寿命七年半；

在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；

3) 有12根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为 30度的电磁波束；

由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫星天线始终对准地心。

过天顶的卫星可见时间为 5小时，在地表任意地点及任何时刻，在高度角 15度以上，

平均可同时观测到 6颗卫星，最多可达 9颗卫星，但随着第三代 GPS卫星的发射，可观测到

的卫星个数大大增多。

GPS接收机：

采用码分多址（ CDMA）技术，实现了接收机多通道接收卫星信号，提高系统的稳定性。

通信领域的联通 CDMA手机应用了此技术。

经近10年我国测绘等部门的使用表明， GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显

著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

全球导航卫星系统

GLONASS全球导航卫星系统的建成：

前苏联于1982年开始发射 GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，

调整和检验，于 1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。

其原理和系统组成与 GPS系统类似。

主要特点：

1、GLONASS卫星的识别方法采用频分复用制， L1频率为1.602～1.616GHz,频道间隔为

0.5625MHz；L2频率为1.246～1.256GHz,频道间隔为 0.4375MHz。

2、GLONASS卫星上均装由激光反射镜，地面控制站组（ GCS）对卫星进行激光测距，对

测距数据作周期修正。

3、GLONASS系统民用不带任何限制。不收费。

4、民用的标准精度通道（CSA）精度数据为：水平精度为50～70m，垂直精度75m，测速精度15cm/s,授时精度为1μs。

卫星定位系统的集成：

目前已有GPS与GLONSS集成的接收机，这样GLONSS可与GPS卫星一起定位，使可接受的卫星数目增加一倍，提高定位精度，也可有效地削弱美俄两国对各自定位系统的可能控制，提高定位的可靠性和安全性。

伽利略(Galileo)GNSS 系统

Galileo系统建设始于2002年，计划2008年投入使用，我国参与了该系统的投资建设，是一个全开放型的高精度的民用卫星导航定位系统。

卫星星座：

30颗卫星均匀分布在

3个中高度圆轨道平面上，轨道高度

23616km，倾角

56度。

地面任一地点任一时间可见到4颗Galileo卫星，达到全天候、实时导航和定位。与GPS/GLONASS有机地兼容，增强系统使用的安全性和完善性。

表2

三种卫星系统比较

卫星系统

GLONASS

GPS

Galileo

卫星数（颗）

21+3

21+3

27+3

轨道面数（个）

3

6

3

轨道倾角（度）

64.8

55

56

平均高度（km）

19100

20200

23616

周期（hm）

11h15m

11h58m

14h

卫星射电频率L1

1602-1616MHz

1575.42MHz

1561-1569MHz

卫星射电频率L2

1246-1256MHz

1227.6

MHz

1224-1232MHz

C/A码频率

511kHz

1.023

MHz

1176.75MHz(E

双星导航定位系统 (北斗一号)

系统组成：北斗导航定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端。

星座由2颗＋1颗（备用）的地球同步卫星组成。

其特点为：主动式、全天候、区域性、短信通讯和低动态。

功能：

1 、定位 2、通讯 3 、授时

第一章 绪论

1.2GPS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。

工作卫星及其星座

GPS卫星星座的基本参数：

卫星数21+3颗；

6个卫星轨道面，轨道倾角 55度；

卫星高度为 20200km,卫星运行周期为 11小时58分；

载波L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。

GPS工作卫星情况：

在轨重量843.68kg，设计寿命七年半；

在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；

有12根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为 30度的电磁波束；

由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫星天线始终对准地心。

地面监控系统

GPS的地面监控系统包括一个主控站、五个监控站和三个注入站。

主控站位于美国克罗拉多（ Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据

各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。

监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（ Hawaii）、阿松森群岛

（Ascencion）、迭哥伽西亚（ DiegoGarcia ）、卡瓦加兰（ Kwajalein ），监控站的作用是接

收卫星信号，监测卫星的工作状态。

注入站分别位于阿松森群岛（ Ascencion）、迭哥伽西亚（ DiegoGarcia ）、卡瓦加兰

Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

信号接收机

GPS的用户部分由 GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所

组成。

GPS接收机采用码分多址（ CDMA）技术，实现了接收机多通道接收卫星信号，提高系统

的稳定性。

它的作用是接收 GPS卫星所发出的信号， 利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三

个部分共同组成了一个完整的 GPS系统。

第1.11.21.3 节

GPS定位原理及应用》授课教案第一章绪论

1.3GPS在国民经济建设中的应用

系统的特点

GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。

1、定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置

误差小于 1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较， 其边长较差最大为 0.5mm,较差中

误差为0.3mm。

2、观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前， 20KM以内相对静态定位，仅

需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在 15KM以内时，流

动站观测时间只需 1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

3、测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

4、可提供三维坐标

经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

5、操作简便

随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。

6、全天候作业

目前GPS观测可在一天 24小时内的任何时间进行 ,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨

下雪等气候的影响。

7、功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达 0.1M/S，测时

的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。 GPS系统的应用前景当初，设计 GPS系统的

主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明， GPS系统不仅能

够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静

态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位， 亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精

度的时间测量。因此， GPS系统展现了极其广阔的应用前景。

系统的应用前景

1、GPS的最初用途

GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的， 至今它仍然由美国军方控制。 军用GPS

产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标， 给海中的军舰导航， 为军用飞

机提供位置和导航信息等。

2、GPS系统用途广泛

目前，GPS系统的应用已将十分广泛，我们可以应用 GPS信号可以进行海、空和陆

地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球

性的地球动态参数； 用于建立陆地海洋大地测量基准， 进行高精度的海岛陆地联测以及海洋

测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变； 用于工程测量，成为建立城市与工程控制网

的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置， 实现仅有少量地面控制或无地面控制

的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

许多商业和政府机构也使用 GPS设备来跟踪他们的车辆位置， 这一般需要借助无线

通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。

3、多元化空间资源环境的出现

目前，GPS，GLONASS，INMARSAT等系统都具备了导航定位功能，形成了多元化的

空间资源环境。这一多元化的空间资源环境，促使国际民间形成了一个共同的策略，即一方面对现有系统充分利用，一方面积极筹建民间GNSS系统，待到2010年前后，GNSS纯民间系统建成，全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势，才能从根本上摆脱对单一系统的依赖，形成国际共有、国际共享的安全资源环境。世界才可进入将卫星导航作为单一导航手

段的最高应用境界。国际民间的这一策略，反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放的调整。总之，由于多元化空间资源环境的确立，给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。

4、发展GPS产业

今后 GPS将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系统

WAAS（即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送，使地球同步卫星也具有C/A码功能，形成广域GPS增强系统）计划发展成国际标准。我国目前也有一些单位生产车载GPS系统。为发展我国的GPS产业，武汉已经成立中国GPS工程中心。

5、GPS的应用将进入人们的日常生活

最近几年，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小了。

两三年前 GPS设备还像艺术品一样令人望而却步， 而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久

的GPS接收器了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。

消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有 12个并行通道

和数据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传 /下载GPS信息，并且使用精确到街道

级的地图软件，可以在 PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。

GPS信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式

的GPS接收机，将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什麽是 GPS，但有人

预言，GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于 GPS。GPS就象移动电

话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。

我国的GPS定位技术应用和发展情况

新中国成立后，我国的航天科技事业在自立更生、 艰苦创业的征途上，逐步建立和发展，

跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。从 1970年4月把第一颗人造卫星送

入轨道以来，我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人造卫星， 为空间大地测量工作的开

展创造了有利条件。

年代后期，有关单位在从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造

卫星观测仪器。其中有人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测实践，

完成了全国天文大地网的整体平差，建立了1980年国家大地坐标系，进行了南海群岛的联测。

80 年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究 GPS技术。十多年来，我国的测

绘工作者在 GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。

80 年代中期，我国引进 GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国

自己的卫星导航系统。 至今十多年来，据有关人士估计， 目前我国的 GPS接收机拥有量约在

4万台左右，其中测量类约 500-700台，航空类约几百台，航海类约 3万多台，车载类数千

台。而且以每年 2万台的速度增加。足以说明 GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。

在大地测量方面， 利用GPS技术开展国际联测， 建立全球性大地控制网， 提供高精

度的地心坐标，测定和精化大地水准面。 组织各部门(10多个单位，30多台GPS双频接收机)

参加1992年全国GPS定位大会战。经过数据处理， GPS网点地心坐标精度优于 0．2m，点间

位置精度优于 10—8。在我国建成了平均边长约 100km的GPSA级网，提供了亚米级精度地

心坐标基．准。此后，在 A级网的基础上，我国又布设了边长为 30—100km的B级网，全国

约2500个点。A、B级GPS网点都联测了几何水准。这样，就为我国务部门的测绘工作，建

立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛各岛

屿与大陆的 GPS联测，使海岛与全国大地网联成一整体。

在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术(简称RTK)测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。

在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。

在地球动力学方面， GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已

开始用GPS技术监测南极洲板块运动、 青藏高原地壳运动、 四川鲜水河地壳断裂运动， 建立

了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈 GPS形变监测网等。

GPS 技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。

我国的《全球定位系统 (GPS)测量规范》已于 1992年10月1日起实施。

此外，在军事部门、交通部门、邮电部门，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气

象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等

领域，也都开展了 GPS技术的研究和应用。

在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究， 研制开发了 GPS

静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。 在理论研究与应用开发的同时， 培养

和造就了一大批技术人才和产业队伍。

近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的 GPS

跟踪站，进行对GPS卫星的精密定轨，为高精度的 GPS定位测量提供观测数据和精密星历服

务，致力于我国自主的广域差分 GPS(WADGPS)方案的建立，参与全球导航卫星系统 (GNSS)和

GPS增强系统(WAAS)的筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统 (双星定位系统)，

能够生产导航型和测地型 GPS接收机。GPS技术的应用正向更深层次发展。

为了适应 GPS技术的应用与发展， 1995年成立了中国 GPS协会，协会下设四个专业委

员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的 GPS应用技术。

第二章 坐标系统和时间系统

2.1 天球坐标系和地球坐标系

理解各种坐标系统的定义和相互关系。

全球定位系统（ GPS）的最基本任务是确定用户在空间的位置。而所谓用户的位置，实

际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标， 位置是相对于参考坐标系而言的， 为此，首先要

设立适当的坐标系。坐标系统是由原点位置、3个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系和地球坐标系。

由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。

不管采用什么形式，坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去。

天球坐标系

天球坐标系是利用基本星历表的数据把基本坐标系固定在天球上， 星历表中列出一定数

量的恒星在某历元的天体赤道坐标值， 以及由于岁差和自转共同影响而产生的坐标变化。 常

用的天球坐标系：天球赤道坐标系、天球地平坐标系和天文坐标系。

在天球坐标系中，天体的空间位置可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述。

天球空间直角坐标系的定义

地球质心 O为坐标原点， Z轴指向天球北极， X轴指向春分点， Y轴垂直于 XOZ平面，

与X轴和Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（ X，Y，Z）来描述。

2．天球球面坐标系的定义

地球质心O为坐标原点，春分点轴与天轴所在平面为天球经度 （赤经）测量基准——基

准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。 空间点的位置在天球坐标系下的表述

为（r，α，δ）。

天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图

2-1

表示：

图2-1天球直角坐标系与球面坐标系

对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关

系：

X

rcos

cos

Y

rsin

cos

(21)

Z

rsin

r

X2Y2

Z

2

arctan(Y/X)

(22)

arctan(Z/

X2

Y2

地球坐标系

地球坐标系有两种几何表达方式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。

1．地球直角坐标系的定义

地球直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。

2.地球大地坐标系的定义

地球大地坐标系的定义是： 地球椭球的中心与地球质心重合，

重合。空间点位置在该坐标系中表述为（ L，B，H）。

地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图 2-2表示：

椭球的短轴与地球自转轴

图2-2地球直角坐标系和大地坐标系

对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：

X

(N

H)cosBcosL

Y

(N

H)cosBsinL

(23)

Z

N(1e2)HsinB

L

arctan(Y/X)

B

arctanZ(NH)/[X2

Y2(N(1e2)H)]

(24)

H

Z/sinBN(1e2)

式中

，N

a/1e2sin2B

，N为该点的卯酉圈曲率半径；

e2

(a

2

b2)/a2

，a,e分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一偏心率。

2.1.3

站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系

1．站心赤道直角坐标系

如图

2-3，P1

是测站点，O为球心。以

O为原点建立球心空间直角坐标系OXYZ。

___

以P1为原点建立与

O

XYZ相应坐标轴平行的

P1XYZ坐标系叫站心赤道直角坐标

系。

_

__

显然，P1

XYZ同OXYZ坐标系有简单的平移关系：

_

X

X

(N

H)cosBcosL

_

YY

(N

H)cosBsinL

(2-5)

Z

N(1

2

_

e)HsinB

Z

2．站心地平直角坐标系

以P1为原点，以P1点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴（向北为正），y轴与x，z垂直（向东为正）建立的坐标系叫站心地平直角坐标系。

站心地平直角坐标系与站心赤道直角坐标系的转换关系如下：

_

X

x

_

Y

R

z

180

LR（90-B）Py

y

y

_

z

Z

地平

站赤

sinBcosL

sinL

cosBcosL

sinBsinLcosL

cosBsinL

(2

5)

cosB

0

sinB

代入（2-4）可得出站心左手地平直角坐标系与球心空间直角坐标系的转换关系式：

X

sinBcosL

sinL

cosBcosL

x

Y

sinBsinL

cosL

cosBsinL

y

Z

cosB

0

sinB

z

(N

H)cosBcosL

(N

H)cosBsinL

(2

7)

[N(1

e2)

H]sinB

3．站心地平极坐标系

以测站P1为原点，用测站

P1至卫星s的距离r、卫星的方位角

A、卫星的高度角

h为

参数建立的与站心地平直角坐标系

P1－xyz相等价的坐标系称为站心地平极坐标系

P1－

rAh。

站心地平极坐标系与站心地平直角坐标系的关系为：

x

rcosAcosh

y

rsinAcosh

(2

8)

z

rsinh

r

x2

y2

z2

A

arc

tan(y/x)

(2

9)

h

arc

tan(z/

x2

y2)

卫星测量中常用坐标系

1．瞬时极天球坐标系与地球坐标系

瞬时极天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标系取向。

瞬时极地球

坐标系：原点位于

地球质心，z轴指

向瞬时地球自转

轴方向，x轴指向

瞬时赤道面和包

含瞬时地球自转

轴与平均天文台

赤道参考点的子

午面之交点，y轴

构成右手坐标系

取向。

瞬时极天球

坐标系与瞬时极

地球坐标系的关

系如图2-4所示。

固定极天

球坐标系——平天球坐标系

由于瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化，对研究卫星的运动很不方便，需要建立

一个三轴指向不变的天球坐标系——平天球坐标系。即选择某一历元时刻，以此瞬间的地球

自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为 z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标系

取向，坐标系原点与真天球坐标系相同。 瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标

变换通过下面两次变换来实现。

（1）岁差旋转变换

ZM（t0)表示历元 J2000.0 年平天球坐标系 z轴指向，ZM（t）表示所论历元时刻 t真天

球坐标系 z轴指向。由于岁差导致地球自转轴的运动使二坐标系 z轴产生夹角θ A；同理，

因岁差导致春分点的运动使二坐标系的 x轴XM(t0)与XM(t)产生夹角ζA，ZA。通过旋转变

换得到这样两个坐标系间的变换式为：

x

x

y

Rz(

ZA)Ry(

A)Rz(

A)

y

(2

11)

z

M(t)

z

M(t0)

式中：ζA，θA，ZA为岁差参数。

2）章动旋转变换

类似地有章动旋转变换式：

x

x

y

Rx(

)Rz(

)Rx(

)

y

(2

12)

z

c(t)

z

M(t)

式中：ε为所论历元的平黄赤交角，⊿ψ，⊿ε分别为黄经章动和交角章动参数。

固定极地球坐标系——平地球坐标系

1）极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。

2）瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相应的极点称为瞬时极。依瞬时地球自转轴定向的坐标系称为瞬时极地球坐标系。

（3）国际协定原点 CIO：采用国际上 5个纬度服务站的资料，以 1900.00至1905.05

年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点 CIO。平地球坐标系

的z轴指向CIO。

图2-5为瞬时极与平极关系

（4）平地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。

平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式 ：

x

x

y

Ry(xp)Rx(yp)

y

(2

13)

z

em

z

et

下标em表示平地球坐标系，

et表示t

时的瞬时地球坐标系，xp,yp

为t时刻以角度

表示的极移值。

4、坐标系的两种定义方式与协议坐标系

通常，理论上坐标系的定义过程是先选定一个尺度单位， 然后定义坐标原点的位置和坐标轴

的指向。实际应用中，在已知若干测站点的坐标值后，通过观测又可反过来定义该坐标系。

前一种方式称为坐标系的理论定义。而由一系列已知测站点所定义的坐标系称为协定坐标

系。

第二章 坐标系统和时间系统

2.2WGS-84坐标系和我国大地坐标系

坐标系

WGS-84的定义：WGS-84是修正 NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子

午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系， WGS-84坐标系的原点在地球质

心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极 （CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面

和CTP赤道的交点，

Y轴和

Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。

WGS-84椭球及其有关常数：

WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第

17

届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数

长半径：

a=6378137±2（m）；

地球引力常数： GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；

正常化二阶带谐系数： C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；

C20=-J2/ 5

J2=108263 ×10-8

地球自转角速度：ω =7292115×10-11rads-1 ±0.150×10-11rads-1

建立WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的， 是在世界上建立一个统一的地心坐标系。

国家大地坐标系

1.1954 年北京坐标系（ BJ54旧）

坐标原点：前苏联的普尔科沃。

参考椭球：克拉索夫斯基椭球。

平差方法：分区分期局部平差。

存在问题：（1）椭球参数有较大误差。

2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。

3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。

4）定向不明确。

2.1980 年国家大地坐标系（ GDZ80）

坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。

参考椭球：1975年国际椭球。

平差方法：天文大地网整体平差。

特点：（1）采用1975年国际椭球。

2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。

3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。

4）定向明确。

5）大地原点地处我国中部。

6）大地高程基准采用1956年黄海高程。

新1954年北京坐标系（BJ54新）

新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标系（GDZ80）转换得来的。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。

参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：天文大地网整体平差。BJ54新的特点：

1）采用克拉索夫斯基椭球。

2）是综合GDZ80和BJ54旧建立起来的参心坐标系。

3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。

4）定向明确。

5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。

6）大地高程基准采用1956年黄海高程。

7）与BJ54旧相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。

（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。

地方独立坐标系

在生产实际中，我们通常把控制网投影到当地平均海拔高程面上， 并以当地子午线作为

中央子午线进行高斯投影建立地方独立坐标系。 地方独立坐标系隐含一个与当地平均海拔高

程对应的参考椭球——地方参考椭球。 地方参考椭球的中心、 轴向和扁率与国家参考椭球相

同，其长半径则有一改正量。

设地方独立坐标系位于海拔高程为 h的曲面上，该地方的大地水准面差距为ζ， 则该曲

面离国家参考椭球的高度为：

dN h (2 14)

又由独立坐标系的定义知：

dN/N da/a (2 15)

于是，地方参考椭球和国家参考椭球的关系可以表述为：

中心一致：

X0 0 Y0 0 Z0 0 (2 16)

轴向一致：

x 0

扁率相等：

L

长半径有一增量：

y 0 z 0 (2 17)

(2 18)

da (dN/N) a

aL a da (2 19)

讨论：在测量生产实践中，我们常用到哪些坐标系？

第二章 坐标系统和时间系统

2.3 坐标系统之间的转换

掌握不同空间直角坐标系统之间的换算方法，了解不同大地坐标系之间的换算。

在实际的应用中往往已知空间点对于某一坐标系的坐标，需要计算它对于另一坐标系的坐标，因此就要进行坐标的转换。具体解法可分成两大类：其一是利用球面三角有关公式求解；其二是利用直角坐标转换关系求解。

不同空间直角坐标系统之间的转换

进行不同空间直角坐标系统之间的坐标转换， 需要求出坐标系统之间的转换参数。 转换

参数一般是利用冲核电的两套坐标值通过一定的数学模型进行计算。当重合点数为三个以上时，可以采用布尔莎七参数法进行转换。

设XDi和XGi分别为地面网点和 GPS网点的参心和地心坐标向量。由布尔莎模型可知：

XDi X (1 k)R( x)R(y)R(z)XGi (2 20)

式中， XDi (XDi,YDi,ZDi),XGi (XGi,YGi,ZGi), X ( X, Y, Z)是平移参数

矩阵，k是尺度变化参数。

X, Y, Z为三维空间直角坐标变换的三个旋转角，也称欧勒角，与它相对应的

旋转矩阵分别为：

1

0

0

R(X)0

cos

X

sin

X

0

sin

X

cos

X

cos

Y

0

sin

Y

R(Y)

0

1

0

sin

Y

0

cos

Y

cos

Z

sin

Z

0

R(Z)

sin

Z

cos

Z

0

0

0

1

令R0R(X)R(Y)R(Z)

cosYcosZ

R0 cosXsinZ sinXsinYcosZ

sinXsinZ cosXsinYcosZ

一般 X, Y, Z为微小转角，可取：

cosYsinZ sinY

cosXcosZ sinXsinYsinZ sinXcosY

sinXcosZ cosXsinYsinZ cosXcosY

cos

XcosY

cosZ

1

sin

X

X,sinY

Y,sin

Z

Z

sin

Xsin

Y

sin

Xsin

Z

sin

YsinZ0

于是可化简为：

1

Z

Y

R0

Z

1

X

Y X 1

上式称微分旋转矩阵

相应的转换公式为：

XDi

XGi

0

Z

Y

XGi

X

YDi

(1k)YGi

Z

0

X

YGi

Y

(221)

ZDi

ZGi

Y

X0

ZGi

Z

不同大地坐标系的转换

对于不同大地坐标系的换算，除包含三个平移参数、三个旋转参数和一个尺度变化参数外，还包括两个地球椭球元素变化参数。不同大地坐标系的换算公式为：

sinL

cosL

0

(N

H)cosB

(NH)cosB

X0

dL

sinBsinL

sinBcosL

cosB

dB

H

MH

Y0

M

MH

dH

cosBsinL

Z

0

cosBcosL

sinB

tgBcosL

tgBsinL

1

sinL

cosL

0

Ne2sinBcosBsinL

Ne2sinBcosBcosL

0

N

0

e2sinBcosBm

M

H

N(1

e2sin2B)H

X

Y

Z

0

2

2

0

da

N

e2sinBcosB

M(2

e

sin

B)sinBcosB

(222

(MH)a

(M

H)(1

)

d

N(1

e2sin2B)

M

(1

e2

sin2B)sin2B

a

1

上式通常称为广义大地坐标微分公式或广义变换椭球微分公式。如略去旋转参数和

尺度变化参数的影响， 即简化为一般的大地坐标微分公式。 根据3个以上公共点的两套大地

坐标值，可列出 9个以上方程，可按最小二乘法求得 8个转换参数。

大地坐标系和空间大地直角坐标系的换算

大地坐标系和空间大地直角坐标系的换算，是生产实践中经常遇到的问题，由 L，B和

H解算X，Y，Z可由公式直接解算；由 X，Y，Z解算L，B，H一般用迭代解法或直接解法。

思考题：怎样进行 WGS-84坐标和地面网的坐标换算？

第 2.1 2.2 2.3 2.4 节

GPS定位原理及应用》授课教案第二章坐标系统和时间系统

2.4 时间系统

教学内容：本节主要介绍 GPS测量中涉及的几种主要时间系统。

教学重点：时间的定义和应用。

教学难点：各种时间的换算。

教学方法：课堂讲授为主。

教学要求：掌握各种时间的概念和区别。

恒星时ST

定义： 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。

计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒；

一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒分类：真恒星时和平恒星时。

平太阳时 MT

定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。

计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒；

一个平太阳日 =24个平太阳小时 =1440平太阳分=86400个平太阳秒

平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示的时刻正是平太阳

时。

世界时UT

定义：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。

原子时IAT

原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。

原子时的尺度标准：国际制秒（ SI）。

原子时的原点由下式确定： AT=UT2-0.0039(s）

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。根据国际规定，协调世界时 UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽

可量与世界时接近。

协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示：

IAT=UTC+1s ×n （n为调整参数）

时间系统 GPST

GPST 属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长， GPST的原点与国

际原子时 IAT相差19s。有关系式：

IAT-GPST=19 （s）

GPS时间系统与各种时间系统的关系见图 2-6所示：

思考题：每天电视和广播中播送的北京时间是属于何种时间？

第三章卫星运动基础及 GPS卫星星历

3.1 概述

1. 1. 作用在卫星上力

卫星受的作用力主要有：地球对卫星的引力，太阳、月亮对卫星的引力，大气阻力，大气光压，地球潮汐力等。

虽然作用在卫星上的力很多，但这些力的大小却相差很悬殊。如果将地球引力当作1的话，其它作用力均小于10-5。

2. 2. 二体问题

研究两个质点在万有引力作用下的运动规律问题称为二体问题。

3．卫星轨道和卫星轨道参数

卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道。

描述卫星轨道状态和位置的参数称为轨道参数。

3．无摄运动和无摄轨道

仅考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动。

无摄运动的卫星轨道称为无摄轨道。

第三章卫星运动基础及 GPS卫星星历

3.2 卫星的无摄运动

卫星运动的轨道参数

卫星的无摄运动可由一组经过选择的具有鲜

明几何意义的轨道参数来描述，它们是：

Ω——升交点赤经。

i——轨道面倾角。

a——卫星轨道为椭圆。

e——卫星轨道为椭圆。

ω——近地点角距。

M——平近点角。

以上六个轨道参数，前 5个是常数，不随时间变化而改变，大小由卫星发射条件所决定。

卫星S围绕地球质心 O的运动关系如图 3-1所示。

二体问题的运动方程

在图3-1中所示的二体问题中， 依据万有引力定律可知， 地球O作用于卫星 S上的引力

F为：

F

GmM

2

r

r

o

(3-1)

式中：G——万有引力常数， G=(6672±4.1)

M,m ——地球和卫星的质量；

×10-14N

·m2/kg2

；

——卫星的在轨位置矢量。

由牛顿第二定律可知，卫星与地球的运动方程：

as

Gmro

ae

GMro

(3

2)

r2

r2

设a为卫星S相对于

O的加速度，则：

aas

ae

G(Mm)ro

(3-3)

r2

由于M远大于m，通常不考虑

m的影响，则有：

a

GM

ro

(3

4)

r2

取地球引力常数

μ=GM=1，此时（3-4）式可写成为：

a

1

ro

(3

5)

r2

设以O为原点的直角坐标系为

O-XYZ，S点的坐标为（X，Y，Z），则卫星S的地心向径

r=（X，Y，Z），加速度a

(X,Y,Z)，代入（3-4）得二体问题的运动方程：

X

X

r3

&&

Y

Y

(36)

r3

Z

Z

r3

上述方程解的一般形式为：

r

g(a,e,i,,

,,t)

dr

g(a,e,i,

(37)

dt

,,)

二体问题微分方程的解

1、卫星运动的轨道平面方程

直接由微分方程（ 3-6）求积分，可得卫星运动的轨道平面方程：

AX

BY

CZ

0

(3

8)

式中，X,Y,Z是卫星在地心天球坐标系中的坐标，

A

hcos

sin

i

B

hcos

sin

i

C

hcosi

(3

9)

h2

a(1

e2

)

2、卫星运动的轨道方程

卫星运动的轨道方程为：

r

h2

ecos(

))

(3

10)

(

)/(1

由于

V，所以（3-10）式可以真近点角

V表示：

r

a(1

e2)/(1ecosV)

(3-11)

另外由二体运动的微分方程可求出常用的表示卫星运动速度

U的活力积分：

U2

(2

/

r

1/

a)

(312)

3、用偏近点角

E代替真近点角V

由表示偏近点角

E与真近点角V的关系的图

3-2，不难证明:

OR

rcosV

a(cos

E

e)

(3

13)

另外还可导出V和E的关系：

cosE

e

cosV

ecosE

1

(3

14)

V

1

e

E

tan()

1

tan(

)

2

e

2

4、开普勒方程

设卫星的运动周期为 T，则卫星平均角速度为：

2

(315

n

T

由此得到开普勒第三定律的数学表达式：

n2a3

(3

16)

建立轨道坐标系：坐标原点

O在地心，X轴指向椭圆轨道近地点

P，Y轴为轨道椭圆的

短轴，Z轴为轨道椭圆的法向。在此坐标系下可以得出著名的开普勒轨道方程：

n(t)E

esinE

(3

17)

思考题：任意时刻的卫星位置及其运动速度可有哪几个元素唯一地确定？

第3.13.2

节

GPS定位原理及应用》授课教案第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号

4.1GPS卫星的导航电文

GPS卫星的导航电文（简称卫星电文又叫数据码（ D码））：是用户用来定位和导航的数

据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延码转换到捕获 P码的信息。

它的基本单位是长1500bit

的一个主帧（如图

4-1所示），传输速率是

50bit/s,30

秒钟

传送完毕一个主帧。一个主帧包括

5个子帧，第

1、2、3子帧每30秒钟重复一次，内容每

小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要

750秒钟才能够传送完。即第

4、5子帧是

12.5分钟播完一次，然后

再重复之，其内容仅在卫

星注入新的导航数据后才

得以更新。

4.1.1

遥测码（TLW，即

TelemetryWord）

遥测码位于各子帧的

开头，它用来表明卫星注

入数据的状态，以次指示

用户是否选用该颗卫星。

4.1.2转换码（HOW,即

HandOverWord）

转换码位于每个子帧的第二个字码，其作用是提供帮助用户从所捕获的

C/A码转换到捕

获P码的Z计数，它表示从每星期天零时到星期六

24小时，P码子码X1的周期（1.5

秒）

重复数。

第一数据块

第一数据块位于第1子帧的第3~10字码，它的主要内容包括：①标识码，时延差改正；②星期序号；③卫星健康状况；④数据龄期；⑤卫星时钟改正系数等。

时延差改正Tgd

时延差改正Tgd就是载波 L1、L2的电离层时延差。当使用单频接收机时，为了减小电

离层的影响，提高定位精度，要用 Tgd改正观测结果，双频接收机可通过 L1，L2两频率的

组合来消除电离层的影响，不需要此项改正。

数据龄期AODC

卫星时钟的数据龄期AODC是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。

AODC=Toc-tl (4-1)

式中：toc为第一数据块的参考时刻； tl 是计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间。

星期序号WN

WN表示从1980年1月6日子夜零点（ UTC）起算的星期数，即 GPS星期数。

卫星时钟改正

GPS时间系统是以地面主控站的主原子钟为基准。 由于主控站主钟的不稳定性， 使得GPS

时间和UTC时间之间存在着差值。

地面监控系统通过临测确定出这种差值，

并用导航电文播

发给广大用户。

每一颗

GPS卫星的时钟相对

GPS时系存在着差值，需加以改正，这是卫星时钟改正：

ts=a0+a1(t-toc)+a2(t-toc)2

(4-2)

式中，

a0,a1,a2

含义见

3.4

节。

第二数据块

包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。描述卫星的运行及其轨道的参数包括下列三类。（如图4-2所示）

1.开普勒六参数

这6个参数为： a ，e,i0,

ω,M0（其含义同 3.4）。

Ω0,

2.轨道摄动九参数

这 9个参数为：

Cuc,Cus,Crc,Crs,Cic,Cis

n， , ，

（其含义同

3.4）

3.时间二参数

(1)从星期日子夜零点开始度量的

星历参考时刻 toe；

(2)星历表的数据龄期 AODE，

有:AODE＝toe-t1 （４－３）

式中t1为作预报星历测量的最后观测时间，因此 AODE就是预报星历的外推时间长度。

第三数据块

第三数据块包括第 4和第5两个子帧，其内容包括了所有 GPS卫星的历书数据。当接收

机捕获到某颗GPS卫星后，根据第三数据块提供的其他卫星的概略星历、时钟改正、卫星工作状态等数据，用户可以选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。

第4子帧

第2，3，4，5，7，8，9，10页面提供第25～32颗卫星的历书；

(2)

第17

页面提供专用电文，第

18页面给出电离层改正模型参数和

UTC数据；

(3)

第25

页面提供所以卫星的型号、防电子对抗特征符和第

25～32

颗卫星的健康状况；

(4)

第1，6，11，12，16，19，20，21，22，23，24页作备用，第

13，14，15页为空

闲页。

第5子帧

第1～24页面给出第1～24颗卫星的历书；

第25页面给出第1～24颗卫星的健康状况和星期编号。

在第三数据块中，第4和第5子帧的每个页面的第3字码，其开始的8个比特是识别字符，且分成两种形式：（a）第1和第2比特为电文识别（DATAID）；(b)第3～8比特为卫星识别（SVID）。

第 4.1 4.2 4.3 4.4 节

GPS定位原理及应用》授课教案第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号

4.2GPS卫星信号

概述

GPS卫星信号是 GPS卫星向广大用户发送

的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、

测距码和数据码。时钟基本频率为 10.23MHz。

GPS信号的产生，如图 4-3所示。

GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于

导航定位的已调波，其载波处于 L(22cm)波段，

其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合

码。GPS卫星向广大用户发送的导航电文称为

数据码，其码的码率 f=50HZ。怎样才能有效将

低码率的导航电文发送给用户这是关系到 GPS

系统成败与否的大问题。一种有效的发送方法

是：用低码率的数据码作二级调制 (扩频)。第

一级，用 50Hz的D码调制一个伪噪声码，如调制一个被叫做 P码的伪噪声码，后者的码率

高达10.23MHZ。D码调制P码的结果是形成一个组合码，致使 D码信号的频带宽度从 50Hz

扩展到了10.23MHZ，也就是说，GPS卫星原拟发送50bit／s的D码，转变为发送10.23Mbit／s的组合码P(t)D(t)。

在D码调制伪噪声码以后， 再用它们的组合码去调制 L波段的载波，实现D码的第二级调

制．从而形成向用户发送的已调波。每颗 GPS卫星向用户发送两种巳调波。为了叙述方便，

分别将两者称为第一和第二 GPS卫星射电信号，总称为 GPS信号。

1、两种载波

在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。GPS使用两种载波：

L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHz,波长λ1=19.032cm,

L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHz,波长λ2=24.42cm。

选择这两个载频，目的在于测量出或消除掉由于电离层而引起的延迟误差。

2、测距码

GPS卫星的测距码是用调相技术调制到载波上的。调制码幅值只取 0或1。如果当码值

取0时，对应的码状态取为 -1，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。 这时，

当载波和相应的码状态 +1相乘时，其相位不变，而当与码状态-1相乘时，其相位改变 180°。

所以当码值从 0变1或从1变为0时，都将使载波相位改变 180°。这时的载波信号实现了

调制码的相位调制（见图 4-4a）。

3、数据码

数据码即为 4.1节中的导航电文。

根据这一原理，GPS中的三种信号将按图

4-4b的线路进行合成，然后向全球发射，形

成今天随时都可以接收到的 GPS信号。

从图上看出，卫星发射的所有信号分量

都是由同一基本频率 f0(A 点)产生的，其中

包括：载波 L1(B点)，L2（C点），粗测距码

C/A（D点），精测距码（F点）和数据码（ G

点）。经卫星发射天线（ H点）发射出去。发

射的信号分量包括： L1-C/A（J点），L1-P信

号（K点），L2-P信号（L点）。

伪随机噪声码的产生及特性

伪随机噪声码又叫伪随机码或伪噪声

码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。

1、 产生方式 伪随机码的产生方式很多。 GPS技

术采用 m系列，即产生于最长线性反馈移

位寄存器。下面以一个由四级反馈移位寄

存器组成的 m序列为例。假设初始状态为

(a3,a2,a1,a0)= （1，0，0，0），则在每移

一位时，由 a3和a0模2相加，产生新的

输入a3⊕a0，使状态变为（ 1，1，0，0）。

这样移位 15次，又回到初始状态。在完成

这一过程中，其输出端产生一个随机码—

—

1

0

0

1

。

见

图

4-5。

M序列有下列特性：

均衡性：在一个周期中，“1”与“0”的数目基本相等，“1”比“0”的数目多一个。它不允许存在全“0”状态。

(2)游程分布：在序列中，相同的码元连在一起称为一个游程。一般说来，长度为

游程占总数的 1/2，长度为 2的游程占总数的 1/4，余此类推。连“ 1”的游程和连“

游程各占一半。

1的

0”的

(3)移位相加特性：一个 m序列

相加，得到的 ms仍是m序列，即:

mp与其经过任意次延迟移位产生的另一个序列

mr模

2

mp⊕mr=ms(m序列)

(4-6)

(4)自相关函数：根据自相关函数的定义，可求得

m序列的自相关函数：

A

D

AD

R(j)

D

(47)

A

m

式中:A为m序列与其 j次移位序列一个周期中对应元素相同的数目；

D为m序列与其 j次移位序列一个周期中对应元素不同的数目；

M为m序列的周期,M=2n-1。

根据以上 m序列的特性，其自相关函数为：

1 当j 0, m, 2m,L

R(j)

1

当j0,m,2m,LL

m

现将 m序列的自相

关函数示于图 4-6中。由

此图看出，m序列的自相

关函数只有两种取值 1

或-1/m。这一特殊性非常

重要，GPS信号接收机就

是利用这一特性使所接收的伪噪声码和机内产生的伪噪声码达到对齐同步，进而捕获和识别来自不同GPS卫星的伪噪声码，解译出它们所传送的导航电文，测定从卫星到测站之间的距离等。

2、伪噪声特性：如果我们对随机噪声取样，并将每次取样按次序排成序列，我们发现

其功率谱为正态分布。 由此形成的随机码具有噪声码的特性， 伪随机码特性上与随机噪声十

分相似，具有的良好的自相关特征和确定的编码规则，使我们人工能复制出来。

码

1、产生方式 C/A 码是伪随机操声码的中一种，用于粗测距和捕获 GPS卫星信号的伪

随机码。它是由两个 10级反馈移位寄存器构成的 G码产生的。两个移位寄存器于每星期六 /

日子夜零时，在置“1”脉冲作用下全处于 1状态，同时在码率 1.023MHz驱动下，序列G1(t)

和G2(t)。G2(t)序列经过相位选择器，输入一个与 G2(t)平移等价的 m序列，然后与 G1(t)

模2相加，便得到 C/A码:

C/A(t)

G1(t)

G2(t

it0)

2、C/A码特

点 从这些G（t）

码中选择 32个码

以PRN1 PRN32

命名各种 GPS卫

星。由于C/A码长

很短，易于捕获，

所以 C/A码除了

作为粗测码外，还

作为 GPS卫星信

号的捕获码。并由

此过渡到捕获 P

码。

3、C/A

码精

度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宽的 1/10～1/100，则此进

相应的测距误差为 29.3～2.93m。现代科学技术的发展，使得测距分辨率大大提高。一般最

简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到 0.1m。

码

1、产生方式 P码是卫星的精测码，码率为

10.23MHz。它是由两个伪随机码

PN1(t)

和

PN2(t)的乘积得到的。

PN1(t)是由两级 12位移位寄存器构成的。两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编码

14501和17147形成周期为 1.5秒的m序列PN1（t）。

N

267天

38星期

Tp

相应的周期为

:

fp

,在实际应用中，P码采用7天的周期，即

在P(t)=PN1(t)?PN2(t+niτ)中截取段周期为7天的P码，并规定每星期六午夜零点使

P码

置全“1”状态作为起始点。

2、P码精度

P码周期为约

267天才重复一次。因此，实际上

P码周期被分为

38部

分(每一部分周期为

7天，码长约为

6．19X1012比特)，其中有一部分闲置，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。因为

P码的码长约为6．19x1012比特，所以如果仍采

用搜索C／A码的办法来捕获

P码，即逐个码元依次进行搜索，当搜索的速度仍为每秒

50

码元时，那将是无法实现的

(约需

14x105天)。因此，一般都是先捕获

C／A码，然后根据

导肮电文中给出的有关信息

(即

Z计数，获得观测时刻在

P码中的位置

)，便可容易地捕获

P

码。

另外，由于P码的码元宽度为C／A码的1／10，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l／10～l／100，则由此引起的相应距离误差约为2．93-0．29m，仅为C／A码的

1／

10。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。

3、P码特点 根据美国国际部规定， P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地

型接收机才能接收 P码，且价格昂贵。即使如此，美国国防部又宣布实施 AS政策，即在

码上增加一个极度保密的 W码，形成新的 Y码，绝对禁止非特许用户应用。

P

第4.14.24.34.4节

9.1 概 述

GPS接收机采集记录的是 GPS接收机天线至卫星伪距、载波相位和卫星星历等数据。如

果采样间隔为 20秒，则每20秒记录一组观测值， 一台接收机连续观测一小时将有 180组观

测值。观测值中有对 4颗以上卫星的观测数据以及地面气象观测数据。 GPS数据处理要从原

始的观测值出发得到最终的测量定位成果， 其中数据