第十章 全球导航定位系统10.1.1 GPS 的功用与特点•卫星导航是利用人造地球卫星来进行导航,相 当于把导航台搬到天上 •导航星全球定位系统（Navstar Global Positioning System），简称GPS系统• GPS系统可在全球范围内，全天候为海上、陆 上、空中、空间的用户连续地提供高精度的位 置、速度和时间信息，并且有良好的抗干扰和 保密性能，对导航定位、大地测量，以及精密 授时等均具有重要意义 •GPS系统有21 颗工作卫星和 3 颗在轨的备用 卫星，它们平均配置在六个轨道上•卫星发射用伪随机码（伪码）调制的两种频率 ；L1＝1575.42MHZ ,L2＝1227.6MHZ•用户设备用测量到几颗卫星的距离的方法，来 确定观察点的位置•GPS系统能连续提供三维位置（经度、纬度、 高度）、三维速度和时间，实现近乎实时的导 航定位•双频发射是为了供用户设备消除电离层对传播 的影响• 伪码有 P码、C／A码、Y码三种• P码信号，定位精度高，保密性好，仅 供美军和特许用户使用，实时定位精度 优于16米，测速精度优于 0.l米／秒，授 时精度优于 0.1微秒 •C／A码信号供一般用户使用，定位精度 可达 20～40米。
•Y 码用于有潜在威胁的军事环境中•民间使用上为了能获得更好的定位精度， 已经相继采取了一些措施例如，C／A码 采用差分 GPS技术，可以达到米级的定位 精度；供测地用的采用无码技术的用户设 备，可以达到厘米级的相对定位精度 10.1.2 GPS的应用•一、海上应用—导航等•二、陆地——定位、测距、车辆导航•三、空中和空间应用•（一）空中应用•1、航路导航• 由于GPS具有全球覆盖、全天候、高精度和运 态适应能力它可以直接用于飞机的航路导航 由于它不依靠地面导航台，因而能适合于边 远、荒漠、海上、极区等空域的飞行，并可实 施直飞航线或随机航线，，增加飞行灵活性•2、进近着陆• 利用差分GPS能达到进近着陆的精度要求， 因而能取代仪表着陆系统（ILS）和微波着陆 系统（MLS）•3、机场的场面活动管理•当飞机和场面活动的车辆都装有GPS接收机和 直接向塔台报位的通信线路后，可以监视和调 动所有场面活动的飞机和车辆• 4、自动相关监视•GPS接收机的定位数据可以为自动相关监控提 供每架飞机的位置报告给地面管制部门，在其 显示器上呈现和雷达监视相当的空中交通活动 图像，以便实施管制。
（二）空间应用• 1、对导弹进行实时跟踪和制导• 导弹装上GPS接收设备，可以测出飞行弹道 此外，还可用于导弹的制导，使导弹（或炸弹 ）不仅可以低空攻击目标，高空攻击目标亦有很 高的命中精度• 2、确定空间运载体的轨道• 航天飞机、轨道卫星等空间运载体上装备 GPS接收机，可以精确确定自身的轨道位置10.1.3 GPS的系统组成与工作频率•该系统由地面支持网、空中卫星群和用 户设备三个子系统组成 •1、地面支持网：监控卫星并根据测算结果向卫 星提供时间改正参数、卫星星历等资料• 2、空中卫星群：卫星接收来自地面站的信息， 并向用户发射以 C／A 码和 P 码调制的、带有 时间信息和卫星星历等导航参数的1575．42MHz 和 1227．60MHz两种载波频率的信号• 3、用户设备：接收卫星发射的时间信号和卫 星轨道信息，求得卫星位置，利用时间信号和伪 码相关测量卫星到测者的伪距，并由计算机解算 用户位置、速度等参数10.1.4 GPS系统的地面支持网•GPS系统的地面支持网由五个监测站、一 个主控站和四个注入站组成•监测站收集卫星及当地气象资料送给主 控站。
•主控站根据这些资料计算卫星轨道等导 航信息，然后由注入站每隔8h向卫星发 送一次，更新卫星资料，以便卫星向用 户设备转发导航信息•一、监测站l监测站（MS）有5个，分别设在太平洋的夏威夷、 科罗拉多的斯普林斯、马绍尔群岛的夸贾林岛、 印度洋的迪戈加西亚岛、南大西洋的阿森松岛等 l每个监测站有一台用户接收机，若干台环境数据 传感器，一架原子钟和一台计算机信息处理机.l它的任务是对所有视见卫星每1.5s测量一次距离 数据；监测导航信息；收集当地环境气象数据； （通过环境传感器收集当地的气象数据，为了计 算对流层校正数据）.l监测站的计算机控制所有数据的收集，并将得到 的数据存贮，然后把这些数据送到主控站•二、主控站•主控站（MSC）设在美国科罗拉多州斯普林斯的联 合空间工作中心它负责对系统控制部分的运转实 行全面的控制• 具体任务是：提供GPS系统的时间基准；处理由 各监控站送来的数据；编制各卫星的星历；计算各 卫星钟的偏差和电离层校正参数等，然后把不断更 新的导航信息送到注入站再转发给卫星 • 监测站每6秒钟将其所测得的卫星距离信息和气象 数据发送给主控站，主控站对测量结果中各种已知 的偏差如电离层延时，对流层折射等进行修正；然 后进行一次数据处理,得到卫星位置、卫星速度、 卫星的时钟偏差等估值：•然后按一定格式转化为导航电文送入注入站三、注入站• 目前注入站有4个。
• 注入站为主控站和卫星之间提供接口 关系它用 1754MHz—1854MHz的频率向卫 星注入有关数据注入数据有用户导航信 息（包括时钟校正参数、大气校正参数） 、卫星星历及全部历书数据 10.2 GPS系统工作原理GPS系统空中卫星群由21颗工作卫星和3颗 备用卫星组成它们接收地面站发送来的星钟修正参数、电离 层校正参数等导航信息，为用户提供精密和标 准定位服务 一、卫星星座• GPS卫星网为21颗卫星星座布局，它包括 24个卫星位置，等间隔分布在6个轨道平面， 轨道倾角为55度，两个轨道在经度上相隔600 每一轨道面上有 4颗卫星如图10－3所示 • 卫星在高约20183km的近圆轨道上运行，周期 约12h每颗卫星绕地球运行两圈时，地球恰好 绕其轴转一周•这样，每颗卫星每一恒星日有1～2次通过地球 上同一地点的上空每一颗卫星每天至少一次通 过一个地面控制站的上空，因此控制站可全部设 在美国国内•同时，地球上任一地方用户任一时刻至少可看到 仰角5度以上的4颗卫星•卫星姿态采用三轴稳定方式，保证卫星上天线的 辐射口总是对准地面 二、卫星提供的导航信息• 1、卫星工作方式•卫星中装有接收机、发射机、高精度的振 荡器、导航电文存贮器。
•接收机接收地面站发送的导航信息，它包 括卫星星历、历书（卫星的概略坐标）、 卫星时钟和电离层校正参数等，同时还接 收地面站发送的控制指令•卫星上时钟的标准频率f0=10.23 MHZ，它 是卫星上各种频率的同步信号•P码的码频率等于 f0 ，C／A码的码频率为 f0/10， 载波频率f1=154 f0, f2 =120 f0.•载波L1用P码、C／A码和导航数据信息进行相位 调制载波L2只用P码和导航数据信息调制.•C／A码是一种伪随机噪声码序列，其频率为 1.023MHz，周期 1ms它是一种短码，易于捕获 不同的卫星分配了不同结构的C/A码•P码也是一种伪随机噪声码序列其频率为 10.23MHz，周期约267天实际上使用的P码周期 为7天不同结构的P码分配给不同的卫星，在一 星期内，各卫星的P码不重复P码是一种长期的 精确码，它难以捕获通常先捕获C／A码，然后 使用导航电文中含有的交接码转到P码 2、卫星导航电文• 导航电文是卫星提供给用户的信息， 它包括卫星状态、卫星星历、电离层修 正参数和卫星钟偏差校正参数以及时间 等内容图10-6是导航电文结构示意图 •一、导航电文及其格式•导航电文是二进制文件，它是按一定格式组成数据帧，按帧向外 播送。
•每帧导航电文由5个子帧组成第1、2、3帧播放该卫星的星历和 卫星钟修正参数，其内容每小时更新一次•第4、5帧播放所有空中GPS卫星的历书（卫星的概略坐标），完 整的历书占25帧•每个子帧含有10个字，每个字占30bit.•二、导航电文内容•导航电文中各子帧的格式见下图•1. TEL：遥测码•每个子帧的第一个字码为遥测字（TEL）它指明卫 星注入数据的状态，由星载设备产生，遥测字开 头 8个码位作捕获导航数据的前导；随后14个bit 是遥测电文，内容包括地面注入数据的状态，诊 断信息等，指导拥护是否选用该卫星 •2.HOW:转换码•每个子帧的第二个字码为转换码.它可以辅助拥护 从捕获的C/A码转换到捕获P码.•3.导航信息:•每个子帧中的后8个字导航信息或专用电文,由地 面控制站注入给卫星• 卫星发送出的信号有：• 1、L1和L2两种载波；• 2、C／A码和P码两种伪随机码；• 3、导航电文（包括时间信号、卫星轨道资料 、电波传播修正参数和卫星钟校正参数、历书 ） 10.2.2 基本工作原理• GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利 用星历资料计算卫星位置; 利用伪随机 码或载波相位测量测者到卫星的距离， 最后解算导航方程求测者位置的经纬度 。
一、测时间差求距离• GPS中，测量者到卫星的距离是通过测电波 从卫星发射到被用户接收机接收的时间间隔 来确定的，即根据卫星信号传播时间与电波 传播速度的乘积来求得•而卫星信号传播时间通过测量卫星信号的C／ A码或P码与用户接收机内产生的同类码相关 所需要的相移来求得•1、伪码测距原理• 如图10-8所示，上一行是接收到的卫星伪码信号 ，下一行是接收机产生的伪码信号，它的格式与卫星 的伪码相同，由接收到的卫星伪码信号相对于接收机 产生的伪码信号的延迟量，就可得卫星与用户接收机 之间的距离这种未经修正的距离称为伪距 2、伪码测距方法•如图10-9所示，被接收、检测和放大的伪随机序列与 接收机产生的伪码序列通常是不同步的，本机的伪码 在时钟的控制下逐步地移动，直到接收的和本机的伪 码信号同步，则相关器输出控制信号停止本机伪码的 移动，并将测得的时间信息提供给计算机• 图10-10示出了相关接收的一个例子，第2行是接收来 自卫星的10个码元信号，第3行是本机产生的伪码序列 的10个码元•当接收的伪码信号与本机伪码信号不同步时，在时钟 控制下，本机伪码序列右移，直到第4行所示状态，即 同步，此时相关器输出高电平停止本机伪码的移动。
•测得的时间差是 5个码元持续时间，每个码元为1s ，共5s二、 卫星定位算法• 1、导航方程• 自相关测量卫星发送的伪码和本机产生的 伪码间差值而得到的距离，并不是测者到卫星 的真实距离，许多因素使它带有不同性质的误 差，影响较大的有卫星钟差、用户钟差、电波 传播误差等这些误差严重地影响卫星的定位 精度，必须尽可能予以修正1） GPS时间系统•原子时是以铯原子133基态两个超精细能级间跃迁所 辐射的电波振荡周期为基础的时间系统起始历元 为1958年1月1日0点原子时稳定、均匀、至今未见 变化•协调世界时UTC是以原子秒为单位， •GPS时是一种连续的、高精度的、均匀的时间系统， 它以原子秒为单位，时间间隔为一周即604880s） 它开始和结束在每周星期六和星期日之间的子夜零 点时刻•GPS时起点1980年1月6日UTC的零点它常用自起点 以后的周数、日数、GPS秒来表示时间•GPS时间计量是通过Z计数（从每个星期日的零时开 始计数，）进行的，利用Z计数器可以较快地捕获P 码 •（2）钟差•GPS时间是整个系统的时间标准它在导航电 文的交换字中每6s向用户发送一次由于1ns 即s的误差将导致距离误差0．3m，所以整个系 统要求严格与主控站的原子钟同步。
•通常卫星钟和用户钟都有误差•卫星钟差可根据导航电文确定•用户钟差可在导航解算过程中获得•(3)电波传播误差• 该误差主要由电离层和对流层对电波的影响造 成的• a．电离层的影响• 地球上。