卫星定位理论与方法-第10次课

卫星定位理论与方法测量与导航工程系导航与定位教研室陈明剑第10次课GPS概述卫星定位发展的概况1957年10月4日，世界第一颗人造地球卫星SPUTNIK－1发射成功，标志空间科学进入一个崭新的时代。20世纪60年代卫星定位技术问世。卫星定位发展分为三个阶段：卫星三角测量、卫星多普勒定位、GPS卫星定位1.卫星三角测量原理satellitetriangularsurveying人造地球卫星只是做为一种空间动态观测目标，由地面站拍摄卫星的瞬时位置而测定地面点的坐标，称为卫星三角测量。s1s2sascsascCBAS*S*S*S*A、C两站用卫星摄影仪同步拍摄卫星S1影像Sa、Sc天文年历查出S*推算出方向AS1和CS1，得同步平面ACS1观测S2，得同步平面ACS2相交得AC同理得BC相交得C资料处理复杂，精度不高，不能获得三维坐标小知识：1966－1972美国国家大地测量局(NGS)在美国和联邦德国测绘部门得协助下，应用卫星三角测量方法，测量具有45个测站得全球三角网，获得5m得点位精度2.卫星多普勒定位测量（satellitedopplersurveying）1958年底，美国海军和詹斯。霍普金斯大学应用物理实验室联合建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem-NNSS）。1959年发射第一颗试验卫星。传统的无线电导航系统从此被这种新的导航方式取代。目的：给“北极星”核潜艇提供全球性导航系统1964年该系统建成，随即在美国军方启用；1967年美国政府批准该系统解密，并提供民用。1000公里周期107min卫星轨道近似位圆形，并且经过地球南北极上空，故称为子午卫星利用子午卫星射电信号测定地面点位置的技术称为卫星多普勒定位利用奥地利物理学家多普勒1842年发现的多普勒效应：

当波源与观测者作相对运动时，波源发射频率与观测者接收频率之间具有以下关系：2.卫星多普勒定位测量（satellitedopplersurveying）意义：(1)卫星不再做为单纯的空间动态观测目标，而是通过轨道参数介入定位计算得动态已知点（2）观测不再采用传统的几何模式，而是通过地面站接收卫星发射的信号测定站站星距离来定位s1Psisu波源运动的向径速度：记称为多普勒频移积分可得卫星与测站间的距离测站位置可得：缺点：卫星数少，不能实现连续实时导航定位对于同一地点两次子午卫星通过的间隔时间为0.8~1.6小时，对于同一子午卫星，每天通过次数最多为13次，间隔时间更长。一台卫星多普勒接收机一般需成功观测15次卫星通过，才能达到10m的单点定位精度卫星轨道高度低，难以实现实时精密定轨平均高度为1070km信号频率低，难以补偿电离层效应得影响射电信号频率为400MHZ和150MHZ，只能消弱电离层效应的低阶项影响2.卫星多普勒定位测量（satellitedopplersurveying）小知识：在美国子午卫星定位系统建立的同时，前苏联也于1965年开始建立了一个卫星导航系统，叫做“CICADA”该系统有12颗所谓的宇宙卫星。1973年美国国防部便开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem-NAVSTAR/GPS），而通常简称为“全球定位系统”（GPS）。3.GPS卫星定位测量（GPSsurveying）GPS系统研制计划分3个阶段：原理与可行性试验阶段，1973年12月到1978年2月22日第一颗试验卫星发射成功，历时5年。系统研制与试验阶段，1978年2月2日到1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功，历时11年。工程发展与完成阶段，1989年2月14日到1995年4月27日美国国防部宣布“GPS系统具备工作能力”，历时7年。自1994年以来，GPS计划已经历了方案论证（1974—1978年）、系统论证（1979—1987年）、生产实验（1988—1993年）三个阶段。总投资超过200亿美元。整个系统分为卫星星座、地面监控和监测站、用户设备三大部分。论证阶段发射了11颗叫做BLOCKI的实验卫星，生产实验阶段发射了叫做BLOCKIIR型第三代GPS卫星，GPS系统由此为基础改建而成。美国已于2005年9月25日成功将首颗新型的GPS2R-M1导航卫星送入地球轨道。第二颗GPS2R-M1卫星预计将在2006年初发射。3.GPS卫星定位测量（GPSsurveying）你的位置是:37o23.323’N122o02.162’W二、GPS系统的组成（theGPScomponents）1.空间星座部分

2.地面监控部分3.用户部分13,000km20,200kmZoneofspacejunk35,420kmGeosynchronousorbit(communicationssatellites)GPSsatelliteorbit24Satellites6orbitalplanes20,000kmhigh12hourorbitsAtleast4Satellitesinview24hoursperdayAnyweather24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度.各个轨道平面之间相距60度，既轨道的升交点赤经各相差60度。LaunchedonDeltaRockets1.空间星座部分重量：774kg（包括310kg燃料）直径：约为1.5m

4台高精度原子钟（两台铷钟和两台铯钟），这是卫星的核心设备。

3种频率工作：L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）用于定位，L3（1381.05MHz）发射能探测到大气中核爆炸的星载传感器信息。1.空间星座部分其设计寿命是七年半。当卫星入轨后，星内机件靠太阳能电池和镉镍蓄电池供电。每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当位置。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行两周，绕地球一周的时间为12恒星时（11小时58分）。每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间“间隙段”是很短暂的，并不影响全球决大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。迄今，GPS卫星已设计了三代，分别为BlockI、BlockII、BlockIII和GPSIIR-M1GPSIIF

GPS卫星区分数量（颗）发射时间用途第一代第二代第三代BlockIBlockII，IIABlockIII，IIIR1128201978－19851988－199490年代末系统实验正式工作改善GPS2005年9月25日升空GPSIIR-M1是美国洛克希德·马丁公司研制的新一代导航卫星。它不但可接收和识别目前在轨GPS卫星发出的信号，还可向美国军方发送另外两种新的信号。此外，其发射的民用信号也增加了一种。

CurrentGPSSegmentsSpaceSegmentBlockII/IIAOperationalRockwell(nowBoeing)26onorbitMMD6.0/8.6/10.6yrs

BlockIIROperational/InproductionLockheedMartinAll21procured2onorbit1

DestroyedonlaunchMMD7.8yrsBlockIIFInproductionBoeing(Rockwell)6alreadyprocuredOptionsfor24more

withoutmodernizationMMD12.7yrsUserEquipmentSegmentSignalsin

Space

Military

P(Y)Civil(C/A)P(Y)L2L1DIEGOGARCIACOLORADO

SPRINGSCAPECANAVERALASCENSIONHAWAIIKWAJALEINGroundControlSegmentMaster

Control

Station

(1)MonitorStation(5)GroundAntenna(4)ModernizedGPSSpaceSegmentGPSModernizationplanmeetsWhiteHouseannouncementsofaddingnewcivilserviceswhileimplementingspectrallyseparatedmilitaryservicesP(Y)C/AP(Y)C/AM-codeM-codeL51176.45MHzP(Y)C/AP(Y)C/AM-codeM-codeSignalsinSpaceSignalsinSpaceBlockIIRs(upto12SV’s)AddsC/AtoL2Addsnewmilitary

M-CodeIncreasessignal

powerforexisting

signalsAddscivilL5toallBlockIIFsPursueoptimumApproachforhigherpowerM-codespotbeamL21227.6MHzL11575.45MHzL2L1BlockIIR-ModifiedSatellitesBlockIIFSatellites1.空间星座部分GPS卫星星座的优点保障了在地球上任何地点、任何时间均至少可以同时观测到4颗卫星。空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效的工作是及其重要的。

由于处于高轨位置，对地球覆盖面广。GPS卫星基本功能接收和储存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；向用户播送导航电文，提供导航和定位信息；通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。4.1空间星座部分2.地面监控部分GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球5个地面站所组成，其中包括卫星监控站、主控站和信息注入站。监测站，站内设有双频GPS接收机和高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。

为主控站提供卫星观测数据。每个监测站均用GPS信号接受机对每颗可见卫星每6分钟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。在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每15分钟平滑一次观测数据，依此推算出每2分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。主控站

根据本站和其它监控站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和电离层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。提供全球定位系统的时间基准。各监控站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些信息编入导航电文，送到注入站。调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。启用备用卫星以代替失效的工作卫星。注入站主要设备包括一台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。

其任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。每天注入三次，每次注入14天的星历.注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。

3.用户设备部分

用户设备的主要任务是，接受GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。用户设备包括GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机和终端设备，GPS接收机硬件一般包括主机、天线和电源。导航型接收机：

此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25mm，有SA影响时为±100mm。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型——用于车辆导航定位；航海型——用于船舶导航定位；航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。按接收机的用途分类

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。

授时型接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。按接收机的载波频率分类单频接收机

单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。

双频接收机

双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。按接收机通道数分类

GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：多通道接收机序贯通道接收机多路多用通道接收机按接收机工作原理分类码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。平方型接收机

利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。

混合型接收机综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。干涉型接收机将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。载波 L1 L2 L5频率 1575.42MHz 1227.60MHz 1176.45MHz波长 19cm 24cm码信号 C/A-code - P(Y)-code P(Y)-code NAVDATA NAVDATAC/A-CoarseAcquisitionCodeP-PreciseCode(Y-Codewhenencrypted)NAVDATA-Satellitehealth,satelliteclockcorrections,andephemerisparameters.4.卫星信号5.GPS与NNSS的主要特征比较系统特征NNSSGPS载波频率（GHz）0.15，0.401.23，1.58卫星平均高度（km）约1000约20200卫星数目（颗）5～624（3颗备用）卫星运行周期（min）107718卫星钟稳定度10-1110-12三、GPS特点相对于其他导航系统提供全体候、全球性的导航、定位服务进行高精度、高速度的实时精密导航和定位功能多，精度高。GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。应用广泛，操作简便。Thislevelofaccuracyistypicallygoodenoughforthepurposeofdeterminingyourlocationandtobringyouwithinvisualrangeofadestinationortarget.

相对于经典测量定位技术的特点测站之间无需通视。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之一。GPS测量不要求测站之间的相互通视，因而不再需要建造占标。这一优点可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用占总经费30％～50％），同时也使点位的选择变得更加灵活。观测时间短。目前，利用经典的定位方法，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，提供作业速度，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。

提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确的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、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。操作简便。GPS测量的自动化程度高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态和采集环境气象数据，而其它工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。全天候作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续的进行，一般也不受天气状况的影响。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12×10-6，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，相对定位精度达到或优于10-8。采用的测距码P码C/A码单点定位（m）5－1020－40差分定位（m）13－5测速（m/s）0.10.3测时（ns）100500四、美国的GPS政策

对不同的GPS用户，提供不同的服务方式实施选择可用性（SelectiveAvailability——SA）政策精密测距码（P码）加密措施（Anti-Spoofing——AS）美国对GPS限制的原因：为保障美国的国防安全

2004年12月15日报道

美国白宫15日称新政策最优先的问题是保证GPS系统与其他天基系统至少在某个层次上协调，以确保此种技术无论在何地都便于使用和精确。

另一个优先问题是确保没有军事或其他威胁能够利用全球定位技术扰乱战场作战，或在美国国内外对美国利益发动攻击。建立一个由国防部和交通部共同担任主席的永久执行委员会来调整GPS政策

对不同的GPS用户，提供不同的服务方式

两种服务方式精密定位服务（PrecisePositioningService-PPS），精度：5m～

10m标准定位服务（StandardPositioningService–SPS），精度：5m～

10m实施选择可用性（SA）政策

ε技术：干扰卫星星历数据δ技术是对GPS的基准信号，随机的引入一个高频抖动信号在SA的影响下，利用SPS的实时单点定位精度，降为100m（水平方向）和150m（垂直方向）2000年，克林顿宣布SA政策取消。对GPS基准信号(10.23MHz)引入δ技术,使得基准信号有一个人为地高频抖动。基准信号是产生其它信号(载波，C/A码，P码以及导航电文)的基准，因此，δ技术对所有信号都有影响。引入的ε技术使得导航电文中的卫星参数精度大大降低。ε技术使广播星历的精度从20m降到100m。同时，100m不是一个固定偏差，而是一个没有变化规律的人为随机量。

1996年3月，美称将在2006年最终停止SA政策

2000年5月1日，SA政策解除，GPS单点定位精度为10米 在保障军方安全下，逐步取消AS政策，直接捕获P码蓝线是有SA静态实验，纬度最大漂移约270米，95%是92米； 经度最大漂移约140米，95%是80米红线是取消SA后静态实验，纬度最大漂移约33米，95%是11 米；经度最大漂移约21米，95%是8米

精测距码的加密（A－S）措施

P码W码Y码将P码与严格保密的W码进行模二和运算形成Y码。美国政府宣布：AS只是在国家紧级情况或实验期间实施。非特许用户对美国GPS限制政策的措施建立独立地GPS卫星测轨系统建立独立的卫星定位系统研究开发差分GPS技术以美国为首，从1986年开始建立的国际合作GPS卫星跟踪网（CIGNET-CoorperativeInternationalGPSSatelliteTrackingNetwork），其跟踪站的分布已扩展至欧、亚、非、美、大洋州等五大洲，该跟踪网的测轨精度可达分米级。建立独立的定轨系统，为非特许用户提供精密星历，对于提高定位精度有重大意义。因为GPS卫星属于高空卫星，受大气阻力和地球非球状的引力的影响较少，建立区域定轨监测系统完全有可能确定GPS卫星的精密轨道。我国建立的GPS增强系统，也有我们自己的测轨站。利用北斗卫星转发GPS卫星增强信号。建立独立地GPS卫星测轨系统GPS测轨站分布图研究开发差分GPS技术在相距不远的测站,对同一卫星的观测量具有很强的相关性，许多误差对观测量的影响量相同或相似。因此利用差分技术能消除或明显削弱误差，显著提高定位精度。差分GPS的基本思想是：在坐标为已知的基准站安置GPS接收机，对所有可见的卫星进行连续地观测，可得基准站的GPS观测量。与此同时，根据基准站的已知坐标和所测卫星的已知瞬间位置，也可以计算出差分GPS改正信息，以该值作为修正值发播给移动站的用户。流动站根据修正值来改正同步观测的相应观测量，进而计算流动站的瞬间位置。

WhatisDifferentialGPS?

一些国家和地区正在或已经建立起自己的卫星导航定位系统。俄罗斯的GLONASS已经投入使用；欧洲空间局也正在发展一种以民用为主的卫星定位系统NAVSAT；日本也准备有类似的计划;我国也在建立自己的卫星导航定位系统—北斗导航系统系统。建立独立的卫星定位系统五、GPS发展趋势

导航战计划:所谓“导航战”是指在战场环境下，保证己方充分利用卫星导航，同时阻塞敌军利用卫星进行导航，又使民用卫星导航不受影响。研究开发新一代独立的捕获P码的军用GPS接收机研究开发具有识别能力的电子干扰机提高GPS卫星的自主更新及抗毁能力美国国防部和交通部(DOT)达成协议实施GPS现代化，GPS执委会、GPS顾问会和导航学会(ION)先后召开4次国际会议，讨论GPS现代化的问题，并开展了一系列研究工作。GPS现代化研究内容：

GPS系统的最佳结构；GPS系统性能应具备的最 佳特征；星座图形的优化及星座的 强化；GPS信号结构的改进；GPS第二、三个民用频率 和第二种民用码的选择扩大GPS系统的民用领域GPS系统功能的扩大；GPS和GLONASS的综合 利用；GPS信号强度的提高；GPS误差模型的精化；GPS系统的优化管理；GPS政策和美国国家安全 利益。现代化计划现行GPS系统是25年前设计的，根据国家GPS政策的要求，1997年美国防部发出一个为“GPS现代化”征求军民各界意见的通知，以配合空军制订一个未来全球导航系统和授时系统的顶层设计。GPS现代化的主要目标是增强军用GPS性能，但为使GPS在国际上占据领导地位，压制类似全球卫星导航系统（如GLONASS，GALILE）的发展，确保GPS成为全球惟一标准，GPS现代化在民用服务方面也作了很大改进。增加新的第二和第三个民用频率。增加星座卫星数目。通过增加6～12颗卫星，使工作卫星数目增加到30～36颗.改进现役GPS的ⅡR和ⅡF型卫星及研究下一代GPS－Ⅲ卫星体系结构的三项研制计划GPSModernizationImprovedUserEquipmentRedundantSafety

ofLifeSignalsIncreasedRadiatedPowerServiceforSpaceUsersAugmentations,ImprovedTimingModernizationSatelliteupgradesneededtoimproveaccuracy,reliabilityofGPSforcivilianusersInternationalaviationcommunitymovingtowardsGlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS)IGEB,WhiteHousehavespentovertwoyearsdevelopingplantoaddtwonewcivilianGPSsignalsDODalsoplanstoaddnewmilitarysignalsaroundL1andL2:“M-Code”GoalsofGPSModernizationProgramMilitaryProtection

ofserviceforUS/AlliedforcesAddnewsignalsandincreasedsignalpowertoimproveNavwarcapabilityModifyselectplatformstodetectandlocateGPSjammingDevelopandfieldimprovedanti-jamandsecuritytechnologies

Prevention

ofadversaryexploitationSpectrallyseparatenewmilitarysignalsfromcivilsignals

CivilPreservation

ofcivilusewhileprovidingenhancements

AddnewsignalstoimproveaccuracyandsignalredundancyTheTerminationofSelectiveAvailabilitywasthefirststepintheGPSModernizationProcessAdvantagesofaNewSignalImprovedcross-correlationpropertiesImprovedtrackingcapability--3dBhigherpowerthanCoarseAcquisition(C/A)onL2SignalCharacteristicsTwocodes-onewithdata(mediumcode);onewithout(longcode)CodeslongerthanC/AcodetominimizecrosscorrelationSeparatedbytime-TimeDivisionMultiplexed(TDM)OvercomesomelimitationsofcurrentC/AcodedsignalsGPSSpaceandControlNewCivilCodeonL2GPSSpaceandControl

BlockIIRModernizationPre-ModernizationHeritageSignalsL1C/AL1,L2P(Y)DesignLife10YearsPostModernizationModernizedSignalsHigherPowerL1C/A,L2SecondCivilL1,L2P(Y)L1,L2M-Code

DesignLife10YearsGPSSpaceandControl

BlockIIFModernizationPre-ModernizationHeritageSignalsL1,L2C/AL1,L2P(Y)DesignLife15Years33SatelliteProductionRunPostModernizationModernizedSignalsSimilarPowerL1C/A,L2

CivilSignalL1,L2P(Y)L1,L2M-CodeL5NewCivilSignalDesignLife12Years10YearMMD2RubidiumClocksand1Cesium12SatelliteProductionRunSecondCivilSignalMaintainSpaceUserServiceThirdCivilSignal1ON3menu2Rockwell4567WPT8POS9NAVCLRMARK0OFFNUMLOCKFIXFOM1N42*01”46.12”W091*38’54.36”EL+00862ftZEROIZETheGPSIIISystemReviewentireGPSArchitect