第4章

衛星導航與定位4.1GPS概述4.2GPS的定位原理4.3GPS信號接收機4.4GPS現代化4.5GLONASS系統4.6Galileo系統4.7北斗衛星導航系統簡介小結

4.1GPS概述4.1.1GPS的基本概念

GPS全球定位系統是美國從20世紀70年代開始研制的新一代衛星導航與定位系統，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。該系統利用導航衛星進行測時和測距，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位的能力。GPS為民用導航、測速、時間比對和大地測量、工程勘測、地殼勘測等眾多領域開辟了廣闊的應用前景，已成為當今世界上最實用也是應用最廣泛的全球精密導航、指揮和調度系統。

GPS的應用特點是用途廣泛(可在海空導航、車輛引行、導彈制導、精密定位、動態觀測、設備安裝、時間傳遞、速度測量等方面得到廣泛應用)、自動化程度高、觀測速度快、定位精度及經濟效益高。

GPS定位技術比常規手段具有明顯的優勢。它是一種被動系統，可為無限多個用戶使用，且信用度和抗干擾能力強，因此必然會取代常規測量手段。GPS定位技術的精度已經不僅能與另外兩種精密空間定位技術—衛星激光測距(SLR)和甚長基線干涉(VLB)測量系統相媲美，而且由于GPS信號接收機輕巧方便、價格較低、時空密集度高，因此更能顯示出其定位技術的優越性和更廣泛的應用前景。

4.1.2GPS的組成及作用

GPS包括三大部分：空間部分—GPS衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶設備部分—GPS信號接收機。

1．GPS工作衛星及其星座

由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成的GPS衛星星座，記作(21+3)GPS衛星。如圖4-1所示，24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道傾角為55°，各個軌道平面之間相距60°，每個軌道平面內各衛星之間的升交角距相差90°，每個軌道平面上的衛星比其西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30°。圖4-1GPS衛星星座示意圖

GPS工作衛星的作用如下：

(1)用L波段的兩個無線載波(19cm和24cm波)接連不斷地向廣大用戶發送導航定位信號。每個載波用導航信息D(t)和偽隨機碼(PRN)測距信號來進行雙相調制。用于捕獲信號及粗略定位的偽隨機碼叫C/A碼(又叫S碼)，精密測距碼(用于精密定位)叫P碼。由導航電文可以知道該衛星當前的位置和衛星的工作情況。

(2)在衛星飛越注入站上空時，接收由地面注入站使用S波段(10cm波段)發送到衛星的導航電文和其他有關信息，并通過GPS信號電路適時地發送給廣大用戶。

(3)接收地面主控站通過注入站發送調度命令到衛星，并適時地改正運行偏差或啟用備用時鐘等。

2．地面監控系統

對于導航定位來說，GPS衛星是一動態已知點。其中，星的位置是依據衛星發射的星歷(描述衛星運動及其軌道的參數)算得的，而每顆GPS衛星所播發的星歷又是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作，以及衛星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監測和控制；地面監控系統的另一重要作用是保持各顆衛星處于同一時間標準—GPS時詢系統。這就需要地面站監測各顆衛星的時間，求出鐘差，然后由地面注入站發給衛星，再通過導航電文發給用戶設備。

監控站是無人值守的數據采集中心，其位置經精密測定。它的主要設備包括1臺雙頻接收機、1臺高精度原子鐘、1臺電子計算機和若干臺環境數據傳感器。GPS工作衛星的地面監控系統包括1個主控站、3個注入站和5個監測站。其分布圖如圖4-2所示。圖4-2GPS地面監控站分布

主控站是整個系統的核心，它為系統提供高精度、穩定的時空框架，具體作用如下：

(1)采集數據、推算編制導航電文。

(2)確定GPS系統時間。

(3)負責協調和管理所有地面監測站和注入站系統，并且根據觀測到的衛星軌道參數以及衛星姿態參數來管理衛星。

3．GPS信號接收機

GPS信號接收機的任務是：捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行；對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，并解譯出GPS所發送的導航電文和實時地計算出監測站的三維位置，甚至計算出三維速度和時間。

接收機硬件、機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包構成了完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分，如圖4-3所示。對于測地型接收機，兩個單元一般分成兩個獨立的部件。觀測時，將天線單元安置在監測站上，接收單元置于監測站附近的適當地方，再用電纜將兩者連接成一個整機。也有的接收機將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在監測站點上。

圖4-3接收機的結構

4.1.3GPS的信號

GPS用戶通過接收機接收衛星播發的信號，以確定接收機的位置、時間改正數以及解算衛星到接收機之間的距離。GPS衛星所播發的信號包括載波信號(L1和L2)、測距信號(包括C/A碼和P碼)和導航信號(或稱D碼)。而所有的這些信號分量，都是在同一個基本頻率f0=10.23MHz的控制下產生的，如圖4-4所示。圖4-4GPS信號組成

GPS取L波段的兩種不同頻率的電磁波為載波，分別為L1載波和L2載波。在L1載波上，調制有C/A碼和P碼的數據碼，頻率f1=1575.42MHz，波長1=19.03cm；載波L2上只調制了P碼，頻率f2=1227.60MHz，波長2=24.42cm。

L1載波上的GPS信號為

L2載波上的GPS信號為

式中，AP為P碼的信號幅度；Pi(t)為

±1狀態時的P碼；Di(t)為

±1狀態時的數據碼；AC為C/A碼的信號幅度；Ci(t)為

±1狀態時的C/A碼；ω1、ω2分別為載波L1和L2的角頻率；φ1、φ2為載波L1和L2的初始相位。

GPS衛星信號的產生與構成主要考慮了如下因素：

①

適應多用戶系統要求；

②

滿足實時定位要求；

③

滿足高精度定位需要；

④

滿足軍事保密要求。

1．C/A碼

偽隨機序列是一種具有特殊反饋電路的移位寄存器序列，稱為最長線性移位寄存器。GPS使用C/A碼、P碼、Y碼三種偽隨機碼。其中，Y碼是對P碼加密后的偽隨機碼，其數據碼是保密的。

GPS的C/A碼屬于偽隨機噪聲碼的一種，稱作果爾德碼(Gold碼)。其序列長度為1023位，頻率為1.023MHz，碼周期為1ms。C/A碼是通過兩個10位的移位寄存器G1和G2產生的，即由G1的直接輸出和G2的延遲輸出異或得到。G1和G2都是由1.023MHz時鐘驅動的10級最長線性序列產生的周期等于210?-

1=1023bit的M序列，描述G1的多項式為G1=1?+?x3?+?x10；描述G2的多項式為G2=1?+?x2?+?x3?+?x6?+?x8?+?x9?+?x10，其框圖如圖4-5所示。圖4-5G1和G2碼寄存器框圖

2．P碼

P碼產生的原理與C/A碼的相似，但更復雜。GPS發射的P碼，是用4個12位移位寄存器的偽隨機序列產生的，碼率為10.23Mb/s，長Nu?≈?2.35×1014?bit，碼元寬tu=1/f0=

0.097752s，相應的距離為29.3m，周期為266.41天，約為38個星期。由于P碼的周期很長，因此應用時一般被分為38個部分，每一部分周期為7天，其中1部分閑置，5部分給地面監控站使用，32部分分配給不同衛星。每顆衛星使用P碼的不同部分，雖然都具有相同的碼長和周期，但結構不同。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據導航電文信息捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，因此若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應的距離誤差為0.29m，故P碼稱為精碼。

3．導航電文

導航電文是衛星向用戶播發的一組包含衛星星歷、衛星空間位置、衛星時鐘參數、系統時間以及衛星工作狀態等重要數據的二進制碼。導航電文是以幀為單位向外發送的，每一幀數據包含1500bit，歷時30s播完，即電文的傳輸速率為50b/s。每幀又分為5個子幀，第一子幀包含時鐘校正參數及電離層模型改正參數；第二、三子幀為衛星星歷表；第四子幀為由字母和數字混合編制的電文；第五子幀是全部24顆衛星的日程表的一部分。

每個子幀又分為10個字，一個字包含30個二進制碼，這樣每個子幀都包含300個二進制碼，因此導航電文的數據每隔20ms就會變化一次。最后6個比特是奇偶校驗位，稱為糾錯碼，用以檢查傳送的信號是否出錯，并能糾正單個錯誤。完整的導航信息由25幀數據組成。由于播送速度為50b/s，所以全部播完要12.5min。每幀導航電文的格式如圖4-6所示。圖4-6每幀導航電文格式

4.2GPS的定位原理

GPS定位的基本幾何原理為三球交會原理：如果用戶到衛星S1的距離為R1，到衛星S2的距離為R2，到衛星S3的距離為R3，那么用戶的真實位置必定處在以S1為球心、以R1為半徑的球面C1上，同時也處在以S2為球心、以R2為半徑的球面C2上以及以S3為球心、以R3為半徑的球面C3上，即處在三球面的交點上。用戶接收機與衛星之間的距離可表示為

GPS的定位過程：圍繞地球運轉的衛星連續向地球表面發射經過編碼調制的無線電信號，信號中含有衛星信號的準確發射時間以及不同時間衛星在空間的準確位置。衛星導航接收機接收衛星發出的無線電信號，并測量信號的到達時間、計算衛星和用戶之間的距離；然后用最小二乘法或濾波估計法等導航算法就可解算出用戶的位置。準確描述衛星位置、測量衛星與用戶之間的距離和解算用戶的位置是GPS定位導航的關鍵。

4.2.1GPS坐標系統

下面介紹幾種常見的衛星定位空間坐標系統。

(1)地心慣性坐標系。地心慣性(Earth-CenteredInertial，ECI)坐標系是準慣性坐標系，也是空間穩定力學的基本坐標系，因此牛頓運動定律在慣性坐標系中很適用，衛星的運動方程就是在該坐標系中描述的。地心慣性坐標系的原點和地球質心重合，X軸指向春分點，X軸和Y軸組成地球赤道面，Z軸和地球自轉重合，Y軸和X軸與Z軸一起構成右手坐標系。

(2)地心地固坐標系。地心地固(Earth-Centered，Earth-Fixed，ECEF)坐標系是一個固聯在地球上的坐標系。它的具體定義為：ECEF坐標系是直角坐標系；原點在地球的質心；X軸指向穿過格林尼治子午線和赤道的交點；XOY平面與地球赤道平面重合；Z軸與地球極軸重合，并指向地球北極，如圖4-7所示。圖4-7地心地固坐標系

(3)地理坐標系。地理坐標系也稱為大地坐標系。眾所周知，地球形狀和橢球相似，因此赤道所在平面的直徑大于兩極之間的長度。地理坐標系的定義為：地球橢球的中心為地球的地心，橢球的短軸與地球自轉軸重合，經度L為過地面點的橢球子午面與格林威治大地子午平面之間的夾角，緯度B為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地高程H為地面點沿橢球法線至橢球面的距離，如圖4-8所示。地理坐標系為極坐標系，當它用于顯示時，用戶可以很直觀地判斷出自己在地球上的大概位置。

圖4-8大地坐標系

(4)地平坐標系。地平坐標系又稱為ENU(EastNorthUp)坐標系，其定義為：原點位于當地參考橢球的球面上，其位置取決于用戶位置，當用戶位置為橢球面上的P點時，原點即為P點位置，當P點移動時，相應的地平坐標系也隨之移動；過P點作地球的切平面，X軸沿參考橢球切面的正東方向，Y軸沿參考橢球切面的正北方向，Z軸沿橢球切面外法線方向指向天頂。

該坐標系對地球表面的用戶來說比較直觀，它給出了東、北、天三個方向的信息，因而適用于導航領域。對于地球表面運動范圍不大的載體來說，其運動區域接近于一個平面。只要獲得東、北向載體的位移或速度信息，結合載體的起始位置信息，就可以較準確地知道載體的當前位置。地平坐標系示意圖如圖4-9所示，OXeYeZe是地心地固坐標系，PXLYLZL是地平坐標系。圖4-9地平坐標系

(5)?WGS84大地坐標系。WGS84大地坐標系是GPS衛星星歷解算和定位坐標的參考坐標系，它是由美國國防部制圖局建立的。WGS84大地坐標系是現有應用于導航和測量的最好的全球大地坐標系，它理論上是一個以地球質心為原點的地固坐標系。其定義為：原點位于地球質心，Z軸指向BIH系統定義的協議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面與CTP赤道的交點，Y軸與Z、X軸構成右手坐標系，如圖4-10所示。圖4-10WGS84坐標系

(6)?地球坐標系的法則如下：

①

坐標系的原點在地心，地心定義為包括海洋和大氣的整個地球質量的中心；

②

它的長度單位是米(SI)，這一單位與地心局部框架的TCG(地心坐標時)時間坐標一致；

③

它的初始定向由1984.0時國際時間局(BIH)的定向給定；

④

它的定向時間演化不產生相對于地殼殘余的地球性旋轉。

與此定義相對應，存在一個直角坐標系XYZ，其原點在地球質心；Z軸指向IERS參考極(IRP)方向；X軸為IERS參考子午面(IRM)與原點和同Z軸正交的赤道面的交線；CGS2000的Y軸與X、Z軸構成右手直角坐標系，如圖4-11所示。圖4-11CGS2000坐標系

和WGS84一樣，CGS2000也是一個協議地球坐標系。它包括了CGS2000參考橢球、基本常數以及由基本常數導出的一些物理、幾何常數，如二階帶諧項系數、橢球半短軸、第一偏心率、參考橢球的正常重力位、赤道上的正常重力等。其基本常數與WGS84的比較如表4-1所示。

4.2.2GPS時間系統

時間包含了“時刻”和“時間間隔”兩個概念。時刻是指發生某一現象的瞬間，在天文學和衛星定位中，與所獲取數據對應的時刻也稱歷元；時間間隔是指發生某一現象所經歷的過程，是這一過程始末的時間之差。時間間隔的測量稱為相對時間測量，而時刻的測量相應稱為絕對時間測量。衛星導航定位中，時間系統的重要意義體現在如下幾方面：

(1)?GPS衛星作為高空觀測目標，位置不斷變化，在給出衛星運行位置的同時，必須給出相應的瞬間時刻。

(2)?GPS信號傳播時，只有精密地測定信號的傳播時間，才能準確地測定觀測站至衛星的距離。

(3)由于地球的自轉現象，天球坐標系(又名天文坐標系，是一種以天極和春分點作為天球定向基準的坐標系)中地球上的點的位置是不斷變化的，因此，若要求赤道上一點的位置誤差不超過1cm，則時間測定誤差要小于2×10-5s。

在實踐中，因所選擇的周期運動現象不同，便產生了不同的時間系統。現在先介紹GPS定位中具有重要意義的幾類時間系統。

1．世界時系統

地球的自轉運動是連續的，且比較均勻。最早建立的時間系統是以地球自轉運動為基準的世界時系統。由于觀察地球自轉運動時所選取的空間參考點不同，世界時系統又分為恒星時、平太陽時和世界時。

(1)恒星時。以春分點為參考點，由春分點的周日視運動所確定的時間稱為恒星時。

(2)平太陽時。由于地球公轉的軌道為橢圓，根據天體運動的開普勒定律可知太陽的視運動速度是不均勻的，即真太陽日為地球相對太陽自轉一周的時間，因此，若以真太陽作為觀察地球自轉運動的參考點，則不符合建立時間系統的基本要求。

(3)世界時。世界時即格林尼治平均太陽時，是格林尼治的標準時間，是地球自轉速度的一種形式，是基于地球自轉換的時間測量系統。

2．原子時

科學技術對測量精度的要求導致世界時已不能滿足尺度的要求，因此建立了原子時。原子時(InternationalAtomicTime，IAT)是以物質的原子內部發射的電磁振蕩頻率為基準的時間計量系統。

原子時秒的定義為：位于海平面上的銫133原子基態的兩個超精細能級在零磁場中躍遷輻射振蕩9?192?631?770周所持續的時間。

原子時的原點AT=UT2?-?0.0039s，UT2為1958年1月1日0時。

3．力學時

力學時主要用來描述天體在坐標系和引力場作用下的運動。

(1)太陽系質心力學時(BarycentricDynamicTime，TDB)是相對于太陽系質心的運動方程所采用的時間參數，在系統中考慮了相對論效應。

(2)地球質心力學時(TerrestrialDynamicTime，TDT)是相對于地球質心的運動方程所采用的時間參數，它的前身是歷書時(用來描述近地天體歷書的時間尺度)。TDT的基本單位是國際制秒(SI)，與原子時的尺度一致。在GPS導航系統中，TDT作為一種獨立的變量和均勻的時間尺度，被用于描述衛星的運動。

國際天文學聯合會(InternationalAstronomicalUnion，IAU)決定，1977年1月1日國際原子時(IAT)零時與地球質心力學時的嚴格關系為TDT=IAT?+?32.184s。若以?T表示地球質心力學時TDT與世界時UT1(格林尼治標準時間)之間的時差，則可得

4．協調世界時

世界時是以地球自轉為基礎的，因此在進行大地天文測量、天文導航和空間飛行器的跟蹤定位時，都要以世界時作為時間尺度。

協調時(UTC)與國際原子時(IAT)的關系定義為

其中，n為調整參數，由IERS發布。

5．GPS時間系統

為滿足精密導航和測量需要，全球定位系統建立了專用的時間系統，由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時屬于原子時系統，秒長與原子時的相同，但與國際原子時的原點不同，即GPST與IAT在任一瞬間均有一常量偏差，約為IAT?-

GPST=19s。

時間系統及其關系如圖4-12所示。圖4-12時間系統及其關系

4.2.3測量誤差

GPS系統定位過程中包含各種誤差，按照來源不同，可以分為三種，分別是與衛星有關的誤差、與信號傳播有關的誤差和與接收設備有關的誤差，如圖4-13所示。圖4-13測量誤差來源

1．衛星時鐘誤差

衛星鐘的偏差一般可通過對衛星運行狀態的連續監測精確地確定，用二階多項式表示為

式中，a0為衛星鐘在t0時的鐘差；a1為衛星鐘鐘速；a2為鐘速變化率。這些參數由主控站測定，然后通過衛星的導航電文提供給用戶。

2．衛星星歷誤差

衛星星歷誤差又稱為衛星軌道誤差，它是由于衛星在運動中受到多種不清楚的攝動力的復雜影響而引起的。衛星星歷給出的衛星軌道和實際的衛星軌道有差別，這種差別便是衛星星歷誤差。

目前，通過導航電文所得的衛星軌道信息的相應位置誤差為20～40?m。隨著攝動力模型和定軌技術的不斷完善，衛星的位置精度將提高到5～10?m。衛星的軌道誤差是當前GPS定位的重要誤差來源之一。

在GPS定位中，由于衛星軌道的偏差主要是由各種不同的攝動力綜合作用產生的，且攝動力對衛星各個軌道參數的影響不同，因此在對衛星軌道攝動力進行修正時，所要求的各攝動力模型精度也不一樣。在用軌道改進法進行數據處理時，根據引入軌道偏差改正數的不同，可將改進方法分為短弧法和半短弧法。

(1)短弧法：引入全部軌道參數的偏差改正作為待估參數，然后在數據處理中與其他待估參數一并求解。這樣可明顯減弱軌道偏差的影響，但計算工作量大。

(2)半短弧法：根據攝動力對軌道參數的不同影響，只對其中影響較大的參數引入相應的改正數作為待估參數。

3．電離層延遲誤差

電離層是地面以上高度為50～1000?km之間的大氣層。由于受到太陽的強烈輻射，電離層中的大部分氣體被電離，從而在電離層中存在著大量的自由電子和質子，使進入電離層的衛星信號的傳播速度和方向發生了變化，這種現象便是折射。折射公式為

式中，Ne為電子密度；et為電荷量，值為1.6×10-19；me為電子質量，值為9.11×10-31kg；ε0為真空介電常數，值為8.854?187?817?F/m；f為電磁波的頻率。

4．對流層延遲誤差

對流層折射可分為干分量Nd和濕分量Nw兩大部分。它們對傳播路徑的影響可表示為

式中，?Sd為干分量對傳播路徑的影響；?Sw為濕分量對傳播路徑的影響。

5．多路徑誤差

接收機接收的衛星信號，除了直接接收到的衛星信號外，還有可能接收到經周邊物體反射的信號。這些信號可能經過一次反射，也可能經過多次反射。它們將會使載波觀測量產生誤差，這種現象稱為多路徑效應。它不僅影響觀測值精度，嚴重時還會使信號失鎖，是短基線測量的主要誤差。

多路徑誤差與反射物距觀測站距離和反射系數有關，將其模型化很難，即使利用差分也不能減少其影響。通常減少它的措施為：

(1)選擇好的接收環境，盡量避開反射系數大的物體；

(2)選擇屏蔽性好的天線；

(3)增加觀測時間，減弱多路徑誤差的周期性影響。

6．接收機鐘差

GPS接收機一般設有高精度的石英鐘，日頻率穩定度約為10～11。定位中，接收機鐘和衛星鐘不能同步的情況下，如果接收機鐘與衛星鐘之間的同步差為1s，那么引起的等效距離誤差為300m。處理接收機鐘差的方法如下：

(1)作為未知數，在數據處理中求解；

(2)利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響；

(3)定位精度要求較高時，可采用外接頻標，如銣、銫原子鐘來提高接收機時間標準精度。

7．天線相位中心位置偏差

GPS定位中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的。在理論上，天線相位中心與儀器的幾何中心應保持一致。實際上，隨著信號輸入的強度和方向的不同，天線的相位中心與其幾何中心會產生偏差，該偏差稱為天線相位中心偏差，其值可達數毫米至數厘米。如何減小相位中心的偏移，是天線設計中一個迫切需要解決的問題。

4.3GPS信號接收機

4.3.1接收機的基本概念

GPS信號接收機主要由天線單元和接收單元兩部分組成，天線單元由前置放大器和頻率變換器兩個部分組成；接收單元主要由信號波道、微處理機、存儲器和電源組成，如圖4-14所示。其中頻率變換器是核心部分，習慣上統稱為GPS接收機，它是GPS衛星導航定位的儀器，主要功能是接收GPS衛星發射的信號并進行處理，獲取導航電文和必要的觀測量，實現對導航定位信號的接收、測量和跟蹤。圖4-14接收機結構圖

4.3.2接收機分類

1．根據工作原理分類

(1)碼相關型接收機：由接收機產生與所測衛星測距碼結構完全相同的復制碼。

(2)平方型接收機：主要是利用載波信號的平方技術去掉調制碼，以獲得載波相位測量所必需的載波信號。

(3)混合型接收機：綜合利用了碼相關技術和平方技術的優點，可同時獲得碼相位和精密載波相位觀測量。

2．根據接收機信號通道類型分類

(1)多通道接收機：具有多個衛星信號通道，每個通道只連續跟蹤一個衛星信號，同時可得到衛星廣播星歷。它也被稱為連續跟蹤型接收機。

(2)序貫通道接收機：只有1～2個信號通道，為了跟蹤多個衛星，在軟件控制下，按照時間次序依次可實現對不同衛星信號進行的跟蹤和量測。

(3)多路復用通道接收機：與序貫通道接收機相似，也只有1～2個信號通道，同樣是采用軟件控制，按一定時序對衛星進行量測，但依次量測一個循環所需時間較短，一般小于20ms，可保持對衛星信號的連續跟蹤。

3．根據所接收的衛星信號頻率分類

(1)單頻接收機：顧名思義，只能接收一種信號。通過接收調制L1信號，測定載波相位觀測值，利用差分技術進行定位。

(2)雙頻接收機：與單頻接收機相比，可同時接收L1、L2兩種載波信號；利用雙頻技術，可消除或減弱電離層折射電磁波信號延遲的影響，因此定位精度相比單頻接收機高很多。

4．根據接收機的用途分類

(1)導航型接收機：主要用于動態用戶的導航與定位，可給出用戶的實時位置和速度；如用于船舶、車輛、飛機等運動載體的實時導航，可按預定路線航行或選擇最佳路線，使載體到達目的地。

(2)測量型接收機：采用載波相位觀測量進行相對定位。

(3)授時型接收機：主要用于天文臺或地面監控站，可進行通信中的時間同步。

4.3.3接收機天線

天線的基本作用是將接收到的GPS衛星所發射的電磁波信號的能量轉換為相應的電流，并經前置放大器進行頻率變換，以便對信號進行攝取和處理。由于接收機天線接收到的信號直接影響接收機的定位結果，所以對于天線的構造都有一些基本要求。

(1)天線與前置放大器要用盒子密封為一體，這就保證了在惡劣氣象環境下接收機可以不受影響和干擾而正常工作。

(2)天線需要采取一定的屏蔽措施，盡可能地減弱信號的多路徑效應，以達到防止信號干擾的作用。

(3)天線應呈全圓極化，要求天線的作用范圍為整個上半球，天頂處不產生死角，以保證能接收來自天空任何方向的衛星信號。

(4)盡量使天線具有輕便的幾何尺寸和重量，使之具有高度穩定的機械性能。

4.3.4接收單元

1．信號波道

信號波道是接收單元的核心，主要用于對天線接收到的信號進行識別與處理。信號波道可按照捕獲偽噪聲碼的不同方式分為相關型波道、平方律波道和碼相位波道。

(1)相關型波道。如圖4-15所示，GPS中頻信號輸入后，主要是通過偽噪聲碼的互相關器實現對信號的解擴，最后達到解衛星導航電文的目的。圖4-15相關型波道原理

(2)平方律波道。如圖4-16所示，在接收到GPS信號后，將高頻的GPS信號變頻以得到中頻GPS信號，這樣可降低載波的頻率；然后通過乘法器B輸出二倍于原載頻的重建載波，恢復了數據碼。圖4-16平方律波道原理

(3)碼相位波道。如圖4-17所示，在接收到GPS信號后，將高頻的GPS信號變頻以得到中頻GPS信號，然后通過GPS時延電路和自乘電路。這樣，最后獲取的信號不是重建載波，而是一種碼率正弦波。圖4-17碼相位波道原理

2．微處理器

微處理器主要用于接收機的控制數據采集和導航計算，是接收機工作的主要部件。微處理器的主要作用如下：

(1)對接收機運作前的指令進行各波道自檢，并測定、校正和存儲各波道的時延值；

(2)搜索衛星、跟蹤衛星，解譯衛星星歷，從而計算出觀測站的三維坐標，并更新衛星的位置；

(3)提供衛星數據及衛星的工作狀況，包括衛星的方位、高度角等，獲得最佳定位星位，以提高定位精度；

(4)通過定點位置計算導航的參數、航偏距、航偏角以及速度等。

3．存儲器

為了進行導航定位的計算，接收機的存儲器用來存儲一小時一次的碼相位的偽距觀測量、載波相位測量和人工測量的數據以及GPS衛星的星歷。接收機的存儲器有盒式磁帶記錄器和內裝式半導體存儲器兩種。

4．電源

GPS接收機一般有兩種電源，一種為機內電源，一種為機外電源。機內電源一般用蓄電池作電源，如鋰電池；另一種機外電源叫外接電源，如可充電的12V直流鎘鎳電池。在接收機內設計機內電源，主要目的是在更換外接電源或者外接電源不穩的情況下，接通機內電源，以不影響連續觀測。

4.3.5GPS衛星接收機參數

接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測。GPS和GLONASS(GLobalOrbitingNAvigationSatelliteSystem，全球導航衛星系統)兼容的全球導航定位系統接收機已經問世。表4-2為幾種雙頻GPS接收機的參數對比。

4.4GPS現代化

4.4.1概述

GPS的設計方案是20世紀70年代初完成的，最初目的主要是滿足軍方用戶導航定位的需求，但由于民用市場上存在的需求巨大，在20世紀80年代初，美國國防部與交通部決定將這一系統建設成為軍民兩用的定位、導航和授時系統。

GPS現代化主要從軍用和民用兩個方面來考慮：要求GPS在21世紀繼續作為軍民兩用的系統，既要更好地滿足軍事需要，又要繼續擴展民用市場應用的需要。GPS現代化主要有三方面的工作：一是提高抗干擾攻擊能力；二是研究新的信號結構與調制方式，使軍、民碼信號分離，以確保軍用；三是增加頻點和信道，擴大民用，改善精度。

4.4.2GPS民用現代化

民用現代化主要針對民用導航、定位、大氣探測等方面的需求。民用現代化的目的如下：

(1)改善民用導航和定位的精度；

(2)擴大服務的覆蓋面和改善服務的持續性；

(3)提高導航的安全性，如增強信號功率、增加導航信號和頻道；

(4)保持GPS在全球導航衛星系統中技術和銷售的領先地位；

(5)注意保持與現有的以及將來的民用其他空間導航系統的匹配和兼容。

4.4.3GPS軍用現代化

美國創建GPS多年來，GPS除在各類運載器的導航和定位方面發揮巨大作用外，在戰場上精密武器的時間同步和協調、指揮以及在對戰斗人員的支持和救援方面，也發揮了關鍵性作用。

美國在軍用現代化方面采取的措施有：將軍用碼和民用碼信號完全分開，以阻止敵方利用GPS民用信號；在GPS信號頻道上，增加新的軍用碼—M碼，M信號采用二元偏置載波調制方案，這樣可提高民用信號的完好性，且增強軍用信號的保密性、安全性和可靠性；研制GPS-IIF衛星，增加新的L5頻段用于發射新的民用信號，以使GPS系統的民用信號達到3個、軍用信號達到4個；軍事用戶的接收設備要比民用的有更好的保護裝置，特別是抗干擾能力和快速初始化功能。

4.4.4GPS現代化的階段

GPS系統現代化的計劃分為如下三個階段。

(1)第一階段：發射12顆改進型的GPSBLOCKⅡR型衛星，并在L2上加載C/A碼，在L1和L2頻率上加載新的軍用碼M碼。無論在民用通道還是在軍用通道上，BLOCK

ⅡR型衛星的發射功率都有很大的提高。

(2)第二階段：發射6顆GPSⅡF衛星，并增設第三個民用信號L5，其載波頻率為1176.45?MHz，從而形成三種GPS信號，即L1、L2和L5同時進行導航定位的新格局，并于2016年GPS衛星系統全部以ⅡR/ⅡF衛星運行，共計24?+?3顆。

(3)第三階段：發射GPSBLOCKⅢ

型衛星。目前正在研究未來GPS衛星導航的需求，并討論制定GPSⅢ

型衛星系統結構、系統安全性、可靠程度和各種可能的風險；計劃用近20年的時間完成GPSⅢ

計劃，并取代目前的GPSⅡ。

4.5GLONASS系統

4.5.1衛星結構與組成

GLONASS星座由24顆衛星組成，如圖4-18所示。其中，21顆為工作衛星，環繞地球一圈的時間約為11小時15分；3顆用于后備。24顆衛星均勻地分布在三個軌道上面，其中的8顆衛星分布在同一軌道上，軌道的傾角為64.8°。在同一個平面上，兩顆相鄰衛星之間的升交距角為45°。圖4-18GLONASS衛星星座

圖4-19所示為GLONASS的衛星外形，它由水平傳感器、激光后向反射器、12單元導航信號天線和各種指揮、控制天線組成。附在增壓圓柱體側面的有太陽能電池板、軌道校正發動機、姿態控制系統和熱控制通氣窗。GLONASS系統衛星的在軌重量約為1400kg，星體直徑為2.25m，太陽能電池翼板寬度為7.23?m，面積約為7m2。每顆衛星上都有銫原子鐘產生高穩定、高精度的時間標準，并向所有星載設備提供穩定的同步信號。圖4-19GLONASS衛星外形

4.5.2GLONASS發展歷程

GLONASS經歷了以下幾個發展階段。

(1)研發階段：

·20世紀70年代初，蘇聯國防部開始研制GLONASS；

·1982年10月，發射第一顆GLONASS衛星。

(2)試運行階段：

·1982年10月—1985年5月，10顆BlockⅠ型衛星投入使用。

(3)正式運行階段：

·1985年5月－1986年9月，6顆BlockⅡA衛星發射；

·1987年4月－1988年5月，12顆BlockⅡB衛星發射；

·1988－1994年，31顆BlockⅡv衛星發射；

·1988年GLONASS提供民用；

·1989－1990年，由于衛星故障，暫停發射一年；

·1994年8月，增發GLONASS衛星；

·1993年，俄羅斯政府正式把GLONASS計劃交付俄羅斯航天部隊(VKS)主管，該部隊不僅負責GLONASS衛星部署、在軌維護和用戶設備檢驗，還經管科學信息協調中心，由此對公眾發布GLONASS信息；

·1995年7月，俄羅斯聯邦政府正式宣布GLONASS可以作為全球衛星導航系統之一；

·2005年12月25日發射了三顆衛星。

4.5.3地面支持系統

地面支持系統由系統控制中心、中央同步器、激光跟蹤站以及外場導航控制設備組成，它的功能由前蘇聯境內的許多場地來完成。系統控制中心是由俄羅斯航天部隊操縱的軍事設施；中央同步器用來形成GLONASS系統時間；激光跟蹤站用來對無線電頻率跟蹤測量值進行校準；外場導航控制設備用來檢測GLONASS導航信號。

地面控制設備主要完成的工作為：測量和預測各衛星的星歷，使時間接收機的時間系統與GLONASS時間系統同步；并將衛星的時間校正值和歷書上的信息加載給每顆GLONASS衛星，以對衛星實行指揮、控制、維護和跟蹤。隨著前蘇聯的解體，GLONASS系統由俄羅斯航天局管理，地面支持段已經減少到只有俄羅斯境內的場地了。系統控制中心和中央同步器位于莫斯科，遙測遙控站位于圣彼得堡、捷爾諾波爾、埃尼謝斯克和共青城，如圖4-20所示。圖4-20系統控制中心分布

4.5.4GLONASS與GPS系統的特征比較

GLONASS的組成和功能與GPS導航系統的相似，可用于海上、空中、陸地等各類用戶定位、測速及精密定時等。GLONASS的技術參數與GPS的比較如表4-3所示。

4.5.5GLONASS現代化

GLONASS現代化的內容如下：

(1)俄羅斯著手改善GLONASS與其他無線電系統的兼容性。

(2)計劃發射下一代改進型衛星并形成未來的星座。

(3)對地面控制部分也將進行改進。

(4)配置差分子系統。

4.6Galileo系統

4.6.1概述

Galileo系統是歐盟正在建設的新一代民用全球衛星導航系統。

Galileo系統星座由27顆工作衛星、3顆在軌備用衛星總共30顆衛星組成。衛星采用中等地球軌道，均勻地分布在高度約為2.3?×?104km的3個軌道面上。Galileo衛星的軌道高度是23616km，軌道傾角是56°。Galileo衛星與GPS衛星星座的主要參數對比如表4-4所示。

4.6.2系統的結構和組成

Galileo系統主要由空間段、地面段和用戶段三個段組成。

(1)空間段。空間段由分布在3個軌道面上的30顆衛星組成，每條軌道上均勻分布10顆衛星。

(2)地面段。地面段由監測站、控制中心和上行站網絡組成。

(3)用戶段。在用戶段，用戶接收機能擁有區域和局域設施部分所提供服務的接口，并且能與其他定位系統互操作，實現Galileo系統所提供的各種無線電導航服務。

4.6.3系統的開發計劃

Galileo系統開發包括兩個階段：

(1)整體開發和驗證階段。開發和驗證階段包括設計、開發和在軌驗證。在軌驗證就是在軌系統配置，這種配置由Galileo衛星數目、關聯的地面段及初始運動組成。該階段完成之后，將部署附件衛星和地面段組件，以完成整個系統配置，如圖4-21所示。圖4-21Galileo系統的在軌系統配置

(2)全面部署和運行階段。全面部署和運行階段包括持續24個月的全面系統部署、長期運行和補給。在此階段將會發射剩余的衛星和部署全面運行的地面段，包括有要求的冗余配置，以在性能和服務區域等方面達到全面任務要求。運行階段包括日常運行、地面段的維護以及出現故障時對衛星星座的補給。

4.7北斗衛星導航系統簡介

北斗衛星導航系統(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS，以下簡稱北斗系統)是中國自主建設運行的全球衛星導航系統，是繼GPS、GLONASS之后的第三個成熟的衛星導航系統。

4.7.1系統概述

北斗衛星導航系統是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。

北斗系統提供服務以來，已在諸多領域得到廣泛應用，服務國家重要基礎設施，產生了顯著的經濟效益和社會效益。基于北斗系統的導航服務已被諸多廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域，深刻改變著人們的生產和生活方式。

1.發展目標

建設世界一流的衛星導航系統，滿足中國國家安全與經濟社會發展需求，為全球用戶提供連續、穩定、可靠的服務；發展北斗產業，服務經濟社會發展和民生改善；深化國際合作，共享衛星導航發展成果，提高全球衛星導航系統的綜合應用效益。

2.遠景目標

2035年前將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。

3.基本組成

北斗系統由空間段、地面段和用戶段組成。其中，北斗系統空間段由若干地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星等組成；地面段由運控系統、測控系統、星間鏈路運行管理系統，以及國際搜救、短報文通信、星基增強和地基增強等多種服務平臺組成；用戶段由北斗兼容其他衛星導航系統的芯片、模塊、天線等基礎產品，以及終端產品、應用系統與應用服務等組成。

4.發展特色

北斗系統的建設實踐，走出了在區域快速形成服務能力、逐步擴展為全球服務的中國特色發展路徑，豐富了世界衛星導航事業的發展模式。

北斗系統具有以下特點：一是北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比，高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能優勢更為明顯；二是北斗系統提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度；三是北斗系統創新融合了導航與通信能力，具備定位導航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務能力。

5.增強系統

北斗系統增強系統包括地基增強系統與星基增強系統。

北斗地基增強系統是北斗衛星導航系統的重要組成部分，按照“統一規劃、統一標準、共建共享”的原則，整合國內地基增強資源，建立以北斗為主、兼容其他衛星導航系統的高精度衛星導航服務體系。

北斗星基增強系統是北斗衛星導航系統的重要組成部分，通過地球靜止軌道衛星搭載衛星導航增強信號轉發器，可以向用戶播發星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現對于原有衛星導航系統定位精度的改進。按照國際民航標準，開展北斗星基增強系統設計、試驗與建設。目前，已完成系統實施方案論證，固化了系統在下一代雙頻多星座(DFMC)SBAS標準中的技術狀態，進一步鞏固了BDSBAS作為星基增強服務供應商的地位。

4.7.2發展歷程

1.發展戰略

北斗衛星導航系統采用“三步走”的發展戰略。1994年，中國開始研制發展獨立自主的衛星導航系統，至2000年底建成北斗一號系統，采用有源定位體制服務中國。中國成為世界上第三個擁有衛星導航系統的國家。2012年，建成北斗二號系統，面向亞太地區提供無源定位服務。2020年，北斗三號系統正式建成開通，面向全球提供衛星導航服務，標志著北斗系統“三步走”發展戰略圓滿完成。

2.早期發展

20世紀70年代，從事“兩彈一星”的科學家們就已經認識到衛星導航定位系統的重要性，他們曾在衛星導航領域進行探索，并在理論探索和研制實踐方面開展了卓有成效的工作。立項于20世紀60年代末的“燈塔計劃”可以說是北斗工程的前身，盡管這個計劃最終因技術方向轉型、財力有限等原因而終止，但卻為后來上馬的北斗工程積累了寶貴的經驗。

3.北斗一號系統

1994年，中國啟動北斗衛星導航試驗系統建設；2000年10月31日，發射首顆北斗導航試驗衛星；同年12月21日，發射第2顆北斗導航試驗衛星，初步建成北斗衛星導航試驗系統，成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家；2003年5月25日，發射第三顆北斗導航試驗衛星，進一步增強了北斗衛星導航試驗系統性能。

4.北斗二號系統

2002年，歐盟發起“伽利略”衛星計劃，彼時，中方遇技術瓶頸，歐盟缺研發基金，雙方決定聯手開發。然而蜜月苦短，四年后，中國被排除在項目外，決議不讓表態，資料不讓瀏覽，技術不被告知。

5.北斗三號系統

2009年12月，北斗三號衛星導航系統立項；2017年11月5日，北斗三號系統的第一顆和第二顆組網衛星發射升空，北斗衛星全球組網正式開始；2018年11月19日，北斗三號基本系統星座部署完成。

6.后續發展

2035年，中國將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系，進一步提升時空信息服務能力，提供高彈性、高智能、高精度、高安全的定位導航授時服務，更好地惠及民生福祉、服務人類發展進步。

4.7.3技術特點

1.雙星定位

20世紀80年代，國外衛星導航系統紛紛上馬，中國科學家也開始對自主衛星導航系統進行摸索。然而，對于當時的中國來說，要建立起一套覆蓋全球的衛星導航系統，是耗資巨大且非常困難的事情。

2.短報文服務

北斗的短報文通信為用戶提供了一種保底的通信技術手段。在通信設施損毀或信號覆蓋弱的區域，人們無法通過移動通信信號傳輸信息，但可以通過北斗衛星信號傳遞重要信息；并且用戶通過手機發送短報文信息后，還能得到系統對發送信息成功與否的回執確認，顯著增強了遇險人員求生信心。

3.高精度原子鐘

星載原子鐘精度要求高，技術難度大，曾長期為少數西方發達國家所壟斷。由于國外技術封鎖，星載原子鐘成為北斗系統建設的技術瓶頸。

研制出的第一臺星載原子鐘產品在工作中經常信號突跳，精度很差，研制人員經過技術攻關，最終解決了這一問題。北斗二號系統首次采用了國產星載原子鐘。

4.軌道分布

北斗系統空間段采用地球同步靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能特點更為明顯。這種混合星座布局，既能實現全球覆蓋、全球服務，又可為亞太大部分地區用戶提供精度更高的服務。

5.衛星平臺

北斗三號衛星采用導航衛星專用平臺化設計，在保證衛星總體設計架構穩定的基礎上，可為系統后續功能和需求拓展提供更大的適應能力。

6.星間鏈路

北斗三號衛星配置了Ka頻段星間鏈路，采用相控陣天線等星間鏈路設備，實現星間雙向精密測距和通信。

7.新型導航信號體制

衛星導航信號是衛星系統提