智能车辆导航系统第三章

第三章 卫星定位导航系统3.1坐标系点位的确定总是和一定的坐标系联系在一起的。一般地说，要确定一个坐标系就需指明坐标原点的位置、坐标轴的指向以及确定点位时所用的参数这三个要素。为建立卫星导航的数学公式，必须选定参考坐标系，以便表示卫星和接收机的状态。在建立公式时，典型的是用在笛卡尔坐标系中测度的位置与速度矢量去描述卫星和接收机的状态。在卫星大地测量中经常用到的地球坐标系有两种：一种是空间直角坐标系，另一种是大地坐标系。采用空间直角坐标的优点是，它不涉及参考椭球体的概念，而且在求两点之间的距离和方向时，计算公式十分简单。但其表示点位不够直观，不容易在地图上直接标出。3.1.1地球椭球体基本要素

一、地球的形状为了从数学上定义地球，必须建立一个地球表面的几何模型。这个模型由地球的形状决定的。它是一个较为接近地球形状的几何模型，即椭球体，是由一个椭圆绕着其短轴旋转而成。地球自然表面是一个起伏不平、十分不规则的表面，有高山、丘陵和平原，又有江河湖海。地球表面约有71%的面积为海洋所占用，29%的面积是大陆与岛屿。陆地上最高点与海洋中最深处相差近20公里。这个高低不平的表面无法用数学公式表达，也无法进行运算。所以在量测与制图时，必须找一个规则的曲面来代替地球的自然表面。当海洋静止时，它的自由水面必定与该面上各点的重力方向（铅垂线方向）成正交，我们把这个面叫做水准面。但水准面有无数多个，其中有一个与静止的平均海水面相重合。可以设想这个静止的平均海水面穿过大陆和岛屿形成一个闭合的曲面，这就是大地水准面。

大地水准面所包围的形体，叫大地球体。由于地球体内部质量分布的不均匀，引起重力方向的变化，导致处处和重力方向成正交的大地水准面成为一个不规则的，仍然是不能用数学表达的曲面。大地水准面形状虽然十分复杂，但从整体来看，起伏是微小的。它是一个很接近于绕自转轴（短轴）旋转的椭球体。所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体，这个旋转球体通常称地球椭球体，简称椭球体。二、地球的大小

关于地球椭球体的大小，由于采用不同的资料推算，椭球体的元素值是不同的。现将世界各国常用的地球椭球体的数据列表如下。椭球体名称年代长半轴(米)短半轴(米)扁率白塞尔(Bessel)1841637739763560791:299.15克拉克(Clarke)1880637824963565151:293.5克拉克(Clarke)1886637820663565841:295.0海福特(Hayford)1910637838863569121:297克拉索夫斯基1940637824563568631:298.3埃维尔斯特(Everest)1830637727663560751:300.8I．U．G．G1967637816063567751:298.25三、椭球体的半径

地球椭球体表面是一个规则的数学表面。椭球体的大小，通常用两个半径：长半径a和短半径b，或由一个半径和扁率来决定。扁率α表示椭球的扁平程度。扁率的计算公式为：α=（a-b）/a。这些地球椭球体的基本元素a、b、α等，由于推求它的年代、使用的方法以及测定的地区不同，其结果并不一致，故地球椭球体的参数值有很多种。中国在1952年以前采用海福特（Hayford）椭球体，从1953-1980年采用克拉索夫斯基椭球体。随着人造地球卫星的发射，有了更精密的测算地球形体的条件。1975年第16届国际大地测量及地球物理联合会上通过国际大地测量协会第一号决议中公布的地球椭球体，称为GRS（1975），中国自1980年开始采用GRS（1975）新参考椭球体系。由于地球椭球长半径与短半径的差值很小，所以当制作小比例尺地图时，往往把它当作球体看待，这个球体的半径为6371公里。四、高程

地面点到大地水准面的高程，称为绝对高程。如下图所示，P0P0’为大地水准面，地面点A和B到P0P0’的垂直距离HA和HB为A、B两点的绝对高程。地面点到任一水准面的高程，称为相对高程。下图中，A、B两点至任一水准面P1P1'的垂直距离HA'和HB'为A、B两点的相对高程。五、我国的大地控制网我国面积辽阔，在约960万平方公里的土地上进行测图工作，需要分成若干单元测区，而且测量的精度又要符合统一要求，为此，在全国范围内建立统一的大地控制网。控制网分为平面控制网和高程控制网。大地坐标：在地面上建立一系列相连接的三角形，量取一段精确的距离作为起算边，在这个边的两端点，采用天文观测的方法确定其点位（经度、纬度和方位角），用精密测角仪器测定各三角形的角值，根据起算边的边长和点位，就可以推算出其他各点的坐标。这样推算出的坐标，称为大地坐标。我国1954年在北京设立了大地坐标原点，由此计算出来的各大地控制点的坐标，称为1954年北京坐标系。我国1986年宣布在陕西省泾阳县设立了新的大地坐标原点，并采用1975年国际大地测量协会推荐的大地参考椭球体，由此计算出来的各大地控制点坐标，称为1980年大地坐标系。我国高程的起算面是黄海平均海水面。1956年在青岛设立了水准原点，其他各控制点的绝对高程都是根据青岛水准原点推算的，称此为1956年黄海高程系。1987年国家测绘局公布：中国的高程基准面启用《1985国家高程基准》取代国务院1959年批准启用的《黄海平均海水面》。《1985国家高程基准》比《黄海平均海水面》上升29毫米。3.1.2地图投影及投影变形

在数学中，投影（Project）的含义是指建立两个点集间一一对应的映射关系。同样，在地图学中，地图投影就是指建立地球表面上的点与投影平面上点之间的一一对应关系。地图投影的基本问题就是利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到平面上。凡是地理信息系统就必然要考虑到地图投影，地图投影的使用保证了空间信息在地域上的联系和完整性，在各类地理信息系统的建立过程中，选择适当的地图投影系统是首先要考虑的问题。由于地球椭球体表面是曲面，而地图通常是要绘制在平面图纸上，因此制图时首先要把曲面展为平面，然而球面是个不可展的曲面，即把它直接展为平面时，不可能不发生破裂或褶皱。若用这种具有破裂或褶皱的平面绘制地图，显然是不实际的，所以必须采用特殊的方法将曲面展开，使其成为没有破裂或褶皱的平面。将某点的纬度B和经度L换算为地图坐标X和Y，称为地图投影。

x=F1(B,L)y=F2(B,L)由于椭球面是一个曲面，我们不可能把它铺展成一个平面而不产生某种褶皱和破裂，也就是不可能把整个椭球面或其一部分曲面毫无变形地表在一个平面上，因此无论对投影函数F1和F2选得如何妥切，总是不可避免地产生变形。3.1.3地图投影的分类

★按其变形性质分：等角投影：投影后，地图上任意两相交短线之间的夹角保持不变。等面积投影：投影后，地图上面积大小保持正确的比例关系。等距投影：投影后，地图上从某一中心点到其它点的距离保持不变。方位投影：投影后，地图上表示的任一点到某一中心点的方位角保持不变。★按投影面分：平面：平面与椭球面在某一点相切；圆锥面：圆锥体面与椭球在某一纬圈相切，或两纬圈相割；圆柱面：圆柱面/椭圆柱面与椭球在赤道上或某一子午圈上相切。★按中心轴线分：正轴投影：轴与椭球的短轴相合；横轴投影：赤道面上，与椭球短轴正交；斜轴投影：轴位于上述两种位置之间。3.1.4高斯投影为高斯于1820-1830年提出的一种投影方法，在1912年，克吕格对其进行整理和扩充，并求出实用公式。因此又称高斯-克吕格投影。目前，中国、德国以及俄罗斯等国家均采用此投影。为横轴、椭圆柱面、等角（正形）投影。设想有一个椭圆柱面横套在地球椭球外面，并与某一子午线相切（此子午线称为中央子午线或轴子午线），椭圆柱的中心轴CC’通过椭球中心而与地轴垂直。高斯投影的分带根据上图可知，只是轴子午线上没有长度变形，其他都有长度变形。并且其大小，将与点的横坐标y的平方成比例，距离轴子午线越远，变形就越大。为此产生分带处理的方法。6

带：自0子午线起，向东每隔6依次编出每带的带号。3带：自东经1.5子午线起，向东每隔3依次编出每带的带号。每带建立一个平面直角坐标系，东向为Y轴，北向为X轴，轴子午线与赤道的交点作为坐标系的原点。这样，轴子午线以东的点y为正，以西的点y为负，所以y值协议加500公里。分带方式可以限制投影变形的程度，但也带来了投影不连续的缺点。3.1.5UTM投影为通用横轴墨卡托投影(UniversalTransverseMercatorProjection)，是1938年美国军事测绘局提出的，1954年开始采用。其归属于高斯投影族，其基本条件为：（1）正形投影。（2）经度的起点为零子午线，纬度的起点为赤道。（3）带宽为6

，西经180～西经174为第1带，一直到东经180为60带。（4）中央子午线东移500KM，投影长度比等于0.9996，而不等于1.UTM投影在整个投影带内的长度变形较均匀，比高斯投影的长度变形小，其计算可通过高斯坐标获得：XU=0.9996x,YU=0.9996y。3.1.6大地坐标系

一、WGS84GPS卫星导航定位的测量成果，于1987年1月10日开始采用WGS-84世界大地坐标系（WorldGeodeticSystem)，之前采用WGS-72。WGS84系是由美国国防制图局建立的一种协议地球坐标系。其坐标原点位于地球的质心，Z轴平行于协议地球极轴，X轴指向零子午面与赤道的交点（北向），Y轴指向东向，而垂直于X轴的方向，以构成地心地固ECEF（EarthCenteredEarthFixed)的正交坐标系。二、北京54系（P-54）采用原苏联的克拉索夫斯基的椭球参数，为1949年我国的第一个参心大地坐标系。1980国家大地坐标系（NGS-80）1980年开始改用了1975年国际大地测量协会推荐的椭球参数。大地原点（参考椭球面与大地水准面的公共切点沿铅垂线的相应地面点）设在陕西省泾阳县永乐镇。三、北京新54系采用克拉索夫斯基椭球参数。大地原点为1980的大地原点。高程基准是以1956年青岛验潮站求得的黄海平均海水面。三种椭球参数比较参数WGS-84北京54国家80长半轴a637813763782456378140扁率1/f=(a-b)/a298.257223563298.3298.2573.1.7坐标变换大地坐标（经度和纬度）与平面坐标（北向和东向）的转换，其中包括正运算和反运算。不同坐标系之间的转换需要7参数。K3.2GPS全球定位系统3.2.1概述一、GPS的产生与发展★古老的定位方法 星历导航 指南针 航海表

18、19世纪，利用前两者的结合进行导航定位★惯性导航技术的出现

利用加速度计测出物体的加速度加速度速度位移积分积分★电子导航系统的出现

理论基础：电磁场理论和电子技术的发展思维方式的改变：从被动利用宇宙参考物变成主动建立和利用人造参考物

★出现地基电子导航系统

原理：L=C×T

不同的电子导航系统只是无线电波段和使用的地域不同而已缺点：只能用于地平面或海平面的二维定位★星基电子导航系统的出现

1964年建成海军导航卫星系统NNSS，又称为子午卫星系统可提供三维地心坐标

优点：精度均匀、不受天气和时间限制等

缺点：

1、卫星少，不能实时定位

2、卫星轨道低，难以精密定轨

3、卫星信号频率低，难以补偿电离层效应 后果： 定位速度慢，需一至两天观测时间★GPS全球定位系统的出现

目的：实现全天候、全球性和高精度的连续导航和定位。

最初方案：由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，每个轨道8颗卫星。保证在地球上的任何位置，均能同时观测到6-9颗颗卫星。

系统采用“高轨测距”体制，卫星轨道平均高度为20200Km，利用伪随机码进行测距。

用两种为随机码来区分军事用户和民事用户的定位精度，即为精码（P码）和粗码（C/A）码。

为了区别不同的卫星和提高抗干扰能力，系统采用了直接序列扩频技术，整个系统相当于一个码分多址（CDMA）系统。为了补偿电离层效应的影响，卫星信号的载波频率由NNSS卫星的0.15GHz和0.4GHz提高到1.23GHz和1.58GHz。第二方案：

卫星数由24颗减为18颗，分布在互成60度的6个轨道平面上，每个轨道平面分布3颗卫星。

该方案能够基本保证地球上的任何位置均能同时观测到4颗卫星。

经过实验发现，该配置可靠度不高。现行方案：

找到了经济性和准确性、可靠性的结合点。形成21+3的最终方案。★GPS实施计划第一阶段：方案论证和初步设计阶段

时间：1973年到1978年

工作：发射4颗卫星，建立地面跟踪 网，研制地面接收机第二阶段：全面研制和试验阶段时间：1979年到1984年工作：发射7颗BlockI型试验卫星，研制导航型和测地型接收机。第三阶段：使用组网阶段时间：1985年到1993年工作：发射BlockII和BlockIIA工作卫星，最终形成设计星座。★GPS系统的特点第一，全球地面连续覆盖

由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上的任何地点均可同时观测到至少4颗卫星，从而能达到全球、全天候连续地三维定位。第二，功能多，精度高

定位精度测速精度授时精度C/A码单点定位14m(SAOFF)0.3m/s500nsP码单点定位3m0.1m/s100ns第三，实时定位

利用GPS导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可保障运动载体沿预定航线运行，也可实时监测和修正航行路线，不可选择最佳航线。

GPS与NNSS的比较系统特征NNSSGPS载波频率（MHz）150，4001227.6，1575.42卫星平均高度（km）约1000约20200卫星数目（颗）5-621+3轨道数（个）66卫星运行周期(min)107720卫星时钟稳定度10-1110-12★GPS在导航方面具有极高的应用价值,它从根本上解决了人类在地球上和近地空间的导航和定位问题。在海上，它可用于海上协同作战、海洋交通管制、海洋测量、海洋石油勘探、海洋捕鱼、浮标建立、管道和电缆铺设、海岛暗礁定位、海轮进出港导航等方面；在空中,它可用于飞机进场着陆、航线导航、空中加油、武器准确投掷及空中交通管制等方面；在陆地，它可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵的定位。★GPS在测量方面的作用

GPS的问世将导致测绘行业一场深刻的技术革命。其主要原因在于GPS定位技术和经典测量技术相比具有如下特点:

第一，观测站之间无需通信；第二，定位精度高；第三，观测时间短；第四，可提供三维坐标；第五，操作简便；第六，全天候作业。

因此GPS定位技术的发展,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了深刻的变革,另一方面,也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透,从而促进了测绘科学技术的现代化发展。目前GPS定位技术在大地测量、工程测量、工程与地壳变形监视、航空摄影测量和海洋测绘等方面的应用已甚为广泛。二、GPS政策分析

GPS的首要目的是提供一个精密的军用导航系统，以维持其军事优势，GPS的民用只是副产品。美国政府在GPS设计中计划提供两种服务务：一种为精密定位服务（PPS），利用P码进行定位，只提供给本国及其盟国的军方和得到特许的民间用户使用,估计其定位精度为10m。

另一种为标准定位服务(SPS),利用C/A码定位,提供给民间用户使用。由于C/A码作为捕获P码之前的前导码,是一种粗捕获的明码,因此估计SPS的定位精度约为400m。但GPS试验卫星阶段的多次试验结果表明,实际定位精度远远高于预测值。利用C/A码的定位精度可达14m,利用P码的定位精度可达3m。

这个出人意料的结果促使美国军方认真评估允许民间用户使用C/A码定位带来的影响。于是根据前总统里根1983年5月的决策,1984年确立了保护国家安全的两大政策,即防止敌对势力对P码信号进行干扰的AS(Anti-Spoofing)政策和降低C/A码定位精度的SA(SelectiveAvailability)政策。SA政策包括对GPS卫星基准信号采用δ技术,对导航电文采用ε技术。

因为基准信号(10.23MHz)是所有卫星信号(载波、伪噪声码、数据码)的振荡源,故若对基准信号采用δ技术,人为引入一个高频抖动信号,那么所有派生信号均引入一个快速变化的高频抖动。C/A码广播星历经过ε技术处理其精度也将大大降低。在考虑限制C／A码定位精度的SA政策初期，曾确定其定位精度为500m，后来考虑到民事用户的需要，最后确定为100m。从1991年7月1日开始，全部在轨卫星均已实施SA技术。AS技术即为将P码经过译密处理变成Y码，Y码是P码与高度机密的W码模2相加形成的。当实施AS技术时，非特许用户不但不能使用P码作实时定位，而且不能进行P码和C／A码相位测量的联合求解，甚至不能用P码进行数据平滑。

★促使美国取消SA政策的原因

第一，随着民间应用开发的不断深入，对定位精度的要求也不断提高，于是具有较高定位精度的差分GPS（DGPS）技术和广域差分GPS（WADGPS）技术应运而生，这些技术的应用将使SA基本失去作用。 第二，同时随着国际用户的增加，改善C／A码定位精度的要求也日益迫切，有些国际机构已经具备建立自己的GPS的经济和技术实力，有可能建立一个类似的系统，这将使美国在军事和技术上失去优势，在经济上蒙受损失。

因此，从1995年底至1996年初，经过几个月的反复论证，美国政府终于提出了一个较为宽松的GPS新政策。这一政策决定由国防部和交通部共同管理GPS，把GPS作为一个国际性的导航系统，加强国际合作，鼓励国际应用。美国前任总统克林顿已于2000年5月宣布暂时取消SA政策，这一举动无疑将进一步扩展GPS的应用范围。★GPS的发展目标

美国政府还希望在21世纪内将导航系统全面向基于空间技术的系统转变，为此，需要增强GPS的性能，如提高可靠性和精确性，扩大覆盖面积，增强信号强度等。措施一，增加在轨卫星数目，由现在的21＋3颗增加到30颗，保证地球上任何一点接收到的卫星数不少于5颗，覆盖面积扩大到南北极、丛林地区以及2倍的地球同步轨道高度的空间；

措施二，加载第二民用C／A码和增设第三民用频率。

措施三，加强建立民用广义差分系统WAAS和军用差分增强系统WAGE。

尽管如此，美国政府绝对不会放弃其军事上的优势，一旦别国对其构成威胁，美国就可能宣布有权改变GPS信号结构或对其重新加密。即使在和平时期，美国也将采取措施，对广域差分信号进行加密，以防止敌对国的使用。因此，美国政府的GPS政策是双重性的：一方面，为了最大程度地获取经济利益，鼓励国际应用；另一方面，为了维持其军事上的优势，对GPS进行垄断。三、GPS的组成

三大部分：空间卫星部分地面控制部分用户接收机部分1、GPS空间卫星★单个卫星特征

GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部研制的,卫星重约774Kg,采用铝蜂巢结构,主体呈柱形,直径为1.5m。卫星的供电部分为对日定向太阳能电池帆板,板面始终对准太阳,为卫星不断地提供电力,同时给镍镉蓄电池充电,保证在地影区卫星仍能正常工作。星体底部装有多波束定向螺旋天线阵,能发射L1和L2波段的信号,其波束方向图能覆盖约半个地球。

星体两端面上装有全向遥测遥控天线,用于与地面监控网通信。GPS卫星上采用了铯原子钟作为频率标准,保证了所有卫星能够在一个月或更长时间内独立工作而无需地面校正,也保证了精密定位的要求。此外,卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。★卫星星座分布特征

21+3颗GPS卫星分布在互成60°的6个椭圆形轨道面上,轨道倾角为55°。每个轨道面上布设4颗卫星。卫星轨道的长半轴为26609km,偏心率为0.01,卫星运行高度为20200km,运行周期约为12h。此轨道参数能保证卫星信号覆盖地面面积38%,地球上任何一点任何时刻均能够同时观测到至少4颗GPS卫星。卫星运行到轨道的任何位置上,对地面的距离和波束覆盖面积基本上不变。在波束覆盖区域内,用户接收到的卫星信号强度近似相等,即用于定位的卫星信号信噪比近似相等。★GPS卫星的作用

GPS卫星的作用是向广大用户连续不断地发送导航信号(又称GPS信号）,并用导航电文报告自己的现时位置以及其他在轨卫星的概略位置；接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令如适时地改正运行偏差,或者启用备用时钟等命令;在飞越注入站上空时,接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他相关信息,并通过GPS信号形成电路适时地发送给广大用户。2、地面控制部分

主要功能：

GPS的地面控制部分主要用来测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，即卫星所提供的广播星历。

组成：地面控制部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。主控站位于ColoradoSprings的联合空间执行中心，3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地内，即大西洋的Ascension岛、印度洋的DiegoGarcia岛和太平洋的kwajakin岛，5个监测站设在主控站和3个注入站以及Hawaii岛。

监测站是一种无人值守的数据采集中心，其任务是对每颗卫星进行连续不断地观测，并在主控站的控制下定时将观测数据送往主控站。5个监测站所提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。

主控站的任务是提供GPS的时间基准,控制地面部分和卫星的正常工作,包括处理由各监测站送来的数据,编制各卫星星历,计算各卫星钟的钟差和电离层校正等参数,并将这些导航信息送给注入站;控制卫星运行轨道、启用备用卫星。注入站的任务是在卫星通过其上空时,把导航信息注入给卫星,并负责监测信息的正确性。3.用户接收机部分GPS接收机的分类分类方法接收机类型按编码信息分类1、有码接收机2、无码接收机按接收的数据形式分类1、C/A码伪距2、C/A码伪距，L1载波相位3、C/A码伪距，L1载波相位

L2载波相位4、C/A码伪距，P码伪距5、C/A码伪距，P码伪距

L1载波相位，L2载波相位6、L1载波相位7、L1载波相位，L2载波相位按接收机通道方式分类1、时序型2、多路复用接收机3、多通道接收机按采用的电子器件分类1、模拟接收机2、数字接收机3、混合接收机按性能分类1、高动态应用接收机2、中动态应用接收机3、低动态应用接收机按用途分类军用/民用/导航/授时/测地按工作模式分类单点/相对/差分四、GPS的卫星信号1、GPS信号

GPS信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其调制波是卫星电文和伪随机噪声码（PRN）的组合码。PRN伪随机码伪随机码又称为伪噪声码,简称PRN（PseudoRandomNoiseCode),是一组人工生成的噪声码。它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征,而且具有某种确定的编码规则。GPS信号中使用了伪随机码编码技术,识别和分离各颗卫星信号,并提供无模糊度的测距数据。GPS卫星信号发送采用的技术-伪码扩频技术用50Hz的D码调制一个伪噪声码,如调制一个被叫做P码的伪噪声码,后者的码率高达10.23MHZ。D码调制P码的结果是形成一个组合码,致使D码信号的频带宽度从50Hz扩展到了10.23MHz。也就是说,GPS卫星原拟发送5Obit/s的D码,转变为发送10.23Mbit/s的组合码P(t)D(t)。伪随机码由一串二进制0和1组成,分别对应状态+1和-1。当状态变化时,载波的相位发生180°变化,即所谓的双向移相键控技术。GPS卫星信号发送采用的技术

----双向移相键控技术2、GPS信号结构GPS卫星信号包括三种信号分量:载波、测距码和数据码。时钟频率f0=10.23MHz,利用频率综合器产生所需要的频率。GPS使用L波段,配有两种载波:

载波L1:f1=154×f0=1575.42MHz

载波L2:f2=120×f0=1227.60MHzGPS信号构成图

P码调制在L1和L2载波上，而C/A码仅调制在L1载波上而且与P码相位相差90°。

GPS卫星发射的信号为：

L1(t)=ACC(t)D(t)sin(2∏f1t+фc)+ApP(t)D(t)cos(2∏f1t+фp1)L2(t)=ApP(t)D(t)cos(2∏f2t+фP2)D码

数据码（D码）由地面监控系统生成,又称导航电文,它包括:卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、大气折射改正、轨道摄动改正、卫星工作状态以及C/A码转换到捕获P码的信息。C/A码和P码是两种RPN序列。其作用相当于测距中的定时信号。C/A码(Coarse/AcquisitionCode):是一种短码，码率为f0/10=1.023Mbps，周期为1ms。P码（PreciseCode)是一种长码，其码率为f0=10.23Mbps。C/A码C/A码是由m序列优选对组合码形成的Gold码(G码)。用两个10级反馈移位寄存器相组合可产生1023种不同结构的C/A码,这些相异的C/A码,其码长、周期和数码率均相同，码长为210-1=1023;码元宽度=1/1.023MHZ≈0.977521uS(相应距离为293.1m);周期为1ms;数码率1.023Mbit/s。1234+钟脉冲产生器置全“1”

C/A码的码长很短,易于捕获,通过捕获C/A码所提供的信息,又能够进一步捕获P码,因此C/A码又称捕获码。不同的卫星具有不同的C/A码,GPS依此来区分不同的卫星及其信号。在GPS定位和导航中,为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延,通常需要对C/A码逐个搜索。C/A码的码元宽度较大,假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/100-1/10,则这时相应的测距误差可达2.93-29.3m,精度较低,所以C/A码也称粗码。P码P码的产生原理与C/A码相似。P码的特征有：1)码长为235469592765000bit2)码元宽度为1/10.23MHZ≈0.0977521uS(相应距离为29.31m）3)周期为266d9h45min55.5s4)数码率为10.23Mbit/s。C/A与P码的比较用伪码测量伪距

伪距的概念：

R=C×T

卫星钟和用户钟的不能精确同步。当两钟间存在钟差△T时，这样测得的距离并不是真实距离，而是伪距离。

PR=R+C×△T3.3GPS定位模式GPS绝对定位GPS相对定位3.3.1GPS绝对定位GPS绝对定位也叫单点定位。它是利用一台接收机观测卫星独立地确定出自身在WGS84地心坐标系的绝对位置。这一位置在WGS84坐标系中是唯一的,所以称为绝对定位。因为利用一台接收机能完成定位工作,又称为单点定位。GPS绝对定位利用的是伪距观测值（三球交会原理）,所以又称为伪距定位。GPS绝对定位的分类

应用GPS进行绝对定位，根据用户接收机所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。

动态绝对定位 当用户接收机设备安装在运动的载体上，并处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。动态绝对定位，一般只能得到很少（或没有）多余观测量的实时解。另外，在航空物体探测和卫星遥感等领域也有着广泛的应用前景。静态绝对定位

当接收机天线处于静止状态下，用以确定观测站绝对坐标的方法，称为静态绝对定位。这时，由于可以连续地测定卫星至观测站的伪距，所以可获得充分的多余观测量，以便在测量后，通过数据处理提高定位的精度。静态绝对定位方法，主要用于大地测量，以精确测定观测站在协议地球坐标系中的绝对坐标。 目前，无论是动态绝对定位或静态绝对定位，所依据的观测量都是所测卫星至观测站的伪距，所以，相应的定位方法通常也称为伪距法。 因为，根据观测量的性质不同，伪距有测码伪距和测相伪距之分，所以，绝对定位又可分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。 绝对定位的优点是，只需一台接收机便可独立定位，观测的组织与实施简便，数据处理简单。其主要问题是，受卫星星历误差和卫星信号在传播过程中的大气延迟误差的影响显著，定位精度较低。特别是当施加SA措施以后，SPS定位精度降至100m。但这种定位模式在舰船、飞机、车辆导航、地质矿产勘探、陆军和空降兵等作战中仍有着广泛的用途。3.3.2GPS相对定位GPS相对定位,它测量的位置是相对于某一己知点的位置,而不是在WGS84坐标系中的绝对位置。GPS差分定位又称为DGPS（DifferentialGPS).DGPS差分定位至少需要两台GPS接收机，分别安装在待测载体和一已知坐标点上。两接收机同时对一组在视GPS卫星进行观测,基准接收机（主站）为载体接收机（从站）提供差分改正数。载体接收机用自己的GPS观测值和来自主站的差分信息，精确地解算出用户的三维坐标。主站通过无线电发送机（电台）发送差分信息,从站通过电台接收差分信息，从而构成了DGPS数据链。3.3.2.1DGPS信息流程图3.3.2.2差分定位的类型按数据处理方式的不同分为：实时差分定位和后处理差分定位（测地）。按差分信息的不同：位置差分、伪距差分和载波相位差分等。3.4GPS误差

GPS系统的定位误差直接影响着GPS用于导航、定时和定位的精度，只有深入地了解产生这些误差和偏差的原因，才能设计合理的GPS接收机硬件和软件系统。3.4.1GPS误差（偏差）分析

一般来讲，在GPS定位中，影响测量的偏差可分为三类:与GPS卫星有关的偏差；与观测有关的偏差；与观测站有关的偏差。

1）与卫星有关的偏差主要是GPS卫星轨道描述和卫星钟模型的偏差。卫星轨道参数和钟模型是由GPS卫星广播的导航电文给出的，但实际上卫星并不确切地位于广播电文所预报的位置。卫星钟，即使用广播的钟模型校正，也并非完全与GPS系统时间同步。这些偏差在卫星之间是不相关的，它们对码伪距测量和载波相位测量的影响相同，而且这些偏差与地面跟踪台站的位置和数目，描述卫星轨道的模型以及卫星在空间的几何结构有关。2)与观测有关的偏差包括与卫星信号传输路径和观测方法有关的偏差，如电离层和对流层延迟，载波相位周期模糊度等。3)与观测站有关的偏差主要是接收机钟偏差和测站坐标不确定性引起的偏差，后一种偏差是针对非定位应用，如GPS时间传输和卫星轨道跟踪。在非定位应用情况下，接收机位置，假设是完全已知的或有某种确定性，理论上后者更合适，因为地面站的位置不可能完全已知，因此，通常都是把位置作为非定位参数待估计的。 很明显，要想准确地预测轨道，地面站的位置就应该更精确，例如，要获得卫星位置3m的精度，相应的地面站坐标必须达到0.5×10-6的精度，两个测站坐标的不确定性将导致3m的时间传输误差。在GPS导航应用中，用户处于运动状态，接收机钟偏差是作为待估计参数之一解算的，用户位置的偏差是测量的不确定性。 偏差通常与某些变量如时间、位置和温度等有函数关系，因此偏差的影响可以用对偏差源建模的方法消除或至少可以抑制。除了偏差之外，GPS自导航定位和定时的精度还与观测误差和卫星星座几何布置有关。卫星星座几何布置的影响用精度衰减因子DOP描述。误差反映了测量本身和对偏差源建模后所产生残差的影响，因此，误差包括残差偏差、周期滑动、多路径影响、天线相位中心移动和随机的观测误差。 由各种误差源产生的误差有相当复杂的频谱特性和其他特征，部分误差源之间可能还是相关的，这使得问题的分析更加复杂化。因此，为简单起见，我们在今后的分析中通常认为误差源是非相关的，并用它们各自的标准方差来描述其特性。3.4.2卫星的主要误差3.4.2.1卫星时钟的误差

GPS测量定位实质上是一个测时-测距定位系统，所以，GPS测量定位精度与时钟误差密切相关。为此，GPS测量均以GPS时间系统为统一标准，该时间系统由GPS地面监控系统确定和保持。为了保证卫星时钟的高精度，各GPS卫星均装置高精度的原子钟，但它们与GPS标准时之间仍存在有偏差和偏移。其偏差总量在1～0.1ms以内，由此引起的等效距离误差将达300～30km。因此，必须予以精确修正。 经过以上钟差改正后，各卫星钟时与GPS标准时之间的差异(同步误差)可保持在20m以内。由此引起的等效距离误差将不超过6m。但在美国实施SA技术后，卫星钟误差又引入了人为的信号随机抖动的误差。这在单点绝对定位中是无法消除的，只有采用相对定位或差分定位才能予以消除。3.4.2.2卫星星历误差

GPS卫星导航电文中的广播星历是一种外推的预报星历。由于卫星在实际运行中受多种摄动力的复杂影响，故预报星历必然有误差，一般估计由星历计算的卫星位置的误差为20～40m。随着摄动力模型和定轨技术的改进，工作卫星的位置精度可能提高到5～10m。但这种改进后的星历仅提供给美国军方和特许用户使用。在美国实施SA技术后，所能获得的广播星历将具有更大误差。

GPS测量定位是以卫星位置作为已知的基准值，来确定待定点的位置，因此，广播星历的误差严重地影响定位精度。如下图所示，轨道偏差将直接传给用户等价距离误差。 卫星坐标误差引起的距离误差约等于卫星各坐标误差的平均值。如各坐标均方误差为20～40m，就会引起定位距离误差20～40m，因此，单点绝对定位精度受星历误差的严重影响。另外，星历误差是一种系统性误差，不可能通过多次重复观测来消除。所以，研究消除星历误差的影响是GPS应用的一个重要课题。目前，使用GPS卫星广播电文提供的轨道信息，轨道偏差典型的是20m,偶然也会达到80m。当SA打开时，轨道偏差可能达到50～100m。在将来的运行跟踪网OTN实现后，广播电文民供的轨道精度可达到5～10m。在许多动态定位应用和导航中，一般认为卫星电文给出的参数精度已足够，因此不考虑轨道误差。在实际应用中，人们往往是根据对导航和定位精度的要求考虑是否建立轨道偏差模型。通常有3种考虑:1)认为卫星电文误差表现为几何偏差，如电文给出的轨道孤相对真轨道平移、旋转，在这种情况下，可以估计短弧或长弧执道上的1～6个轨道偏差参数，如在大地测量等应用中。

2)假设卫星动力学模型，即使用动力学模型和6个初始条件确定精密的卫星轨道运动。

3)假设“自由轨道”，在每个观测时刻，估计独立的轨道偏差。在相对定位中，差分方法(可以消除或大大减少轨道偏差的影响。这是至今所用的、能回避麻烦的轨道模型的较好方法。当然，使用差分观测估计轨道偏差需要轨道偏差的某些信息保持在差分观测中，这意味着GPS网扩展到更大的区域比在小区域更合适。3.4.3信号传播中的主要误差 信号传播的主要误差有： 电离层延迟误差 对流层延迟误差 多路径效应误差3.4.3.1电离层延迟误差的特性电离层是高度位于50～1000km之间的大气层。由于太阳的强辐射，电离层中的部分气体分子将被电离而形成大量的自由电子和正离子。当电磁波信号穿过电离层时，传播速度和传播路径都会发生变化，所以信号传播时间乘以真空中的传播速度就不等于信号的实际传播距离，从而引起测距误差，此误差称之为电离层延迟误差。3.4.3.2对流层延迟误差及改正 对流层是高度为40km以下的大气层。由于其离地面近，所以大气密度较电离层的密度大，且大气状态随地面的气候变化而变化。当电磁波通过对流层时，传播速度将发生变化，从而引起传播延迟。当天顶方向的对流层延迟约为2.3m，而仰角为10度时，传播延迟将增大到约13m。3.4.3.3多路径效应误差在实际的GPS测量中，接收机天线除接收直接来自卫星方向的信号外，还接收到其他物体反射回来的信号，因此，接收的信号是直射波和反射波产生干涉后的混合信号。由于直接波和各反射波路径不同，从而使信号延迟，产生测量误差，称为多路径效应误差。多路径主要由接收机附近的反射表面引起，如高大建筑物、军舰高层结构、飞机、航天飞机或其他空间飞行器的外表面等，如下所示。在图中，卫星信号通过3个不同的路径到达接收机天线，其中一个直接到达，两个间接到达。因此，接收机天线所收到的信号有相对相位偏移，而且这些相位差与路径长度成正比例。由于反射信号的路径几何形状是任意的，多路径作用没有通用的模型。 但是，多路径的影响可以通过L1,L2码和载波相位测量差进行估计，其原理是基于如下事实：对流层，钟误差和相对论作用以相同的量影响码和载波相位测量，电离层和多路径作用是频率相关的。因此，一旦得到与电离层无关的码伪距和载波相位(如用电离层模型)，并对它们进行差分处理，除多路径外，前面所述的所有影响可以消除，余下的主要是多路径影响。因为多路径影响主要与接收机附近反射物的几何形状有关，也因这种几何形状在几天甚至更长时间是不变的，所以多路径特性具有周期性(大约1d)，又由于卫星每天提前4min出现，多路径的周期性也有4min的提前。多路径的每日重复特性理论上可以用来估计它的主要影响，但目前这方面的研究报告并不多见。若不对多路径影响进行校正，它可能会成为接收机的主要误差源当然其量值取决于环境、天线设计和观测时间的长短。从前图也可以看到，如果把接收机天线直接放在反射表面，而不是用三角架，也能消除两个间接路径的影响。但是，垂直反射表面仍影响定位结果。因此，应把接收机天线尽可能放在远离反射表面的位置。仅从几何特性上分析，很明显从低仰角卫星上收到的信号更易受多路径干扰，因此，选择卫星时应尽可能保证卫星仰角在10度～20度之上。当设计接收机天线时，应使低仰角信号有低的增益。也应该注意到码伪距受多路径影响比载波相位更严重，在独立的单一测量时刻，多路径对码伪距影响可达10～20m，在极坏的情况下甚至会出现卫星信号失锁。但在载波相位测量时，若有好的卫星几何特性(DOP小)和长时间的观测，对短基线的相对定位，多路径产生的误差常小于1cm。但即使在这种情况下，接收机天线高度的变化也会增加多路径影响并使测量结果变差。当把GPS接收机安装在航天飞机等空间飞行器上时为了得到高精度的导航定位和定轨结果，除了从接收机硬件方面考虑外，还可在实验室环境下，对天线可能受到的多路径影响进行分析和仿真，并用固化在接收机中的软件进行消除。3.4.4与接收设备有关的误差

3.4.4.1观测误差与用户接收设备有关的误差主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不确定性影响。这类误差，除观测的分辨误差之外，尚包括接收机天线相对测站点的安置误差。根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。由此，对GPS码信号和载波信号的观测精度，将如下表所示。观测误差属随机误差，适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。3.4.4.2接收机的钟差

GPS接收机一般设有高精度的石英钟，其日频率稳定度约为10-11。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为11μS，则由此引起的等效距离误差约为300m。处理接收机钟差比较有效的方法，是在每个观测站上引人一个钟差参数作为未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。这时，如假设在每一观测瞬间，钟差都是独立的，则处理较为简单。所以，这一方法广泛地应用于实时动态绝对定位。在静态绝对定位中，也可像卫星钟那样，将接收机钟差表示为多项式的形式，并在观测量的平差计算中，求解多项式的系数。不过，这将涉及在构成钟差模型时，对钟差特性所作假设的正确性。 当定位精度要求较高时，可以采用高精度的外接频标(即时间标准)，如伽原子钟或銫原子钟，以提高接收机时间标准的精度。在精密相对定位中，还可以利用观测值求差的方法，有效地减弱接收机钟差的影响。3.4.4.3载波相位观测的整周未知数前已指出，载波相位观测法，是当前普遍采用的最精密的观测方法，它能够精确地测定卫星至观测站的距离。但是，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分，以及从某一起始历元至观测历元间载波相位变化的整周数，而无法直接测定载波相位相应该起始历元在传播路径上变化的整周数，因而，在测相伪距观测值中，存在整周未知数的影响。 这是载波相位观测法的主要缺点。另外，载波相位观测，除了存在上述整周未知数之外，在观测过程中还可能发生整周变跳问题。在用户接收机收到卫星信号并进行实时跟踪(锁定)后，载波信号的整周数便可由接收机自动计数。但是在中途，如果卫星的信号被阻挡或受到干扰，则接收机的跟踪便可能中断(失锁)。而在卫星信号被重新锁定后，被测载波相位的小数部分，将仍和未发生中断的情形一样，是连续的，可这时整周数却不再是连续的。这种情况称为整周变跳或周跳。周跳现象在载波相位测量中是经常发生的，它对距离观测的影响和整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，都是一个非常重要的问题。3.4.4.4天线的相位中心位置偏差在GPS定位中，无论是测码伪距或测相伪距，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，而天线的相位中心与其几何中心在理论上应保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置(一般称视相位中心)与理论上的相位中心位置将有所不同。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的好坏可达数毫米至数厘米。 对于精密相对定位来说，这种影响也是不容忽视的。而如何减小相位中心的偏移，是天线设计中的一个迫切问题。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上同步观测了同一组卫星，那么，便可以通过观测值的求差，来削弱相位中心偏移的影响。不过，这时各观测站的天线均应按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。根据不同的精度要求，定向偏差应保持在3～5度以内。3.4.5其他误差来源3.4.5.1地球自转影响

3.4.5.2相对论效应的影响3.5GLONASS系统3.5.1概述3.5.2组成3.5.3基准系统3.5.4信号特性3.5.5与GPS比较3.5.1概述

GLONASS(GLObal

NAvigationSatelliteSystem)是前苏联紧跟美国GPS空间计划平行发展的。也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。该系统从1982年首次发射到1996年1月完成24颗卫星组网并投入运行,历时14年,耗资30多亿美元。自l996年到2003年12月,仅进行4次共12颗卫星补网发射活动。俄罗斯GLONASS系统迄今在轨可用卫星有11颗,不能独立完成导航任务。1996年以前组网的所有24颗卫星均己退役。按照俄罗斯的预定计划,2004-2006年间将补网发射10颗卫星,使其星座恢复到15-18颗卫星。由于未来GLONASS系统的卫星（正在设计中）采用俄、法合作的新型通信卫星平台（新一代导航卫星），其卫星寿命将大大延长，在保持18颗卫星组网的情况下，未来GLONASS系统每年只需1-2次补网发射就能保持星座长期稳定运行。

据俄罗斯新闻网报道，俄航天局局长阿纳托利·佩尔米诺夫宣布，根据俄印两国签署的一份战略合作协议，双方将共同建设、开发和使用俄罗斯的GLONASS全球卫星定位系统。他表示，俄印还计划签署一份有关和平利用宇宙空间的政府间协议。

佩尔米诺夫宣称，俄印将开展联合工作以便在2007年时将GLONASS导航系统中的卫星数量提升到18颗，届时该系统将能够在两国的领土内充分发挥效能。由于资金投入严重不足，到目前为止，俄仅按照GLONASS计划发射了11颗导航卫星，而要想让其信号像美国的GPS定位系统那样覆盖全球，至少需要向轨道上发射24颗卫星。

佩尔米诺夫指出，根据俄印两国所签协议的规定，导航卫星将会由俄印双方的运载火箭送入太空。预计发射工作将分别在两国各自的航天发射场中进行。他表示，这份协议将使GLONASS系统转变为新型的GLONASS-M和GLONASS-K系统。今后，这套导航系统的定位精度将有望达到1米。3.5.2组成GLONASS系统由三大部分组成:（1）卫星星座（2）地面监测控制站（3）用户设备-接收机

1、空间部分

GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。

2、地面监测控制站

具有以下功能：（1）测量和预测各颗卫星的星历；（2）将预测的星历、时钟校正值和历书信息上行加载给每颗卫星,用于导航电文；（3）使星钟与GLONASS系统时同步；（4）计算GLONASS系统时和UTC之间的偏差；（5）卫星的指挥、控制、内务和跟踪。地面控制站的功能由俄罗斯境内的许多场地完成。系统控制中心由位于莫斯科的航天部分操纵，其安排和协调GLONASS的所有系统功能。中央同步器位于莫斯科，用以形成系统时间。指挥和跟踪站，位于圣·彼得堡和共青城等城市，用于测量和注入卫星轨道信息。激光跟踪站位于共青城和基塔布，对无线电频率跟踪测量值进行校准。导航外场控制设备位于莫斯科和共青城，用于检测导航信号。美欧在轨道测定方法上均在全球部署地面跟踪测轨监测网，采用传统的轨道测量方法精确测定卫星轨道。而俄罗斯只在其辽阔的本土范围内部署监测站，为了精确测量GLONASS卫星的运行轨道，采用在每颗卫星上安装激光反射器，并在星座内部部署2颗专用的激光测地卫星，然后通过地面激光测距站精确测定GLOANSS卫星的运行轨道。3、用户设备

用户设备是指GLONASS用户接收机，现在可进行GLONASS定位的用户接收机，多为与GPS组合的双星定位系统。4、GPS+GLONASS用户接收机GPS+GLONASS系统对纯GPS系统的改进：(1)可见卫星数增加一倍：GLONASS卫星星座组网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时，一般为7-11颗；GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。在山区或城市中，有时因障碍物遮挡，纯GPS可能无法工作，GPS+GLONASS则可以工作。

(2)提高效率在测量应用中，GPS测量所需要的观测时间取决于求解载波相位整周模糊度所需要的时间。观测时间越长或可观测到的卫星数越多，则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多，求解结果的可靠性越好。为了提高生产效率，常使用快速定位、实时动态测量（RTK）或后处理动态测量。GPS+GLONASS可以提高生产效率。

（3）提高观测结果的可靠性并提高观测结果的精度。GG24是全球第一台全视野

GPS+GLONASS双频接收机，是Ashtech公司将GPS和GLONASS信号进行结合，利用双系统中的可用卫星获得最佳定位效果。

AshtechGG24OEM板说明

12通道接收GPSL1C/A码和载波相位

12通道接收GLONASSL1码相位和载波相位

温启动：30秒（典型）

冷启动：40秒（典型）

重新捕获：2秒（独立、动态条件）

标准的NMEA-0183V2.01输出

1pps时间脉冲（5VTTL）

精度：40ns（差分），70ns（标准）

NationalMarineElectronicsAssociation全国海洋电子协会[美]3.5.3GLONASS的基准系统（1）测地基准从1993年8月起,GLONASS开始采用1990年地球参数系统PE-90（前苏联PZ-90）发送星历数据。在此之前,GLONASS用1985年苏联测地系统（SGS-85）提供的数据，PE-90类似于GPS所用的WGS-84的地球模型，其短半轴为：6378136，扁率为：298.25784。

（2）时间基准同时用GLONASS系统时间（保存在斯科）和UTC（SU）提供时间。3.5.4GLONASS信号特性每颗GPS卫星都在同一频率上用码分多址（CDMA）格式发射独特的伪随机噪声（PRN）码对（C/A和P（Y）），而每颗GLONASS卫星都发射同样的PRN码对，但采用不同的频率发射，也就是GLONASS系统采用频分多址（FDMA）。

GLONASS卫星以两个分立的L频段载频为中心发射信号。每个载频用511KHz或5.11MHzPRN测距码序列和50b/s导航电文的模2加来调制。

L1上相邻频率间的间隔为0.5625MHz，而L2上相邻频率间的间隔为0.4375MHz。3.5.5与GPS的比较

1、时间系统的差异GLONASS和GPS分别采用自己的时间系统。两者时间基准虽然不同,但两者之间存在着一定的转换关系。在所有的卫星定位系统中,都存在着卫星时、系统时和世界协调时(UTC)。这里的问题是如何将卫星时转换为系统时,再由系统时转换为世界协调时（UTC）。GPS卫星时和系统时是一个连续的时标,而GLONASS卫星时和系统时是一个不连续的时标,包括UTC时在内,都包含着跳秒。

GPS系统时是以1980年1月5日午夜为起始点,并且给出星期数和星期开始的秒数。GLONASS系统时是以上一次闰年的开始时为起始点，并给出天数和每天开始时的秒数。2、坐标系的差异GLONASS采用前苏联PE-90地心坐标系，而GPS采用WGS-84世界地心坐标系。由于大家习惯采用WGS84坐标系来处理GPS数据,所以在处理GLONASS数据时,需将PE-90坐标转换为WGS84坐标。坐标转换采用Bursa-Wolf模型,它包含7个参数:地球中心偏移量(

x,

y,

z)、坐标轴旋转角(

x,y,

z)和比例因子(m)。坐标转换公式如下:高星伟、李毓麟”GPS与GLONASS系统之间的转换参数”3、GPS与GLONASS比较表3.6欧洲GALILEO(伽利略）系统3.6.1概述3.6.2系统开发时间表3.6.3我国与欧洲的合作3.6.4系统的总体结构与组成3.6.5系统可提供的服务3.6.6三种系统的比较3.6.1GALILEO概述伽利略计划，实际上是一个欧洲的全球导航服务计划。它是世界上笫一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统，与现在普遍使用的GPS相比，它将更显先进、更加有效、更为可靠。它的总体思路具有四大特点：自成独立体系；能与其它的GNSS系统兼容互动；具备先进性和竞争能力；公开进行国际合作。这与GPS系统和GLONASS系统完全由军方控制形成了鲜明的对比,也为该系统未来广阔的应用领域提供了有利的保障。

3.6.2GALILEO系统及相关体系的开发时间表欧洲空间局于1982年就提出建议，2002年初正式立项，并取名为GALILEO全球卫星导航系统，并计划于2008年进行商业运行。3.6.3我国与欧洲的合作欧盟15个国家依次签署了我国参与欧洲"伽利略"计划的正式协议，至此，中国成为加盟"伽利略"计划的唯一的非欧盟国家。我国将支付2.3亿欧元，以换取伽利略计划1/16的权益。我国同欧洲在"伽利略"计划上的合作意图非常明显：摆脱美国GPS系统在全球定位领域上的垄断。而我国的下一步，则是建立自己独立的全球卫星定位系统。

这套包括30颗卫星的全球定位系统耗资36多亿欧元，将在2008年建成，可以为用户提供误差不超过1米，甚至20厘米的精确定位服务。

“伽利略”系统实现了完全非军方控制、管理。该系统是由欧空局和欧洲联盟发起并提供主要资金支持。“伽利略”系统能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，能够保证在许多特殊情况下提供服务。

我国与欧盟协议签署后，双方在伽利略计划实施过程中将广泛合作，包括卫星发射、卫星制造、无线电传播环境实验、地面系统及无线电频率、接收机标准等各个方面。但我国参与的程度有限，仅相当于欧盟国家中的一个，因此不会在投资中占很大的份额。

3.6.4GALILEO系统的总体结构与组成1、空间部分和其他卫星导航系统类似，主要包括3个部分：GALILEO卫星星座、地面监控中心以及用户接收机。GALILEO系统计划由30颗（27颗在轨工作，3颗备份）卫星组成，平均分布在3个地球轨道上，轨道高度为23616Km，轨道倾角为56°。卫星绕地球旋转一周的时间为14小时04分钟，卫星重量为625kg，在轨寿命15年。

2、地面监控中心

伽利略的地面段主要有伽利略控制中心(2个)、C波段任务上行站(5个)、伽利略上行站(5个)、伽利略传感器站(29个)，以及Delta完好性处理装置和任务管理办公室组成，它们之间由伽利略数据链路和伽利略通信网络进行连接。伽利略控制中心分为四大系统：完好性处理系统，精密定时系统，轨道同步和定时系统，以及伽利略资源控制系统。后者又包括服务产品部、卫星控制部和任务控制部。3、用户接收机伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。

3.6.5系统可提供的服务虽然提供的信息仍还是位置、速度和时间，但是伽利略提供的服务种类远比GPS多，GPS仅有标准定位服务(SPS)和精确定位服务(PPS)两种，而Galileo则提供五种服务，这就是：公开服务(OS：OpenService)，与GPS的SPS相类似，免费提供；商业服务(CS:Commercial)；生命安全服务(SoLS:SafeofLifeService)；公共特许服务(PRS:PublicRegularService)；搜救(SAR)服务。（1）免费公共服务为任何拥有GALILEO接收机的用户直接提供定位、导航和授时信息，这项服务是为广大的民间一般导航用户的，如陆地车辆导航和利用移动电话实现定位的用户。（2）商业服务该项目具有更多更好的服务功能。（3）有关生命安全的服务项目

(4)公共特许服务在殴盟的控制下，利用特定的信号频率为指定用户提供稳定、连续的导航服务，主要指与国家安全有关的组织，如：警察等，能源、交通以及电信和一些与欧洲的发展战略有着密切关系的经济以及企业行为。(5)搜寻与救援服务（SAR）（6）差分服务（7）与现有的无线电通信以及其他卫星网结合起来提供通信定位服务。3.6.6三种系统的比较3.7双静止卫星定位通信系统目前正在运行的GPS和GLONASS以及欧洲正在建设的Galileo卫星导航系统均属全球元源定位导航系统。这些系统的突出优点是:用户不发射信号、仅接收卫星发射的信号,由用户完成对信号的处理以及定位解算；用户因不发射无线电波而处于隐蔽状态,不会暴露,这对于军事用户是很重要的;从理论上讲,系统可为无穷多用户提供导航服务,用户数量不受限制。其主要不足是:用户与用户、用户与地面系统之间无法进行通讯,地面系统不能知道系统中任何用户的位置和情况。然而,在某些情况下,用户与用户、用户与地面系统或指挥管理中心之间的信息交换是非常重要的,在这种情况下,要求系统除了导航定位功据外,还需具有通信功能。目前,在军事应用领域,联合战术信息分发系统和定位报告系统等弥补了无源定位系统的不足。为了满足商业、民用和军事的需要,各国都提出了自己的卫星导航系统研制计划,特别是为了弥补无源定位系统的不足,20世纪70年代末美国科学家提出利用地球同步定点卫星进行导航定位和通信的GEOSTAR系统。为了满足国民经济和国防建设的需要,80年代中国提出建设自己的双静止卫星定位导航通信系统。2000年10月和12月,中国“北斗卫星导航系统”二颗卫星成功发射,标志着中国拥有了自己的第一代卫星导航系统。3.7.1双静止卫星定位通信系统的组成和特点3.7.1.1系统的组成

双静止卫星定位通信系统由空间卫星部分、地面系统部分和用户3大部分组成。(1)空间卫星部分由2-3颗地球静止卫星组成,其主要任务是执行地面中心与用户终端之间的双向无线电信号中继业务。每颗卫星上的主要载荷是变频转发器,以及覆盖定位通信区域的全球波束或区域波束天线。保证系统正常工作至少需要2颗卫星,第3颗卫星为备份星。

2颗工作卫星升交点赤经相隔60°