3.1 全球定位系统（GPS）

3.1.1 GPS系统概述

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国国防部研制和维护了中距离圆形轨道卫星导航系统，主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通信等一些军事目的。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成。

它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。全球定位系统可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确地确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的经度、纬度及海拔高度；所能搜索连接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

GPS信号分为民用的标准定位服务（Standard Positioning Service，SPS）和军规的精确定位服务（Precise Positioning Service，PPS）两类，民用定位精度为10米。

3.1.2 GPS定位系统的组成

GPS系统包括三大部分：空间部分（GPS卫星星座）、地面控制部分（地面监控系统）、用户设备部分（GPS信号接收机），GPS系统的组成如图3-3所示。

图3-3 GPS系统的组成

1.空间部分（GPS卫星星座）

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星，GPS卫星网如图3-4所示。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局能够保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。

图3-4 GPS卫星网

在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行两周，即绕地球一周的时间为12恒星时。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，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了测算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫作“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。

2.地面控制部分（地面监控系统）

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数计算的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间、求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括主控站1个、监测站5个、注入站3个，以及通信和辅助系统，地面监控系统如图3-5所示。

GPS地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个注入站构成。

图3-5 地面监控系统

●主控站：位于美国科罗拉多州（Calorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。

●注入站：阿松森群岛（Ascendion），位于大西洋；迭戈加西亚（Diego Garcia），位于印度洋；卡瓦加兰（Kwajalein），位于东太平洋。

●监控站：1个与主控站在一起；3个与注入站在一起；另外一个在夏威夷（Hawaii），位于西太平洋。

3.用户设备部分（GPS信号接收机）

GPS信号接收机的任务是捕获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，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，实时地计算出三维位置坐标，甚至三维速度和时间。

GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户而言，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机，可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。GPS接收机的产品类型很多，这些产品可以按照原理、用途和功能等分类，卫星导航用户设备的类型如图3-6所示。

图3-6 卫星导航用户设备的类型

在静态定位中，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算出接收机天线所在位置的三维坐标。

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信号接收机所测定的运动物体叫作载体（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运动，接收机用GPS信号实时测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

3.1.3 GPS定位原理

GPS的基本定位原理：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。

假设卫星在17710米的高度，这是一种高轨道和精密定位的观测方式，以此卫星为圆心画一个圆，而我们正处于球上面。再假设第二颗卫星距离大家19320米，而大家正处于这两颗球所交的圆周上，现在大家再以第三颗卫星做精密定位，假设高度20930米，大家即可进一步缩小范围到两点位置上，但是其中一点为大家所在的位置，也极有可能在太空的某一点，因此，大家舍弃这一参考点选择另一点作为位置参考点。

如果要获得更精确的定位，则必定要测量第四颗卫星，从基本的物理观念上来说，以信号传输的时间乘以速度即是用户和卫星的距离，大家将此测量作为虚拟距离。在GPS的测量上，大家测的是无线信号，速度几乎达到光速，时间短得惊人，甚至只要0.06秒。时间的测量需要两个不同的时钟，一个时钟装置在卫星上，以记录无线电信号传输的时间；另一个时钟装置在接收器上，用于记录无线电信号接收的时间。虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接受器同时发出声音，大家会听到两种不同的声音，这是因为卫星从17710米远的地方传来，所以会有延迟时间，因此，大家可以延迟接收器的时间，用延迟的时间乘以速度就是接收器到卫星的距离，此为GPS的基本定位原理。

GPS接收器要确定当前设备的位置，需要4颗GPS卫星协助定位，所需要的信息如下：

4颗卫星的空间位置坐标：根据星载时钟（原子时钟）所记录的时间在卫星星历中查出，每颗GPS卫星都实时向全球广播自己的空间位置信息。

4颗卫星到GPS接收器的距离：通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间（GPS接收器的时间戳—GPS卫星发出信号时的时间戳），再将其乘以无线电波的速度（即光速）得到（由于大气层中电离层的干扰，这一距离并不是用户和卫星之间的真实距离，而是伪距（PR））。

由于无线电波速度也会受到空中电离层的影响，GPS卫星广播的自己的位置也可能有误差，GPS接收器使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标X、Y、Z外，还要引进一颗卫星与GPS接收器之间的时间差作为计算参数，以校正误差。所以，如果想知道GPS接收器所处的位置，至少要能接收到4颗卫星的信号。

3.1.4 北斗定位系统

北斗卫星导航系统简称北斗系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS），北斗卫星导航系统标识如图3-7所示。北斗系统是我国自主建设、独立运行，与世界卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。

该系统分为“北斗一代”和“北斗二代”，分别由4颗“北斗一代”卫星（两颗工作卫星、两颗备用卫星）和35颗“北斗二代”定位卫星、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端3个部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、24小时的即时定位服务，定位精度可达数十纳秒（ns）的同步精度，其精度与GPS相当。

1.北斗卫星导航系统的“三步走”计划

图3-7 北斗卫星导航系统的标识

第一步，即区域性导航系统，已由“北斗一号”卫星定位系统完成，这是我国自主研发，利用地球同步卫星为用户提供全天候、覆盖中国和周边地区的卫星定位系统。中国先后在2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月25日发射了3颗“北斗”静止轨道试验导航卫星，组成了“北斗”区域卫星导航系统。“北斗一号”卫星在汶川地震发生后发挥了重要作用。

第二步，即在“十二五”前期完成发射12颗到14颗卫星任务，组成区域性、可以自主导航的定位系统。

第三步，即在2020年前，实现30多颗北斗导航卫星覆盖全球。北斗卫星导航系统模型如图3-8所示。“北斗二号”将为中国及周边地区的军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足导航定位信息交换的需要等。

图3-8 北斗卫星导航系统模型

2.北斗卫星导航系统的五大优势

1）同时具备定位和通信功能，无须通信系统支持。

2）覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区。

3）特别适合集团用户大范围监控和管理，以及无依托地区数据采集、用户数据传输应用。

4）独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”的问题。

5）自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门使用。