衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)原理及應用串講

衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)原理與應用1衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)（GNSS）GNSS：GlobalNavigationSatelliteSystem.以導航定位衛(wèi)星發(fā)射的信號來確定載體位置而進行導航的系統(tǒng)。2GPS：美國

GLONASS：俄羅斯

Beidou/Compass：中國

Galileo：歐盟常用GNSS3GPS系統(tǒng)的特點第一，全球地面連續(xù)覆蓋

由于GPS衛(wèi)星的數目較多，且分布合理，所以地球上的任何地點均可同時觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而能達到全球、全天候連續(xù)地三維定位。4GPS系統(tǒng)的特點第二，功能多，精度高

定位精度測速精度授時精度C/A碼單點定位14m(SAOFF)0.3m/s500nsP碼單點定位3m0.1m/s100ns5GPS系統(tǒng)的特點第三，實時定位

利用GPS導航，可以實時地確定運動目標的三維位置和速度，由此既可保障運動載體沿預定航線運行，也可實時監(jiān)測和修正航行路線，選擇最佳航線。6美國政府的GPS政策美國政府在GPS設計中計劃提供兩種服務:一種為精密定位服務（PPS），利用P碼進行定位，只提供給本國及其盟國的軍方和得到特許的民間用戶使用，估計其定位精度為10m。另一種為標準定位服務(SPS)，利用C/A碼定位，提供給民間用戶使用。由于C/A碼作為捕獲P碼之前的前導碼，是一種粗捕獲的明碼，因此估計SPS的定位精度約為400m。7美國政府的GPS政策

但GPS試驗衛(wèi)星階段的多次試驗結果表明，實際定位精度遠遠高于預測值。利用C/A碼的定位精度可達14m，利用P碼的定位精度可達3m。因此美國1984年確立了保護國家安全的兩大政策：

SA(SelectiveAvailability)政策：降低C/A碼定位精度。（1989年在軌GPS衛(wèi)星停止服務兩周進行高頻振動的SA驗證，1990.3-8月間更長時間進行SA技術驗證）

AS(Anti-Spoofing)政策：即防止敵對勢力對P碼信號進行干擾。8

GPS的發(fā)展目標

美國政府還希望在21世紀內將導航系統(tǒng)全面向基于空間技術的系統(tǒng)轉變，為此，需要增強GPS的性能，如提高可靠性和精確性，擴大覆蓋面積，增強信號強度等。

措施一，增加在軌衛(wèi)星數目，由最初的21＋3顆增加到30顆，保證地球上任何一點接收到的衛(wèi)星數不少于5顆，覆蓋面積擴大到南北極、叢林地區(qū)以及2倍的地球同步軌道高度的空間；9GPS的發(fā)展目標

措施二，加載第二民用C／A碼和增設第三民用頻率。

措施三，加強建立民用廣域差分系統(tǒng)WAAS和軍用差分增強系統(tǒng)WAGE。10GPS全球定位系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)由三部分組成空間部分地面控制部分用戶設備部分11GPS系統(tǒng)組成:GPS的空間部分GPS的空間部分的組成GPS衛(wèi)星星座6個軌道面平均軌道高度20200km軌道傾角55

周期11h58min（地球-衛(wèi)星的幾何關系每天提前4min重復一次）12GPS系統(tǒng)組成:GPS的空間部分GPS衛(wèi)星作用：接收、存儲導航電文生成用于導航定位的信號（測距碼、載波）發(fā)送用于導航定位的信號（采用雙相調制法調制在載波上的測距碼和導航電文）接受地面指令，進行相應操作其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設備太陽能電池板原子鐘（銫鐘、銣鐘）信號生成與發(fā)射裝置

13GPS系統(tǒng)組成:地面監(jiān)控部分

地面監(jiān)控部分（GroundSegment）組成主控站：1個監(jiān)測站：5個注入站：3個通訊與輔助系統(tǒng)14GPS系統(tǒng)組成:地面監(jiān)控部分

地面監(jiān)控部分（GroundSegment）分布15GPS系統(tǒng)組成:地面監(jiān)控部分

監(jiān)測站（5個）作用： 接收衛(wèi)星數據，采集氣象信息，并將所收集到的數據傳送給主控站。地點： 夏威夷、主控站及三個注入站。16GPS系統(tǒng)組成:地面監(jiān)控部分主控站（1個）作用：管理、協(xié)調地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，收集各監(jiān)測站的數據，編制導航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護與異常情況的處理。地點：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地。17GPS系統(tǒng)組成:地面監(jiān)控部分

注入站（3個）作用： 將導航電文注入GPS衛(wèi)星。地點： 阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）18GPS系統(tǒng)組成:用戶部分組成用戶接收設備接收設備GPS信號接收機其它儀器設備19GPS系統(tǒng)組成:用戶部分GPS信號接收機組成天線單元帶前置放大器接收天線接收單元信號通道存儲器微處理器輸入輸出設備電源20地球坐標系在衛(wèi)星大地測量中經常用到的地球坐標系有兩種：一種是空間直角坐標系，另一種是大地坐標系。采用空間直角坐標的優(yōu)點是：它不涉及參考橢球體的概念，而且在求兩點之間的距離和方向時，計算公式十分簡單。但其表示點位不夠直觀，不容易在地圖上直接標出。21地圖投影及投影變形將某點的緯度B和經度L換算為地圖坐標X和Y，稱為地圖投影。

x=F1(B，L)y=F2(B，L)由于橢球面是一個曲面，我們不可能把它鋪展成一個平面而不產生某種褶皺和破裂，也就是不可能把整個橢球面或其一部分曲面毫無變形地表示在一個平面上，因此無論對投影函數F1和F2選得如何妥當，總是不可避免地產生變形。22地圖投影的分類按其變形性質分：等角投影：投影后，地圖上任意兩相交短線之間的夾角保持不變。等面積投影：投影后，地圖上面積大小保持正確的比例關系。等距投影：投影后，地圖上從某一中心點到其它點的距離保持不變。方位投影：投影后，地圖上表示的任一點到某一中心點的方位角保持不變。23按投影面分：平面：平面與橢球面在某一點相切；圓錐面：圓錐體面與橢球在某一緯圈相切，或兩緯圈相割；圓柱面：圓柱面/橢圓柱面與橢球在赤道上或某一子午圈上相切。地圖投影的分類24按中心軸線分：正軸投影：軸與橢球的短軸相合；橫軸投影：赤道面上，與橢球短軸正交；斜軸投影：軸位于上述兩種位置之間。地圖投影的分類25高斯投影高斯于1820-1830年提出的一種投影方法，在1912年，克呂格對其進行整理和擴充，并求出實用公式。因此又稱高斯-克呂格投影。目前，中國、德國以及俄羅斯等國家均采用此投影。為橫軸、橢圓柱面、等角（正形）投影。軸子午線上沒有長度變形，其他都有長度變形。并且其變形大小，將與點的橫坐標y的平方成比例，距離軸子午線越遠，變形就越大。26NSc中央子午線赤道高斯投影平面赤道中央子午線想象有一橢圓柱面橫套在地球橢球體外面，并與某一條子午線（稱中央子午線或軸子午線）相切，橢圓柱的中心軸通過橢球體中心，然后用一定的投影方法將中央子午線兩側各一定經差范圍內的地區(qū)投影到橢圓柱面上，再將此柱面展開即成為投影面。27UTM投影為通用橫軸墨卡托投影(UniversalTransverseMercatorProjection)，是1938年美國軍事測繪局提出的，1954年開始采用。其歸屬于高斯投影族，其基本條件為：（1）正形（等角）投影。（2）經度的起點為零子午線，緯度的起點為赤道。UTM投影在整個投影帶內的長度變形較均勻，比高斯投影的長度變形小，其計算可通過高斯坐標獲得：XU=0.9996x,YU=0.9996y。28WGS-84世界大地坐標系(WorldGeodeticSystem)是由美國國防制圖局(defencemappingagency，DMA)建立的一種協(xié)議地球坐標系，是GPS衛(wèi)星導航定位的測量成果，于1987年1月10日開始采用。WGS84系是目前最高精度水平的全球大地測量參考系統(tǒng)。大地坐標系29其坐標原點位于地球的質心，Z軸平行于協(xié)議地球極軸，X軸指向零子午面與赤道的交點（北向），Y軸指向東向，而垂直于X軸的方向，以構成地心地固ECEF（EarthCenteredEarthFixed)的正交坐標系。3031從1993年8月起，GLONASS開始采用1990年地球參數系統(tǒng)PE-90（前蘇聯(lián)PZ-90）發(fā)送星歷數據。

PE-90類似于GPS所用的WGS-84的地球模型，其短半軸為：6378136，扁率為：298.25784。雖然PE-90在全球范圍內擬合的總體效果比WGS-84略差，但是在前蘇聯(lián)區(qū)域地球表面的擬合效果要優(yōu)于WGS-84。地球橢球大小定位定向大小大地體參考橢球PE-90系國家2000系

根據《中華人民共和國測繪法》，我國自2008年7月1日起啟用2000國家大地坐標系，過渡期為8-10年。我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)即應用此坐標系。

2000坐標系是全球地心坐標系，原點為地球質心。采用的地球橢球參數如下：長半軸： a=6378137m

扁率： f=1/298.257222101

地心引力常數：GM=3.986004418×1014m3/s2

自轉角速度：ω=7.292115×10-5rad/s32軸向不同旋轉參數旋轉33軸向不同旋轉參數旋轉原點不同平移參數平移34軸向不同旋轉參數旋轉原點不同平移參數平移尺度不同尺度比參數縮放尺度比35軸向不同旋轉參數旋轉原點不同平移參數平移尺度不同尺度比參數縮放①②③七參數轉換參數36GPS衛(wèi)星信號結構GPS信號是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的已調波，其調制波是衛(wèi)星導航電文和測距碼的組合碼。由衛(wèi)星發(fā)射的導航信號包含：衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘校正參量；測距時間標記，大氣附加延時校正參量；以及與導航有關的其他信息。37GPS衛(wèi)星信號結構38GPS衛(wèi)星信號結構GPS衛(wèi)星信號的組成部分載波（Carrier）L1L2測距碼（RangingCode）C/A碼（目前只被調制在L1上）P(Y)碼（被分別調制在L1和L2上）衛(wèi)星（導航）電文（Message）GPS衛(wèi)星信號的生成關鍵設備–

原子鐘39GPS衛(wèi)星信號結構由衛(wèi)星上的原子鐘直接產生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻GPS衛(wèi)星的基準頻率f040GPS衛(wèi)星信號結構---載波作用搭載其它調制信號測距測定多普勒頻移類型目前L1–頻率：154f0=1575.43MHz；波長：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長：24.42cm

現代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長：25.48cm41GPS衛(wèi)星信號結構---載波特點所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲與信號的頻率有關）42GPS衛(wèi)星信號結構---測距碼作用測距:通過測時實現測距。性質偽隨機噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數為0或1/n（n為碼元數）對齊的同一組碼間的相關系數為1GPS信號中使用了偽隨機碼編碼技術，識別和分離各顆衛(wèi)星信號，并提供無模糊度的測距數據。43偽隨機噪聲碼測距原理

衛(wèi)星發(fā)射一偽隨機噪聲碼，而接收機內也產生一偽隨機噪聲碼，且兩個碼序列是相同的m序列，時間也是精確同步的。當衛(wèi)星信號經過傳播距離的時間延遲?到達接收機，與本地復制碼進行相關處理時，移動本地碼，使相關函數達到最大值，本地碼所移動的延遲值就是衛(wèi)星信號的傳播延遲?（傳播時間），它乘上光速即為所測距離。44GPS衛(wèi)星信號結構---C/A碼和P碼是兩種RPN序列。其作用相當于測距中的定時信號。C/A碼(Coarse/AcquisitionCode，粗碼/捕獲碼):是一種短碼，碼率為f0/10=1.023Mbps，周期為1ms。P碼（PreciseCode，精碼)是一種長碼，其碼率為f0=10.23Mbps。45GPS衛(wèi)星信號結構---導航電文

導航電文是衛(wèi)星以二進碼的形式發(fā)送給用戶的導航定位數據，又稱為數據碼（D碼）。每幀導航電文由1500位組成，分為5個子幀。每個子幀10個字，每字30位。全部導航電文共分25幀，發(fā)送完畢需要12.5min。主要內容：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數、衛(wèi)星鐘參數、大氣延時改正參數、衛(wèi)星狀態(tài)信息、C/A碼轉換到捕獲P碼的信息、全部衛(wèi)星的概略星歷等。46GPS信號構成圖47衛(wèi)星信號的調制P碼調制在L1和L2載波上，而C/A碼僅調制在L1載波上而且與P碼相位相差90度。

GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號為：48GPS定位原理—概述GPS利用TOA（TimeofArrival）測距以確定用戶位置。借助于對多顆衛(wèi)星的TOA測量，便可得到用戶位置。GPS定位的基本幾何原理為三球交會原理。XA,YA,ZAXB,YB,ZBCXC,YC,ZCX,Y,Z已知點的坐標信號傳輸的時間信號傳輸的速度距離4950GPS定位原理—概述GPS系統(tǒng)的定位過程可描述為:圍繞地球運轉的人造衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經過編碼調制的連續(xù)無線電信號，信號中含有衛(wèi)星信號準確的發(fā)射時間，以及不同的時間衛(wèi)星在空間的準確位置(由衛(wèi)星運動的星歷參數和歷書參數描述)；衛(wèi)星導航接收機接收衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號，測量信號的到達時間，計算衛(wèi)星和用戶之間的距離；用導航算法解算得到用戶的位置。51GPS定位的基本原理需解決的兩個關鍵問題如何確定衛(wèi)星的位置如何測量出站星間距離52測距方法雙程測距用于電磁波測距儀單程測距用于GPS53利用測距碼測距距離測定的基本思路信號（測距碼）傳播時間的測定信號傳播時間54利用測距碼進行測距利用測距碼測距的必要條件必須了解測距碼的結構（每顆GPS衛(wèi)星都采用特定的偽噪聲隨機碼）利用測距碼進行測距的優(yōu)點采用的是CDMA（碼分多址）技術易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號可提高測距精度便于對系統(tǒng)進行控制和管理（如AS）55偽距測量的特點優(yōu)點無模糊度缺點精度低（相比載波相位測距）56載波相位測距載波相位測距原理t時刻發(fā)送相位為φ(t)的載波k時刻接收載波相位為φ(k)φ(k)ρφ(t)用戶到衛(wèi)星的偽距ρ=λ(φ(t)-φ(k))/2π57載波相位測距偽隨機碼測距與載波相位測距比較L1載波L2載波C/A碼P-碼

ρ=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m衛(wèi)星發(fā)射的載波及偽隨機碼由于信號量測精度一般優(yōu)于波長的1/100，所以載波的測量精度遠遠高于偽隨機碼58GPS載波相位測量的基本原理理想情況實際情況59載波相位觀測值觀測值整周計數整周未知數（整周模糊度）載波相位觀測值60載波相位測量的特點優(yōu)點精度高，測距精度可達0.1mm量級難點整周未知數問題整周跳變問題61GPS解算過程zyxPD1PD2PD3PD4S1S4S3S2Sn 衛(wèi)星PD1 偽距x,y,z 測站坐標PR1=(XS1-XR)2+(YS1-YR)2+(ZS1-ZR)2+c.dTPR2=(XS2-XR)2+(YS2-YR)2+(ZS2-ZR)2+c.dTPR3=(XS3-XR)2+(YS3-YR)2+(ZS3-ZR)2+c.dTPR4=(XS4-XR)2+(YS4-YR)2+(ZS4-ZR)2+c.dTXSN;YSN;ZSN…已知衛(wèi)星坐標XR;YR;ZR…測站坐標 4個觀測量 4個等式 4個參數空間大地直角坐標大地坐標XR

緯度（B）YR 經度（L）ZR

高程(h)dT 時間T坐標轉換62幾何精度衰減因子（DOP）

當偽距測距誤差一定時，觀測站與參與定位的衛(wèi)星間幾何關系的差異將直接影響定位誤差。為描述衛(wèi)星間的相對幾何關系，引入了精度衰減因子（DilutionofPrecision，DOP）的概念。假設σ為偽距測量中的誤差，σx、σy、σz、σt分別為對應于x、y、z和接收機鐘差的誤差，則有以下幾種精度衰減因子的定義：

平面位置精度因子HDOPHDOP=（σ2x+σ2y）1/2/σ63幾何精度衰減因子（DOP）高度精度因子VDOPVDOP=σz/σ位置精度因子PDOP

PDOP=（σ2x+σ2y+σ2z

）1/2/σ時間精度因子TDOPTDOP=σt/σ?guī)缀尉纫蜃覩DOPGDOP=（σ2x+σ2y+σ2z+σ2t

）1/2/σ64幾何精度衰減因子（DOP）

GDOP反映了由于衛(wèi)星幾何關系的影響造成的偽距測量誤差與用戶誤差間的比例系數。GDOP值越小，定位效果越好。它與所選的坐標系無關，可以作為用戶選星的主要依據。一般地，用戶到各觀測GPS衛(wèi)星聯(lián)線的張角都較大時，GDOP值較小?；蛘哒f，處于測站上空的4顆衛(wèi)星形成的四面體的體積最大時，GDOP最小。

65GPS系統(tǒng)誤差分析66GPS系統(tǒng)的主要誤差源與衛(wèi)星有關的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對論效應與傳播途徑有關的誤差電離層延遲對流層延遲多路徑效應與接收設備有關的誤差接收機天線相位中心的偏移和變化接收機鐘差接收機內部噪聲67消除或消弱各種誤差影響的方法模型改正法原理：利用模型計算出誤差影響的大小，直接對觀測值進行修正適用情況：對誤差的特性、機制及產生原因有較深刻了解，能建立理論或經驗公式所針對的誤差源相對論效應電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星鐘差限制：有些誤差難以模型化68消除或消弱各種誤差影響的方法求差法原理：通過觀測值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測值中所包含的相同或相似的誤差影響。適用情況：誤差具有較強的空間、時間或其它類型的相關性。所針對的誤差源電離層延遲對流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關性將隨著測站間距離的增加而減弱69消除或消弱各種誤差影響的方法參數法原理：采用參數估計的方法，將系統(tǒng)性偏差求出來適用情況：幾乎適用于任何的情況限制：不能同時將所有影響均作為參數來估計70消除或消弱各種誤差影響的方法回避法原理：選擇合適的觀測地點，避開易產生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測方法；采用特殊的硬件設備，消除或減弱誤差的影響。適用情況：對誤差產生的條件及原因有所了解；可選擇觀測地點；具有特殊的設備。所針對的誤差源電磁波干擾多路徑效應限制：無法完全避免誤差的影響，具有一定的盲目性。71衛(wèi)星星歷（軌道）誤差星歷誤差對單點定位的影響：星歷誤差對單點定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機的距離以及用于定位或導航的GPS衛(wèi)星與接收機構成的幾何圖形廣播星歷（預報星歷）的精度

(無SA)

20～40米

(有SA)

100米精密星歷（后處理星歷）的精度 可達1厘米，只提供給特許用戶應對方法精密定軌(后處理)相對定位或差分定位72衛(wèi)星時鐘誤差

GPS測量定位實質上是一個測時-測距定位系統(tǒng)，所以，GPS測量定位精度與時鐘誤差密切相關。GPS時間系統(tǒng)由GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)確定和保持GPS衛(wèi)星的原子鐘，與GPS標準時之間偏差總量在1~0.1ms以內由此引起的等效距離誤差將達300~30km。因此，必須予以精確修正。73衛(wèi)星時鐘誤差應對方法模型改正 鐘差改正多項式

其中a0為ts時刻的時鐘偏差，a1為鐘的漂移，a2為老化率。用導航電文對衛(wèi)星鐘差進行改正后，各衛(wèi)星鐘時與GPS標準時之間的差異(同步誤差)可保持在20ns以內。由此引起的等效距離誤差將不超過6m。相對定位或差分定位可有效的消除美國SA政策引起的星鐘誤差74相對論效應對衛(wèi)星鐘的影響狹義相對論觀點一個頻率為f0的振蕩器安裝飛行速度為v的載體上，由于載體的運動，對地面觀測者來說將產生頻率變化。廣義相對論觀點處于不同等位面的振蕩器，其頻率將由于引力位不同而發(fā)生變化。相對論效應的影響并非常數，經改正后仍有殘差，它對GPS時的影響最大可達70ns，對精密定位仍不可忽略。狹義相對論＋廣義相對論為消除相對論效應的影響，衛(wèi)星上時鐘應比地面調慢約4.5×10-3Hz75電離層延遲誤差由于電離層中氣體分子受到太陽等天體的射線的輻射，產生強烈的電離，形成大量的自由電子和正離子。對衛(wèi)星信號產生影響，使信號路徑發(fā)生彎曲，傳播速度也受影響。對于同一個觀測站，不同觀測方向其電離層延遲誤差不同：天頂方向的電離層延遲誤差最小，仰角越低的方向，電離層誤差越大（范圍大致為2～150m）。不同觀測站的電離層延遲誤差不同；但相距不遠的兩點（如30~50km以內）的電離層延遲誤差相關性很強，可近似認為同一衛(wèi)星的電離層延遲誤差基本相同。76消除電離層延遲誤差的方法經驗模型改正方法：根據以往觀測結果所建立的模型改正效果：差雙頻改正方法：利用雙頻觀測值直接計算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測量效果：改正效果最好實測模型改正方法：利用實際觀測所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內插）效果：改正效果較好相對定位或差分定位77對流層延遲誤差及改正78消除對流層延遲誤差的方法利用對流層誤差修正模型加以修正

存在模型誤差和氣象元素誤差利用同步觀測值求差

相對定位或差分定位79多路徑誤差和多路徑效應多路徑（Multipath）誤差在GPS測量中，被測站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號（反射波）被接收機天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號（直接波）產生干涉，從而使觀測值偏離真值產生所謂的“多路徑誤差”。多路徑效應由于多路徑的信號傳播所引起的干涉時延效應稱為多路徑效應。80減少多路徑影響的措施觀測上選擇合適的測站，避開易產生多路徑的環(huán)境易發(fā)生多路徑的環(huán)境81減少多路徑影響的措施硬件上采用抗多路徑誤差的儀器設備抗多路徑的天線：帶抑徑板或抑徑圈的天線，極化天線抗多路徑的接收機：窄相關技術MEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)等82應對多路徑誤差的方法數據處理上加權參數法濾波法信號分析法83觀測誤差一般認為觀測的分辨誤差約為信號波長的1%。信號波長/m觀測誤差/m

C/A碼2932.9

P碼29.30.3

L1載波0.19052.0×10-3

L2載波0.24452.5×10-384接收機的鐘差定義：GPS接收機一般采用石英鐘，接收機鐘與理想的GPS時之間存在的偏差和漂移。應對方法作為未知數處理相對定位或差分定位當定位精度要求較高時，可以采用高精度的外接頻標(即時間標準)85接收機的位置偏差定義接收機天線的相位中心相對測站中心位置的偏差。應對方法正確的對中整平采用強制對中裝置（變形監(jiān)測時）86接收機天線相位中心偏差

接收機天線相位中心變化的改正GPS測量和定位時是以接收機天線的相位中心位置為準的，天線的相位中心與其幾何中心理論上應保持一致?？墒墙邮諜C天線接收到的GPS信號是來自四面八方，隨著GPS信號方位和高度角的變化，接收機天線的相位中心的位置也在發(fā)生變化。87接收機天線相位中心偏差應對方法使用相同類型的天線并進行天線定向（限于相對定位）模型改正88載波相位觀測的整周未知數觀測值整周計數整周未知數（整周模糊度）載波相位觀測值89載波相位觀測中的整周跳變周跳T

90GPS測量定位方法分類定位模式絕對定位（單點定位）相對定位差分定位定位時接收機天線的運動狀態(tài)靜態(tài)定位－天線相對于地固坐標系靜止動態(tài)定位－天線相對于地固坐標系運動獲得定位結果的時效事后定位實時定位觀測值類型偽距測量載波相位測量91單點定位優(yōu)點：只需一臺接收機便可獨立定位，觀測的組織與實施簡便，數據處理簡單，可瞬時定位。缺點：精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度低應用領域：低精度導航、資源普查、軍事、...

92相對定位定義確定進行同步觀測的接收機之間相對位置的定位方法，稱為相對定位。定位結果與所用星歷同屬一坐標系的基線向量（坐標差）及其精度信息基線向量中含有：2個方位基準（一個水平方位，一個垂直方位）和1個尺度基準，不含有位置基準93相對定位特點優(yōu)點：定位精度高缺點：多臺接收共同作業(yè)，作業(yè)復雜數據處理復雜不能直接獲取絕對坐標應用高精度測量定位及導航相對定位94GPS差分定位GPS相對定位測量的位置是相對于某一己知點的位置，而不是在WGS84坐標系中的絕對位置。差分定位DGPS（DifferentialGPS)：利用設置在坐標已知的點（基準站）上的GPS接收機測定GPS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內其它GPS接收機（流動站）測量定位精度的方法。95DGPS差分GPS產生的誘因：絕對定位精度不能滿足要求GPS絕對定位的精度受多種誤差因素的影響，不完全滿足某些特殊應用的要求美國的GPS政策對GPS絕對定位精度的影響（選擇可用性SA）SA關閉前后GPS絕對定位精度的變化96DGPS差分定位至少需要兩臺GPS接收機，分別安裝在待測載體和一已知坐標點上。兩接收機同時對一組在視GPS衛(wèi)星進行觀測，基準接收機（參考站）為載體接收機（移動站）提供差分改正數。載體接收機用自己的GPS觀測值和來自主站的差分信息，精確地解算出用戶的三維坐標。主站通過無線電發(fā)送機（電臺）發(fā)送差分信息（RTCMSC-104格式），從站通過電臺接收差分信息，從而構成了DGPS數據鏈。97DGPS信息流程圖98影響絕對定位精度的主要誤差主要誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差大氣延遲（電離層延遲、對流層延遲）多路徑效應接收機相關的誤差對定位精度的影響99DGPS的基本原理誤差的空間相關性：以上各類誤差中除多路徑效應和接收機的固有誤差外，均具有較強的空間相關性，從而定位結果也有一定的空間相關性。差分GPS的基本原理：利用基準站（設在坐標精確已知的點上）測定具有空間相關性的誤差或其對測量定位結果的影響，供流動站改正其觀測值或定位結果100各種誤差對差分定位結果的影響衛(wèi)星軌道誤差–

削弱衛(wèi)星鐘差–

消除大氣折射誤差–

削弱接收機鐘差–

消除接收機天線相位中心偏差和變化–

消弱101DGPS特點優(yōu)點：定位精度高、可獲取絕對坐標。缺點：多臺接收共同作業(yè)，作業(yè)復雜數據處理復雜應用大地測量大型建筑物變形監(jiān)測高精度定位及導航102差分GPS的主要類型

根據差分GPS基準站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為4類：位置差分偽距差分相位平滑偽距差分載波相位差分。103GPS干擾和抗干擾技術GPS抗干擾技術由于在GPS系統(tǒng)的設計階段，設計者并沒有把該系統(tǒng)在干擾環(huán)境下工作的能力放到很高的地位去考慮，僅僅把它作為戰(zhàn)爭環(huán)境下一種導航輔助手段，并沒有考慮在復雜電磁環(huán)境下工作，所以GPS很容易受到干擾。104GPS系統(tǒng)易受干擾的主要原因GPS下行鏈路的信號強度很弱，GPS用戶的接收機靈敏度高，較低功率的射頻信號就可對GPS信號產生較大的干擾。GPS衛(wèi)星使用高穩(wěn)定的固定頻率載波傳送數據，因此在其衛(wèi)星信號的中心頻率附近的其它射頻信號對其產生干擾。GPS接收機只能識別信號的結構，較難辨別信號的真?zhèn)?，只要使欺騙信號與衛(wèi)星信號結構相同就可達到有效欺騙的目的。GPS接收機為了正確的導航定位需要跟蹤接收多顆衛(wèi)星的信號，接收機天線的方向圖呈半球狀，因此其天線在空域對射頻干擾的抑制能力較弱。因此，GPS在抗電磁干擾方面的能力相當薄弱。105GPS抗干擾措施

針對GPS易受干擾這一弱點，已經掌握及近期有望投入使用的抗干擾技術有:(1)直接P(Y)碼捕獲技術(2)采用自適應調零天線技術(3)GPS與慣性導航系統(tǒng)(INS)組合技術(4)抗干擾濾波器技術(5)研制對GPS干擾源的探測和定位系統(tǒng)(6)陸基偽衛(wèi)星技術(7)改進現役的GPS接收機106GPS干擾技術體制

未來美國所有軍用接收機將改用直接P(Y)碼捕獲技術，要想取得對軍用GPS接收機的有效干擾，必須直接從P(Y)碼信號的干擾入手。對接收機的干擾主要有下面兩類方法：壓制式干擾

C/A碼的瞄準式干擾

C/A碼的阻塞式干擾相關干擾欺騙式干擾

生成式干擾轉發(fā)式干擾107108GLONASS概述

GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)是前蘇聯(lián)研制，由俄羅斯完善的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)。也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設備三部分組成?，F在由俄羅斯空間局管理。109GLONASS與GPS的比較

1時間系統(tǒng)的差異GPS衛(wèi)星時和系統(tǒng)時是一個連續(xù)的時標，而GLONASS衛(wèi)星時和系統(tǒng)時是一個不連續(xù)的時標，包括UTC時在內，都包含著跳秒。

GPS系統(tǒng)時是以UTC時間1980年1月6日零點為起始點，并且給出星期數和星期開始的秒數。GLONASS系統(tǒng)時是以上一次閏年的開始時為起始點，并給出天數和每天開始時的秒數。1102坐標系的差異GLONASS采用前蘇聯(lián)PE-90地心坐標系，而GPS采用WGS-84世界地心坐標系。1113信號特性的差異

GPS采用CDMA方式來區(qū)別不同的衛(wèi)星信號，GLONASS采用FDMA方式來區(qū)別不同的衛(wèi)星信號。因此，GLONASS接收機抗干擾能力較強，但結構復雜，成本高。112GALILEO概述

伽利略計劃，實際上是一個歐洲的全球導航服務計劃。它是世界上第一個專門為民用目的設計的全球性衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，與GPS的原始設計目標相比，它將更加先進、有效、可靠。其總體思路具有四大特點：自成獨立體系；能與其它的GNSS系統(tǒng)兼容互動；具備先進性和競爭能力；公開進行國際合作。這與GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)完全由軍方控制形成了鮮明的對比，也為該系統(tǒng)未來廣闊的應用領域提供了有利的保障。113GALILEO概述

這套包括30顆衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)耗資36多億歐元，計劃在2014年建成，可以為用戶提供誤差不超過1米，甚至20厘米的精確定位服務。

“伽利略”系統(tǒng)實現了完全非軍方控制、管理。該系統(tǒng)是由歐空局和歐洲聯(lián)盟發(fā)起并提供主要資金支持?！百だ浴毕到y(tǒng)能夠與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)實現多系統(tǒng)內的相互合作，能夠保證在許多特殊情況下提供服務。114系統(tǒng)可提供的服務

雖然提供的信息仍還是位置、速度和時間，但是伽利略提供的服務種類遠比GPS多，GPS僅有標準定位服務(SPS)和精確定位服務(PPS)兩種，而Galileo則提供五種服務：公開服務(OS：OpenService)，與GPS的SPS相類似，免費提供；商業(yè)服務(CS:Commercial)；生命安全服務(SoLS:SafeofLifeService)；公共特許服務(PRS:PublicRegularService)；搜救(SAR)服務。115三種系統(tǒng)的比較116雙靜止衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)GPS、GLONASS和GALILEO均屬全球無源定位導航系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的突出優(yōu)點是:用戶不發(fā)射信號、僅接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，由用戶完成對信號的處理以及定位解算；用戶因不發(fā)射無線電波而處于隱蔽狀態(tài)，不會暴露，這對于軍事用戶是很重要的；從理論上講，系統(tǒng)可為無窮多用戶提供導航服務，用戶數量不受限制。117雙靜止衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)無源定位系統(tǒng)主要不足是:

用戶與用戶、用戶與地面系統(tǒng)之間無法進行通訊，地面系統(tǒng)不能知道系統(tǒng)中任何用戶的位置和情況。然而，在某些情況下，用戶與用戶、用戶與地面系統(tǒng)或指揮管理中心之間的信息交換是非常重要的，在這種情況下，要求系統(tǒng)除了導航定位功能外，還需具有通信功能。118雙靜止衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)系統(tǒng)的組成

雙靜止衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)由空間衛(wèi)星部分、地面系統(tǒng)部分和用戶3大部分組成。119雙靜止衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)的功能

雙靜止衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)的主要功能有：

快速定位 實時