衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)原理及應(yīng)用串講

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

GLONASS：俄羅斯

Beidou/Compass：中國(guó)

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

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

定位精度測(cè)速精度授時(shí)精度C/A碼單點(diǎn)定位14m(SAOFF)0.3m/s500nsP碼單點(diǎn)定位3m0.1m/s100ns5GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)第三，實(shí)時(shí)定位

利用GPS導(dǎo)航，可以實(shí)時(shí)地確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度，由此既可保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線運(yùn)行，也可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和修正航行路線，選擇最佳航線。6美國(guó)政府的GPS政策美國(guó)政府在GPS設(shè)計(jì)中計(jì)劃提供兩種服務(wù):一種為精密定位服務(wù)（PPS），利用P碼進(jìn)行定位，只提供給本國(guó)及其盟國(guó)的軍方和得到特許的民間用戶使用，估計(jì)其定位精度為10m。另一種為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(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(dǎo)碼，是一種粗捕獲的明碼，因此估計(jì)SPS的定位精度約為400m。7美國(guó)政府的GPS政策

但GPS試驗(yàn)衛(wèi)星階段的多次試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)測(cè)值。利用C/A碼的定位精度可達(dá)14m，利用P碼的定位精度可達(dá)3m。因此美國(guó)1984年確立了保護(hù)國(guó)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(wù)兩周進(jìn)行高頻振動(dòng)的SA驗(yàn)證，1990.3-8月間更長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行SA技術(shù)驗(yàn)證）

AS(Anti-Spoofing)政策：即防止敵對(duì)勢(shì)力對(duì)P碼信號(hào)進(jìn)行干擾。8

GPS的發(fā)展目標(biāo)

美國(guó)政府還希望在21世紀(jì)內(nèi)將導(dǎo)航系統(tǒng)全面向基于空間技術(shù)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，為此，需要增強(qiáng)GPS的性能，如提高可靠性和精確性，擴(kuò)大覆蓋面積，增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度等。

措施一，增加在軌衛(wèi)星數(shù)目，由最初的21＋3顆增加到30顆，保證地球上任何一點(diǎn)接收到的衛(wèi)星數(shù)不少于5顆，覆蓋面積擴(kuò)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(biāo)

措施二，加載第二民用C／A碼和增設(shè)第三民用頻率。

措施三，加強(qiáng)建立民用廣域差分系統(tǒng)WAAS和軍用差分增強(qiáng)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(shè)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(gè)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(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）12GPS系統(tǒng)組成:GPS的空間部分GPS衛(wèi)星作用：接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測(cè)距碼、載波）發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文）接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。主要設(shè)備太陽(yáng)能電池板原子鐘（銫鐘、銣鐘）信號(hào)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(gè)監(jiān)測(cè)站：5個(gè)注入站：3個(gè)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(cè)站（5個(gè)）作用： 接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。地點(diǎn)： 夏威夷、主控站及三個(gè)注入站。16GPS系統(tǒng)組成:地面監(jiān)控部分主控站（1個(gè)）作用：管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，收集各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)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(hù)與異常情況的處理。地點(diǎn)：美國(guó)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(gè)）作用： 將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。地點(diǎn)： 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(shè)備接收設(shè)備GPS信號(hào)接收機(jī)其它儀器設(shè)備19GPS系統(tǒng)組成:用戶部分GPS信號(hào)接收機(jī)組成天線單元帶前置放大器接收天線接收單元信號(hào)通道存儲(chǔ)器微處理器輸入輸出設(shè)備電源20地球坐標(biāo)系在衛(wèi)星大地測(cè)量中經(jīng)常用到的地球坐標(biāo)系有兩種：一種是空間直角坐標(biāo)系，另一種是大地坐標(biāo)系。采用空間直角坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是：它不涉及參考橢球體的概念，而且在求兩點(diǎn)之間的距離和方向時(shí)，計(jì)算公式十分簡(jiǎn)單。但其表示點(diǎn)位不夠直觀，不容易在地圖上直接標(biāo)出。21地圖投影及投影變形將某點(diǎn)的緯度B和經(jīng)度L換算為地圖坐標(biāo)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(gè)曲面，我們不可能把它鋪展成一個(gè)平面而不產(chǎn)生某種褶皺和破裂，也就是不可能把整個(gè)橢球面或其一部分曲面毫無變形地表示在一個(gè)平面上，因此無論對(duì)投影函數(shù)F1和F2選得如何妥當(dāng)，總是不可避免地產(chǎn)生變形。22地圖投影的分類按其變形性質(zhì)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(guān)系。等距投影：投影后，地圖上從某一中心點(diǎn)到其它點(diǎn)的距離保持不變。方位投影：投影后，地圖上表示的任一點(diǎn)到某一中心點(diǎn)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(diǎn)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(duì)其進(jìn)行整理和擴(kuò)充，并求出實(shí)用公式。因此又稱高斯-克呂格投影。目前，中國(guó)、德國(guó)以及俄羅斯等國(guó)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(zhǎng)度變形，其他都有長(zhǎng)度變形。并且其變形大小，將與點(diǎn)的橫坐標(biāo)y的平方成比例，距離軸子午線越遠(yuǎn)，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(cè)各一定經(jīng)差范圍內(nèi)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(guó)軍事測(cè)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(jīng)度的起點(diǎn)為零子午線，緯度的起點(diǎn)為赤道。UTM投影在整個(gè)投影帶內(nèi)的長(zhǎng)度變形較均勻，比高斯投影的長(zhǎng)度變形小，其計(jì)算可通過高斯坐標(biāo)獲得：XU=0.9996x,YU=0.9996y。28WGS-84世界大地坐標(biāo)系(WorldGeodeticSystem)是由美國(guó)國(guó)防制圖局(defencemappingagency，DMA)建立的一種協(xié)議地球坐標(biāo)系，是GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的測(cè)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(cè)量參考系統(tǒng)。大地坐標(biāo)系29其坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球的質(zhì)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(diǎn)（北向），Y軸指向東向，而垂直于X軸的方向，以構(gòu)成地心地固ECEF（EarthCenteredEarthFixed)的正交坐標(biāo)系。3031從1993年8月起，GLONASS開始采用1990年地球參數(shù)系統(tǒng)PE-90（前蘇聯(lián)PZ-90）發(fā)送星歷數(shù)據(jù)。

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(nèi)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(guó)家2000系

根據(jù)《中華人民共和國(guó)測(cè)繪法》，我國(guó)自2008年7月1日起啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，過渡期為8-10年。我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即應(yīng)用此坐標(biāo)系。

2000坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系，原點(diǎn)為地球質(zhì)心。采用的地球橢球參數(shù)如下：長(zhǎng)半軸： a=6378137m

扁率： f=1/298.257222101

地心引力常數(shù)：GM=3.986004418×1014m3/s2

自轉(zhuǎn)角速度：ω=7.292115×10-5rad/s32軸向不同旋轉(zhuǎn)參數(shù)旋轉(zhuǎn)33軸向不同旋轉(zhuǎn)參數(shù)旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)不同平移參數(shù)平移34軸向不同旋轉(zhuǎn)參數(shù)旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)不同平移參數(shù)平移尺度不同尺度比參數(shù)縮放尺度比35軸向不同旋轉(zhuǎn)參數(shù)旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)不同平移參數(shù)平移尺度不同尺度比參數(shù)縮放①②③七參數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)36GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)GPS信號(hào)是GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的已調(diào)波，其調(diào)制波是衛(wèi)星導(dǎo)航電文和測(cè)距碼的組合碼。由衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)包含：衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘校正參量；測(cè)距時(shí)間標(biāo)記，大氣附加延時(shí)校正參量；以及與導(dǎo)航有關(guān)的其他信息。37GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)38GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)GPS衛(wèi)星信號(hào)的組成部分載波（Carrier）L1L2測(cè)距碼（RangingCode）C/A碼（目前只被調(diào)制在L1上）P(Y)碼（被分別調(diào)制在L1和L2上）衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文（Message）GPS衛(wèi)星信號(hào)的生成關(guān)鍵設(shè)備–

原子鐘39GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生頻率為10.23MHz衛(wèi)星信號(hào)的所有成分均是該基準(zhǔn)頻率的倍頻或分頻GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率f040GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)---載波作用搭載其它調(diào)制信號(hào)測(cè)距測(cè)定多普勒頻移類型目前L1–頻率：154f0=1575.43MHz；波長(zhǎng)：19.03cmL2–頻率：120f0=1227.60MHz；波長(zhǎng)：24.42cm

現(xiàn)代化后增加L5–頻率：115f0=1176.45MHz；波長(zhǎng)：25.48cm41GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)---載波特點(diǎn)所選擇的頻率有利于測(cè)定多普勒頻移所選擇的頻率有利于減弱信號(hào)所受的電離層折射影響選擇兩個(gè)頻率可以較好地消除信號(hào)的電離層折射延遲（電離層折射延遲與信號(hào)的頻率有關(guān)）42GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)---測(cè)距碼作用測(cè)距:通過測(cè)時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。性質(zhì)偽隨機(jī)噪聲碼（PRN－PseudoRandomNoise）不同的碼（包括未對(duì)齊的同一組碼）間的相關(guān)系數(shù)為0或1/n（n為碼元數(shù)）對(duì)齊的同一組碼間的相關(guān)系數(shù)為1GPS信號(hào)中使用了偽隨機(jī)碼編碼技術(shù)，識(shí)別和分離各顆衛(wèi)星信號(hào)，并提供無模糊度的測(cè)距數(shù)據(jù)。43偽隨機(jī)噪聲碼測(cè)距原理

衛(wèi)星發(fā)射一偽隨機(jī)噪聲碼，而接收機(jī)內(nèi)也產(chǎn)生一偽隨機(jī)噪聲碼，且兩個(gè)碼序列是相同的m序列，時(shí)間也是精確同步的。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過傳播距離的時(shí)間延遲?到達(dá)接收機(jī)，與本地復(fù)制碼進(jìn)行相關(guān)處理時(shí)，移動(dòng)本地碼，使相關(guān)函數(shù)達(dá)到最大值，本地碼所移動(dòng)的延遲值就是衛(wèi)星信號(hào)的傳播延遲?（傳播時(shí)間），它乘上光速即為所測(cè)距離。44GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)---C/A碼和P碼是兩種RPN序列。其作用相當(dāng)于測(cè)距中的定時(shí)信號(hào)。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(zhǎng)碼，其碼率為f0=10.23Mbps。45GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)---導(dǎo)航電文

導(dǎo)航電文是衛(wèi)星以二進(jìn)碼的形式發(fā)送給用戶的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，又稱為數(shù)據(jù)碼（D碼）。每幀導(dǎo)航電文由1500位組成，分為5個(gè)子幀。每個(gè)子幀10個(gè)字，每字30位。全部導(dǎo)航電文共分25幀，發(fā)送完畢需要12.5min。主要內(nèi)容：向用戶提供衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘參數(shù)、大氣延時(shí)改正參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息、C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息、全部衛(wèi)星的概略星歷等。46GPS信號(hào)構(gòu)成圖47衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制P碼調(diào)制在L1和L2載波上，而C/A碼僅調(diào)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(hào)為：48GPS定位原理—概述GPS利用TOA（TimeofArrival）測(cè)距以確定用戶位置。借助于對(duì)多顆衛(wèi)星的TOA測(cè)量，便可得到用戶位置。GPS定位的基本幾何原理為三球交會(huì)原理。XA,YA,ZAXB,YB,ZBCXC,YC,ZCX,Y,Z已知點(diǎn)的坐標(biāo)信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間信號(hào)傳輸?shù)乃俣染嚯x4950GPS定位原理—概述GPS系統(tǒng)的定位過程可描述為:圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過編碼調(diào)制的連續(xù)無線電信號(hào)，信號(hào)中含有衛(wèi)星信號(hào)準(zhǔn)確的發(fā)射時(shí)間，以及不同的時(shí)間衛(wèi)星在空間的準(zhǔn)確位置(由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的星歷參數(shù)和歷書參數(shù)描述)；衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號(hào)，測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算衛(wèi)星和用戶之間的距離；用導(dǎo)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(gè)關(guān)鍵問題如何確定衛(wèi)星的位置如何測(cè)量出站星間距離52測(cè)距方法雙程測(cè)距用于電磁波測(cè)距儀單程測(cè)距用于GPS53利用測(cè)距碼測(cè)距距離測(cè)定的基本思路信號(hào)（測(cè)距碼）傳播時(shí)間的測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間54利用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)距利用測(cè)距碼測(cè)距的必要條件必須了解測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)（每顆GPS衛(wèi)星都采用特定的偽噪聲隨機(jī)碼）利用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)采用的是CDMA（碼分多址）技術(shù)易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號(hào)可提高測(cè)距精度便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理（如AS）55偽距測(cè)量的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)無模糊度缺點(diǎn)精度低（相比載波相位測(cè)距）56載波相位測(cè)距載波相位測(cè)距原理t時(shí)刻發(fā)送相位為φ(t)的載波k時(shí)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(cè)距偽隨機(jī)碼測(cè)距與載波相位測(cè)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(jī)碼由于信號(hào)量測(cè)精度一般優(yōu)于波長(zhǎng)的1/100，所以載波的測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于偽隨機(jī)碼58GPS載波相位測(cè)量的基本原理理想情況實(shí)際情況59載波相位觀測(cè)值觀測(cè)值整周計(jì)數(shù)整周未知數(shù)（整周模糊度）載波相位觀測(cè)值60載波相位測(cè)量的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)精度高，測(cè)距精度可達(dá)0.1mm量級(jí)難點(diǎn)整周未知數(shù)問題整周跳變問題61GPS解算過程zyxPD1PD2PD3PD4S1S4S3S2Sn 衛(wèi)星PD1 偽距x,y,z 測(cè)站坐標(biāo)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(biāo)XR;YR;ZR…測(cè)站坐標(biāo) 4個(gè)觀測(cè)量 4個(gè)等式 4個(gè)參數(shù)空間大地直角坐標(biāo)大地坐標(biāo)XR

緯度（B）YR 經(jīng)度（L）ZR

高程(h)dT 時(shí)間T坐標(biāo)轉(zhuǎn)換62幾何精度衰減因子（DOP）

當(dāng)偽距測(cè)距誤差一定時(shí)，觀測(cè)站與參與定位的衛(wèi)星間幾何關(guān)系的差異將直接影響定位誤差。為描述衛(wèi)星間的相對(duì)幾何關(guān)系，引入了精度衰減因子（DilutionofPrecision，DOP）的概念。假設(shè)σ為偽距測(cè)量中的誤差，σx、σy、σz、σt分別為對(duì)應(yīng)于x、y、z和接收機(jī)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(shí)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(guān)系的影響造成的偽距測(cè)量誤差與用戶誤差間的比例系數(shù)。GDOP值越小，定位效果越好。它與所選的坐標(biāo)系無關(guān)，可以作為用戶選星的主要依據(jù)。一般地，用戶到各觀測(cè)GPS衛(wèi)星聯(lián)線的張角都較大時(shí)，GDOP值較小?；蛘哒f，處于測(cè)站上空的4顆衛(wèi)星形成的四面體的體積最大時(shí)，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(guān)的誤差衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星鐘差相對(duì)論效應(yīng)與傳播途徑有關(guān)的誤差電離層延遲對(duì)流層延遲多路徑效應(yīng)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差接收機(jī)天線相位中心的偏移和變化接收機(jī)鐘差接收機(jī)內(nèi)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(jì)算出誤差影響的大小，直接對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正適用情況：對(duì)誤差的特性、機(jī)制及產(chǎn)生原因有較深刻了解，能建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式所針對(duì)的誤差源相對(duì)論效應(yīng)電離層延遲對(duì)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(cè)值間一定方式的相互求差，消去或消弱求差觀測(cè)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(qiáng)的空間、時(shí)間或其它類型的相關(guān)性。所針對(duì)的誤差源電離層延遲對(duì)流層延遲衛(wèi)星軌道誤差…限制：空間相關(guān)性將隨著測(cè)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(shù)法原理：采用參數(shù)估計(jì)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(shí)將所有影響均作為參數(shù)來估計(jì)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(cè)地點(diǎn)，避開易產(chǎn)生誤差的環(huán)境；采用特殊的觀測(cè)方法；采用特殊的硬件設(shè)備，消除或減弱誤差的影響。適用情況：對(duì)誤差產(chǎn)生的條件及原因有所了解；可選擇觀測(cè)地點(diǎn)；具有特殊的設(shè)備。所針對(duì)的誤差源電磁波干擾多路徑效應(yīng)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(duì)單點(diǎn)定位的影響：星歷誤差對(duì)單點(diǎn)定位的影響主要取決于衛(wèi)星到接收機(jī)的距離以及用于定位或?qū)Ш降腉PS衛(wèi)星與接收機(jī)構(gòu)成的幾何圖形廣播星歷（預(yù)報(bào)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(dá)1厘米，只提供給特許用戶應(yīng)對(duì)方法精密定軌(后處理)相對(duì)定位或差分定位72衛(wèi)星時(shí)鐘誤差

GPS測(cè)量定位實(shí)質(zhì)上是一個(gè)測(cè)時(shí)-測(cè)距定位系統(tǒng)，所以，GPS測(cè)量定位精度與時(shí)鐘誤差密切相關(guān)。GPS時(shí)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間偏差總量在1~0.1ms以內(nèi)由此引起的等效距離誤差將達(dá)300~30km。因此，必須予以精確修正。73衛(wèi)星時(shí)鐘誤差應(yīng)對(duì)方法模型改正 鐘差改正多項(xiàng)式

其中a0為ts時(shí)刻的時(shí)鐘偏差，a1為鐘的漂移，a2為老化率。用導(dǎo)航電文對(duì)衛(wèi)星鐘差進(jìn)行改正后，各衛(wèi)星鐘時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異(同步誤差)可保持在20ns以內(nèi)。由此引起的等效距離誤差將不超過6m。相對(duì)定位或差分定位可有效的消除美國(guó)SA政策引起的星鐘誤差74相對(duì)論效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星鐘的影響?yīng)M義相對(duì)論觀點(diǎn)一個(gè)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(yùn)動(dòng)，對(duì)地面觀測(cè)者來說將產(chǎn)生頻率變化。廣義相對(duì)論觀點(diǎn)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(duì)論效應(yīng)的影響并非常數(shù)，經(jīng)改正后仍有殘差，它對(duì)GPS時(shí)的影響最大可達(dá)70ns，對(duì)精密定位仍不可忽略。狹義相對(duì)論＋廣義相對(duì)論為消除相對(duì)論效應(yīng)的影響，衛(wèi)星上時(shí)鐘應(yīng)比地面調(diào)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(yáng)等天體的射線的輻射，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離，形成大量的自由電子和正離子。對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生影響，使信號(hào)路徑發(fā)生彎曲，傳播速度也受影響。對(duì)于同一個(gè)觀測(cè)站，不同觀測(cè)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(cè)站的電離層延遲誤差不同；但相距不遠(yuǎn)的兩點(diǎn)（如30~50km以內(nèi)）的電離層延遲誤差相關(guān)性很強(qiáng)，可近似認(rèn)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼椒ǎ焊鶕?jù)以往觀測(cè)結(jié)果所建立的模型改正效果：差雙頻改正方法：利用雙頻觀測(cè)值直接計(jì)算出延遲改正或組成無電離層延遲的組合觀測(cè)量效果：改正效果最好實(shí)測(cè)模型改正方法：利用實(shí)際觀測(cè)所得到的離散的電離層延遲（或電子含量），建立模型（如內(nèi)插）效果：改正效果較好相對(duì)定位或差分定位77對(duì)流層延遲誤差及改正78消除對(duì)流層延遲誤差的方法利用對(duì)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(cè)值求差

相對(duì)定位或差分定位79多路徑誤差和多路徑效應(yīng)多路徑（Multipath）誤差在GPS測(cè)量中，被測(cè)站附近的物體所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）被接收機(jī)天線所接收，與直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，從而使觀測(cè)值偏離真值產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。多路徑效應(yīng)由于多路徑的信號(hào)傳播所引起的干涉時(shí)延效應(yīng)稱為多路徑效應(yīng)。80減少多路徑影響的措施觀測(cè)上選擇合適的測(cè)站，避開易產(chǎn)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(shè)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(jī)：窄相關(guān)技術(shù)MEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)等82應(yīng)對(duì)多路徑誤差的方法數(shù)據(jù)處理上加權(quán)參數(shù)法濾波法信號(hào)分析法83觀測(cè)誤差一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的1%。信號(hào)波長(zhǎng)/m觀測(cè)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(jī)的鐘差定義：GPS接收機(jī)一般采用石英鐘，接收機(jī)鐘與理想的GPS時(shí)之間存在的偏差和漂移。應(yīng)對(duì)方法作為未知數(shù)處理相對(duì)定位或差分定位當(dāng)定位精度要求較高時(shí)，可以采用高精度的外接頻標(biāo)(即時(shí)間標(biāo)準(zhǔn))85接收機(jī)的位置偏差定義接收機(jī)天線的相位中心相對(duì)測(cè)站中心位置的偏差。應(yīng)對(duì)方法正確的對(duì)中整平采用強(qiáng)制對(duì)中裝置（變形監(jiān)測(cè)時(shí)）86接收機(jī)天線相位中心偏差

接收機(jī)天線相位中心變化的改正GPS測(cè)量和定位時(shí)是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的，天線的相位中心與其幾何中心理論上應(yīng)保持一致?？墒墙邮諜C(jī)天線接收到的GPS信號(hào)是來自四面八方，隨著GPS信號(hào)方位和高度角的變化，接收機(jī)天線的相位中心的位置也在發(fā)生變化。87接收機(jī)天線相位中心偏差應(yīng)對(duì)方法使用相同類型的天線并進(jìn)行天線定向（限于相對(duì)定位）模型改正88載波相位觀測(cè)的整周未知數(shù)觀測(cè)值整周計(jì)數(shù)整周未知數(shù)（整周模糊度）載波相位觀測(cè)值89載波相位觀測(cè)中的整周跳變周跳T

90GPS測(cè)量定位方法分類定位模式絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）相對(duì)定位差分定位定位時(shí)接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)靜態(tài)定位－天線相對(duì)于地固坐標(biāo)系靜止動(dòng)態(tài)定位－天線相對(duì)于地固坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)獲得定位結(jié)果的時(shí)效事后定位實(shí)時(shí)定位觀測(cè)值類型偽距測(cè)量載波相位測(cè)量91單點(diǎn)定位優(yōu)點(diǎn)：只需一臺(tái)接收機(jī)便可獨(dú)立定位，觀測(cè)的組織與實(shí)施簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，可瞬時(shí)定位。缺點(diǎn)：精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度低應(yīng)用領(lǐng)域：低精度導(dǎo)航、資源普查、軍事、...

92相對(duì)定位定義確定進(jìn)行同步觀測(cè)的接收機(jī)之間相對(duì)位置的定位方法，稱為相對(duì)定位。定位結(jié)果與所用星歷同屬一坐標(biāo)系的基線向量（坐標(biāo)差）及其精度信息基線向量中含有：2個(gè)方位基準(zhǔn)（一個(gè)水平方位，一個(gè)垂直方位）和1個(gè)尺度基準(zhǔn)，不含有位置基準(zhǔn)93相對(duì)定位特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：定位精度高缺點(diǎn)：多臺(tái)接收共同作業(yè)，作業(yè)復(fù)雜數(shù)據(jù)處理復(fù)雜不能直接獲取絕對(duì)坐標(biāo)應(yīng)用高精度測(cè)量定位及導(dǎo)航相對(duì)定位94GPS差分定位GPS相對(duì)定位測(cè)量的位置是相對(duì)于某一己知點(diǎn)的位置，而不是在WGS84坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。差分定位DGPS（DifferentialGPS)：利用設(shè)置在坐標(biāo)已知的點(diǎn)（基準(zhǔn)站）上的GPS接收機(jī)測(cè)定GPS測(cè)量定位誤差，用以提高在一定范圍內(nèi)其它GPS接收機(jī)（流動(dòng)站）測(cè)量定位精度的方法。95DGPS差分GPS產(chǎn)生的誘因：絕對(duì)定位精度不能滿足要求GPS絕對(duì)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(yīng)用的要求美國(guó)的GPS政策對(duì)GPS絕對(duì)定位精度的影響（選擇可用性SA）SA關(guān)閉前后GPS絕對(duì)定位精度的變化96DGPS差分定位至少需要兩臺(tái)GPS接收機(jī)，分別安裝在待測(cè)載體和一已知坐標(biāo)點(diǎn)上。兩接收機(jī)同時(shí)對(duì)一組在視GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，基準(zhǔn)接收機(jī)（參考站）為載體接收機(jī)（移動(dòng)站）提供差分改正數(shù)。載體接收機(jī)用自己的GPS觀測(cè)值和來自主站的差分信息，精確地解算出用戶的三維坐標(biāo)。主站通過無線電發(fā)送機(jī)（電臺(tái)）發(fā)送差分信息（RTCMSC-104格式），從站通過電臺(tái)接收差分信息，從而構(gòu)成了DGPS數(shù)據(jù)鏈。97DGPS信息流程圖98影響絕對(duì)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(duì)流層延遲）多路徑效應(yīng)接收機(jī)相關(guān)的誤差對(duì)定位精度的影響99DGPS的基本原理誤差的空間相關(guān)性：以上各類誤差中除多路徑效應(yīng)和接收機(jī)的固有誤差外，均具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，從而定位結(jié)果也有一定的空間相關(guān)性。差分GPS的基本原理：利用基準(zhǔn)站（設(shè)在坐標(biāo)精確已知的點(diǎn)上）測(cè)定具有空間相關(guān)性的誤差或其對(duì)測(cè)量定位結(jié)果的影響，供流動(dòng)站改正其觀測(cè)值或定位結(jié)果100各種誤差對(duì)差分定位結(jié)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(jī)鐘差–

消除接收機(jī)天線相位中心偏差和變化–

消弱101DGPS特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：定位精度高、可獲取絕對(duì)坐標(biāo)。缺點(diǎn)：多臺(tái)接收共同作業(yè)，作業(yè)復(fù)雜數(shù)據(jù)處理復(fù)雜應(yīng)用大地測(cè)量大型建筑物變形監(jiān)測(cè)高精度定位及導(dǎo)航102差分GPS的主要類型

根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)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(shù)GPS抗干擾技術(shù)由于在GPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)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(zhēng)環(huán)境下一種導(dǎo)航輔助手段，并沒有考慮在復(fù)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(hào)強(qiáng)度很弱，GPS用戶的接收機(jī)靈敏度高，較低功率的射頻信號(hào)就可對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)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(shù)據(jù)，因此在其衛(wèi)星信號(hào)的中心頻率附近的其它射頻信號(hào)對(duì)其產(chǎn)生干擾。GPS接收機(jī)只能識(shí)別信號(hào)的結(jié)構(gòu)，較難辨別信號(hào)的真?zhèn)?，只要使欺騙信號(hào)與衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)相同就可達(dá)到有效欺騙的目的。GPS接收機(jī)為了正確的導(dǎo)航定位需要跟蹤接收多顆衛(wèi)星的信號(hào)，接收機(jī)天線的方向圖呈半球狀，因此其天線在空域?qū)ι漕l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(dāng)薄弱。105GPS抗干擾措施

針對(duì)GPS易受干擾這一弱點(diǎn)，已經(jīng)掌握及近期有望投入使用的抗干擾技術(shù)有:(1)直接P(Y)碼捕獲技術(shù)(2)采用自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)(3)GPS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)組合技術(shù)(4)抗干擾濾波器技術(shù)(5)研制對(duì)GPS干擾源的探測(cè)和定位系統(tǒng)(6)陸基偽衛(wèi)星技術(shù)(7)改進(jìn)現(xiàn)役的GPS接收機(jī)106GPS干擾技術(shù)體制

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

C/A碼的瞄準(zhǔn)式干擾

C/A碼的阻塞式干擾相關(guān)干擾欺騙式干擾

生成式干擾轉(zhuǎn)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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測(cè)控制站和用戶設(shè)備三部分組成?，F(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。109GLONASS與GPS的比較

1時(shí)間系統(tǒng)的差異GPS衛(wèi)星時(shí)和系統(tǒng)時(shí)是一個(gè)連續(xù)的時(shí)標(biāo)，而GLONASS衛(wèi)星時(shí)和系統(tǒng)時(shí)是一個(gè)不連續(xù)的時(shí)標(biāo)，包括UTC時(shí)在內(nèi)，都包含著跳秒。

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

GPS采用CDMA方式來區(qū)別不同的衛(wèi)星信號(hào)，GLONASS采用FDMA方式來區(qū)別不同的衛(wèi)星信號(hào)。因此，GLONASS接收機(jī)抗干擾能力較強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。112GALILEO概述

伽利略計(jì)劃，實(shí)際上是一個(gè)歐洲的全球?qū)Ш椒?wù)計(jì)劃。它是世界上第一個(gè)專門為民用目的設(shè)計(jì)的全球性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，與GPS的原始設(shè)計(jì)目標(biāo)相比，它將更加先進(jìn)、有效、可靠。其總體思路具有四大特點(diǎn)：自成獨(dú)立體系；能與其它的GNSS系統(tǒng)兼容互動(dòng)；具備先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)能力；公開進(jìn)行國(guó)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(duì)比，也為該系統(tǒng)未來廣闊的應(yīng)用領(lǐng)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(jì)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(wù)。

“伽利略”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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。“伽利略”系統(tǒng)能夠與美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)內(nèi)的相互合作，能夠保證在許多特殊情況下提供服務(wù)。114系統(tǒng)可提供的服務(wù)

雖然提供的信息仍還是位置、速度和時(shí)間，但是伽利略提供的服務(wù)種類遠(yuǎn)比GPS多，GPS僅有標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)和精確定位服務(wù)(PPS)兩種，而Galileo則提供五種服務(wù)：公開服務(wù)(OS：OpenService)，與GPS的SPS相類似，免費(fèi)提供；商業(yè)服務(wù)(CS:Commercial)；生命安全服務(wù)(SoLS:SafeofLifeService)；公共特許服務(wù)(PRS:PublicRegularService)；搜救(SAR)服務(wù)。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(dǎo)航系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是:用戶不發(fā)射信號(hào)、僅接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，由用戶完成對(duì)信號(hào)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(huì)暴露，這對(duì)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(dǎo)航服務(wù)，用戶數(shù)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(jìn)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(dǎo)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(shí)時(shí)