11全球定位系统

第一章前言

1.1全球定位系统

1.1.1 系统概述

The Global Positioning System(GPS) is a satellite-based radio system funded and operated

by the United States Department of Defense.全球定位系统（GPS）是一种基于卫星射频导航的系统，由美国国防部研制。它几乎提供了地球上任何地方、任何时间和任何天气状况下的即时位置、速度和时间（PVT）信息。这一系统起初是为美国军队设计的，而今天却覆盖了全球两千万用户[15]。

GPS offers two kinds of service:the Precise Positioning Service(PPS)and the Standard

Positioning Service(SPS).全球定位系统有两大功能：准确定位功能（PPS）和标准定位功能（SPS）[42]。准确定位功能包含一种“防篡改”特性，用户只有经美国国防部授权获得密钥才能进入。然而，准确定位功能却面向所有民用用户开放。优先利用性于2000年5月2日解除，它是用于降低标准定位信号的。没有了优先利用性，独立用户一般估测位置可以精确到10米、100纳秒[15]。

GPS is comprised of three main components:全球定位系统由三个部分组成：

1.空间部分：全球定位系统的基准星由位于20200千米高空，运行时长近12小时，沿

接近环形的地球轨道运行的24颗卫星组成。每颗卫星沿着同一轨迹，每两条轨道都要经过同一地面固定点。这些空间飞行器（SV）安置在六个轨道平面上，每条轨道有四个主卫星槽。将对开普勒运动是对全球定位系统卫星的运行的完整描述，见附件A。每颗卫星都发射加了时间标记的测距信号和导航数据。

2.控制部分：全球定位系统由GPS联合规划办公室运行控制部监控和操纵。共有5个

监控站分布在世界各地，不间断地追踪监控卫星，通过地面和卫星链接将原始数据和导航信号传到主控制站（MCS）。卫星通过S波段射频从一条专用的地面天线每天至少上传一次星历表和时钟参数，位于科罗拉多斯普林斯的主控制站对历表和参数进行计算。

3.用户部分：全球定位系统接收机对卫星信号进行追踪和解码。它根据星历表估计卫星的位置并根据射频信号的行驶时间测量卫星的距离，然后根据一个简单的数学原理（三维空间的三边测量）推断自身的位置。准确计时是测量卫星距离的关键，卫星上的电子钟几乎是精确而且完全同步的。为了使用价格低廉的石英振子，接收器会额外用一种卫星距离测量仪。有了距离测量仪，接收器不仅可以测算其自身位置，还能消除时钟偏倚。

1.1.2 信号

Each GPS satellite transmits signals on two L-band frequencies:ƒＬ1 at 1575.42MHz and ƒＬ

at 1227.60 MHz. 每颗全球定位卫星在两个L波段频率发送信号：ƒＬ1为1575.42MHz，ƒＬ2 2

。民用和军用卫星都增加了其他频率的为1227.60 MHz [42]。图1-1的第一个波形为载波ƒ

Ｌ1

波段[15,22]。第三波段L5的频率为1176.45 MHz。

Each satellite transmits two different ranging codes: 每颗卫星都发送两种不同的测距码：一个是调制载波L1相位的粗略/接收（C/A）的伪随机噪声（PRN）码，一个是调制载波L1和L2相位的精确（加密）[P(Y)]码[42]。C/A码在一毫秒内每1023比特（或码片）重复一次，或者相当于码片率为1.023Mcps。图1-1的第二个波形为C/A码的一部分。P(Y)码是很长的一个序列（大约1014码片）。每颗全球定位卫星都有唯一的PRN码；因此可以通过PRN 码识别任何一个全球定位卫星。这些扩展频谱码的自相关和交叉相关特性使GPS能够测距。尤其是每个码的自相关性能只有一个主峰，这有助于GPS接收机获取定位信号。主峰的斜度直接决定了测距的精度。不同PRN码之间缺乏相关性使得在同一频率的卫星可以同时发

送信号而不互相干扰。

Both GPS frequencies are also modulated by binary navigation messages transmitted at a rate of 50 bits per second(bps).两种GPS频率要也经过50bps的二进制导航信息调制[42]。图1-1的第三个波形显示出几个导航数据。一个信号由五个300比特的子帧组成，包含了卫星的健康状况、星历表、时钟偏倚参数和天文历书。历表数据描述了航天器目前的轨迹。年历描述的是所有航天器历表数据中精确度衰减的译本。附件A详细描述了导航信息的内容。

图1-1 全球定位系统信号结构图

The structure of these three signal components, i.e., carriers, ranging codes, and navigation data, is diagrammed in Figure1-1. 图1-1所示为载波、测距码和导航数据这三种信号成分[42]。用模2加法将一个码和一条信息组合，再合成二进制信号，用二进制相移键控（BPSK）调制载波。由于单位“米”与“秒”的差别仅仅是相当于真空中光速（约3×108m/s）的一个换算系数，为了方便，通常把“米”与“秒”互换。

1.1.3 测量方法和位置的估算

GPS receivers track satellites, decode navigation messages, and produce code and carrier phase measurements for PVT determination. GPS接收机追踪卫星，解码导航信息，并为测定即时位置、速度和时间而产生代码、测量载波相。

The GPS signal acquisition process consists of a search for both PRN code shift and local carrier frequency offset. 全球定位系统信号的获取包括搜索PRN码转换和本地载波频率偏移。当接收机“嗅”到一个信号，他会用延迟锁定回路（DLL）继续追踪信号，用相位锁定回路（PLL）追踪相位[5,42]。