GPS原理與應(yīng)用第三章 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

1、第3章 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其應(yīng)用3.1 概 論3.1.1 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展六千多年以前，古波利尼西亞人就通過(guò)衛(wèi)星測(cè)量地面點(diǎn)與天體的夾角，在推算天體位置的基礎(chǔ)上，對(duì)遠(yuǎn)處的點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航定位。1957年10月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，不僅為遙感調(diào)查地球資源提供最佳平臺(tái)，而且由于衛(wèi)星位置可以通過(guò)衛(wèi)星軌道參數(shù)計(jì)算而得，為衛(wèi)星定位系統(tǒng)準(zhǔn)備了必要的條件。目前世界上廣泛采用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是由美國(guó)研制并發(fā)射的“衛(wèi)星授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)”（Navigation by Satellite Timing and Ranging Global Positioning System，NAVSTAR GPS），

2、簡(jiǎn)稱(chēng)全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS從1973年開(kāi)始研制，1978年2月發(fā)射第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星，到1994年3月發(fā)射第24顆工作衛(wèi)星，1995年宣布達(dá)到全運(yùn)行工作能力，歷經(jīng)20年，耗資300多億美元。目前GPS已廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、陸上車(chē)輛、測(cè)繪、勘探、授時(shí)等民用領(lǐng)域和各種軍用衛(wèi)星、航天發(fā)射器、軍用飛機(jī)、海面艦船、潛艇、地面軍用車(chē)輛、步兵、炮兵、導(dǎo)彈陣地、洲際導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈以及精確制導(dǎo)炸彈等軍事領(lǐng)域。世界上第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）出現(xiàn)于1964年1月，它是在美國(guó)海軍授權(quán)下，由霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，用于美國(guó)海軍艦隊(duì)導(dǎo)航與定位的衛(wèi)星系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道均通過(guò)地極，因此常

3、稱(chēng)為“子午衛(wèi)星系統(tǒng)”。利用該衛(wèi)星定位系統(tǒng)，不論在地球表面任何地方，在任何氣候條件下，一小時(shí)內(nèi)均能測(cè)定位置，其定位精度根據(jù)觀測(cè)衛(wèi)星的次數(shù)可高可低（1米500米）。因此該系統(tǒng)被譽(yù)為是一種簡(jiǎn)便可靠的全天候全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。但是該系統(tǒng)也存在著較大的缺陷，如，衛(wèi)星數(shù)目較少（約五個(gè)）而會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)的突然間斷，觀測(cè)所需等待衛(wèi)星出現(xiàn)的時(shí)間較長(zhǎng)（約35-100分鐘），以及高精度定位雖然可以達(dá)到1米，但需要40次以上的衛(wèi)星觀測(cè)（數(shù)天），且需要使用精密星歷，等等。這些都不能滿(mǎn)足當(dāng)前實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、精確的定位需要。因此，盡管子午衛(wèi)星系統(tǒng)目前仍在運(yùn)行中，美國(guó)海軍已不再發(fā)射新的衛(wèi)星，美國(guó)聯(lián)邦無(wú)線電導(dǎo)航計(jì)劃中已宣

4、布將終止該系統(tǒng)的研制與應(yīng)用。1972年，美國(guó)海軍衛(wèi)星系統(tǒng)中出現(xiàn)了授時(shí)衛(wèi)星系統(tǒng)，主要用于為地球上的不同點(diǎn)位提供精確時(shí)間及時(shí)間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)提供導(dǎo)航信息。在授時(shí)衛(wèi)星系統(tǒng)上，首次采用了原子時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)（銣、銫），為GPS的高精度授時(shí)系列奠定了基礎(chǔ)。隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星定位越來(lái)越受到人們的重視。1973年12月17日，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)了建立新的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)計(jì)劃，即GPS。1978年第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，1994年順利完成了24顆衛(wèi)星的布設(shè)。該系統(tǒng)不僅集成了以前所有的單用途衛(wèi)星系統(tǒng)，并且致力于更廣泛的用途。據(jù)前GPS聯(lián)合項(xiàng)目組主任Pakison稱(chēng)，最初的設(shè)計(jì)有兩個(gè)目標(biāo)：（1）在GPS定位的幫助下，

5、五發(fā)炮彈可以穿過(guò)同一洞口，（2）建立廉價(jià)的導(dǎo)航設(shè)備（低于1萬(wàn)美元）。GPS是美國(guó)繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)之后的第三大空間工程，其實(shí)施共分三個(gè)階段：（1）方案論證和初步設(shè)計(jì)階段，從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)，從硬件和軟件上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果令人滿(mǎn)意；（2）全面研制和試驗(yàn)階段，從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，同時(shí)研制了各種用途的接收機(jī)；（3）實(shí)用組網(wǎng)階段，1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，宣告了GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段，到1994年3月第24顆工作衛(wèi)星發(fā)射，實(shí)用的GPS網(wǎng)即（213）GPS星座已經(jīng)建成，今后

6、將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。隨著GPS定位和授時(shí)服務(wù)在軍民應(yīng)用中有了巨大的增長(zhǎng)，GPS已成為美國(guó)信息基礎(chǔ)的必備組成部分。為了提高GPS的性能，更好地滿(mǎn)足軍民用戶(hù)的需求，同時(shí)應(yīng)對(duì)俄羅斯GLONASS和歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃的競(jìng)爭(zhēng)，保持美國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的霸權(quán)地位，美國(guó)已決定對(duì)GPS進(jìn)行現(xiàn)代化改進(jìn)。1997年，由美國(guó)國(guó)防部、交通部、貿(mào)易部、農(nóng)業(yè)部以及美國(guó)國(guó)家航空及航天局（NASA）成立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)小組，收集軍民用戶(hù)的各種需求，確定了GPS系統(tǒng)相對(duì)這些需求的不足，提出了提高GPS服務(wù)的改進(jìn)建議。GPS現(xiàn)代化將主要集中于提高GPS 的定位和授時(shí)精度、可用性、完好性監(jiān)測(cè)能力以及提高信號(hào)的抗干擾能力。GPS現(xiàn)代

7、化的第一個(gè)步驟是將于2003年在L2頻率上提供民用信號(hào)。到時(shí)民用GPS用戶(hù)將可利用L1和L2兩個(gè)頻率校正電離層延時(shí)誤差。在2005年發(fā)射的GPS BLOCK F衛(wèi)星上將加發(fā)第三民用信號(hào)，其頻率為1176.45MHz。2000年5月1日美國(guó)停止了GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)中的選擇可用性（Selective Availability，SA）措施，民用用戶(hù)的定位精度大為提高。在軍用方面，GPS現(xiàn)代化可能將通過(guò)把軍、民用信號(hào)頻譜分隔開(kāi)，提高軍用信號(hào)功率，使用新的偽碼和星歷等方法，以確保美軍及其盟軍能夠不間斷地獲得GPS精密定位服務(wù)信號(hào)。另外，在停止使用SA后，將采用GPS區(qū)域性禁用方式以禁止敵方利用GPS服務(wù)

8、。GPS信號(hào)的現(xiàn)代化改進(jìn)具有后向兼容性，因此，用戶(hù)的現(xiàn)有GPS接收機(jī)將可以繼續(xù)使用，但要充分利用GPS新的信號(hào)功能，必須購(gòu)買(mǎi)新的用戶(hù)設(shè)備。3.1.2 GPS系統(tǒng)的組成GPS定位系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，即（1） GPS衛(wèi)星（空間部分）；（2） 地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）；和（3） GPS接收機(jī)（用戶(hù)部分）?？臻g部分由24顆衛(wèi)星組成，目前24顆衛(wèi)星已經(jīng)全部在軌。監(jiān)控部分包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站，它們主要是收集數(shù)據(jù)、編算導(dǎo)航電文、診斷狀態(tài)及調(diào)度衛(wèi)星。用戶(hù)部分即GPS接收機(jī)，主要是接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)，隨使用目的不同，用戶(hù)要求的GPS接收機(jī)也各有差異。GPS接收機(jī)之所以能進(jìn)行定

9、位就在于GPS衛(wèi)星能發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，GPS衛(wèi)星播發(fā)兩個(gè)頻率的載波無(wú)線電信號(hào)：和L2=1227.6 MHz。L1上調(diào)制有的粗捕獲碼（C/A碼）、的精碼（P碼）及每秒50bit的導(dǎo)航電文。L2載波上僅調(diào)制了P碼和導(dǎo)航電文。相應(yīng)于P碼和C/A碼，GPS提供兩種定位服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和精密定位服務(wù)（PPS）。目前，SPS對(duì)一切用戶(hù)開(kāi)放，也不直接向用戶(hù)收費(fèi)，其水平定位精度為100米（95%的置信度）或300米（99.99%的置信度）。PPS服務(wù)對(duì)象限于美國(guó)軍事用戶(hù)以及國(guó)防部（DoD）有專(zhuān)門(mén)協(xié)定的盟國(guó)政府的軍事部門(mén)、政府部門(mén)，它能提供高精度的定位、定時(shí)、和測(cè)速服務(wù)。為了進(jìn)行高精度定位就必須獲得P碼

10、，P碼本來(lái)是加密的，但后來(lái)被民用所解密，因而自1994年3月開(kāi)始啟動(dòng)反電子欺騙技術(shù)（Anti Spoofing，AS），又稱(chēng)抗竊密，這樣P碼將變成加密的Y碼，這就使民用用戶(hù)增加了獲得觀測(cè)量的難度。1、GPS衛(wèi)星星座自1978年2月22日發(fā)射第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星以后，到1985年10月9日發(fā)射最后一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星，共有11顆試驗(yàn)衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行。這些試驗(yàn)衛(wèi)星稱(chēng)為Block衛(wèi)星。試驗(yàn)衛(wèi)星是在加利福尼亞的范登堡空軍基地采用Atlas F火箭發(fā)射入軌的。運(yùn)行軌道呈圓形，長(zhǎng)半軸為26560km，傾角為64，軌道高度約20000km。這些衛(wèi)星只分布在A、C兩個(gè)軌道平面內(nèi)，其目的是為了保證亞利桑那州的Yu

11、ma試驗(yàn)基地能夠獲得最長(zhǎng)的連續(xù)觀測(cè)時(shí)間。按原訂計(jì)劃，1986年采用火箭和航天飛機(jī)兩種運(yùn)載工具發(fā)射GPS工作衛(wèi)星。但由于“挑戰(zhàn)者” 號(hào)航天飛機(jī)的失事，使這一計(jì)劃大大推遲。于1989年初著手Block衛(wèi)星的發(fā)射，采用Delta火箭在佛羅里達(dá)州肯尼迪空間中心的卡納維爾角基地發(fā)射。衛(wèi)星軌道做了某些調(diào)整，長(zhǎng)半軸為26609km，偏心率為，衛(wèi)星軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角為55，各衛(wèi)星軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差60，在相鄰軌道上衛(wèi)星的升交距角相差30，衛(wèi)星高度為20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時(shí)58分鐘。這樣軌道參數(shù)的衛(wèi)星能覆蓋地面面積38。衛(wèi)星運(yùn)行到軌道的任何位置上，它對(duì)地面的距離和波束覆蓋面積基本上不變。

12、同時(shí)在波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，用戶(hù)接收到的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度近似相等。這就是說(shuō)，用于定位的衛(wèi)星信號(hào)信噪比近似相等，對(duì)提高定位精度有好處。GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中3顆備用衛(wèi)星。衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道面上分布4顆衛(wèi)星。圖3.1顯示出GPS星座的衛(wèi)星分布，圖3.2為衛(wèi)星軌道，圖3.3為軌道平面圖。圖3.1 GPS 工作衛(wèi)星星座（21顆工作衛(wèi)星）圖3.2 衛(wèi)星軌道圖3.3 軌道平面圖同一觀測(cè)站每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。GPS衛(wèi)星在空間的上述配置，保障了在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均至少可以同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，最多可達(dá)11顆。衛(wèi)星信號(hào)傳播和接收不受天氣影響，因此，GPS是全

13、球性、全天侯的連續(xù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。但個(gè)別地區(qū)可能在短時(shí)間內(nèi)（如數(shù)分鐘）觀測(cè)到的4顆衛(wèi)星圖形結(jié)構(gòu)較差，不能達(dá)到定位精度要求，這段時(shí)間成為“間隙段”。2、GPS衛(wèi)星及其功能迄今，GPS衛(wèi)星已設(shè)計(jì)了三代，分別為Block、Block 和Block（表4.1）。表4.1 GPS衛(wèi)星的概況GPS衛(wèi)星區(qū)分?jǐn)?shù)量（顆）發(fā)射時(shí)間用途第一代Block111978-1985系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)第二代Block ，A281989-1994正式工作第三代Block ，R2090年代末改善GPS第一代衛(wèi)星現(xiàn)已停止工作。第二代衛(wèi)星用于組成GPS工作衛(wèi)星星座，通常稱(chēng)為GPS工作衛(wèi)星。Block A的功能比Block 大大增強(qiáng)，表現(xiàn)在軍事功

14、能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。Block 只能存儲(chǔ)供45天用的導(dǎo)航電文，而B(niǎo)lock A則能夠存儲(chǔ)供180天用的導(dǎo)航電文，以確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。第三代衛(wèi)星尚在設(shè)計(jì)中，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：可對(duì)自己進(jìn)行自主導(dǎo)航；每顆衛(wèi)星將使用星載處理器，計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)的修正值，改善導(dǎo)航精度，增強(qiáng)自主能力和生存能力。GPS衛(wèi)星是由洛克韋爾國(guó)際公司空間部研制的。衛(wèi)星重774kg（包括310 kg燃料），采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為。星體兩側(cè)裝有兩塊雙葉對(duì)日定向太陽(yáng)能電池帆板，全長(zhǎng)，接受日光面積2。對(duì)日定向系統(tǒng)控制兩翼帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，為衛(wèi)星不斷提供電力，并給三組15AH的鎘鎳

15、蓄電池充電，以保證衛(wèi)星在地影區(qū)能正常工作。在星體底部裝有多波束定向天線，這是一種由12個(gè)單元構(gòu)成的成形波束螺旋天線陣，能發(fā)射L1和L2波段的信號(hào)，其波束方向圖能覆蓋約半個(gè)地球。在星體兩端面上裝有全向遙測(cè)遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通信。此外，衛(wèi)星上還裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)。工作衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為7年。從試驗(yàn)衛(wèi)星的工作情況看，一般都能超過(guò)或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)壽命。衛(wèi)星設(shè)有導(dǎo)航分系統(tǒng)，包括：導(dǎo)航電文存儲(chǔ)器；高穩(wěn)定度的原子頻標(biāo)；偽噪聲碼發(fā)生器；S波段接收機(jī)；L波段雙頻發(fā)射機(jī)。由于GPS采用被動(dòng)定位原理，星載高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)是精密定位的關(guān)鍵。早期的兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星采用霍布金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的石英晶

16、體振蕩器，其相對(duì)日穩(wěn)定度為10101011/d。這樣的頻率標(biāo)準(zhǔn)給衛(wèi)星位置帶來(lái)的誤差為。1974年采用了文富拉德姆公司研制的銣鐘。這種銣鐘的體積為101011cm3，重，耗電13W，頻率穩(wěn)定度為（510）1013/d。此鐘裝于PRN03，PRN06，PRN09衛(wèi)星上，經(jīng)多次測(cè)試，所造成的衛(wèi)星位置誤差為。1977年，采用了馬斯頻率和時(shí)間系統(tǒng)公司研制的銫原子鐘，其尺寸為19.53，重，頻率穩(wěn)定度為（12）1013/d。在此基礎(chǔ)上，研制出功耗小、重量輕且體積小的銫鐘，作為衛(wèi)星的頻率標(biāo)準(zhǔn)，它給衛(wèi)星定位帶來(lái)的位置誤差僅為。1981年，采用休斯公司研制的氫鐘作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，頻率穩(wěn)定度達(dá)到1015/d。經(jīng)過(guò)這些

17、試驗(yàn)比較，在正式發(fā)射的工作衛(wèi)星上采用了銫鐘作為頻標(biāo)。它能保證所有的衛(wèi)星能夠在一個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)獨(dú)立工作而無(wú)需地面校正，同時(shí)也保證了精密定位的要求。GPS衛(wèi)星的基本功能包括：接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令；衛(wèi)星上設(shè)有微處理機(jī)，進(jìn)行部分必要的數(shù)據(jù)處理工作；通過(guò)星載的高精度銣鐘、銫鐘產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)和提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；向用戶(hù)發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)。包括：兩種載波（L1 和L2）調(diào)制在L1上的偽噪聲碼C/A碼（Coarse Acquisition Code，粗捕獲碼）調(diào)制在L1和L2上的偽噪聲P碼（Precise Code精碼）在地面監(jiān)控站的指令下，通過(guò)推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和

18、啟用備用衛(wèi)星。3、GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)在導(dǎo)航定位中，首先必須知道衛(wèi)星的位置。而位置是由衛(wèi)星星歷計(jì)算出來(lái)的。地面監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量和計(jì)算每顆衛(wèi)星的星歷，編輯成電文發(fā)送給衛(wèi)星，然后由衛(wèi)星實(shí)時(shí)地播送給用戶(hù)。這就是衛(wèi)星提供的廣播星歷。工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站（參見(jiàn)圖3.4）。主控站位于科羅拉多斯平士（Colorado Spings）的聯(lián)合空間執(zhí)行中心（CSOC），三個(gè)注入站分別設(shè)在大西洋、印度洋和太平洋的三個(gè)美國(guó)軍事基地上，即大西洋的阿松森（Ascension）島、印度洋的狹哥伽西亞（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加蘭（Kwajalein），五個(gè)監(jiān)測(cè)站設(shè)在主控站和

19、三個(gè)注入站以及夏威夷島。監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是對(duì)每顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，并向主控站提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。每個(gè)監(jiān)測(cè)站配有GPS接收機(jī)，對(duì)每顆衛(wèi)星長(zhǎng)年連續(xù)不斷地進(jìn)行觀測(cè)，每6S進(jìn)行一次偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè)，采集氣象要素等數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站是一種無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站的控制，定時(shí)將觀測(cè)數(shù)據(jù)送往主控站。五個(gè)監(jiān)測(cè)站分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上，保證了全球GPS定軌的精度要求。由這五個(gè)監(jiān)測(cè)站提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)形成了GPS衛(wèi)星實(shí)時(shí)發(fā)布的廣播星歷。主控站擁有大型電子計(jì)算機(jī)，用作為主體的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、傳輸、診斷、編輯等設(shè)備。它完成下列功能：（1）采集數(shù)據(jù)：主控站采集各個(gè)監(jiān)測(cè)站所測(cè)得的偽距和積分多普勒觀測(cè)值、氣象要素、

20、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及海軍水面兵器中心發(fā)來(lái)的參考星歷。（2）編輯導(dǎo)航電文：根據(jù)采集到的全部數(shù)據(jù)計(jì)算出每一顆衛(wèi)星的星歷、時(shí)鐘改正數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣改正數(shù)，并按一定的格式編輯為導(dǎo)航電文，傳送到注入站。（3）診斷功能：對(duì)整個(gè)地面支撐系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作進(jìn)行診斷；對(duì)衛(wèi)星的健康狀況進(jìn)行診斷，并加以編碼向用戶(hù)指示。（4）調(diào)整衛(wèi)星：根據(jù)所測(cè)的衛(wèi)星軌道參數(shù)，及時(shí)將衛(wèi)星調(diào)整到預(yù)定軌道，使其發(fā)揮正常作用。而且還可以進(jìn)行衛(wèi)星調(diào)度，用備份衛(wèi)星取代失效的工作衛(wèi)星。主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到位于三大洋的三個(gè)注入站，定時(shí)將這些信息注入各個(gè)衛(wèi)星，然后由GPS衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶(hù)，這就用所用的廣播星歷

21、。 GPS衛(wèi)星 GPS衛(wèi)星接收機(jī)調(diào)制解調(diào)器銫鐘氣象傳感器監(jiān)測(cè)站觀測(cè)星歷與時(shí)鐘主控站計(jì)算誤差編算注入導(dǎo)航電文調(diào)制解調(diào)器高功率放大器指令發(fā)生器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部設(shè)備注入站數(shù)據(jù)處理機(jī)數(shù) 據(jù)處理機(jī)L1 L2S波段圖3.4 地面監(jiān)控系統(tǒng)框圖4、GPS接收機(jī)GPS接收機(jī)也可稱(chēng)為用戶(hù)裝置。主要由天線、接收機(jī)、微處理機(jī)和輸入輸出部分組成。其主要結(jié)構(gòu)框架（單頻接收機(jī)）如圖3.5所示。圖3.5 接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖GPS接收機(jī)是用戶(hù)接收衛(wèi)星信號(hào)的設(shè)備，定位質(zhì)量與其有直接關(guān)系。目前已有一百多個(gè)接收機(jī)生產(chǎn)廠家，價(jià)格根據(jù)性能不同也有較大的差別。衡量接收機(jī)的性能指標(biāo)主要有：信號(hào)跟蹤的通道數(shù)，跟蹤信號(hào)種類(lèi)，跟蹤衛(wèi)星數(shù)，定位精度（位

22、置、速度和授時(shí)），重捕信號(hào)時(shí)間，工作溫度與濕度，體積，重量，天線類(lèi)型及用途等?，F(xiàn)在接收機(jī)主要部件已經(jīng)集成化，用戶(hù)可以單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)接收機(jī)的集成芯片。對(duì)接收機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有兩種方式：實(shí)時(shí)方式和后處理方式。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理是在接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)后在測(cè)站點(diǎn)直接通過(guò)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算與平差運(yùn)算，得到三維測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)信息。數(shù)據(jù)后處理方式是將采集到的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，在室內(nèi)通過(guò)GPS計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中可選擇平差方法以及適當(dāng)?shù)膮⒖键c(diǎn)等數(shù)據(jù)。目前在GPS大地測(cè)量中進(jìn)行整體網(wǎng)平差一般采用數(shù)據(jù)后處理的方式。3.1.3 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)從發(fā)射第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星以來(lái)，國(guó)際上開(kāi)展了衛(wèi)星定位系統(tǒng)軟件與硬件的不斷研究

23、，使得該系統(tǒng)不斷改善。作為導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，GPS有以下特點(diǎn)：全球地面覆蓋 當(dāng)前，GPS衛(wèi)星數(shù)目為24顆，且按一定的軌道規(guī)律分布，使得在地球上任何地點(diǎn)都能同時(shí)觀測(cè)到至少四顆衛(wèi)星。從而保障了全球、全天候的實(shí)時(shí)定位。多功能，高精度的信息 GPS可以為用戶(hù)提供連續(xù)的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息。一般來(lái)說(shuō)，目前單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)3米，靜態(tài)差分定位精度可達(dá)，測(cè)速精度為，測(cè)時(shí)精度小于10ns。隨著GPS測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的不斷發(fā)展，其測(cè)量精度會(huì)進(jìn)一步提高?？焖俣ㄎ?GPS接收機(jī)可利用多通道同時(shí)觀測(cè)數(shù)個(gè)衛(wèi)星，因而一次定位只需數(shù)秒至數(shù)十秒，既可以用于高動(dòng)態(tài)定位，也提高了靜態(tài)定位的效率?？垢蓴_性和保密性好

24、由于衛(wèi)星發(fā)送無(wú)線電信號(hào)時(shí)采用了偽隨機(jī)噪聲碼技術(shù)，因而GPS的導(dǎo)航信息具有強(qiáng)抗干擾力和較好的保密性能。被動(dòng)式導(dǎo)航 用戶(hù)只需通過(guò)接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，而無(wú)須發(fā)射任何信號(hào)，隱蔽性好。不僅保障了軍事用戶(hù)的安全，也簡(jiǎn)化了普通GPS定位工作。GPS的發(fā)展不僅在軍事定位與導(dǎo)航中有重要的作用，而且不可避免地在民用領(lǐng)域發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。因此，美國(guó)政府于1994年第一次明確表示不再認(rèn)為GPS僅適用于軍事目的，而將其視為國(guó)際事物與商業(yè)活動(dòng)中的重要手段。3.1.4 其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1、GLONASS全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Orbiting Navigation Satellite System，Globalna

25、ya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema，GLONASS）是前蘇聯(lián)研制建立的，1978年開(kāi)始研制，1982年10月開(kāi)始發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星。自1982年至1987年，共發(fā)射了27顆GLONASS試驗(yàn)衛(wèi)星。它由24顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座（21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星），均勻地分布在3個(gè)軌道平面內(nèi)。衛(wèi)星高度為19100km，衛(wèi)星的運(yùn)行周期為11 時(shí)15分。GLONASS衛(wèi)星的這種空間配置，保證地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均至少可以同時(shí)觀測(cè)5顆衛(wèi)星。俄羅斯的GOLNASS定位系統(tǒng)和美國(guó)GPS定位系統(tǒng)是二個(gè)超級(jí)大國(guó)軍備競(jìng)賽的產(chǎn)物。GPS是從1973年開(kāi)始研制歷經(jīng)20年到199

26、4年24顆工作衛(wèi)星組網(wǎng)完畢。GOLNASS于1982年發(fā)射第一顆衛(wèi)星，1995年組網(wǎng)成功。這兩個(gè)系統(tǒng)共同點(diǎn)是：都是軍用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，兼為民用，主管部門(mén)都屬軍事序列；定位原理都是單程測(cè)距定位，都屬于被動(dòng)式定位系統(tǒng)。適用于移動(dòng)用戶(hù)主動(dòng)導(dǎo)航，用戶(hù)無(wú)限，多用戶(hù)同時(shí)使用不會(huì)飽和；都是采用偽隨機(jī)碼測(cè)距技術(shù)作為導(dǎo)航觀測(cè)手段。軍用都采用雙頻P碼測(cè)距，民用采取單頻C/A碼測(cè)距。表3.2表3.5從衛(wèi)星軌道特征有效載荷和衛(wèi)星信號(hào)等幾個(gè)方面對(duì)二個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行比較。表3.2 GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星軌道特征衛(wèi)星參數(shù)GPSGLONASS衛(wèi)星數(shù)（顆）2424每軌道衛(wèi)星個(gè)數(shù)48衛(wèi)星分布軌道面數(shù)63相鄰軌道衛(wèi)星相位差

27、40度15度軌道傾斜角55 度軌道長(zhǎng)半軸26560km25510km軌道高度20200km19100km偏心率運(yùn)行周期11小時(shí)58分11小時(shí)15分44秒衛(wèi)星壽命7.58年3-5年表3.3 GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星有效載荷衛(wèi)星參數(shù)GPSGLONASS衛(wèi)星鐘銫鐘和銣鐘各兩臺(tái)三臺(tái)銫鐘衛(wèi)星鐘基頻1023MHz太陽(yáng)能電池帆板27m2提供功率410-580w1600w鎳鎘蓄電池三組12A姿態(tài)控制三軸穩(wěn)定三軸穩(wěn)定推進(jìn)系統(tǒng)有有發(fā)射天線多波束天線射電頻率L1L2L1=1602+KL2=1246+K遙控遙測(cè)天線S波段衛(wèi)星形體柱形，高3m衛(wèi)星重1400kg激光發(fā)射鏡有有表3.4 GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星

28、發(fā)播的信號(hào)衛(wèi)星參數(shù)GPSGLONASS衛(wèi)星信號(hào)區(qū)分CDMAFDMAL1調(diào)制信號(hào)C/A碼(共有32種)民用碼C/A碼一種，民用碼P碼可采用w碼變成Y碼防干擾P碼軍用碼導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文L2調(diào)制信號(hào)P碼P碼導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文測(cè)距信號(hào)偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼測(cè)距碼格式格爾德碼M序列C/A碼之?dāng)?shù)1023bit511bitC/A碼碼頻C/A碼周期1ms1msC/A碼功率譜帶寬P碼碼長(zhǎng)1012106P碼碼頻P碼功率譜帶寬星歷數(shù)據(jù)衛(wèi)星軌道開(kāi)普勒參數(shù)衛(wèi)星地心直角坐標(biāo)x，y，z及其速度和加速度分量坐標(biāo)系統(tǒng)WGS84SGS-85(95年后采用PZ-90)時(shí)間系統(tǒng)GPS時(shí)間，與原子時(shí)差19秒，與世界協(xié)調(diào)時(shí)采用跳秒辦法采

29、用俄羅斯維持的世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC(SO)為基準(zhǔn)。與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC(BTMP)差數(shù)微妙表3.5 GPS和GLONASS地面監(jiān)控部分衛(wèi)星參數(shù)GPSGLONASS主控站(控制中心)美國(guó)科羅拉多 斯平士莫斯科注入站大西洋：阿松森美軍事基地利用分布在俄羅斯境內(nèi)的指令跟蹤站向衛(wèi)星發(fā)送控制命令和導(dǎo)航信息印度洋：狄哥伽西亞太平洋：卡瓦加蘭美軍事基地監(jiān)測(cè)站除主控站、注入站外另加夏威夷監(jiān)測(cè)站，接收衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理；再信號(hào)送主控站處理在俄羅斯境內(nèi)布有指令跟蹤網(wǎng)（CTS），遙測(cè)所有衛(wèi)星，進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)處理，信號(hào)送至主控站2、ENSS歐洲空間局（ESA）早已開(kāi)始了對(duì)其下一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS-2）

30、的研究。GNSS-2被稱(chēng)為GALILEO計(jì)劃，是歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（European Navigation Satellite System，ENSS）的重要組成部分和未來(lái)發(fā)展目標(biāo)。GALILEO計(jì)劃的目標(biāo)是建設(shè)歐洲自主的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，從歐洲廣域差分系統(tǒng)EGNOS工作引申發(fā)展而來(lái)。在歐盟內(nèi)部，此項(xiàng)計(jì)劃由歐盟交通能源司總體負(fù)責(zé)，技術(shù)方面由歐洲空間局負(fù)責(zé)。其實(shí)施分為四個(gè)階段：系統(tǒng)定義階段（1999-2001），進(jìn)行系統(tǒng)框架的定義以及效益分析等其它準(zhǔn)備工作，這個(gè)階段已經(jīng)在2001年底結(jié)束；系統(tǒng)發(fā)展階段（2002-2005），確定系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)衛(wèi)星和地面設(shè)施，最終確定系統(tǒng)的可行性，這部

31、分工作將由歐洲空間局為主組織完成；系統(tǒng)建設(shè)階段（2006-2007），完成衛(wèi)星制造、發(fā)射和地面工作站建設(shè)與設(shè)備安裝，這部分工作將通過(guò)招標(biāo)由相關(guān)企業(yè)完成；系統(tǒng)運(yùn)行、應(yīng)用階段（2008-2020），進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)工作，包括系統(tǒng)調(diào)度、衛(wèi)星更新、設(shè)備維護(hù)和升級(jí)等。GALILEO系統(tǒng)分為星座、衛(wèi)星、地面設(shè)施、地面部分、EGNOS等部分。系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由分布在三個(gè)軌道上的30顆中等高度衛(wèi)星組成，每個(gè)軌道上有10顆衛(wèi)星，其中九顆正常工作，一顆運(yùn)行備用。軌道傾斜角56度，軌道高度23616公里，運(yùn)行周期14小時(shí)4分。系統(tǒng)的衛(wèi)星重700公斤，計(jì)劃壽命20年，由三部分組成：衛(wèi)星平臺(tái)、導(dǎo)航有效載荷和搜索救援有效

32、載荷，運(yùn)載發(fā)射初步考慮采用1箭8星方案。地面部分主要完成導(dǎo)航控制、星座管理、完好性檢測(cè)和分發(fā)。導(dǎo)航控制和星座管理部分包括導(dǎo)航系統(tǒng)控制中心、15個(gè)地面監(jiān)測(cè)站和4個(gè)遙測(cè)遙控站；完好性監(jiān)測(cè)和分發(fā)部分由若干個(gè)完好性監(jiān)視站、完好性注入站和完好性控制中心組成。GALILEO系統(tǒng)將提供五套導(dǎo)航定位信號(hào)，其中兩套信號(hào)供公開(kāi)服務(wù)、商業(yè)服務(wù)和生命救援服務(wù)使用，一套供提高地區(qū)性精確度再開(kāi)發(fā)使用，還有兩套受控信號(hào)，在歐盟的控制為特殊用途服務(wù)，如警察、國(guó)民警衛(wèi)隊(duì)等。系統(tǒng)根據(jù)不同的服務(wù)有不同的精度。3、“北斗一號(hào)”我國(guó)在70年代就開(kāi)始了導(dǎo)航衛(wèi)星的論證和研究工作，到90年初期，我國(guó)開(kāi)始了獨(dú)立自主的區(qū)域衛(wèi)星定位系統(tǒng)工程建設(shè)，

33、即“北斗一號(hào)”工程，為我國(guó)自行設(shè)計(jì)的區(qū)域性二維有源導(dǎo)航定位系統(tǒng)（系統(tǒng)構(gòu)成參見(jiàn)圖3.6），第三個(gè)位置量需要借助其它方式獲得，該系統(tǒng)可向我國(guó)及周邊地區(qū)的用戶(hù)提供定位、通信服務(wù)。它由三顆高度為36000公里的地球同步衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座，兩顆工作星和一顆在軌備份星分別定點(diǎn)于80、140。定位精度20100米；雙向定時(shí)精度：20ns，單向定時(shí)精度：100ns；目前已投入使用。北斗一號(hào)邁出了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)堅(jiān)實(shí)的一步，它不受其他國(guó)家的控制，其方便的位置報(bào)告功能，對(duì)陸?？沼脩?hù)定位和集中管理尤其有利。 北斗一號(hào)為二維定位系統(tǒng)，對(duì)于空中用戶(hù)提供高程數(shù)據(jù)比較困難，目前可用的用戶(hù)測(cè)高系統(tǒng)精度較低，不能較好地解決空中用

34、戶(hù)的三維導(dǎo)航問(wèn)題。 由于需要用戶(hù)發(fā)上行信號(hào)，為有源定位系統(tǒng)，導(dǎo)航定位處理必須在地面中心進(jìn)行，這樣用戶(hù)的數(shù)量就受到一定的限制，同時(shí)也不能滿(mǎn)足用戶(hù)的隱蔽、無(wú)源定位要求。圖3.6 BD-1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理示意圖4、衛(wèi)星導(dǎo)航的差分和增強(qiáng)系統(tǒng)目前衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)民用精度都只能達(dá)到30m左右。而在許多民用導(dǎo)航中如：近海和海洋船舶航行、測(cè)量船導(dǎo)航及、船舶進(jìn)港、靠泊、直升機(jī)導(dǎo)航、民航機(jī)航路導(dǎo)航和進(jìn)近著陸、精密農(nóng)業(yè)導(dǎo)航、城市車(chē)輛調(diào)度、特殊車(chē)輛監(jiān)控等等都需要更高精度的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位。為了滿(mǎn)足上述需求，采用對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的監(jiān)測(cè)和增強(qiáng)技術(shù)。包括差分技術(shù)和衛(wèi)星完好性監(jiān)測(cè)。增強(qiáng)系統(tǒng)有兩種，一種為本地增強(qiáng)系統(tǒng)(LASS)和廣

35、域增強(qiáng)系統(tǒng)（WASS）。LASS系統(tǒng)由于采用偽據(jù)差分，其差分精度隨著用戶(hù)機(jī)與基臺(tái)距離加大而減退。當(dāng)用戶(hù)機(jī)距基臺(tái)100200公里以上時(shí)差分能力降低。WASS系統(tǒng)是將測(cè)量誤差中與空間分布相關(guān)的誤差（電離層延遲誤差）及與空間分布不相關(guān)的誤差（衛(wèi)星星歷誤差、星鐘誤差）分別計(jì)算，分別修正。這樣只需再布置少量基準(zhǔn)臺(tái)站就能滿(mǎn)足大面積差分要求。表3.6為兩種增強(qiáng)系統(tǒng)的性能比較。廣域差分GPS （Wide Area Differential GPS，WADGPS）是為大范圍的區(qū)域（幾千公里）提供精度一致的差分GPS服務(wù)的系統(tǒng)。WADGPS提供給用戶(hù)的是由三維星歷誤差、每顆衛(wèi)星的時(shí)鐘偏移和電離層時(shí)延組成的誤差校正

36、矢量。這種誤差矢量校正技術(shù)克服了偽距差分GPS系統(tǒng)中，隨著用戶(hù)與基準(zhǔn)站距離增大定位精度會(huì)降低的問(wèn)題。WADGPS網(wǎng)至少包括一個(gè)主控站、若干個(gè)監(jiān)測(cè)站和通信鏈路。每個(gè)監(jiān)測(cè)站配有高質(zhì)量的原子鐘以及能夠接收視野內(nèi)所有衛(wèi)星信號(hào)的高質(zhì)量的GPS接收機(jī)。在每一個(gè)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行GPS測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果傳送到主控站。主控站則根據(jù)已知監(jiān)測(cè)站的位置和采集到的參數(shù)計(jì)算GPS誤差分量，然后，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐ㄐ沛溌穼⒂?jì)算的誤差修正值傳送給用戶(hù)。其處理過(guò)程摘要如下：在位置已知的監(jiān)測(cè)站采集其視野中所有GPS衛(wèi)星的偽距。將測(cè)得的偽距和雙頻電離層延遲傳送到主控站。主控站計(jì)算誤差修正矢量。用恰當(dāng)?shù)耐ㄐ沛溌穼⒄`差修正矢量發(fā)送給用戶(hù)。用戶(hù)利用

37、誤差修正矢量值，校正他們測(cè)量的偽距和采集的星歷數(shù)據(jù)，以改善導(dǎo)航精度。表3.6 LASS系統(tǒng)與WASS系統(tǒng)的性能比較廣域增強(qiáng)(WASS)本地差分(DGPS)建造單位美國(guó)聯(lián)邦航空局FAA建，用于1類(lèi)精密進(jìn)場(chǎng)美國(guó)海岸警備隊(duì)(USCG)建，用于進(jìn)港引導(dǎo)覆蓋范圍由近地地衛(wèi)星廣播覆蓋地域所定由海上NDB信標(biāo)臺(tái)發(fā)射有效距離決定，一般為40200英里覆蓋范圍內(nèi)精度76m10m可用性完好性服務(wù)4108目前已建和正在建的WASS系統(tǒng)有：美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的WASS計(jì)劃美國(guó)FAA計(jì)劃部署一個(gè)全美國(guó)及太平洋、大西洋地區(qū)大片覆蓋的WASS系統(tǒng)。計(jì)劃建二個(gè)主控站和上行注入站，24個(gè)基準(zhǔn)站，各站與主控站間用數(shù)據(jù)多址網(wǎng)

38、絡(luò)(DNN)通信系統(tǒng)連接起來(lái)，計(jì)劃在2001年建成，耗資5億美元。空間部分利用美國(guó)和加拿大合作發(fā)射的NSAT移動(dòng)通信衛(wèi)星，也利用INMARSAT-3衛(wèi)星，作雙重余度，互為備份。FAA把WAAS看作是民用航空無(wú)縫衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵組成部分，它將提高覆蓋區(qū)域內(nèi)GPS的精度（通過(guò)差分技術(shù)）完好性（提供及時(shí)的報(bào)警能力）和可用性（通過(guò)附加測(cè)距信號(hào)）。WAAS的目標(biāo)是要使GPS能夠成為民航飛機(jī)從起飛至類(lèi)精密進(jìn)近階段的主用導(dǎo)航方式。WAAS的工作過(guò)程為：由廣泛分布于美國(guó)及其周邊區(qū)域內(nèi)的廣域基準(zhǔn)站(WRS)收集GPS及靜地軌道（GEO）衛(wèi)星發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。廣域主控站（WMS）匯集來(lái)自各WRS的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處

39、理，以確定每顆被監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的完好性、差分校正適量值、殘差和電離層信息，并產(chǎn)生靜地軌道(GEO)衛(wèi)星的導(dǎo)航參數(shù)。這些信息然后傳到上行注入站(GUS)，隨同GEO衛(wèi)星導(dǎo)航信息一起上行傳給GEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器在L1頻率上以與GPS衛(wèi)星相同的調(diào)制方式下行傳送這些數(shù)據(jù)。同時(shí)GEO衛(wèi)星還發(fā)射C/A碼測(cè)距信號(hào)，以增加用戶(hù)可用的測(cè)距衛(wèi)星源，從而大大提高了系統(tǒng)的導(dǎo)航精度、可用性及完好性。WAAS將使覆蓋區(qū)域內(nèi)的GPS水平精度提高至7.6m（2drms）。日本運(yùn)輸省的MSAS計(jì)劃日本運(yùn)輸省部署一個(gè)覆蓋本國(guó)陸地和近海的WASS系統(tǒng)是由日本民航局為民用航空應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的對(duì)GPS進(jìn)行區(qū)域性星基增強(qiáng)的系統(tǒng)。MSA

40、S系統(tǒng)原理與美國(guó)WAAS相似，并將與WAAS兼容。MSAS從1996年開(kāi)始實(shí)施，系統(tǒng)建成時(shí)將包括兩個(gè)空間轉(zhuǎn)發(fā)器（MTSAT-1和MTSAT-2衛(wèi)星），2個(gè)基準(zhǔn)站和2個(gè)主控站。覆蓋范圍為日本飛行服務(wù)區(qū)，也可以逐步擴(kuò)展到亞太地區(qū)。MTSAT是多功能傳送衛(wèi)星（Multi-functional Transport Satellite）的縮寫(xiě)，MTSAT將為空中飛機(jī)提供通信和導(dǎo)航服務(wù)，并可為亞太地區(qū)的機(jī)動(dòng)用戶(hù)發(fā)送氣象數(shù)據(jù)。按照MSAS計(jì)劃，1999年發(fā)第一顆MTSAT-1多功能衛(wèi)星，2000年進(jìn)入初始運(yùn)行階段，2004年發(fā)MTSAT-2，2005年進(jìn)入全面運(yùn)行階段。但是，1999年11月15日的第一顆M

41、TSAT發(fā)射失敗，預(yù)計(jì)2002年才能達(dá)到初始運(yùn)行階段。澳大利亞民航局的WASS計(jì)劃澳大利亞民航局計(jì)劃建設(shè)一個(gè)覆蓋澳大利亞、新西蘭國(guó)土和大洋州海域的WASS系統(tǒng)，建二個(gè)主控站和兩個(gè)導(dǎo)航岸沿作上行注入，十個(gè)基準(zhǔn)站（其中八個(gè)在澳大利亞，一個(gè)在新西蘭，一個(gè)在可可島?？臻g段利用INMARSAT的印度洋衛(wèi)星，將來(lái)使用澳大利亞自己的AUSAT衛(wèi)星。印度的WASS計(jì)劃印度計(jì)劃建八個(gè)監(jiān)測(cè)站，分兩步走：第一步19961999年，先做GPS衛(wèi)星完好性監(jiān)測(cè)，提高可用性；第二步19982000年提高精度滿(mǎn)足1類(lèi)精密進(jìn)場(chǎng)著陸，空中利用INMARSAT-3衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文。歐洲EGNOS計(jì)劃0.78m（經(jīng)度）。中國(guó)廣域增強(qiáng)

42、系統(tǒng)利用我國(guó)雙星系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)是我國(guó)計(jì)劃研制和建設(shè)的廣域差分GPS系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)（一期工程）由空間和地面兩部分組成?？臻g部分包括GPS衛(wèi)星和“北斗一號(hào)”衛(wèi)星，地面部分除利用“北斗一號(hào)”地面應(yīng)用系統(tǒng)中心控制系統(tǒng)以外，由中心站、參考站和用戶(hù)機(jī)三個(gè)分系統(tǒng)組成，其中用戶(hù)機(jī)含各型廣域差分信息接收機(jī)和廣域差分GPS接收機(jī)。衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)(一期工程)的基本工作原理為：分布在覆蓋區(qū)域內(nèi)的參考站監(jiān)測(cè)全部可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)“北斗一號(hào)”衛(wèi)星和地面中心控制系統(tǒng)發(fā)送到中心站分系統(tǒng)，中心站分系統(tǒng)用所收集到的數(shù)據(jù)計(jì)算GPS差分改正數(shù)和完好性信息。差分改正數(shù)包括衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星星歷、電離層延遲

43、改正數(shù)。完好性信息包括“不要用”、“未被監(jiān)測(cè)”和GPS偽距誤差以及差分改正數(shù)的誤差。差分改正數(shù)和完好性信息通過(guò)“北斗一號(hào)”地面中心控制系統(tǒng)和衛(wèi)星用S波段發(fā)播，衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)廣域差分GPS接收機(jī)(或廣域差分信息接收機(jī)與GPS接收機(jī))接收差分改正數(shù)、完好性信息和GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理得到精確的用戶(hù)位置和導(dǎo)航參數(shù)，同時(shí)獲得GPS系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的完好性狀況信息。衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)（一期工程）建成后，將為軍、民用戶(hù)提供全天候（一天24小時(shí)不間斷）、大范圍（覆蓋我國(guó)大陸及周邊一定范圍）、高精度（東部5米、西部10米）的導(dǎo)航定位服務(wù)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，并將產(chǎn)生巨大的軍事、政治和經(jīng)濟(jì)效益。3

44、.2 GPS導(dǎo)航電文與衛(wèi)星信號(hào)3.2.1 導(dǎo)航電文1、導(dǎo)航電文格式導(dǎo)航電文是用戶(hù)用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它包含該衛(wèi)星的星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延改正、大氣折射改正以及由C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息，也是由衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)出來(lái)的數(shù)據(jù)碼D(t)。這些信息以50bit/s的數(shù)據(jù)流調(diào)制在載頻上，數(shù)據(jù)采用不歸零制（NRZ）的二進(jìn)制碼。導(dǎo)航電文的格式是：主幀、子幀、字碼和頁(yè)碼（圖3.7）。每主幀電文長(zhǎng)度為1500bit，播送速率為50bit/s，所以發(fā)播一幀電文需要30s時(shí)間。圖3.7 導(dǎo)航電文的格式每幀導(dǎo)航電文包括5個(gè)子幀，每子幀長(zhǎng)6s，共含300bit。第1、2、3子幀各有10個(gè)字碼，每個(gè)字碼

45、為30bit，這3個(gè)子幀的內(nèi)容每30s重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。第4、5子幀各有25頁(yè)，共有15000bit。一幀完整的電文共有37500bit，要750smin。其內(nèi)容僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才更新。2、導(dǎo)航電文內(nèi)容導(dǎo)航電文的內(nèi)容包括遙測(cè)碼（TLW）、轉(zhuǎn)換碼（HOW）、第一數(shù)據(jù)塊、第二數(shù)據(jù)塊和第三數(shù)據(jù)塊等5部分。（1）遙測(cè)碼（TLM）每個(gè)子幀的第一個(gè)字碼都是遙測(cè)碼，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)。其中所含的同步信號(hào)為各子幀提供了一個(gè)同步起點(diǎn)，使用戶(hù)便于解釋電文數(shù)據(jù)。具體碼位如下：第18bit為同步碼（10001001），第922bit為遙測(cè)電文，包括地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)信息、診斷信息和其它

46、信息，以此指示用戶(hù)是否選用該衛(wèi)星。第23、24bit無(wú)意義，第2530bit為奇偶檢驗(yàn)碼。（2）轉(zhuǎn)換碼（HOW）每個(gè)子幀的第二個(gè)字碼是轉(zhuǎn)換碼，它的主要作用是幫助用戶(hù)從捕獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到P碼的捕獲。第117bit表示Z計(jì)數(shù)，它表示從每星期六/星期日午夜零時(shí)起算的對(duì)P碼中PN1(t)（周期）的累計(jì)數(shù)，量程為0403200。知道Z計(jì)數(shù)，就知道觀測(cè)時(shí)刻P碼在周期中的準(zhǔn)確位置，以此較快地捕獲P碼。第18bit表明衛(wèi)星注入電文后是否發(fā)生滾動(dòng)動(dòng)量矩缺載現(xiàn)象。第19bit用于指示數(shù)據(jù)幀的時(shí)間是否與PN1(t)鐘信號(hào)同步。第2022bit是子幀識(shí)別標(biāo)志。第23、24bit無(wú)意義。第2530bit為奇偶檢驗(yàn)碼。

47、（3）第一數(shù)據(jù)塊第一子幀的第310個(gè)字碼為第一數(shù)據(jù)塊。它的主要內(nèi)容是：（1）標(biāo)識(shí)碼，指明載波L2的調(diào)制波類(lèi)型、星期序號(hào)、衛(wèi)星的健康狀況等；（2）數(shù)據(jù)齡期；（3）衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)。（4）第二數(shù)據(jù)塊第二和第三子幀共同構(gòu)成第二數(shù)據(jù)塊，它表示GPS衛(wèi)星的星歷，這是GPS定位中最有用的電文，包括：開(kāi)普勒6參數(shù)，即衛(wèi)星軌道長(zhǎng)半軸的平方根、衛(wèi)星軌道偏心率e、參考時(shí)刻toc的軌道傾角io、參考時(shí)刻toc的升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地角距、參考時(shí)刻toc的平近點(diǎn)角M0。軌道攝動(dòng)9參數(shù)，即衛(wèi)星平均運(yùn)動(dòng)角速度與計(jì)算值之差n（也稱(chēng)平近點(diǎn)角速度的改正數(shù)）、升交點(diǎn)赤經(jīng)的變化率、軌道傾角的變化率i、升交點(diǎn)距的正弦和余弦攝動(dòng)改正項(xiàng)之系數(shù)

48、Cus，Cuc、軌道傾角的正弦和余弦攝動(dòng)改正項(xiàng)i系數(shù)Cis，Cic、軌道半軸的正弦和余弦攝動(dòng)改正項(xiàng)之系數(shù)Crs，Crc。時(shí)間2參數(shù)，即從星期日子夜零時(shí)開(kāi)始的星歷參考時(shí)刻toe、星歷表的數(shù)據(jù)齡期AODE(又稱(chēng)IODE)。其中AODE=toe-tL式中，tL為預(yù)報(bào)星歷測(cè)量的最后觀測(cè)時(shí)間，故AODE(IODE)為預(yù)報(bào)星歷的外推時(shí)間間隔。（5）第三數(shù)據(jù)塊第三數(shù)據(jù)塊是由第4和第5兩個(gè)子幀構(gòu)成的，它提供GPS衛(wèi)星的歷書(shū)數(shù)據(jù)。當(dāng)接收機(jī)捕獲到某顆衛(wèi)星后，利用第三數(shù)據(jù)塊提供其它衛(wèi)星的概略星歷、時(shí)鐘改正、碼分地址和衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。用戶(hù)不僅能選擇工作正常和位置適當(dāng)?shù)男l(wèi)星，而且還可根據(jù)所在的位置，選擇最佳星座，依

49、據(jù)已知的衛(wèi)星PRN號(hào)進(jìn)行設(shè)置，以快速捕獲和定位。1）第四子幀第2、3、4、5、7、8、9、10頁(yè)面提供第2532顆衛(wèi)星的歷書(shū)；第18頁(yè)面給出大氣時(shí)延改正模型03， 03和UTC數(shù)據(jù)；第25頁(yè)面給出32顆衛(wèi)星反電子欺騙特征符（AS關(guān)閉或接通）和衛(wèi)星型號(hào)，以及第2532顆衛(wèi)星的健康狀況；第17頁(yè)面提供專(zhuān)用電文；第1、6、11、12、16、19、20、21、22、23、24頁(yè)面作為備用；第13、14、15頁(yè)面為空頁(yè)。2）第五子幀第124頁(yè)面提供124顆衛(wèi)星的歷書(shū)；第25頁(yè)面給出第124顆衛(wèi)星的健康狀況和星期編號(hào)。當(dāng)指示衛(wèi)星健康狀況的6bit為000000時(shí)，表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)良好，當(dāng)表示成其他形式時(shí)，說(shuō)明

50、信號(hào)有一處或者幾處故障；在第三數(shù)據(jù)塊中，也有一些意義相同的字碼。例如，第四和第五子幀的每個(gè)頁(yè)面的第3個(gè)字碼，其開(kāi)始的8bit是識(shí)別字符，且分成兩種形式：（1）第1和第2bit為電文識(shí)別（DATA ID），當(dāng)DATA ID為“00”時(shí)，它是GPS試驗(yàn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)格式，當(dāng)DATA ID為“01”時(shí)，它是GPS工作衛(wèi)星的數(shù)據(jù)格式；（2）第38bit為衛(wèi)星識(shí)別（SV ID），對(duì)于含有歷書(shū)數(shù)據(jù)的各個(gè)頁(yè)面，SV ID的編號(hào)對(duì)應(yīng)于該顆GPS衛(wèi)星的偽噪聲碼之相位偏差系數(shù)，對(duì)于其它各個(gè)頁(yè)面，SV ID相當(dāng)于頁(yè)面識(shí)別符。3.2.2 GPS衛(wèi)星信號(hào)GPS定位的基本觀測(cè)量，是觀測(cè)站（用戶(hù)接收天線）至GPS衛(wèi)星（信號(hào)發(fā)射

51、天線）的距離（或稱(chēng)信號(hào)傳播路徑），它是通過(guò)測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)在該路徑上的傳播時(shí)間（時(shí)間延遲），或測(cè)定衛(wèi)星載波信號(hào)相位在該路徑上變化的周數(shù)（相位延遲）來(lái)導(dǎo)出的。GPS衛(wèi)星所發(fā)播的信號(hào)（圖3.8），包括： 載波 P碼（或Y碼） 測(cè)距碼 C/A碼 數(shù)據(jù)碼（或稱(chēng)D碼）圖3.8 GPS衛(wèi)星信號(hào)GPS衛(wèi)星信號(hào)采用偽隨機(jī)噪聲碼（Pseudo Random Noice， PRN，偽隨機(jī)碼或偽碼），與隨機(jī)碼（即碼元幅度的取值是完全無(wú)規(guī)律的碼序列，它是一種非周期序列，無(wú)法復(fù)制）相比，具有如下特點(diǎn)：具有隨機(jī)碼的良好自相關(guān)性具有某種確定的編碼規(guī)則可以容易地復(fù)制偽隨機(jī)碼是由一個(gè)稱(chēng)為“多極反饋移位寄存器”的裝置產(chǎn)生的。它由一組

52、連接在一起的存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元只有0或1兩種狀態(tài)，移位寄存器是在鐘脈沖和置“1”脈沖的控制下工作的。例如，移位寄存器是由4個(gè)存儲(chǔ)單元組成的4極反饋移位寄存器，當(dāng)鐘脈沖加到該移位寄存器之后，每個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，都順序地由上一單元移到下一單元，而最后一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容便輸出。與此同時(shí)，將其中某幾個(gè)單元，如3和4單元的內(nèi)容進(jìn)行模二相加，反饋給第一個(gè)存儲(chǔ)單元。圖3.9 4極反饋移位寄存器示意圖表3.7 4極反饋移位寄存器狀態(tài)序列狀態(tài)編號(hào)各級(jí)狀態(tài)模二加反饋+末級(jí)輸出的二進(jìn)制數(shù)11 1 1 10121 1 1 00131 1 0 00141 0 0 01150 0 0 10060 0 1 0007

53、0 1 0 01081 0 0 11190 0 1 100100 1 1 010111 1 0 101121 0 1 011130 1 0 110141 0 1 111150 1 1 110在4極反饋移位寄存器經(jīng)歷上述15種可能狀態(tài)之后，再重復(fù)全“1”狀態(tài)，從而完成一個(gè)最大周期。從第四級(jí)存儲(chǔ)單元也輸出了一個(gè)最大周期為15tu的二進(jìn)制序列，其中，tu為兩個(gè)鐘脈沖的時(shí)間間隔。這種周期最大的二進(jìn)制數(shù)序列，通常稱(chēng)為m序列。一般情況下，對(duì)于一個(gè)r級(jí)反饋移位寄存器，將會(huì)產(chǎn)生更為復(fù)雜的周期性m序列。這時(shí)，移位寄存器可能經(jīng)歷的狀態(tài)有：Nu = 2r-1在m序列的每一周期中，最多可能包含Nu個(gè)碼元，其寬度等于鐘

54、脈沖的時(shí)間間隔，因而m序列的最大周期為：Tu = （2r-1）tu = Nu tu在一個(gè)m序列周期中，狀態(tài)為“1”的個(gè)數(shù)，總比為“0”的個(gè)數(shù)多1，所以當(dāng)兩個(gè)周期相同的m序列，相應(yīng)的碼元完全對(duì)齊時(shí)，其自相關(guān)系統(tǒng)R（t）=1，而在其它情況下則為 R（t）= - = -隨著r增大，R（t）將很快趨近于0。所以，偽隨機(jī)碼既具有與隨機(jī)碼相類(lèi)似的良好自相關(guān)性，又是一種結(jié)構(gòu)確定，可以復(fù)制的周期性序列。這樣，用戶(hù)接收機(jī)便可容易地復(fù)制衛(wèi)星所發(fā)射的偽隨機(jī)碼，以便通過(guò)接收碼與復(fù)制碼的比較，來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)定其間的時(shí)間延遲。1、GPS信號(hào)載波已運(yùn)行的GPS衛(wèi)星系列采用兩類(lèi)波長(zhǎng)(L1，L2)的電磁波作為信號(hào)的載波。載波L1，

55、L2都是在同一基本頻率f0=10.23 MHz的控制下產(chǎn)生，即：L1載波，頻率f1=154*f0=1575.42 MHz，波長(zhǎng)1L2載波，頻率f2=120*f0=1227.60 MHz，波長(zhǎng)2作為電磁波，L1，L2載波在傳輸過(guò)程中將受到大氣層的折射影響。對(duì)流層中大氣基本為中性，載波傳輸主要受到對(duì)流層的水氣、塵埃等的影響。電離層內(nèi)的大氣分子由于太陽(yáng)與其它天體的各種射線作用，大部分發(fā)生電離，載波傳輸受到電子較強(qiáng)的折射作用。大氣折射作用將改變電磁波傳輸?shù)乃俣?、方向等。衛(wèi)星信號(hào)在衛(wèi)星與地面接收機(jī)之間的傳輸時(shí)間小于秒，因此光速值微小的差異都會(huì)引起不可忽略的測(cè)距誤差。實(shí)際GPS測(cè)量工作中，需進(jìn)行對(duì)流層和電

56、離層折射改正。對(duì)流層折射誤差的產(chǎn)生主要與大氣壓力、絕對(duì)溫度、水氣壓的影響有關(guān)。因此，實(shí)測(cè)中應(yīng)掌握測(cè)站周?chē)臍庀筚Y料，盡量選擇良好的大氣條件施測(cè)，此外還可以通過(guò)鄰近點(diǎn)同步觀測(cè)來(lái)消除大氣折射的影響。電離層中的電磁波折射主要為散射形式。散射強(qiáng)度與電磁波波長(zhǎng)與傳輸路徑上的電子總數(shù)有關(guān)。為了削弱電離層對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響，可以建立電離層模型來(lái)近似計(jì)算改正量。由于建立電離層產(chǎn)生的傳播路徑誤差與電磁波頻率平方成反比，因此目前GPS精密定位多采用雙頻(f1，f2)觀測(cè)技術(shù)，利用誤差的系統(tǒng)性，達(dá)到降低誤差的目的。2、GPS測(cè)距碼C/A碼C/A碼是由兩個(gè)10級(jí)反饋移位寄存器相組合而產(chǎn)生的，其構(gòu)成示意圖見(jiàn)圖3.10。圖

57、3.10 C/A碼的產(chǎn)生示意圖碼長(zhǎng)Nu = 210-1=1023比特碼元寬tu = 1/f1s()周期Tu = Nu tu = 1ms數(shù)碼率=C/A碼的碼長(zhǎng)易于捕獲，且通過(guò)C/A碼提供的信息，又可方便的捕獲P碼。C/A碼的碼元寬度較大。假設(shè)兩個(gè)序列的碼元對(duì)齊誤差，為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的測(cè)距誤差達(dá)2.9m，以因此也稱(chēng)粗碼。P碼GPS衛(wèi)星發(fā)射的P碼，其產(chǎn)生的基本原理與C/A碼相似，但其發(fā)生電路，是采用兩種各由兩個(gè)12級(jí)反饋移位寄存器構(gòu)成的，情況更為復(fù)雜。線路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)均是保密的。P碼特征：碼長(zhǎng)Nu 2.35*1014比特碼元寬度tu 0.0977752s()周期Tu = Nu tu 267

58、數(shù)碼率=P碼周期被分為38部分（7天/每一部分周期，碼長(zhǎng)約為6.19*1012比特），其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同的衛(wèi)星。這樣，每顆衛(wèi)星所使用的P碼不同部分，便都具有相同的碼長(zhǎng)和周期，但結(jié)構(gòu)不同。P碼的碼長(zhǎng)較長(zhǎng)，無(wú)法采用C/A碼逐個(gè)進(jìn)行搜索。一般都是先捕獲C/A碼，然后根據(jù)導(dǎo)航電文中給出的有關(guān)信息，捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元的對(duì)齊精度仍為碼元寬度的1/100，則由此引起的相應(yīng)距離誤差為，僅為C/A碼的1/10。所以P碼定位精度高，故也稱(chēng)為精碼。3.3 GPS衛(wèi)星定位原理3.3.1 偽距測(cè)量利用GPS進(jìn)行定位的方法很多，有絕對(duì)定位（單

59、點(diǎn)定位）和相對(duì)定位，靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位等。概括來(lái)說(shuō)，主要有偽距法、多普勒法、干涉測(cè)量法和載波相位測(cè)量法等。后兩種方法可以獲取非常精確的結(jié)果，但干涉法測(cè)量費(fèi)用太高，難以推廣應(yīng)用。這里主要介紹偽距法定位和載波相位測(cè)量法。所謂的偽距，是指衛(wèi)星信號(hào)并不是在真空中傳播，它含有大氣傳播延遲誤差，通過(guò)這種衛(wèi)星信號(hào)測(cè)出的距離稱(chēng)為偽距。偽距法定位是利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位的最基本方法。其原理是：在某一瞬時(shí)利用GPS接收機(jī)測(cè)定至少四顆衛(wèi)星的偽距，采用距離交會(huì)法即可求得接收機(jī)的三維坐標(biāo)和衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)。偽距法測(cè)量定位的原理主要如下。設(shè)：為衛(wèi)星至測(cè)站的真正距離為衛(wèi)星至測(cè)站的偽距（xi，yi，zi）為第i顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)

60、（Xj，Yj，Zj）為第j個(gè)測(cè)站的位置坐標(biāo)Tj 為第j個(gè)測(cè)站根據(jù)接收機(jī)時(shí)鐘所獲得的時(shí)間ti 為第i個(gè)衛(wèi)星根據(jù)衛(wèi)星鐘所獲得的時(shí)間為GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間顯然，Tj和ti皆為的函數(shù)，即Tj=Tj（），ti=ti（）。測(cè)得衛(wèi)星信號(hào)（電磁波）傳播的時(shí)間，即可得知傳播路徑的距離。因此，偽距測(cè)量實(shí)際上是測(cè)定時(shí)間差，即(4-1)或(4-2)式中，為衛(wèi)星i至測(cè)站j的偽距，c為真空光速，是衛(wèi)星鐘的讀數(shù)為ti這一瞬間的GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則為衛(wèi)星鐘的時(shí)鐘改正數(shù)。同樣，為接收機(jī)時(shí)鐘的改正數(shù)。是沒(méi)有誤差的時(shí)鐘所測(cè)定的信號(hào)自衛(wèi)星到測(cè)站的實(shí)際傳播時(shí)間。設(shè)和分別表示大氣電離層和對(duì)流層的折射改正，則(4-3)因此偽距和真正距離之間的關(guān)系為