全球卫星定位导航技术

六、全球卫星定位导航技术

（一）全球卫星定位系统的基本概念：

GPS即全球定位系统（英文名：Global Positioning System），又称全球卫星定位系统，中文简称为“球位系”，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统，结合卫星及通讯发展的技术,利用导航卫星进行测时和测距。GPS 是美国从本世纪70 年代开始研制,历时20 余年,耗资200 亿美元,于1994 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实施三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明,全球定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

目前全球定位系统是美国第二代卫星导航系统，使用者只需拥有GPS

终端机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军规的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入误差(即SA政策，Selective Availability)以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

GPS系统并非GPS导航仪，多数人提到GPS系统首先联想到GPS导航仪，GPS导航仪只是GPS系统运用中的一部分。GPS系统是迄今最好的导航定位系统，随着它的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断的开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。

发展历程

自1978年以来已经有超过50颗GPS和NAVSTAR卫星进入轨道。

中国北斗卫星

前身

GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit），1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度-{A|zh-cn:信息;zh-tw:资

讯}-，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此,美国海军研究实验室(NRL)提出了名为“Tinmation”的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

计划

最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m,精码精度为10m。由于预算压缩，GPS计划部得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

计划实施

卫星定位图示

GPS计划的实施共分三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km,倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。

第二阶段为全面研制和试验阶段

从1979年到1984年，又陆续发射了7颗称为“BLOCK I”的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米。

第三阶段为实用组网阶段

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为“BLOCK II” 和“BLOCK IIA”。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

组成部分

全球定位系统组成

系统由监控中心和移动终端组成，监控中心由通讯服务器及监控终端组成。通讯服务器由主控机、GSM/GPRS接受发送模块组成。

移动终端由GPS接收机，GSM收发模块，主控制模块及外接探头等组成，事实上GPS定位系统是以GSM、GPS、GIS组成具有高新技术的“3G”系统。

GPS接收机的结构分为：天线单元和接收单元两大部分。

定位系统组成

全球定位系统组成部分

GPS系统包括三大部分: 空间部分—GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座，其中21颗是工作卫星，3颗是备份卫星)；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS 信号接收机。

美国GPS

空间部分

GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

地面控制部分

地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传

送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天

一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

用户设备部分

用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越

轻,便于野外观测使用。

GPS卫星

在测试架上的GPS卫星GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCK I)，全长5.33m接受日光面积为7.2m2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15Ah镉镍电池充电，以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30度的两个L波段（19cm和24cm波）的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。

由GPS系统的工作原理可知，星载时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率

稳定度为10 ?11/天。误差为14米。1974年以后，gps卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到10 ? 12/天，误差8m。1977年，BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10 ?13/天,误差则降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为10 ?14/天的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。

（二）卫星定位原理

GPS的基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。

原理介绍

当苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置，那么如果已知卫星位置，应该也能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的基本设想。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1

和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率

1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中-{A|zh-cn:解调制;zh-tw:解调变}-出来，以50b/s-{A|zh-cn:调制;zh-tw:调变}-在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐标

系;zh-tw:大地坐标系}-中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维-{A|zh-cn:坐标;zh-tw:坐标}-x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时

间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

坐标

描述你的位置的一组数值，一般有维度（北或南）和经度（东或西）。UTM坐标系以米为单位测量你离赤道（北或南）和本初子午线（东或西）的距离。另外一个坐标系MGPS(Military Grid Reference System)也基于UTM,但是把UTM坐标分割得更细了，它只用在军用的GPS接收器上。

二维和三维坐标

GPS定位原理

你的平面位置，例如经度和维度，称作二维坐标，至少需要三颗GPS

卫星的数据来定位二维坐标。如果因为树木、

山峰或建筑物挡住了卫星，你可能只能得到二维坐标。

定时定位

这是指你重启动你的GPS接收器时，它确定现在位置所需的时间。对于十二通道接收器，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为三至五分钟，热启动时为十五至三十秒，而对于双通道接收器，冷启动时大多超过十五分钟，热启动时为二至五分钟。

差分技术

为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统(Differential GPS), 简称DGPS。亦即利用附近的已知参考坐标点(由其它测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身坐标运算的考虑, 便可获得更精确的值。

GPS有2D导航和3D导航分，在卫星信号不够时无法提供3D导航服务，而且海拔高度精度明显不够，有时达到10倍误差。但是在经纬度方面经改进误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间

功能及特点

精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中。

工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量。

勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到。

导航：

武器导航：精确制导导弹、巡航导弹；

车辆导航：车辆调度、监控系统；

船舶导航：远洋导航、港口/内河引水；

飞机导航：航线导航、进场着陆控制；

星际导航：卫星轨道定位；

个人导航：个人旅游及野外探险。

定位：

1、车辆防盗系统；

2、手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统；

3、儿童及特殊人群的防走失系统；

4、精准农业：农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整。

六大特点

1、全天候，不受任何天气的影响；

2、全球覆盖（高达98%）；

3、三维定点定速定时高精度；

4、快速、省时、高效率；

5、应用广泛、多功能；

6、可移动定位。

（三）现状及发展趋势（项目案例）

GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。

定位系统组成

我国的《全球定位系统（GPS）测量规范》已于己于人1992年10月1日起实施。此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、

建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。

在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了GPS静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养和造就了一大批技术人才和产业队伍。

近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站，进行对GPS卫星的精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分GPS （WADGPS）方案的建立，参与全球导航卫星系统（GNSS）和GPS增强系统（WAAS）的筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统（双星定位系统），能够生产导航型GPS接收机。GPS技术的应用正向更深层次发展。

为适应GPS技术的应用与发展，1995年成立了中国GPS协会，协会下设四个专业委员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的GPS应用技术。

目前，GPS系统的应用已将十分广泛，我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。全球定位系统技术现广泛应用于农业、林业、水利、交通、航空、测绘、安全防范、军事、电力、通讯、城市管理等部门。

（四）全球四大卫星定位系统（仪器）

1、美国GPS

由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制，于1993年全部建成。1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供ＧＰＳ使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息服务。

美国媒体声称：“GPS是不能倒闭的银行”。美国知名IT杂志《PCWorld》以美国拯救金融危机中濒临破产的银行为例，发表评论称：“GPS显然是另一家不能倒闭的银行。……对于欧洲‘伽利略’系统的支持者来说，用户对美国GPS丧失信心显然是他们最愿意看到的事情。”

2、欧盟“伽利略”

欧盟于1999年首次公布伽利略卫星导航系统计划，其目的是摆脱欧洲对美国全球定位系统的依赖，打破其垄断，组成“伽利略”卫星定位系统。该项目总共将发射30颗卫星，可以覆盖全球，位置精度达几米，亦可与美国的GPS系统兼容，总投入达34亿欧元。

因各成员国存在分歧，计划已几经推迟，欧盟伽利略卫星导航系统将从2014年起投入运营。与美国的GPS相比，“伽利略”系统更先进，也更可靠。美国GPS向别国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1米长的目标。一位军事专家形象地比喻说，GPS系统，只能找到街道，而“伽利略”则可找到家门。

GPS定位原理

3、俄罗斯“格洛纳斯”

“GLONASS ”是由俄罗斯单独研发部署的卫星导航系统，该项目启动于上世纪70年代俄罗斯目前有22颗Glonass卫星在轨运行，但仅有16颗运转正常。该系统需要有18颗卫星才可满足继续为全俄罗斯提供导航服务的需求，至少需要24颗卫星才提供全球导航服务。

GLONASS系统完成全部卫星的部署后，其卫星导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间，定位精度将达到1.5米之内。

4、中国“北斗”

2003年5月25日零时34分,中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空，前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空，运行至今导航定位系统工作稳定，状态良好。2010年1月17日0时12分，中国在西昌再次成功发射第三颗北斗导航卫星(北斗三号)。这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步，卫星组网正按计划稳步推进。

“北斗”导航卫星系统是一种全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。北斗卫星导航系统组网成功将能够提供与GPS同等的服务。中国的北斗卫星导航系统将成为与GPS并驾齐驱的“卫星导航系统”代名词的新星。不同于GPS的是，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。2008年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。北斗二号系列卫星已进入组网高峰期，建设自己的卫星导航系统，拥有自己的系统，中国国防将从根本上摆脱了受控于美国，中国的尖端武器拥有了自己的眼睛，国家的导航系统独立性得到保证，更加可靠。预计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。

姓名：郭建华

学号：10201050233

班级：测绘工程（2）班