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卫星定位系统原理(二）
2、全球定位系统（GPS）
该系统的全称是：卫星测时测距导航/全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）。
1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统——全球定位系统（GPS）。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。
GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。整个系统分为卫星星座、地面监测控制系统和用户设备三大部分。论证阶段发射了11颗BlockⅠ型GPS实验卫星（设计使用寿命为5年）；在试验生产阶段发射了28颗BlockⅡ型和BlockⅡA型GPS工作卫星（第二代卫星的设计使用寿命为7.5年）；第三代改善型GPS卫星BlockⅡR和BlockⅢ型GPS工作卫星从90年代末开始发射计划发射20颗，以逐步取代第二代GPS工作卫星，改善全球定位系统。
2.1全球定位系统（GPS）的组成
（1）卫星星座：如图3所示，全球定位系统的空间卫星星座，由分布在六个独立轨道的24颗GPS卫星组成（其中包括3颗备用卫星），平均每个轨道上分布4颗卫星，各轨道升交点的赤经相差60°。卫星轨道倾角i =55°；卫星运行周期T=11h58m（恒星时12小时）；卫星高度H=20200km；卫星通过天顶附近时可观测时间为5小时，在地球表面任何地方任何时刻高度角15度以上的可观测卫星至少有4颗，平均有6颗，最多达11颗。
（2）地面系统：地面设有5个卫星监测跟踪站； 1个主控站；3个信息注入站（分布情况如图4所示）。
5个监测站分别位于夏威夷、科罗拉多、阿松森、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，主要负责监测卫星的轨道数据、大气数据以及卫星工作状态。通过主控站的遥控指令监测站自动采集各种数据：对可见GPS卫星每6分钟进行一次伪距测量和多普勒积分观测、采集气象要素等数据，每15分钟平滑一次观测数据。所有观测资料经计算机初处理后储存和传送到主控站，用以确定卫星的精确轨道。主控站设在美国科罗拉多州的一个军事基地的山洞里。主控站主要负责协调和管理地面监控系统，根据各监测站资料，推算预报各卫星的星历、钟差和大气修正参数编制导航电文；对监测站的钟差、偏轨或失效卫星实行调控和调配。并将导航电文、指令传送到注入站。3个注入站分别位于阿松森、迭哥伽西亚、卡瓦加兰——赤道带附近的美国海外空军基地。注入站主要任务是：将主控站推算和编制的卫星星历、
导航电文、控制指令注入相应的卫星的存储系统，并监测GPS卫星注入信息的正确性。
2.2 全球定位系统的技术特点
（1）定轨精度：目前的GPS卫星的跟踪技术条件，以及地球重力场模型的球阶函数的引力摄动修正等等精确定轨的推算技术手段，都比70年代优胜高明得多，因此卫星定轨精度也比过去高得多。
广播星历：是由美国本土以及海外军事基地上的5个卫星监测站的观测数据解算的。因测站数量少，故卫星定轨精度不高。广播星历所预报的卫星位置的切向误差±5m；径向误差±3m；法向误差±3m。
精密星历：是由美国国防制图局根据全球20多个卫星跟踪站的观测资料解算的，因测站数量多且分布范围广故卫星定轨精度较广播星历高一个数量级。值得指出的是，由国际GPS地球动力学服务组织（IGS）所测算预报精密星历比美国军方测定的精密星历的精度要高得多，卫星位置精度可达±3厘米。
（2）卫星性能：GPS卫星直径1.5米；重量为843.68公斤（包括310公斤燃料）；GPS卫星通过12根螺旋阵列天线发射张角约为30度的电磁波束垂直指向地面。GPS卫星采用陀螺仪与姿态发动机构成的三轴稳定系统实现姿态稳定，从而使天线始终指向地面。卫星还装有8块太阳能电池翼板（7.2 m2），三组15A的镍镉蓄电池为卫星提供所需的电能。
（3）卫星信号：卫星配有4台频率相当稳定（量时精度为10-13秒）的原子钟（2台铯钟，2台铷钟），由此产生一个频率为: 10.23MHz的基准钟频信号。该信号经过倍频器降低10倍的频率后，成为频率为1.023MHz测距粗码（C/A码）的信号频率；基准钟频信号的频率10.23MHz，直接成为测距精码（P码）的信号频率；基准钟频信号经过倍频器降低204600倍的频率后，成为频率为50MHz数据码（卫星星历、导航电文的编码）的信号频率；基准钟频信号再经过倍频器倍频150倍和120倍频后，分别形成频率为1575.42MHz（L1）与1227.60MHz（L2）载波信号。测距用的码频信号控制着移位寄存器的触发端，从而产生与之频率一致的伪随机码（测距码），测距码与数据码模二相加后再调制到L1 L2载波信号上通过卫星天线阵列发送出去。值得指出的是：无论是测距码的波长还是载波信号的波长，都是测量GPS卫星到观测点距离的物理媒体，它们的频率越高波长越短所测量的距离精度就越高，定位精度也就越高。另外C/A码除了用于测距外，它还用于识别锁定卫星和解调导航电文以及捕获P码。
（4）定位精度：利用伪随距码（测距码）的信号单机测量，理论上按照目前测距码的对齐精度约为码波长的1/100计算，测距粗码 （C/A码）的测距精度约为±3m； 而测距精码（P码）的测距精度约为±0.3m 。为了消除公共误差提高定位精度，可利用2台以上的载波相位GPS定位仪实行联测定位，对于载波信号单频机的相对定位精度可达:±（5mm+2ppm×D）其中D为两台仪器的相对距离；对于载波信号双频机，它能有效的消除电离层延时误差，其相对定位精度可达:±(1mm+1ppm×D)；全球定位技术不但精度高，而且定位速度快，可以满足飞机、导弹、火箭、卫星等高速运动载体的导航定位的需要。
2.3 全球定位系统的定位原理
GPS定位的几何原理并不复杂，它是利用测距交会的原理确定测点位置的。如图5所示，GPS卫星任何瞬间的坐标位置都是已知的。一颗GPS卫星（Sn）信号传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机（P）的距离（Dn），但并不能确定接收机相对于卫星的方向，在三维空间中，GPS接收机的可能位置构成一个以Sn为中心以Dn为半径球面（称为定位球）；当测到两颗卫星的距离时，接收机的可能位置被确定于两个球面相交构成的圆上；当得到第三颗卫星的距离后，第三个定位球面与该圆相交得到两个可能的点；第四颗卫星确定的定位球便交出接收机的准确位置。因此，如果接收机能够同时得到四颗GPS卫星的测距信号，就可以进行瞬间定位；当接收到信号的卫星数目多于四颗时，可以优选四颗卫星计算位置，或以信噪比最高的卫星数据作为平差标准与其他多颗卫星数据进行平差计算，以消除公共误差提高定位精度。如果不考虑测量距离的误差修正，整个定位过程是：测量站星几何距离Dn通过导航电文提供的卫星坐标S（Xs，Ys，Zs）利用定位球方程式：
求解4个定位球相交的公共点P（Xp，Yp，Zp）。
按GPS定位测量的技术手段分类，可分为伪随机码相位测量与载波相位测量两类。由于篇幅限制这里只讨论伪随机码相位测量原理：简而言之伪随机码相位测量时，GPS接收机利用码分多址技术与码相关锁相放大技术，同时对4颗以上卫星的测距信号进行伪距（站星真空距离）测定，再通过对伪距的多项修正后的站星几何距离解算测站坐标。
伪码测量的具体步骤为：①接收机将本机产生C/A码与卫星发射C/A码模二和，求自相关系数R(t)；②当自相关系数R(t) = -1/N（有相位差码序不齐）时，延时器将本机码元相位后移，直至R(t)= 1 （码序对齐）时锁定信号，并解读导航电文。 ③接收机根据本机信号的延时量（Δt）计算GPS卫星到接收机伪距（D’= CΔt）。 ④再对伪距（D’）经过对流层延时改正、电离层延时改正、钟差钟漂改正等多项修正后，成为近似的几何距离（D），连同导航电文的卫星坐标 S（Xs，Ys，Zs）代入定位球方程解算测点坐标P（Xp，Yp，Zp）。
按GPS定位方法分类可分：
①绝对定位：在未知点上用GPS定位仪（单机）测定站星距离，从而独立解算测点WGS-84坐标的过程。
②相对定位：在一定距离内，用两台以上GPS定位仪同时测定站星距离，通过求差的方法解算测点间基线向量的过程。
③静态定位：在定位过程中，GPS定位接收机始终处于静止接收状态的定位方法。
④动态定位：在定位过程中，GPS定位接收机始终处于运动接收状态的定位方法。
2.4 美国对GPS用户的限制性政策
由于GPS定位技术与美国的国防现代化发展密切相关,因而美国从自身的安全利益出发,限制非特许用户利用GPS定位精度。GPS系统除在设计方面采取了许多保密性措施外，还对GPS用户实施SA与A-S限制性政策，具体做法有：
①对不同的GPS用户提供不同的服务方式：GPS系统在信号设计方面就区分了两种精度不同的定位服务方式，即标准定位服务方式（SPS）和精密定位服务方式（PPS）。
标准定位服务方式（SPS）它通过美国军方已经公开的卫星识别码（C/A码）解调广播星历的导航电文，进行定位测量的，其单点定位精度约为20～40m。
精密定位服务方式（PPS）是美国军方或者美国同盟国的特许用户使用的，其单点定位精度约为2～4m。使用这种服务方式一定要事先知道加密码（W码）和精码（P码）的编码结构。否则便无法解调锁定P码进而解读精密星历，实施精密测距。因此W码与P码对于非特许用户是绝对保密的。
②选择性可用（SA）政策——对（SPS）服务实施干扰：为了进一步降低标准定位服务方式（SPS）的定位精度，以保障美国政府的利益与安全，对标准定位服务的卫星信号实施δ技术和ε技术的人为干扰。
w δ技术——将钟频信号加入高频抖动使C/A码波长不稳定。
w ε技术——将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度。
在SA政策的影响下，SPS服务的垂直定位精度降为±150m，水平定位精度降为±100m。科学家利用GPS差分技术，可以明显削弱SA政策导致的系统性误差的影响。但对于使用精密定位服务（PPS）的特许用户，则可以通过密匙自动消除SA影响。
SA政策1991年7月1日实施，因印影响美国商业利益，于2000年5月2日取消SA政策。
③反电子欺骗技术（A-S）——对P码实施加密：尽管P码的码长是一个非常惊人的天文数字（码长为2.35×1014比特）至今无法破译，但是美国军方还是担心一旦P码被破译，在战时敌方会利用P码调制一个错误的导航信息，诱骗特许用户的GPS接收机错锁信号——导致错误导航。为了防止这种电子欺骗，美国军方将在必要时引入机密码（W码），并通过P码与W码的模二相加转换为Y码，即对P码实施加密保护：
P W=Y
由于W码对非特许用户是严格保密的，所以非特许用户将无法应用破密的P码进行精密定位和实施上述电子欺骗。
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