GPS原理与应用第1章 绪论

课程主要内容第一章绪论第二章GPS测量的坐标系统和时间系统第三章卫星运动根底及GPS卫星星历第四章GPS卫星定位根本原理第五章GPS测量的误差来源第六章GPS测量的实施第七章GPS数据处理GPS原理与应用第一章绪论第一章绪论主要内容1.1GPS定位技术的兴起及其特点1.2GPS系统的组成1.3其他导航定位系统1.4GPS技术的应用GNSS=?现有和在建的全球卫星导航系统GPSGLONASSGALILEOBD增强系统GNSSGNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)是全球导航卫星系统的英文缩写，它是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合名词，是利用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天侯无线电导航系统。目前可供利用的全球卫星导航系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS以及未来欧洲的Galileo以及中国的北斗。GNSS的特点定位精度高观测时间短测站间无须通视可提供三维坐标操作简便全天候作业功能多、应用广免费第一章绪论1.1GPS定位技术的兴起及其特点1.1.1GPS由来1957年10月世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，是人类致力于现代科学技术开展的结晶，它使空间科学技术的开展迅速进入了一个崭新的时代。近五十年来，人造地球卫星技术在军事、通讯、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文等众多学科领域得到极其广泛的应用，从而推动了科学技术的迅猛开展，也丰富了人类的科学文化生活。大家知道，人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室就着手实施建立为美国军用舰艇导航效劳的卫星系统，即“海军导航卫星系统。(NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS)。该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称子午(Transit)卫星系统〞。第一章绪论1964年该系统建成，并开始在美国军方启用，1967年美国政府批准该系统解密，并提供民用。由于该系统不受气候条件的影响，自动化程度较高，且具有良好的定位精度，所以它的出现也立即引起了大地测量学者的极大关注。尤其是在该系统提供民用之后，在大地测量方面进行了大量的应用研究和实践，并取得了许多令瞩目的成就。这就预示着经典的大地测量技术面临着—场重大的变革。缺陷：虽然美国“海军卫星导航系统〞在导航技术的开展中具有划时代的意义，但是由于该系统卫星数目较少(5～6颗)、运行高度较低(平均约1000km)、从地面站观测到卫星的时间间隔较长(平均约1.5小时)，因而它无法提供连续地实时三维导航。加之获得一次导航解所需的时间较长，所以难以充分满足军事方面，尤其是高动态目标(如飞机、导弹)导航的要求。而从大地测量学方面来看，由于它定位速度较慢(一个测站一般平均观测1～2天)，精度也较低(单点定位精度3～5m，相对定位精度约为1m)，所以该系统在大地测量学和地球动力学研究方面的应用，也受到了很大的限制。第一章绪论为了满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部正式开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的方案。这就是许多文献中所称的“授时与测距导航系统／全球定位系统〞(NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem—NAVSTAR／GPS)，而通常简称为“全球定位系统〞。GPS系统的开展第一阶段〔1973-1979〕方案论证和初步设计。4颗实验卫星、局部地面接收设备。1973年国防部批准GPS系统的Navstar卫星制造方案;1974年为检验铷钟和时间传播技术,Timation工程的第一颗GPS实验卫星发射升空;1977年第一批携带铯钟的实验卫星发射升空,具有后来GPS卫星的根本特征;1978年第一颗GPS原型导航卫星BlockI卫星发射升空。第二阶段〔1979-1985〕全面研制和试验阶段。

这一时期共发射七颗试验卫星,GPS试验卫星BlockI卫星到达11颗,其它辅助系统建立。证实了GPS系统卓越的导航定位能力〔实际伪距单点定位精度:20米,设计标准:100米〕。GPSBlockI第三阶段〔1986-1994〕实际组网阶段，24颗工作卫星，1995年达预定工作能力。从1989年2月14日至1994年，共24颗(21+3)GPS工作卫星：BlockⅡ〔9颗〕、BlockⅡA〔15颗〕发射成功。GPSBlockⅡGPSBlockⅡA

1995年4月27日,美国防部宣布：“GPS系统已具备完全运行能力(FullOperationalCapability,FOC)〞投资：120亿美元卫星:9颗BLOCKⅡ15颗BLOCKⅡA特点:全球、全天候、连续实时高精度的授时、导航和定位GPS星座现状

截止到2007年，美国的GPS系统共发射卫星55颗，发射失败2次.卫星型号发射总数(颗)在轨正常工作(颗)BlockI110BlockII90BlockIIA1915BlockIIR1312BlockIIRM33----5530第一章绪论1.1.2GPS的特点

1、GPS相对于其它导航定位系统的特点①全球地面连续覆盖。由于GPS卫星的数目较多且分布合理，所以地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星。从而保障了全球、全天候连续地实时导航与定位。

②功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。随着GPS测量技术和数据处理技术的开展，其定位、测速与测时的精度将进一步提高。第一章绪论③实时定位速度快。利用全球定位系统一次定位和测返工作在一秒至数秒钟内便可完成(NNSS约需8～16分钟)，这对高动态用户来说尤为重要。④抗干扰性能好，保密性强。由于GPS采用数字通讯的特殊编码技术、采用伪随机噪声码技术，因此GPS卫星所发送的信号，具有良好的抗干扰性和保密性。考虑到GPS主要是为满足军事部门高精度导航与定位目的而建立的，所以上述优点对军事上动态目标的导航具有十分重要的意义。正因为如此，美国政府把开展GPS技术作为导航技术现代化的重要标志，并把这—技术视为20世纪最重大的科技成就之一。第一章绪论2、GPS相对于经典大地测量的特点①选点灵活，无需通视。GPS测量不要求观测站之间通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可减少测量工作的经费(30%～60%〕和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。但要求净空。②定位精度高。现已完成的大量实验说明，目前在小于50km的基线上其相对定位精度可达1～2*10-6，而在100km～500km的基线上可达10-6～10-７。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度到达或优于10－８。③观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1～3小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来开展的短基线〔例如不超过20KM〕快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。第一章绪论

④提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。

⑤操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其它观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般重量较轻、体积较小，例如NovAtelRPK-L1/L2型GPS接收机，重量约为1.0千克，体积为1085cm3,因此携带和搬运都很方便。

⑥全天候作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。第一章绪论所以，GPS定位技术的开展，对于经典的测量技术是一次重大的突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生的深刻的变革，另一方面，也进一步加强了测量学与其它学科之间的相互渗透，从面促进了测绘科学技术的现代化开展。1.1.３GPS技术对经典大地测量的影响1、经典大地测量的现状自49年以来，我国测绘工作者在全国范围内沿着经纬线方向布设了Ⅰ等三角锁。在Ⅰ等三角锁的控制下，全面布设了Ⅱ等三角网或十字交叉的Ⅱ等三角锁。随后，随着国民经济开展的需要及测绘根本图的需要，在Ⅰ、Ⅱ等三角锁网的控制下，建立了Ⅲ、Ⅳ等三角网。在高程控制方面，全国建立了Ⅰ等水准网，接着为满足各部门和各项工作的需要，又建立了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等水准网。至此，我国已完成了经典大地测量的平面控制网和高程控制网。经过近三十年的变化，经典大地测量的现状是：第一章绪论水准原点国家大地原点第一章绪论第一章绪论第一章绪论〔1〕标志破坏严重。平面控制网中的三角点标志〔木标志、钢标志和标石〕破坏相当严重，以至到了不能利用的程度。〔2〕控制网的精度不高。采用经典大地测量方法建立的平面控制网，是以丈量基线和观测角度向前推进的，误差积累尤甚。从测量基线1/100万的相对误差开始，一直推算到应用较频繁的Ⅳ等三角网上，相对误差降到1/5万，此已不适应于现代精密工程的需要，更无法满足地学研究的需要。〔3〕平面控制与高程控制相别离。由于建立平面控制网和高程控制网的要求是截然不同的，因而二者是相互独立的，没有统一的坐标系，故使用极不方便。〔4〕平面控制点难以到达。为保证点间的通视和构成一定的网形，平面控制点大多项选择在制高点上。因此多半设在山峰上，交通不便，难以到达。在经济高速开展的今天，经典大地测量网面临着全面改造的问题。GPS的出现，为经典大地测量网的改造提供了强有力的技术手段。第一章绪论2、GPS技术与经典大地测量的差异GPS技术与经典大地测量各有特点，二者比较，存在以下差异：〔1〕

在结构上经典大地测量控制网总是分为平面控制网和高程控制网，相互独立，个成系统。平面控制网是利用测距仪测边和经纬仪测角构成一定三角形或四边形来完成的。为了保证点间的通视，三角点必须设在制高点上；为了保证坐标传递的精度，三角点间构成的网形要求具有较强的几何图形。高程网是利用水准仪逐站测量两点间的高差来建立的，因而要求水准点要选在地势平坦和交通方便的道路两边。可见，二者对点位的要求和观测方法是截然不同的，因此也就无法统一起来，各自在方案、施测、数据处理和应用上自成体系。而采用GPS定位技术时，点在GPS卫星上，点的位置〔平面位置和高程〕是以接收GPS卫星信号的方式来实现的，它只与卫星相联系与其它点无关，因而相邻点间不要求通视，并可获得地面点在全球地心坐标系中的坐标。第一章绪论这样，一方面省去了大量的地面测设工作，把测绘人员从沉重的地面劳动中解放出来，极大地提高了测量的效益；另一方面，将平面坐标系和高程坐标系统一到全球坐标系中，使二者成为一个整体。〔２〕在层次上经典大地测量是指广阔区域的测量方法。区域既广，如果采取一次布网的密集测量方式，以短边传递，那么由于观测误差，边长和方位角的误差必然迅速增加，精度迅速降低。因此，经典大地测量按照用途、使用仪器、观测精度和边长的不同，将控制网由高级由低级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等四个层次，高一级作为下一级的控制基准，下一级作为高一级的补充，遵循“由大到小、逐级控制〞的原那么，从而使得大地控制网的建立成为旷日持久的工作。GPS定位技术那么截然不同。GPS定位网不存在误差积累这一问题，抛弃了“由大到小、逐级控制〞这一布网原那么。它在观测中所使用的仪器相同，观测精度也相同。假设要提高定位精度，只要稍微延长观测时间，所费极微。而经典大地测量中，高等点与低等点的代价之比上很大的。第一章绪论〔３〕在数据处理上经典大地测量的观测数据是在重力空间获得的，而地面点的平面位置必须用大地坐标表示，它们是在一个以椭球面为参考的几何空间中量。为了由重力空间的观测量进行分级处理。在结构上，将平面控制和高程控制分别处理；在层次上，将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等网分别处理。由于它们的观测量不等权，无法进行整体平差。相反地，联合平差会使成果变坏。采用GPS定位技术那么截然不同，它可以直截了当地得出地面点在WGS—84地心坐标系中的三维坐标，从而防止了复杂的归算问题。由于GPS观测量是等权的，因而可将高等级点和低等级点统一处理。

GPS的出现，对测绘界产生了深刻的影响，它使得一些经典的测量方法成为历史。虽然GPS可能还不会完全取代经典测量方法，但其主导作用是确定无疑的。第一章绪论1.２GPS系统的组成1.２.1GPS卫星星座GPS系统由GPS卫星星座〔空间局部〕、地面监控系统〔地面控制局部〕和GPS信号接收机〔用户设备局部〕等三局部组成。１、GPS卫星星座的构成GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上。卫星轨道平面相对地球赤道平面的倾角约为55º，各轨道平面升交点的赤经相差60º，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30º。轨道平均高度约为20210km，卫星运行周期为11小时58分。卫星轨道近于圆形，其长半轴为26560km，最大偏心率为0.01。

同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目视时间和地点而定，最少为4颗，最多可达11颗。这一分布方式，保证了地面上任何时间、任何地点至少可同时观测到4颗卫星。

定位星座：在用ＧＰＳ卫星进行导航定位时，为了求得测站的三维位置，必须观测４颗ＧＰＳ卫星，称之为定位星座。间隙段：ＧPS卫星的上述分布，在个别地区仍可能在其一短时间内(例如数分钟)只能观测到4颗图形结构较差的卫星，而无法到达必要的定位精度。这种时间段称为间隙段。间隙段的解决方法：１〕制定作业方案；〔静态〕２〕采用双系统接收机〔动态〕第一章绪论第一章绪论2、GPS卫星及其功能GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg〔包括310kg燃料)，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作的用电。每颗卫星装有4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS测量提供高精度的时间标准。GPS卫星的根本功能：1〕向广阔的用户连续不断地发射卫星导航定位信号〔简称GPS信号〕，并用导航电文报告自己的现势位置已以及其他在轨卫星的概略位置；第一章绪论2〕在飞越注入站上空时，接受由地面注入站发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号形成电路，适时的发送给广阔的用户。3〕接受地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令。如适时的改正运行的偏差。或者启用备用时钟等。4〕通过星载高精度原子钟，提供精确的时间标准，使各卫星处于同一时间标准——GPS时。第一章绪论1.２.2地面监控系统〔地面控制局部〕对于导航定位而言，GPS卫星是一种动态点，它是依据卫星发送的星历计算而得的。所谓“卫星星历〞是一系列描述卫星运动及其轨道的参数。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。GPS卫星的设计寿命是七年半，当它们入轨运行以后，卫星的“健康〞状态如何，亦即卫星上各种设备是否能正常工作，以及卫星是否一直沿预定的轨道运行，这都要由地面设备进行监测和控制。此外，地面监控系统还有一个重要作用，保持各颗卫星处于同一时间标准，即处于GPS时间系统。这就要在地面上设站监测各颗卫星的时间，并计算出有关改正数，进而由导航电文发射给用户，以确保处于GPS时间系统。

GPS工作卫星的地面系统，目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监测站。

第一章绪论主控站一个，设在美国外乡科罗拉多.斯平士(ColoradoSprings)的联合空间执行中心。注入站现有3个，分别设在印度洋的狄哥•伽西亚(DiegoGarcia)、南大西洋的阿松森岛(Ascension)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。五个监测站除主控站和注入站外，还在夏威夷设立了一个监测站。地面监控系统的分布第一章绪论1、监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心，站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和假设干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况；原子钟提供时间标准；环境传感器收集当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理〔如计算对流层、电离层、天线相位中心、相对论效应改正数等〕，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。第一章绪论

2、主控站

主按站除协调和管理所有地面监控系统的工作外，其主要任务是：

3〕调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。4〕启用备用卫星以代替失效的工作卫星。1〕根据本站和其它监测站的所有观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。2〕提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步或测出其间时钟差，并把这些钟差信息编入导航电文送到注入站；第一章绪论

3、注入站

注入站的主要设备包括一台直径为3.6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS的地面监控局部，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通讯系统联系起来，在原子钟、计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。为了提高GPS卫星的定轨精度，当系统建成后将会适当增加监测站的数量并改善其在全球的分布。第一章绪论1.２.3GPS信号接收机〔用户设备局部〕全球定位系统的空间局部和地面监控局部，是用户广泛应用该系统进行导航和定位的根底，而用户只有通过用户设备才能实现利用GPS导航和定位的目的。GPS信号接收机：是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星信号的接收设备，称之为GPS信号接收机。1、GPS信号接收机的作用1〕当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运动。2〕对所接收到的GPS信号具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发射的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，从而实现导航和定位。Trimble5800GPS接收机

上海华测X90GPS接收机

小博士手持机博宇GPS接收机

中海达V30GPS接收机第一章绪论用户设备部分第一章绪论2、GPS信号接收机的结构GPS用户设备主要包括有GPS接收机及其天线，微处理器及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线是用户设备的核心局部，一般习惯统称为GPS接收机。它的主要功能是接收GPS卫星发射的信号并进行处理和量测，以获取导肮电文及必要的观测量。1〕天线(前置放大器)；2〕信号处理器，用于信号识别和处理；3〕微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算；4〕用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存贮器；5〕精密振荡器，用以产生标准频率；6〕电源，供电。第一章绪论如果把GPS接收机作为一个用户测量系统，那么按其构成局部的性质和功能可分为硬件局部和软件局部。硬件局部，主要指上述接收机、天线和电源等硬件设备，而软件局部是支持接收机硬件实现其功能，并完成各种导航与定位任务的重要条件。软件局部是构成现代GPS测量系统的重要组成局部之一。一个功能齐全、品质良好的软件不仅能方便用户使用，满足用户的多方面要求，而且对于改善定位精度，提高作业效率和开拓新的应用领域都具有重要意义。所以，软件的质量与功能已成为反映现代GPS测量系统先进水平的一个重要标志。一般来说，软件包括内软件和外软件。所谓内软件是指诸如控制接收机信号通道，按时序对各卫星信号进行量测的软件以及内存或固化在中央处理器中的自动操作程序等。这类软件已和接收机融为一体。而外软件主要是指观测数据后处理的软件系统，这种软件一般以磁盘方式提供。如无特别说明，通常所说接收设备的软件均指这种后处理软件系统。第一章绪论3、GPS信号接收机的分类1〕按接收机的载波频率分类GPS导航与定位技术的迅速开展和应用领域的不断开拓，使得世界各国对GPS接收机的研制与生产都极为重视，目前世界上GPS接收机的生产厂家约有数十家，而型号超过数百种。根据不同的观点，GPS接收机可有多种不同的分类，现将其主要分类加以介绍。◆单频接收机：单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线〔<15km〕的精密定位。

◆双频接收机

：双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。

◆双系统接收机

(GPS+GLONASS)：利用GPS和GLONASS两套系统的卫星信号进行导航定位。第一章绪论2〕按接收机的用途分类◆导航型接收机：

此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25mm，但这类接收机价格廉价，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型〔用于车辆导航定位〕、航海型〔用于船舶导航定位〕、航空型〔用于飞机导航定位，由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动〕、星载型〔用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。〕

◆测地型接收机

：主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。

◆授时型接收机

：主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

第一章绪论3〕按接收机的通道数分类

当GPS接收机的天线同时接收多颗GPS卫星的信号，必须首先把这些信号分隔开来，以实现对各卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：

◆多通道接收机：所谓多通道接收机，即具有多个卫星信号通道，而每个通道只连续跟踪一个卫星信号的接收机。所以，这种接收机也称连续跟踪型接收机。◆序贯穿道接收机：通常只具有1～2个通道。这时为了跟踪多个卫星信号，它在相应软件的控制下，按时序依次对各个卫星信号进行跟踪和量测。由于对所测卫星依次量测一个循环所需时间较长(＞20ms)，所以其对卫星信号的跟踪是不连续的。◆多路复用通道接收机：与序贯穿道接收机相似，但对所测卫星信号量测一个循环的时间较短(＜20ms)，可以保持对卫星信号的连续跟踪。第一章绪论4〕按接收机的工作原理分类◆码相关型接收机：其特点是，能够产生与所测卫星的测距码结构完全相同的复制码。工作中通过逐步相移，使接收码与复制码到达最大相关，以测定卫星信号到达用户接收机天线的传播时间。码相关型接收机可利用C／A码也可利用P码，其工作的根本条件是必须掌握测距码的结构。所以这种接收机也称为有码接收机。

◆平方型接收机：利用载波信号的平方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号。这种接收机只利用卫星的信号无需解码，因而不必掌握测距码的结构，所以也称为无码接收机。

◆混合型接收机：是综合利用了相关技术和平方技术的优点，它可以同时获得码相位和精密的载波相位观测量，目前在测量工作中广泛使用的接收机多属这种类型。第一章绪论4、GPS信号接收机的天线1〕天线的作用把来自卫星信号的能量转化为相应的电流量，并经过前置放大器送入射频局部进行频率变换，以便接收机对信号进行跟踪、处理和量测。2〕对天线的要求

◆天线与前置放大器一般应密封为一体，以保障在恶劣的气象环境下能正常工作，并减少信号损失；

◆天线必须采取适当的防护与屏蔽措施(例如加一块基板)，以尽可能地减弱信号的多路径效应、防止信号的干扰；

◆天线均应呈全圆极化。要求天线的作用范围为整个上半球，在天顶处不产生死角，以保障能同样地接收来自天空任何方向的卫星信号；第一章绪论

◆天线的相位中心与其几何中心之间的偏差应尽量小，且保持稳定。由于GPS测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业中，天线的安置却是以其几何中心为准，所以在天线的设计中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定性。3〕天线的类型

◆单极或偶极天线：属单频天线，具有结构简单，体积小的优点。通常需要安装在一块基板上，以有助于减弱多路径的影响。

◆四线螺旋形或螺旋形结构天线：也是一种单频天线，其结构较上述单极或偶极天线复杂，且在生产中难于调整。但其增益性良好，一般也不需要底板。第一章绪论◆微波传输带型天线：常简称为微带天线。这种天线结构最为简单和巩固，既可用于单频也可用于双频，天线的高度很低，是安装在飞机上的理想天线。这种天线的主要缺点是增益较低。不过这一缺点可采用低噪声前置放大器加以弥补。

◆锥形天线：也称为盘旋螺线型天线。这种天线可同时在两个频道上工作，其主要优点是增益性好。但由于天线较高，而且螺旋线在水平方向上不完全对称，因此天线的相位中心和几何中心可能不完全重合，这需要在安置天线时仔细定向以得到补偿。第一章绪论◆带扼流圈的振子天线：简称为扼流圈天线。这种天线的主要特点是，可以有效地抑制多路径误差的影响。这种天线的主要缺点是体积较大，重量也较重，主要用于基准台站。

天线是接收设备的重要部件之一，它的品质对于减少信号损失、防止信号干扰、提高导航与定位的精度具有重要意义。为此，不断地完善天线性能，是当前天线设计中的重要任务，主要包括4〕天线设计的任务用户部分主控站USCG空间部分地面天线◆加强抗干扰能力，减弱多路径的影响；◆提高相位中心的稳定性；

◆改善天线对不同GPS测量工作的适应性；◆改进天线的生产工艺。1.3.1GLONASS定位系统1960年晚些时候，当时已有的卫星导航系统不能到达导航定位的目的。前苏联军方确认需要一个卫星无线电导航系统(SRNS)用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引。1968-1969年，国防部、科学院和海军的一些研究所联合起来要为海、陆、空、天武装力量建立一个单一的解决方案。1970年这个系统的需求文件编制完成。进一步研究之后，在1976年，前苏联公布法令建立GLONASS。

GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)第一章绪论1.3其他导航定位系统

GLONASS的起步晚于GPS九年。从前苏联于1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星开始，到1996年，十三年时间内经历周折，虽然遭遇了苏联的解体，由俄罗斯接替布署，但始终没有终止或中断GLONASS卫星的发射。1995年初只有16颗GLONASS卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，完成了24颗工作工作卫星加1颗第一章绪论GLONASS卫星星座的轨道为三个等间隔椭圆轨道，轨道面间的夹角为120度，轨道倾角64.8度，轨道的偏心率为0.01，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星离地面高度19100km。备用卫星的布局。经过数据加载，调整和检验，已于1996年1月18日，整个系统正常运行。第一章绪论

GLONASS卫星星座基本上一直处于降效运行状态，只有8颗卫星是全功能工作的。90年代曾经制定过一个GLONASS星座渐进增强计划，企图在2001年开始有12颗全功能工作的卫星，但根据最新情报，目前仍然只有8颗全功能工作的卫星。

俄罗斯目前正在着手GLONASS系统现代化的工作。俄罗斯太空部队打算开始进行新一代GLONASS-M计划的飞行试验。新型GLONASS-M卫星除了将有更长的设计寿命（从现行的3年提高到7-8年）以外，还将具有更好的讯号特性。俄罗斯还计划要在将来转变到低质量（MASS）第三代GLONASS-K卫星，确保卫星工作寿命在10年以上。

第一章绪论1.3.2GALILEO定位系统1、GALILEO导航建设背景◆单独的民用系统◆提高卫星定位的完好性、可用性和精度◆促进欧洲经济开展◆提高欧洲在航空工业的国际地位◆对GPS依赖程度分析第一章绪论◆1996年7月23日，欧洲议会和欧盟交通部长会议制定了有关建设欧洲联运交通网的共同纲领，首次提出了建立欧洲自主定位和导航系统的问题。◆1998年1月29日，欧洲委员会向欧洲议会和欧盟交通部长会议提交了名为?建立一个欧洲联运定位和导航网：欧洲全球卫星导航系统〔GNSS〕开展战略?的报告。3月17日，欧盟交通部长会议通过此报告，并委托欧洲委员会研究、拟定欧洲全球卫星导航系统开展方案。◆1999年12月22日，欧洲议会和欧盟部长级会议批准了?欧盟在科研、技术开展和演示领域的第五个框架方案〔1998－2002〕?。“伽利略方案〞列入其中，此方案成为“伽利略〞资金的一个来源。◆2000年11月22日，欧洲委员会提交了?欧洲伽利略卫星导航系统可行性评估报告?。该报告汇总了伽利略论证阶段成果。第一章绪论◆2002年3月26日，欧盟交通运输部长会议以全票通过了立即开始伽利略工程的研制阶段的动议，标志着“伽利略方案〞的全面启动。◆JU已成立，方案于2003年9月正式挂牌，GROHE先生被任命为主任。◆定义阶段〔1999－2000〕：该阶段已在2001年宣告结束。

◆开发阶段〔2001－2005〕：开发和在轨验证阶段，目前正在进行，主要工作有：汇总任务需求；开发2－4个卫星和地面局部；系统在轨验证。

◆部署阶段〔2006－2007〕：进行卫星的发射布网，地面站的架设，系统的整体联调

。◆运营阶段〔2021－〕：商业营运阶段，提供增值效劳。2、GALILEO方案进度安排第一章绪论◆伽利略系统的根本效劳：

导航

定位

授时

◆伽利略系统的特殊效劳：

搜索与救援(SAR功能)◆伽利略系统扩展应用效劳系统：

在飞机导航和着陆系统中的应用

铁路平安运行调度

海上运输系统

车队运输调度

精准农业3、GALILEO系统应用和效劳第一章绪论4、中欧伽利略方案的合作◆2000年6月，欧盟副主席德•帕拉西率团访问中国，表达了希望邀请中国参加欧洲正在方案建设的卫星导航定位系统—伽利略〔GALILEO〕方案的意愿。国务院总理朱镕基接见并表达了我国对合作建设GALILEO系统的兴趣和原那么立场。◆科技部于2001年6月21-22日，在京召开了有关中欧GALILEO方案专家研讨会。2001年10月，欧盟和中国建立了联合工作组，具体商谈在卫星导航领域合作的有关事宜。◆2002年6月朱镕基总理明确表示“我们愿意在权力和义务平衡的前提下全面参加伽利略方案〞。◆由科技部和欧盟委员会、欧洲空间局共同主办的“中国—欧洲工业界参加伽利略方案研讨会〞于2002年12月17-18日在北京成功举行。第一章绪论◆中国—欧盟科技合作促进办公室〔CECO〕与欧洲工业联合会〔ERTICO〕于2003年3月3日至5日在上海成功举办了“中国—欧盟智能交通研讨会〞。会议的主题为：1．“伽利略〞工程合作；2．公共交通管理；3．中欧智能交通培训合作。◆欧洲与中国经过近两年的准备，于2003年5月16日在布鲁塞尔举行中欧伽利略方案合作第一轮正式谈判，科技部秘书长石定环和欧盟委员会能源交通总司总司长拉莫.赫共同主持了谈判。双方高度评价中欧间在伽利略方案中合作的重要意义，各自表述了合作的目标、原那么，并对有关合作内容、方式等展开了讨论。◆双方在2003年9月在北京举行第二轮谈判，18日草签了合作协议。◆中欧双方已于2003年10月30签订正式合作协议。◆伽利略系统方案投资34亿欧元，中方投资2亿欧元。第一章绪论◆东南大学伽利略系统欧亚〔中国〕教育与应用开发中心6月12日下午，由东南大学举办的伽利略定位系统研讨会开幕式在逸夫科技馆报告厅举行。"东南大学伽利略系统欧亚〔中国〕教育与应用开发中心"也在开幕式上正式揭牌。研讨会特邀欧盟专家、意大利ISMB教授、都灵理工大学教授、西班牙卡塔假设尼亚理工大学教授等7位专家到会作学术报告。邹采荣副校长在开幕式上致辞，校长助理沈炯宣读成立东南大学伽利略系统欧亚〔中国〕教育与应用开发中心的决定。科技部高新司曹学军处长、科技部国家遥感中心景贵飞处长、国土资源部国际合作与科技司高平处长、交通部科技信息处高翔工程师等到会讲话。来自香港理工大学、北京航天航空大学等兄弟院校以及科研院所的有关专家、我校国际合作处和仪器科学与工程系、无线电系、交通学院等有关单位的领导及师生出席了开幕式。科技部高新司曹学军处长和邹采荣副校长为东南大学伽利略系统欧亚〔中国〕教育与应用开发中心揭牌。该中心是我国高校中成立的第一个伽利略系统教育与应用开发中心。第一章绪论5、GALILEO系统的特点◆全天候、全球无缝覆盖◆独立于美国，受欧洲控制的民用卫星导航定位系统◆定位精度高于其它导航星座◆导航定位效劳多样性◆具有地面与卫星通信能力，提供救援和搜索效劳◆系统开放性◆系统管理民间性6〕GALILEO系统的技术参数第一章绪论1.3.3我国独立自主的卫星导航1定位系统——“北斗一号〞虽然美国ＧＰＳ系统已经在全世界广泛应用，但该系统绝非完美无缺。例如，其规模太大、造价太高，其他国家很难效仿，俄罗斯就是典型的例子；ＧＰＳ只能导航，无法通信，因而不能满足日益增长的用户需求；作为一个国家来讲，如果完全依赖ＧＰＳ，那么容易受美国控制。那么，有没有解决这些问题的新方法呢？中国的“北斗〞开辟了一条新途径。双星定位：“北斗〞导航卫星系统是１种全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。它是通过双星定位方式来工作的。该系统由２颗经度上相距６０度的地球静止卫星对用户双向测距，由１个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是：以２颗卫星的坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成２个球面，用户机必然位于这２个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球外表高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球外表交点即可获得用户位置。第一章绪论历程：■1983年，开始筹划卫星导航定位系统■1986年初，正式以双星快速定位通信系统为名开始进行整个方案，并由北京跟踪与通信技术研究所负责研发。■1986年底研发单位就提出了总体技术方案和试验方案，预估只要3年时间，就可利用已在轨道的2枚同步卫星进行整体演练，验证导航定位原理，并检验系统实用性，寻找实现双星导航定位的技术途径。■1989年9月5日凌晨5点，科研人员以库尔勒、南宁等4个用户机进行第一次定位演练，结果证明，利用双星定位可实现定位、定时、简短通信三大功能，而且比当时GPS的民用码精度高好几倍。■1994年1月，双星快速定位通信系统正式命名为“北斗〞卫星导航定位系统，并列为“九五方案〞要项。双星快速定位系统演练验证试验的成功，为“北斗〞系统奠定了技术根底。■接下来的6年多里，北京跟踪与通信技术研究所又完成地面控制中心等应用系统的总体设计方案，建构“北斗〞系统的完整架构。第一章绪论■2000年10月31日和12月21日，“北斗一号〞的前两颗卫星发射升空，运行至今导航定位系统工作稳定，状态良好，产生了显著效益。■2003年5月25日零时34分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲〞运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号〞导航定位卫星送入太空。这次发射的是导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗一号〞工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。第一章绪论第一章绪论系统的主要功能：“北斗〞卫星导航定位系统具有快速定位、简短通信和精密授时的。1〕快速定位：目的在确定用户地理位置，为用户及主管部门提供导航效劳。“北斗〞卫星导航定位系统使用的卫星，以快速捕捉信号和传送大量数据见长，从用户发出定位申请，到收到结果，只需1秒钟。而在这1秒钟内，整个系统要完成发送申请信号、上传卫星、经地面控制中心计算出位置，再从卫星将定位信息送返申请用户等流程，而其中快速捕捉信号只用了几毫秒。这项20年前设计的快捕技术，在今天仍属世界最先进的技术。“北斗〞卫星导航定位系统水平定位精度为100米，差分定位精度小于20米。定位响应时间：一类用户5秒、二类用户2秒、三类用户1秒。最短定位更新时间小于1秒，一次定位成功率95%。第一章绪论2〕简短通信：“北斗〞卫星导航定位系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字简讯通信能力。运作流程为地面控制中心接收到用户发送来的响应信号中的通信内容，进行解读后再传送给收件人客户端。一般用户1次可传输36个汉字，经核准的用户可利用连续传送方式最多可传送120个汉字。这种简讯通信效劳，GPS无法提供。3〕精密授时：“北斗〞导航系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，定时传送最新授时信息给客户端，供用户完成与“北斗〞卫星导航定位系统间时间差的修正。第一章绪论“北斗〞卫星导航定位系统组成：由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三局部组成1〕太空局部有2枚地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括民用网管中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系统的监控管，其中，民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和运行管理。3〕地面控制局部包括主控站、测轨站、测高站、校正站和计算中心。主要用来测量和校正导航定位参数，以便调整卫星的运行轨道、姿态，并编制星历，完成用户定位修正资料和对用户进行定位。2〕客户端是直接由用户使用的设备，即用户机，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。第一章绪论“北斗〞卫星导航定位系统的工作步骤〔原理〕1、地面控制中心向2枚卫星发送询问信号；2、卫星接收到询问信号，经卫星转发器向效劳区用户播送询问信号；3、用户响应其中1枚卫星的询问信号，并同时向2枚卫星发送回应信号；4、卫星收到用户响应信号，经卫星转发器发送回地面控制中心；5、地面控制中心收到用户响应信号，解读出用户申请的效劳内容；6、地面控制中心并利用数值地图计算出用户的三维坐标位置，再将相关信息或通信内容发送到卫星；7、卫星在收到控制中心发来的坐标资料或通信内容后，经卫星转发器传送给用户或收件人。第一章绪论“北斗一号〞卫星导航系统与GPS系统比较

1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国外乡的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。

2、卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。

3、定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号〞的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。第一章绪论

4、定位精度北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。

5、用户容量北斗导航系统由于是主动双向测距的询问——应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。第一章绪论

6、生存能力和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号〞基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号〞对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在开展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号〞系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

7、实时性“北斗一号〞用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号〞卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。第一章绪论“北斗〞系统的军事用途“北斗〞卫星导航定位系统根本上是以满足商用效劳为主，虽然目前军事用途仍有限，不过其仍具有雄厚的军事应用潜力，这也是未来开展重点。理由很简单，虽然我国卫星导航定位应用近年来开展迅速，但是绝大多数的军民应用范畴都是建立在美国GPS之上。一旦发生战争，美国关闭GPS或加大民用码误差，后果不堪设想，所以必须开展自主的卫星导航定位系统。其实“北斗〞卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的定位导航；弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位，以缩短反响时间；人员搜救、水上排雷定位等。不过，因运作方式不同，“北斗〞卫星导航定位系统有一些GPS没有的军事功能，其中最重要的就是部队的指挥管制。第一章绪论由于“北斗〞卫星导航定位系统的简短通信功能可进行“群呼〞，如集团用户中心发出的各种指令经“北斗〞指挥型用户机上传至“北斗〞卫星接着转给地面控制中心，再经出站链路传至“北斗〞卫星向目标用户转发，使得集团用户中心可对其下属用户进行指挥调度。另外，当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户知道自己的测定位置，而调度指挥的上层单位或其他有关单位也可得知用户所在位置。这项功能用在军事上，意味着可主动进行各级部队的定位，也就是说各级部队一旦配备“北斗〞卫星导航定位系统，除了可供自身定位导航外，高层指挥部也可随时通过“北斗〞系统掌握部队位置，并传递相关命令，对任务的执行有相当大的助益。换言之，可利用“北斗〞卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。第一章绪论“北斗〞系统的限制与弱点由于“北斗〞卫星导航定位系统是双星系统，因此，用户接收器只能测得二维(平面)的定位数据。用户假设位于海平面上，因高度为零，可以直接求得三维(平面和高度)的定位数据；但用户假设位于陆地或空中，就需要利用地面控制中心的数值地图资料厍或用户自备的测高仪才能求得用户的高度，并进一步确定用户的三维坐标。假设控制中心的数值地图数据库数据不够准确，尤其是要拿到非本国的地理精确数据并不容易，定位出的位置数据就会有问题。“北斗〞卫星导航定位系统用户的定位申请要送回地面控制中心，经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料之后再发回用户。无线电信号从地面发出，经卫星返回地面的上下行时间约为0.24—0.28秒，从用户接收器应答测距信号到接收定位结果，信号经过两次上下行链路的传送，时间约需0.56秒，加上中心控制系统的计算时间，整个定位时间约需1秒钟，即用户接收器约可在1秒钟完成定位。这1秒的定位时间对飞机、导弹这种高速运动的用户嫌时间长，会加大定位的误差，因此，假设要利用“北斗〞卫星导航定位系统进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较适合。第一章绪论由于“北斗〞卫星导航定位系统的客户端耍请求定位效劳时，必须发出应答信号，即“有源应答〞，如果使用者是军方单位就会使自身失人隐蔽性，且这个定位效劳要求的信号也可被敌方定位，而遭致攻击。另外，客户端除了要和卫星一样接收来自地面控制中心的询问信号，也要发出应答信号，因此，整个系统的同一时间内效劳用户的数量便受用户可使用的通信频率数量、询问信号速率和用户的响应速率等条件的限制，所以“北斗〞卫星导航定位系统的用户设备容量是有限的，每秒钟只能容纳150个用户。虽然每个客户端都有专用识别码，不过一旦被破解，很容易使整个系统被敌人或有心人士以伪冒信号加以饱和，使系统瘫痪或者是传送假信息，迷惑友军。由于“北斗〞卫星导航定位系统中地面控制中心扮演着系统关键角色，如：承转卫星信息、解算用户位置等，因此，一旦地而控制中心被毁，整个系统就不能运作了，这也是“北斗〞系统的致命伤。“北斗〞卫星导航定位系统使用的卫星是同步轨道卫星，这意味着落地信号功率很小，因此，用户机需要有较大天线(直径达20厘米)才能接收信号，而且因“有源应答〞运