GPS卫星测量原理解析

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（3）开发GPS与GLONASS兼容接收机 由于GPS和GLONASS在系统的构成、工 作卫星的数目、工作频段和定位原理上都 相似，开发能同时跟踪观测两系统的兼容 接收机，不仅可增加可观测卫星数目，而 且可有效地减弱美国限制性政策（SA） 的影响，提高导航定位的安全性、可靠性 和准确性。
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3. 用户设备部分 GPS接收机: 接收GPS卫星发射的无线 电信号，获得必要的定位信息和观测 量，经数据处理完成定位工作。 GPS接收机由硬件和数据处理软件、 微处理机及终端设备组成。接收机硬 件包括主机、天线和电源。
GPS卫星测量原理
东华理工学院
GSI Japan - 21st of June 1999
第一节 导言
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§1.1 GPS定位技术的兴起与技术特点 1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，40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。 1. GPS的由来 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”（Navy Navigation Satellite System—— NNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午 (Transit)卫星系统”。
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（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。
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§ 1.2 GPS的组成概况
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1. 空间星座部分 （1） GPS卫星星座组成 24颗卫星，其中3颗备用，分布在6个轨道面 上。轨道面相对地球赤道面的倾角为550， 各轨道平面升交点赤经相差600，相邻轨道 上卫星的升交距角相差300。轨道平均高度 约20200km，运行周期11h58m。因此，同 一测站上每天出现卫星分布图形相同，只是 每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5小时 在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星 数目，随时间地点而异，最少4颗，最多达 11颗。
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GPS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。
100m（水平）和150m（垂直），且此影响是可变的。
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（3） 精密测距码的加密措施（AS） P码的加密措施也称反电子欺骗措施。当P码 被解密，或在战时，对方如果知道了特许用 户接收机所接收的卫星信号的频率和相位， 便可以发射适当频率的干扰信号，诱使特许 用户的接收机锁错信号，产生错误的导航信 息。为防止这种电子欺骗，进一步加密P码， 美国将在必要时引入机密码W，通过P码和W 码的模2相加，将P码转换成Y码。
2. GPS系统的特点
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GPS定位技术相对于经典测量技术，有如下特点： 1 观测站之间无需通视。但应保证观测站上方开阔。 2 定位精度高。目前在小于50km的基线上，相对定位精 度可达1-210-6，在100km-500km的基线上可达10-610-7，随着观测技术和数据处理方法的改善，在大于 1000km的基线上，相对定位精度可望达到10-8。 3 观测时间短。对于小于20km的短基线快速相对定位只 需几分钟。 4 提供三维坐标。 5 自动化程度高，操作简便。测量员只需安装并开关仪 器、量取仪器高、监视仪器工作状态和采集环境气象 数据。而卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自 动完成。 6 全天候作业。任何时间任何地点连续进行，一般不受 天气影响。
地面监控站的分布
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（2） 主控站 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。
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（2）实施选择可用性政策（SA） 为进一步降低SPS的定位精度，对工作卫星发射的信号进行人 为干扰，通过所谓的（epsilon)和（delta)两种技术来实现。
技术是干扰卫星星历数据，通过降低GPS卫 星播发的轨道参数精度，来降低利用C/A码 进行实时单点定位的精度。 技术是在GPS的基准信号中人为地引入一个 高频抖动信号，以降低C/A码伪距观测量的 精度。 在SA的影响下，SPS实时单点定位精度降为
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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。 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。
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PPS可提供L1、L2载波上的P码（不公开 的保密码），L1载波上的C/A码、导航电 文和消除SA影响的密匙，服务对象是美国 军事部门和其它特许用户。利用P码能获 得较高精度的观测量，且通过两种频率测 距可消除电离层折射的影响，单点实时定 位精度5-10m。 SPS只能利用L1载波上的C/A码和导航电 文，获得精度较低的观测量，无法利用双 频技术消除电离层的影响，单点实时定位 精度20-40m。
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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”（Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning System） 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。
GPS卫星
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卫星时钟的稳定性
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钟型 石英钟
时间频率 Hz 每日稳定度f / f 钟差1s所需时 间 5000000 10-9 30年
铷钟
铯钟 氢钟
683468261 3 919263177 0 142040575 1
10-12
10-13 10-15
30 000年
300 000年 30 000 000年
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GPS卫星的基本功能 1 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。
实时单点定位的平面精度 m
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实施政策 SA AS 关 关
开 开 关 关 开 开
SPS C/A 40
100 100 40
P 10 95
PPS C/A 40
40 40 40
P 10 10 10 10
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2. 非特许用户对美国限制性政策的措施 为摆脱和减弱美国限制性政策影响，各国 广泛开展研究、开发和实验，取得了有效 结果。 （1）建立独立的GPS卫星测轨系统：利用 GPS卫星，建立独立的跟踪系统，精密的 测定卫星轨道，为用户提供服务。 我国已经建成了北京、武汉、上海、西安 、拉萨、乌鲁木齐等永久性GPS跟踪站， 对GPS进行精密定轨，为高精度的GPS定 位测量提供观测数据和精密星历服务。
定位系统 卫星数目 平均高度 运行周期 L1 GPS 21+3 20200 19100 20178 718min 675min 720 15651586 16031616 15611569 L2 12171238 12461256 12241232
GLONAS 21+3 S NAVSAT 12+6
GLONASS星座
来自百度文库
（2）建立独立的卫星定位系统
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最具代表性的是前苏联建立的全球导航卫星系统（ Global Navigation Satellite System—GLONASS）。 该系统与GPS相似，21+3颗卫星，均匀分布在三个轨道 面上，轨道面倾角64.80，运行周期11h15m，1995年建 成。导航精度平面为100m，速度为15cm/s，时间为1s 。
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2. 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） （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。
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（2）GPS卫星及其功能 GPS卫星主体呈圆柱形，直径1.5m，重 774kg，两侧有两块双叶太阳能电池板，自动 对日定向。每颗卫星装有4台高精度原子钟（ 卫星的核心设备）（2台铷钟和2台铯钟）， 发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度 时间标准。未来卫星将采用更稳定的原子钟 。 因为10-9s的时间误差将引起30cm的站星距 离误差。
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接收机
§ 1.3 美国政府的GPS限制性政策
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1. 美国对GPS用户的主要限制性政策 为保障美国的利益和安全，该系统在设计时 采取了一些措施来限定非特许用户获取GPS 观测量的精度。 （1） 对不同的用户提供不同的服务方式 GPS卫星发射的无线电信号含有两种不同精 度的测距码，即P码（精码）和C/A码（粗码 ）。相应两种码提供两种定位服务方式，即 精密定位服务（Precise Positioning Service—PPS）和标准定位服务（Standard Positioning Service—SPS）。
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GPS与NNSS的主要技术特征
系统特征 载波频率MHz
卫星平均高度km 卫星数目 颗 运行周期 min 卫星钟稳定度
NNSS 400， 150
1100 5-6 107 10-11
GPS 1575， 1227
20200 21+3 720 10-12