LIS2(5)物流信息系統(tǒng)中的GPS技術課件

2.5全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要內容計算機通訊及網絡技術數據庫技術EDI技術條形碼技術全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)射頻技術MRP與DRP技術（另講）自動化倉庫系統(tǒng)（另講）CRM-客戶關系管理2.5全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要內容12.5全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)2.5.1GPS的功用與特點2.5.2GPS的應用2.5.3GPS的系統(tǒng)組成與工作頻率2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2.5.6GPS定位誤差2.5.7GPS用戶設備2.5.8差分GPS系統(tǒng)2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS2.5全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)2.5.1GPS的功用與特點2

2.5.1GPS的功用與特點衛(wèi)星導航是利用人造地球衛(wèi)星來進行導航,相當于把導航臺搬到天上。導航星全球定位系統(tǒng)（NavstarGlobalPositioningSystem），簡稱GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)可在全球范圍內，全天候為海上、陸上、空中、空間的用戶連續(xù)地提供高精度的位置、速度和時間信息，并且有良好的抗干擾和保密性能，對導航定位、大地測量，以及精密授時等均具有重要意義。2.5.1GPS的功用與特點3GPS系統(tǒng)有21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌的備用衛(wèi)星，它們平均配置在六個軌道上。衛(wèi)星發(fā)射用偽隨機碼（偽碼）調制的兩種頻率；L1＝1575.42MHZ,L2＝1227.6MHZ。用戶設備用測量到幾顆衛(wèi)星的距離的方法，來確定觀察點的位置。GPS系統(tǒng)能連續(xù)提供三維位置（經度、緯度、高度）、三維速度和時間，實現(xiàn)近乎實時的導航定位。雙頻發(fā)射是為了供用戶設備消除電離層對傳播的影響。

2.5.1GPS的功用與特點GPS系統(tǒng)有21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌的備用衛(wèi)星，它們平4偽碼有P碼、C／A碼、Y碼三種。P碼信號，定位精度高，保密性好，僅供美軍和特許用戶使用，實時定位精度優(yōu)于16米，測速精度優(yōu)于0.l米／秒，授時精度優(yōu)于0.1微秒。C／A碼信號供一般用戶使用，定位精度可達20～40米。

2.5.1GPS的功用與特點偽碼有P碼、C／A碼、Y碼三種。2.5.1GPS5P碼的精度高，但編制P碼的方程式早已公開。美國計劃在必要時要實施A—S（Anti－spoofing反電子欺騙）政策，將P碼加密編譯成Y碼，Y碼的編制方程式嚴格保密。Y碼用于有潛在威脅的軍事環(huán)境中。如敵方播發(fā)一種精度降低的假P碼信號，企圖欺騙GPS用戶設備錯誤的跟蹤它，裝有選擇Y碼用的附加輸出芯片的P碼接收機，不接受這種假信號，有效地防止電子欺騙。A—S可以接通或關閉。民間使用上為了能獲得更好的定位精度，已經相繼采取了一些措施。例如，C／A碼采用差分GPS技術，可以達到米級的定位精度；供測地用的采用無碼技術的用戶設備，可以達到厘米級的相對定位精度。

2.5.1GPS的功用與特點P碼的精度高，但編制P碼的方程式早已公開。美國計劃在必要時62.5.2GPS的應用一、海上應用—導航等二、陸地——定位、測距、車輛導航三、空中和空間應用（一）空中應用1、航路導航由于GPS具有全球覆蓋、全天候、高精度和動態(tài)適應能力。它可以直接用于飛機的航路導航。由于它不依靠地面導航臺，因而能適合于邊遠、荒漠、海上、極區(qū)等空域的飛行，并可實施直飛航線或隨機航線，增加飛行靈活性2.5.2GPS的應用一、海上應用—導航等72、進近著陸利用差分GPS能達到進近著陸的精度要求，因而能取代儀表著陸系統(tǒng)（ILS）和微波著陸系統(tǒng)（MLS）。3、機場的場面活動管理當飛機和場面活動的車輛都裝有GPS接收機和直接向塔臺報位的通信線路后，可以監(jiān)視和調動所有場面活動的飛機和車輛。4、自動相關監(jiān)視GPS接收機的定位數據可以為自動相關監(jiān)控提供每架飛機的位置報告給地面管制部門，在其顯示器上呈現(xiàn)和雷達監(jiān)視相當的空中交通活動圖像，以便實施管制。

2.5.2GPS的應用2、進近著陸2.5.2GPS的應用82.5.2GPS的應用（二）空間應用1、對導彈進行實時跟蹤和制導導彈裝上GPS接收設備，可以測出飛行彈道。此外，還可用于導彈的制導，使導彈（或炸彈）不僅可以低空攻擊目標，高空攻擊目標亦有很高的命中精度。2、確定空間運載體的軌道航天飛機、軌道衛(wèi)星等空間運載體上裝備GPS接收機，可以精確確定自身的軌道位置。2.5.2GPS的應用（二）空間應用92.5.3GPS的系統(tǒng)組成與工作頻率該系統(tǒng)由地面支持網、空中衛(wèi)星群和用戶設備三個子系統(tǒng)組成。

2.5.3GPS的系統(tǒng)組成與工作頻率該系統(tǒng)由地面支持網、101、地面支持網：監(jiān)控衛(wèi)星并根據測算結果向衛(wèi)星提供時間改正參數、衛(wèi)星星歷等資料。2、空中衛(wèi)星群：衛(wèi)星接收來自地面站的信息，并向用戶發(fā)射以C／A碼和P碼調制的、帶有時間信息和衛(wèi)星星歷等導航參數的1575．42MHz和1227．60MHz兩種載波頻率的信號。3、用戶設備：接收衛(wèi)星發(fā)射的時間信號和衛(wèi)星軌道信息，求得衛(wèi)星位置，利用時間信號和偽碼相關測量衛(wèi)星到測者的偽距，并由計算機解算用戶位置、速度等參數。2.5.3GPS的系統(tǒng)組成與工作頻率1、地面支持網：監(jiān)控衛(wèi)星并根據測算結果向衛(wèi)星提供時間改正參數112.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網GPS系統(tǒng)的地面支持網由五個監(jiān)測站、一個主控站和四個注入站組成。監(jiān)測站收集衛(wèi)星及當地氣象資料送給主控站。主控站根據這些資料計算衛(wèi)星軌道等導航信息，然后由注入站每隔8h向衛(wèi)星發(fā)送一次，更新衛(wèi)星資料，以便衛(wèi)星向用戶設備轉發(fā)導航信息。2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網GPS系統(tǒng)的地面支持網由122.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網圖2地面臺站設置2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網圖2地面臺站設置13一、監(jiān)測站監(jiān)測站（MS）有5個，分別設在太平洋的夏威夷、科羅拉多的斯普林斯、馬紹爾群島的夸賈林島、印度洋的迪戈加西亞島、南大西洋的阿森松島等。每個監(jiān)測站有一臺用戶接收機，若干臺環(huán)境數據傳感器，一架原子鐘和一臺計算機信息處理機.它的任務是對所有視見衛(wèi)星每1.5s測量一次距離數據；監(jiān)測導航信息；收集當地環(huán)境氣象數據；（通過環(huán)境傳感器收集當地的氣象數據，為了計算對流層校正數據）.監(jiān)測站的計算機控制所有數據的收集，并將得到的數據存貯，然后把這些數據送到主控站。2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網一、監(jiān)測站2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網14二、主控站主控站（MSC）設在美國科羅拉多州斯普林斯的聯(lián)合空間工作中心。它負責對系統(tǒng)控制部分的運轉實行全面的控制。具體任務是：提供GPS系統(tǒng)的時間基準；處理由各監(jiān)控站送來的數據；編制各衛(wèi)星的星歷；計算各衛(wèi)星鐘的偏差和電離層校正參數等，然后把不斷更新的導航信息送到注入站再轉發(fā)給衛(wèi)星。

監(jiān)測站每6秒鐘將其所測得的衛(wèi)星距離信息和氣象數據發(fā)送給主控站，主控站對測量結果中各種已知的偏差如電離層延時，對流層折射等進行修正；然后進行一次數據處理,得到衛(wèi)星位置、衛(wèi)星速度、衛(wèi)星的時鐘偏差等估值：然后按一定格式轉化為導航電文送入注入站2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網二、主控站2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網15三、注入站目前注入站有4個，分別位于美國的科得角，南大西洋的阿森松島，印度洋的迪戈加西亞島和太平洋的馬紹爾群島的夸賈林島。注入站為主控站和衛(wèi)星之間提供接口關系。它用1754MHz—1854MHz的頻率向衛(wèi)星注入有關數據。注入數據有用戶導航信息（包括時鐘校正參數、大氣校正參數）、衛(wèi)星星歷及全部歷書數據。

2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網三、注入站2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網162.5.5GPS系統(tǒng)工作原理GPS系統(tǒng)空中衛(wèi)星群由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。它們接收地面站發(fā)送來的星鐘修正參數、電離層校正參數等導航信息，為用戶提供精密和標準定位服務。

一、衛(wèi)星星座

GPS衛(wèi)星網為21顆衛(wèi)星星座布局，它包括24個衛(wèi)星位置，等間隔分布在6個軌道平面，軌道傾角為55度，兩個軌道在經度上相隔600。每一軌道面上有4顆衛(wèi)星。如圖3所示。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理GPS系統(tǒng)空中衛(wèi)17衛(wèi)星星座衛(wèi)星群空間結構2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理18

衛(wèi)星在高約20183km的近圓軌道上運行，周期約12h。每顆衛(wèi)星繞地球運行兩圈時，地球恰好繞其軸轉一周。這樣，每顆衛(wèi)星每一恒星日有1～2次通過地球上同一地點的上空。每一顆衛(wèi)星每天至少一次通過一個地面控制站的上空，因此控制站可全部設在美國國內。同時，地球上任一地方用戶任一時刻至少可看到仰角5度以上的4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星姿態(tài)采用三軸穩(wěn)定方式，保證衛(wèi)星上天線的輻射口總是對準地面。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理衛(wèi)星在高約20183km的近圓軌道上運行，周期約12h。每192.5.5GPS系統(tǒng)工作原理二、衛(wèi)星提供的導航信息1、衛(wèi)星工作方式衛(wèi)星中裝有接收機、發(fā)射機、高精度的振蕩器、導航電文存貯器。接收機接收地面站發(fā)送的導航信息，它包括衛(wèi)星星歷、歷書（衛(wèi)星的概略坐標）、衛(wèi)星時鐘和電離層校正參數等，同時還接收地面站發(fā)送的控制指令。衛(wèi)星上時鐘的標準頻率f0=10.23MHZ，它是衛(wèi)星上各種頻率的同步信號。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理二、衛(wèi)星提供的導航信息20P碼的碼頻率等于f0，C／A碼的碼頻率為f0/10，載波頻率f1=154f0,f2=120f0.2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理P碼的碼頻率等于f0，C／A碼的碼頻率為f0/10，載21載波L1用P碼、C／A碼和導航數據信息進行相位調制。載波L2只用P碼和導航數據信息調制.C／A碼是一種偽隨機噪聲碼序列，其頻率為1.023MHz，周期1ms。它是一種短碼，易于捕獲。不同的衛(wèi)星分配了不同結構的C/A碼。P碼也是一種偽隨機噪聲碼序列。其頻率為10.23MHz，周期約267天。實際上使用的P碼周期為7天。不同結構的P碼分配給不同的衛(wèi)星，在一星期內，各衛(wèi)星的P碼不重復。P碼是一種長期的精確碼，它難以捕獲。通常先捕獲C／A碼，然后使用導航電文中含有的交接碼轉到P碼。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理載波L1用P碼、C／A碼和導航數據信息進行相位調制。載波L2222、衛(wèi)星導航電文導航電文是衛(wèi)星提供給用戶的信息，它包括衛(wèi)星狀態(tài)、衛(wèi)星星歷、電離層修正參數和衛(wèi)星鐘偏差校正參數以及時間等內容。圖6是導航電文結構示意圖。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2、衛(wèi)星導航電文2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理23(一)導航電文及其格式導航電文是二進制文件，它是按一定格式組成數據幀，按幀向外播送。每幀導航電文由5個子幀組成。第1、2、3幀播放該衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘修正參數，其內容每小時更新一次。第4、5幀播放所有空中GPS衛(wèi)星的歷書（衛(wèi)星的概略坐標），完整的歷書占25幀。每個子幀含有10個字，每個字占30bit.2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理(一)導航電文及其格式2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理24(二)導航電文內容導航電文中各子幀的格式見下圖2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理(二)導航電文內容2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理251.TEL：遙測碼每個子幀的第一個字碼為遙測字（TEL）它指明衛(wèi)星注入數據的狀態(tài)，由星載設備產生，遙測字開頭8個碼位作捕獲導航數據的前導；隨后14個bit是遙測電文，內容包括地面注入數據的狀態(tài)，診斷信息等，指導用戶是否選用該衛(wèi)星。2.HOW:轉換碼每個子幀的第二個字碼為轉換碼.它可以輔助用戶從捕獲的C/A碼轉換到捕獲P碼.3.導航信息:每個子幀中的后8個字導航信息或專用電文,由地面控制站注入給衛(wèi)星。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理1.TEL：遙測碼2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理26衛(wèi)星發(fā)送出的信號有：

1、L1和L2兩種載波；2、C／A碼和P碼兩種偽隨機碼；3、導航電文（包括時間信號、衛(wèi)星軌道資料、電波傳播修正參數和衛(wèi)星鐘校正參數、歷書）。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理衛(wèi)星發(fā)送出的信號有：2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理272.5.5GPS系統(tǒng)工作原理GPS基本工作原理GPS接收機接收來自衛(wèi)星的導航信息，利用星歷資料計算衛(wèi)星位置;利用偽隨機碼或載波相位測量測者到衛(wèi)星的距離，最后解算導航方程求測者位置的經緯度。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理GPS基本工作原理282.5.5GPS系統(tǒng)工作原理一、測時間差求距離GPS中，測量者到衛(wèi)星的距離是通過測電波從衛(wèi)星發(fā)射到被用戶接收機接收的時間間隔來確定的，即根據衛(wèi)星信號傳播時間與電波傳播速度的乘積來求得。而衛(wèi)星信號傳播時間通過測量衛(wèi)星信號的C／A碼或P碼與用戶接收機內產生的同類碼相關所需要的相移來求得。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理一、測時間差求距離291、偽碼測距原理

如圖8所示，上一行是接收到的衛(wèi)星偽碼信號，下一行是接收機產生的偽碼信號，它的格式與衛(wèi)星的偽碼相同，由接收到的衛(wèi)星偽碼信號相對于接收機產生的偽碼信號的延遲量，就可得衛(wèi)星與用戶接收機之間的距離。這種未經修正的距離稱為偽距。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理1、偽碼測距原理2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理302、偽碼測距方法如圖9所示，被接收、檢測和放大的偽隨機序列與接收機產生的偽碼序列通常是不同步的，本機的偽碼在時鐘的控制下逐步地移動，直到接收的和本機的偽碼信號同步，則相關器輸出控制信號停止本機偽碼的移動，并將測得的時間信息提供給計算機。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2、偽碼測距方法2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理31

圖10示出了相關接收的一個例子，第2行是接收來自衛(wèi)星的10個碼元信號，第3行是本機產生的偽碼序列的10個碼元。當接收的偽碼信號與本機偽碼信號不同步時，在時鐘控制下，本機偽碼序列右移，直到第4行所示狀態(tài)，即同步，此時相關器輸出高電平停止本機偽碼的移動。測得的時間差是5個碼元持續(xù)時間，每個碼元為1s，共5s。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理圖10示出了相關接收的一個例子，第2行是接收來自衛(wèi)星的1032二、衛(wèi)星定位算法

1、導航方程自相關測量衛(wèi)星發(fā)送的偽碼和本機產生的偽碼間差值而得到的距離，并不是測者到衛(wèi)星的真實距離，許多因素使它帶有不同性質的誤差，影響較大的有衛(wèi)星鐘差、用戶鐘差、電波傳播誤差等。這些誤差嚴重地影響衛(wèi)星的定位精度，必須盡可能予以修正。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理二、衛(wèi)星定位算法2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理33（1）GPS時間系統(tǒng)原子時是以銫原子133基態(tài)兩個超精細能級間躍遷所輻射的電波振蕩周期為基礎的時間系統(tǒng)。起始歷元為1958年1月1日0點。原子時穩(wěn)定、均勻、至今未見變化。協(xié)調世界時UTC是以原子秒為單位，GPS時是一種連續(xù)的、高精度的、均勻的時間系統(tǒng)，它以原子秒為單位，時間間隔為一周即604880s）。它開始和結束在每周星期六和星期日之間的子夜零點時刻。GPS時起點1980年1月6日UTC的零點。它常用自起點以后的周數、日數、GPS秒來表示時間。GPS時間計量是通過Z計數（從每個星期日的零時開始計數，）進行的，利用Z計數器可以較快地捕獲P碼。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理（1）GPS時間系統(tǒng)2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理34（2）鐘差GPS時間是整個系統(tǒng)的時間標準。它在導航電文的交換字中每6s向用戶發(fā)送一次。由于1ns即s的誤差將導致距離誤差0．3m，所以整個系統(tǒng)要求嚴格與主控站的原子鐘同步。通常衛(wèi)星鐘和用戶鐘都有誤差。衛(wèi)星鐘差可根據導航電文確定。用戶鐘差可在導航解算過程中獲得。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理（2）鐘差2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理35(3)電波傳播誤差該誤差主要由電離層和對流層對電波的影響造成的。a．電離層的影響地球上方50km到1000km區(qū)域的大氣層，由于受太陽紫外線等影響而電離成自由電子和離子，形成密度隨晝夜、季節(jié)、地磁緯度及太陽活動情況變化的電離層。當電波穿越該區(qū)域時，將受到非線性傳播性能的影響。衛(wèi)星導航電文中，子幀1和子幀5提供了一些參數供校正電離層附加延時用，還有利用偽碼和相位測量、不同測量值線性組合，差分方法等來消除電離層的影響。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理(3)電波傳播誤差2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理36b．對流層影響電波經過對流層時，受氣溫、氣壓、濕度、仰角等因素影響也會產生傳播附加延遲。在標準情況下，衛(wèi)星位于天頂時，其誤差約2.3m，衛(wèi)星仰角為10度時，其誤差可達20m。由于對流層造成的誤差與衛(wèi)星仰角有關，低仰角時電波通過對流層的路徑長，誤差大，所以實際應用中應選擇仰角大于50的衛(wèi)星

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理b．對流層影響2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理37（4）測距方程圖12示出了衛(wèi)星距離測量中影響測距精確的因素。偽距測量值是用測得的衛(wèi)星發(fā)射的信號和用戶接收機收到信號的時間差t與電波速度C來描述的，可寫為下列表達式：2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理（4）測距方程2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理38Ri=Ri+ctAi+c(tu-tui)式中：Ri——偽距；Ri——真實距離；c——電磁波傳播速度；tui——衛(wèi)星鐘差；tu——用戶鐘差；tAi——傳播延遲和其它誤差。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理Ri=Ri+ctAi+c(tu-tui)2.5.539經修正衛(wèi)星鐘差、電離層和對流層等系統(tǒng)誤差后，剩余誤差作為隨機誤差:Rp=R+T+V（2）式中：Rp—測量的距離R——測者到衛(wèi)星的實際距離T—用戶鐘差對應的距離偏差V——隨機誤差則式（2）即為測距導航方程。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理經修正衛(wèi)星鐘差、電離層和對流層等系統(tǒng)誤差后，剩余誤差作為隨機402、GPS定位算法GPS衛(wèi)星定位算法很多，依據求解的未知數維數不同，有二維、三維等定位法。依據計算方法不同，有解方程組法、最優(yōu)估計法等。定位類型還有定點、動點定位之分，差分方法和非差分法之分。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2、GPS定位算法2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理412.5.6GPS定位誤差GPS定位誤差主要來源于偽距誤差、衛(wèi)星與測者間相對幾何位置的幾何精度因子GDOP（GeometricDilutionofPrecision），以及使用不同測地坐標系而產生的誤差。位置誤差與偽距誤差成正比，與測者和衛(wèi)星之間的位置關系有關。這種關系通常用幾何精度因子GDOP來描述。2.5.6GPS定位誤差42一、幾何精度因子GDOP

GDOP有下述特性：（1）它是選定4顆衛(wèi)星與測者之間幾何關系造成的位置誤差的放大倍數。當GDOP大一倍時，位置誤差也將大一倍。（2）GDOP只與衛(wèi)星和測者的相對位置有關，與所選坐標無關。（3）GDOP是星座設計的一個判據，即衛(wèi)星安置的位置應能使地面測者獲得好的GDOP值。（4）定位時，選星原則就是使GDOP盡可能小，以提高定位精度。

2.5.6GPS定位誤差一、幾何精度因子GDOP2.5.6GPS定位誤差43為了取得精確的定位效果，選星時總是使GDOP盡可能減小，導航儀通常采用以下方法來選星。

（1）最佳GDOP法。即從仰角5度以上的星中取4顆的全部組合，分別計算GDOP值，取GDOP最小的一組星座進行定位。此法選擇的星座最佳，但計算量大。

（2）次優(yōu)GDOP。從能收到的衛(wèi)星中先選出三顆，它們的斜距具有最大的垂直分量、北向分量和東向分量，然后再選一顆衛(wèi)星使GDOP最小。

（3）端四面體法。以測者為中心作單位球，以四顆星在球面的投影點為頂點組成一四面體。當該四面體體積最大時，這四顆衛(wèi)星的GDOP最小，參閱圖14。2.5.6GPS定位誤差為了取得精確的定位效果，選星時總是使GDOP盡可能減小，導航44二、偽距測量誤差GPS系統(tǒng)中，因測量帶來的誤差，可以全部等效為偽距測量時帶來的距離誤差，稱為用戶等效測距誤差。它主要來自衛(wèi)星部分，傳播途徑和用戶設備等造成的誤差。2.5.6GPS定位誤差二、偽距測量誤差2.5.6GPS定位誤差451、星歷和星鐘的誤差由星歷所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星的實際位置之差為星歷誤差。它主要取決于衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的質量，如監(jiān)測站的數量及分布；觀測值的精度；軌道計算時所用的模型及軟件等。同時還與星歷表的預報間隔有關。星鐘誤差主要取決于星上鐘的質量，衛(wèi)星上雖然使用高精度的原子鐘，但它仍存在誤差，其系統(tǒng)性誤差可由衛(wèi)星鐘校正參數加以修正，而隨機誤差，則難于完全校正。2.5.6GPS定位誤差1、星歷和星鐘的誤差2.5.6GPS定位誤差462、大氣層傳播延遲大氣層傳播延遲，包括電離層傳播延遲和對流層傳播延遲二部分。其誤差雖經校正，但仍殘存一部分。3、多路徑效應多路徑效應是指用戶設備接收到衛(wèi)星信號不僅有直達信號，還有經反射到達的信號，這些信號合成后，使信號特性變化，形成測量誤差。這種多路徑誤差，與用戶天線位置及其附近反射面自然特性有關。4、接收機噪聲和量化誤差用戶接收機的硬件和軟件處理信號所引起的噪聲，會在距離測量中對誤差產生影響。接收機測距可被量化。5、接收機通道間偏差多通道接收機進行測量時，由于各通道硬件路徑不同，會產生通道間偏差。2.5.6GPS定位誤差2、大氣層傳播延遲2.5.6GPS定位誤差472.5.7GPS用戶設備

1GPS用戶設備的組成

GPS用戶設備包括GPS接收機及其天線，并包括內部配套的或外部選裝的控制顯示設備。接收機和天線是用戶設備的核心部分。它的主要功能是接收GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號并進行處理、量測和數據輸。GPS用戶設備核心部分的主要組成如圖16所示。

2.5.7GPS用戶設備

1GPS用戶設備的組成48前置放大混頻濾波信號處理微處理器輸入輸出基準振蕩外部控制顯示組件外部系統(tǒng)天線圖16GPS用戶設備的核心部分2.5.7GPS用戶設備前置混頻信號微處輸入基準外部系統(tǒng)天線圖16GPS用戶設備49天

線——一般用微帶天線，它帶前置放大，采用低噪聲放大器；射頻部分——包括混頻和濾波，使其成為中頻輸出；信號處理——用于信號識別和跟蹤處理，在此測定偽距和時間，并進行解擴提取導航電文；微處理器——用于接收機的控制、數據采集和各種計算，包括選星計算、定位計算和監(jiān)測計算；輸入輸出——包括數據存貯和輸入輸出端口功能，供外部控制顯示組件和外部系統(tǒng)使用；基準振蕩器——用以產生標準頻率，供用戶接收機時鐘混頻，以及產生偽碼等用。2.5.7GPS用戶設備天線——一般用微帶天線，它帶前置放大，采用低噪聲放大502用戶接收機的類型GPS接收機可有多種不同的分類，現(xiàn)將其主要分類加以介紹。一、根據接收機的工作原理分類——碼相關型接收機；——相位型接收機；——混合型接收機。2.5.7GPS用戶設備2用戶接收機的類型2.5.7GPS用戶設備51碼相關型接收機：能夠產生與所測衛(wèi)星的測距碼結構完全相同的復制碼。工作中通過逐步相移，使接收碼與復制碼達到最大相關，以測定衛(wèi)星信號到達用戶接收機天線的傳播時間。碼相關型接收機可利用C/A碼也可以利用P碼，其工作的基本條件是必須掌握測距碼的結構。所以這種接收機也稱為有碼接收機。載波相位型接收機：是利用載波信號的平方技術去掉調制碼，從而獲得載波相位測量所必需的載波信號。這種接收機只利用衛(wèi)星的信號無需解碼，因而不必掌握測距碼的結構，所以也稱為無碼接收機。所謂混合型接收機，是綜合利用了相關技術和相位技術的優(yōu)點，它可以同時獲得碼偽距和精密的相位觀測量。2.5.7GPS用戶設備碼相關型接收機：能夠產生與所測衛(wèi)星的測距碼結構完全相同的復制52二、根據接收信號通道的類型分類——平行通道接收機；——序貫通道接收機；____多路復用通道接收機。在導航和定位工作中，GPS接收機需要跟蹤多顆衛(wèi)星。而對于來自不同衛(wèi)星的信號，接收機必須首先將它們分離開來，以便進行處理，量測獲得不同衛(wèi)星信號的觀測量。GPS接收機的通道，其主要作用是將接收到的不同衛(wèi)星信號加以分離，以實現(xiàn)對各衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測。2.5.7GPS用戶設備二、根據接收信號通道的類型分類2.5.7GPS用戶設備53平行通道接收機，即具有多個衛(wèi)星信號通道，而每個通道只連續(xù)跟蹤一個衛(wèi)星信號的接收機。這種接收機也稱連續(xù)跟蹤型接收機。序貫通道接收機，通常只具有1～2個通道。這時為了跟蹤多個衛(wèi)星信號，它在相應軟件的控制下，按時序依次對所有觀測衛(wèi)星的信號進行量測，也稱時序式接收機。由于對所測衛(wèi)星依次量測一個循環(huán)所需時間較長（>20ms），所以其對衛(wèi)星信號的跟蹤是不連續(xù)的。多路復用通道接收機，與序貫通道接收機相似，一般也只具有1～2個通道。，在相應軟件的控制下，按時序對所有觀測衛(wèi)星所信號進行量測，其與序貫通道接收機的區(qū)別，主要是對所測衛(wèi)星信號量測一個循環(huán)的時間較短（≤20ms），可以保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤，所以也可以稱為快速序貫通道接收機。2.5.7GPS用戶設備平行通道接收機，即具有多個衛(wèi)星信號通道，而每個通道只連續(xù)跟蹤54三、根據接收的衛(wèi)星信號的載頻和碼制分類單頻接收機（L1），CA碼，供民用；雙頻接收機（L1+L2），CA碼加L2無碼接收，供民用；雙頻接收機（L1+L2），P碼，供軍用。單頻接收機只能接收經調制L1信號，而且只能利用CA碼。但由于修正模型尚不完善，精度較差。所以單頻接收機主要用于民間。雙頻接收機，可以同時接收L1和L2信號，和利用P碼，而且利用雙頻技術可以消除或減弱電離層折射對觀測量的影響，導航和定位的精度較高，一般用于軍用。今后L2信號加發(fā)CA碼后，或者加發(fā)L5民用頻率后，也可用雙頻民用接收機。2.5.7GPS用戶設備三、根據接收的衛(wèi)星信號的載頻和碼制分類2.5.7GPS用55四、根據接收機的用途分類——導航型；——大地型；——授時型。導航型接收機，主要用于確定船舶、車輛、飛機和導彈等運載體的實時位置和速度，以保障這些載體按預定的路線航行。大地型接收機，主要是指適于進行精密大地測量工作的接收機。這類接收機，一般均采用載波相位觀測量進行相對定位，精度很高，也稱測量型接收機。授時型接收機，主要用于天文臺或地面監(jiān)控站進行時頻同步測定。利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時。2.5.7GPS用戶設備四、根據接收機的用途分類2.5.7GPS用戶設備563.接收機通道概念接收機信號通道，可以理解為GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，經由天線進入接收機的“路徑”，它的主要作用是跟蹤、處理和量測衛(wèi)星信號，以獲得導航和定位所需要的數據和信息。前已指出，當GPS接收機的全向天線，接收到所有來自天線水平面以上的衛(wèi)星信號之后，必須首先把這些信號分離開來，以便進行處理和量測。這種對不同衛(wèi)星信號的分離，就是通過接收機內若干分離信號的通道來實現(xiàn)的。2.5.7GPS用戶設備3.接收機通道概念2.5.7GPS用戶設備57通道是由硬件和相應的控制軟件組成的。每個通道在某一時刻只能跟蹤一顆衛(wèi)星的一種頻率信號。當接收機需同時跟蹤多個衛(wèi)星信號時，原則上可能采用兩種跟蹤方式：其一是接收具有多個分離的硬件通道，每個通道都可連續(xù)地跟蹤一個衛(wèi)星信號；其二是一個信號通道在相應軟件的控制下用時分制跟蹤多個衛(wèi)星信號。所以通道的類型，如果根據跟蹤衛(wèi)星信號的不同方式，則可分為下列三種（參見圖10-3-2）。——序貫通道（Sequencingchannel）；——多路復用通道（Multiplexingchannel）；——并行通道（Multi-channelinparallel）2.5.7GPS用戶設備通道是由硬件和相應的控制軟件組成的。每個通道在某一時刻只能跟58根據通道的工作原理，即對信號處理和測量方法上的不同，可分為三種不同技術：碼相關技術：從接收到的載波中提取偽隨機噪聲（PRN）碼的CA碼序列后，和接收機自己生成的碼序列（或稱復制碼）對照，對復制碼用前移或后推的方法使復制碼和接收碼對齊，使信號得到捕獲和識別，在此基礎上可以通過測定復制碼和接收碼之間的時間差，即衛(wèi)星到用戶之間的傳播時間，而獲得偽距數據。用碼相關技術測距方法又稱碼偽距法。2.5.7GPS用戶設備根據通道的工作原理，即對信號處理和測量方法上的不同，可分為三59載波相位技術：將接收到的載波信號自乘，去掉載波上的調制碼，用以作載波相位測量。利用此法所測定的相位。載波相位技術只能用于靜態(tài)測量，因為CA碼L1的頻率為1575.42MHz其波長約19cm，如果GPS定位更新率每秒一次的話，每秒為數厘米速度的動態(tài)用戶，就無法采用載波相位技術。碼相位技術：將接收到的載波信號與該信號延遲半個碼元寬度（487ns）的信號相乘，經過帶通濾波后獲得一個其頻率與C/A碼頻率相同的1.023MHz正弦波信號。然后利用時間間隔計數器來測量碼相位。碼相位技術只能用于低動態(tài)測量，因為CA碼的頻率為1.023MHz，對應波長為293m，高動態(tài)用戶無法利用。2.5.7GPS用戶設備載波相位技術：將接收到的載波信號自乘，去掉載波上的調制碼，用60載波相位技術和碼相位暗處都不需了解測距碼的結構，都無法獲得衛(wèi)星的導航電文和時間信息，雖然它們的測量精度較高，但只能用于靜態(tài)定位，很少用于動態(tài)導航。航空用導航型GPS接收機都采用碼相關技術，但有時也可以附加碼相位技術支助，以便提高精度。所以碼相關技術使用最為普遍。2.5.7GPS用戶設備載波相位技術和碼相位暗處都不需了解測距碼的結構，都無法獲得衛(wèi)612.5.8差分GPS系統(tǒng)

一、差分GPS技術原理在飛機進近著陸時，飛機的定位精度應更高，應該不低于米級要求，為此可以采用差分GPS技術。差分GPS的技術原理為：在已知精密座標位置的點上，設置GPS監(jiān)測設備（GPS基準臺），用精度很高的靜態(tài)定位用的雙頻GPS接收機，天線位置上排除多徑干擾的影響，連續(xù)實時地接收GPS信號，求出誤差，按規(guī)定時間間隔確定修正量值向用戶播發(fā)。用戶利用收到的信息，使機載接收機解算中加以修正，因此能夠輸出更為正確的位置數據。2.5.8差分GPS系統(tǒng)

一、差分GPS技術原理62利用差分GPS（或稱DGPS）可以消除或減小例如星鐘誤差、星歷誤差、信號傳播延遲誤差等公共誤差，因而提高了定位精度。但用戶接收機自身的噪聲誤差，多徑干擾誤差只與自身設備有關，差分GPS技術也不能消除。差分GPS應用中的精度和用戶相對差分基準臺的距離有關，離基準臺越近，則由于其公共誤差相同而精度高，離臺較遠時，由于大氣傳播誤差上產生差異，使精度降低。因而，差分技術的應用受到用戶與基準臺之間距離的限制。所以差分GPS技術一般適用于機場附近的進近著陸，并不適用于航路飛行。2.5.8差分GPS系統(tǒng)利用差分GPS（或稱DGPS）可以消除或減小例如星鐘誤差、星63二、差分GPS的類型基于相同的工作原理不同的修正方式，差分GPS分為以下類型位置差分：基準臺測出位置的三維數據（經度、緯度、高度）和基準臺天線的中心標定精密位置的三維數據相比較，得到經度差、緯度差和高度差三個數據后，向空中廣播，飛機上收到后按此數據修正飛機位置即可。此法優(yōu)點為用戶只需在自己測得位置數據上修正，不必在通道接收機內部修正，但如果用戶接收機選用于定位的四顆衛(wèi)星和基準臺所選用的四顆衛(wèi)星不同，則顯然誤差各不同而導致不正確。當飛機離基準臺較遠一些時，由于幾何位置不同，選用衛(wèi)星組合會不同，所以此法只能適用于離基準臺較近的情況。2.5.8差分GPS系統(tǒng)二、差分GPS的類型2.5.8差分GPS系統(tǒng)64偽距差分：基準臺測出在其可視見范圍內所有衛(wèi)星的偽距數據和該點到衛(wèi)星之間理論算出的偽距比較求出偽距誤差，將所有衛(wèi)星的偽距誤差，稱為用戶差分距離誤差（UDRE）向用戶廣播，飛機上的接收機收到后，先對定位計算中所用衛(wèi)星的偽距進行修正后，再送去求定位解，這樣可以使求出的定位解數據更為精確。此法必須在用戶接收機內部修正，但不管接收機定位時選用任何衛(wèi)星組合均可。這是目前廣泛采用的方法，不論海上或航空的差分應用都用此法，其精度仍然與用戶離基準臺的距離有關。2.5.8差分GPS系統(tǒng)偽距差分：基準臺測出在其可視見范圍內所有衛(wèi)星的偽距數據和該點65載波相位差分：基準臺和用戶接收機同時采用載波相位測量法分別測定對共視衛(wèi)星的載波相位距離，基準臺將各衛(wèi)星的載波相位修正值發(fā)送給用戶，以便用戶改正其載波相位距離，然后求出精確的定位解。這種技術用于測地定位，又稱實時動態(tài)測量（RTK）技術。2.5.8差分GPS系統(tǒng)載波相位差分：基準臺和用戶接收機同時采用載波相位測量法分別測662.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS

一、概況GPS是美國軍方控制和運行系統(tǒng)，雖然已經宣布其民用碼（CA碼）向全球民間開放，免費提供使用，但是保留其對敵視使用的拒絕措施，包括危機時刻采用向局部地區(qū)施加降精度，亂碼或中斷信號等不可預測的措施，對航空使用尚無安全保障。在美國也不能作為單一導航手段使用。2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS

一、概況67國際民航組織（ICAO）鼓勵航空界盡早采用衛(wèi)星導航，考慮到美國的GPS尚未具有足夠的安全保障，提出了一個使用多元化的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）概念，根據定義：“GNSS是一個全球性的位置和時間的測定系統(tǒng)，它包括一個或幾個衛(wèi)星星座，機載接收機和系統(tǒng)完好性監(jiān)控，這個系統(tǒng)完好性監(jiān)控是為了支持實際飛行階段中所需導航性能（RNP）所必要的增強。”從而把GNSS這個名詞固定下來并專門化，成為被ICAO采納作為全球民航用作航空器定位和導航的一個統(tǒng)一系統(tǒng)的總概念。2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS國際民航組織（ICAO）鼓勵航空界盡早采用衛(wèi)星導航，考慮到美68它蘊含著如下意義：（1）GNSS將由多星座系統(tǒng)組成，不能單純依靠單個或單國的某一現(xiàn)存系統(tǒng)（星座），而GPS和GLONASS（以及今后的Galileo系統(tǒng)）可以作為GNSS的選用部件；（2）考慮到民航對安全飛行上的要求，GNSS必需有完好性監(jiān)控和增強技術。例如美國、加拿大準備發(fā)展由靜地衛(wèi)星發(fā)布廣域完好性監(jiān)控信息和廣域差分信息，稱為廣域增強系統(tǒng)（WAAS），日本也將發(fā)射靜地衛(wèi)星——移動運輸衛(wèi)星（MTSAT），同樣具有對GPS的廣域增強作用（MSAS），歐洲利用Inmarsat衛(wèi)星和Artremis衛(wèi)星實現(xiàn)歐洲靜地衛(wèi)星的GPS重疊系統(tǒng)（EGNOS）也是一種廣域增強系統(tǒng)。

2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS它蘊含著如下意義：2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS69這些廣域增強系統(tǒng)必須在地面上按地域建立對GPS的完好性監(jiān)測臺網，監(jiān)測并生成完好性數據，用以上行注入衛(wèi)星后向用戶廣播，這些臺網和靜地衛(wèi)星都是GNSS的組成部件；（3）機載接收機必需備有接收機自治式完好性監(jiān)控（RAIM）手段，作為接收機適航批準的必要條件；（4）希望由民間補發(fā)、加發(fā)民用的導航衛(wèi)星，或建立民用導航星座，最終地形成一個民用GNSS星座，近期歐洲提出的Galileo計劃，能夠符合此要求。2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS這些廣域增強系統(tǒng)必須在地面上按地域建立對GPS的完好性監(jiān)測臺70二、GLONASS系統(tǒng)Glonass是前蘇聯(lián)于1982年宣布發(fā)展并發(fā)射首顆試驗衛(wèi)星建立起來的，比美國的GPS晚起動晚9年，直至1996年初達到了24顆衛(wèi)星在軌的滿星座運行。其星座方案與GPS相仿，為24顆中高度軌道（MEO）衛(wèi)星，采用19100公里高度的三個等間隔軌道，軌道傾角64.8°。由于傾角較大，對高緯度地區(qū)的信號覆蓋較好。每個軌道上平均分布8顆衛(wèi)星。衛(wèi)星繞地球旋轉周期約11小時15分鐘。三、Galileo計劃歐洲聯(lián)盟委員會于1999年公布其伽利略（Galileo）計劃，意欲靠歐洲力量建立一個和GPS相仿的，可以和GPS兼容，但獨立自主的民用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，希望在交通運輸上擺脫一貫受美國的牽制，這個計劃雖然難產，曾兩次擱淺，最近已于2002年3月決策上馬。該計劃星座部署的初步方案與GPS星座相仿，由30顆中高度軌道（MEO）衛(wèi)星組成，采用23100公里高度上的三個等間隔軌道，軌道傾角56°，每個軌道上均勻分布9顆工作衛(wèi)星，另有一顆在軌備用衛(wèi)星。2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS二、GLONASS系統(tǒng)2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GN712.5全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要內容計算機通訊及網絡技術數據庫技術EDI技術條形碼技術全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)射頻技術MRP與DRP技術（另講）自動化倉庫系統(tǒng)（另講）CRM-客戶關系管理2.5全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要內容722.5全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)2.5.1GPS的功用與特點2.5.2GPS的應用2.5.3GPS的系統(tǒng)組成與工作頻率2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2.5.6GPS定位誤差2.5.7GPS用戶設備2.5.8差分GPS系統(tǒng)2.5.9全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS2.5全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)2.5.1GPS的功用與特點73

2.5.1GPS的功用與特點衛(wèi)星導航是利用人造地球衛(wèi)星來進行導航,相當于把導航臺搬到天上。導航星全球定位系統(tǒng)（NavstarGlobalPositioningSystem），簡稱GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)可在全球范圍內，全天候為海上、陸上、空中、空間的用戶連續(xù)地提供高精度的位置、速度和時間信息，并且有良好的抗干擾和保密性能，對導航定位、大地測量，以及精密授時等均具有重要意義。2.5.1GPS的功用與特點74GPS系統(tǒng)有21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌的備用衛(wèi)星，它們平均配置在六個軌道上。衛(wèi)星發(fā)射用偽隨機碼（偽碼）調制的兩種頻率；L1＝1575.42MHZ,L2＝1227.6MHZ。用戶設備用測量到幾顆衛(wèi)星的距離的方法，來確定觀察點的位置。GPS系統(tǒng)能連續(xù)提供三維位置（經度、緯度、高度）、三維速度和時間，實現(xiàn)近乎實時的導航定位。雙頻發(fā)射是為了供用戶設備消除電離層對傳播的影響。

2.5.1GPS的功用與特點GPS系統(tǒng)有21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌的備用衛(wèi)星，它們平75偽碼有P碼、C／A碼、Y碼三種。P碼信號，定位精度高，保密性好，僅供美軍和特許用戶使用，實時定位精度優(yōu)于16米，測速精度優(yōu)于0.l米／秒，授時精度優(yōu)于0.1微秒。C／A碼信號供一般用戶使用，定位精度可達20～40米。

2.5.1GPS的功用與特點偽碼有P碼、C／A碼、Y碼三種。2.5.1GPS76P碼的精度高，但編制P碼的方程式早已公開。美國計劃在必要時要實施A—S（Anti－spoofing反電子欺騙）政策，將P碼加密編譯成Y碼，Y碼的編制方程式嚴格保密。Y碼用于有潛在威脅的軍事環(huán)境中。如敵方播發(fā)一種精度降低的假P碼信號，企圖欺騙GPS用戶設備錯誤的跟蹤它，裝有選擇Y碼用的附加輸出芯片的P碼接收機，不接受這種假信號，有效地防止電子欺騙。A—S可以接通或關閉。民間使用上為了能獲得更好的定位精度，已經相繼采取了一些措施。例如，C／A碼采用差分GPS技術，可以達到米級的定位精度；供測地用的采用無碼技術的用戶設備，可以達到厘米級的相對定位精度。

2.5.1GPS的功用與特點P碼的精度高，但編制P碼的方程式早已公開。美國計劃在必要時772.5.2GPS的應用一、海上應用—導航等二、陸地——定位、測距、車輛導航三、空中和空間應用（一）空中應用1、航路導航由于GPS具有全球覆蓋、全天候、高精度和動態(tài)適應能力。它可以直接用于飛機的航路導航。由于它不依靠地面導航臺，因而能適合于邊遠、荒漠、海上、極區(qū)等空域的飛行，并可實施直飛航線或隨機航線，增加飛行靈活性2.5.2GPS的應用一、海上應用—導航等782、進近著陸利用差分GPS能達到進近著陸的精度要求，因而能取代儀表著陸系統(tǒng)（ILS）和微波著陸系統(tǒng)（MLS）。3、機場的場面活動管理當飛機和場面活動的車輛都裝有GPS接收機和直接向塔臺報位的通信線路后，可以監(jiān)視和調動所有場面活動的飛機和車輛。4、自動相關監(jiān)視GPS接收機的定位數據可以為自動相關監(jiān)控提供每架飛機的位置報告給地面管制部門，在其顯示器上呈現(xiàn)和雷達監(jiān)視相當的空中交通活動圖像，以便實施管制。

2.5.2GPS的應用2、進近著陸2.5.2GPS的應用792.5.2GPS的應用（二）空間應用1、對導彈進行實時跟蹤和制導導彈裝上GPS接收設備，可以測出飛行彈道。此外，還可用于導彈的制導，使導彈（或炸彈）不僅可以低空攻擊目標，高空攻擊目標亦有很高的命中精度。2、確定空間運載體的軌道航天飛機、軌道衛(wèi)星等空間運載體上裝備GPS接收機，可以精確確定自身的軌道位置。2.5.2GPS的應用（二）空間應用802.5.3GPS的系統(tǒng)組成與工作頻率該系統(tǒng)由地面支持網、空中衛(wèi)星群和用戶設備三個子系統(tǒng)組成。

2.5.3GPS的系統(tǒng)組成與工作頻率該系統(tǒng)由地面支持網、811、地面支持網：監(jiān)控衛(wèi)星并根據測算結果向衛(wèi)星提供時間改正參數、衛(wèi)星星歷等資料。2、空中衛(wèi)星群：衛(wèi)星接收來自地面站的信息，并向用戶發(fā)射以C／A碼和P碼調制的、帶有時間信息和衛(wèi)星星歷等導航參數的1575．42MHz和1227．60MHz兩種載波頻率的信號。3、用戶設備：接收衛(wèi)星發(fā)射的時間信號和衛(wèi)星軌道信息，求得衛(wèi)星位置，利用時間信號和偽碼相關測量衛(wèi)星到測者的偽距，并由計算機解算用戶位置、速度等參數。2.5.3GPS的系統(tǒng)組成與工作頻率1、地面支持網：監(jiān)控衛(wèi)星并根據測算結果向衛(wèi)星提供時間改正參數822.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網GPS系統(tǒng)的地面支持網由五個監(jiān)測站、一個主控站和四個注入站組成。監(jiān)測站收集衛(wèi)星及當地氣象資料送給主控站。主控站根據這些資料計算衛(wèi)星軌道等導航信息，然后由注入站每隔8h向衛(wèi)星發(fā)送一次，更新衛(wèi)星資料，以便衛(wèi)星向用戶設備轉發(fā)導航信息。2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網GPS系統(tǒng)的地面支持網由832.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網圖2地面臺站設置2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網圖2地面臺站設置84一、監(jiān)測站監(jiān)測站（MS）有5個，分別設在太平洋的夏威夷、科羅拉多的斯普林斯、馬紹爾群島的夸賈林島、印度洋的迪戈加西亞島、南大西洋的阿森松島等。每個監(jiān)測站有一臺用戶接收機，若干臺環(huán)境數據傳感器，一架原子鐘和一臺計算機信息處理機.它的任務是對所有視見衛(wèi)星每1.5s測量一次距離數據；監(jiān)測導航信息；收集當地環(huán)境氣象數據；（通過環(huán)境傳感器收集當地的氣象數據，為了計算對流層校正數據）.監(jiān)測站的計算機控制所有數據的收集，并將得到的數據存貯，然后把這些數據送到主控站。2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網一、監(jiān)測站2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網85二、主控站主控站（MSC）設在美國科羅拉多州斯普林斯的聯(lián)合空間工作中心。它負責對系統(tǒng)控制部分的運轉實行全面的控制。具體任務是：提供GPS系統(tǒng)的時間基準；處理由各監(jiān)控站送來的數據；編制各衛(wèi)星的星歷；計算各衛(wèi)星鐘的偏差和電離層校正參數等，然后把不斷更新的導航信息送到注入站再轉發(fā)給衛(wèi)星。

監(jiān)測站每6秒鐘將其所測得的衛(wèi)星距離信息和氣象數據發(fā)送給主控站，主控站對測量結果中各種已知的偏差如電離層延時，對流層折射等進行修正；然后進行一次數據處理,得到衛(wèi)星位置、衛(wèi)星速度、衛(wèi)星的時鐘偏差等估值：然后按一定格式轉化為導航電文送入注入站2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網二、主控站2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網86三、注入站目前注入站有4個，分別位于美國的科得角，南大西洋的阿森松島，印度洋的迪戈加西亞島和太平洋的馬紹爾群島的夸賈林島。注入站為主控站和衛(wèi)星之間提供接口關系。它用1754MHz—1854MHz的頻率向衛(wèi)星注入有關數據。注入數據有用戶導航信息（包括時鐘校正參數、大氣校正參數）、衛(wèi)星星歷及全部歷書數據。

2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網三、注入站2.5.4GPS系統(tǒng)的地面支持網872.5.5GPS系統(tǒng)工作原理GPS系統(tǒng)空中衛(wèi)星群由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。它們接收地面站發(fā)送來的星鐘修正參數、電離層校正參數等導航信息，為用戶提供精密和標準定位服務。

一、衛(wèi)星星座

GPS衛(wèi)星網為21顆衛(wèi)星星座布局，它包括24個衛(wèi)星位置，等間隔分布在6個軌道平面，軌道傾角為55度，兩個軌道在經度上相隔600。每一軌道面上有4顆衛(wèi)星。如圖3所示。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理GPS系統(tǒng)空中衛(wèi)88衛(wèi)星星座衛(wèi)星群空間結構2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理89

衛(wèi)星在高約20183km的近圓軌道上運行，周期約12h。每顆衛(wèi)星繞地球運行兩圈時，地球恰好繞其軸轉一周。這樣，每顆衛(wèi)星每一恒星日有1～2次通過地球上同一地點的上空。每一顆衛(wèi)星每天至少一次通過一個地面控制站的上空，因此控制站可全部設在美國國內。同時，地球上任一地方用戶任一時刻至少可看到仰角5度以上的4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星姿態(tài)采用三軸穩(wěn)定方式，保證衛(wèi)星上天線的輻射口總是對準地面。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理衛(wèi)星在高約20183km的近圓軌道上運行，周期約12h。每902.5.5GPS系統(tǒng)工作原理二、衛(wèi)星提供的導航信息1、衛(wèi)星工作方式衛(wèi)星中裝有接收機、發(fā)射機、高精度的振蕩器、導航電文存貯器。接收機接收地面站發(fā)送的導航信息，它包括衛(wèi)星星歷、歷書（衛(wèi)星的概略坐標）、衛(wèi)星時鐘和電離層校正參數等，同時還接收地面站發(fā)送的控制指令。衛(wèi)星上時鐘的標準頻率f0=10.23MHZ，它是衛(wèi)星上各種頻率的同步信號。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理二、衛(wèi)星提供的導航信息91P碼的碼頻率等于f0，C／A碼的碼頻率為f0/10，載波頻率f1=154f0,f2=120f0.2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理P碼的碼頻率等于f0，C／A碼的碼頻率為f0/10，載92載波L1用P碼、C／A碼和導航數據信息進行相位調制。載波L2只用P碼和導航數據信息調制.C／A碼是一種偽隨機噪聲碼序列，其頻率為1.023MHz，周期1ms。它是一種短碼，易于捕獲。不同的衛(wèi)星分配了不同結構的C/A碼。P碼也是一種偽隨機噪聲碼序列。其頻率為10.23MHz，周期約267天。實際上使用的P碼周期為7天。不同結構的P碼分配給不同的衛(wèi)星，在一星期內，各衛(wèi)星的P碼不重復。P碼是一種長期的精確碼，它難以捕獲。通常先捕獲C／A碼，然后使用導航電文中含有的交接碼轉到P碼。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理載波L1用P碼、C／A碼和導航數據信息進行相位調制。載波L2932、衛(wèi)星導航電文導航電文是衛(wèi)星提供給用戶的信息，它包括衛(wèi)星狀態(tài)、衛(wèi)星星歷、電離層修正參數和衛(wèi)星鐘偏差校正參數以及時間等內容。圖6是導航電文結構示意圖。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2、衛(wèi)星導航電文2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理94(一)導航電文及其格式導航電文是二進制文件，它是按一定格式組成數據幀，按幀向外播送。每幀導航電文由5個子幀組成。第1、2、3幀播放該衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘修正參數，其內容每小時更新一次。第4、5幀播放所有空中GPS衛(wèi)星的歷書（衛(wèi)星的概略坐標），完整的歷書占25幀。每個子幀含有10個字，每個字占30bit.2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理(一)導航電文及其格式2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理95(二)導航電文內容導航電文中各子幀的格式見下圖2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理(二)導航電文內容2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理961.TEL：遙測碼每個子幀的第一個字碼為遙測字（TEL）它指明衛(wèi)星注入數據的狀態(tài)，由星載設備產生，遙測字開頭8個碼位作捕獲導航數據的前導；隨后14個bit是遙測電文，內容包括地面注入數據的狀態(tài)，診斷信息等，指導用戶是否選用該衛(wèi)星。2.HOW:轉換碼每個子幀的第二個字碼為轉換碼.它可以輔助用戶從捕獲的C/A碼轉換到捕獲P碼.3.導航信息:每個子幀中的后8個字導航信息或專用電文,由地面控制站注入給衛(wèi)星。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理1.TEL：遙測碼2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理97衛(wèi)星發(fā)送出的信號有：

1、L1和L2兩種載波；2、C／A碼和P碼兩種偽隨機碼；3、導航電文（包括時間信號、衛(wèi)星軌道資料、電波傳播修正參數和衛(wèi)星鐘校正參數、歷書）。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理衛(wèi)星發(fā)送出的信號有：2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理982.5.5GPS系統(tǒng)工作原理GPS基本工作原理GPS接收機接收來自衛(wèi)星的導航信息，利用星歷資料計算衛(wèi)星位置;利用偽隨機碼或載波相位測量測者到衛(wèi)星的距離，最后解算導航方程求測者位置的經緯度。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理GPS基本工作原理992.5.5GPS系統(tǒng)工作原理一、測時間差求距離GPS中，測量者到衛(wèi)星的距離是通過測電波從衛(wèi)星發(fā)射到被用戶接收機接收的時間間隔來確定的，即根據衛(wèi)星信號傳播時間與電波傳播速度的乘積來求得。而衛(wèi)星信號傳播時間通過測量衛(wèi)星信號的C／A碼或P碼與用戶接收機內產生的同類碼相關所需要的相移來求得。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理一、測時間差求距離1001、偽碼測距原理

如圖8所示，上一行是接收到的衛(wèi)星偽碼信號，下一行是接收機產生的偽碼信號，它的格式與衛(wèi)星的偽碼相同，由接收到的衛(wèi)星偽碼信號相對于接收機產生的偽碼信號的延遲量，就可得衛(wèi)星與用戶接收機之間的距離。這種未經修正的距離稱為偽距。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理1、偽碼測距原理2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理1012、偽碼測距方法如圖9所示，被接收、檢測和放大的偽隨機序列與接收機產生的偽碼序列通常是不同步的，本機的偽碼在時鐘的控制下逐步地移動，直到接收的和本機的偽碼信號同步，則相關器輸出控制信號停止本機偽碼的移動，并將測得的時間信息提供給計算機。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2、偽碼測距方法2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理102

圖10示出了相關接收的一個例子，第2行是接收來自衛(wèi)星的10個碼元信號，第3行是本機產生的偽碼序列的10個碼元。當接收的偽碼信號與本機偽碼信號不同步時，在時鐘控制下，本機偽碼序列右移，直到第4行所示狀態(tài)，即同步，此時相關器輸出高電平停止本機偽碼的移動。測得的時間差是5個碼元持續(xù)時間，每個碼元為1s，共5s。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理圖10示出了相關接收的一個例子，第2行是接收來自衛(wèi)星的10103二、衛(wèi)星定位算法

1、導航方程自相關測量衛(wèi)星發(fā)送的偽碼和本機產生的偽碼間差值而得到的距離，并不是測者到衛(wèi)星的真實距離，許多因素使它帶有不同性質的誤差，影響較大的有衛(wèi)星鐘差、用戶鐘差、電波傳播誤差等。這些誤差嚴重地影響衛(wèi)星的定位精度，必須盡可能予以修正。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理二、衛(wèi)星定位算法2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理104（1）GPS時間系統(tǒng)原子時是以銫原子133基態(tài)兩個超精細能級間躍遷所輻射的電波振蕩周期為基礎的時間系統(tǒng)。起始歷元為1958年1月1日0點。原子時穩(wěn)定、均勻、至今未見變化。協(xié)調世界時UTC是以原子秒為單位，GPS時是一種連續(xù)的、高精度的、均勻的時間系統(tǒng)，它以原子秒為單位，時間間隔為一周即604880s）。它開始和結束在每周星期六和星期日之間的子夜零點時刻。GPS時起點1980年1月6日UTC的零點。它常用自起點以后的周數、日數、GPS秒來表示時間。GPS時間計量是通過Z計數（從每個星期日的零時開始計數，）進行的，利用Z計數器可以較快地捕獲P碼。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理（1）GPS時間系統(tǒng)2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理105（2）鐘差GPS時間是整個系統(tǒng)的時間標準。它在導航電文的交換字中每6s向用戶發(fā)送一次。由于1ns即s的誤差將導致距離誤差0．3m，所以整個系統(tǒng)要求嚴格與主控站的原子鐘同步。通常衛(wèi)星鐘和用戶鐘都有誤差。衛(wèi)星鐘差可根據導航電文確定。用戶鐘差可在導航解算過程中獲得。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理（2）鐘差2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理106(3)電波傳播誤差該誤差主要由電離層和對流層對電波的影響造成的。a．電離層的影響地球上方50km到1000km區(qū)域的大氣層，由于受太陽紫外線等影響而電離成自由電子和離子，形成密度隨晝夜、季節(jié)、地磁緯度及太陽活動情況變化的電離層。當電波穿越該區(qū)域時，將受到非線性傳播性能的影響。衛(wèi)星導航電文中，子幀1和子幀5提供了一些參數供校正電離層附加延時用，還有利用偽碼和相位測量、不同測量值線性組合，差分方法等來消除電離層的影響。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理(3)電波傳播誤差2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理107b．對流層影響電波經過對流層時，受氣溫、氣壓、濕度、仰角等因素影響也會產生傳播附加延遲。在標準情況下，衛(wèi)星位于天頂時，其誤差約2.3m，衛(wèi)星仰角為10度時，其誤差可達20m。由于對流層造成的誤差與衛(wèi)星仰角有關，低仰角時電波通過對流層的路徑長，誤差大，所以實際應用中應選擇仰角大于50的衛(wèi)星

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理b．對流層影響2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理108（4）測距方程圖12示出了衛(wèi)星距離測量中影響測距精確的因素。偽距測量值是用測得的衛(wèi)星發(fā)射的信號和用戶接收機收到信號的時間差t與電波速度C來描述的，可寫為下列表達式：2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理（4）測距方程2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理109Ri=Ri+ctAi+c(tu-tui)式中：Ri——偽距；Ri——真實距離；c——電磁波傳播速度；tui——衛(wèi)星鐘差；tu——用戶鐘差；tAi——傳播延遲和其它誤差。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理Ri=Ri+ctAi+c(tu-tui)2.5.5110經修正衛(wèi)星鐘差、電離層和對流層等系統(tǒng)誤差后，剩余誤差作為隨機誤差:Rp=R+T+V（2）式中：Rp—測量的距離R——測者到衛(wèi)星的實際距離T—用戶鐘差對應的距離偏差V——隨機誤差則式（2）即為測距導航方程。2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理經修正衛(wèi)星鐘差、電離層和對流層等系統(tǒng)誤差后，剩余誤差作為隨機1112、GPS定位算法GPS衛(wèi)星定位算法很多，依據求解的未知數維數不同，有二維、三維等定位法。依據計算方法不同，有解方程組法、最優(yōu)估計法等。定位類型還有定點、動點定位之分，差分方法和非差分法之分。

2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理2、GPS定位算法2.5.5GPS系統(tǒng)工作原理1122.5.6GPS定位誤差GPS定位誤差主要來源于偽距誤差、衛(wèi)星與測者間相對幾何位置的幾何精度因子GDOP（GeometricDilutionofPrecision），以及使用不同測地坐標系而產生的誤差。位置誤差與偽距誤差成正比，與測者和衛(wèi)星之間的位置關系有關。這種關系通常用幾何精度因子GDOP來描述。2.5.6GPS定位誤差113一、幾何精度因子GDOP

GDOP有下述特性：（1）它是選定4顆衛(wèi)星與測者之間幾何關系造成的位置誤差的放大倍數。當GDOP大一倍時，位置誤差也將大一倍。（2）GDOP只與衛(wèi)星和測者的相對位置有關，與所選坐標無關。（3）GDOP是星座設計的一個判據，即衛(wèi)星安置的位置應能使地面測者獲得好的GDOP值。（4）定位時，選星原則就是使GDOP盡可能小，以提高定位精度。

2.5.6GPS定位誤差一、幾何精度因子GDOP2.5.6GPS定位誤差114為了取得精確的定位效果，選星時總是使GDOP盡可能減小，導航儀通常采用以下方法來選星。

（1）最佳GDOP法。即從仰角5度以上的星中取4顆的全部組合，分別計算GDOP值，取GDOP最小的一組星座進行定位。此法選擇的星座最佳，但計算量大。

（2）次優(yōu)GDOP。從能收到的衛(wèi)星中先選出三顆，它們的斜距具有最大的垂直分量、北向分量和東向分量，然后再選一顆衛(wèi)星使GDOP最小。

（3）端四面體法。以測者為中心作單位球，以四顆星在球面的投影點為頂點組成一四面體。當該四面體體積最大時，這四顆衛(wèi)星的GDOP最小，參閱圖14。2.5.6GPS定位誤差為了取得精確的定位效果，選星時總是使GDOP盡可能減小，導航115二、偽距測量誤差GPS系統(tǒng)中，因測量帶來的誤差，可以全部等效為偽距測量時帶來的距離誤差，稱為用戶等效測距誤差。它主要來自衛(wèi)星部分，傳播途徑和用戶設備等造成的誤差。2.5.6GPS定位誤差二、偽距測量誤差2.5.6GPS定位誤差1161、星歷和星鐘的誤差由星歷所給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星的實際位置之差為星歷誤差。它主要取決于衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)的質量，如監(jiān)測站的數量及分布；觀測值的精度；軌道計算時所用的模型及軟件等。同時還與星歷表的預報間隔有關。星鐘誤差主要取決于星上鐘的質量，衛(wèi)星上雖然使用高精度的原子鐘，但它仍存在誤差，其系統(tǒng)性誤差可由衛(wèi)星鐘校正參數加以修正，而隨機誤差，則難于完全校正。2.5.6GPS定位誤差1、星歷和星鐘的誤差2.5.6GPS定位誤差1172、大氣層傳播延遲大氣層傳播延遲，包括電離層傳播延遲和對流層傳播延遲二部分。其誤差雖經校正，但仍殘存一部分。3、多路徑效應多路徑效應是指用戶設備接收到衛(wèi)星信號不僅有直達信號，還有經反射到達的信號，這些信號合成后，使信號特性變化，形成測量誤差。這種多路徑誤差，與用戶天線位置及其附近反射面自然特性有關。4、接收機噪聲和量化誤差用戶接收機的硬件和軟件處理信號所引起的噪聲，會在距離測量中對誤差產生影響。接收機測距可被量化。5、接收機通道間偏差多通道接收機進行測量時，由于各通道硬件路徑不同，會產生通道間偏差。2.5.6GPS定位誤差2、大氣層傳播延遲2.5.6GPS定位誤差1182.5.7GPS用戶設備

1GPS用戶設備的組成

GPS用戶設備包括GPS接收機及其天線，并包括內部配套的或外部選裝的控制顯示設備。接收機和天線是用戶設備的核心部分。它的主要功能是接收GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號并進行處理、量測和數據輸。GPS用戶設備核心部分的主要組成如圖16所示。

2.5.7GPS用戶設備

1GPS用戶設備的組成119前置放大混頻濾波信號處理微處理器輸入輸出基準振蕩外部控制顯示組件外部系統(tǒng)天線圖16GPS用戶設備的核心部分2.5.7GPS用戶設備前置混頻信號微處輸入基準外部系統(tǒng)天線圖16GPS用戶設備120天

線——一般用微帶天線，它帶前置放大，采用低噪聲放大器；射頻部分——包括混頻和濾波，使其成為中頻輸出；信號處理——用于信號識別和跟蹤處理，在此測定偽距和時間，并進行解擴提取導航電文；微處理器——用于接收機的控制、數據采集和各種計算，包括選星計算、定位計算和監(jiān)測計算；輸入輸出——包括數據存貯和輸入輸出端口功能，供外部控制顯示組件和外部系統(tǒng)使用；基準振蕩器——用以產生標準頻率，供用戶接收機時鐘混頻，以及產生偽碼等用。2.5.7GPS用戶設備天線——一般用微帶天線，它帶前置放大，采用低噪聲放大1212用戶接收機的類型GPS接收機可有多種不同的分類，現(xiàn)將其主要分類加以介紹。一、根據接收機的工作原理分類——碼相關型接收機；——相位型接收機；——混合型接收機。2.5.7GPS用戶設備2用戶接收機的類型2.5.7GPS用戶設備122碼相關型接收機：能夠產生與所測衛(wèi)星的測距碼結構完全相同的復制碼。工作中通過逐步相移，使接收碼與復制碼達到最大相關，以測定衛(wèi)星信號到達用戶接收機天線的傳播時間。碼相關型接收機可利用C/A碼也可以利用P碼，其工作的基本條件是必須掌握測距碼的結構。所以這種接收機也稱為有碼接收機。載波相位型接收機：是利用載波信號的平方技術去掉調制碼，從而獲得載波相位測量所必需的載波信號。這種接收機只利用衛(wèi)星的信號無需解碼，因而不必掌握測距碼的結構，所以也稱為無碼接收機。所謂混合型接收機，是綜合利用了相關技術和相位技術的優(yōu)點，它可以同時獲得碼偽距和精密的相位觀測量。2.5.7GPS用戶設備碼相關型接收機：能夠產生與所測衛(wèi)星的測距碼結構完全相同的復制123二、根據接收信號通道的類型分類——平行通道接收機；——序貫通道接收機；____多路復用通道接收機。在導航和定位工作中，GPS接收機需要跟蹤多顆衛(wèi)星。而對于來自不同衛(wèi)星的信號，接收機必須首先將它們分離開來，以便進行處理，量測獲得不同衛(wèi)星信號的觀測量。GPS接收機的通道，其主要作用是將接收到的不同衛(wèi)星信號加以分離，以實現(xiàn)對各衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測。2.5.7GPS用戶設備二、根據接收信號通道的類型分類2.5.7GPS用戶設備124平行通道接收機，即具有多個衛(wèi)星信號通道，而每個通道只連續(xù)跟蹤一個衛(wèi)星信號的接收機。這種接收機也稱連續(xù)跟蹤型接收機。序貫通道接收機，通常只具有1～2個通道。這時為了跟蹤多個衛(wèi)星信號，它在相應軟件的控制下，按時序依次對所有觀測衛(wèi)星的信號進行量測，也稱時序式接收機。由于對所測衛(wèi)星依次量測一個循環(huán)所需時間較長（>20ms