卫星定位导航系统原理及应用第三讲

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GPS主控站和监控站分布图
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主控站的主要任务
收集和处理本站及各监测站的跟踪测量数据，计算卫 星的轨道和钟参数；
将预测的卫星星历、钟差、状态数据及大气传播改正 参数编制成导航电文传送到注入站；
纠正卫星的轨道偏离，必要时用备用卫星取代失效的 工作卫星；
检测整个地面系统的工作。
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★GPS在测量方面的作用
GPS的问世将导致测绘行业一场深刻的技术革 命。其主要原因在于GPS定位技术和经典测量技术 相比具有如下特点: 第一，观测站之间无需通信；
第二，定位精度高
第三，观测时间短
第四，可提供三维坐标
第五，操作简便
第六，全天候作业。
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因此GPS定位技术的发展,对于经典的测量技 术是一次重大的突破。一方面,它使经典的测量理论 与方法产生了深刻的变革,另一方面,也进一步加强 了测量学与其他学科之间的相互渗透,从而促进了测 绘科学技术的现代化发展。目前GPS定位技术在大
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GPS系统组成
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GPS信号接收机
GPS信号接收机是GPS导航卫星的用户设备， 是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。
它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS 卫星导航定位信号的无线电接收设备。既具 有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、 跟踪和处理卫星微弱信号的特性。
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GPS接收机分类
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★促使美国取消SA政策的原因
第一，随着民间应用开发的不断深入，对定位
精度的要求也不断提高，于是具有较高定位精度的 差分GPS（DGPS）技术和广域差分GPS （WADGPS）技术应运而生，这些技术的应用将使 SA基本失去作用。
第二，同时随着国际用户的增加，改善C／A码 定位精度的要求也日益迫切，有些国际机构已经具 备建立自己的GPS的经济和技术实力，有可能建立 一个类似的系统，这将使美国在军事和技术上失去 优势，在经济上蒙受损失。
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因为基准信号(10.23MHz)是所有卫星信号(载波、 伪噪声码、数据码)的振荡源,故若对基准信号采用δ技术, 人为引入一个高频抖动信号,那么所有派生信号均引入一 个快速变化的高频抖动。C/A码广播星历经过ε技术处理 其精度也将大大降低。在考虑限制 C／A码定位精度的 SA政策初期，曾确定其定位精度为 500 m，后来考虑到 民事用户的需要，最后确定为 100 m。从 1991年 7月 1日开始，全部在轨卫星均已实施SA技术。AS技术即为 将P码经过译密处理变成Y码，Y码是P码与高度机密的W 码模2相加形成的。当实施AS技术时，非特许用户不但 不能使用 P码作实时定位，而且不能进行P码和 C／A码 相位测量的联合求解，甚至不能用P码进行数据平滑。
卫星数目（颗） 轨道数（个） 卫星运行周期(min) 卫星时钟稳定度
NNSS 150，400
约1000
5~6 6
107 10-11
GPS 1227.6，1575.42
约20200
21+3 6
720 10-13
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★GPS在导航方面具有极高的应用价值,它从根 本上解决了人类在地球上和近地空间的导航 和定位问题。在海上，它可用于海上协同作 战、海洋交通管制、海洋测量、海洋石油勘 探、海洋捕鱼、浮标建立、管道和电缆铺设、 海岛暗礁定位、海轮进出港导航等方面；在 空中,它可用于飞机进场着陆、航线导航、空 中加油、武器准确投掷及空中交通管制等方 面；在陆地，它可用于各种车辆、坦克、陆 军部队、炮兵、空降兵和步兵的定位。
军事上的优势，对GPS进行垄断。
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GPS组成
GPS系统由三大部分组成: （1）空间部分-GPS卫星星座 （2）地面控制部分一运行控制系统 （3）用户部分-GPS接收机
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GPS系统三大组成
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空间部分-GPS卫星星座
空间部分由高度约为20230KM的21颗工作 卫星和3颗在轨热备份卫星组成卫星星座。
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措施二，加载第二民用 C／A码和增设第三民 用频率。
措施三，加强建立民用广义差分系统WAAS和 军用差分增强系统WAGE。
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尽管如此，美国政府绝对不会放弃其军事上的
优势，一旦别国对其构成威胁，美国就可能宣布有 权改变GPS信号结构或对其重新加密。即使在和平 时期，美国也将采取措施，对广域差分信号进行加 密，以防止敌对国的使用。因此，美国政府的GPS 政策是双重性的：一方面，为了最大程度地获取经 济利益，鼓励国际应用； 另一方面，为了维持其
(SA OFF)
3m
测速精度 0.3m/s 0.1m/s
授时精度 500ns 100ns
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第三，实时定位
利用GPS导航，可以实时地确定运动 目标的三维位置和速度，由此既可保障运 动载体沿预定航线运行，也可实时监测和 修正航行路线，不可选择最佳航线。
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GPS与NNSS的比较
系统特征 载波频率（MHz） 卫星平均高度（km）
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因此，从Hale Waihona Puke Baidu995年底至1996年初，经过
几个月的反复论证，美国政府终于提出了一 个较为宽松的GPS新政策。这一政策决定由 国防部和交通部共同管理GPS，把GPS作为
一个国际性的导航系统，加强国际合作，鼓 励国际应用。美国前任总统克林顿已于2000 年5月宣布暂时取消SA政策，这一举动无疑 将进一步扩展GPS的应用范围。
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这个出人意料的结果促使美国军方认真
评估允许民间用户使用C/A码定位带来的影 响。于是根据前总统里根1983年5月的决 策,1984年确立了保护国家安全的两大政策, 即防止敌对势力对 P码信号进行干扰的AS (Anti-Spoofing)政策和降低C/A码定位精度 的SA(Selective Availability)政策。SA政 策包括对GPS卫星基准信号采用δ技术,对导 航电文采用ε技术。
注入站的主要任务
将主控站发来的导航电文用S波段射频链上行 注入到相应卫星上。上行注入每天1次或2次， 每次注入14d的星历；
自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自 己的工作状态。
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监控站的主要任务
监控站配有精密的銫钟和伪距测量接收机， 为主控站提供卫星的测量数据。在主控站的 遥控下，每隔1.5s进行一次伪距测量，利用 电离层和气象数据，每15min进行一次数据 平滑，然后发送给主控站。
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GPS卫星星座示意图
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GPS卫星星座的分布
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GPS卫星特点
GPS卫星上除了由控制卫星自身工作的遥测、跟 踪、指令系统，用于轨道调整与姿态稳定的控制 和推进系统，电源系统和计算机等组成外,主要有 具有长期稳定度的原子钟(其误差为1s/300万 年)、L波段双频发射机、S波段接收机、伪随机 码发生器及导航电文存储器。
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另一种为标准定位服务(SPS),利用C/A码定位, 提供给民间用户使用。由于C/A码作为捕获P码之 前的前导码,是一种粗捕获的明码,因此估计SPS的 定位精度约为400m。
但GPS试验卫星阶段的多次试验结果表明,实 际定位精度远远高于预测值。利用C/A码的定位精 度可达14m,利用P码的定位精度可达3m。
卫星分布在6个等间隔的、倾角为55°的近圆 轨道上，运行周期为718min(约12小时）。
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GPS空间卫星
★单个卫星特征
第一代GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部研 制的，卫星重约774Kg，采用铝蜂巢结构，主体呈 柱形，直径为1.5m。卫星的供电部分为对日定向太 阳能电池帆板，板面始终对准太阳，为卫星不断地 提供电力，同时给镍镉蓄电池充电，保证在地影区 卫星仍能正常工作。星体底部装有多波束定向螺旋 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。
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GPS的发展目标
美国政府还希望在21世纪内将导航系统全面向 基于空间技术的系统转变，为此，需要增强GPS的 性能，如提高可靠性和精确性，扩大覆盖面积，增 强信号强度等。
措施一，增加在轨卫星数目，由现在的21＋3 颗增加到30颗，保证地球上任何一点接收到的卫星 数不少于5颗，覆盖面积扩大到南北极、丛林地区以 及 2倍的地球同步轨道高度的空间；
按使用环境：低动态接收机和高动态接收机。 按所使用的信号种类和精度：单频粗捕获码(C/A码)接收机和双频
精码(P码)接收机。 按用途：测量型、授时型（在取消SA政策时可获得40ns的授时精
度）、导航型和姿态型接收机。 导航型接收机按载体形式：机载式、弹载式、星载式、舰载式、
车载式、手持式等。 按封装方式：OEM板（Original Equipment Manufacture)和
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卫星发播的导航电文包括:卫星星历、时钟偏差 校正参数、信号传播延迟参数、卫星状态信息、 时间同步信息和全部卫星的概略星历。
用户通过对导航电文的解码，可以得到以上各参 数，用于定位计算。
GPS的星历数据和用户定位数据都采用WGS84 全球测地坐标系统。
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★卫星星座分布特征
21+3颗GPS卫星分布在互成60°的6个 椭圆形轨道面上，轨道倾角为55°。每个轨道 面上布设4颗卫星。卫星轨道的长半轴为 26609km，偏心率为0.01，卫星运行高度 为20200km，运行周期为718min。此轨道 参数能保证卫星信号覆盖地面面积38%，地 球上任何一点任何时刻均能够同时观测到至 少4颗GPS卫星。卫星运行到轨道的任何位 置上，对地面的距离和波束覆盖面积基本上 不变。在波束覆盖区域内，用户接收到的卫 星信号强度近似相等，即用于定位的卫星信 号信噪比近似相等。
卫星定位导航系统原理与应用
第三讲
信息科学技术学院：张继伟
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GPS系统的特点
第一，全球地面连续覆盖
由于GPS卫星的数目较多，且分布合 理，所以地球上的任何地点均可同时观测 到至少4颗卫星，从而能达到全球、全天 候连续地三维定位。
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第二，功能多，精度高
C/A码 单点定位
P码 单点定位
定位精度 14m
地测量、工程测量、工程与地壳变形监视、航空摄 影测量和海洋测绘等方面的应用已甚为广泛。
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GPS政策分析
美国政府建立GPS的首要目的是提供一个精 密的军用导航系统,以维持其军事优势,GPS的民用 只是副产品。
美国政府在GPS设计中计划提供两种服务务: 一种为精密定位服务（PPS）,利用P码进行定位, 只提供给本国及其盟国的军方和得到特许的民间用 户使用,估计其定位精度为10m.
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★GPS卫星的作用
GPS卫星的作用是向广大用户连续不断地发送 导航信号(又称GPS信号〉，并用导航电文报告自己 的现时位置以及其他在轨卫星的概略位置；接收地 面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令如适时 地改正运行偏差，或者启用备用时钟等命令；在飞 越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到 卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号 形成电路适时地发送给广大用户。
卫星的主要任务是播发导航信号。
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GPS提供的两种服务
卫星采用3种频率工作：f1(1575.42MHz)和f2(1227.6MHz) 用于导航定位，f3(1381.05MHz)是GPS卫星的附加信号，发射 能探测到大气中核爆炸的星载传感器信息。采用两种伪随机码对 发射信息进行调制，一种是保密的精密码(P码)，它同时调制在 f1和f2两个频率上，主要是向美国及其盟国的军事用户提供精密 定位服务(PPS-Precise Positioning Service)；另一种是粗捕 获码(C/A码)，仅调制在f1频率上，向全世界民用用户提供标准 定位服务(SPS-Standard Positioning Service)。
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地面控制部分
地面控制部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站 组成。
主控站位于Colorado Springs的联合空间执行中心， 3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个 美国军事基地内，即大西洋的Ascension岛、印度洋 的Diego Garcia岛和太平洋的kwajakin岛，5个监 测站设在主控站和3个注入站以及Hawaii岛
整机。
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GPS接收机组成示意图
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选用GPS接收机的基础知识
定位时间 定位精度 数据更新率 接口方式 物理特性 环境适应性 坐标系 时间体系
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定位时间
接收机确定用户位置所需要的时间。 冷启动时间：50S 温启动时间：40S 热启动时间：30S 重捕时间：0.5S