GNSS測量技術(shù)：GNSS組成與衛(wèi)星信號

3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化3.3衛(wèi)星運動3.4GPS衛(wèi)星星歷3.5GPS衛(wèi)星信號3.6GNSS接收機GNSS組成與衛(wèi)星信號美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的BDS在系統(tǒng)組成及工作原理等方面均極為相似，鑒于美國GPS系統(tǒng)是建成最早也最成熟的系統(tǒng)，故本章以GPS系統(tǒng)為例介紹了GNSS的系統(tǒng)構(gòu)成、衛(wèi)星運動、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星信號和GNSS接收機等內(nèi)容。3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成GPS全球定位系統(tǒng)由空間、地面段和用戶段三個部分組成，如圖3-1所示。GPS衛(wèi)星可連續(xù)向用戶播發(fā)用于進行導(dǎo)航定位的測距信號和導(dǎo)航電文，并接收來自地面監(jiān)控系統(tǒng)的各種信息和命令以維持系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)；3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成

地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括跟蹤GPS衛(wèi)星，對其進行距離測量，確定衛(wèi)星的運行軌道及衛(wèi)星鐘改正數(shù)，進行預(yù)報后再按規(guī)定格式編制成導(dǎo)航電文，并通過注入站送往衛(wèi)星。地面監(jiān)控系統(tǒng)還能通過注入站向衛(wèi)星發(fā)布各種指令，調(diào)整衛(wèi)星的軌道及時鐘讀數(shù)，修復(fù)故障或啟用備用件等；

用戶則用GPS接收機來測定從接收機至GPS衛(wèi)星的距離，并根據(jù)衛(wèi)星星歷所給出的觀測瞬間衛(wèi)星在空間的位置等信息解算自己的三維位置、三維運動速度和鐘差等參數(shù)。

3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成

圖3-1GPS系統(tǒng)組成3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成3.1.1空間段GPS空間段是由空間運行的24顆衛(wèi)星按照一定的規(guī)則組成的GPS衛(wèi)星星座，這樣衛(wèi)星的空間布局保證了用戶在全球上的任意位置和任意時刻至少能同時觀測到4顆衛(wèi)星，最多可同時觀測到11顆衛(wèi)星，從而保證了GPS系統(tǒng)實時三維導(dǎo)航定位的能力。圖3-2GPS衛(wèi)星星座3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)展至今，GPS系統(tǒng)已先后發(fā)展出BlockI（實驗衛(wèi)星）、BlockII、BlockIIA、BlockIIR、BlockIIR-M、BlockIIF、BlockIII及BlockIIIF型共八代衛(wèi)星，其中BlockI（實驗衛(wèi)星）、BlockII、BlockIIA、BlockIIR型目前已全部退役，目前在軌GPS衛(wèi)星主體呈長方體，兩側(cè)有太陽能帆板，能自動對日定向。太陽能電池為衛(wèi)星提供工作用電。每顆衛(wèi)星都配備有多臺原子鐘，可為衛(wèi)星提供高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星上帶有燃料和噴管，可在地面控制系統(tǒng)的控制下調(diào)整自己的運行軌道。GPS衛(wèi)星的基本功能是：①接收并存儲來自地面控制系統(tǒng)的導(dǎo)航電文。②在原子鐘的控制下自動生成測距碼和載波。③并將測距碼和導(dǎo)航電文調(diào)制在載波上播發(fā)給用戶。④按照地面控制系統(tǒng)的命令調(diào)整軌道和衛(wèi)星鐘，修復(fù)故障或啟用備用件以維護整個系統(tǒng)的正常工作。3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成3.1.2地面段主要由分布于全球各地的若干個跟蹤站組成，按照其功能和作用的不同可分為主控站、監(jiān)控站和注入站。其中主控站的數(shù)量為1個，監(jiān)控站的數(shù)量為5個，注入站的數(shù)量為3個（現(xiàn)代化之前）。圖3-3早期的GPS地面監(jiān)控站位置分布示意3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成1.主控站主控站位于美國的科羅拉多斯普林斯（ColoradoSprings）的空間聯(lián)合中心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的工作，主要有以下四項任務(wù)：

（1）對本站和監(jiān)測站收到的全部數(shù)據(jù)進行收集和處理，同時對各個衛(wèi)星的星歷、鐘差和大氣改正等參數(shù)進行推算和編制，將其傳送到注入站。

（2）對偏離軌道的衛(wèi)星進行糾正。

（3）為全球定位系統(tǒng)提供精確的時間基準(zhǔn)。

（4）對衛(wèi)星進行調(diào)度。3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成2.監(jiān)測站監(jiān)控站是無人值守的數(shù)據(jù)自動采集中心，早期的監(jiān)測站共有五個一個位于美國的夏威夷（Hawaii），余下位于迪戈加西亞（DiegoGarcia）、阿森松島（Ascension）和夸賈林（Kwajalein）的監(jiān)測站與注入站重疊，位于科羅拉多斯普林斯（ColoradoSprings）的監(jiān)測站與主控站重疊。主要功能包括：（1）對視場內(nèi)的所有GPS衛(wèi)星進行偽距測量；（2）通過氣象傳感器自動測定并記錄氣溫、氣壓、相對濕度（水氣壓）等氣象參數(shù)；（3）對偽距觀測值進行改正后再進行編輯、平滑和壓縮，然后傳送給主控站。3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成3.注入站

注入站現(xiàn)有3個，分別位于印度洋的迪戈加西亞（DiegoGarcia）、南大西洋的阿森松島（Ascension）和南太平洋的夸賈林（Kwajalein）其主要設(shè)備為一根直徑達3.6m的天線、一臺計算機和一臺C波段發(fā)射機。注入站的主要任務(wù)是將主控站需傳輸給衛(wèi)星的資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲器中，供GPS衛(wèi)星向用戶播發(fā)。3.1.3用戶段GPS用戶設(shè)備即信號接收機，包括硬件和軟件兩部分，其作用是放大、變換和處理所接收的GPS信號，從而得出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，從而實時計算出測站的三維位置、三維速度和時間。3.2.1美國GPS政策1.選擇可用性（SelectiveAvability,SA）為防止敵對方利用GPS危害美國的國家安全，美國國防部從1991年7月1日起在所有的工作衛(wèi)星上實施SA技術(shù)。SA政策分別通過ε技術(shù)和δ技術(shù)兩種方法實現(xiàn)，ε技術(shù)的實質(zhì)是通過在衛(wèi)星的廣播星歷中人為地加入誤差以降低衛(wèi)星星歷的精度，該方法引入的衛(wèi)星星歷誤差在50~150m之間變化，其周期一般為數(shù)小時。δ技術(shù)的實質(zhì)是人為的向衛(wèi)星鐘引入偽隨機高頻抖動，降低衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性，實施δ技術(shù)所產(chǎn)生的測距誤差可達±50m左右，其變化周期一般為數(shù)分鐘。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化

SA實施后，未經(jīng)美國政府授權(quán)的全世界廣大用戶使用全球定位系統(tǒng)SPS服務(wù)的精度將被降低為：平而位置±100m，高程±156m，速度±0.3m/s，時間±340ns。圖3-4SA政策取消前后SPS精度變化3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化2001年5月1日，美國政府宣布廢除SA政策并于2001年5月2日4時左右正式實施，美國廢除SA的原因主要有：(1)蘇聯(lián)的解體和東歐劇變使國際形勢發(fā)生極大變化，美國的國家安全威脅迅速降低。(2)美國GPS產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展要求政府對GPS政策作出調(diào)整。(3)差分GPS的發(fā)展以及軍方局部地區(qū)實施SA的技術(shù)的成熟，使得SA政策已無太大實際意義。(4)來自于俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的競爭。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化2.反電子欺騙（Anti-Spoofing,AS）AS政策是美國國防部為防止敵對方對GPS衛(wèi)星信號進行電子欺騙和電子干擾而采取的一種措施.其具體做法是在P碼上加上嚴(yán)格保密的W碼，使其模二相加產(chǎn)生完全保密的P（Y）碼。AS政策從本意上講是一種防衛(wèi)性的措施，它進一步限制了廣大非特許用戶使用Y碼的可能性，該措施從1994年1月31日起實施至今，與SA政策是各自獨立實施的。近年來，經(jīng)過接收機生產(chǎn)廠家的不懈努力，在AS政策實施的情況下，未經(jīng)美國政府授權(quán)的一般測量用戶如采用Z跟蹤技術(shù)仍能利用P碼來進行測距，從而可有效的克服了AS政策所造成的不利影響。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化3.應(yīng)對GPS限制政策的措施（1）發(fā)展差分GPS技術(shù)差分GPS定位技術(shù)可以有效地消除衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、信號傳播延遲誤差等，實時定位精度提高到分米級甚至更高，是削弱美國限制政策影響的有效手段。比如基于載波相位觀測值的實時差分定位技術(shù)RTK，其精度可達厘米級。（2）建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng)用戶可通過建立獨立自主的GPS衛(wèi)星跟蹤測軌系統(tǒng)，精密測定GPS衛(wèi)星的實際運行軌道，為精密工程測量、地殼變形監(jiān)測、地球動力學(xué)研究提供精密的后處理星歷。我國在”八五”期間就建立了自己獨立的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)站點包括北京站、武漢站、上海站、長春站、昆明站、拉薩站以及烏魯木齊站。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化（3）使用兼容多系統(tǒng)的GNSS接收機目前已經(jīng)出現(xiàn)可同時兼容多種GNSS系統(tǒng)的接收機，使用這些接收機進行導(dǎo)航定位可有效降低美國GPS政策的影響，同時定位的精度和可靠性進一步的大幅提高。（4）建立獨立的導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)建立獨立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，才能徹底擺脫對美國GPS的依賴。鑒于GNSS技術(shù)的重要性和戰(zhàn)略價值，盡管其技術(shù)復(fù)雜、耗資巨大，全球許多國家和地區(qū)紛紛投入到GNSS系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)的研制，這也迫使美國GPS政策不得不作出調(diào)整（取消SA），同時提出了GPS現(xiàn)代化計劃以提高美國GPS系統(tǒng)在導(dǎo)航定位領(lǐng)域的競爭力。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化3.2.2GPS現(xiàn)代化相比于當(dāng)時多個世界大國正在積極建設(shè)的其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)，早期GPS顯現(xiàn)出許多固有不足，主要表現(xiàn)在：（1）衛(wèi)星導(dǎo)航信號的強度微弱，容易受到多徑、噪聲、干擾等因素的影響，難以穿透樹林、城市建筑的遮擋，無法滿足日益旺盛的室內(nèi)定位導(dǎo)航需求。（2）調(diào)制于L1載波上的C/A碼和P碼都位于L1的中心頻段,容易受人為干擾。此外，由于L2載波上未調(diào)制民用測距碼，一般用戶無法實現(xiàn)GPS雙頻觀測的電離層誤差校正,限制了GPS單點定位精度和應(yīng)用范圍。（3）過分依賴地面控制系統(tǒng)。一旦地面監(jiān)控系統(tǒng)受到破壞或受到信息安全攻擊，則很難保證系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)的可靠性。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化為了加強GPS對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的支撐和保持全球民用導(dǎo)航領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)地位，并保持未來30年內(nèi)美國在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上的優(yōu)勢地位，美國副總統(tǒng)戈爾于1999年1月25日宣布將斥資40億美元進行GPS現(xiàn)代化。美國軍方也發(fā)文闡述了GPS現(xiàn)代化的內(nèi)涵，主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）保護。為了更好地保護美方和友好方的使用，大力發(fā)展軍碼和，并強化軍碼的保密性能和抗干擾能力；（2）阻止。施加干擾阻擾敵對方的使用，如施加SA，AS等；（3）保持。保持在有威脅地區(qū)以外的民用用戶有更精確更安全的使用。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化1999年6月，美國軍方和情報部門又提出了以下幾項GPS現(xiàn)代化措施：(1)增加GPS衛(wèi)星的發(fā)射的信號強度，以增加抗電子干擾能力；(2)增設(shè)更好保密和安全性能的新軍用碼M碼，與民用碼分離；(3)研發(fā)有更好的保護性能，尤其是抗干擾能力和初始化的能力的新一代軍用GPS接收機。在民用方面，美方擬采取的措施是：(1)終止SA政策的實施，提高民用實時定位和導(dǎo)航精度；(2)在L2載波上調(diào)制民用碼（L2C），使得一般用戶可以采用雙頻改正來消除電離層延遲；(3)增加L5民用頻率，對非軍方用戶而言，可組成載波相位線性組合觀測值。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化GPS現(xiàn)代化計劃分為三個階段：第一階段發(fā)射12顆改進型的BLOCKⅡR型衛(wèi)星；第二階段發(fā)射6顆GPSBLOCKⅡF，到2016年GPS系統(tǒng)衛(wèi)星應(yīng)全部以ⅡF運行，共計24+3顆；第三階段發(fā)射GPSBLOCKⅢ型衛(wèi)星，在2003年前完成代號為GPSⅢ的GPS完全現(xiàn)代化計劃設(shè)計工作。計劃用20年時間完成GPSⅢ計劃，取代目前的GPSⅡ。截止目前為止，GPS現(xiàn)代化計劃已實現(xiàn)的目標(biāo)有：（1）取消SA政策。2000年5月，美國宣布取消實施SA政策，2007年，美國政府宣布計劃通過建造沒有SA的GPSIII衛(wèi)星來永久消除SA。3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化（2）新的民用信號及軍用碼。為了提高民用用戶的性能，GPS部署了三種新的民用信號：L2C、L5和L1C。加上傳統(tǒng)的民用信號L1C/A總共四個民用GPS信號。在L1和L2上增設(shè)新的軍用碼M碼。（3）衛(wèi)星的退役和增補。自2005年至今，美軍先后完成了20余次發(fā)射任務(wù)，成功將8顆BlockIIR(M)衛(wèi)星和12顆BlockIIF衛(wèi)星送入軌道，完成了現(xiàn)代化計劃中的第一和第二步。（4）地面監(jiān)控站的現(xiàn)代化。2008年實施精度改進計劃L-AII后，地面監(jiān)控站增加至16個，級后地面監(jiān)控站位置升如圖3-4所示，L-AII實施后，監(jiān)控站收集GPS數(shù)據(jù)的能力提高了三倍，廣播星歷的精度提升了10%到15%3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化圖3-5L-AⅡ?qū)嵤┖蟮牡孛姹O(jiān)控站位置示意圖3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化如今，美軍正在全力研制生產(chǎn)下一代也就是第三代GPS衛(wèi)星—GPSIII。隨著第一顆代GPSIII衛(wèi)星GPSIIISV01于2018年12月23日發(fā)射，全球定位系統(tǒng)（GPS）在技術(shù)和能力現(xiàn)代化方面邁出了重要一步。截止2022年6月26日，美國GPS系統(tǒng)共有31顆在軌工作衛(wèi)星。表3-1GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化演變3.2美國GPS政策與現(xiàn)代化衛(wèi)星繞地球運行的軌道取決于它在空間中受到的各種力的影響。除受到地球引力外，還受太陽的引力、月亮的引力、太陽光壓、地球潮汐力、大氣阻力等作用力的影響，無法采用簡單的數(shù)學(xué)模型進行準(zhǔn)確的描述。按其影響和大小分為兩類：一類是假設(shè)地球為均勻質(zhì)量的球體的引力，稱為中心引力；另一類是攝動力，也稱非中心引力，包括地球引力場攝動力、日月引力攝動力、太陽光壓、地球潮汐和大氣阻力等。相較于中心引力，攝動力的影響小得多，若假設(shè)中心引力的影響為1，則攝動力的影響僅為中心引力的10-5量級，中心引力決定著衛(wèi)星運動的基本規(guī)律和特征（無攝運動或開普勒運動），由中心引力確定的衛(wèi)星軌道稱為理想軌道（或開普勒軌道），它是分析衛(wèi)星實際軌道的基礎(chǔ)；3.3衛(wèi)星運動顧及攝動力影響，衛(wèi)星軌道將產(chǎn)生一些小的附加變化而偏離理想軌道，偏離量的大小隨時間而改變，這種顧及攝動力影響的衛(wèi)星運動稱為受攝運動。3.3.1衛(wèi)星的無攝運動衛(wèi)星軌道運動理論的首要研究對象。其原因如下：（1）無攝運動是衛(wèi)星運動的第一近似描述（2）無攝運動是至今唯一能得到的嚴(yán)密分析解的運動；（3）無攝運動是全部作用力下的衛(wèi)星運動更精確解的基礎(chǔ)。1.二體意義下的衛(wèi)星運動在衛(wèi)星的無攝運動中，衛(wèi)星按照其預(yù)定的軌道運行，此時的衛(wèi)星可以視為與地球一樣質(zhì)量集中的質(zhì)點，其運動規(guī)律可以用開普勒三定律進行描述。3.3衛(wèi)星運動（1）開普勒第一定律開普勒第一定律又稱為橢圓定律，即衛(wèi)星運動的軌道為一橢圓，該橢圓上的一個焦點與地球質(zhì)心重合。如圖3-6所示，在衛(wèi)星的運行軌道上，將離地球質(zhì)心最遠(yuǎn)的一點稱為遠(yuǎn)地點，將距離地球最近的一點稱為近地點。衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運動的軌道方程：

(3-1)該方程描述了任何時刻衛(wèi)星在軌道上相對近地點的位置是與時間有關(guān)的函數(shù)。式中r為衛(wèi)星到地球質(zhì)心距離；a為開普勒橢圓的長半徑；e為開普勒橢圓的偏心率；V為真近點角的角度。其中，當(dāng)V=0°時,r=a(1-e)為衛(wèi)星的近地點距離，當(dāng)V=180°時，r=a(1+e)為衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點距離。圖3-6開普勒橢圓（2）開普勒第二定律開普勒第二定律也稱為等面積定律，即地心向徑在單位時間內(nèi)所掃過的面積相等，如圖3-7所示。根據(jù)能量守恒定律，衛(wèi)星在運動過程中的動能和勢能之和是不變的。勢能由地球重力場引起的，衛(wèi)星的地心距離越遠(yuǎn)，其勢能越大，反之越小。而動能是由衛(wèi)星的運行速度決定的，圖3-7等面積定律示意圖衛(wèi)星的運行速度越大，動能越大，反之越小。由此，結(jié)合開普勒第二定律可以得出：衛(wèi)星在近地點時動能最大，速度最大；衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點時動能最小，速度最小。（3）開普勒第三定律開普勒第三定律也稱為周期定律，即衛(wèi)星繞地球軌道運動周期的平方與衛(wèi)星軌道橢圓長半軸的立方成正比且為一個常數(shù)，該常數(shù)在數(shù)值上為地球引力常數(shù)GM倒數(shù)的4π2倍。該定律能夠依據(jù)開普勒橢圓的長半徑確定出衛(wèi)星的平均角速度，對計算衛(wèi)星的位置具有極其重要的意義。(3-2)式中：T為衛(wèi)星運行周期，GM為地球引力常數(shù)。2.衛(wèi)星無攝運動的軌道參數(shù)衛(wèi)星運動的軌道為一通過地心平面、形狀和大小固定的橢圓，地球質(zhì)心為該橢圓上的一個焦點。但衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星在軌道中的瞬時位置需要多個參數(shù)進行確定，只有這些參數(shù)確定下來，衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星在軌道中的瞬時位置才能唯一確定。下面將對這些參數(shù)(圖3-8)進行介紹：軌道橢圓長半徑a：軌道橢圓中近地點通過地球質(zhì)心到遠(yuǎn)地點連線距離的一半，長半徑?jīng)Q定了橢圓的大小。軌道橢圓偏心率e：軌道橢圓兩個焦點間的距離與其長半軸a的比值。偏心率決定了軌道橢圓的形狀。其他參數(shù)均可以依據(jù)長半徑和偏心率兩個參數(shù)推導(dǎo)出。3.3衛(wèi)星運動升交點赤經(jīng)?：升交點是指衛(wèi)星由南向北的運行與天球赤道的交點，升交點與春分點之間的地心夾角。軌道面傾角i：衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面之間的夾角。升交點赤經(jīng)和軌道面傾角確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體間的相對定向。近地點角距?：軌道平面上升交點與近地點之間的地心夾角。該參數(shù)確定了開普勒橢圓在軌道平面上的定向，也稱為軌道橢圓定向參數(shù)。真近點角V：軌道平面上衛(wèi)星與近地點所對應(yīng)的地心夾角。該參數(shù)的表達式為時間相關(guān)的函數(shù)，通過該參數(shù)可以確定衛(wèi)星在軌道上的運行位置。圖3-8開普勒軌道參數(shù)3.3衛(wèi)星運動以上參數(shù)的選擇并不是唯一的，但參數(shù)的確定必須有利于以下問題的解決，即:（1）軌道橢圓的形狀和大??；（2）軌道平面與地球體的相關(guān)位置；（3）軌道橢圓在軌道平面上的方位；（4）衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置。對于衛(wèi)星來說，上述軌道參數(shù)的具體數(shù)值，是由不同衛(wèi)星的發(fā)射條件決定的。一般而已，將上述6個參數(shù)所構(gòu)成的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為軌道坐標(biāo)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，這6個參數(shù)確定了衛(wèi)星在任一瞬間相對地球體的空間位置。3.3衛(wèi)星運動3.3.2衛(wèi)星的受攝運動衛(wèi)星在運動過程中，由于受到攝動力的影響，其運行軌道會出現(xiàn)小的偏差從而偏離理想軌道，且這種偏離量會隨著時間變化而變化。在GNSS的精密定位技術(shù)中，如果只考慮地球質(zhì)心引力狀態(tài)下的運動狀態(tài)是無法滿足其精度要求的，在計算過程中必須考慮地球引力場攝動力、日月攝動力、大氣阻力、光壓攝動力、潮汐攝動力對衛(wèi)星繞軌運動狀態(tài)的影響。3.3衛(wèi)星運動1.地球引力場攝動力真實的地球形狀并非一個質(zhì)量均勻的規(guī)則球體，而是一個長短軸相差達到約21km且內(nèi)部質(zhì)量不均勻、形狀不規(guī)則的橢球體（圖3-9）。圖3-9地球示意圖2.日月引力攝動力由于衛(wèi)星離太陽較遠(yuǎn)，其攝動力影響極為微弱，而月亮的攝動力影響較大。日月引力對衛(wèi)星繞軌運動所造成的影響，表現(xiàn)為長周期攝動，量級為10－6。如果忽略此項攝動力的影響，將會造成GNSS衛(wèi)星在3h弧段上產(chǎn)生5~150m的位置誤差，2d弧段上產(chǎn)生1000~3000m的位置誤差。3.太陽光壓太陽光壓會對衛(wèi)星產(chǎn)生攝動加速度，該加速度的大小與衛(wèi)星、太陽、地球三者間的相對位置、衛(wèi)星表面的反射特性、衛(wèi)星接受陽光照射的有效面積與衛(wèi)星的質(zhì)量的比值有關(guān)，其量級為10－7。通常受到太陽光的影響，衛(wèi)星在3h弧段上將產(chǎn)生5~10m的位置偏差，在2d弧段上將產(chǎn)生100~800m的位置偏差。此外，部分太陽輻射經(jīng)過地球反射到衛(wèi)星也會對GNSS衛(wèi)星產(chǎn)生影響，但由于這種間接輻射壓力只占直接輻射壓力的1%~2%，因此可以忽略不計。4.地球潮汐作用力固體潮汐和海洋潮汐是地球受日、月引力作用所產(chǎn)生的形變，該形變會引起地球質(zhì)量分布的變化從而引起地球引力的變化，這種地球引力的變化稱為潮汐作用力。潮汐作用力對GNSS衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度量級較小。其中固體潮汐可導(dǎo)致衛(wèi)星在2d弧段上將產(chǎn)生0.5-1m的軌道誤差；海洋潮汐可導(dǎo)致衛(wèi)星在2d弧段上將產(chǎn)生1-2m的軌道誤差。對于大多數(shù)的GNSS用戶來說，影響可以忽略不計。5.大氣阻力大氣阻力會對衛(wèi)星運行產(chǎn)生影響，而其影響的大小主要取決于大氣密度、衛(wèi)星截面積與衛(wèi)星質(zhì)量的比值和衛(wèi)星運行速度。由于大氣密度隨著高度的增加而降低，因此大氣阻力會對低軌道的衛(wèi)星產(chǎn)生較大影響，而對于高軌道（2×104km）的衛(wèi)星產(chǎn)生的影響微乎其微，可以忽略不計。要利用GNSS衛(wèi)星進行導(dǎo)航定位，就需要先根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道參數(shù)信息計算出衛(wèi)星瞬時的位置及其運動速度。GNSS衛(wèi)星的軌道信息存儲于衛(wèi)星星歷中，衛(wèi)星星歷中包含了某一時刻的衛(wèi)星軌道參數(shù)及其變化率，通過對衛(wèi)星星歷進行計算即可獲得相應(yīng)時刻的衛(wèi)星位置和速度。衛(wèi)星星歷分為預(yù)報星歷和后處理星歷兩種，下面將以GPS衛(wèi)星星歷為例進行講述。3.4GPS衛(wèi)星星歷3.4.1GPS衛(wèi)星的預(yù)報星歷預(yù)報星歷是用戶通過對衛(wèi)星所發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文進行解碼所獲得的數(shù)據(jù)。由于預(yù)報星歷是通過電文的方式直接發(fā)給用戶接收機的，因而又稱為廣播星歷，其數(shù)據(jù)間隔為2h。衛(wèi)星的預(yù)報星歷包括相對于某一參考?xì)v元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動9個參數(shù)。其中參考?xì)v元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)稱為參考星歷，是由GPS地面監(jiān)測站利用大約一周的觀測資料所計算得到的。由于衛(wèi)星在運行過程中會受到攝動力的影響，導(dǎo)致實際的軌道與參考軌道存在偏離，其偏離程度主要是取決于觀測歷元和參考?xì)v元的時間差。如果在GPS衛(wèi)星的二體運動基礎(chǔ)上加入長期攝動改正項和周期攝動改正項，就可以推算出任意觀測歷元的衛(wèi)星星歷，稱為衛(wèi)星軌道預(yù)報星歷。3.4GPS衛(wèi)星星歷GPS用戶獲取的衛(wèi)星預(yù)報星歷中，包含了17個衛(wèi)星星歷參數(shù)，其中6個為相應(yīng)參考時刻的開普勒軌道參數(shù)，9個為反映攝動力影響的參數(shù)和1個參考時刻和星歷數(shù)據(jù)齡期。其定義如下表3-2所示：表3-2GPS衛(wèi)星預(yù)報星歷參數(shù)圖3-10預(yù)報星歷參數(shù)圖示參考?xì)v元是從星期日子夜零點開始計算的參考時刻，為從最后一次注入電文起，預(yù)報星歷的外推時間間隔。圖3-10為上述衛(wèi)星實際軌道參數(shù)的描述。GPS衛(wèi)星播發(fā)廣播星歷的方式有兩種，分別為利用C/A碼和P碼兩種信號碼進行傳送。其中：P碼主要是供軍方和特許用戶使用，其精度往往較廣播星歷高出1～2個量級，具體精度指標(biāo)不詳；C/A碼主要交付民用，SA政策實施時，廣播星歷的精度被認(rèn)為降低至50～100m，SA取消后，其精度迅速提高至5～7m。GPS現(xiàn)代化實施以來，廣播星歷的精度進一步提高，截至2022年1月，GPS廣播星歷的整體軌道精度已優(yōu)于0.3m。3.4GPS衛(wèi)星星歷3.4.2GPS衛(wèi)星的后處理星歷GPS衛(wèi)星預(yù)報星歷的外推誤差，導(dǎo)致GPS衛(wèi)星定位精度受到限制。為滿足精密定位工作用戶的需求，需要提供一個比預(yù)報星歷更為精密的衛(wèi)星星歷——精密星歷。精密星歷是由一些地面跟蹤站所獲得的對GPS衛(wèi)星的精密觀測資料，應(yīng)用與廣播星歷相似的計算方法所計算得到的星歷，是一種不含外推誤差的實測星歷。然而，精密星歷無法像廣播星歷那樣通過GPS衛(wèi)星播發(fā)獲取，只能在事后通過互聯(lián)網(wǎng)等方式進行獲取，由于精密星歷是實測星歷，故存在一定的延時，因此精密星歷又被稱為后處理星歷。我國的GPS衛(wèi)星跟蹤站網(wǎng)在“八五”期間已經(jīng)建成，“九五”期間已向國內(nèi)用戶提供包括精密星歷等服務(wù)。3.4GPS衛(wèi)星星歷3.4.3IGS的產(chǎn)品及精度1.IGS組織簡介國際GNSS服務(wù)IGS(InternationalGNSSService)是國家大地測量協(xié)會IAG(InternationalAssociationofGeodesy)為支持大地測量和地球動力學(xué)研究而建立的一個國際協(xié)作組織。1994年1月1日正式開始工作，后來由于GLONASS等GNSS新成員的加入更名為國際GNSS服務(wù)，其職責(zé)包括提供IGS跟蹤站的GNSS觀測資料以及生產(chǎn)包括GPS和GLONASS衛(wèi)星星歷、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、極移及日長變化；IGS跟蹤站的坐標(biāo)及其變化等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為精密定位用其它地球動力學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持。3.4GPS衛(wèi)星星歷2.IGS衛(wèi)星星歷及鐘差產(chǎn)品IGS提供的GPS衛(wèi)星星歷及鐘差產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)見表3-3。表3-3GPS衛(wèi)星軌道及鐘差產(chǎn)品精度指標(biāo)GPS衛(wèi)星所發(fā)射衛(wèi)星信號由載波信號、測距碼和導(dǎo)航電文等三部分組成。其中測距碼分為P碼和C/A碼，GPS衛(wèi)星信號組成如圖3-11所示。

圖3-11GPS衛(wèi)星信號組成3.5GPS衛(wèi)星信號3.5.1GPS衛(wèi)星的載波信號GPS信號中的測距碼和導(dǎo)航電文均為低頻信息，因此很難將其從離地約20000km的衛(wèi)星成功傳輸?shù)降孛?。為了有效地進行高質(zhì)量信息的傳播，需要將頻率較低的信號加載在頻率較高的信號中進行播發(fā)，這種可運載調(diào)制信號的高頻率振蕩波稱為載波，頻率較低信號加載在高頻載波上的過程稱為調(diào)制。GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼是通過調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的。GPS衛(wèi)星所發(fā)射的載波信號有L1載波、L2載波和L5載波。由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率f0＝10.23MHz經(jīng)過振蕩器震蕩產(chǎn)生的，倍頻分別為基準(zhǔn)頻率的154倍、120倍和115倍。其波長和頻率如下：L1載波：頻率f1＝1575.42MHz，λ1＝19.03cmL2載波：頻率f2＝1227.60MHz，λ2＝24.42cmL5載波：頻率f5＝1176.45MHz，λ5＝25.50cm這3種載波頻率的選擇主要是為了較完善地消除由于電離層效應(yīng)所引起的信號延遲誤差，從而提高GPS導(dǎo)航定位的精度。載波除能夠搭載測距碼和導(dǎo)航電文外，其本身相位還能用于測距，基于載波相位測量的測距精度較偽距測量高出了2～3個數(shù)量級，因此在精密定位中得到了廣泛的應(yīng)用。3.5.2GPS衛(wèi)星的測距碼測距碼是用于測定從衛(wèi)星至接收機間距離的二進制碼。GPS的測距碼分為C/A碼和P碼，它們都是二進制偽隨機噪聲序列，具有特殊的統(tǒng)計性質(zhì)。在現(xiàn)代通訊技術(shù)中，普遍采用二進制數(shù)0和1進行表示，將這些二進制數(shù)的組合稱為碼。一個二進制數(shù)稱為一個碼元或者一個比特（bit），比特是碼的度量單位。每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)叫做數(shù)碼率。3.5GPS衛(wèi)星信號1.偽隨機噪聲碼及其自相關(guān)特性（1）偽隨機噪聲碼隨機碼具有良好的自相關(guān)特性，但不具有周期性和沒有確定的編碼規(guī)則，在實際應(yīng)用中無法復(fù)制和利用。為解決這一問題，GPS利用多級反饋移位寄存器制造出偽隨機噪聲碼（Pseudorandomnoise，PRN），簡稱為偽隨機碼或偽碼。偽隨機噪聲碼是m序列，其特點是具有類似隨機碼的良好自相關(guān)特性，同時具有某種確定的編碼原則和周期性，可以進行人工復(fù)制。（2）偽隨機噪聲碼的自相關(guān)特性具有相同結(jié)構(gòu)的兩個m序列，無論其從第幾位開，經(jīng)過若干次移位，最終都可以“對齊”。我們定義：兩個同結(jié)構(gòu)m序列經(jīng)過n次移位后，若一個周期中對應(yīng)的元素完全相同，則相關(guān)系數(shù)取得最大值1(圖3-12)。自相關(guān)系數(shù)定義為：(3-3)式中：A為接收機產(chǎn)生的C/A碼（一個周期）移位j次后與接收機接收到的C/A碼對應(yīng)元素相同的數(shù)目，D為對應(yīng)元素不同的數(shù)目。在圖3-12（a）中，j=0，A=9，D=6。在圖3-12（b）中，經(jīng)過8次移位已經(jīng)完全“對齊”，j=8，A=15，D=0。圖3-12偽隨機噪聲碼的自相關(guān)特性如果兩個結(jié)構(gòu)相同的m序列存在延時(移位j≠0)，它們的相關(guān)系數(shù)總是小于1，只有當(dāng)這兩個序列完全“對齊”（無延時，移位j=0）時，相關(guān)系數(shù)等于1。GPS接收機接收到的C/A碼與接收機內(nèi)產(chǎn)生的本地C/A碼，經(jīng)過多次移位，并計算每次移位后的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)取得最大值時，也就是兩個碼序列完全對齊。這時的移位次數(shù)，就代表了傳播中的延時，進而可以求得傳播距離，并可以轉(zhuǎn)換捕獲P碼。3.5GPS衛(wèi)星信號2.測距碼（1）C/A碼C/A碼是由2個10級反饋移位寄存器產(chǎn)生的m序列，共可能產(chǎn)生1023種結(jié)構(gòu)不同的碼供選用。從中選出32種以PRN1……PRN32命名各個GPS衛(wèi)星。C/A碼存在以下特點：①C/A碼的碼長比較短，容易進行捕獲。在進行GPS定位的過程中，為了測定衛(wèi)星信號傳播的延遲時間，通常對C/A碼進行逐個搜索的方式進行捕獲，若以50碼元/秒，只需要20秒左右就可以完成。由于其易于捕獲，同時利用C/A碼的信息可以輕松地進行P碼的捕獲，因此C/A碼又被稱為捕獲碼。②C/A碼的碼元寬度較大，假設(shè)兩個序列的碼元對其誤差為碼元寬度的1/10-1/100，則其相應(yīng)的測距誤差可達到29.3m-2.9m，因此C/A碼也稱為粗碼。（2）P碼P碼是由兩組各有兩個12級反饋移位寄存器的電路發(fā)生，其形成原理與C/A碼相似，但其線路設(shè)計細(xì)節(jié)比C/A碼復(fù)雜。與C/A碼不同，P碼的碼長較大，因此如果采用與C/A碼相同的逐個搜索的方式，耗費的時間非常長，基本上無法實現(xiàn)。因此，在實際操作過程中通常先對C/A碼進行捕獲，再根據(jù)導(dǎo)航電文的信息進行P碼的捕獲。同時，P碼的碼元寬度僅為C/A碼的1/10，所以其測距誤差也僅為C/A碼的1/10。利用這一特點，P碼可以用于較為精密的導(dǎo)航定位，也稱為精碼。相對于C/A碼，P碼的結(jié)構(gòu)是不公開的，僅供美軍軍方和特許用戶使用。但隨著P碼的結(jié)構(gòu)逐漸為大家所悉知，已難以進行保密。為此，美國實施了AS限定政策，將P碼與完全保密的W碼進行模二相加形成新的保密Y碼以取代原來的P碼，我們在習(xí)慣上依然將其稱為P碼，又稱為P（Y）碼。（3）其他測距碼①L2C碼。L2C碼稱為城市碼，其被調(diào)制于L2載波上。L2C信號包括CM碼和CL碼。L2C碼第一次應(yīng)用于2005年9月23日發(fā)射的GPS衛(wèi)星SLC-17A。其主要是用于解決C/A碼調(diào)制于L1載波上無法精確消除電離層延遲的問題。目前，L2C碼采用窄距相關(guān)間隔技術(shù)后，其測量精度達到了分米級，可以與P碼的測距精度相媲美。②M碼。M碼主要是供軍方使用的保密碼，其生成方法和碼結(jié)構(gòu)不對外公開。M碼對于信號的捕獲更加迅捷穩(wěn)定，抗干擾能力更強。③L5碼。為了解決C/A碼的互相關(guān)性差、抗干擾能力弱和易受多路徑效應(yīng)影響等缺陷，美國軍方設(shè)計出了L5碼。相對于C/A碼，L5碼的波長更長，衍射能力更好，自由空間衰減更小，達到地面的功率也會更高。L5碼速率提高了10倍，碼長變小了10倍，提高了抗多徑的能力，具有導(dǎo)航電文糾錯能力，可在低功率環(huán)境下提高定位速度。3.5.3GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、時鐘改正參數(shù)、電離層延遲改正參數(shù)、遙測碼，以及由C/A碼確定P碼信號時的交接碼等參數(shù)。送的信號是否出錯，并能糾正單個錯誤，故通常又稱為糾錯碼。完整的導(dǎo)航信息由25幀數(shù)據(jù)組成。由于播送速度為50bit/s，所以全部播完要12.5min，其結(jié)構(gòu)如圖3-13所示。圖3-13導(dǎo)航電文格式每幀導(dǎo)航電文中，各子幀的主要內(nèi)容如圖3-14所示：圖3-14一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容3.5GPS衛(wèi)星信號

GNSS接收機是用于接收、跟蹤、變換和測量衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號的無線電接收設(shè)備，通過接收機對導(dǎo)航定位信號進行處理，就可以實時測出測站的三維位置、三維速度和時間。3.6.1GNSS接收機的組成GNSS接收機主要由天線單元、主機和電源等三部分組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。3.6GNSS接收機圖3-15信號接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)GNSS接收機按其構(gòu)成和功能，可分為硬件部分和軟件部分：1.硬件部分。包括天線單元、主機和電源。（1）天線單元部分。主要由接收機天線和前置放大器兩部分所組成，主要功能是對衛(wèi)星信號進行轉(zhuǎn)換、放大和變頻處理。GNSS接收機較為常見的天線類型有單極天線、螺旋形天線、微帶天線和錐形天線。（2）主機。接收機主機由變頻器、信號通道、存儲器、微處理器及顯面屏組成。a.變頻器：經(jīng)過前置放大器處理的信號依舊較為微弱，因此需要變頻器進行再次處理。3.6GNSS接收機b.信號通道：GNSS接收機的核心部分，主要用于對衛(wèi)星信號進行搜索、對廣播電文數(shù)據(jù)信號進行解擴和解調(diào)，得到導(dǎo)航電文；進行偽距、載波相位和多普勒頻移測量。它是一種軟件和硬件相結(jié)合的復(fù)雜電子裝置?？煞譃橄嚓P(guān)型、平方型和相位型三種。c.存儲器：接收機采集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值和多普勒頻移等數(shù)據(jù)進行存儲。d.微處理器：微處理器的主要功能是對信號進行捕獲、跟蹤和點位計算，通過結(jié)合接收機內(nèi)的處理軟件，可以完成以下工作：①開機后控制GNSS接收機進行各波道自檢，并對各波道的時延值進行測定、校正和存儲；②對衛(wèi)星星歷進行解譯，計算出測站的三維坐標(biāo)；③由測站點位坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷計算所有衛(wèi)星的升降時間、方位和高度角，提供可視衛(wèi)星數(shù)據(jù)及衛(wèi)星的工作狀況，以便獲得最佳定位星位，提高定位精度。e.顯示屏：GNSS接收機的顯示面板主要是負(fù)責(zé)接收機的顯示工作，通過顯示屏可以實時了解GNSS接收機的工作狀態(tài)和工作模式。（3）電源GNSS接收機的電源分為兩種：一種是隨機配置的內(nèi)置電池，通常為鋰電池；內(nèi)置電源起到的作用主要是在機外電池電壓不足或進行機外電池更換時，GNSS接收機的工作不受到影響。此外，內(nèi)置電池還能在GNSS接收機關(guān)機后為存儲器供電，防止數(shù)據(jù)丟失。另一種為外接電源，常用的有汽車電瓶或?qū)Ｓ玫碾娫催m配器。進行長時間的GNSS測量時，通常采用外接電源作為GNSS接收機的供電電源。2.軟件部分分為內(nèi)部軟件和外部軟件。內(nèi)部軟件主要包括自測試軟件、衛(wèi)星預(yù)報軟件、導(dǎo)航電文解碼軟件、GNSS單點定位軟件及自動操作程序等；外部軟件是指各類數(shù)據(jù)后處理軟件，如天寶公司的TBC及中海達的HGO等。3.6.2GNSS接收機的分類隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，世界各國對接收機的研發(fā)也越來越重視。目前，GNSS接收機的生產(chǎn)廠家約數(shù)十家，其型號也達到了幾百種，依據(jù)GNSS接收機的工作原理、用途、接收信號的頻率和通道數(shù)目可以將其分為不同種類。1.按接收機的工作原理分類：可分為碼相關(guān)型接收機、平方型接收機、混合型接收機三類。（1）碼相關(guān)型接收機：利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。（2）平方型接收機：通過利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號從而恢復(fù)完整的載波信號。利用相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號間的相位差，獲得偽距觀測值。（3）混合型接收機：兼具了以上兩種接收機的優(yōu)點，既可以得到偽距觀測值，又可以得到載波相位觀測值。2.按接收機的用途分類：可將GNSS接收機分為導(dǎo)航型接收機、測地型接收機、授時型接收機。（1）導(dǎo)航型接收機：主要用于確定船舶、車輛、飛機和導(dǎo)彈等運動載體的實時位置和速度。（2）測地型接收機：測地型接收機早期的測量工作中主要用于進大地測量和工程控制測量，一般采用載波相位觀測量進行相對定位，其定位精度可以達到厘米級甚至是毫米級。（3）授時型接收機：主要用于天文臺或地面監(jiān)測站進行時間頻標(biāo)的同步測定。3.6GNSS接收機3.按接收機接收的載波頻率分類:可分為單頻接收機和雙頻接收機。（1）單頻接收機：單頻接收機用于接收