卫星定位导航系统原理及应用第三讲

因此，从1995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。
GPS系统组成
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。
GPS接收机分类
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
卫星定位导航系统原理及应用第三讲
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。
GPS与NNSS的比较
系统特征 载波频率（MHz） 卫星平均高度（km）
卫星数目（颗） 轨道数（个） 卫星运行周期(min) 卫星时钟稳定度
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。
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。
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。
★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。
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。
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。
NNSS 150，400
约1000
5~6 6
107 10-11
GPS 1227.6，1575.42
约20200
21+3 6
720 10-13
★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。
GPS主控站和监控站分布图
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。
注入站的主要任务
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。
★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。
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。
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 军事上的优势，对GPS进行垄断。
卫星的主要任务是播发导航信号。
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)。
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。
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
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
整机。
GPS接收机组成示意图
在这是指接收机所测定的地面点位与其实际点位 之差。如：水平1.8m (CEP)。
数据更新率
每秒钟数据输出的次数，单位：Hz 如：20Hz，10Hz，1Hz等
wenku.baidu.com
接口方式
一般采用串行接口，具有COM1 1 个或COM1/COM2 2 个串行口
电平类型：RS232或RS422，多采用RS232 信号类型：RS232：RXD，TXD，GND RS422：RXD+，RXD-，TXD+，TXD-
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.
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。
GPS卫星星座示意图
GPS卫星星座的分布
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。
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
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
定位精度
接收机可为用户提供的位置精度，一般分为水平 定位精度和垂直定位精度。
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；
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
GPS系统三大组成
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。
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）。
★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。
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 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。
★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。