7卫星定位第七章分解.docx

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7卫星定位第七章分解

第七章卫星定位

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发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代。

四十多年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学以及军事科学等众多学科领域，得到极其广泛的应用，从而推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人类的科学文化生活。

7.1概论

7.1.1第一代卫星定位系统

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。

卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。

1958年底，美国海军武器实验室，就着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem。

－NNSS）。

该系统采用多普勒卫星定位技术进行测速\定位的卫星导航系统。

NNSS系统中，卫星的轨道都通过地极，故也称“子午（Transit）卫星系统”。

子午卫星导航系统的问世，开创了海空导航的新时代，1964年该系统建成，随即在美国军方启用；1967年美国政府批准该系统解密，并提供民用。

自此，卫星多普勒定位技术迅速兴起。

多普勒定位具有经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制等优点。

只要在测点上能收到从子午卫星上发来的无线电信号，便可在地球表面的任何地方进行单点定位或联测定位，获得测站点的三维地心坐标。

美国子午卫星导航系统建立的同时，前苏联也于1965年开始建立了一个卫星导航系统，称为CICADA。

该系统有12颗所谓宇宙卫星。

NNSS和CICADA卫星导航系统虽然将导航和定位推向了一个新的发展阶段，但是它们仍然存在着一些明显的缺陷。

比如卫星少、不能实时定位。

地面上一点上空子午卫星通过的间隔时间较长，而且低纬度地区每天的卫星通过次数远低于高纬度地区。

而对于同一地点两次子午卫星通过的间隔时间为0.8—1.6小时，对于同一子午卫星，每天通过次数最多为13次，间隔时间更长。

由于多普勒接收机一般需观测15次合格的卫星通过，才能使单点定位精度达10m左右，而各个测站观测了公共的17次合格的卫星通过时，联测定位的精度才能达到0.5m左右。

间隔时间和观测时间长，不能为用户提供实时定位和导航服务，而精度较低限制了它的应用领域。

为了满足军事部门和民用部门，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位的迫切要求，1973年美国国防部便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计划。

这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”即通常简称的“全球定位系统”（GPS）。

7.1.2GPS全球定位系统

一、GPS全球定位系统的建立

1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统：

NAVSTAR/GPS。

它是英文NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem的缩写词。

其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”。

简称GPS系统。

该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。

能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。

自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979—1987年）、生产实验（1988—1993）三个阶段。

总投资超过200亿美元。

论证阶段共发射了11颗被称作BlockI的试验卫星，生产实验阶段发射BlockII,BlockIIA型第二代GPS卫星，GPS系统由此为基础改建而成。

随着2004年11月6日美国发射的一颗BlockIIR-13型GPS卫星检测完毕，GPS拥有创历史记录的30颗工作卫星，其中包括18颗BlockII、BlockIIA型和12颗新一代的BlockIIR型卫星。

BlockIIR的升级配置BlockIIR-M型卫星计划于2005年发射，该卫星将增加两种新的军用信号和一种新的民用信号。

二、GPS全球定位系统的组成

整个系统分为空间卫星、地面控制和监测站、用户设备三大部分。

（一）空间卫星部分

图7—1GPS星座

全球定位系统的空间卫星星座，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。

卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。

卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55°各轨道平面升交点的赤经相差60°在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30°轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。

因此，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，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。

目前，全球定位系统的工作卫星，在空间的分布情况如图7—1所示。

GPS卫星在空间的上述配置，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。

不过也应指出，GPS卫星的上述分布，在个别地区仍可能在某一短时间内（例如数分钟），只能观测到4颗图形结构较差的卫星，而无法达到必要的定位精度。

空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效地工作是极其重要的。

GPS基本参数是：

卫星颗数为21＋3，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分（恒星时12小时），载波频率为1575.42MHz和1227.60MHz。

卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多11颗卫星。

GPS工作卫星的在轨重量是843.68公斤，其设计寿命为七年半。

当卫星入轨后，星内机件靠太阳能电池和蓄电池供电。

每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当位置。

GPS卫星通过12根螺旋型天线组成的阵列天线发射张角大约为30度的电磁波束，覆盖卫星的可见地面。

卫星姿态调整采用三轴稳定方式，由四个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，致使螺旋天线阵列所辐射的波速对准卫星的可见地面。

（二）地面监控部分

图7—2GPS地面监控站

GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。

其分布如图7—2所示。

1.监测站

现有5个地面站均具有监测站的功能。

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、计算机各一台和若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，而环境传感器收集有关当地的气象数据。

所有观测资料由计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。

2.主控站

主控站一个，设在科罗拉多（ColoradoSprings）。

主控站除协调管理地面监控系统的工作外，其主要任务是

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，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。

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。

3.注入站

注入站现有3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（DiegoGarcia）、南大西洋的阿松森岛（Ascension）和南太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）。

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的地面监控部分，除主控站外均无人值守。

各站之间用现代化的通信网络联系起来，在原子钟和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。

（三）用户设备部分

全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。

用户设备的主要任务是，接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。

根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异。

随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。

用户设备，主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成，而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。

三、GPS全球定位系统的特点

从1978年发射第一颗GPS试验卫星以来，利用该系统进行定位的研究、开发和实验工作，发展异常迅速。

理论与实践表明，GPS同其它导航系统相比，其主要特点如下：

1.全球地面连续覆盖：

采用的测距码

P码

C/A码

单点定位（m）

5-10

20-40

差分定位（m）

1

3-5

测速（m/s）

0.1

0.3

测时（ns）

100

500

表7—1GPS定位精度

由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点，均可连续地同步观测到至少4颗卫星。

从而保障了全球、全天候连续地三维定位。

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。

日前，利用不同测距码实时定位、测速与测时的精度，大体如表7—1所列。

随着GPS定位技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。

3.实时定位:

利用全球定位系统导航，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的运行，也可实时地监视和修正航行路线，以及选择最佳的航线。

4.应用广泛:

随着GPS定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。

目前，在导航方面，它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得了成功地应用；在测量工作方面，这一定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监测、地籍测量，航空摄影测量和海洋测绘等领域。

已经成为主要定位手段。

由于GPS高精度导航的优点，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，美国政府把发展GPS技术，作为导航技术现代化的重要标志，并把这一技术，视为20世纪最重大的科技成就之一。

7.2GPS单点定位

图7—3GPS单点定位图

7.2.1同时观测4颗卫星

由于接收机测量的是伪距，在观测值中存在着接收机钟差，加之测量点的三维坐标为待求值，一共有4个未知数。

要求解出这4个未知数，必须有4个方程式。

为此，要实现单点绝对定位必须同时观测4个卫星（图7—3），组成定位的基本方程。

设

为伪距观测量，R为接收机到卫星的真距离，

为接收机钟差，则观测方程为

（7—1）

式中，假定伪距观测量

已经过星历中的对流层和电离层改正；（

）为卫星的瞬时地心坐标，可由卫星星历电文中求出（详见第八章）；（

）为接收机的地心坐标，是待求量。

为了求解方便和数据处理的需要，将式（7—1）进行微分，作线性化处理，并将接收机的概略坐标（

）作为初始值代入，得到

（7—2）

式中，

为接收机钟差对应的空间距离，

从式（7—2）中看出，三个坐标分量的系数是接收机到卫星的单位矢径分别向三个坐标轴投影的方向余弦。

采用符号

（7—3）

规定上标为卫星号，下标i为测站号，则组成伪距定位的基本方程

（7—4）

采用矩阵表示：

观测量

状态矩阵

未知数

则式（7—4）变为：

（7—5）

对式（7—5）求解，便得到接收机地心坐标的唯一解

（7—6）

7.2.2同时观测4颗以上卫星

在实际工作中，如果测得4颗以上卫星的伪距，则可设立位置线误差方程式，利用最小二乘法解算定位点的最或然点位。

设定位点P的坐标为

，其概略坐标为

，在定位点P处同时观测得到n条位置线，由（1—36）式可以建立n个位置线误差方程式，其矩阵形式为：

（7—7）

式中：

为求得定位点P的最或然点位，采用最小二乘法原理，平差计算点位。

设观测值权阵为P，则由

最小，可得：

，即

，

设：

，则：

（7—8）

则最或然点位中误差

为：

（m）

7.3差分GPS定位原理

根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为4类，即：

位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分，相位差分。

这4类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。

所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

本节介绍最常用的伪距差分和相位差分工作原理。

7.3.1伪距差分原理

伪距差分是目前用途最广的一种技术。

几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。

国际海事无线电委员会推荐的RTCMSC－104也采用了这种技术。

在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。

然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距，并求解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。

基准站的GPS接收机测量出全部卫星的伪距

和收集全部卫星的星历文件（

等）。

利用已采集的轨道根数计算出各个卫星的地心坐标（X，Y，Z），同时，可采用各种方法（参阅第九章）精确求出基准站的地心坐标（X，Y，Z）b。

这样，利用每一时刻计算的卫星地心坐标和基准站的已知地心坐标反求出每一时刻到基准站的真距Ri：

式中，上标i表示第i颗卫星，下同。

基准站GPS接收机测量的伪距包括各种误差，与真距不同。

可以求出伪距的改正数：

（7—9）

同时可求出伪距改正数的变化率

：

（7—10）

基准站将

传送给用户台，用户台测量出伪距

再加上以上的改正数，便求得经过改正的伪距：

（7—11）

利用改正后的伪距

，只要观测4颗卫星就可以按下式计算用户站的坐标。

（7—12）

式中，

为钟差，v为接收机噪声。

7.3.2载波相位差分原理

随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。

差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。

位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。

随之而来的是更加精密的测量技术----载波相位差分技术。

载波相位差分技术又称为RTK技术（实时动态定位：

RealTimeKinematic），是以GPS的载波相位观测量为根据的实时GPS差分技术，它是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。

与伪距差分原理相同，它利用了参考站和移动站之间观测误差的空间相关性，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度（分米甚至厘米级）的定位。

一、标准RTK定位

RTK技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离。

GPS误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性，因此在较长距离下（单频>10km，双频>30km），经过差分处理后的用户数据仍然含有很大的观测误差，从而导致定位精度的降低和无法解算载波相位的整周模糊度。

所以，为了保证得到满意的定位精度，传统的单机RTK的作业距离都非常有限。

二、网络RTK技术

图7—4网络RTK

为了克服传统RTK技术的缺陷，在20世纪90年代中期，人们提出了网络RTK技术。

在网络RTK技术中，线性衰减的单点GPS误差模型被区域型的GPS网络误差模型所取代，即用多个参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型，并为网络覆盖地区的用户提供校正数据。

而用户收到的也不是某个实际参考站的观测数据，而是一个虚拟参考站的数据，和距离自己位置较近的某个参考网格的校正数据，因此网络RTK技术又被称为虚拟参考站技术（VirtualReference）。

网络RTK在系统的可靠性方面远远优于单机RTK系统。

因为单机RTK系统的可靠性取决于单个参考站，一旦该参考站出现问题，其覆盖的区域就会成为服务盲区，甚至是错误服务区。

而在网络RTK方式，系统的可靠性不是由单个站而是由整个GPS参考站网络来维护的，因此单个参考站即使出现问题也很容易被发现，不会导致数据被错误使用。

网络RTK系统的组成为：

GPS参考站网络、控制中心、从各参考站到控制中心的通信网络、控制中心和用户间的通信网络。

其中控制中心是网络RTK系统的核心和计算中心，该单元运行网络RTK软件，处理参考站网络的数据，并形成校正数据网格。

参考站到控制中心的通信网络则负责将参考站的数据实时地传输给控制中心，由于参考站的数据量大，位置固定，并有实时性要求，因此通常采用有线通信网络，一般可采用Internet。

无线链路也可以采用，但应避免通信延迟过大。

控制中心和用户间的通信网络是指如何将网络校正数据送给用户。

一般来说，网络RTK系统有两种工作方式：

单向方式和双向方式。

在单向方式下，只是用户从控制中心获得校正数据，而所有用户得到的数据应该是一致的；在双向方式下，用户还需将自己的粗略位置（单点定位方式产生）报告给控制中心，由控制中心有针对性地产生校正数据并传给特定的用户，每个用户得到的数据则可能不同。

7.4差分GPS系统

图7—5中国沿海RBN/DGPS信标台站

   中国沿海RBN/DGPS信标差分系统，是我国政府为适应国民经济、国际贸易和社会发展的需要，满足航行在我国主要港口、重要水道和沿岸的运输船舶以及国防、海洋测绘、海洋石油开发等众多用户的需求，建成的一种高精度助航定位系统。

如图7—5所示，该系统在我国沿海地区建设了20座RBN/DGPS台站，按规定强度信号覆盖整个沿海水域和部分沿海陆域。

该系统于2002年1月1日零时起正式开通。

RBN/DGPS系统是无线电信标差分GPS定位系统“RadioBeaconDifferentialGPS”的缩写。

该系统是通过现有无线电信标台站的设备进行改造。

向用户按一定时间间隔播发差分GPS伪距改正数为主的信息，以提高导航和定位精度的一种高科技助航定位服务系统。

RBN/DGPS系统具有全天候、信号稳定可靠、抗干扰能力强、作用距离远、无限用户单向接收等特点。

RBN/DGPS系统充分利用原有大功率无线电指向标的设施，利用成熟的技术，可靠性高，作用距离远，实现与国际接轨，达到国际先进水平。

据文献报道，目前美国、加拿大、瑞典、芬兰等国已投入使用的RBN/DGPS台站已达140多座，目前大量的海洋运输船舶装备了RBN/DGPS接收设备。

RBN-DGPS系统从一开始就获得了广泛的应用，为航行在主要港口、重要水道和沿海沿岸的公众用户、国防建设、海洋测绘、海洋石油开发、海洋渔业、海洋资源调查、海上交通管理、疏浚、引航等和其他相关用户提供高精度的导航服务和高精度的测量定位服务。

海测部队多次的试验也表明，RBN-DGPS系统的精度完全满足海洋测绘的各种规范要求，所以RBN-DGPS可广泛应用在各种比例尺的海上测量，为海图更新和海底工程发挥越来越重要的作用。

同时在从事航道疏浚、浮鼓抛设、定点打捞、围海造田、海底沉船或物件打捞、暗礁爆破等等工程的施工单位都可以借助RBN-DGPS系统进行精确定位，从而保证工程的效率和质量。

7.5其他卫星定位系统

继美国开发GPS全球定位系统之后，前苏联和我国先后建立了GLONASS卫星导航系统和“北斗”双星定位系统。

目前欧盟正在建立全开放型的新一代卫星定位系统伽俐略（Galileo）。

下面分别加以介绍。

7.5.1GLONASS定位系统

图7—6GLONASS卫星系统

1970年前苏联国防部主持设计了覆盖全球的卫星导航系统GLONASS（GlobleNavigationSatelliteSystem）。

苏联解体后俄罗斯政府于1993年将此项目移交俄罗斯空军部队（VKS）。

前苏联于1982年1O月发射第一颗GLONASS卫星，1995年初只有16颗卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，至1996年1月完成了24颗工作卫星加1颗备用卫星的布局，建成GLONASS卫星系统并发播导航信号，系统正常投入使用。

GLONASS卫星的平均工作寿命为4.5年。

1999年底补网发射了3颗卫星，至2000年初，该系统只有7颗健康卫星保持连续工作。

2000年10月补网又发射了3颗卫星。

到2001年3月，GLONASS卫星中有13颗健康卫星。

2001年补网发射了6颗卫星，使在轨卫星增加到17颗。

从基本观测量来看，GLONASS导航系统和GPS一样，也分为保密的军用双频P码测距和民用的单频C／A码测距。

也就是说，它对军用提供高精度导航，对民用提供较低精度的导航服务。

俄罗斯宣布对民用C／A码不加入类似美国SA的人为降低精度的措施，并且计划增发民用第二频段。

GLONASS由三部分，即空间部分、地面监控部分和用户接收机部分组成。

GLONASS的空间部分由24颗周期约12小时的卫星组成，它们不断发播测距和导航信息。

控制部分由一个系统控制中心以及一系列在俄罗斯境内分布的跟踪站和注入站组成。

控制部分除对卫星工作状态进行监测并于必要时通过指令调整其工作状态外，还对各卫星进行测量以确定其轨道和卫星钟钟差。

最后以导航电文的形式通过卫星存储，转发给用户。

用户接收机也采用伪随机码测距技术取得伪距观测量。

接收并调解导航电文，最后进行导航解算。

GLONASS采用频分多址，即各卫星所发播（调制）的伪随机测距码都是一样的，但各卫星的载波频率不同。

卫星的识别是靠卫星发播的载波频率差异。

最初GLONASS卫星的发播频率与国际电联分配的射电天文及通讯卫星近地转移轨道控制频率相近并发生冲突。

近来GLONASS拟将同一轨道面相对的两颗卫星（相差180°）使用同一载波频率，将使用频率数减半。

这是因为任何用户均不可能同时看到这两颗卫星。

和GPS类似，每颗GLONASS卫星发播两个载波频率Ll和L2，以通过计算削弱电离层传播延迟的影响。

其调制的测距码也分为粗码（C／A码）和精密测距码（P码），C/A码主要供民用和捕获P码，P码供军用。

7.5.2双星导航定位系统

一、双星导航定位系统组成和特点

双星导航定位系统，又称为“北斗一号”导航卫星定位系统是中国自主建立的世界上第一个区域性卫星导航系统，卫星覆盖区域为中国及其周边地区。

“北斗一号”导航卫星定位系统于上世纪80年代开始进行研究，1989年，“双星定位演示试验”的成功。

1993年进入正式开发阶段，又经过10年的时间，终于建成。

2003年5月25日中国成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。

这颗“北斗一号”导航定位系统的备份星，与2000年10月31日和12月21日分别发射升空的前两颗卫星组成了完整的卫星导航定位系统，可在我国大陆、台湾、南沙及其它岛礁、中国海、日本海，太平洋部分海域及周边部分地区，为时速1000公里以下的中、低动态用户和静态用户全天候、全天时提供定位/简短报文通信/授时服务。

双星导航定位系统由两颗卫星，地面应用系统和测控系统三部分组成，如图