GPS基本原理


 

     GPS(Globle Positioning System)全球定位系统，可以在全球范围内实现全天候、实时的确定用户的精确位置和精确时间。它是由美国提出并实施的一项庞大的宇宙及航天工程，1973年12月，美国国防部批准其陆海空三军联合研制新的军用卫星导航系统—NAVSTAR GPS系统，既GPS系统；1978年2月22日第一颗GPS实 验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始；1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS进入生产作业阶段。GPS系统于1993年6月26日部署完毕，全球定位系统中的21颗卫星和3颗备用卫星，犹如一个“星座”，高悬在2万公里的空中，每颗卫星每隔12小时围绕地球旋转一周，使得地球任何地方同时可看到7—9颗卫星。1．1 卫星发送什么信息？卫星信息包括三种信号分量：载波、测距码和数据码，其中载波采用两个频率发送：fL1=1575.42MHz，fL2=1227.6MHz；测距码分为粗码C/A码和精码P码，分别提供给民间用户和军方用户，都采用伪随机码；数据码的内容包括遥测码、转换码和三个数据块，数据块中含标志码、卫星时钟改正系数、卫星星历以及其他卫星的概略情况等。1．2 GPS接收机如何解算自身位置？伪随机码的接收利用相关技术得到，相关接收时本机产生的伪随机码信号和卫星的伪随机码信号码位对齐，即完成跟踪和延时锁定，此时刻相对于初始时刻的时延量表征了地面点到卫星距离的函数；接收机对卫星信号跟踪锁定后，同时可以得到导航电文，根据卫星星历参数可以得到卫星的坐标，如下式：ρPi=[（XSi-XP）2+（YSi-YP）2+（ZSi-ZP）2]1/2+CτA+C（ΔtPR-ΔtSV）其中：P为当前点，（XP，YP，ZP）为其坐标；Si为卫星，（XSI， YSI， ZSi）为其坐标；C为光速；τA为传输中的附加时延；ΔtPR，ΔtSV为钟差。ρPI为伪距，即含有误差的P到卫星SI的距离。观测到四颗卫星就可以得到P的准确位置（需要解算ΔtPR-ΔtSV）。GPS最初的目的是为美国军方提供服务，但随着它的发展，人们越来越意识到GPS的作用的重大及应用领域的广阔，除军事应用外，它已被应用于航天、航空、航海、测量、勘探等诸多领域，其应用形式亦多种多样。GPS发展到今天已成为一个产业。GPS的优异性能引起各行各业的兴趣，也正如专家所预言的那样，GPS将改变许多行业的经营方式，它是继计算机革命之后的又一场革命。GPS的精度和美国的SA政策 美国政府在GPS设计中，计划提供两种服务。一种为标准定位服务棗SPS，利用粗码（C/A码）定位，精度约为100米，提供给民间用户使用。另一种为精密定位服务棗PPS，利用精码（P码）定位，精度达到10米，提供给军方和得到特许的民间用户使用。在GPS试验卫星应用阶段，多次试验表明，实际定位精度远高于此值。利用最简单的C/A码定位精度可达到14米，利用P码定位精度可达到3米。这一现实和设计相矛盾，于是美国政府采用了SA（SelectiveAvailability）政策，人为的将误差引入卫星时钟和卫星数据中，故意降低GPS的定位精度，以防止未经许可的用户把GPS用于军事目的。采用SA政策，规定水平定位精度为100米（2Drms），垂直测量精度为157米（2Drms）。美国国防部常年对SA政策进行检测，并根据形势和需要对部分或全部卫星取消SA政策。SA政策称为有选择可用性，它的目的是使非特许用户不能获得高精度实时定位的方法。它包括对GPS卫星基准频率采用δ技术，对导航电文采用ε技术，对P码采用译密技术。1989年11月，在轨的GPS卫星有两个星期停止工作，利用这两个星期的时间进行高频抖动（δ）技术试验。1990年3月25日到8月29日，不仅进行了δ技术试验，还作了C/A码广播星历精度降低的试验。1991年7月1日开始，全部在轨GPS工作卫星均实施SA技术。SA技术是一种人为干扰。在实施SA技术条件下，工作卫星的定位精度大大降低，GPS信号将发生下列变化：GPS卫星的基准信号（10.23MHz）经过δ技术处理，人为引入一个高频抖动信号。因为基准信号是所有卫星信号（载波、伪噪声码、数据码）的震荡源，故所有派生信号都引入一个“快变化”的高频抖动信号。P码将经过译密技术处理变为Y码。Y码是P码与高度机密的W码模2和形成的。这一过程称为反电子欺骗AS政策(AntiSpoofing）。实施AS技术的目的在于防止敌方对P码进行精密导航定位的电子干扰。当实施AS技术时，非特许用户不仅不能使用P码作实时定位，而且不能进行P码和C/A码码相位测量的联合求解，甚至P码数据平滑。SA和AS技术是各自独立实施的。目前，已经实施SA政策，但GPS联合会办公室人士透露，只有在国家紧急状态下或者短期实验时，才启用W码，实施AS技术GPS信号的第二载波L2设置有三种不同的调制波，并由卫星电文的提示区别。SA政策实施后，由C/A码广播的星历称为C/A码广播星历，经过ε技术处理后，人为的降低精度为100米左右。这种误差不是固定的偏差，而是无规则变化的随机量。目前商用GPS接收机都是工作在C/A码的，只能取得C/A码广播星历。这就是说，实施SA政策后，P码的星历精度对定位精度的影响已从20米提高到5米，但用户得不到，C/A码的星历精度对定位精度的影响从20米降低到100米，这就使得所有商用接收机的定位精度大幅度降低。这里有必要提醒用户，有的厂家为了推销产品，在定位精度栏内标明15米*，并在“*”号注脚内写明（SA off）。它的含义是，在不实施SA政策下，定位精度达到15米。可是，事实上已经实施SA政策，达到的实际定位精度则为100米左右。 在实际的应用中，由于GPS OEM中厂家都采用了滤波平滑算法，所以GPS的动态定位精度能达到40米，具体表现为连续的轨迹为平滑的曲线而不是锯齿状线。但静态数据表现为车停而定位信息在变，位置的分布长时间测试为100米的圆型区域。另外，使用GPS信号不收费。GPS最初投入应用时，美国承诺10年免费使用，即到2003年期满，目前由于GPS的广泛应用，美国从事GPS产业的人员达数十万，同时俄罗斯有GLONASS，欧洲也在设计EUTELTRACS卫星定位系统，行业的竞争使得美国政府不得不考虑数十万人的就业问题，并且计划在4?/FONT>10年的时间里逐步取消SA政策，以赢得更多的用户，美国已表态在可以预见的将来延长免费服务期
限。为了提高GPS的精度及信号的可靠性，GPS在L1民用频率之外将加发第二民用频率，L5，其频率为1176.45MHz。L5处于航空无线电导航服务频段内，受国际公约保护，即使在战时也不会受到干扰，提高了GPS服务的可靠性。美国还承诺在2006年前撤除SA，使民用水平定位精度达到21米以内。随着GPS精度的提高、可靠性的加强，GPS的应用必将越来越广泛。