原创 GPS卫星定位系统

一、GPS卫星定位技术的发展

1967年7月29日，美国政府宣布海军导航卫星系统(NNSS)，亦称子午卫星(TRAN-SIT)系统的部分导航电文解密，供民间使用。这种由测站上接收机直接对空间卫星进行多普勒测量的定位技术遂迅速兴起，应用于导航和大地定位。实践证明，卫星多普勒定位技术，不受天气的限制，只要能接收到子午卫星信号，便可借助已知的卫星轨道信号，进行单点定位或双点联测定位，即可确定测站的三维地心坐标或两点的坐标差。因此，这项新技术迅速地从美国传播到北美、欧亚诸国，得到了广泛的应用。20世纪80年代初，我国也引进了一些多普勒接收机应用于导航和大地测量中。

子午卫星导航系统虽为导航和定位技术起了一定的革新作用，但仍然存在着一些明显的缺陷：

?卫星数少，每隔1～2h才有一次卫星通过而进行跟踪观测，不能进行实时连续定位；

?子午卫星系统的定位精度仍嫌不高。

美国国防部于1973年批准建立新一代卫星导航系统——导航卫星定时测距全球定位系统(Navigation Timing and Ranging Global Positioning System)，简称全球系统，它是一种可以定时和测距的空间交汇定点的导航系统；可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息，为陆、海、空三军提供精密导航，还可用于情报收集、核爆监测、应急通信和卫星定位等一些军事目的。GPS整个发展计划分三个阶段实施，即原理可行性验证阶段，系统的研制与试验阶段，最后的工程发展与完成阶段。至1994年，7颗GPS试验卫星(目前2颗仍在工作)和分布在6条轨道上的24颗(3颗备用)工作卫星已全部升空并正常工作。整个计划耗资巨大(100亿美元以上)，这是继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一庞大的空间计划。

从覆盖范围、信号可靠性、数据内容、准确度以及多用性这五项指标来看，GPS定位系统都远比先前的子午卫星导航系统优越，它不仅能满足精密导航等一系列军事目的，还能对卫星信号进行载波相位测量，达到精密相对定位。因此，GPS定位系统为民用导航、测速、时间比对和大地测量、工程勘测、地壳监测等众多领域，展现了极其广阔的应用前景。它的问世已导致测绘行业的一场深刻的技术革命。

目前，美国着手设计与试验新的第二代工作卫星改进系统(BLOCKⅡR)，于20世纪90年代后发射，计划发20颗，新系统的定位精度可达1mm。前苏联自1978年10月开始，发射自己的全球导航卫星系统(GLONASS)试验卫星，计划在90年代中期建成GLONASS工作星座，星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在三个轨道平面上。欧洲空间局(ESA)正在筹建民用导航卫星系统，包括在赤道平面上的6颗同步卫星(GEO)和12颗高椭圆轨道(HEO)卫星的混合卫星星座。我国也正在筹建双星定位系统，由2颗同步卫星确定平面位置的导航系统。

二、GPS定位系统的组成

GPS定位系统由三部分组成，即由GPS卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的广大用户部分。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。

图11-1显示了GPS定位系统的三个组成部分及其配合情况。

1．空间部分

空间部分由GPS卫星组成。覆盖全球上空的GPS卫星星座，必须保证在各处能时时观测到计划高度角15°以上的4颗卫星。

目前，GPS工作卫星星座(BLOCKⅡ)共有24(21+3)颗卫星，均匀分布在倾角为55°的6条轨道上，即各轨道升交点(与赤道交点)之间的角距为60°，每轨均匀分布4颗卫星，相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开40°，以保证全球均匀覆盖的要求，分布情况如图11-2所示。至1995年，仍有几颗试验卫星在正常工作，3颗在轨的备用工作卫星随时可替代发生故障的其他卫星。

 GPS工作卫星重达1500kg，设计寿命7.5年，星上装备了无线收发两用机、铯原子钟(稳定度为10-13～10-14)、计算机、两块7m2的太阳能翼板以及其他装备。每颗卫星以两个L波段频率发射载波无线电信号：    L1=1575.42MHz(波长约19cm)
                              L2=1227.60MHz(波长约24cm)

在L1载波上测距用P码(精码，码长约30m)和C／A码(粗搜索码，码长约300m)。C／A码供民用的标准定位服务(SPS)，P码只供美国军方和授权用户使用。此外，在载波上还调制了每秒50(bit)的数据导航电文，内容包括：卫星星历、电离层模型系数、状态信息、时间信息和星钟偏差以及漂移信息等。

GPS卫星采取多种编号识别系统，通常采用的编号是PRN数(伪随机噪声数)，由各卫星的导航电文获知。GPS工作卫星离地高度20～200km，运行周期为12个恒星时，因此，完整的工作卫星星座保证在全球各处可以随时观测到4～8颗高度角在15°以上的卫星，若要求高度角仅在10°和5°以上时，则分别可观测到4～10和4～12颗卫星。

目前，美国采取两种限制性政策：SA(选择可用性)政策，有意使频率漂移和降低轨道精度，使C／A码原有的定位精度从20～40m降低到100m；AS(反欺骗)政策，为防止P码被窃取，将P码改为Y码，使非授权用户无法解态P码。

2．控制部分

控制部分负责监控全球定位系统的工作，包括主控站、监控站和注入站，它们的作用分述如下：

主控站——卫星操控中心(CSOC)位于美国科罗拉多州斯普林斯附近的佛肯(Falcon)空军基地，其任务是收集各监控站送来的跟踪数据，计算卫星轨道和钟差参数并发送至各注入站，转发至各卫星。主控站本身还是监控站，另外可诊断卫星的工作状态，进行调度。

监控站——共有5个，除主控站上外，还在夏威夷和北太平洋上的Kwajalein岛、印度洋的Diogo Garcia岛、大西洋的Ascension岛上设立监控站，装备有P码接收机和精密铯钟，对所接收到的卫星进行连续的P码伪距跟踪测量，并将每隔1.5s的观测结果，借助电离层和气象数据，采取平滑方法，获得每1.5min的结果数据，传送到主控站。

注入站——共有3个，与三大洋的Kwajalein岛、Diogo Garcia岛和Ascension岛上的监控站并置，其主要功能是将主控站发送来的卫星星历和钟差信息，每天一次地注入到卫星上的存储器中。即使注入站因故障无法注入新的数据，存储器具备长达14d的预报能力，此时，定位精度从10m左右逐渐递减至约200m。

图11-3中，5个监控站的分布位置以黑圆点标志。由此5站构成的跟踪观测网确定广播星历和钟差模型，由卫星广播电文供全球用户使用，在目前SA政策条件下，定位精度为100m。美国国防制图局加设若干监测跟踪站，图11-3中以黑小方块标志，用以确定精密星历，定位精度为16m，供军方和授权用户使用。多年来，一些厂商和国际合作组织建立卫星跟踪网，如协调国际GPS跟踪网(CIGNET)，测定卫星精密星历，供有关用户使用。我国亦计划建立局部卫星跟踪网，测定卫星精密星历。

3．用户部分

GPS主要为美国军方服务，军方用户——导航型接收机可为飞机、舰艇和战车以及野外人员定位。近年来，厂商提供了阵列天线的接收机(如呈方形四角阵列天线)，不仅提供正确位置，还能确定运动载体的3个姿态角。星载接收机，可以为低空侦察卫星定位，法国的SP0T卫星也得益于星载接收机来确定遥感影像图片的精密位置。

10多年来，导航型接收机已广泛应用于交通等领域，更为突出的是相位接收机的问世，这种接收机用于精密相对定位，至今已开始取代常规的控制测量，这里，我们重点介绍相位接收机的基本构造及几种主要接收机的技术参数。

这种接收机比多通道接收机信噪比要低，GARMAN接收机采用这种结构。

2．GPS接收机基本结构

GPS接收机主要由GPS接收机天线、GPS接收机主机及电源组成。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成(见图11-6)。

3．GPS接收机的天线部分

    (1) 对天线部分的要求

天线由接收天线和前置放大器两部分所组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大，一般还兼有变频作用。为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对天线部分有以下要求：

——天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作并减少信号损失；

——须保障能接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角；

——须有适当的防护与屏蔽措施(例如加基板)，最大限度地减弱信号的多路径效应；

——天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。

(2) 天线的类型

    1) 单板天线

这种天线结构简单、体积较小，如图11-7所示，需要安装在一块基板上，属单频天线。

2) 四螺旋形天线

四螺旋形天线是由四条金属管线元绕制而成，底部有一块金属抑制板，见图11-8。天线是一外形直径为D、长度为L的旋转圆柱。每两条线元组成一对螺旋振子，每条线元长度为3／4λ(λ为天线工作波长)。四条线元按同一方向沿圆柱绕3／4周，可以左旋，如图中所示，称为左旋圆极化天线，也可以右旋。一般取L／P=1.5～2。图11-8(b)为四线元螺旋天线的方向图。它在水平方向为全圆性，它可以接收来自任何方向的卫星信号。天线带宽为10％?。这种天线频带宽，全圆极化性能好，可捕捉低高度角卫星。缺点是不能进行双频接收，抗震性差，常用作导航型接收机天线。

3) 微带天线

微带天线是在厚度为h(h≤λ)的介质板两边贴以金属片。一边为金属底板，一边做成矩形或圆形等规则形状，见图11-9。这种天线也称为贴片天线，其供电方式可以是微带供电，也可以是同轴线馈电。

微带天线的特点是高度低，重量轻，结构简单并且坚固，易于制造；既可用于单频机，又可用于双频机。缺点是增益较低。目前大部分测地型天线都是微带天线。这种天线更适用于飞机、火箭等高速飞行物上。

4) 锥形天线

锥形天线是在介质锥体上，利用印刷电路技术在其上制成导电圆锥螺旋表面，也称盘旋螺线型天线。如图11-10所示这种天线可以同时在两个频率上工作。

锥形天线的特点是增益好，但是由于其天线较高，并且在水平方向上不对称，天线相位中心与几何中心不完全一致，因此，在安置天线时要仔细定向并且要给予补偿。

(3) 前置放大器

由于GPS卫星高，GPs天线接收来的20000km高空的信号很弱，信号电平只有-50～-180dB；输入功率信噪比为S／N=–30dB，即信号源淹没在噪声中。为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器。对于双频接收机设有两路前置放大器以减少带宽，抑制外来信号干扰，也防止?1，?2号干扰，见图11-11。

    大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，但也有些导航接收机为减少天线重量而
将天线和前置放大器分开。

4．变频器及中频放大器

由GPS前置放大器来的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，采用了变频器。图1l-12为变频电路。

5．信号通道

信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。不同类型的接收机其通道是不同的。在此先介绍相关型通道。

GPS信号通道的作用：

(1) 搜索卫星，牵引并跟踪卫星；

(2) 对基准信号，即广播电文数据信号实行解扩、解调得到广播电文；

(3) 进行伪码距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。图11-13为相关通道的电路原理图。

从卫星接收到的信号是扩频的调制信号，所以要经过解扩、解调才能得到导航电文。为了达到此目的，在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环。

    (1) 伪码相位跟踪环

伪码相位跟踪环是由环路滤波器、码环相位误差发生器、码数控振荡器组成的反馈环路，其作用是使伪码发生器产生本地伪码的相位与调制在输入信号上的伪码相位一致(或称为对准)。此时，两个伪码在相关器进行相关运算时，相关值为1。这样就实现了对输入信号的解扩。

码相位跟踪环工作过程是由本地发生器依序分别产生

(2) 载波相位锁相环

载波相位锁相环由环路滤波器、载波环相位误差发生器和载波数控振荡器组成。该环产生的频率与固定29F频率合成为29.25F，伪码发生器产生的伪随机码(c／A码或P码)调制在该合成频率上。这个调制后的频率称为第二本地振荡信号。当本地振荡信号的频率和相位跟踪了输入信号的频率和相位，使接收的中频载波与第二本振的频率差为6.75F。

再经过第三、第四级混频，得到零频信号的同相和正交分量：

这时，就完成了解扩和解调。如果，即没有对准时，可以从I，Q中取出码环和载波环的相位误差信号，经滤波后去驱动码环和载波环的数字压控振荡器，使本机第二本振信号与接收信号对准。
    ‘
载波环有三种工作状态：搜索、牵引、跟踪状态。

    1) 伪码扩频信号的搜捕

为了解扩和解调导航信息，必须对载波和伪码的相位进行跟踪。为了实现跟踪，首先要捕捉到卫星导航信号，即同时搜捕到导航信号的载波和伪距的相位。这一过程叫搜捕。这一工作是利用u=I+ Q 进行的。由于码相对准时，信号通道I+ Q 就有输出。而且码相位对得越准，信号频谱全部落入通带(即频率对的准)时，I+ Q 越大。反之，码相位错开一个码位或信号频率处于信道通带之外时， I+ Q 趋于噪声电平。为了正确判断是否搜捕到信号，可采用连续测试判决法。同时，对导航信号和载波信号上的伪随机码的相位进行二维搜索。

2) 牵引

载波频率的牵引是指当接收信号载波与第二本振频率之差不等于6.75IF时，经环路调整使之达到6.75F的过程。

3) 跟踪

跟踪有载波频率跟踪和载波相位跟踪。

载波频率跟踪是指当接收信号载波频率变化时，环路仍能保持差频6.75F不变；载波相位跟踪是指在接收信号载波相位变化时，环路保持载波相位Q与第二本振相位Q之差为零。跟踪是采用costas环。

    当通过搜索，捕捉到信号后，伪码信号基本对准，信号载频落入信道通带，采用二阶costas环对载频和相位进一步牵引和跟踪，以实现对导航信号的解扩、解调，得到基准信号。通过对导航电文提取同步信息，使接收机处于精密跟踪状态。再用三阶costas环对信号载
频和相位进行精密跟踪，码锁相环对伪码相位进行精密跟踪。这样，从码锁相环可取出码伪
距观测值；从三阶costas载波环提取伪距测量Δγ?：