[科普中国]-卫星定位

发展及定义

卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，这种对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量难以实现的远距离陆地海岛联测定位的问题。但是这种方法费时费力，不仅定位精度低，而且不能测得点位的地心坐标。2

20世纪50年代末期美国研制的子午卫星导航系统（NNSS）为GPS的前身，用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，但无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。但子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫，它开创了海空导航的新时代，揭开了卫星大地测量学的新篇章。2

由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在的卫星少、不能实时定位、间隔时间与观测时间长、不能提供实时定位和导航服务、精度较低等问题，美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。

为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外，其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，即使当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，且这两个计划都是为了提供全球定位而设计的，因此在1973年，美国国防部将两者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

全球定位系统（GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座才布设完成。

全球定位系统是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。

系统组成（1）美国GPS卫星导航系统

GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分——GPS星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS 信号接收机。

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4 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，并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码，一组称为C/A 码，一组称为P 码（Procise Code 10123MHz)，P 码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A 码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。

地面部分

地面控制部分由一个主控站、5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

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，即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。各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

GPS定位技术具有高精度、高效率和低成本的优点，使其在各类大地测量控制网的加强改造和建立以及在公路工程测量和大型构造物的变形测量中得到了较为广泛的应用。

（2）欧洲“伽利略”卫星导航系统

共由30颗中高度圆轨道卫星组成，其中27颗为工作卫星，3颗为候补；轨道高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内，最高精度小于1米，主要为民用。在2005年12月28日首颗实验卫星成功发射，2008年前开通定位服务。

（3）俄罗斯GLONASS卫星导航系统数量：24颗卫星组成； 精度：10米左右； 用途：军民两用； 进展：2007年已有17颗卫星在轨运行，计划2008年全部部署到位。

（4）中国“北斗”卫星导航系统 数量：3颗卫星组成，2颗为工作卫星，1颗为备用卫星；用途为军民两用。前两颗卫星分别于2000年和2003年发射成功。2012年12月27日，北斗卫星导航系统正式运行。3

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。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y）码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

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、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。

按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。

全球定位系统GPS卫星的定时信号提供纬度、经度和高度的信息，精确的距离测量需要精确的时钟。因此精确的GPS接受器就要用到相对论效应。

准确度在30米之内的GPS接受器就意味着它已经利用了相对论效应。华盛顿大学的物理学家Clifford M. Will详细解释说：“如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步。”相对论认为快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。Will计算出，每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万千米的路程，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。

而引力对时间施加了更大的相对论效应。大约2万千米的高空，GPS卫星经受到的引力拉力大约相当于地面上的四分之一。结果就是星载时钟每天快45微秒， GPS要计入共38微秒的偏差。Ashby解释说：“如果卫星上没有频率补偿，每天将会增大11千米的误差（这种效应实事上更为复杂，因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得较远）。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS（DGPS），定位精度可提高到5米。

应用全球定位系统的主要用途：①陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；②海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；③航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

具体应用如下：

1、船舶远洋导航和进港引水

2、飞机航路引导和进场降落

3、汽车自主导航

4、地面车辆跟踪和城市智能交通管理

5、紧急救生

6、个人旅游及野外探险

7、个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体）：电力，邮电，通讯等网络的时间同步：准确时间的授入、准确频率的授入

8、测绘相关：道路和各种线路放样、水下地形测量、地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测

9、GIS应用：工程机械（轮胎吊，推土机等）控制、精细农业

在道路工程中的应用GPS在道路工程中的应用，主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。

在汽车导航和交通管理中的应用三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。

地图查询（1）可以在操作终端上搜索目的地位置；

（2）可以记录位置信息并保留，或共享这些位置信息；

（3）模糊查询某个位置附近的各种信息。

路线规划（1）GPS导航系统会根据用户设定的起始点和目的地，自动规划一条线路。

（2）规划线路可以设定是否要经过某些途径点。

（3）规划线路可以设定是否避开高速等实用功能。

自动导航（1）语音导航：

用语音提前向驾驶者提供路口转向，导航系统状况等行车信息，是导航中最重要的一个功能，使用户无需观看操作终端，通过语音提示就可以安全到达目的地。

（2）画面导航：

在操作终端上，会显示地图、车辆位置、行车速度、目的地的距离、规划的路线提示、路口转向提示等行车信息。

（3）重新规划线路：

当没有按规划的线路行驶，或者走错路口时，GPS 导航系统会根据用户位置，重新规划一条新的线路。

卫星接收机GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

1、按接收机的用途分类

（1）导航型接收机

此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机 一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±10m，有SA影响时为±100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：

车载型——用于车辆导航定位；

航海型——用于船舶导航定位；

航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机 要求能适应高速运动。

星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。

（2）测地型接收机

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，精度高，仪器结构复杂，价格较贵。根据使用用途和精度，又分为静态（单频）接收机和动态（双频）接收机，即RTK。

（3）授时型接收机

这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

按接收机的载波频率分类。

（4）单频接收机

单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（