What GPS is

全球定位系统（GPS）介绍

 

·         GPS系统产生

　　最古老、最简单的导航方法是星历导航，人类通过观察星座的位置变化来确定自己的方位；最早的导航仪是中国人发明的指南针，几个世纪以来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一直为人类广泛应用着；最早的航海表是英国人John Harrison经过47年的艰苦工作于1761年发明的，在其随后的两个世纪，人类通过综合地利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位。

　　进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高人类逐渐发明/发现了许多新的定位方法。开始海员们通过测量船体的速度增量并进行外推来确定自己的位置（Dead reckoning）；随后人们又发明了惯性导航技术（Inertial Navigation），即通过对加速度计所记录的载体加速度进行积分来确定位置。至此，人类的探索并没有停滞不前，二十世纪电磁场理论和电子技术的蓬勃发展为新型导航技术的形成提供了坚实的理论基础和技术基础。更重要的是用新思想和新理论武装起来的人类更富于想象力了，人类的思维从被动地利用宇宙中现存的参照物（如星体）扩展到主动地建立和利用人为的参照物来开发更精密的导航定位系统。由此地基电子导航系统（Ground-based Radionavigation System）诞生了，这一系统的问世标志着人类从此进入了电子导航时代。地基电子导航系统主要由在世界各地适当地点建立的无线电参考站组成，接收机通过接收这些参考站发射的无线电电波并由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。这一技术在二战中已经被使用，战后发展很快，目前大约有100种不同类型的地基电子导航系统正在运行，其中最著名的有Loran C/D、Omega、VOR/DME Tacan等，它们的导航原理相似，只是所用的电波波段和适用地域不同而已。由于地基导航系统的无线电发射参考站都建立在地球表面上，因此它们只能用来确定海平面上和地平面上运动物体的水平位置，即只能进行二维定位，这是地基电子导航系统本身固有的缺陷。为了对空间飞行器（如飞机、宇宙飞船、导弹等）进行精密导航，需要确定飞行器的三维位置（水平位置和高度）。显然地基电子导航系统不能满足这种需要，于是人类就设想是否可以将无线电发射参考站建立在空中。

　　1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的成功发射宣告空间科学的发展跨入了一个崭新的时代，也使电子导航技术的发展进入了一个新的阶段。它使人类将无线电发射参考站建立在空中的设想成为现实，由此空基电子导航系统（Space-based Radionavigation System）应运而生。空基电子导航系统统称为卫星电子导航系统，第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System —— NNSS）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称"子午仪（Transit）卫星系统"。1964年该系统建成后即被美国军方使用，1967年将星历解密而提供民用服务。实践表明，子午仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点，只要系统的卫星在视界内，就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得观测点的三维地心坐标。尽管子午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的优越性，但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统卫星数目较少（5～6颗），运行高度较低（平均约为1000Km），从地面观测到卫星的时间间隔较长（平均1.5小时），因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。

　　为了克服子午仪系统的缺陷，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，1973年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系统-授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），简称全球定位系统（GPS）。起初的GPS方案由24颗卫星组成，这些卫星分布在互成120°的三个轨道平面上，每个轨道平面分布8颗卫星，这样的卫星布局可保证在地球上的任何位置都能同时观测到6～9颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高系统的抗干扰能力和保密能力，采用了直接序列扩频技术（DS-SS），整个系统相当于一个码分多址系统（CDMA）。为了补偿电离层效应的影响，采用了双频调制；1978年由于美国政府压缩国防预算，减少了对GPS的拨款，GPS联合办公室就将初始方案修改为第二方案。在第二方案中系统的卫星数由24颗减少到18颗，并调整了卫星的布局，18颗卫星分布在互成60°的6个轨道平面上，每个轨道平面分布3颗卫星，这样的配置基本能够保证在地球上任何位置均能同时观测到至少4颗卫星。但实验发现这样的卫星配置可靠性不高，另外由于在海湾战争中GPS发挥了巨大的作用，因此在1990年对第二方案进行了修改，最终方案是由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成整个系统，6个轨道平面的每个平面上分布4颗卫星，这样的配置使同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。

　　GPS计划的实施分为三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段（1973年～1978年），发射了4颗卫星，建立了地面跟踪网并研制了地面接收机；第二阶段为全面研制和实验阶段（1979年～1984年），发射了7颗Block I实验卫星，研制了各种用途的接收机，包括导航型和测地型接收机；第三阶段为实用组网阶段（1985年～1993年），发射了Block II和Block IIA工作卫星（Block IIA卫星增强了军事应用功能并扩大了数据存储容量）。截止到1993年，由分布在6个轨道平面内的（21＋3）颗卫星组成的GPS空间星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20年，耗资300亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划 。

·         GPS系统组成

　　GPS系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS的空间星座部分中24颗卫星基本均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55°，各轨道平面之间的交角为60°，每个轨道平面内的卫星相差90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。卫星轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11小时58分。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为4~11颗；GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星检测站、主控站和信息注入站。GPS的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制；GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

·         GPS系统定位原理

　　GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

·         GPS系统特点

　　GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其他导航系统相比，主要特点是：①全球地面连续覆盖。由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。②功能多、精度高。GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。③实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更少的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。④抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。

·         GPS系统作用

　　GPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。

    1、对舰船而言，它能在海上协同作战，海洋交通管制，海洋测量，石油勘探，海洋捕鱼，浮标建立，管道铺设，浅滩测量，暗礁定位，海港领航等方面作出贡献。

    2、对飞机而言，它可以在飞机进场、着陆，中途导航，飞机会合和空中加油，武器准确投掷及空中交通管制等方面进行服务。

    3、在陆地上，可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位，还可用于大地测量、摄影测量、野外调查和勘探的定位，甚至可以深入到每个人的生活中去，如用于汽车、旅行、探险、狩猎等方面。

    4、在空间技术方面，可以用于弹道导弹的引航和定位，空间飞行器的导航和定位等。

　　总之，GPS技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS、）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产业。GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的"GPS的应用，仅受人类想象力的制约"。

·         GPS政策及系统发展趋势

　　虽然GPS系统具有以往导航定位系统不可比拟的许多优点，但其所有权、控制权和运营权均属于美国国防部。为了限制不同用户对GPS的应用，GPS卫星发射的无线电信号含有两种不同的测距码，即所谓的P码和C/A码，因此GPS提供两种定位服务，即精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。PPS的主要对象是美国和盟军的军事部门及其他特许部门，利用P码定位，估计其单点实时定位精度约为10m；SPS的主要对象是广大的民间用户，只能采用调制在一种载波频率上的C/A码定位，且无法利用双频技术来消除电离层折射的影响，估计其单点定位精度约为400m。但在GPS研制初始阶段的多次试验表明，实际定位精度远远高于预测值，利用C/A码的定位精度可达14m，利用P码的定位精度可达3m。这个出人意料的情况促使美国军方认真评估民间用户及其他非特许军事用户使用C/A码定位给美国带来的可能影响。于是在1983年5月根据里根总统的命令将GPS从单纯军用转为军民共用后又在1984年确立了保护美国国家安全的两大政策，即防止敌对势力对P码信号进行干扰的AS（Anti-Spoofing）政策和降低C/A码定位精度的SA（Selective Availability）政策。在考虑限制C/A码定位精度的SA政策初期，曾经确定采用C/A码的定位精度为500m，后来考虑到民事用户的实际需要，最后确定其定位精度为100m，并从1991年7月1日开始对所有的在轨卫星全部实施SA技术。

　　采用SA技术后使C/A码的实时定位精度大大降低，严重地影响了GPS系统定位服务的国际可接受性，许多潜在的民间用户迫切要求改善定位精度。在此背景下，差分GPS（DGPS）定位、载波相位等技术应运而生并飞速发展。与此同时，GPS平行系统的出现，如前苏联的GLONASS系统，使美国政府感到了压力，为了加强GPS的世界领导地位，美国政府酝酿了GPS现代化计划，基本方针是在强化军用PPS服务的同时改善民间SPS服务，努力扩大民用市场。SPS服务的改善主要有三个途径：①发展利用差分定位原理的广域增强系统（WAAS）和本地增强系统（LAAS）；②4～10年内取消SA政策，恢复精度；③增发第二民用频率，解决电离层延迟误差对系统定位精度的影响。综上所述，美国的GPS政策具有双重性，既要鼓励国际应用，又不能失去军事优势。我们可充分利用这一特点，结合实际合理利用GPS这一国际共享的信息资源为我国的经济建设服务。

·         典型GPS应用系统介绍

　　由于GPS的应用非常广泛，下面仅以我们实验室正在研究的两个应用系统进行介绍。

    1、基于GPS技术的车辆监控管理系统

　　该系统是将GPS技术、地理信息技术（GIS）和现代通讯技术综合在一起的高科技系统。其主要功能是将任何装有GPS接收机的移动目标的动态位置（精度、纬度、高度）、时间、状态等信息，实时地通过无线通信网链传至监控中心，而后在具有强大地理信息处理、查询功能的电子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并能对目标的准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询，以确保车辆的安全，方便调度管理，提高运营效率。本系统应用广泛，特别适合对公安、银行、公交、保安、部队、机场等单位对所属车辆的监控和调度管理，也可应用于对船舶、火车等的监控。

　　到目前为止，我们已为交通银行北京分行、北京公交总公司、南宁工商银行等多家单位建立了各自的监控系统，取得了可观的社会效益和经济效益。

    2、基于GPS技术的智能车辆导航仪

　　该装置是安装在车辆上的一种导航设备。它以电子地图为监控平台，通过GPS接收机实时获得车辆的位置信息，并在电子地图上显示出车辆的运动轨迹。当接近路口、立交桥、隧道等特殊路段时可进行语音提示。作为辅助导航仪，可按照规定的行进路线使司机无论是在熟悉或不熟悉的地域都可迅速到达目的地；该装置还设有最佳行进路线选择及路线偏离报警等多项辅助功能。

　　总之，GPS在我国的应用方兴未艾，相关领域的科技工作者应及时行动起来，将该技术应用到各自领域，最大限度地为促进我国经济的发展服务。

 

GPS定位原理概述

第1节 GPS的组成

　 　GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另 外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

　　GPS计划始于1973年 ，已于1994年进入完全运行状态(FOC[2])。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：

　　空间部分

　 　GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星 [3]。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用 户正是利用这些信号来进行工作的。

　　控制部分

　　GPS的控制部分由分布在全球的 由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多 （Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数 据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也 具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛 （Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

　　用户部分

　　GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

第2节 GPS信号

　 　GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率 10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：

　　C/A码

　 　C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码（PRN码），其码长为1023位（周期为1ms）。由于每颗卫星的C/A 码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

　　P码

　　P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。

　　Y码

　　见P码。

　　导航信息

　　导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

第3节 SPS和PPS

　 　GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPS–Standard Positioning Service)，另一种是精密定位服务(PPS–Precision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPS–Standard Positioning System)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPS–Precision Positioning System)提供。

　　SPS主要面向全世界的民用用户。

　　PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。

第4节 GPS定位的常用观测值

　　在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量：

　　L1载波相位观测值

　　L2载波相位观测值（半波或全波）

　　调制在L1上的C/A码伪距

　　调制在L1上的P码伪距

　　调制在L2上的P码伪距

　　L1上的多普勒频移

　　L2上的多普勒频移

　 　实际上，在进行GPS定位时，除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测 值（Wide-Lane）[4]、窄巷观测值（Narrow-Lane）[5]、消除电离层延迟的观测值（Ion-Free）来进行数据处理。

第5节 GPS定位的误差源

　　我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：

　　一、与GPS卫星有关的因素

　　SA

　　美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（ 技术）、在GPS基准信号中加入高频抖动（ 技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

　　卫星星历误差

　　在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。

　　卫星钟差

　　卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。

　　卫星信号发射天线相位中心偏差

　　卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

　　二、与传播途径有关的因素

　　电离层延迟

　　由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。

　　对流层延迟

　　由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。

　　多路径效应

　　由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。

　　三、与接收机有关的因素

　　接收机钟差

　　接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。

　　接收机天线相位中心偏差

　　接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。

　　接收机软件和硬件造成的误差

　　在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

　　四、其它

　　GPS控制部分人为或计算机造成的影响

　　由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。

　　数据处理软件的影响

　　数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。

第6节 GPS定位方法

　　GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分：

　　一、根据定位所采用的观测值

　　伪距定位

　 　伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的 要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C/A 码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右，从而导致定位成果精度低，另外，若采用精度较高的P码伪距观测值，还存在 AS的问题。

　　载波相位定位

　　载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。

　　二、根据定位的模式

　　绝对定位

　　绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。

　　相对定位

　　相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。

　　三、根据获取定位结果的时间

　　实时定位

　　实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。

　　非实时定位

　　非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位得方法。

　　四、根据定位时接收机的运动状态

　　动态定位

　　所谓动态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。

　　静态定位

　 　所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不 随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时 甚至数十小时不等。