作者：谢钢
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
GPS原理与接收机设计试读：
前言
科技的进步已经深刻地改变了我们的日常生活方式，而美国的全球定位系统（GPS）就是其中的一项。自20世纪70年代开始研制以来，GPS已经在世界各国的各行各业中得到了广泛的应用，它正带领着人类进入定位、导航的新纪元。
在全球卫星定位技术方兴未艾之际，关于GPS及其接收机设计的文献也大量涌现。这些年来，国内外出版了几本相当优秀的关于GPS的书籍，受到了广大GPS专业爱好者的喜爱。与这些书籍不同，本书一方面加大了GPS接收机设计这部分内容的篇幅，使对其的讨论更加系统、深入；另一方面，本书还介绍了最近出现的一些GPS接收机新技术、新成果，使该书知识能及时、真实地反映当前状况。
全书共13章，大致分成GPS基础知识、定位算法、GPS应用以及信号的捕获与跟踪四部分，而全书也是按照这一顺序展开叙述的。大多数读者对GPS的认识是从了解GPS的定位原理及其算法开始的，然后其中一些读者有机会去进一步探索接收机的内部构造和信号的捕获与跟踪原理。因此，这种先介绍定位算法再介绍信号跟踪的叙述顺序比较适合大多数读者的GPS学习过程，并且也可以认为是一种由简到难的顺序，尽管GPS接收机事实上是先跟踪卫星信号再完成定位计算这一倒过来的顺序。
第1章和第2章将介绍GPS的一些基础知识。通过对这两章内容的学习，读者会接触到大量的GPS术语，能从宏观上了解GPS整个系统的运行机理，并认识GPS定位原理，掌握GPS信号结构。GPS定位原理是如此简单，以至于它可在一小段文字内解释清楚，然而为了实现定位和提高定位性能，我们还需要阅读接下来的11章内容。
第3章至第6章将介绍GPS定位算法。首先，在GPS定位原理中，GPS卫星的位置视为已知的，于是第3章将解决如何计算卫星在某一时刻的位置坐标这一问题；然后，由于实现GPS定位还需要测量GPS接收机至各颗可见卫星的距离，因而第4章将讨论GPS测量值及其误差源；接着，有了卫星的位置和接收机至卫星的距离，我们就可以实现定位，于是第5章将分析定位算法及其定位精度，它是这一部分内容的核心；最后，第6章将介绍卡尔曼滤波定位算法，它有着非常高的实际应用价值，并且本书在随后的多个章节都会提到这种滤波技术。
第7章至第9章将介绍用来提高GPS定位性能的三方面技术与应用。其中，第7章将介绍差分GPS和高精度GPS，第8章将介绍GPS与惯性导航系统的组合，第9章将介绍GPS定位结果的地图匹配。尽管这三章内容非常具有现实意义，但是对于只关心接收机内部设计的读者而言，略过这三章而直接跳到第10章并不会产生前后内容不连贯的感觉。
最后，第10章至第13章将剖析接收机的内部组成及其运行，这四章中每一章的篇幅都很大。对于希望理解接收机内部究竟是如何运作的读者而言，这一部分是一定要花精力去阅读的。其中，第10章将介绍接收机组成概况和其中的射频前端模块，第11章将详细分析载波跟踪环路，第12章将探讨码跟踪环路和描述接收机在信号跟踪过程中所需完成的位同步、帧同步等一系列信号处理任务，第13章将讨论接收机对信号的搜索与捕获。在此基础上，这一部分还对多路径、连续波干扰、互相关干扰、高灵敏度GPS和辅助GPS（AGPS）等多个关键课题进行论述。
通过对大量公开发表的GPS书籍、期刊论文、会议论文、学位论文和专利等文献资料的研读，作者才把这些知识汇集起来而写成这一专著。因此，本书每一章的最后均列出了一堆参考文献，用以表明原文或相关知识点的参考来源，以示作者的敬意和感谢。此外，作者还参考了无数公开的国际互联网网页，然而考虑到网址的变动性较强，它们很少被一一列出。对某一课题做进一步深入研究的读者而言，希望这些参考文献能给读者一个高而良好的起点。
本书语言平实、简练，内容丰富又重点突出。它不但非常适合作为本科生高年级和研究生的教材或教材参考书，而且是所有与GPS/GNSS及其接收机有关的工程技术人员和科技工作者都应当配备的参考用书。对于书中提及但未能予以充分展开讨论的许多方法、技术，它们可作为硕士生、博士生的研究课题之用。正当我在写这一序言之时，喜闻中国成功地发射了第二颗北斗导航卫星，希望这本书的出版能给我国的卫星导航事业添砖加瓦。
感谢父亲谢逸仙、母亲傅珠珍对我的养育和教导，他们对我勤奋进取的要求和言传身教是我能利用空余时间写完这本书的动力源泉。在一字一句写书期间，我也得到了妻子和孩子对我的理解和支持。感谢电子工业出版社的谭海平先生对该书出版所提供的很大帮助和方便，他对书中的内容安排也提出了一些宝贵意见。绍兴文理学院的沈龙先生对全书文字进行了通读与校正，在此深表感谢。我在写书期间还得到了许多同事、亲朋的支持，在此均对他们表示诚挚的谢意！
由于作者水平有限，书中必定会出现一些不妥和错误，敬请读者不吝指正。读者可通过电子邮箱gang.xie.1999@stanfordalumni.org与我直接联系。作者2009年5月修订出版感谢
自2009年该书出版以来，我已经陆续收到许多读者的来信，他们对本书的内容和质量做了高度的赞赏，并认为从中受益匪浅。承蒙各位读者的厚爱，该书在所有有关GPS的畅销书籍中正脱颖而出。看到我四年心血之结晶为大家所爱，我深感欣慰，更深受鼓励。
正如一名读者来信说，虽然书中错误非常少，但为了使它更加完美，因而在阅读过程中发现的即使一两个小错误都要来信告诉我。我真的很感动！感谢北京航空航天大学学生王晨和博士后刘青格、黑龙江省八五二农场农机中级工程师马成燕、浙江大学控制系研究生李子月、西安电子科技大学微电子学院硕士生李廷、中国空间技术研究院西安分院工程师边朗、中兴通讯工程师邵贵阳、南京解放军理工大学网络工程教研中心讲师刘鹏、西安交通大学微波与光通信研究所博士生李建星、江南大学学生刘冉旭、南京六九零二科技有限公司工程师陈雨、武汉大学测绘学院导航工程专业本科生彭益堂和易通星云（北京）科技发展有限公司卫星导航工程师任江南等诸多读者，你们所指出的错误在这次修订出版中已经得到更正，谢谢你们！作者2016年11月于美国加州橙县第1章 导引
在本章和下一章中，我们将介绍全球定位系统（GPS）的基础知识。第1章将宏观地讲述GPS的发展历史、构造、性能和应用等多方面的内容，以激发读者对GPS的兴趣；第2章将具体分析GPS的信号结构。
首先，1.1节将简要回顾GPS的发展史。接着，1.2节将介绍GPS三个组成部分的功能和概况。1.3节将解释GPS提供的两种定位服务以及美国政府对GPS的限制性政策。1.4节将简单提及GPS以外的其他卫星导航系统。然后，1.5节将介绍用来衡量GPS定位系统和GPS接收机性能的各项指标。最后在1.6节，我们将简单指出GPS在各方面的重要应用。1.1 GPS的起源
导航在人类历史的发展进程中一直起着相当重要的作用。1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一颗名为Sputnik的人造地球卫星，由此揭开了人类利用卫星来开发导航、定位系统的序幕。
尽管Sputnik的构造相当简单，几乎只是一个无线电信号播发器，但它在当时却引起了世界各国科学家的高度关注［24，29］。美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的W. Guier博士和G. Wieffenbach博士通过跟踪、检测该卫星所发射的信号，描绘出所接收到的卫星信号的多普勒频移曲线图。在日常生活中，我们对多普勒效应并不陌生。例如，站在火车轨道附近，当火车迎面开来时，我们听起来会觉得火车鸣笛声的音调变高，而当火车驶过我们而离去时，同样的鸣笛声听起来却音调变低。这种测量到的声波频率随声源和接收机之间的相对移动而发生变化的现象，就是声波的多普勒效应，而无线电波也存在这种效应。这两位科学家认为，如果在一个位置坐标已知的地面固定点上测量卫星信号的多普勒频移，那么根据多普勒频移测量值，我们就能推算出卫星的运行轨道［8］。不久，他们用实验数据证实了他们的想法。
对于这种通过测量卫星信号的多普勒频移来推算卫星运行轨道的做法，当时同在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的F. McClure博士提出了相应的逆命题。他认为，如果卫星的运行轨道是已知的，那么根据卫星信号的多普勒频移测量值，我们反过来能推算出在地面上这一测量点的位置。随着这一开创性想法的深入与成熟，1958年美国海军决定研究、开发基于多普勒频移的海军导航卫星系统（NNSS），并于1960年4月发射了该系统的第一颗导航卫星。因为所有海军导航卫星系统中6颗卫星的运行轨道全部都通过地极，所以它又称为子午（Transit）卫星系统。子午卫星系统是世界上第一个成功运行的卫星导航系统，它能提供精度较低的二维定位，并且每次定位的时间长达30～110分钟。随着GPS的建成，子午卫星系统于1996年宣告结束，然而该系统中的许多构思对GPS的开发相当重要，有些甚至被直接应用于GPS。
为了满足军方和民用领域对连续、实时、精确导航的需求，美国国防部（DoD）于1973年4月提出了研究、创建新一代卫星导航与定位系统的计划，并由空军上校B. Parkinson博士出任这个项目的办公室主任。他充分发挥自己的学术背景与游说技能，召集多方人士，综合各种思想，最终于1973年12月提出了一个可以让美国军方接受的方案。这个方案就是授时与测距导航系统/全球定位系统（NAVSTAR/GPS），通常简称为全球定位系统（GPS），它是一个基于人造卫星、面向全球的全天候无线电定位、定时系统。
GPS的开发过程可分为三个阶段。第一阶段为可行性研究，其工作主要集中在对用户设备的测试，即利用安装在地面上的信号发射器代替卫星，通过大量的实验，证实GPS接收机在该系统中能获得很高的定位精度。随后于1978年2月22日，美国在其范登堡空军基地发射了第一颗GPS实验卫星。GPS的第二阶段开发自1979年始，其目标是让一部分特许用户获得GPS的全球二维定位功能。接着自1985年始，GPS进入了其开发、生产的第三阶段。值得一提的是，在1991年美国与伊拉克展开的海湾战争中，GPS首次被美国空军使用，并在战争中展示了其卓越的性能和非凡的价值。海湾战争后，各方新闻媒体对GPS进行了不断的报道与赞誉，这使得GPS名噪一时，进而极大地激发了人们对民用GPS的兴趣。1995年，美国宣告GPS正式进入全面的运行状态。
GPS是继人类登月和发明航天飞机后在空间技术领域的又一个重大成就。同时，现代计算机、微处理器、固态半导体、原子钟、信号处理和通信等相关领域内科学技术突飞猛进的发展，为造就今天的GPS系统奠定了坚实的基础。1.2 GPS的组成概况
历时20年、耗资200亿美元的GPS由如图1.1所示的三个独立部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。这样，整个GPS系统的工作原理可简单地描述如下：首先，空间星座部分的各颗GPS卫星向地面发射信号；其次，地面监控部分通过接收、测量各个卫星信号，进而确定卫星的运行轨道，并将卫星的运行轨道信息发射给卫星，让卫星在其发射的信号上转播这些卫星运行轨道信息；最后，用户设备部分通过接收、测量各颗可见卫星的信号，并从信号中获取卫星的运行轨道信息，进而确定用户接收机自身的空间位置。可见，这一工作原理正是上一节所介绍的正、逆定位命题的联合应用。然而，GPS与子午卫星系统的一个重大区别在于：GPS用户设备部分测量的是它们到卫星的距离，而不再以信号的多普勒频移为主要测量值。图1.1 GPS的三个组成部分
虽然以上只是对GPS工作原理的简单概括，但是它很清楚地表明了GPS三个组成部分之间如图1.1所示的信号传递关系。特别需要强调的是，空间星座部分与用户设备部分有联系，但这种联系是单向的，信号、信息只从空间星座部分向用户设备部分传递。下面将简单介绍这三个组成部分的功能，从中我们不但可以进一步认识GPS整个系统的工作机制，而且会即刻明白GPS用以实现定位的基本原理。1.2.1 空间星座部分
GPS的空间星座部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星构成，但目前（即2008年6月）处于正常运行状态的实际卫星数目为30颗左右。如图1.2和图1.3所示，这24颗卫星分布在6个轨道上，每个轨道上不均匀地分布着4颗卫星。每个轨道面与地球赤道面的夹角约为55°，相邻两个轨道面的升交点经度相差60°，而在相邻轨道上邻近卫星的升交点角距又相差约30°。GPS卫星属于地球中轨卫星，卫星轨道的平均高度约为20 200km，运行轨道是一个很接近于正圆的椭圆，运行周期为11小时58分。考虑到周期为24小时的地球自转，那么相对于地面上的一个固定观测点来讲，卫星的运行和分布状况大约每隔23小时56分重复一次。需要说明的是，对于在这一小节中出现的升交点等一些卫星轨道参数和地理术语，我们将在第3章给予详细解释，故对此不熟悉的读者现在不必感到焦急。图1.2 GPS卫星星座图1.3 GPS卫星星座平面图
为了进一步清晰地描绘出星座中各卫星的分布情况，图1.3将2005年9月某时刻的6个椭圆轨道分别展开成了一条直线［9］。这6个轨道面沿着经度方向依次用字母A, B, C, D, E和F表示，而每个轨道面上的工作卫星又用1～4的数字加以区别，但数字的编排顺序并没有一定规律。这样，卫星的轨道编号就由一个字母和一个数字组成，例如A1，A2，A3，A4，B1和F4等。备用卫星用一个大于4的数字表示，例如C5，D5和D7等。
在地面上一观测点处可见卫星的数目及其分布状况随时间和地点的不同而异，一般说来少则4颗，多则可达11颗。GPS卫星星座之所以设计成如上所述的构架，其目的之一是使地面上的任一点在任一时刻都能同时观测到足够数量的卫星以供定位之用，目的之二是考虑了它的容错性能。也就是说，如果某一轨道面上的一颗卫星因发生故障而失效，那么由于相邻轨道面上邻近卫星的存在，GPS的卫星信号覆盖性能和定位性能不至于会遭到剧烈破坏而大幅度下降；同时，3颗备用卫星可在必要时替代故障卫星，这对于确保空间星座部分的正常运转也起了相当重要的作用。
作为导航卫星，GPS卫星的硬件主要包括无线电收发装置、原子钟、计算机、太阳能板和推进系统等。至今，GPS卫星的设计一般可分成以下五代［15，32］。（1）第一代（Block I）11颗GPS实验卫星的用意在于验证GPS的可行性。该代卫星的设计寿命为5年，而GPS星座中的所有这款卫星自1995年起已经被全部废止。（2）从1989年4月起开始陆续发射的第二代（Block II和Block IIA）卫星共计28颗。第二代卫星的实物如图1.4（a）所示，其质量约为987kg，宽约1.5m，长约5.3m，主体呈圆柱形状［25］。卫星两侧设有太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星的正常工作用电。卫星的设计寿命为7.5年，而实际有效工作寿命一般均比设计寿命长，很多卫星的实际工作寿命超过设计寿命6～7年。（3）自1997年7月起，在性能上比前两代卫星有很大提高的第三代（Block IIR和Block IIR-M）卫星正在逐步替换掉第二代卫星，以改进全球定位系统。第三代卫星的实物如图1.4（b）所示，它宽约1.5m，高约1.9m，太阳能板展开后宽度约为11.6m，而设计寿命为10年。截至2008年，GPS卫星星座是由Block IIA、IIR和IIR-M卫星混合构成的。图1.4 第二代和第三代卫星的实物照（4）第四代（Block IIF）卫星目前正处在研制和测试阶段。这一代卫星的功能将进一步得到增强，包括运算更快的处理器、容量更大的存储器以及延长至12年的卫星设计寿命等。（5）下一代GPS系统将由GPS III卫星组成。GPS III卫星将改正前几代卫星在设计和运行过程中暴露出来的种种缺点，并继承它们所拥有的全部定位功能。在此基础上，GPS III卫星所发射的信号功率将更强大，并且将具有选择失效（见1.3节）和高抗干扰性等功能特性。顺便提一下，发射Block IIR-M、Block IIF和GPS III卫星是GPS现代化计划的主要步骤，它们将在2.6节中再予以评论。
卫星信号从20 200km的高空被播发后，大约只需70ms的时间就到达地面。卫星信号中包含着信号发射时间的精确信息，这是用户设备用来准确测量其本身到卫星距离的一个必要条件。鉴于此，每颗第二代GPS卫星配置有四台原子钟，包括两台铷（Rb）原子钟和两台铯（Cs）原子钟，而每颗第三代卫星则配置有三台铷原子钟。高精度的原子钟是卫星的核心设备，它不但为卫星发射信号提供了基准频率，而且为确定整个GPS系统的时间标准提供了依据。
表1.1列出了在截至2005年11月18日的GPS卫星星座中各颗运行卫星的状况［36］。为了区别各个卫星实体，每颗卫星均有一个相互不同的空间飞行器编号（SVN），其中Block II卫星的SVN被分配为13～21，IIA卫星的SVN被分配为22～40，而IIR/IIR-M的SVN被分配为41～62。在任一时刻，不同工作卫星发射的信号中又含有一个互不相同的伪随机噪声码（PRN），下一章将会详细解释PRN的特性和功能。不同SVN的卫星有可能曾发射过相同的PRN，例如当一颗旧卫星淘汰后由另一颗新卫星接替，那么这两颗有着不同SVN的卫星都能发射同一个PRN信号。对于用户设备部分来说，PRN编号通常已经足够用来指定、区别GPS星座中运行的不同卫星，因而本书以后的各个章节将不再提及SVN。美国海军天文台（USNO）和美国海岸警卫队（USCG）会在其各自的全球互联网网页上即时公布、更新当前GPS星座中各颗运行卫星的状况，包括各颗卫星的轨道编号、SVN、PRN和频率标准等。此外，美国海岸警卫队还即时预告星座的变更情况，例如哪颗卫星何时需要进行调试而中断其正常的信号发射等。表1.1 GPS星座中各颗运行卫星的状况（截至2005年11月18日）
GPS卫星的基本功能可总结如下：接收从地面监控部分发射的导航信息，执行从地面监控部分发射的控制指令，进行部分必要的数据处理，向地面发送导航信息，以及通过推进器调整自身的运行姿态。1.2.2 地面监控部分
地面监控部分主要由分布在全球的1个主控站、4个注入站和6个监测站组成。从所处的地理位置来讲，监测站同时又可能是注入站或主控站。如图1.5所示，这6个地面监测站沿着经度方向依次位于美国的夏威夷（Hawaii）、科罗拉多（Colorado Springs）、佛罗里达（Florida Cape Canaveral）、南大西洋的阿松森群岛（Ascencion Island）、印度洋的迭哥加西亚（Diego Garcia）和南太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）［7，22］。
监测站是在主控站控制下的一个数据自动采集中心，其主要装置包括双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和环境数据传感器若干。监测站的主要任务是通过接收机对GPS卫星进行连续观测和数据采集，同时通过环境传感器采集有关当地的气象数据。监测站将所有测量数据略做处理后再传送给主控站。
坐落于美国科罗拉多州Falcon空军基地的主控站是地面监控部分，甚至是整个GPS的核心。它协调和控制地面监控部分的工作，通过接收、处理所有监测站传来的数据，主要实现以下功能。（1）监视所有卫星的运行轨道；（2）计算卫星钟差，以确保各颗卫星的原子钟与主控站的原子钟同步，维护GPS的时间基准；（3）计算卫星的星历参数；（4）计算大气层延时等导航电文中包含的各个修正参数；（5）更新卫星的导航电文，并将其传送给注入站；（6）发送用以调整卫星轨道的控制命令，确保卫星沿预定的轨道运行；（7）监视卫星是否工作正常，并在卫星出现故障、失效的情况下启动备用卫星。
注入站的主要设备包括一套直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。它的主要任务是在主控站的控制下，将主控站发送来的卫星导航电文和控制命令等转发给各相应卫星，并确保传输信息的准确性。
图1.5右下角表明了监测站、主控站和注入站三者之间数据的主要流向。地面监控部分的各个站间用美国国防部卫星通信系统保持联络，在原子钟的驱动下保持同步，并通过计算机控制而实现各项工作的自动化和标准化。图1.5 地面监测站的分布1.2.3 用户设备部分
空间星座部分和地面监控部分为GPS提供了定位基础，并且可以支持无数个GPS用户；然而，它们不会替用户定位，用户只有通过GPS用户设备才能实现定位。用户设备可以简单地理解成我们时常说的GPS接收机，它主要由接收机硬件、数据处理软件、微处理机和终端设备组成，其中接收机硬件一般又包括主机、天线和电源。用户设备的主要任务是跟踪可见GPS卫星，对接收到的卫星无线电信号经过数据处理后获得定位所需的测量值和导航信息，最后完成对用户的定位运算和可能的导航任务。
通过天线接收所有可见GPS卫星的信号后，接收机对这些信号进行数据处理而精确地测量出各个卫星信号的发射时间，接着将其自备时钟所显示的信号接收时间与测量所得的信号发射时间相减后再乘以光速，由此得到接收机与卫星之间的距离。同时，接收机还从卫星信号中解译出卫星的运行轨道参数，并以此准确地计算出卫星的空间位置。如图1.6所示，如果卫星n，n=1，2，3的空间位置在一直角坐标系中的坐标为（x（n），y（n），z（n）），而接收机测得其本身到该卫星的距离为ρ（n），那么我们根据高中数学知识就足以列出以下方程式：
其中，未知数（x，y，z）正是我们想要得到的用户接收机位置在同一直角坐标系中的三维坐标。如果接收机对3颗可见卫星有测量值，那么接收机可分别列出3个与上式一样的方程式，然后从这3个方程式中解算出三个未知数x，y和z。当然，因为接收机时钟通常与卫星时钟不同步，所以接收机需要有4颗卫星的测量值，然后4个方程就可以一并解出x，y，z和接收机钟差4个未知数，这就是GPS定位、定时的基本原理。图1.6 GPS接收机定位原理
我们通常将上述定位称为绝对定位，它直接给出了用户在某一空间坐标系中的绝对位置。相对定位是另一种定位形式，它只给出用户位置相对于某一参考点的偏移量。前面我们已经多次提到定位与导航两个术语，它们两者之间联系紧密，但又存在区别。定位指的是确定一点在一参照坐标系中的位置，而导航一般指的是筹划、实现如何从一点运动到另一点的途径方案，它通常建立在定位基础之上。本书所关心的是如何利用GPS信号实现定位，包括有可能借助其他辅助信息和外界系统等来提高GPS的定位性能，而基本上不涉及导航。
考虑到GPS的空间星座部分和地面监控部分由美国政府所控制，于是用户设备部分就成为GPS三个组成部分中最充满活力的一部分。本书的主旨正是在于详尽地探讨这一用户设备部分，特别是GPS接收机的信号处理和定位算法。虽然GPS接收机先是对接收到的GPS卫星信号进行处理，从中获得卫星距离测量值后再进行定位运算，但是本书的内容将按照先定位算法、后信号处理的顺序进行组织。作者相信，这种顺序安排将有助于各种不同层次的读者对GPS接收机运行和设计的理解变得更为容易。因为GPS卫星信号是空间星座部分和用户设备部分的界面，是GPS接收机赖以工作的信息来源，而式（1.1）中的卫星空间位置坐标值直接说明了认识卫星运行轨道的必要性，所以在探讨用户设备部分之前，本书必须首先介绍空间星座部分的GPS卫星所发射的信号及其运行轨道等基础知识。因为GPS接收机与地面监控部分之间没有直接的信息交换，所以本书对地面监控部分的介绍基本上只限于前面的1.2.2节，而想要更多了解地面监控部分知识的读者可参阅文献［26］等。1.3 GPS提供的服务和限制
在海湾战争结束约10年以后的2003年，又爆发了美、英等国攻占伊拉克的伊拉克战争，但与10年前不同的是，伊拉克这次对GPS已有了一定了解。据传，伊拉克军队可能在作战中也使用了GPS或者俄罗斯的GLONASS卫星导航系统（见1.4节）；同时，伊拉克从俄罗斯购买了一些GPS干扰机，对美军进行了积极的信号干扰，导致美军发射的多枚GPS精确制导武器偏离攻击目标而造成误炸［3］。可见，卫星导航系统是一把“双刃剑”，在控制不当的情形下可被敌我双方共同利用［5］。作为军方产物，GPS的安全性从一开始就受到美国的高度关注。
美国在GPS的设计和运行中采取了多种措施，以保障自己的安全和利益。一方面，GPS系统保证美国军方及其特许用户在利用GPS定位时具有更高精度的优越性；另一方面，该系统限制甚至故意降低民用GPS的定位精度。
GPS对不同等级的用户提供了两种不同的定位服务方式：标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。这两种定位服务之间的最大区别在于调制GPS无线电载波信号的不同测距码（即1.2.1节曾提到的伪随机噪声码），而GPS采用C/A码（又称粗码）和P码（也称精码）两种不同精度的测距码。面向民用的标准定位服务不仅只提供在一个载波频率上，而且该载波经由精度较低的C/A码调制。与标准定位服务不同，精密定位服务提供在经由P码调制的两个载波频率上，主要服务对象是美国军事部门和经美国政府批准的特许用户。特许用户主要为北约国家的军方，还有日本、韩国、新加坡、泰国和沙特阿拉伯等亚太国家或地区的军方。
GPS采取了反电子欺骗（A-S）措施，即对公开的P码进行加密。加密后的P码称为Y码，而我们通常将P码和Y码合称为P（Y）码。尽管现今的GPS事实上总是采用Y码而非P码作为精码来调制军用信号，但是在地面监控部分的指令下，GPS卫星理论上有能力要么选用P码或者要么选用Y码。因为Y码是保密的，所以非特许用户很难利用经Y码调制过的信号；相反，美国军方和特许用户知道如何破译Y码，他们可通过P（Y）码获得精度更高的GPS测量值，从而相应地获得精度更高的定位结果。除了P（Y）码信号外，美国军方和特许用户自然还能利用经由公开的C/A码所调制的信号，因而他们可以利用该双频信号测量值来消除由电离层折射所引入的测量误差（见4.3.3节），使精密定位服务的定位精度得到进一步提升。还需要强调指出的是，即使在GPS信号频段内出现人为故意的干扰信号，但是因为干扰信号不可能同样经由保密的Y码调制，所以特许用户的接收机在很大程度上可以避免因锁定干扰信号而发生错误定位的情况。这样，加密P码的措施就达到了反电子欺骗的目的。
为了突出特许用户利用GPS的优势性，GPS曾经还实行过选择可用性（SA）政策，即通过对GPS信号进行人为干扰，以故意降低标准定位服务的定位精度。这种干扰通常采用以下两种技术加以实现：一是故意更改卫星星历数据，以降低卫星所播发的卫星轨道参数的精度；二是在卫星的基准时间信号中故意引入一个高频抖动干扰，以降低接收机对卫星信号的测量精度。虽然SA干扰会同时影响到经由C/A码和经由P（Y）码调制过的信号，但是精密定位服务的特许用户可以利用密钥自动消除SA带来的影响。显然，SA政策是针对未经美国政府特许的广大标准定位服务用户。
考虑到实施SA政策会影响到包括美国自身在内的全球民用GPS服务，于是美国政府还在GPS上开发、应用了选择失效（SD）技术。当美国国家安全受到威胁时，选择失效技术可对某一特定地域中断标准定位服务，但是美国军方及其盟友却依然能够使用GPS，并且在这一区域之外的其他地方，GPS信号服务也一切正常［23，30］。
美国政府对GPS空间星座部分和地面监控部分的绝对控制，以及它对GPS所采取的限制性政策（特别是SA政策），引起了世界各国对GPS安全可靠性的高度关注。为了减弱美国的上述控制和限制，各国针对GPS相继开展了许多有效的研发工作。
差分GPS（DGPS）是有效对抗SA干扰和提高定位精度的一项被广泛应用的技术，它利用对同一卫星的测量值具有空间上和时间上的相关性这一事实，来消除不同接收机之间测量误差的公共部分，4.4节和第7章将会详细介绍这一技术。我们将接收机利用差分技术来降低测量误差的定位方式称为差分定位，而将GPS接收机在没有或者不利用差分服务情况下的定位称为单点定位。由于差分技术基本上能完全消除GPS测量值中的SA误差，又考虑到GPS民用领域对SA政策的不满以及GPS选择失效技术的日渐完善等多方面因素，美国政府已于2000年5月2日起终止了SA政策［30］。关掉SA后，民用GPS单点定位在95%时间内的精度可从以前的100m提高到现在的25m左右［28］。2007年，美国总统布什声明将永久性地取消SA政策。
建立独立的GPS卫星跟踪系统并对用户提供精密的卫星运行轨道参数，对克服美国限制性政策和促进GPS的广泛应用也具有重要意义。美国民用部门、加拿大、澳大利亚和欧洲等国都在致力于建立地区性或全球性的精密卫星测轨系统，其中值得注意的是以美国为首的从1986年开始建立的国际合作GPS网（CIGNET）。该卫星跟踪网络中的跟踪站现已分布于全球五大洲，跟踪精度可达分米级。此外，国际大地测量学协会（IAG）于1993年批准了提供国际GPS地球动力学服务（IGS），为地球动力学研究及大地测量提供GPS方面的服务（注意，IGS现已针对GNSS而不仅仅是GPS）。至2006年，IGS网已扩展到拥有350多个双频、连续跟踪GPS卫星的基准站，可提供精度达分米级的GPS卫星精密星历［17］。1.4 各国卫星导航系统的概况
开发、建立一个国家自己独立拥有的卫星定位系统，可以彻底摆脱美国对GPS的控制。因此，尽管开发所需的资金巨大并且周期漫长，但是一些国家和地区还是积极发展自己的卫星定位系统。
类似于美国的GPS，前苏联从20世纪80年代初便开始着手建立现由俄罗斯空间局管理的全球导航卫星系统（GLONASS），其用意在于打破美国对卫星导航独家垄断的地位。GLONASS的空间部分计划由均匀分布在三个轨道面上的24颗卫星组成，卫星轨道倾角为64.8°，而这个较大的轨道倾角使得GLONASS在地面上高纬度地区有着比GPS更好的卫星信号覆盖度。与GPS所采用的码分多址（CDMA，见2.2节）不同，GLONASS卫星所播发的信号采用频分多址（FDMA），即根据载波频率的大小不同来区分来自不同卫星的信号［1］。GLONASS曾一度面临的最大障碍是缺少继续发射卫星的资金，例如截至2005年7月，GLONASS星座中仅有10颗可供使用的卫星，这导致它不能独立组网，只能与GPS联合使用，而目前市场上有不少GPS和GLONASS兼容的接收机，然而俄罗斯正决意重振该系统的雄风［27］。目前，GLONASS正处于重建和现代化阶段，其中一个值得关注的决定是俄罗斯政府要使将来的GLONASS卫星增加发射CDMA型导航信号，从而加强GLONASS与GPS等其他卫星导航系统的兼容性［14］。
与由军方控制的GPS和GLONASS相对应，欧盟正在推出目前规模最大的民用卫星导航定位系统，即伽利略（Galileo）系统。该系统计划由30颗卫星组成，具有比GPS更广的信号覆盖率、更高的定位精度和可靠性。另外，它采用CDMA通信技术，可兼容美国的GPS和俄罗斯的GLONASS。2004年10月9日，中欧《伽利略计划技术合作协议》在北京正式签署，中国将投入2亿欧元巨资参与伽利略计划，并由此成为伽利略联合执行体中与欧盟成员国享有同等权利和义务的一员［6］。2005年12月28日，名为GIOVE-A的第一颗伽利略试验卫星在哈萨克斯坦成功发射，并于次年1月12日起开始播发伽利略卫星信号，这标志着伽利略系统正式进入部署阶段。在逐步部署完所有30颗卫星和相关的地面设备后，该定位系统曾预计于2008年投入运营，但是出于各种因素而遭到推迟。
作为“四大发明”之一的指南针的诞生地，中国曾经在导航技术上领先西方各国。尽管中国在卫星导航技术方面起步较晚，但是发展势头迅猛。北斗卫星导航系统（Compass或Beidou）是我国自己拥有的区域性（即中国及其周边地区）卫星导航定位系统，不会受制于人，安全性、保密性较强，会对我国国防和国民经济建设起到相当大的积极作用。该系统具有定位、定时和双向简短报文通信三大功能，并计划提供开放服务和授权服务两种方式。北斗导航系统已于2002年试验运行，又于2004年全面对民用客户开放，现有4颗北斗导航试验地球同步卫星。在成功开发了“北斗一号”的基础上，我国正在开发类似于GPS和伽利略系统的全新“北斗二号”卫星导航系统，它将是一个由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成其空间部分的全球卫星导航系统，预计在2015年建成。中国是继美国和俄罗斯之后世界上第三个拥有一个完善、整体的卫星导航系统的国家。
我们在此简单地比较一下GPS和“北斗一号”的运行特点。GPS是一个接收型、被动型或者说是单向型的定位系统。一方面，不管地面上是否有GPS接收机，不管接收机是否需要定位，GPS卫星总是持续不断地向地面发射信号；另一方面，当接收机需要定位时，它不必向GPS卫星或地面监控部分发射任何请求信号，而是只要接收到足够数目的卫星信号就可以自己求解出定位值。相反，北斗导航系统是主动式、双向型定位系统，不仅用户设备与卫星之间需要接收地面中心控制系统的询问信号，而且用户设备还需要向卫星发射应答信号。中心控制系统首先在这些询问/应答信号的传递中测得用户接收机与卫星之间的距离信息，然后再解算出用户所在地的三维坐标。可见，因为北斗接收机需要有接收和发射无线电信号的双重功能，而GPS接收机只接收而不需发射信号，所以与GPS接收机相比，北斗接收机不但在体积、重量、价格和功耗方面均处于不利地位，而且还失去了无线电隐蔽性。因为北斗导航系统的服务采用询问/应答形式，并且地面中心控制系统还解算用户位置值，所以与GPS系统不同，整个北斗导航系统存在允许的用户设备容量有限、定位结果需要一定的延时才能被用户最终获得以及系统对中心控制系统过分依赖而变得脆弱的缺点。当然，“北斗一号”卫星导航系统也有着其与众不同的优点。因为北斗具有定位和通信双重功能，所以它有能力不需借助外界其他通信系统而将用户的定位结果转送给他人，而这也是“北斗一号”在2008年汶川大地震后的救灾中发挥重要作用的原因所在。
此外，日本正准备开发的准天顶卫星系统（QZSS）将为日本及其邻近国家提供与GPS兼容的额外测距信号，印度也在计划建立一个属于自己的、称为IRNSS的区域性卫星导航定位系统。
GPS、GLONASS和伽利略等系统均可统称为全球导航卫星系统（GNSS）。我们所生活的这个世界究竟需要多少个不同的GNSS，这显然不是一个单纯的技术问题，而更多地是政治、军事和经济问题。例如对于伽利略系统的建立，美国政府总体来说是不乐于见到的，因为它“威胁”到美国的国家安全和经济利益［20］。首先，美国担心在未来的战争中，敌国可能会利用伽利略系统的精确定位功能来攻击美国；其次，美国不希望其在卫星定位系统方面的技术垄断地位被打破，不愿别国来分享在卫星定位系统中蕴藏着的巨大经济利益。于是，美国一方面强调伽利略计划是没有必要的，并且在频率共享等多方面对伽利略计划设置阻碍；另一方面，为了提高GPS性能并使GPS能更好地为世界各国所接受，美国已中止了SA政策，并正在展开一系列的GPS现代化计划（见2.6节）。
在编写这一章的过程，作者深深地体会到世界各国创建或改建卫星导航系统的高涨热情和迅猛进程。尽管这一章多个小节的内容为了尽可能地反映GPS/GNSS的当前现状而被多次大幅度地改动过，但是这些内容必然会落后于它们当前日新月异的发展现状，因而读者在阅读过程中需要意识到这一差距。1.5 GPS的性能指标
包括GPS在内的所有定位系统，它们的性能基本上可从以下4个方面来衡量［10］。（1）准确性：准确性用来衡量定位结果与目标的真实位置相接近的程度。GPS精密定位服务在水平和垂直方向上的单点定位误差在95%的时间内分别为22m和27.7m，定时误差为200ns［12，34］。在GPS关掉SA之前，标准定位服务在水平和垂直方向上的单点定位误差分别为100m和156m，定时误差为340ns；在GPS关掉SA之后，标准定位服务在水平和垂直方向上的单点定位误差分别减小至13m和22m，也就是说，它的精度应该很接近于精密定位服务的精度［33，35］。当然，与标准定位服务相比，精密定位服务除了具有高精度以外，还存在其他方面的性能优势。需要指出的是，GPS的实际运行精度通常显得比以上这些公开的数据要好［31］。
确切地讲，准确度与精度是两回事。如前所述，准确度是定位结果与真实位置值之间的差异，而精度可以理解成重复性。例如对于静态定位而言，若接收机的多次定位结果基本上集中于一点，则我们说定位精度很高，尽管这些定位值可能偏离真实值一个相当的距离。这就是说，高精度并不一定意味着高准确度，反之亦然。在本书中，我们有时会将准确度说成精度，或者倒过来将精度说成准确度。（2）正直性：正直性又称为可靠性或者完整性，它指的是定位系统在出现故障时能及时警告用户，以免用户被非正常工作的定位系统所误导。人们对GPS在正常情况下的高准确性已有共识，但是由于微弱的GPS卫星信号很容易在其传播过程中受到异常的误差和干扰，因而确保高正直性现已成为各种GPS应用必须面对的挑战。（3）连续性：连续性是指系统在一段时间内能连续地同时满足所规定的准确性和正直性要求的概率。在飞机从开始降落到安全着陆这一段时间内，定位系统必须不间断地向其提供定位服务，以保证飞机完整地完成这一项关键性的操作过程，而定位系统高连续性的重要性就在此得到体现。（4）有效性：有效性是指定位系统能同时满足准确性、正直性和连续性要求的时间百分比。显然，连续性和有效性与GPS的空间星座及其卫星信号的覆盖率有关。
在评价GPS接收机的性能之前，我们先简单地描述一下其定位操作过程。GPS接收机一般每隔一定时间输出一个定位结果，我们将这一时间间隔称为接收机的定位周期，其倒数称为定位频率。不同的定位周期可满足不同用户和应用的要求，其中对于飞行控制等高动态性应用可能需要高达10Hz的定位频率，对于手持式导航等器件所采用的定位周期可能长达几分钟，而较常见的情况是每秒钟定位一次。每一个周期性的定位时刻又可称为定位历元，它通常用一系列整数值来表示，例如历元1、历元2等，非常简洁、方便。
除了以上4个方面外，GPS接收机的性能还可以从以下几方面来衡量。（1）首次定位所需时间（TTFF）：首次定位所需时间是指接收机启动后到获得第一个定位结果所需要经历的时间。在不同的启动情况下，接收机的平均首次定位所需时间是不同的，短则几秒，长则60s。GPS用户要求接收机在各种启动情况下有较短的首次定位所需时间。（2）灵敏度：灵敏度是用来衡量接收机能接收到多弱的GPS信号，它直接决定着接收机在室内、高架下、树林中等弱信号的环境下能否完成定位。如果一个接收机最低只能跟踪-150dBm的GPS卫星信号，而另一个能跟踪-160dBm的信号，那么后者的跟踪灵敏度高出前者10dB。
我们在这里简单回顾一下分贝（dB）这个概念。如果一个信号的功率P1为10-15毫瓦（mW），那么为了更方便地表达这个功率值，功率P1可以通过以下公式与1毫瓦的功率相比较而转换成以dBm为单位，即
当然，功率P1也可以类似地与1瓦特（W）的功率相比较而转换成以dBW为单位。这样，同一个功率值P1可有以下多种不同的表达方式：
P1=10-15 mW = 10-18 W =-150 dBm = -180 dBW （1.3）
假如另一个信号的功率P2为10-16mW，即
P2=10-16mW = 10-19 W = -160 dBm = -190 dBW （1.4）
那么，P1和P2间的比率为
而以上这个功率之间的比率也可以用以下的减法运算来代替：
于是，我们称功率P1比P2强10dB。需要注意的是，“dBm”和“dBW”均是功率单位，而“dB”是个比率值，它并不是单位。如果在以上公式中参加运算的物理量不是信号功率，而是信号幅值（例如电压、电流等），那么两个幅值量之比需要平方之后才变为它们相应的功率比。例如，V1与V2为两信号的电压幅值，它们之间的分贝差异为
在通信等学科中，一个经常被关注的分贝值是-3dB，这是因为50%的功率损耗正好对应于3dB的损耗。（3）城市峡谷中的性能：各大城市中心通常高楼林立，而这种夹于密集高楼区之间深邃的城市街道经常被形象地称为“城市峡谷”。在城市峡谷中，GPS卫星信号极可能被高楼阻挡，使可见卫星数目减少，导致接收机在某些定位历元期间不能实现定位。我们通常将接收机在一定时段内能实现定位的个数与该时段内总的定位历元数之比称为定位有效率。同时，由于城市峡谷中竖立着大量的建筑物，因而GPS信号遭各种建筑物表面反射的概率很大，多路径现象（见4.3.5节）的发生会相当频繁和严重，从而导致接收机定位误差偏大。这样，同一款GPS接收机在城市峡谷中的性能，例如三维（或二维）定位有效率和定位精度等，就会明显地比其在视野开阔地带的性能差；然而，因为城市人口通常庞大、密集，它正是频繁、广泛应用GPS的场所，所以接收机在城市峡谷中依然能保持其良好性能就显得愈加重要。（4）价格：随着半导体技术的发展，GPS接收机的价格呈逐年下降的趋势，但性价比却逐年上升。1986年一台精度一般的GPS定位仪要价在5万美元以上，而现在尺寸如手机般大小且性能卓越的GPS定位仪却只需几百、上千美元左右。至于安装在接收机中的GPS芯片，其单价更在10美元上下；然而，对于一个50美元左右的手机而言，10美元的GPS芯片仍是一个很高的部件成本。
接收机的性能还可表现在GPS芯片的体积大小和能耗高低等其他多个方面。在市场竞争相当激烈的今天，接收机之间细微的性能差别或者其是否与多种通信功能集成在一起就有可能决定整个产品的成败。1.6 GPS的应用
GPS是继国际互联网（Internet）之后，美国国防部免费奉献给世界各国人民享用的第二大产品。自其问世以来，GPS已充分显示了其在导航、定位领域中的霸主地位，而许多领域也由于GPS的出现而发生了革命性变化。目前，几乎全世界所有需要导航、定位的用户都被GPS的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和质优价廉的特点所吸引。经我国各行各业十多年的使用表明，广大群众也对GPS给予了一致的赞誉和信赖。
GPS优越的军事用途是不言而喻的。在GPS的帮助下，不但各种导弹的目标命中率得到大幅度提高，而且作战人员可以被精确投放和快速收回。
在民用领域，GPS的应用按其作用可大致分为以下三个方面［19］。（1）GPS可为位于海、陆、空各个层面的物体进行定位、导航，包括船舶远洋导航和进港引水、汽车自主导航以及飞机航路引导和进场降落等。目前，GPS导航在陆地上的应用市场显得最大。例如，各种地面车辆跟踪和城市智能交通管理系统中最核心的技术可以说是GPS定位；小孩和宠物挂上一个内置有GPS芯片的电子器件后，家长可随时知道他们的位置；美国联邦通信委员会（FCC）已规定移动通信服务供应商今后必须提供E911服务，让配置有GPS芯片的手机用户在打紧急求救电话时，手机能自动将用户的位置播发出去，以便得到快速救护［13］；GPS与电子地图相结合，更使个人通信终端设备百花齐放。（2）GPS可为电力、邮电和通信等网络系统授时与校频，包括产生同步时间、准确授时和精确校频等。例如，GPS产生的同步时间可用来确定输电线路上的故障地点和帮助进行继电保护的暂态试验等［2，4，11］；在码分多址（CDMA）通信系统中，不同CDMA基站间的时间要求严格同步，而GPS是一个经济、有效的解决方案，GPS时钟已成为CDMA基站中的关键组件。（3）GPS可应用于大地测量、地壳运动监测、工程测量、工程变形监测和资源勘查等各种高精度测量任务中。例如，在桥梁上安装一个GPS接收机，就可以用来测量桥梁在汽车通过时的变形情况［37］；在火山口放置一个GPS接收机，可以用来监视火山的活动情况［18］；GPS的一机多天线形式可用来检测水坝坡度的畸变情况［16］；利用GPS，能实现可日夜耕作的高自动化精细农业［21］。“GPS的应用，仅受人们的想象力制约”。有数据显示，全球导航产业2004年总产值已超过200亿美元，而2005年GPS相关产品的保守估计价值就有440亿美元。不管在发达国家或者在发展中国家，GPS产业目前都呈现出高速增长的趋势。参考文献
［1］路文娟，王．GPS、GLONASS系统的概况与比较.技术与市场，2006年08A期赟
［2］苏进喜，解子凤，王士敏，吴欣荣，罗承沐.利用GPS定时的双端同步采样的输电线路故障定位方法.第四届高电压新技术年会，1998.10
［3］孙立华，田宝社．伊战拉开了真正多维信息化空间作战的序幕．人民网，2004.4.24
［4］肖仕武，刘万顺，焦邵华，李轶群，秦立军．异地双端继电保护暂态试验新方法.华北电力大学学报，1999年4月，第26卷第2期
［5］新华网．全球定位系统——战争中的“双刃剑”．2003.4.2
［6］新华网．中欧伽利略计划合作项目进入实质性操作阶段．2004.10
［7］周忠谟，易杰军，周琪．GPS卫星测量原理与应用．北京：测绘出版社，1997
［8］Black H.,“Satellites for Earth Surveying and Ocean Navigating,”Johns Hopkins APL Technical Digest, Vol. 2, No. 1，1981.
［9］Dana P.,“Global Positioning System Overview,”Department of Geography, University of Colorado, Boulder, CO, 1999.
［10］Enge P.,“Local Area Augmentation of GPS for the Precision Approach of Aircraft,”Proceedings of the IEEE, Vol. 87, No. 1, January 1999.
［11］Erickson D., Taylor C.,“Pacify the Power: GPS Harness for Large-Area Electrical Grid,”GPS World, April 2005.
［12］Federal Aviation Administration,“Global Positioning System （GPS）,”Satellite Navigation Product Teams.
［13］Federal Communications Commission,“Enhanced 911–Wireless Services,”June 17，2005.
［14］Gibbons G.,“GLONASS–A New Look for the 21st Century,”InsideGNSS, May/June 2008.
［15］GlobalSecurity.org,“Navstar Global Positioning System,”June 2，2005.
［16］He X., Sang W., Chen Y., Ding X.,“Steep-Slope Monitoring: GPS Multiple-Antenna System at Xiaowan Dam,”GPS World, November 2005.
［17］International GPS Service, IGS Annual Report 1999, IGS Central Bureau, 2000.
［18］Janssen V.,“GPS on the Web: GPS Volcano Deformation Monitoring,”School of Surveying and Spatial Information Systems, University of New South Wales, Sydney, Australia.
［19］Kaplan E., Understanding GPS: Principles and Applications, Second Edition, Artech House, Inc., 2006.
［20］Last D.,“GPS and Galileo: Where Are We Headed?”University of Wales, UK, May 24，2004.
［21］Lowenberg-DeBoer J.,“Precision Farming or Convenience Agriculture,”Proceedings of the 11th Australian Agronomy Conference, Australian Smociety of Agronomy, Geelong, Victoria, Australia, February 2-6，2003.
［22］Misra P., Enge P., Global Positioning System-Signals, Measurements, and Performance, Ganga-Jamuna Press, 2001.
［23］MITRE Corporation,“MITRE Supports the Advancement of GPS Technology for Users Worldwide,”June 2000.
［24］National Imagery and Mapping Agency, The American Practical Navigator: An Epitome of Navigation, Pub. No. 9, Bicentennial Edition, Bethesda, Maryland, 2002.
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]