第 3 章GPS卫星定位原理

第3章GPS卫星测量本章主要内容：一．GPS的发展历史二．GPS基本概念三．GPS技术原理四．GPS的应用一、GPS的发展历史1、基础技术研究阶段（1938-1973）1954-1956扎奇里亚斯与松下公司制作出第一个自足式便携原子钟1957麻省理工学院开始研究卫星跟踪项目1961美国航空公司开始了GPS系统的发展工作，用于满足军事需要1958年美国开始研制卫星定位系统（子午仪系统）（Transit）2、计划实施发展阶段（1973-1993）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，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS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，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成3、技术发展成熟阶段（1994-2008）二、GPS基础概念本节内容包括：坐标系统、时间系统、GPS卫星星历、导航电文和卫星信号及GPS接收机的类型与工作原理1、GPS坐标系统坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：一类是在空间固定的坐标系，另一类是与地球体相固联的坐标系统。坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。为了确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统。2、GPS时间系统在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差。IAT-GPST=19s，GPS时与协调时的时刻，规定在1980年1月6日0时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现为秒的整数倍。在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于2.610-6s。准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于310-11s3、GPS卫星轨道卫星轨道在GPS定位中的意义：卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。（1）卫星作为位置已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；（2）在相对定位时，当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。（3）为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数4、GPS卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。预报星历,实时提供精度不高。计算后所得星历，事后提供，精度较高，达分米。5、GPS卫星信号GPS卫星所发射信号包括载波信号、P码（或Y码）、C/A码和数据码（或D码）等多种信号分量，而其中P码和C/A码统称为测距码。GPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题。（1）GPS卫星信号的测距码码的概念：在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和1）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s。随机噪声码既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列，则这一序列就可以表达成以0和1为幅度的时间函数。假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是0或1完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声码序列）。它是一种非周期性序列，无法复制，但其自相关性好。而相关性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，极其重要。伪随机噪声码尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用。GPS采用了一种伪随机噪声码（PseudoRandomNoice——PRN）简称伪随机码或伪码。它的特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。C/A码C/A码用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。C/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的1/10~1/100，则相应的测距误差为29.3~2.93m。由于精度低，又称粗码。P码P码是卫星的精测码，产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。P码的周期长，267天重复一次。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，仅为C/A码的1/10，故P码称为精码。P码是专为军用。（2）GPS卫星导航电文GPS卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息。导航电文又称为数据码（或D码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。导航电文的格式：123451234567891030s6s0.02s0.6s子帧4、5各含25页一个子帧一个字码一个主帧一个页面一帧导航电文的内容TLWHOW数据块—1时钟修正参数TLWHOW数据块—2星历表TLWHOW数据块—2星历表继续TLWHOW数据块—3卫星历书等TLWHOW数据块—3卫星历书等子帧1一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特子帧3子帧4子帧5子帧2（3）GPS卫星信号的载波和调制GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，GPS卫星信号示意图如下：基本频率10.23MHzL1载波1575.42MHzL2载波1227.60MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHzP码10.23MHz数据码50BPS数据码50BPS15412010204600卫星取L波段的两种不同电磁波频率为载波：L1载波频率为1575.42MHz，波长为19.03cm；L2载波频率为227.60MHz，波长为24.42cm。L1载波上，调制有C/A码、P码（或Y码）和数据码；L2载波上，只调制有P码（或Y码）和数据码。GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取0或1。如果码值取0，则对应的码状态取+1；而码值取1时，对应码状态为-1，载波和相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。（4）GPS卫星信号的解调为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发播的信号后，可通过以下两种解调技术来恢复载波相位。（1）复制码与卫星信号相乘：由于调制码的码值是用1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码，在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。（2）平方解调技术：将接收的卫星信号进行平方，由于处于+1状态的调制码经过平方后均为+1，而+1对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。（5）美国的GPS政策对不同的GPS用户，分别提供两种不同精度的定位服务，即标准定位服务SPS（C/A码）和精密定位服务PPS（P码）。实施选择可用性政策（SelectiveAvailable，SA政策）(已于2000年5月1日取消)，其中SA政策能降低星历精度，并使卫星钟差增大，从而降低了定位精度。实施反电子欺骗防护措施，（Anti-Apoofing，A-S措施）。AS技术使非特许用户不能窃取P码（P码是PPS的数据）以进行精密导航定位。总之，就是降低用户定位精度，保障美国国家安全。天线前置放大器信号处理器微处理器导航计算机震荡器用户信息传输数据存储器外部传输电源6、GPS接收机GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备和电源等。接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。GPS接收机工作原理：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。GPS接收机的分类三、GPS技术原理1、GPS构成（空间部分、地面控制部分、用户设备部分）（1）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3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,并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。（2）地面控制系统地面控制系统由监测站(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天线(GroundAntenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(ColoradoSpring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。（3）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，就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。2、GPS定位原理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。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坐标x、y