卫星定位与导航技术：从雷达到GPS

雷达作为早期定位工具，为人们的工作生活提供了巨大的便利。但是，它也有自己的缺点，比如成本过高，定位精度较差等。受到雷达的工作原理启发，人们发明了GPS定位系统。进一步改善了定位的精度，降低成本。

1.4.1 GPS系统及构成

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是美国国防部为军事目的而研制的导航定位授时系统，旨在彻底解决陆地、海上和空中运载工具的导航和定位问题。该系统从 1973 年开始设计研制，在经过了方案论证、系统试验后，于1989年开始发射工作卫星，1994 年全部建成并投入使用。GPS利用围绕地球的24颗卫星发射信号进行经纬度和高度的定位，最早是为了在海军军舰上进行海上定位使用。GPS围绕地球的24颗卫星成互差120°的平面排列。也就是说理想状态下我们同时应该能够接收到12颗卫星所传来的信号。

GPS卫星同时发射两种码：一种为P码，我们称之为细码；一种是C/A码，我们称之为粗码。P码的精度非常高，通常可以控制在误差3 m以内，但只为军方服务。而我们使用的为C/A码，精度在14 m以内。

我们知道，如果知道两个坐标点，我们可以确定一个平面内的一点，如果知道三个坐标点我们就能够知道空间当中的任意一点位置。而GPS可以利用三颗卫星进行经纬度X，Y的定位，而四颗卫星可以进行经纬度和高度X，Y， Z三维定位，四颗卫星中三颗进行坐标定位，一颗卫星进行时钟校正。

1.4.2 完整的GPS包括三部分

1. 空间部分

GPS的空间部分由24颗卫星组成（21颗工作卫星，3颗备用卫星），它位于距地表20 200 km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°。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，并能使用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（Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，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。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。目前各种类型的接收机体积越来越小，质量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。

我们通常所说的GPS往往只有用户设备部分，它通过接收天空不同位置的三颗以上的卫星信号，测定手持机所在的位置。(www.xing528.com)

1.4.3 GPS定位的基本原理及系统运作方式

1. GPS卫星星历及坐标系统

GPS定位处理中，卫星轨道通常是已知的。卫星轨道信息用卫星星历描述，具体形式可以是卫星位置（和速度）的时间列表，也可为一组以时间为引数的轨道参数。按提供方式又可分为预报星历（广播星历）和后处理星历（精密星历）。卫星的位置（和速度）及用户定位计算的点位（未经坐标转换时）都是在协议地球坐标系[或叫地固系（ECEF）]中表示的，其原点在地球质心，正z轴指向协议平均地极（CTP），正x轴指向赤道上的经度零点（格林尼治平均天文台），y轴与z轴和x轴构成右手坐标系。GPS定位中的WGS-84坐标系和ITRF坐标系均属地固系。另外，GPS 系统主控站维持有专门的时间系统，称为 GPS时，这是一种连续且均匀的时间系统，原点为 1980年 1月6日0时UTC，单位同国际单位制（SI）时间的秒定义，其后GPS时不受跳秒影响。

2. GPS定位的基本观测量及基本定位原理

GPS卫星中采用了现代数字通信技术，运用多级反馈移位寄存器产生伪随机噪声码（Pseudo Random Noise， PRN），这种伪随机码形成各GPS卫星的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码）；此外，GPS卫星所播发的信号中还包括载波信号和数据码（或称D码）。这三种信号分量都是在10.23 MHz的基本频率控制下产生的。其中数据码包含有关卫星星历、卫星工作状态、时间、卫星钟运行状况、轨道摄动改正等导航信息。GPS卫星以L波段中的两种不同频率的电磁波为载波：

L1载波频率为10.23×154 MHz=1,575.42 MHz；

L2载波频率为10.23×120 MHz=1,227.6 MHz；

P码频率为10.23 MHz；

C/A码频率为10.23/10=1.023 MHz；

数据码频率为10.23/10/1023/20=50 Hz。

GPS定位中的基本观测量包括伪距和载波相位。接收机在跟踪卫星信号时，机内同时产生被跟踪卫星的码信号的复制码。为将该复制码和进入到接收机内的卫星信号对齐（相关），码跟踪环路产生时移和多普勒频移；至两信号对齐时所需的时移乘以光速，即为伪距。其中包含了卫星和接收机时间系统的偏差，以及卫星信号在电离层和对流层中传播引起的时延。由GPS定位系统中卫星的布设可知，任何时刻于任何地点均可获得至少 4 颗卫星的观测量，因而通过该系统的伪距观测量随时可获得空间定位结果。这种定位称为单点定位或绝对定位，其实质是测量学中的空间距离后方交会，由此可说明 GPS 定位的基本原理。载波相位是指接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。由于无法直接测定载波信号在传播路线上的相位变化的整周数，故存在整周不定性问题。另外由于观测环境等影响因素，其中还会产生整周跳变，因而与伪距观测定位相比，数据处理变得复杂，往往难以实现单次观测定位，不过由于相位观测量的精度比伪距观测值的精度高得多，它被用作相对定位，即精确地求定一点相对于另外一点的位置和精度。相对定位是指给定至少一个已知点坐标，用两台或多台GPS接收机的观测数据推求其余未知点坐标参数的定位方法。它与绝对定位一起构成了GPS定位的两种基本模式。由于绝对定位可直接实时地获取观测点的地理坐标，因而该方法被广泛地应用于飞机、船舶及车辆等运动载体的导航和调度，以及在GIS（地理信息系统）中用作点位数据的采集等。相对定位由于其精度高，因而在大地测量、地球动力学和许多其他应用场合中需要采用这种定位模式。