科學技術探秘

第十一講

GPS全球定位系統

原理與應用Slide2

第一部分GPS技術及其發展GPS——GlobalPositioningSystem定義：GPS是美國研制的新一代衛星導航定位系統，可向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。Slide3衛星定位技術發展的回顧1957年世界上第一顆人造地球衛星發射成功，50年來，人造地球衛星技術在通信、氣象、資源勘察、導航、遙感、大地測量、地球動力學、天文學和軍事科學等眾多領域，得到了極廣泛應用。Slide4衛星定位技術發展的回顧人造地球衛星的出現，首先引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器實驗室，開始著手建立為美國海軍艦艇導航的衛星系統，即“海軍導航衛星系統”（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）。由于該系統衛星都通過地極，也稱“子午(Transit)衛星系統”。1964年該系統建成，并在美國軍方啟用。1967年美國政府批準該系統解密，提供民用。該系統不受氣象條件的限制，自動化程度高，具有良好的定位精度。Slide5衛星定位技術發展的回顧盡管NNSS在導航技術的發展中具有劃時代的意義，但由于該系統衛星數目少（5-6顆），運行軌道低（1000km）,觀測時間長（1.5小時），無法提供連續實時三維導航，同時獲得一次導航解的時間長，難以滿足軍事要求，尤其是高動態目標（飛機、導彈等）導航要求。而從大地測量看，定位速度慢，一個測站一般平均觀測1-2天；精度低，單點定位精度3-5m，相對定位精度1m，使得在大地測量和地球動力學研究方面的應用，也受到很大限制。Slide6衛星定位技術發展的回顧為滿足軍事和民用對連續實時和三維導航的迫切要求，1973年美國國防部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“導航衛星授時測距/全球定位系統”（NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem）簡稱全球定位系統（GPS）。為使GPS具有高精度連續實時三維導航和定位能力，以及良好的抗干擾性能，在設計上采取了若干改善措施。Slide7GPS系統的特點全球性連續覆蓋，全天候工作定位精度高觀測時間短測站間無需通視可提供三維坐標操作簡便功能多，用途廣Slide8GPS定位系統的組成GPS定位技術是利用高空中的GPS衛星，向地面發射L波段的載頻無線電測距信號，由地面上用戶接收機實時地連續接收，并計算出接收機天線所在的位置。因此，GPS定位系統是由以下三個部分組成：（1）GPS衛星星座（空間部分）（2）地面監控系統（地面控制部分）（3）GPS信號接收機（用戶設備部分）Slide9這三部分有各自獨立的功能和作用，對于整個全球定位系統來說，它們都是不可缺少的。Slide10GPS系統的空間部分由GPS衛星組成，稱為衛星星座。衛星星座的分布設置要保證地球上任何地點，任何時刻至少可以同時觀測到四顆衛星。GPS衛星星座組成GPS衛星星座6個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min設計星座：21+321顆正式的工作衛星+3顆活動的備用衛星

保證在24小時，在高度角15以上，能夠同時觀測到4至8顆衛星當前星座：28顆GPS衛星星座組成Slide12銫原子鐘計算機2塊7m2的太陽能翼板無線電收發兩用機導航荷載（接收數據，發射測距和導航數據）姿態控制和太陽能板指向系統GPS衛星Slide13GPS衛星結構雙葉對日定向太陽能電池帆板，全長5.33m，接受日光面積7.2m2。采用鋁蜂巢結構，主體呈柱形，直徑為1.5m多波束定向天線，這是一種由12個單元構成的成形波束螺旋天線陣，能發射L1和L2波段的信號，其波束方向圖能覆蓋約半個地球。在星體兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用于與地面監控網通信。GPS衛星結構Slide14GPS衛星迄今已設計了三代。第一代Block1型用于系統實驗，稱實驗衛星，共研制和發射了11顆，設計壽命5年，現已停止工作。第二代Block2和2A型衛星稱為工作衛星，共研制了28顆，設計壽命7.5年，從1989年初到1994年上半年發射完畢。第三代Block3和2R型衛星尚在設計中，預計20顆，以取代第二代衛星，改善全球定位系統。GPS衛星星座組成

第一代衛星現已停止工作。

第二代衛星用于組成GPS工作衛星星座，通常稱為GPS工作衛星。BlockⅡA的功能比BlockⅡ大大增強，表現在軍事功能和數據存儲容量。BlockⅡ只能存儲供45天用的導航電文，而BlockⅡA則能夠存儲供180天用的導航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛星。

第三代衛星尚在設計中，以取代第二代衛星，改善全球定位系統。其特點是：可對自己進行自主導航；每顆衛星將使用星載處理器，計算導航參數的修正值，改善導航精度，增強自主能力和生存能力。椐報道，該衛星在沒有與地面聯系的情況下可以工作6個月，而其精度可與有地面控制時的精度相當。BlockⅠ衛星BlockⅡ衛星BlockⅡR衛星Slide22GPS星座參數衛星：24顆軌道：面6個長半軸：26609km偏心率：0.01軌道面相對赤道面的傾角：55°各軌道面升交點赤經相差：60°相鄰軌道衛星升交距角相差：30°衛星高度：20200km衛星運行周期：11小時58分鐘Slide231接收和存儲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。2利用衛星上的微處理機，對部分必要的數據進行處理。3通過星載的原子鐘提供精密的時間標準。4向用戶發送定位信息。5在地面監控站的指令下，通過推進器調整衛星姿態和啟用備用衛星。GPS衛星的基本功能Slide24GPS地面監控部分GPS的地面監控部分由分布在全球的5個地面站組成，其中包括衛星監測站（5個）、主控站（1個）和注入站（3個）1、監測站：是主控站直接控制下的數據自動采集中心。站內設有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、計算機1臺和若干臺環境數據傳感器。觀測資料由計算機進行初步處理，存儲并傳輸到主控站，以確定衛星軌道。Slide25主控站監控站監控站注入站/監控站注入站/監控站注入站/監控站控制站的分布夏威夷卡瓦加蘭（太平洋）狄哥

伽西亞（印度洋）阿松森島（（大西洋）科羅拉多Slide26GPS地面監控部分2、主控站：地點：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地除協調和管理地面監控系統外，主要任務：1）根據本站和其它監測站的觀測資料，推算編制各衛星的星歷、衛星鐘差和大氣修正參數，并將數據傳送到注入站。2）提供全球定位系統的時間基準。各監測站和GPS衛星的原子鐘，均應與主控站的原子鐘同步，測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導航電文，送入注入站。3）調整偏離軌道的衛星，使之沿預定軌道運行。4）啟用備用衛星代替失效工作衛星。Slide27GPS地面監控部分3、注入站：主要設備為1臺直徑3.6m的天線、1臺c波段發射機和1臺計算機。主要任務是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令等，注入到相應衛星的存儲系統，并監測注入信息的正確性。整個GPS系統的地面監控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現代化通訊網絡聯系，在原子鐘和計算機的驅動和控制下，實現高度的自動化標準化。Slide28接收機調制解調器銫鐘氣象傳感器監測站觀測星歷與時鐘主控站計算誤差編算注入導航電文調制解調器高功率放大器指令發生器數據存儲器和外部設備注入站數據處理機數據處理機L1L2S波段GPS衛星GPS衛星地面監控系統流程圖Slide29GPS地面控制部分的作用負責監控全球定位系統的工作：監測衛星是否正常工作，是否沿預定的軌道運行跟蹤計算衛星的軌道參數并發送給衛星，由衛星通過導航電文發送給用戶保持各顆衛星的時間同步必要時對衛星進行調度Slide30GPS用戶設備部分用戶部分組成GPS信號接收機及相關設備GPS接收機接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的無線電設備GPS接收機的作用接收GPS衛星發射的無線電信號，以獲得必要的定位信息和觀測量，并經過數據處理而完成定位工作Slide31GPS接收機DSNPLEICAGARMIN

TRIMBLEASHTECHJAVADSlide32GPS接收機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。單點實時定位精度較低，一般為±10m,有SA影響時為±100m。根據應用領域的不同，此類接收機可以進一步分為：按接收機的用途分類可分為：

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。由于衛星的運動速度高達7公里/秒以上，因此對接收機的要求更高。（1）SA美國政府從其國家利益出發，通過降低廣播星歷精度（技術）、在GPS基準信號中加入高頻抖動（技術）等方法，人為降低普通用戶利用GPS進行導航定位時的精度。（2）衛星星歷誤差在進行GPS定位時，計算在某時刻GPS衛星位置所需的衛星軌道參數是通過各種類型的星歷[7]提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計算出的衛星位置都會與其真實位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。Slide35（3）衛星鐘差衛星鐘差是GPS衛星上所安裝的原子鐘的鐘面時與GPS標準時間之間的誤差。（4）衛星信號發射天線相位中心偏差衛星信號發射天線相位中心偏差是GPS衛星上信號發射天線的標稱相位中心與其真實相位中心之間的差異。Slide36

測地型接收機

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

這類接收機主要利用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。平方型接收機平方型接收機是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。混合型接收機這種儀器是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。干涉型接收機這種接收機是將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。GPS用戶設備部分GPS接收機結構天線單元：包括接收天線和前置放大器。對天線的性能要求有：高增益、低噪聲系數、大的動態范圍等；接收單元：接收信號并處理，計算需要的信息；通道單元：包括碼延遲鎖定環（DLL）和載波相位鎖定環（PLL）；計算和顯示單元：根據采集到的信息，計算和顯示三維坐標和速度；存儲單元：用于存儲輸入的各種數據;電源：提供接收機需要的電能。天線單元類型單極天線微帶天線錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線空間螺旋天線背腔平面盤旋天線GPS天線接收（信號）通道定義：接收機中用來跟蹤、處理、量測衛

星信號的部件，由無線電元器件、

數字電路等硬件和專用軟件所組成。類型：根據信號跟蹤方式：序慣通道、多路復

用通道和多通道；根據工作原理：碼相

關通道、平方通道等。基本結構天線前置放大器信號處理器微處理器振蕩器控制、顯示及存儲設備電源Slide46SPS與PPSSPS–標準定位服務，使用C/A碼，民用PPS–精密定位服務，可使用P碼，軍用SA（已于2000年5月1日取消）SelectiveAvailability–選擇可用性：人為降低普通用戶的測量精度。方法ε技術：軌道加繞（長周期，慢變化）δ技術：星鐘加繞（高頻抖動，短周期，快變化）AS–Anti-Spoofing反電子欺騙–P碼加密，P+W->Y美國政府的GPS政策Slide47實施政策SPSPPSSAASC/APC/AP關關40104010開關100954010開開1004010關開404010實時單點定位的平面精度（m）Slide48非特許用戶對美國限制性政策的措施GLONASS全球導航衛星系統Galileo系統北斗系統：我國的第一代衛星導航系統Slide491、GLONASS類似于GPS，是俄羅斯以空間為基礎的無線電導航系統；其前身CICADA與子午系統同期，于1965年設計，有12顆衛星；20世紀70年代中期開始啟動GLONASS計劃；1982年10月12日發射第一顆GLONASS衛星；1996年1月18日，完成24顆衛星的布局，衛星具備完全工作能力；由于經濟原因，2000年，天空上的GLONASS衛星僅為8顆；“格洛納斯”導航系統目前在軌運行的衛星已達30顆，俄航天部門在2014年再發射3顆。Slide50GLONASSSlide512、Galileo背景：GLONASS在軌衛星缺失，GPS獨霸市場

GLONASS、GPS均由軍方控制歐盟：要建立國際民間控制的或歐盟自己的民用導航系統特點：共享的獨立于GPS的無增強條件下的適于海陸空的系統。參股共建，收費。階段：（一）2000年前，可行性評估或定義（二）2001~2005，開發和檢測（三）2006~2007，部署（四）2008，商業運行Slide52歐盟為何重視伽利略計劃首先，打破美國在這方面的壟斷地位，為歐盟贏得可觀的市場份額。權威部門預計：伽利略計劃將為歐盟創造１５萬個高技術含量的就業崗位；每年經濟收益有１００億歐元之多；僅出售航空和航海終端設備一項就可在２００８年至２０２０年將獲得１５０億歐元收入第二，歐盟開發此項目可為歐盟現在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務。第三，歐盟認為，沒有科技上的領先地位，歐盟在將來許多事務中就沒有主導權。

Slide53Galileo計劃的歷程歷程：阿基米德-GEO-HEO-MEO-LEO---Galileo主要面臨的困難：投資巨大：“伽利略系統”高達36億歐元的造價美國政府的極力反對：美國的干擾在一定程度上推遲了“伽利略”計劃的通過各國的態度:美國：美國說“伽利略”是個很壞的計劃法國：對美國的壟斷感到不滿德國、荷蘭、英國：經濟Slide54Galileo計劃概況伽利略計劃的資金預計為32億到36億歐元系統由30顆高軌道衛星組成，分布在軌道高度為2.4萬千米、傾角為56度的3個軌道面上。基礎設施包括天基和地基兩部分。衛星將為用戶提供精確的時間和誤差不超過一米的全球精確定位服務，與美國GPS和俄羅斯的GLONASS爭奪市場。中國北斗衛星導航系統（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中國自行研制的全球衛星導航系統。是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟的衛星導航系統。Slide553、北斗系統Slide563、北斗系統目的：快速定位、實時導航，簡短通訊，精密授時定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。3、北斗系統北斗衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，中國計劃2012年左右，“北斗”系統將覆蓋亞太地區，2020年左右覆蓋全球。中國正在實施北斗衛星導航系統建設，已成功發射16顆北斗導航衛星。根據系統建設總體規劃，2012年左右，系統將首先具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。Slide57Slide58定位工作主要在中心站完成，屬于主動式導航定位系統二維導航和定位，高程結果需要由其他途徑獲得主要的優勢在于軍用：通訊、集團用戶的調度和派遣北斗系統定位的特點地面中心站用戶S1S2DS1DS2D1D2Slide59集團用戶解決方案地面數據處理中心可以：利用北斗用戶的實時運行軌跡和相關地圖對動態用戶進行導航和交通管制遙測北斗用戶接收機的工作狀態，報警用戶收發機的故障，識別用戶身份，控制用戶使用響應并回復集團用戶對下屬用戶的定位審查Slide60第二部分GPS基礎概念坐標系統時間系統GPS衛星星歷導航電文和衛星信號Slide61GPS坐標系統在GPS定位中，通常采用兩類坐標系統：一類是在空間固定的坐標系，該坐標系與地球自轉無關，對描述衛星的運行位置和狀態極其方便。另一類是與地球體相固聯的坐標系統，該系統對表達地面觀測站的位置和處理GPS觀測數據尤為方便。Slide62坐標系統是由坐標原點位置、坐標軸指向和尺度所定義的。在GPS定位中，坐標系原點一般取地球質心，而坐標軸的指向具有一定的選擇性，為了使用上的方便，國際上都通過協議來確定某些全球性坐標系統的坐標軸指向，這種共同確認的坐標系稱為協議坐標系。GPS坐標系統Slide63第二部分GPS基礎概念坐標系統時間系統GPS衛星星歷導航電文和衛星信號Slide64GPS時間系統在天文學和空間科學技術中，時間系統是精確描述天體和衛星運行位置及其相互關系的重要基準，也是利用衛星進行定位的重要基準。為精密導航和測量需要，全球定位系統建立了專用的時間系統，由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時屬于原子時系統，秒長與原子時相同。Slide65GPS時間系統在GPS衛星定位中，時間系統的重要性表現在：

GPS衛星作為高空觀測目標，位置不斷變化，在給出衛星運行位置同時，必須給出相應的瞬間時刻。例如當要求GPS衛星的位置誤差小于1cm，則相應的時刻誤差應小于2.610-6s。

準確地測定觀測站至衛星的距離，必須精密地測定信號的傳播時間。若要距離誤差小于1cm，則信號傳播時間的測定誤差應小于310-11sSlide66第二部分GPS基礎概念坐標系統時間系統GPS衛星星歷導航電文和衛星信號Slide67GPS衛星軌道衛星軌道在GPS定位中的意義衛星在空間運行的軌跡稱為軌道，描述衛星軌道位置和狀態的參數稱為軌道參數。由于利用GPS進行導航和測量時，衛星作為位置已知的高空觀測目標，在進行絕對定位時，衛星軌道誤差將直接影響用戶接收機位置的精度；而在相對定位時，盡管衛星軌道誤差的影響將會減弱，但當基線較長或精度要求較高時，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPS測量的觀測計劃和便于捕獲衛星發射的信號，也需要知道衛星的軌道參數。Slide68GPS衛星星歷衛星星歷是描述衛星運動軌道的信息，是一組對應某一時刻的軌道根數及其變率。根據衛星星歷可以計算出任一時刻的衛星位置及其速度，GPS衛星星歷分為預報星歷和后處理星歷。Slide69第二部分GPS基礎概念坐標系統時間系統GPS衛星星歷導航電文和衛星信號Slide70關于GPS衛星信號GPS衛星所發射的信號包括載波信號、P碼（或Y碼）、C/A碼和數據碼（或D碼）等多種信號分量，而其中P碼和C/A碼統稱為測距碼。GPS衛星信號的產生、構成和復制等，都涉及到現代數字通信理論和技術方面的復雜問題，GPS的用戶，一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，對理解GPS定位的原理仍是有必要的。GPS衛星信號Slide71GPS衛星信號的產生與構成主要考慮了如下因素；（1）適應多用戶系統要求。（2）滿足實時定位要求。（3）滿足高精度定位需要。（4）滿足軍事保密要求。GPS衛星信號Slide72GPS衛星所采用的兩種測距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼），均屬于偽隨機碼。測距碼Slide73C/A碼C/A碼：是用于粗測距和捕獲GPS衛星信號的偽隨機碼。它是由兩個10級反饋移位寄存器組合而產生。C/A碼的碼長短，共1023個碼元，若以每秒50碼元的速度搜索，只需20.5s，易于捕獲，所以C/A碼通常也稱捕獲碼。C/A碼的碼元寬度大，假設兩序列的碼元對齊誤差為為碼元寬度的1/10~1/100，則相應的測距誤差為29.3~2.93m。由于精度低，又稱粗碼。現代科學技術的發展，使得測距分辨率大大提高。一般最簡單的導航接收機的偽距測量分辨率達到0.1米。Slide74P碼P碼是衛星的精測碼，碼率為10.23MHZ，產生的原理與C/A碼相似，但更復雜。發生電路采用的是兩組各由12級反饋移位寄存器構成。P碼的周期長，267天重復一次。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據導航電文信息，捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應的距離誤差為0.29m，僅為C/A碼的1/10，故P碼稱為精碼。根據美國國防部規定，P碼是專為軍用的。目前只有極少數高檔次測地型接收機才能接收P碼，而且美國國防部的AS政策更是絕對禁止了非特許用戶應用。Slide75GPS衛星的導航電文，是用戶用來定位和導航的數據基礎。導航電文包含有關衛星的星歷、衛星工作狀態、時間系統、衛星鐘運行