全球卫星导航系统

全球卫星导航系统的英文名称为Global Navigation Satelite System，缩写是GNSS，它是利用系统中所有的全球导航卫星所建立的覆盖全球的全天候无线电导航系统。目前可供利用的全球导航系统主要有美国的GPS（Global Positioning System）、俄罗斯的GLONASS（Global Navigation And Surveying System）、欧洲航空局（ESA）的NAVSAT和欧洲的Galileo、法国国家空间研究中心（CNES）的LOCSTAR和中国的北斗星系列导航卫星系统BDS等。

3.3.2.1　GPS的研究开发历程

由于美国的GPS研究、开发和利用较早，使用广泛，其精度和可靠性及经济方便性表现突出，一般说全球定位系统就指美国的GPS全球定位系统。

全球定位系统GPS是英文缩写词“NAVSTAR/GPS”的简称，其英文全称是Navigation Satelite Timing And Ranging/Global Positioning System，其中文含义为“导航卫星测时与测距/全球定位系统”。GPS是以人造卫星组网为基础的无线电导航定位系统，它利用设置在地面或运动载体上的专用接收机并通过接收卫星发射的无线电信号向全球用户提供高精度定位、速度和时间数据，具有很强的抗干扰功能。它提供一种实用、价廉并在全球范围内确定位置、速度和时间的工具，是世界范围内连续覆盖并全天候工作的系统。它是被动式定位系统，并可供无数用户同时使用。

1957年由苏联发射的史波尼克（Sputnik）人造卫星，是人类历史上的第一颗人造卫星。第二次世界大战时，美国麻省理工学院无线电实验室成功地开发了精密导航系统，其以陆地上的无线电基地台为架构，计算无线电波长及电波到达的时间并以三角定位法计算出自己所在的位置，以当时的技术来说，虽然误差到达1km以上，但该系统在当时的运用却相当广泛。

当苏联成功地发射第一颗人造卫星时，美国约翰霍普金斯大学（John Hopkins University）展示了如何由人造卫星的无线电信号的多普勒移动现象来定出个别的卫星运行轨道参数，虽然这只是逻辑上的一点小进展，但假如人们能够得到卫星运行轨道参数，那么就能计算出其在地球上的位置。

1960—1970年，美国和苏联开始研究利用军事卫星来作导航用途，到了1974年，军方对有关系统作了整合，即现在人们所熟知的Navstar系统。

20世纪80年代后期开始，所有Navstar系统的商业运用均归美国海岸防卫队负责，现在GPS已和以地面基地台为架构的LORAN和OMEGA无线电导航系统结合，成为美国国家导航信息服务的一环。

GPS实施计划共分三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，人们共发射了4颗试验卫星，并研制了地面接收机，建立了地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，人们又陆续发射了7颗试验卫星，并研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS的定位精度远远超过设计标准。

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，这表明GPS系统进人工程建设阶段。1993年年底实用的GPS网，即（21＋3）GPS星座已经建成，此后将根据计划更换失效的卫星。

GPS是由美国政府组织研制，从美国国防部于1973年12月批准的国防导航卫星计划开始，历经20余年，耗费约300亿美元巨资，于1993年全部建成并服务至今的全球现代化导航系统，是美国“星球大战”计划的重要组成部分，也是美国在20世纪继阿波罗登月和航天飞机之后的最重大科技成果。它利用导航卫星进行测时和测距，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS由美国国防部设计和收费，美国国防部与美国交通部达成协议，有限制地免费交付民用。

GPS按使用性质有军用和民用之分。军用包括陆海空全天候导航、制导武器、核爆炸检测、情报搜集和应急通信等。民用陆海空交通定位导航，包括汽车及火车的调度与监控、轮船导航及船码头的调度与监控、飞机导航及机场的调度与监控、精密授时、测绘及测绘相关领域的应用等。

GPS按用途可划分为导航领域、授时领域、测姿领域、地理信息系统数据采集及数字化矢量成图领域、精密定位领域。精密定位领域包括测绘、地球科学、水利、天文、气象、环境等。测绘包括大地测量、控制测量、精密工程测量、变形监测、海洋测量、摄影测量等。地球科学包括地球动力学、地震监测、卫星遥感、灾害监测、资源勘探等。水利包括大坝监测、滑坡监测等。

3.3.2.2　GPS的构成

GPS包括空间部分、控制部分、用户部分。空间部分指卫星系统用于定位观测；控制部分指地面控制系统，由主控站和监控站组成，实现系统管理和控制；用户部分指用户接收处理装置，主要指接收机，用于接收、解码、处理卫星定位信号。从定位和导航的观点看，人们只对空间部分和用户部分感兴趣。

图3-3　GPS系统空间部分的导航卫星系统

1）空间部分

空间部分由导航卫星系统组成，其也是GPS系统中最为关键的部分。GPS系统由24颗卫星组成，21颗为工作卫星，3颗为备份卫星，这些卫星均匀地分布在6个与赤道成55°夹角的近圆形轨道上，轨道间的夹角为60°。GPS系统空间部分的导航卫星系统如图3-3所示。轨道的距地平均高度约为20 051km，大约12个恒星时（11h58min）绕地球一周，这种布局可以保证在全球的任何一点、任何时刻均能收到4颗以上的卫星信息。

GPS每天24h提供世界范围的覆盖，GPS卫星的设计寿命是7.5年。卫星上的时间和频率标准由每个卫星所带有的4个原子钟确定，以提高系统的可靠性。

卫星以发射顺序或伪随机码命名，在每颗卫星上都安装有轻巧的频标原子钟、微型计算机、电文存储器和信号接收与发送设备，其由太阳能电池提供电源。卫星带有少量的燃料，用以调节卫星的轨道位置与姿态。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控制和推进。卫星上装有长期稳定度的原子钟，其300万年的误差为1s，卫星星历参数的广播星历（计算卫星位置）和概略星历（预报卫星位置）可进行时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正、轨道摄动改正、卫星工作状态监测。卫星装有L波段双频发射机和S波段接收机、伪随机码发生器、导航电文存储器，由地面监控系统生成并发送导航电文（D码）。在星体上装有多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射测距码C/A码（1.023MHz）、P码（10.23MHz）载波L1和L2波段的信号，L1＝1 575.42MHz，L2＝1 227.60MHz，其波束方向图能覆盖半个地球，另有监测核试验的L3载波和用于军事的L4载波，C/A码可转换为P码的信息。

在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。导航信号采用伪随机噪音编码调制，L1用P码和C/A码调制，L2用P码调制。C/A码已开放民用。地面控制系统由一个主控站、四个监控站和三个注人站组成，其任务是保证卫星导航数据的质量。用户的接收装置由天线、接收机、计算机和数据处理软件等组成。卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。另外，如果某颗卫星发生故障，备用卫星会立即根据地面控制站的指令，飞往指定的地点，替代故障卫星进行工作，以保证整个星座的正常工作。

2）地面控制站

GPS地面控制系统包括1个主控站（Master Monitor Station），3个上行数据注人站（Ground Antenna）和4个监控站（Monitor Station）。地面控制部分的任务是跟踪监测卫星并保证卫星导航数据的质量，这些卫星地面控制站同时监控GPS卫星的运作状态及它们在太空中的精确位置，主地面控制站还负责传送卫星瞬时常数（Ephemera's Constant）及时脉偏差（Clock Ofsets）的修正量，再由卫星将这些修正量提供给GPS接收器作定位之用。

主控站（MCS）设在加利福尼亚州的科罗拉多斯普林斯（COLORADO SPRI⁃NGS）附近的Falcon MCS空军基地和关岛，遥远的监控站是在主控站直接控制下的无人指导的数据收集中心，主控站对监测跟踪站传送来的数据进行处理，计算每一颗卫星的星历和钟差等参数，将星历和钟差等参数及控制指令传送到注人站。主控站也是唯一控制卫星随机运动的地面站，每个监控站设有多通道的接收机、若干台环境数据传感器、一台原子钟和一台信息处理计算机。主控站负责地面控制站网的全面控制，根据各监控站收集来的数据，计算出各卫星的星历表和原子钟误差。

4个监控站分别位于夏威夷、瓜加林岛、迪亚哥加西亚和亚森欣岛。监控站的天线能24小时连续对每一颗卫星进行连续跟踪观测，并接受来自卫星的各种信息，以预报轨道和改正时钟，并将数据发送到主控站。监控站信息处理机控制所有的数据采集，并将其与当地的大气条件等数据组合，这些数据首先存在监控站之中，然后需要时再把这些数据传输到主控站，并加以处理。

注人站具有地面天线，用来发送上载信息和控制数据，当卫星经过注人站上空时，将星历和钟差等参数及控制指令注人给每颗卫星。每天向每颗卫星发送一次由主控站提供的包括星历数据、环境数据、时间漂移数据、电离层传播延迟修正数据在内的各种数据。所有这些数据均被存人卫星上的存储器中，以更新原来那些相应数据，并形成每颗卫星向用户发送的新的导航信息。

3）用户接收机

GPS的用户设备是用户接收机，它用来观测和记录由若干卫星发送的数据，并运用数学方法求得三维空间位置以及时间和速度信息。现在GPS的用户研制出多种类型的接收机，从最简单的单通道便携式接收机到性能完善的5通道、6通道，甚至7通道、8通道、12通道接收机。不同结构类型的接收机适用于不同的干扰环境条件。一次定位的时间也从几秒到几分钟不等，这取决于接收设备的结构完善程度。

尽管各种类型的接收机的结构复杂程度不同，但都必须完成选择卫星、捕获信号、跟踪和测量导航信号、校正传播效应、计算出导航解、显示及传输定位信息等基本功能。

用户接收机一般有天线、接收单元、计算单元及输人/输出设备四大部件组成，另外有电源单元完成接收机供电任务。天线包括天线本身和前置放大器模块，完成接收GPS卫星信号并进行滤波放大的任务；接收单元包括跟踪和接收单元，完成接收并测量卫星信号的任务，通过载波相位和多普勒频移测定卫星至地面站的距离，其常称为伪距测量，再接收卫星发送的导航电文，获得卫星星历、钟差改正等参数，测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机的传播时间，测量接收单元接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机查收的参考载波信号之间的相位差；计算单元完成处理和计算观测瞬间的卫星位置、求解接收机位置；输人/输出设备包括控制和显示单元及存储单元，完成显示、传输及存储定位信息的任务。

各种类型设备的结构很相似，包括射频前端、中频的码跟踪和载波跟踪回路。射频前端由天线、射频放大器、滤波器和频率转换器等组成，其功能有射频放大、滤波、频率向下转换、增益控制和产生本机振荡信号。射频前端还包括支援射频部件的直流偏置和电源电路。一般GPS接收机的构成及功能框图如图3-4所示。

图3-4　一般GPS接收机的构成及功能框图

由于至少能同时观测到4颗卫星，这允许人们确定接收机的三维坐标及接收机和GPS间的时间偏移。三维坐标采用ECEF笛卡尔坐标系或大地坐标系，如WGS84。利用变换公式，可在其他大地坐标系或映射平面内计算位置。GPS的ECEF笛卡尔坐标系如图3-5所示。

图3-5　GPS的ECEF笛卡尔坐标系

GPS接收机按用途可分为测量型、导航型、授时型、姿态测量型；按使用的GPS信号种类可分为C/A码、P码、载波相位接收机；按接收的频率可分为单频、双频、三频接收机；按测量载波相位的方式可分为码相关型、码无关型接收机；按组装的形式可分为一体机、分体机、整机和OEM板等。

为了对GPS接收机的组成有一个总的了解，图3-6描述了摩托罗拉接收机，其中ASIC表示应用特殊的集成电路，EEPROM表示用电子方法可擦除的可编程的ROM。

图3-6　摩托罗拉OncoreGPS接收机框图

3.3.2.3　GPS的特点

GPS系统与其他定位系统相比的主要特点有：

（1）全球连续定位。该系统能为全球任何地点或近地用户提供连续的全球导航服务。

（2）定位精度高。GPS系统能为各种用户提供七维导航信息，即三维定位装置信息、三维速度信息和精确的时间信息。试验表明，其定位误差低于10m，计时误差低于1μs。

（3）接近实时定位。GPS系统所需的定位时间极短，从开机冷启动到捕获卫星，直至精密定位，最长时间为30s，而每次定位的刷新时间只需1s或0.5s。

（4）抗干扰能力强。GPS系统采用扩频调制技术和相关接受技术，从而使用户接收机系统具有抗干扰能力强、保密性好等特点。

（5）被动性全天候导航。用户只要装备接收装置就可以接收系统的信号进行导航定位，用户不需要发射任何信号，因而体积小而灵活，这种被动式导航不仅隐蔽性好，而且可以容纳无限的用户。

GPS系统的特性列在表3-4中。

表3-4　GＰS系统的特性

一般民用的标准定位服务属于基于C/A码的SPS，其受到选择可用性（SelectiveAvailability，SA）保护。SA是精度下降方式，以降低民用精度，达到美国国家安全需要的程度。可通过把轨道参数变坏和卫星钟参数抖动结合起来达到这一点。这会导致卫星位置（星历表）导航信息的人为误差及定时源（载频）误差，产生不确定的多普勒速度测量结果。对于民用用户，仅SPS可用，因此，SA降低了民用GPS接收机的性能。检测SA开或关的简单方法是在一段时间内记录静态GPS定位和速度数据。若SA是关的，二维定位误差轨迹将落人直径为25m的圆内（反之为100m），峰值速度误差大约为0.25m/s（反之为1m/s）。卫星经广播一个参数，辨别与用户范围精度一样的一部分导航信息，这可用作指示SA的状态。在2000年，根据美国总统年度报告，美国政府已经决定有条件地取消施加于民用用户（没有交付费用）的SA限制。

3.3.2.4　GPS定位原理

卫星星座位于地球轨道上，无线接收机处于地球表面或附近，用于解码卫星发射的信号。然后，这些接收机通过信号计算定位、速度和时间。因为是被动系统，所以它可支持无限多的用户，这一点非常像电视广播系统。

定位测量基于到达时间（TOA）测距原理。从已知位置上的发射机（这里是指卫星）发射信号到达接收机所需时间间隔乘以信号的传播速度，可得到发射机到接收机的距离。接收机从多个已知位置的发射机接收多个信号用于确定接收机的位置。由于存在卫星和接收机间的时钟偏差、传播延迟和其他误差，不可能测出实际距离，测出的是伪距。卫星时钟和接收机时钟的读时偏差是常数。为了确定接收机的位置，接收机需知道到跟踪卫星的伪距和卫星的位置。信号传播时间乘以光速等于伪距。信号传播时间由将接收的卫星码和内部产生的复制码相匹配所需的测量时间偏差决定，这称为“修正”。正如所有的测量情况，这需要独立观察的结果数目取决于可求解未知量的数目。

GPS定位是利用三点定位原理，即知道未知点距离已知点的距离，未知点必然位于以已知点为球心，距离为半径的球上，测出未知点和三个已知点的距离，则未知点在三个球圆周的相交处（为两个点时，因有接收方向，故有一个处于接收背面的点可以舍去），从而准确地测出未知点的位置。

GPS接收机收到来自卫星无线电波的信号，根据电波到达所需要的时间，测出距卫星的距离（s＝ｔ×ｃ，ｔ为电波到达的时间，ｃ是电磁波的速度，约为3 000 000m/s）。测量与时间有着极大的关系，下面先介绍一下与时间有关的术语。

在1967年10月的第13次国际度量衡总会中，规定铯原子钟作为决定国际性时间的基本标准器。简单地说，规定铯原子的振动频率为9.192 631 770GHz，以此种频率为基准来表示刻画的时刻叫作原子时。由于铯原子振动频率的稳定度极高（如前述能达到10～14量级），故其能达到三万年相差不超过1s的时间精度。

星历指精确描述天体（如GPS卫星）位置的，以时间为变量的函数的一组参数。目前，GPS星历有广播星历和后处理的精密星历。

测量精度在很大程度上取决于时间精度，这也是卫星上搭载原子钟的原因，为了准确地得到电磁波到达的时间，需要GPS接收机也要有同样高精度的时间，为了把接收机制造得小巧和价廉，不可能使用昂贵的原子钟。解决方法是，追加另一颗卫星的信息，来寻求正确的时间，这样一来，为了进行正确的测位，必须接收来自4颗卫星的电磁波。目前，多数导航是通过这种方法实现的。

在二维情况下，计算接收机的位置至少需要2颗卫星。如果卫星的位置已知且可测量接收机到每个卫星的伪距，那么，接收机处于直径等于伪距的2个圆的交点之一。

可用式（3-1）计算未知接收机的位置。注意这些方程采用二维笛卡尔坐标系作为参照坐标系。其中，（x1，y1）和（x2，y2）是卫星的已知坐标，p1和p2是测量的伪距。求解这两个联立方程后，可利用一个粗略的统计（或第三颗卫星）确定采用哪一个解。

对于三维情况，需要3颗卫星，这时伪距产生定位球体，而不是圆。显然，求解式（3-2）可确定接收机的位置（x，y，z）。其中（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）是卫星的已知位置；p1、p2、p3是测量的伪距。

用于测量信号传播时间的接收机时钟与GPS时间不同步，必须确定接收机时间与GPS时间之间的时钟偏差。利用第四颗卫星可计算该参数。按照设计，所有卫星时钟利用精确的原子钟同步。如果接收机时钟与卫星时钟精确地同步，时间的测量是简单的。然而，从经济上考虑接收机采用原子钟是不实际的，故采用价格便宜的晶体管振荡器。这些时钟在接收机和GPS时钟间引人时间偏差（时钟偏差），所以，必须考虑偏差在计算中的影响。接收机时钟偏差是接收机的时间偏差，对于每颗卫星都是相同的。从而可通过式（3-3）计算接收机的位置和时钟偏差：

式中，（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）和（x4，y4，z4）是卫星的已知位置；p1、p2、p3和p4是测量的伪距；ｃ是光速；dT1，dT2，dT3，dT4是GPS未知接收机的时钟偏差项。卫星时钟偏差项可通过广播导航信息由接收机计算出来。在前面的方程中，为简化起见忽略了某些误差项。例如，由电离层延迟和对流层延迟所造成的测距误差可用大气模型估算。然而，接收机噪声、多路径传播误差、卫星轨道误差及SA的影响仍然存在。方根项表示接收机和卫星的几何测距，其他项是伪距的分量。

速度测量基于多普勒频率位移原理。每个卫星频率的多普勒位移是接收机和卫星沿它们之间的直线的相对速度的直接度量。由于卫星轨道运动和接收机所处地球旋转运动，每个卫星相对于一个静止接收机具有非常高的速度。对前面介绍的四维导航解（伪距方程）对时间求导可求出速度解。

对于定位和导航应用，在茂密的树叶下和城市的高楼矗立地带，GPS接收机的性能尤其重要。头顶的茂密树叶可造成卫星信号的大幅度衰减，城市的高矗建筑物可阻碍和反射卫星信号。因此，具有定位滤波器、快速的重获取时间和并行通道（与多路通道相对）跟踪能力的接收机比不具有这些特性的接收机要好得多。

增强GPS接收机性能的另一个方法是接收机自备综合监视RAIM。它可提供检测手段并排除卫星信号故障。最后，研究表明8通道的低价接收机提供了可靠跟踪卫星信号的最佳性能价格比。

3.3.2.5　差分GPS（DGPS）

差分GPS（DGPS）技术可以大大改进GPS的性能。该技术系统包括两个GPS接收机，一个是主接收机，位于已知（测量）坐标的参考站；另一个是位于坐标待定的远处位置的接收机（如运动中的车辆），差分GPS（DGPS）技术系统如图3-7所示。将主接收机计算出的位置与已知的坐标比较，可得到对每一个卫星的差分修正。通常将修正信息发送到远处的接收机以计算修正局部位置。这甚至使得在SA有效时可把商业系统的定位误差减小到15m以内。DGPS技术假设远处接收机的误差范围与主接收机相同。这种假设可能不总是真的，尤其是两个接收机相距很远时。当使用低噪声的接收机，且相距最多为50km时，通常可达到5m的精度。

图3-7　差分GPS（DGPS）技术系统

表3-5给出了典型的DGPS的特性，与表3-4对照，可见DGPS比GPS好得多，甚至令人惊奇地优于精确定位服务PPS。

表3-5　典型的DGＰS的特性

DGPS有不同的实现方法。例如，如果卫星的位置和接收机的位置是已知的，从测量的测距向量减去已知测距向量可推算出校正测距向量。然后校正向量即可从参考站发送到移动接收机。校正数据发送率由误差变化率决定。对于自主车辆定位和导航系统，单向通信校正就足够了；对于车辆跟踪，如果系统需要车辆中的用户和中心调度员校正位置，则需要双向通信。VHF（甚高频）无线电、双向无线电、FM副载波、传呼信号、蜂窝电话或基于卫星的通信等均可用于该通信链。

一种代价可行的车辆跟踪技术是反向DGPS。在这种情况下，车辆不进行位置校正，仅对参考站进行校正。这种技术要求车辆向参考站发送卫星信号和正在跟踪的卫星星历表数据及车辆的位置。参考站软件利用这些数据和参考站利用相同卫星收集的其他数据计算位置修正。然后，为该车推算校正向量并应用之。如果系统需要跟踪许多车辆，由于任务的计算量大，参考站需要一个非常强大的处理器或者多个处理器。

广域DGPS（WADGPS）是另一个代价可行的差分技术。已知DGPS要求接收机与参考站之间的距离小于50km，才能提供非常高的精度。换言之，DGPS的主要缺点是参考站到用户之间的距离和得到的定位精度之间具有高度的相关性。为覆盖广泛的区域，需要增加大量的参考站。相反，WADGPS需要非常少的参考站。例如，10个参考站可以覆盖美国大陆。利用这10个参考站收集的GPS接收机数据，可计算全国范围的一张国家地图。每当任何局部用户需要服务，这张国家地图可用于该特定地区的一个虚拟参考站推算校正值。因为该虚拟参考站近似等于该地区的实际参考站，所以可取得类似的定位精度。应用类似技术确定精确的卫星轨道的研究也已经活跃起来。如果能达到实时计算，这一精确轨道方法应该更能改进定位精度。目前，精确轨道和时钟仅用于任务后处理。