GPS全球定位系統(tǒng)原理與應(yīng)用

科學(xué)技術(shù)探秘

第十一講

GPS全球定位系統(tǒng)

原理與應(yīng)用Slide2

第一部分GPS技術(shù)及其發(fā)展GPS——GlobalPositioningSystem定義：GPS是美國研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。Slide3衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，50年來，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感、大地測量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛應(yīng)用。Slide4衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室，開始著手建立為美國海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過地極，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。1964年該系統(tǒng)建成，并在美國軍方啟用。1967年美國政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。該系統(tǒng)不受氣象條件的限制，自動(dòng)化程度高，具有良好的定位精度。Slide5衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧盡管NNSS在導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義，但由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目少（5-6顆），運(yùn)行軌道低（1000km）,觀測時(shí)間長（1.5小時(shí)），無法提供連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，同時(shí)獲得一次導(dǎo)航解的時(shí)間長，難以滿足軍事要求，尤其是高動(dòng)態(tài)目標(biāo)（飛機(jī)、導(dǎo)彈等）導(dǎo)航要求。而從大地測量看，定位速度慢，一個(gè)測站一般平均觀測1-2天；精度低，單點(diǎn)定位精度3-5m，相對定位精度1m，使得在大地測量和地球動(dòng)力學(xué)研究方面的應(yīng)用，也受到很大限制。Slide6衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展的回顧為滿足軍事和民用對連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國國防部開始組織陸?？杖?，共同研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃，這就是目前所稱的“導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)測距/全球定位系統(tǒng)”（NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem）簡稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。為使GPS具有高精度連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航和定位能力，以及良好的抗干擾性能，在設(shè)計(jì)上采取了若干改善措施。Slide7GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作定位精度高觀測時(shí)間短測站間無需通視可提供三維坐標(biāo)操作簡便功能多，用途廣Slide8GPS定位系統(tǒng)的組成GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的載頻無線電測距信號，由地面上用戶接收機(jī)實(shí)時(shí)地連續(xù)接收，并計(jì)算出接收機(jī)天線所在的位置。因此，GPS定位系統(tǒng)是由以下三個(gè)部分組成：（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）（3）GPS信號接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）Slide9這三部分有各自獨(dú)立的功能和作用，對于整個(gè)全球定位系統(tǒng)來說，它們都是不可缺少的。Slide10GPS系統(tǒng)的空間部分由GPS衛(wèi)星組成，稱為衛(wèi)星星座。衛(wèi)星星座的分布設(shè)置要保證地球上任何地點(diǎn)，任何時(shí)刻至少可以同時(shí)觀測到四顆衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星星座組成GPS衛(wèi)星星座6個(gè)軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h58min設(shè)計(jì)星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星

保證在24小時(shí)，在高度角15以上，能夠同時(shí)觀測到4至8顆衛(wèi)星當(dāng)前星座：28顆GPS衛(wèi)星星座組成Slide12銫原子鐘計(jì)算機(jī)2塊7m2的太陽能翼板無線電收發(fā)兩用機(jī)導(dǎo)航荷載（接收數(shù)據(jù)，發(fā)射測距和導(dǎo)航數(shù)據(jù)）姿態(tài)控制和太陽能板指向系統(tǒng)GPS衛(wèi)星Slide13GPS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)雙葉對日定向太陽能電池帆板，全長5.33m，接受日光面積7.2m2。采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m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，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遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通信。GPS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)Slide14GPS衛(wèi)星迄今已設(shè)計(jì)了三代。第一代Block1型用于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，稱實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，共研制和發(fā)射了11顆，設(shè)計(jì)壽命5年，現(xiàn)已停止工作。第二代Block2和2A型衛(wèi)星稱為工作衛(wèi)星，共研制了28顆，設(shè)計(jì)壽命7.5年，從1989年初到1994年上半年發(fā)射完畢。第三代Block3和2R型衛(wèi)星尚在設(shè)計(jì)中，預(yù)計(jì)20顆，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星星座組成

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，通常稱為GPS工作衛(wèi)星。BlockⅡA的功能比BlockⅡ大大增強(qiáng)，表現(xiàn)在軍事功能和數(shù)據(jù)存儲容量。BlockⅡ只能存儲供45天用的導(dǎo)航電文，而BlockⅡA則能夠存儲供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。椐報(bào)道，該衛(wèi)星在沒有與地面聯(lián)系的情況下可以工作6個(gè)月，而其精度可與有地面控制時(shí)的精度相當(dāng)。BlockⅠ衛(wèi)星BlockⅡ衛(wèi)星BlockⅡR衛(wèi)星Slide22GPS星座參數(shù)衛(wèi)星：24顆軌道：面6個(gè)長半軸：26609km偏心率：0.01軌道面相對赤道面的傾角：55°各軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差：60°相鄰軌道衛(wèi)星升交距角相差：30°衛(wèi)星高度：20200km衛(wèi)星運(yùn)行周期：11小時(shí)58分鐘Slide231接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。2利用衛(wèi)星上的微處理機(jī)，對部分必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3通過星載的原子鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。4向用戶發(fā)送定位信息。5在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的基本功能Slide24GPS地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的5個(gè)地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（5個(gè)）、主控站（1個(gè)）和注入站（3個(gè)）1、監(jiān)測站：是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)1臺和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，存儲并傳輸?shù)街骺卣荆源_定衛(wèi)星軌道。Slide25主控站監(jiān)控站監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站注入站/監(jiān)控站控制站的分布夏威夷卡瓦加蘭（太平洋）狄哥

伽西亞（印度洋）阿松森島（（大西洋）科羅拉多Slide26GPS地面監(jiān)控部分2、主控站：地點(diǎn)：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站。2）提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送入注入站。3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。Slide27GPS地面監(jiān)控部分3、注入站：主要設(shè)備為1臺直徑3.6m的天線、1臺c波段發(fā)射機(jī)和1臺計(jì)算機(jī)。主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。整個(gè)GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制下，實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化。Slide28接收機(jī)調(diào)制解調(diào)器銫鐘氣象傳感器監(jiān)測站觀測星歷與時(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)L1L2S波段GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星地面監(jiān)控系統(tǒng)流程圖Slide29GPS地面控制部分的作用負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作：監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌道運(yùn)行跟蹤計(jì)算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶保持各顆衛(wèi)星的時(shí)間同步必要時(shí)對衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度Slide30GPS用戶設(shè)備部分用戶部分組成GPS信號接收機(jī)及相關(guān)設(shè)備GPS接收機(jī)接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的無線電設(shè)備GPS接收機(jī)的作用接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，以獲得必要的定位信息和觀測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而完成定位工作Slide31GPS接收機(jī)DSNPLEICAGARMIN

TRIMBLEASHTECHJAVADSlide32GPS接收機(jī)導(dǎo)航型接收機(jī)此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為±10m,有SA影響時(shí)為±100m。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)可以進(jìn)一步分為：按接收機(jī)的用途分類可分為：

車載型——用于車輛導(dǎo)航定位；航海型——用于船舶導(dǎo)航定位；航空型——用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空用的接收機(jī)要求能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)。星載型——用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)7公里/秒以上，因此對接收機(jī)的要求更高。（1）SA美國政府從其國家利益出發(fā)，通過降低廣播星歷精度（技術(shù)）、在GPS基準(zhǔn)信號中加入高頻抖動(dòng)（技術(shù)）等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。（2）衛(wèi)星星歷誤差在進(jìn)行GPS定位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷[7]提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。Slide35（3）衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。（4）衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。Slide36

測地型接收機(jī)

測地型接收機(jī)主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進(jìn)行相對定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。授時(shí)型接收機(jī)

這類接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺及無線電通訊中時(shí)間同步。按接收機(jī)的載波頻率分類單頻接收機(jī)單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線（<15km）的精密定位。雙頻接收機(jī)雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收Ｌ１，Ｌ２載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長達(dá)幾千公里的精密定位。按接收機(jī)通道數(shù)分類：

GPS接收機(jī)能同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的信號，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號，以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機(jī)所具有的通道種類可分為：多通道接收機(jī)

序貫通道接收機(jī)多路多用通道接收機(jī)按接收機(jī)工作原理分類碼相關(guān)型接收機(jī)碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。平方型接收機(jī)平方型接收機(jī)是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號，來恢復(fù)完整的載波信號，通過相位計(jì)測定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值?；旌闲徒邮諜C(jī)這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。干涉型接收機(jī)這種接收機(jī)是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個(gè)測站間距離。GPS用戶設(shè)備部分GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)天線單元：包括接收天線和前置放大器。對天線的性能要求有：高增益、低噪聲系數(shù)、大的動(dòng)態(tài)范圍等；接收單元：接收信號并處理，計(jì)算需要的信息；通道單元：包括碼延遲鎖定環(huán)（DLL）和載波相位鎖定環(huán)（PLL）；計(jì)算和顯示單元：根據(jù)采集到的信息，計(jì)算和顯示三維坐標(biāo)和速度；存儲單元：用于存儲輸入的各種數(shù)據(jù);電源：提供接收機(jī)需要的電能。天線單元類型單極天線微帶天線錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線空間螺旋天線背腔平面盤旋天線GPS天線接收（信號）通道定義：接收機(jī)中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)

星信號的部件，由無線電元器件、

數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。類型：根據(jù)信號跟蹤方式：序慣通道、多路復(fù)

用通道和多通道；根據(jù)工作原理：碼相

關(guān)通道、平方通道等?；窘Y(jié)構(gòu)天線前置放大器信號處理器微處理器振蕩器控制、顯示及存儲設(shè)備電源Slide46SPS與PPSSPS–標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，使用C/A碼，民用PPS–精密定位服務(wù)，可使用P碼，軍用SA（已于2000年5月1日取消）SelectiveAvailability–選擇可用性：人為降低普通用戶的測量精度。方法ε技術(shù)：軌道加繞（長周期，慢變化）δ技術(shù)：星鐘加繞（高頻抖動(dòng)，短周期，快變化）AS–Anti-Spoofing反電子欺騙–P碼加密，P+W->Y美國政府的GPS政策Slide47實(shí)施政策SPSPPSSAASC/APC/AP關(guān)關(guān)40104010開關(guān)100954010開開1004010關(guān)開404010實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位的平面精度（m）Slide48非特許用戶對美國限制性政策的措施GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)Galileo系統(tǒng)北斗系統(tǒng)：我國的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Slide491、GLONASS類似于GPS，是俄羅斯以空間為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)；其前身CICADA與子午系統(tǒng)同期，于1965年設(shè)計(jì)，有12顆衛(wèi)星；20世紀(jì)70年代中期開始啟動(dòng)GLONASS計(jì)劃；1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星；1996年1月18日，完成24顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工作能力；由于經(jīng)濟(jì)原因，2000年，天空上的GLONASS衛(wèi)星僅為8顆；“格洛納斯”導(dǎo)航系統(tǒng)目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星已達(dá)30顆，俄航天部門在2014年再發(fā)射3顆。Slide50GLONASSSlide512、Galileo背景：GLONASS在軌衛(wèi)星缺失，GPS獨(dú)霸市場

GLONASS、GPS均由軍方控制歐盟：要建立國際民間控制的或歐盟自己的民用導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)：共享的獨(dú)立于GPS的無增強(qiáng)條件下的適于海陸空的系統(tǒng)。參股共建，收費(fèi)。階段：（一）2000年前，可行性評估或定義（二）2001~2005，開發(fā)和檢測（三）2006~2007，部署（四）2008，商業(yè)運(yùn)行Slide52歐盟為何重視伽利略計(jì)劃首先，打破美國在這方面的壟斷地位，為歐盟贏得可觀的市場份額。權(quán)威部門預(yù)計(jì)：伽利略計(jì)劃將為歐盟創(chuàng)造１５萬個(gè)高技術(shù)含量的就業(yè)崗位；每年經(jīng)濟(jì)收益有１００億歐元之多；僅出售航空和航海終端設(shè)備一項(xiàng)就可在２００８年至２０２０年將獲得１５０億歐元收入第二，歐盟開發(fā)此項(xiàng)目可為歐盟現(xiàn)在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務(wù)。第三，歐盟認(rèn)為，沒有科技上的領(lǐng)先地位，歐盟在將來許多事務(wù)中就沒有主導(dǎo)權(quán)。

Slide53Galileo計(jì)劃的歷程歷程：阿基米德-GEO-HEO-MEO-LEO---Galileo主要面臨的困難：投資巨大：“伽利略系統(tǒng)”高達(dá)36億歐元的造價(jià)美國政府的極力反對：美國的干擾在一定程度上推遲了“伽利略”計(jì)劃的通過各國的態(tài)度:美國：美國說“伽利略”是個(gè)很壞的計(jì)劃法國：對美國的壟斷感到不滿德國、荷蘭、英國：經(jīng)濟(jì)Slide54Galileo計(jì)劃概況伽利略計(jì)劃的資金預(yù)計(jì)為32億到36億歐元系統(tǒng)由30顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在軌道高度為2.4萬千米、傾角為56度的3個(gè)軌道面上?；A(chǔ)設(shè)施包括天基和地基兩部分。衛(wèi)星將為用戶提供精確的時(shí)間和誤差不超過一米的全球精確定位服務(wù)，與美國GPS和俄羅斯的GLONASS爭奪市場。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。Slide553、北斗系統(tǒng)Slide563、北斗系統(tǒng)目的：快速定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航，簡短通訊，精密授時(shí)定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。3、北斗系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，中國計(jì)劃2012年左右，“北斗”系統(tǒng)將覆蓋亞太地區(qū)，2020年左右覆蓋全球。中國正在實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，已成功發(fā)射16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，2012年左右，系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。Slide57Slide58定位工作主要在中心站完成，屬于主動(dòng)式導(dǎo)航定位系統(tǒng)二維導(dǎo)航和定位，高程結(jié)果需要由其他途徑獲得主要的優(yōu)勢在于軍用：通訊、集團(tuán)用戶的調(diào)度和派遣北斗系統(tǒng)定位的特點(diǎn)地面中心站用戶S1S2DS1DS2D1D2Slide59集團(tuán)用戶解決方案地面數(shù)據(jù)處理中心可以：利用北斗用戶的實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡和相關(guān)地圖對動(dòng)態(tài)用戶進(jìn)行導(dǎo)航和交通管制遙測北斗用戶接收機(jī)的工作狀態(tài)，報(bào)警用戶收發(fā)機(jī)的故障，識別用戶身份，控制用戶使用響應(yīng)并回復(fù)集團(tuán)用戶對下屬用戶的定位審查Slide60第二部分GPS基礎(chǔ)概念坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)GPS衛(wèi)星星歷導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號Slide61GPS坐標(biāo)系統(tǒng)在GPS定位中，通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)：一類是在空間固定的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對描述衛(wèi)星的運(yùn)行位置和狀態(tài)極其方便。另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對表達(dá)地面觀測站的位置和處理GPS觀測數(shù)據(jù)尤為方便。Slide62坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸指向和尺度所定義的。在GPS定位中，坐標(biāo)系原點(diǎn)一般取地球質(zhì)心，而坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性，為了使用上的方便，國際上都通過協(xié)議來確定某些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向，這種共同確認(rèn)的坐標(biāo)系稱為協(xié)議坐標(biāo)系。GPS坐標(biāo)系統(tǒng)Slide63第二部分GPS基礎(chǔ)概念坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)GPS衛(wèi)星星歷導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號Slide64GPS時(shí)間系統(tǒng)在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述天體和衛(wèi)星運(yùn)行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，也是利用衛(wèi)星進(jìn)行定位的重要基準(zhǔn)。為精密導(dǎo)航和測量需要，全球定位系統(tǒng)建立了專用的時(shí)間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時(shí)屬于原子時(shí)系統(tǒng)，秒長與原子時(shí)相同。Slide65GPS時(shí)間系統(tǒng)在GPS衛(wèi)星定位中，時(shí)間系統(tǒng)的重要性表現(xiàn)在：

GPS衛(wèi)星作為高空觀測目標(biāo)，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運(yùn)行位置同時(shí)，必須給出相應(yīng)的瞬間時(shí)刻。例如當(dāng)要求GPS衛(wèi)星的位置誤差小于1cm，則相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小于2.610-6s。

準(zhǔn)確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號的傳播時(shí)間。若要距離誤差小于1cm，則信號傳播時(shí)間的測定誤差應(yīng)小于310-11sSlide66第二部分GPS基礎(chǔ)概念坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)GPS衛(wèi)星星歷導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號Slide67GPS衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道在GPS定位中的意義衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。由于利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和測量時(shí)，衛(wèi)星作為位置已知的高空觀測目標(biāo)，在進(jìn)行絕對定位時(shí)，衛(wèi)星軌道誤差將直接影響用戶接收機(jī)位置的精度；而在相對定位時(shí)，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會減弱，但當(dāng)基線較長或精度要求較高時(shí)，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPS測量的觀測計(jì)劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號，也需要知道衛(wèi)星的軌道參數(shù)。Slide68GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息，是一組對應(yīng)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變率。根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出任一時(shí)刻的衛(wèi)星位置及其速度，GPS衛(wèi)星星歷分為預(yù)報(bào)星歷和后處理星歷。Slide69第二部分GPS基礎(chǔ)概念坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)GPS衛(wèi)星星歷導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號Slide70關(guān)于GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號包括載波信號、P碼（或Y碼）、C/A碼和數(shù)據(jù)碼（或D碼）等多種信號分量，而其中P碼和C/A碼統(tǒng)稱為測距碼。GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生、構(gòu)成和復(fù)制等，都涉及到現(xiàn)代數(shù)字通信理論和技術(shù)方面的復(fù)雜問題，GPS的用戶，一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，對理解GPS定位的原理仍是有必要的。GPS衛(wèi)星信號Slide71GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生與構(gòu)成主要考慮了如下因素；（1）適應(yīng)多用戶系統(tǒng)要求。（2）滿足實(shí)時(shí)定位要求。（3）滿足高精度定位需要。（4）滿足軍事保密要求。GPS衛(wèi)星信號Slide72GPS衛(wèi)星所采用的兩種測距碼，即C/A碼和P碼（或Y碼），均屬于偽隨機(jī)碼。測距碼Slide73C/A碼C/A碼：是用于粗測距和捕獲GPS衛(wèi)星信號的偽隨機(jī)碼。它是由兩個(gè)10級反饋移位寄存器組合而產(chǎn)生。C/A碼的碼長短，共1023個(gè)碼元，若以每秒50碼元的速度搜索，只需20.5s，易于捕獲，所以C/A碼通常也稱捕獲碼。C/A碼的碼元寬度大，假設(shè)兩序列的碼元對齊誤差為為碼元寬度的1/10~1/100，則相應(yīng)的測距誤差為29.3~2.93m。由于精度低，又稱粗碼?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得測距分辨率大大提高。一般最簡單的導(dǎo)航接收機(jī)的偽距測量分辨率達(dá)到0.1米。Slide74P碼P碼是衛(wèi)星的精測碼，碼率為10.23MHZ，產(chǎn)生的原理與C/A碼相似，但更復(fù)雜。發(fā)生電路采用的是兩組各由12級反饋移位寄存器構(gòu)成。P碼的周期長，267天重復(fù)一次。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)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，若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的距離誤差為0.29m，僅為C/A碼的1/10，故P碼稱為精碼。根據(jù)美國國防部規(guī)定，P碼是專為軍用的。目前只有極少數(shù)高檔次測地型接收機(jī)才能接收P碼，而且美國國防部的AS政策更是絕對禁止了非特許用戶應(yīng)用。Slide75GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，是用戶用來定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。導(dǎo)航電文包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行