第一节概述§16—1 概述一、卫星导航系统的发展1、1957年10月世界上第一颗人造卫星发射成功，开始了利用卫星进行定位和导航的研究。

2、第一代卫星导航系统——子午卫星导航系统，自1963年12月美国发射了第一颗导航卫星建立。

该系统不受气象条件的限制，自动化程度较高，且具有良好的精度，它迅速被世界各国所采用。

但该系统卫星数目较少（5～6颗）、轨道低（平均约1000 km）、发射信号的频率较低，从而精度受到影响，且不能提供连续地实时三维导航。

3、第二代卫星导航系统——GPS卫星全球定位系统，实现全天候、全球高精度地连续导航定位。

美国美国国防部于1973年开始，1993年建设成功，历经20年，耗资300亿美元，全称为“授时、测距导航系统/全球定位系统”（Navigation system Timing and Ranging/Global Positioning System）。

GPS是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。

二、GPS的影响及特点1、GPS的影响：它可以高精度、全天候、快速测定地面点的三维坐标，使传统的测量理论与方法产生了深刻变革，促进了测绘科学技术的现代化，在军事、民用及其它领域都得到了广泛应用。

卫星定位技术已引起了测绘技术的一场革命，从而使测绘领域步入一个崭新的时代。

2、GPS的特点：全球地面连续覆盖。

24颗GPS卫星合理地分布在太空中，地球上任何地点均可连续地同步观测到至少4颗卫星，保障了全球、全天候连续地三维定位。

定位精度高。

GPS可连续地、高精度地提供导航定位。

单点定位精度：C/A码±25 m，P码为±10 m；相对定位的精度：单频机为±（10 mm+2×10-6×D），双频机为±（5 mm+1×10-6×D）。

观测简便。

测量员的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，卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成，大大减少了外业的作业时间及劳动强度。

经济效益好。

GPS测量不要求观测站之间通视，不需建造觇标。

大大减少观测工作的经费和时间，节省大量的人力、物力和财力，同时也使点位的选择变得更加灵活。

第二节GPS的组成§16—2 GPS的组成全球定位系统（GPS）主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分三大部分组成，如图16-1所示。

一、空间星座部分1．GPS卫星星座全球定位系统的空间星座部分由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗可随时启用的备用卫星。

工作卫星均匀分布在6个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星（见图16-2）。

卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°，同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°。

轨道平均高度为20 200 km，卫星运行周期为11小时58分。

在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多时达11颗。

2．GPS卫星及功能GPS卫星（见图16-3）的主体呈圆柱形，直径为1.5 m，重约774 kg，设计寿命为7.5年。

主体两侧配有能自动对日定向的双叶太阳能板，为卫星正常工作提供电源，通过一个驱动系统保持卫星运转并稳定轨道位置。

每颗卫星装有4台高精度原子钟（铷钟和铯钟各两台），以保证发射出标准频率（稳定度为），为GPS测量提供高精度的时间标准。

GPS卫星的主要功能是：（1）接收和储存由地面监控系统发射来的导航信息；（2）接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等；（3）向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置。

3．GPS卫星信号及SA技术（1）GPS卫星信号GPS卫星信号与导航电文是通过发射高频载波信号来传送的（图16-4），振荡器产生一个基准频率F0=10.23 MHz的高频载波信号，分别以154倍和120倍实现倍频后，形成两个载波频率信号L1=1 575.42MHz，L2=1 227.60 MHz，波长分别为λ1=19.03 cm，λ2=24.42 cm。

GPS卫星的三种码信号（载波的三种相位调制）：P码或精码：两个载波被F0调制的伪随机码；主要用于较精密的导航定位，只供美国军方和授权用户使用。

C/A码或粗码：L1载波频率被调制为0.1F0的伪随机码；测距精度低。

导航电文或D码：两个载波上都调制了50（bit/s）的数据串，它向用户提供为计算卫星坐标用的卫星星历、系统时间、卫星钟性能及电离层改正参数等信息。

有每颗GPS卫星的识别码，区分来自不同卫星的信号。

（2）SA（Selective Availability）政策与技术SA（Selective Availability）政策：选择可用性政策。

为保障美国政府的利益与安全，使非特许用户不能获得高精度实时定位，美国国防部对GPS工作卫星发播的信号实行SA政策。

SA技术：对GPS卫星基准频率采用δ技术，即GPS的基准信号人为的引入一个高频抖动信号，以降低C/A码伪距观测量的精度；对导航电文采用ε技术，干扰卫星星历数据，降低GPS卫星播发轨道参数的精度，降低利用C/A码进行单点定位的精度。

在SA的影响下，伪距单点定位精度由±25 m降到±50 m 。

大多商用GPS接收机工作于C/A码，只能使用降低了精度的C/A码。

2000年5月美国政府取消了SA政策，民用C/A码的精度得到了显著的实质上的改善。

二、地面监控部分GPS的地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站（MCS）、注入站（GA）和监测站（MS）三种（图16-5）。

主控站：一个，设在美国本土的科罗拉多空间中心。

负责协调和管理所有地面监控系统，具体任务：根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站；提供全球定位系统的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星；还具有监测站功能等。

注入站：现有三个，分别设在印度洋的迭哥伽西亚、南太平洋的卡瓦加兰和南大西洋的阿松森群岛。

其主要任务是将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性；亦具有监测站功能。

监测站：原有五个（含上述四个地面站，另一个设在夏威夷）。

主要任务:是连续观测和接收所有GPS卫星发出的信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。

2000年，监测站增加到10个（我国家测绘局与美国国家影像与制图局NIMA合作在房山建立了一个监测站），大大改善了卫星广播星历的精度。

对于精密定位，用户等效距离误差由原来的4.3 m 降低到1.3 m。

整个地面监控系统由主控站控制，地面站之间的通信系统无需人工操作，实现了高度自动化和标准化。

三、用户设备部分GPS的用户设备部分，包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备等。

1、GPS信号接收机：是用户设备部分的核心。

其主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号；对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间；译出GPS卫星发射的导航电文，配以功能完善的软件，实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。

GPS接收机：由天线、主机和电源三部分组成。

GPS接收机天线：由天线单元和前置放大器两部分组成。

天线的作用是将GPS卫星信号的微弱电磁波能量转化为相应电流，前置放大器将接收的GPS信号放大。

为减少信号损失，一般将天线和前置放大器封装成一体；主机：由变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器组成。

主机的主要作用是对天线接收到的信号进行数据处理、记录、存储、状态及结果显示等；电源：主要有内电源（一般为锂电池）和外接电源两种，为接收机提供工作时必要的能源。

2、GPS的种类（按用途分）导航型：一般采用伪距单点定位，定位精度较低，体积小、价格低廉，广泛用于船舶、车辆、飞机等运动载体的实时定位及导航。

按应用领域又分：手持型、车载型、航海型、航空型以及星载型。

测地型：主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度较高，一般相对精度可达±（5 mm＋10-6×D）。

这类仪器构造复杂，价格昂贵。

主要用于精密大地测量、工程测量、地壳形变测量等领域。

分为单频机和双频机两种：单频机只接收L1载波相位，它不能消除电离层的影响，只适用于15 km 以内的短基线；双频机可接收L1、L2载波相位，因而可以消除电离层的影响，精度较高，可适用于长基线。

授时型：利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台授时、电力系统、无线电通讯系统中的时间同步等。

姿态测量型：可提供载体的航偏角、俯仰角和滚动角，主要用于船舶、飞机及卫星的姿态测量。

我国常用的接收机：Trimble 4700SE/SSE型（美国、天宝）;Wild530/550型（瑞士徕卡）;Astech-XII、Z-12型（美国阿什泰克）;NGS-200型（广州南方测绘仪器公司）;GJS型（北京博飞公司）。

双星：能接收美国和俄罗斯两卫星定位系统。

三节GPS坐标系统§16—3 GPS坐标系统一、WGS-84大地坐标系GPS是全球性的定位导航系统的坐标系统是全球性的，它是通过国际协议确定的协议地球坐标系（Coventional Terrestial System—CTS）。

目前，GPS测量中所使用的协议地球坐标系统称为WGS-84世界大地坐标系（World Geodetic System）。

WGS-84世界大地坐标系的几何定义：原点是地球质心；Z轴指向国际时间局—BIH（Bureau International deI′H eure）1984.0定义的协议地球极（Coventional Terrestial Pole—CTP）方向；X 轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点；Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系，如图16-6所示。

二、WGS-84坐标基本关系式地面上任一点的三维直角坐标为（X，Y，Z），其大地坐标为（B，L，h），两坐标系之间的转换关系：(16-3 24.1)式中：a，(16-3 24.2)为椭球元素。

对于WGS-84椭球，长半轴a=6 378 137.0 m，第一偏心率平方(16-3 24.2)=0.006 694 379 99。

16-1 式的逆运算为：大地纬度B又是其自身的函数,需用式(16-2b)和(16-1d)迭代解算。