GPS全球定位系统原理与应用

科学技术探秘

第十一讲

GPS全球定位系统

原理与应用Slide2

第一部分GPS技术及其发展GPS——GlobalPositioningSystem定义：GPS是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。Slide3卫星定位技术发展的回顾1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，50年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。Slide4卫星定位技术发展的回顾人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。Slide5卫星定位技术发展的回顾尽管NNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（5-6颗），运行轨道低（1000km）,观测时间长（1.5小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测1-2天；精度低，单点定位精度3-5m，相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。Slide6卫星定位技术发展的回顾为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部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“导航卫星授时测距/全球定位系统”（NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem）简称全球定位系统（GPS）。为使GPS具有高精度连续实时三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取了若干改善措施。Slide7GPS系统的特点全球性连续覆盖，全天候工作定位精度高观测时间短测站间无需通视可提供三维坐标操作简便功能多，用途广Slide8GPS定位系统的组成GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。因此，GPS定位系统是由以下三个部分组成：（1）GPS卫星星座（空间部分）（2）地面监控系统（地面控制部分）（3）GPS信号接收机（用户设备部分）Slide9这三部分有各自独立的功能和作用，对于整个全球定位系统来说，它们都是不可缺少的。Slide10GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。卫星星座的分布设置要保证地球上任何地点，任何时刻至少可以同时观测到四颗卫星。GPS卫星星座组成GPS卫星星座6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星

保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座：28颗GPS卫星星座组成Slide12铯原子钟计算机2块7m2的太阳能翼板无线电收发两用机导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）姿态控制和太阳能板指向系统GPS卫星Slide13GPS卫星结构双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为1.5m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。GPS卫星结构Slide14GPS卫星迄今已设计了三代。第一代Block1型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射了11颗，设计寿命5年，现已停止工作。第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共研制了28颗，设计寿命7.5年，从1989年初到1994年上半年发射完毕。第三代Block3和2R型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。GPS卫星星座组成

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。BlockⅡA的功能比BlockⅡ大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。BlockⅡ只能存储供45天用的导航电文，而BlockⅡA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。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。BlockⅠ卫星BlockⅡ卫星BlockⅡR卫星Slide22GPS星座参数卫星：24颗轨道：面6个长半轴：26609km偏心率：0.01轨道面相对赤道面的倾角：55°各轨道面升交点赤经相差：60°相邻轨道卫星升交距角相差：30°卫星高度：20200km卫星运行周期：11小时58分钟Slide231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。2利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。3通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4向用户发送定位信息。5在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。GPS卫星的基本功能Slide24GPS地面监控部分GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3个）1、监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。Slide25主控站监控站监控站注入站/监控站注入站/监控站注入站/监控站控制站的分布夏威夷卡瓦加兰（太平洋）狄哥

伽西亚（印度洋）阿松森岛（（大西洋）科罗拉多Slide26GPS地面监控部分2、主控站：地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4）启用备用卫星代替失效工作卫星。Slide27GPS地面监控部分3、注入站：主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。Slide28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L1L2S波段GPS卫星GPS卫星地面监控系统流程图Slide29GPS地面控制部分的作用负责监控全球定位系统的工作：监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户保持各颗卫星的时间同步必要时对卫星进行调度Slide30GPS用户设备部分用户部分组成GPS信号接收机及相关设备GPS接收机接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备GPS接收机的作用接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作Slide31GPS接收机DSNPLEICAGARMIN

TRIMBLEASHTECHJAVADSlide32GPS接收机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。单点实时定位精度较低，一般为±10m,有SA影响时为±100m。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：按接收机的用途分类可分为：

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。由于卫星的运动速度高达7公里/秒以上，因此对接收机的要求更高。（1）SA美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）、在GPS基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。（2）卫星星历误差在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。Slide35（3）卫星钟差卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。（4）卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。Slide36

测地型接收机

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

这类接收机主要利用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。平方型接收机平方型接收机是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。混合型接收机这种仪器是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。干涉型接收机这种接收机是将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。GPS用户设备部分GPS接收机结构天线单元：包括接收天线和前置放大器。对天线的性能要求有：高增益、低噪声系数、大的动态范围等；接收单元：接收信号并处理，计算需要的信息；通道单元：包括码延迟锁定环（DLL）和载波相位锁定环（PLL）；计算和显示单元：根据采集到的信息，计算和显示三维坐标和速度；存储单元：用于存储输入的各种数据;电源：提供接收机需要的电能。天线单元类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫

星信号的部件，由无线电元器件、

数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复

用通道和多通道；根据工作原理：码相

关通道、平方通道等。基本结构天线前置放大器信号处理器微处理器振荡器控制、显示及存储设备电源Slide46SPS与PPSSPS–标准定位服务，使用C/A码，民用PPS–精密定位服务，可使用P码，军用SA（已于2000年5月1日取消）SelectiveAvailability–选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。方法ε技术：轨道加绕（长周期，慢变化）δ技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS–Anti-Spoofing反电子欺骗–P码加密，P+W->Y美国政府的GPS政策Slide47实施政策SPSPPSSAASC/APC/AP关关40104010开关100954010开开1004010关开404010实时单点定位的平面精度（m）Slide48非特许用户对美国限制性政策的措施GLONASS全球导航卫星系统Galileo系统北斗系统：我国的第一代卫星导航系统Slide491、GLONASS类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12颗卫星；20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划；1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星；1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力；由于经济原因，2000年，天空上的GLONASS卫星仅为8颗；“格洛纳斯”导航系统目前在轨运行的卫星已达30颗，俄航天部门在2014年再发射3颗。Slide50GLONASSSlide512、Galileo背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场

GLONASS、GPS均由军方控制欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的系统。参股共建，收费。阶段：（一）2000年前，可行性评估或定义（二）2001~2005，开发和检测（三）2006~2007，部署（四）2008，商业运行Slide52欧盟为何重视伽利略计划首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。权威部门预计：伽利略计划将为欧盟创造１５万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有１００亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就可在２００８年至２０２０年将获得１５０亿欧元收入第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务。第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有主导权。

Slide53Galileo计划的历程历程：阿基米德-GEO-HEO-MEO-LEO---Galileo主要面临的困难：投资巨大：“伽利略系统”高达36亿欧元的造价美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计划的通过各国的态度:美国：美国说“伽利略”是个很坏的计划法国：对美国的垄断感到不满德国、荷兰、英国：经济Slide54Galileo计划概况伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS争夺市场。中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。Slide553、北斗系统Slide563、北斗系统目的：快速定位、实时导航，简短通讯，精密授时定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。3、北斗系统北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射16颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。Slide57Slide58定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣北斗系统定位的特点地面中心站用户S1S2DS1DS2D1D2Slide59集团用户解决方案地面数据处理中心可以：利用北斗用户的实时运行轨迹和相关地图对动态用户进行导航和交通管制遥测北斗用户接收机的工作状态，报警用户收发机的故障，识别用户身份，控制用户使用响应并回复集团用户对下属用户的定位审查Slide60第二部分GPS基础概念坐标系统时间系统GPS卫星星历导航电文和卫星信号Slide61GPS坐标系统在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方便。Slide62坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在GPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。GPS坐标系统Slide63第二部分GPS基础概念坐标系统时间系统GPS卫星星历导航电文和卫星信号Slide64GPS时间系统在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同。Slide65GPS时间系统在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：

GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于2.610-6s。

准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于310-11sSlide66第二部分GPS基础概念坐标系统时间系统GPS卫星星历导航电文和卫星信号Slide67GPS卫星轨道卫星轨道在GPS定位中的意义卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。由于利用GPS进行导航和测量时，卫星作为位置已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。此外，为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。Slide68GPS卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。Slide69第二部分GPS基础概念坐标系统时间系统GPS卫星星历导航电文和卫星信号Slide70关于GPS卫星信号GPS卫星所发射的信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或D码）等多种信号分量，而其中P码和C/A码统称为测距码。GPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题，GPS的用户，一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，对理解GPS定位的原理仍是有必要的。GPS卫星信号Slide71GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素；（1）适应多用户系统要求。（2）满足实时定位要求。（3）满足高精度定位需要。（4）满足军事保密要求。GPS卫星信号Slide72GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。测距码Slide73C/A码C/A码：是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，所以C/A码通常也称捕获码。C/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的1/10~1/100，则相应的测距误差为29.3~2.93m。由于精度低，又称粗码。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0.1米。Slide74P码P码是卫星的精测码，码率为10.23MHZ，产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。P码的周期长，267天重复一次。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，仅为C/A码的1/10，故P码称为精码。根据美国国防部规定，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，而且美国国防部的AS政策更是绝对禁止了非特许用户应用。Slide75GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行