衛星定位理論與方法測量與導航工程系導航與定位教研室陳明劍第10次課GPS概述衛星定位發展的概況1957年10月4日，世界第一顆人造地球衛星SPUTNIK－1發射成功，標志空間科學進入一個嶄新的時代。20世紀60年代衛星定位技術問世。衛星定位發展分為三個階段：衛星三角測量、衛星多普勒定位、GPS衛星定位1.衛星三角測量原理satellitetriangularsurveying人造地球衛星只是做為一種空間動態觀測目標，由地面站拍攝衛星的瞬時位置而測定地面點的坐標，稱為衛星三角測量。s1s2sascsascCBAS*S*S*S*A、C兩站用衛星攝影儀同步拍攝衛星S1影像Sa、Sc天文年歷查出S*推算出方向AS1和CS1，得同步平面ACS1觀測S2，得同步平面ACS2相交得AC同理得BC相交得C資料處理復雜，精度不高，不能獲得三維坐標小知識：1966－1972美國國家大地測量局(NGS)在美國和聯邦德國測繪部門得協助下，應用衛星三角測量方法，測量具有45個測站得全球三角網，獲得5m得點位精度2.衛星多普勒定位測量（satellitedopplersurveying）1958年底，美國海軍和詹斯?；羝战鹚勾髮W應用物理實驗室聯合建立為美國軍用艦艇導航服務的衛星系統，即“海軍導航衛星系統”（NavyNavigationSatelliteSystem-NNSS）。1959年發射第一顆試驗衛星。傳統的無線電導航系統從此被這種新的導航方式取代。目的：給“北極星”核潛艇提供全球性導航系統1964年該系統建成，隨即在美國軍方啟用；1967年美國政府批準該系統解密，并提供民用。1000公里周期107min衛星軌道近似位圓形，并且經過地球南北極上空，故稱為子午衛星利用子午衛星射電信號測定地面點位置的技術稱為衛星多普勒定位利用奧地利物理學家多普勒1842年發現的多普勒效應：

當波源與觀測者作相對運動時，波源發射頻率與觀測者接收頻率之間具有以下關系：2.衛星多普勒定位測量（satellitedopplersurveying）意義：(1)衛星不再做為單純的空間動態觀測目標，而是通過軌道參數介入定位計算得動態已知點（2）觀測不再采用傳統的幾何模式，而是通過地面站接收衛星發射的信號測定站站星距離來定位s1Psisu波源運動的向徑速度：記稱為多普勒頻移積分可得衛星與測站間的距離測站位置可得：缺點：衛星數少，不能實現連續實時導航定位對于同一地點兩次子午衛星通過的間隔時間為0.8~1.6小時，對于同一子午衛星，每天通過次數最多為13次，間隔時間更長。一臺衛星多普勒接收機一般需成功觀測15次衛星通過，才能達到10m的單點定位精度衛星軌道高度低，難以實現實時精密定軌平均高度為1070km信號頻率低，難以補償電離層效應得影響射電信號頻率為400MHZ和150MHZ，只能消弱電離層效應的低階項影響2.衛星多普勒定位測量（satellitedopplersurveying）小知識：在美國子午衛星定位系統建立的同時，前蘇聯也于1965年開始建立了一個衛星導航系統，叫做“CICADA”該系統有12顆所謂的宇宙衛星。1973年美國國防部便開始組織陸海空三軍，共同研究建立新一代衛星導航系統的計劃。這就是目前所稱的“授時與測距導航系統/全球定位系統”（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem-NAVSTAR/GPS），而通常簡稱為“全球定位系統”（GPS）。3.GPS衛星定位測量（GPSsurveying）GPS系統研制計劃分3個階段：原理與可行性試驗階段，1973年12月到1978年2月22日第一顆試驗衛星發射成功，歷時5年。系統研制與試驗階段，1978年2月2日到1989年2月14日第一顆工作衛星發射成功，歷時11年。工程發展與完成階段，1989年2月14日到1995年4月27日美國國防部宣布“GPS系統具備工作能力”，歷時7年。自1994年以來，GPS計劃已經歷了方案論證（1974—1978年）、系統論證（1979—1987年）、生產實驗（1988—1993年）三個階段?？偼顿Y超過200億美元。整個系統分為衛星星座、地面監控和監測站、用戶設備三大部分。論證階段發射了11顆叫做BLOCKI的實驗衛星，生產實驗階段發射了叫做BLOCKIIR型第三代GPS衛星，GPS系統由此為基礎改建而成。美國已于2005年9月25日成功將首顆新型的GPS2R-M1導航衛星送入地球軌道。第二顆GPS2R-M1衛星預計將在2006年初發射。3.GPS衛星定位測量（GPSsurveying）你的位置是:37o23.323’N122o02.162’W二、GPS系統的組成（theGPScomponents）1.空間星座部分

2.地面監控部分3.用戶部分13,000km20,200kmZoneofspacejunk35,420kmGeosynchronousorbit(communicationssatellites)GPSsatelliteorbit24Satellites6orbitalplanes20,000kmhigh12hourorbitsAtleast4Satellitesinview24hoursperdayAnyweather24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道傾角為55度.各個軌道平面之間相距60度，既軌道的升交點赤經各相差60度。LaunchedonDeltaRockets1.空間星座部分重量：774kg（包括310kg燃料）直徑：約為1.5m

4臺高精度原子鐘（兩臺銣鐘和兩臺銫鐘），這是衛星的核心設備。

3種頻率工作：L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）用于定位，L3（1381.05MHz）發射能探測到大氣中核爆炸的星載傳感器信息。1.空間星座部分其設計壽命是七年半。當衛星入軌后，星內機件靠太陽能電池和鎘鎳蓄電池供電。每個衛星有一個推力系統，以便使衛星軌道保持在適當位置。在兩萬公里高空的GPS衛星，當地球對恒星來說自轉一周時，它們繞地球運行兩周，繞地球一周的時間為12恒星時（11小時58分）。每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛星。位于地平線以上的衛星顆數隨時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆GPS衛星，稱為定位星座。這4顆衛星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定影響。對于某地某時，甚至不能測得精確的點位坐標，這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間“間隙段”是很短暫的，并不影響全球決大多數地方的全天候、高精度、連續實時的導航定位測量。迄今，GPS衛星已設計了三代，分別為BlockI、BlockII、BlockIII和GPSIIR-M1GPSIIF

GPS衛星區分數量（顆）發射時間用途第一代第二代第三代BlockIBlockII，IIABlockIII，IIIR1128201978－19851988－199490年代末系統實驗正式工作改善GPS2005年9月25日升空GPSIIR-M1是美國洛克希德·馬丁公司研制的新一代導航衛星。它不但可接收和識別目前在軌GPS衛星發出的信號，還可向美國軍方發送另外兩種新的信號。此外，其發射的民用信號也增加了一種。

CurrentGPSSegmentsSpaceSegmentBlockII/IIAOperationalRockwell(nowBoeing)26onorbitMMD6.0/8.6/10.6yrs

BlockIIROperational/InproductionLockheedMartinAll21procured2onorbit1

DestroyedonlaunchMMD7.8yrsBlockIIFInproductionBoeing(Rockwell)6alreadyprocuredOptionsfor24more

withoutmodernizationMMD12.7yrsUserEquipmentSegmentSignalsin

Space

Military

P(Y)Civil(C/A)P(Y)L2L1DIEGOGARCIACOLORADO

SPRINGSCAPECANAVERALASCENSIONHAWAIIKWAJALEINGroundControlSegmentMaster

Control

Station

(1)MonitorStation(5)GroundAntenna(4)ModernizedGPSSpaceSegmentGPSModernizationplanmeetsWhiteHouseannouncementsofaddingnewcivilserviceswhileimplementingspectrallyseparatedmilitaryservicesP(Y)C/AP(Y)C/AM-codeM-codeL51176.45MHzP(Y)C/AP(Y)C/AM-codeM-codeSignalsinSpaceSignalsinSpaceBlockIIRs(upto12SV’s)AddsC/AtoL2Addsnewmilitary

M-CodeIncreasessignal

powerforexisting

signalsAddscivilL5toallBlockIIFsPursueoptimumApproachforhigherpowerM-codespotbeamL21227.6MHzL11575.45MHzL2L1BlockIIR-ModifiedSatellitesBlockIIFSatellites1.空間星座部分GPS衛星星座的優點保障了在地球上任何地點、任何時間均至少可以同時觀測到4顆衛星?？臻g部分的3顆備用衛星，可在必要時根據指令代替發生故障的衛星，這對于保障GPS空間部分正常而高效的工作是及其重要的。

由于處于高軌位置，對地球覆蓋面廣。GPS衛星基本功能接收和儲存由地面監控站發來的導航信息，接收并執行監控站的控制指令；衛星上設有微處理機，進行部分必要的數據處理工作；向用戶播送導航電文，提供導航和定位信息；通過星載的高精度銫鐘和銣鐘提供精密的時間標準；在地面監控站的指令下，通過推進器調整衛星的姿態和啟用備用衛星。4.1空間星座部分2.地面監控部分GPS的地面監控部分，目前主要由分布在全球5個地面站所組成，其中包括衛星監控站、主控站和信息注入站。監測站，站內設有雙頻GPS接收機和高精度原子鐘、計算機各一臺和若干臺環境數據傳感器。

為主控站提供衛星觀測數據。每個監測站均用GPS信號接受機對每顆可見衛星每6分鐘進行一次偽距測量和積分多普勒觀測，采集氣象要素等數據。在主控站的遙控下自動采集定軌數據并進行各項改正，每15分鐘平滑一次觀測數據，依此推算出每2分鐘間隔的觀測值，然后將數據發送給主控站。主控站

根據本站和其它監控站的所有觀測資料，推算編制各衛星的星歷、衛星鐘差和電離層的修正參數等，并把這些數據傳送到注入站。提供全球定位系統的時間基準。各監控站和GPS衛星的原子鐘，均應與主控站的原子鐘同步，或測出其間的鐘差，并把這些信息編入導航電文，送到注入站。調整偏離軌道的衛星，使之沿預定軌道運行。啟用備用衛星以代替失效的工作衛星。注入站主要設備包括一臺直徑為3.6m的天線、一臺C波段發射機和一臺計算機。

其任務是將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器。每天注入三次，每次注入14天的星歷.注入站能自動向主控站發射信號，每分鐘報告一次自己的工作狀態。

3.用戶設備部分

用戶設備的主要任務是，接受GPS衛星發射的無線電信號，以獲得必要的定位信息及觀測量，并經數據處理而完成定位工作。用戶設備包括GPS接收機硬件和數據處理軟件，以及微處理機和終端設備，GPS接收機硬件一般包括主機、天線和電源。導航型接收機：

此類型接收機主要用于運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為±25mm，有SA影響時為±100mm。這類接收機價格便宜，應用廣泛。根據應用領域的不同，此類接收機還可以進一步分為：車載型——用于車輛導航定位；航海型——用于船舶導航定位；航空型——用于飛機導航定位。由于飛機運行速度快，因此，在航空上用的接收機要求能適應高速運動星載型——用于衛星的導航定位。由于衛星的速度高達7km/s以上，因此對接收機的要求更高。按接收機的用途分類

測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結構復雜，價格較貴。

授時型接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。按接收機的載波頻率分類單頻接收機

單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機只適用于短基線（<15km）的精密定位。

雙頻接收機

雙頻接收機可以同時接收L1，L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機可用于長達幾千公里的精密定位。按接收機通道數分類

GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號，為了分離接收到的不同衛星的信號，以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據接收機所具有的通道種類可分為：多通道接收機序貫通道接收機多路多用通道接收機按接收機工作原理分類碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測值。平方型接收機

利用載波信號的平方技術去掉調制信號,來恢復完整的載波信號通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。

混合型接收機綜合上述兩種接收機的優點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。干涉型接收機將GPS衛星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。載波 L1 L2 L5頻率 1575.42MHz 1227.60MHz 1176.45MHz波長 19cm 24cm碼信號 C/A-code - P(Y)-code P(Y)-code NAVDATA NAVDATAC/A-CoarseAcquisitionCodeP-PreciseCode(Y-Codewhenencrypted)NAVDATA-Satellitehealth,satelliteclockcorrections,andephemerisparameters.4.衛星信號5.GPS與NNSS的主要特征比較系統特征NNSSGPS載波頻率（GHz）0.15，0.401.23，1.58衛星平均高度（km）約1000約20200衛星數目（顆）5～624（3顆備用）衛星運行周期（min）107718衛星鐘穩定度10-1110-12三、GPS特點相對于其他導航系統提供全體候、全球性的導航、定位服務進行高精度、高速度的實時精密導航和定位功能多，精度高。GPS可為各類用戶連續提供動態目標的三維位置、三維速度和時間信息。應用廣泛，操作簡便。Thislevelofaccuracyistypicallygoodenoughforthepurposeofdeterminingyourlocationandtobringyouwithinvisualrangeofadestinationortarget.

相對于經典測量定位技術的特點測站之間無需通視。既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網的良好結構，這一直是經典測量技術在實踐方面的困難之一。GPS測量不要求測站之間的相互通視，因而不再需要建造占標。這一優點可大大減少測量工作的經費和時間（一般造標費用占總經費30％～50％），同時也使點位的選擇變得更加靈活。觀測時間短。目前，利用經典的定位方法，完成一條基線的相對定位所需要的觀測時間，根據要求的精度不同，一般約為1～3小時。為了進一步縮短觀測時間，提供作業速度，近年來發展的短基線（例如不超過20km）快速相對定位法，其觀測時間僅需數分鐘。

提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確的測定觀測站的大地高程。GPS測量的這一特點，不僅為研究大地水準面的形狀和確定地面點的高程開辟了新途徑，同時也為其在航空物探、航空攝影測量及精密導航中的應用，提供了重要的高程數據。操作簡便。GPS測量的自動化程度高，在觀測中測量員的主要任務只是安裝并開關儀器、量取儀器高、監視儀器的工作狀態和采集環境氣象數據，而其它工作，如衛星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。全天候作業。GPS觀測工作，可以在任何地點，任何時間連續的進行，一般也不受天氣狀況的影響。定位精度高。現已完成的大量實驗表明，目前在小于50km的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100km～500km的基線上可達10-6～10-7。隨著觀測技術與數據處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優于10-8。采用的測距碼P碼C/A碼單點定位（m）5－1020－40差分定位（m）13－5測速（m/s）0.10.3測時（ns）100500四、美國的GPS政策

對不同的GPS用戶，提供不同的服務方式實施選擇可用性（SelectiveAvailability——SA）政策精密測距碼（P碼）加密措施（Anti-Spoofing——AS）美國對GPS限制的原因：為保障美國的國防安全

2004年12月15日報道

美國白宮15日稱新政策最優先的問題是保證GPS系統與其他天基系統至少在某個層次上協調，以確保此種技術無論在何地都便于使用和精確。

另一個優先問題是確保沒有軍事或其他威脅能夠利用全球定位技術擾亂戰場作戰，或在美國國內外對美國利益發動攻擊。建立一個由國防部和交通部共同擔任主席的永久執行委員會來調整GPS政策

對不同的GPS用戶，提供不同的服務方式

兩種服務方式精密定位服務（PrecisePositioningService-PPS），精度：5m～

10m標準定位服務（StandardPositioningService–SPS），精度：5m～

10m實施選擇可用性（SA）政策

ε技術：干擾衛星星歷數據δ技術是對GPS的基準信號，隨機的引入一個高頻抖動信號在SA的影響下，利用SPS的實時單點定位精度，降為100m（水平方向）和150m（垂直方向）2000年，克林頓宣布SA政策取消。對GPS基準信號(10.23MHz)引入δ技術,使得基準信號有一個人為地高頻抖動?；鶞市盘柺钱a生其它信號(載波，C/A碼，P碼以及導航電文)的基準，因此，δ技術對所有信號都有影響。引入的ε技術使得導航電文中的衛星參數精度大大降低。ε技術使廣播星歷的精度從20m降到100m。同時，100m不是一個固定偏差，而是一個沒有變化規律的人為隨機量。

1996年3月，美稱將在2006年最終停止SA政策

2000年5月1日，SA政策解除，GPS單點定位精度為10米 在保障軍方安全下，逐步取消AS政策，直接捕獲P碼藍線是有SA靜態實驗，緯度最大漂移約270米，95%是92米； 經度最大漂移約140米，95%是80米紅線是取消SA后靜態實驗，緯度最大漂移約33米，95%是11 米；經度最大漂移約21米，95%是8米

精測距碼的加密（A－S）措施

P碼W碼Y碼將P碼與嚴格保密的W碼進行模二和運算形成Y碼。美國政府宣布：AS只是在國家緊級情況或實驗期間實施。非特許用戶對美國GPS限制政策的措施建立獨立地GPS衛星測軌系統建立獨立的衛星定位系統研究開發差分GPS技術以美國為首，從1986年開始建立的國際合作GPS衛星跟蹤網（CIGNET-CoorperativeInternationalGPSSatelliteTrackingNetwork），其跟蹤站的分布已擴展至歐、亞、非、美、大洋州等五大洲，該跟蹤網的測軌精度可達分米級。建立獨立的定軌系統，為非特許用戶提供精密星歷，對于提高定位精度有重大意義。因為GPS衛星屬于高空衛星，受大氣阻力和地球非球狀的引力的影響較少，建立區域定軌監測系統完全有可能確定GPS衛星的精密軌道。我國建立的GPS增強系統，也有我們自己的測軌站。利用北斗衛星轉發GPS衛星增強信號。建立獨立地GPS衛星測軌系統GPS測軌站分布圖研究開發差分GPS技術在相距不遠的測站,對同一衛星的觀測量具有很強的相關性，許多誤差對觀測量的影響量相同或相似。因此利用差分技術能消除或明顯削弱誤差，顯著提高定位精度。差分GPS的基本思想是：在坐標為已知的基準站安置GPS接收機，對所有可見的衛星進行連續地觀測，可得基準站的GPS觀測量。與此同時，根據基準站的已知坐標和所測衛星的已知瞬間位置，也可以計算出差分GPS改正信息，以該值作為修正值發播給移動站的用戶。流動站根據修正值來改正同步觀測的相應觀測量，進而計算流動站的瞬間位置。

WhatisDifferentialGPS?

一些國家和地區正在或已經建立起自己的衛星導航定位系統。俄羅斯的GLONASS已經投入使用；歐洲空間局也正在發展一種以民用為主的衛星定位系統NAVSAT；日本也準備有類似的計劃;我國也在建立自己的衛星導航定位系統—北斗導航系統系統。建立獨立的衛星定位系統五、GPS發展趨勢

導航戰計劃:所謂“導航戰”是指在戰場環境下，保證己方充分利用衛星導航，同時阻塞敵軍利用衛星進行導航，又使民用衛星導航不受影響。研究開發新一代獨立的捕獲P碼的軍用GPS接收機研究開發具有識別能力的電子干擾機提高GPS衛星的自主更新及抗毀能力美國國防部和交通部(DOT)達成協議實施GPS現代化，GPS執委會、GPS顧問會和導航學會(ION)先后召開4次國際會議，討論GPS現代化的問題，并開展了一系列研究工作。GPS現代化研究內容：

GPS系統的最佳結構；GPS系統性能應具備的最 佳特征；星座圖形的優化及星座的 強化；GPS信號結構的改進；GPS第二、三個民用頻率 和第二種民用碼的選擇擴大GPS系統的民用領域GPS系統功能的擴大；GPS和GLONASS的綜合 利用；GPS信號強度的提高；GPS誤差模型的精化；GPS系統的優化管理；GPS政策和美國國家安全 利益?，F代化計劃現行GPS系統是25年前設計的，根據國家GPS政策的要求，1997年美國防部發出一個為“GPS現代化”征求軍民各界意見的通知，以配合空軍制訂一個未來全球導航系統和授時系統的頂層設計。GPS現代化的主要目標是增強軍用GPS性能，但為使GPS在國際上占據領導地位，壓制類似全球衛星導航系統（如GLONASS，GALILE）的發展，確保GPS成為全球惟一標準，GPS現代化在民用服務方面也作了很大改進。增加新的第二和第三個民用頻率。增加星座衛星數目。通過增加6～12顆衛星，使工作衛星數目增加到30～36顆.改進現役GPS的ⅡR和ⅡF型衛星及研究下一代GPS－Ⅲ衛星體系結構的三項研制計劃GPSModernizationImprovedUserEquipmentRedundantSafety

ofLifeSignalsIncreasedRadiatedPowerServiceforSpaceUsersAugmentations,ImprovedTimingModernizationSatelliteupgradesneededtoimproveaccuracy,reliabilityofGPSforcivilianusersInternationalaviationcommunitymovingtowardsGlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS)IGEB,WhiteHousehavespentovertwoyearsdevelopingplantoaddtwonewcivilianGPSsignalsDODalsoplanstoaddnewmilitarysignalsaroundL1andL2:“M-Code”GoalsofGPSModernizationProgramMilitaryProtection

ofserviceforUS/AlliedforcesAddnewsignalsandincreasedsignalpowertoimproveNavwarcapabilityModifyselectplatformstodetectandlocateGPSjammingDevelopandfieldimprovedanti-jamandsecuritytechnologies

Prevention

ofadversaryexploitationSpectrallyseparatenewmilitarysignalsfromcivilsignals

CivilPreservation

ofcivilusewhileprovidingenhancements

AddnewsignalstoimproveaccuracyandsignalredundancyTheTerminationofSelectiveAvailabilitywasthefirststepintheGPSModernizationProcessAdvantagesofaNewSignalImprovedcross-correlationpropertiesImprovedtrackingcapability--3dBhigherpowerthanCoarseAcquisition(C/A)onL2SignalCharacteristicsTwocodes-onewithdata(mediumcode);onewithout(longcode)CodeslongerthanC/AcodetominimizecrosscorrelationSeparatedbytime-TimeDivisionMultiplexed(TDM)OvercomesomelimitationsofcurrentC/AcodedsignalsGPSSpaceandControlNewCivilCodeonL2GPSSpaceandControl

BlockIIRModernizationPre-ModernizationHeritageSignalsL1C/AL1,L2P(Y)DesignLife10YearsPostModernizationModernizedSignalsHigherPowerL1C/A,L2SecondCivilL1,L2P(Y)L1,L2M-Code

DesignLife10YearsGPSSpaceandControl

BlockIIFModernizationPre-ModernizationHeritageSignalsL1,L2C/AL1,L2P(Y)DesignLife15Years33SatelliteProductionRunPostModernizationModernizedSignalsSimilarPowerL1C/A,L2

CivilSignalL1,L2P(Y)L1,L2M-CodeL5NewCivilSignalDesignLife12Years10YearMMD2RubidiumClocksand1Cesium12SatelliteProductionRunSecondCivilSignalMaintainSpaceUserServiceThirdCivilSignal1ON3menu2Rockwell4567WPT8POS9NAVCLRMARK0OFFNUMLOCKFIXFOM1N42*01”46.12”W091*38’54.36”EL+00862ftZEROIZETheGPSIIISystemReviewentireGPSArchitect