第二章 GPS卫星定位系统第一节GPS系统的组成GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备三大部分组成，(图2—1)。

图2—1 GPS系统的组成1 空间星座部分GPS空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星共同组成了GPS卫星星座。

如图2-2所示，这24颗卫星分布在6个倾角为55︒的轨道上绕地球运行，各个轨道平面之间相距60︒，轨道平均高度20200km 。

卫星的运行周期，即绕地球一周的时间约为12恒星时(11小时58分)。

这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。

位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。

满足了在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星的基本要求。

每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。

GPS用户正是利用这些信号来进行导航定位工作的。

GPS卫星的编号是：按发射先后次序编号（01-24）；按PRN(卫星信号所采用的伪随机噪声码)的不同编号；国际编号(第一部分为该星发射年代，第二部分表示该年中发射卫星的序号，字母A表示发射的有效负荷)；接轨道位置顺序编号等。

在导航定位测量中，一般采用PRN编号。

图2—2 GPS卫星空间星座GPS卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测，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。

在GPS 系统中，CPS 卫星星座的功能如下：（1）．用L 波段的两个无线载波(19cm 和24cm 波)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。

包括提供精密时间标准、粗略导航定位伪距C ／A 码、精密测距P 码和反映卫星当前空间位置和卫星工作状态的导航电文。

（2）．在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S 波段(10cm 波段)发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并适时发送给广大用户。

（3）．接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地调整卫星的姿态，改正卫星运行轨道偏差，启用备用卫星。

GPS 卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m ，重约774kg ，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常供电(图2—3)。

图2—3 GPS 卫星体系图每颗卫星配置有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 定位提供高精度的时间标准。

2 卫星监控部分GPS 的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站，其分布如图2—4所示。

图2—4 GPS 地面监控站分布2.1 主控站主控站有一个，设在美国本土科罗拉多（Colorado ）· 斯平士(Colorado Springs)的联合空间执行中心CSOC 。

它的作用是：老师指导(1)根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历、卫星钟的改正参数和大气层的修正参数等等，并把这些数据传送到注入站，并通过注入站注入到卫星中去。

(2)提供全球定位系统的时间基准。

各测站和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）对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能；(4) 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。

2.2 监控站现有5个地面站均具有监测站的功能，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；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，并储存和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。

2.3 注入站注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等信息注入到卫星中去。

注入站现有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)、南大西洋阿松森岛Ascencion)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、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。

整个GPS的地面监控部分，除主控站外均无人值守。

各站间用现代化的通讯网络联系起来，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。

3 用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机及其终端设备、气象仪器等所组成。

而GPS接收机硬件，一般包括主机、天线、控制器和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，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卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

并经简单数据处理而实现实时导航和定位；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。

以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。

而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。

GPS接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等)。

载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。

CPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。

对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。

也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

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。

近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。

各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+⨯10-6·D, 接收机在一定距离内精度可达10mm+2⨯10-6·D。

用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。

GPS和GLONASS 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

第二节GPS卫星信号1 GPS卫星信号构成及产生GPS卫星发射的信号由载波、测距码和导航电文三部分组成。

如图2—5所示：1.1 载波L1、、L1由卫星上的原于钟所产生的基准频率f0＝1.023MHz倍频154倍和120倍产生。

1.2 测距码1.2.1C/A码C/A码又称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1.023MHz的伪随机噪声码（PRN码），由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0降频10倍产生，即：f C/A＝f0／10＝1.023MHz。

由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。

C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

1.2.1 P码P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10.23MHz的伪随机噪声码，直接使用由卫星上的原于钟所产生的基准频率，即：f p＝f0＝1.023MHz，其周期为七天。

在实施AS时，P 码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。

1.2.1 L2C码L2C码称为城市码，它被调制在L2载波上，L2C信号包括2个PRN码:即CM码和CL码。

2005年9月23日第一颗具有广播L2C信号功能的GPS卫星SLC-17A从CapeCanaveral, Florida（佛罗里达）发射升空。

L2码同样可以提供高质量(低相噪，高灵敏度)的数据来进行导航定位。

1.3 导航电文导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。

用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

图2—5 GPS卫星信号构成及产生2 GPS的测距码信号测距码是用于测定从卫星至接收机间距离的二进制码，如图2—5所示。

GPS卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码。

它们看似一组取值(0或1)完全无规律的随机噪声码序列，其实是具有确定编码规则编排起来的、可以复制的周期性的二进制序列，且具有类似于随机噪声码的自相关性特性，结构相同的随机码序列(t)u u(t)=通过平移码元数，相应的码元相互对齐，易于测量。

测距码是由若干个多级反馈移位寄存器所产生的m 序列经平移、截短、求模二和等一系列复杂处理后形成的。

根据性质和用途的不同，在GPS 卫星发射的测距码信号中包含了C ／A 和P （Y ）码两种伪随机噪声码信号，各卫星所用的测距码互不相同。

下面将分别介绍其特点及作用。

图2-6 C ／A 码、P 码的特点2.1 C ／A 码(Coarse ／Acquisition Code)用于进行粗略测距和捕获精码的测距码称为粗码，也称捕获码。

C ／A 码的测距精度一段为±(2-3) m 。

C ／A 码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用。

C ／A 码的特征是：码长Nu ＝210-1=1023bit ；码元宽度tu ≈0.97752us ，相应长度293.1m;周期Tu ＝Nu ·tu=1ms ；数码率BPS ＝1.023Mbit ／s ，如图2-7所示。

GPS 星座中的不同卫星使用结构各异的C ／A 码。

这样既便于复制又易于区分。

C ／A 码具有的特性：①由于C ／A 码的码长较短（周期<1ms ），在GPS 导航和定位中，为了捕获C ／A 码以测定卫星信号传播的时间延迟，通常对C ／A 码金行逐个搜索，而C ／A 码总共只有1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，仅需约20.5s 便可完成，易于捕获。