衛(wèi)星定位理論與方法-第10次課

衛(wèi)星定位理論與方法測(cè)量與導(dǎo)航工程系導(dǎo)航與定位教研室陳明劍第10次課GPS概述衛(wèi)星定位發(fā)展的概況1957年10月4日，世界第一顆人造地球衛(wèi)星SPUTNIK－1發(fā)射成功，標(biāo)志空間科學(xué)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。20世紀(jì)60年代衛(wèi)星定位技術(shù)問(wèn)世。衛(wèi)星定位發(fā)展分為三個(gè)階段：衛(wèi)星三角測(cè)量、衛(wèi)星多普勒定位、GPS衛(wèi)星定位1.衛(wèi)星三角測(cè)量原理satellitetriangularsurveying人造地球衛(wèi)星只是做為一種空間動(dòng)態(tài)觀測(cè)目標(biāo)，由地面站拍攝衛(wèi)星的瞬時(shí)位置而測(cè)定地面點(diǎn)的坐標(biāo)，稱為衛(wèi)星三角測(cè)量。s1s2sascsascCBAS*S*S*S*A、C兩站用衛(wèi)星攝影儀同步拍攝衛(wèi)星S1影像Sa、Sc天文年歷查出S*推算出方向AS1和CS1，得同步平面ACS1觀測(cè)S2，得同步平面ACS2相交得AC同理得BC相交得C資料處理復(fù)雜，精度不高，不能獲得三維坐標(biāo)小知識(shí)：1966－1972美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局(NGS)在美國(guó)和聯(lián)邦德國(guó)測(cè)繪部門得協(xié)助下，應(yīng)用衛(wèi)星三角測(cè)量方法，測(cè)量具有45個(gè)測(cè)站得全球三角網(wǎng)，獲得5m得點(diǎn)位精度2.衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量（satellitedopplersurveying）1958年底，美國(guó)海軍和詹斯。霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合建立為美國(guó)軍用艦艇導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（NavyNavigationSatelliteSystem-NNSS）。1959年發(fā)射第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星。傳統(tǒng)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)從此被這種新的導(dǎo)航方式取代。目的：給“北極星”核潛艇提供全球性導(dǎo)航系統(tǒng)1964年該系統(tǒng)建成，隨即在美國(guó)軍方啟用；1967年美國(guó)政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，并提供民用。1000公里周期107min衛(wèi)星軌道近似位圓形，并且經(jīng)過(guò)地球南北極上空，故稱為子午衛(wèi)星利用子午衛(wèi)星射電信號(hào)測(cè)定地面點(diǎn)位置的技術(shù)稱為衛(wèi)星多普勒定位利用奧地利物理學(xué)家多普勒1842年發(fā)現(xiàn)的多普勒效應(yīng)：

當(dāng)波源與觀測(cè)者作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源發(fā)射頻率與觀測(cè)者接收頻率之間具有以下關(guān)系：2.衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量（satellitedopplersurveying）意義：(1)衛(wèi)星不再做為單純的空間動(dòng)態(tài)觀測(cè)目標(biāo)，而是通過(guò)軌道參數(shù)介入定位計(jì)算得動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)（2）觀測(cè)不再采用傳統(tǒng)的幾何模式，而是通過(guò)地面站接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)測(cè)定站站星距離來(lái)定位s1Psisu波源運(yùn)動(dòng)的向徑速度：記稱為多普勒頻移積分可得衛(wèi)星與測(cè)站間的距離測(cè)站位置可得：缺點(diǎn)：衛(wèi)星數(shù)少，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位對(duì)于同一地點(diǎn)兩次子午衛(wèi)星通過(guò)的間隔時(shí)間為0.8~1.6小時(shí)，對(duì)于同一子午衛(wèi)星，每天通過(guò)次數(shù)最多為13次，間隔時(shí)間更長(zhǎng)。一臺(tái)衛(wèi)星多普勒接收機(jī)一般需成功觀測(cè)15次衛(wèi)星通過(guò)，才能達(dá)到10m的單點(diǎn)定位精度衛(wèi)星軌道高度低，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精密定軌平均高度為1070km信號(hào)頻率低，難以補(bǔ)償電離層效應(yīng)得影響射電信號(hào)頻率為400MHZ和150MHZ，只能消弱電離層效應(yīng)的低階項(xiàng)影響2.衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量（satellitedopplersurveying）小知識(shí)：在美國(guó)子午衛(wèi)星定位系統(tǒng)建立的同時(shí)，前蘇聯(lián)也于1965年開(kāi)始建立了一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，叫做“CICADA”該系統(tǒng)有12顆所謂的宇宙衛(wèi)星。1973年美國(guó)國(guó)防部便開(kāi)始組織陸海空三軍，共同研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃。這就是目前所稱的“授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem-NAVSTAR/GPS），而通常簡(jiǎn)稱為“全球定位系統(tǒng)”（GPS）。3.GPS衛(wèi)星定位測(cè)量（GPSsurveying）GPS系統(tǒng)研制計(jì)劃分3個(gè)階段：原理與可行性試驗(yàn)階段，1973年12月到1978年2月22日第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功，歷時(shí)5年。系統(tǒng)研制與試驗(yàn)階段，1978年2月2日到1989年2月14日第一顆工作衛(wèi)星發(fā)射成功，歷時(shí)11年。工程發(fā)展與完成階段，1989年2月14日到1995年4月27日美國(guó)國(guó)防部宣布“GPS系統(tǒng)具備工作能力”，歷時(shí)7年。自1994年以來(lái)，GPS計(jì)劃已經(jīng)歷了方案論證（1974—1978年）、系統(tǒng)論證（1979—1987年）、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)（1988—1993年）三個(gè)階段?？偼顿Y超過(guò)200億美元。整個(gè)系統(tǒng)分為衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控和監(jiān)測(cè)站、用戶設(shè)備三大部分。論證階段發(fā)射了11顆叫做BLOCKI的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)階段發(fā)射了叫做BLOCKIIR型第三代GPS衛(wèi)星，GPS系統(tǒng)由此為基礎(chǔ)改建而成。美國(guó)已于2005年9月25日成功將首顆新型的GPS2R-M1導(dǎo)航衛(wèi)星送入地球軌道。第二顆GPS2R-M1衛(wèi)星預(yù)計(jì)將在2006年初發(fā)射。3.GPS衛(wèi)星定位測(cè)量（GPSsurveying）你的位置是:37o23.323’N122o02.162’W二、GPS系統(tǒng)的組成（theGPScomponents）1.空間星座部分

2.地面監(jiān)控部分3.用戶部分13,000km20,200kmZoneofspacejunk35,420kmGeosynchronousorbit(communicationssatellites)GPSsatelliteorbit24Satellites6orbitalplanes20,000kmhigh12hourorbitsAtleast4Satellitesinview24hoursperdayAnyweather24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度.各個(gè)軌道平面之間相距60度，既軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。LaunchedonDeltaRockets1.空間星座部分重量：774kg（包括310kg燃料）直徑：約為1.5m

4臺(tái)高精度原子鐘（兩臺(tái)銣鐘和兩臺(tái)銫鐘），這是衛(wèi)星的核心設(shè)備。

3種頻率工作：L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）用于定位，L3（1381.05MHz）發(fā)射能探測(cè)到大氣中核爆炸的星載傳感器信息。1.空間星座部分其設(shè)計(jì)壽命是七年半。當(dāng)衛(wèi)星入軌后，星內(nèi)機(jī)件靠太陽(yáng)能電池和鎘鎳蓄電池供電。每個(gè)衛(wèi)星有一個(gè)推力系統(tǒng)，以便使衛(wèi)星軌道保持在適當(dāng)位置。在兩萬(wàn)公里高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵?lái)說(shuō)自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行兩周，繞地球一周的時(shí)間為12恒星時(shí)（11小時(shí)58分）。每天將提前4分鐘見(jiàn)到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見(jiàn)到4顆GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測(cè)過(guò)程中的幾何位置分布對(duì)定位精度有一定影響。對(duì)于某地某時(shí)，甚至不能測(cè)得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)，這種時(shí)間段叫做“間隙段”。但這種時(shí)間“間隙段”是很短暫的，并不影響全球決大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航定位測(cè)量。迄今，GPS衛(wèi)星已設(shè)計(jì)了三代，分別為BlockI、BlockII、BlockIII和GPSIIR-M1GPSIIF

GPS衛(wèi)星區(qū)分?jǐn)?shù)量（顆）發(fā)射時(shí)間用途第一代第二代第三代BlockIBlockII，IIABlockIII，IIIR1128201978－19851988－199490年代末系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)正式工作改善GPS2005年9月25日升空GPSIIR-M1是美國(guó)洛克希德·馬丁公司研制的新一代導(dǎo)航衛(wèi)星。它不但可接收和識(shí)別目前在軌GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，還可向美國(guó)軍方發(fā)送另外兩種新的信號(hào)。此外，其發(fā)射的民用信號(hào)也增加了一種。

CurrentGPSSegmentsSpaceSegmentBlockII/IIAOperationalRockwell(nowBoeing)26onorbitMMD6.0/8.6/10.6yrs

BlockIIROperational/InproductionLockheedMartinAll21procured2onorbit1

DestroyedonlaunchMMD7.8yrsBlockIIFInproductionBoeing(Rockwell)6alreadyprocuredOptionsfor24more

withoutmodernizationMMD12.7yrsUserEquipmentSegmentSignalsin

Space

Military

P(Y)Civil(C/A)P(Y)L2L1DIEGOGARCIACOLORADO

SPRINGSCAPECANAVERALASCENSIONHAWAIIKWAJALEINGroundControlSegmentMaster

Control

Station

(1)MonitorStation(5)GroundAntenna(4)ModernizedGPSSpaceSegmentGPSModernizationplanmeetsWhiteHouseannouncementsofaddingnewcivilserviceswhileimplementingspectrallyseparatedmilitaryservicesP(Y)C/AP(Y)C/AM-codeM-codeL51176.45MHzP(Y)C/AP(Y)C/AM-codeM-codeSignalsinSpaceSignalsinSpaceBlockIIRs(upto12SV’s)AddsC/AtoL2Addsnewmilitary

M-CodeIncreasessignal

powerforexisting

signalsAddscivilL5toallBlockIIFsPursueoptimumApproachforhigherpowerM-codespotbeamL21227.6MHzL11575.45MHzL2L1BlockIIR-ModifiedSatellitesBlockIIFSatellites1.空間星座部分GPS衛(wèi)星星座的優(yōu)點(diǎn)保障了在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)間均至少可以同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。空間部分的3顆備用衛(wèi)星，可在必要時(shí)根據(jù)指令代替發(fā)生故障的衛(wèi)星，這對(duì)于保障GPS空間部分正常而高效的工作是及其重要的。

由于處于高軌位置，對(duì)地球覆蓋面廣。GPS衛(wèi)星基本功能接收和儲(chǔ)存由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令；衛(wèi)星上設(shè)有微處理機(jī)，進(jìn)行部分必要的數(shù)據(jù)處理工作；向用戶播送導(dǎo)航電文，提供導(dǎo)航和定位信息；通過(guò)星載的高精度銫鐘和銣鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；在地面監(jiān)控站的指令下，通過(guò)推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。4.1空間星座部分2.地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控部分，目前主要由分布在全球5個(gè)地面站所組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)控站、主控站和信息注入站。監(jiān)測(cè)站，站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)和高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)各一臺(tái)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。

為主控站提供衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)。每個(gè)監(jiān)測(cè)站均用GPS信號(hào)接受機(jī)對(duì)每顆可見(jiàn)衛(wèi)星每6分鐘進(jìn)行一次偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè)，采集氣象要素等數(shù)據(jù)。在主控站的遙控下自動(dòng)采集定軌數(shù)據(jù)并進(jìn)行各項(xiàng)改正，每15分鐘平滑一次觀測(cè)數(shù)據(jù)，依此推算出每2分鐘間隔的觀測(cè)值，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控站。主控站

根據(jù)本站和其它監(jiān)控站的所有觀測(cè)資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和電離層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站。提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)控站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，或測(cè)出其間的鐘差，并把這些信息編入導(dǎo)航電文，送到注入站。調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。啟用備用衛(wèi)星以代替失效的工作衛(wèi)星。注入站主要設(shè)備包括一臺(tái)直徑為3.6m的天線、一臺(tái)C波段發(fā)射機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

其任務(wù)是將主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器。每天注入三次，每次注入14天的星歷.注入站能自動(dòng)向主控站發(fā)射信號(hào)，每分鐘報(bào)告一次自己的工作狀態(tài)。

3.用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備的主要任務(wù)是，接受GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，以獲得必要的定位信息及觀測(cè)量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理而完成定位工作。用戶設(shè)備包括GPS接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件，以及微處理機(jī)和終端設(shè)備，GPS接收機(jī)硬件一般包括主機(jī)、天線和電源。導(dǎo)航型接收機(jī)：

此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。這類接收機(jī)一般采用C/A碼偽距測(cè)量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為±25mm，有SA影響時(shí)為±100mm。這類接收機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)還可以進(jìn)一步分為：車載型——用于車輛導(dǎo)航定位；航海型——用于船舶導(dǎo)航定位；航空型——用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空上用的接收機(jī)要求能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)星載型——用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的速度高達(dá)7km/s以上，因此對(duì)接收機(jī)的要求更高。按接收機(jī)的用途分類

測(cè)地型接收機(jī)主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量。這類儀器主要采用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。

授時(shí)型接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺(tái)及無(wú)線電通訊中時(shí)間同步。按接收機(jī)的載波頻率分類單頻接收機(jī)

單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線（<15km）的精密定位。

雙頻接收機(jī)

雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1，L2載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位。按接收機(jī)通道數(shù)分類

GPS接收機(jī)能同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和量測(cè)，具有這樣功能的器件稱為天線信號(hào)通道。根據(jù)接收機(jī)所具有的通道種類可分為：多通道接收機(jī)序貫通道接收機(jī)多路多用通道接收機(jī)按接收機(jī)工作原理分類碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測(cè)值。平方型接收機(jī)

利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào),來(lái)恢復(fù)完整的載波信號(hào)通過(guò)相位計(jì)測(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，測(cè)定偽距觀測(cè)值。

混合型接收機(jī)綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測(cè)值。干涉型接收機(jī)將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測(cè)量方法，測(cè)定兩個(gè)測(cè)站間距離。載波 L1 L2 L5頻率 1575.42MHz 1227.60MHz 1176.45MHz波長(zhǎng) 19cm 24cm碼信號(hào) C/A-code - P(Y)-code P(Y)-code NAVDATA NAVDATAC/A-CoarseAcquisitionCodeP-PreciseCode(Y-Codewhenencrypted)NAVDATA-Satellitehealth,satelliteclockcorrections,andephemerisparameters.4.衛(wèi)星信號(hào)5.GPS與NNSS的主要特征比較系統(tǒng)特征NNSSGPS載波頻率（GHz）0.15，0.401.23，1.58衛(wèi)星平均高度（km）約1000約20200衛(wèi)星數(shù)目（顆）5～624（3顆備用）衛(wèi)星運(yùn)行周期（min）107718衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度10-1110-12三、GPS特點(diǎn)相對(duì)于其他導(dǎo)航系統(tǒng)提供全體候、全球性的導(dǎo)航、定位服務(wù)進(jìn)行高精度、高速度的實(shí)時(shí)精密導(dǎo)航和定位功能多，精度高。GPS可為各類用戶連續(xù)提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。應(yīng)用廣泛，操作簡(jiǎn)便。Thislevelofaccuracyistypicallygoodenoughforthepurposeofdeterminingyourlocationandtobringyouwithinvisualrangeofadestinationortarget.

相對(duì)于經(jīng)典測(cè)量定位技術(shù)的特點(diǎn)測(cè)站之間無(wú)需通視。既要保持良好的通視條件，又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好結(jié)構(gòu)，這一直是經(jīng)典測(cè)量技術(shù)在實(shí)踐方面的困難之一。GPS測(cè)量不要求測(cè)站之間的相互通視，因而不再需要建造占標(biāo)。這一優(yōu)點(diǎn)可大大減少測(cè)量工作的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間（一般造標(biāo)費(fèi)用占總經(jīng)費(fèi)30％～50％），同時(shí)也使點(diǎn)位的選擇變得更加靈活。觀測(cè)時(shí)間短。目前，利用經(jīng)典的定位方法，完成一條基線的相對(duì)定位所需要的觀測(cè)時(shí)間，根據(jù)要求的精度不同，一般約為1～3小時(shí)。為了進(jìn)一步縮短觀測(cè)時(shí)間，提供作業(yè)速度，近年來(lái)發(fā)展的短基線（例如不超過(guò)20km）快速相對(duì)定位法，其觀測(cè)時(shí)間僅需數(shù)分鐘。

提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確的測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。GPS測(cè)量的這一特點(diǎn)，不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn)的高程開(kāi)辟了新途徑，同時(shí)也為其在航空物探、航空攝影測(cè)量及精密導(dǎo)航中的應(yīng)用，提供了重要的高程數(shù)據(jù)。操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度高，在觀測(cè)中測(cè)量員的主要任務(wù)只是安裝并開(kāi)關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境氣象數(shù)據(jù)，而其它工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測(cè)和記錄等均由儀器自動(dòng)完成。全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)工作，可以在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)的進(jìn)行，一般也不受天氣狀況的影響。定位精度高?，F(xiàn)已完成的大量實(shí)驗(yàn)表明，目前在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100km～500km的基線上可達(dá)10-6～10-7。隨著觀測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對(duì)定位精度達(dá)到或優(yōu)于10-8。采用的測(cè)距碼P碼C/A碼單點(diǎn)定位（m）5－1020－40差分定位（m）13－5測(cè)速（m/s）0.10.3測(cè)時(shí)（ns）100500四、美國(guó)的GPS政策

對(duì)不同的GPS用戶，提供不同的服務(wù)方式實(shí)施選擇可用性（SelectiveAvailability——SA）政策精密測(cè)距碼（P碼）加密措施（Anti-Spoofing——AS）美國(guó)對(duì)GPS限制的原因：為保障美國(guó)的國(guó)防安全

2004年12月15日?qǐng)?bào)道

美國(guó)白宮15日稱新政策最優(yōu)先的問(wèn)題是保證GPS系統(tǒng)與其他天基系統(tǒng)至少在某個(gè)層次上協(xié)調(diào)，以確保此種技術(shù)無(wú)論在何地都便于使用和精確。

另一個(gè)優(yōu)先問(wèn)題是確保沒(méi)有軍事或其他威脅能夠利用全球定位技術(shù)擾亂戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)，或在美國(guó)國(guó)內(nèi)外對(duì)美國(guó)利益發(fā)動(dòng)攻擊。建立一個(gè)由國(guó)防部和交通部共同擔(dān)任主席的永久執(zhí)行委員會(huì)來(lái)調(diào)整GPS政策

對(duì)不同的GPS用戶，提供不同的服務(wù)方式

兩種服務(wù)方式精密定位服務(wù)（PrecisePositioningService-PPS），精度：5m～

10m標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（StandardPositioningService–SPS），精度：5m～

10m實(shí)施選擇可用性（SA）政策

ε技術(shù)：干擾衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)δ技術(shù)是對(duì)GPS的基準(zhǔn)信號(hào)，隨機(jī)的引入一個(gè)高頻抖動(dòng)信號(hào)在SA的影響下，利用SPS的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位精度，降為100m（水平方向）和150m（垂直方向）2000年，克林頓宣布SA政策取消。對(duì)GPS基準(zhǔn)信號(hào)(10.23MHz)引入δ技術(shù),使得基準(zhǔn)信號(hào)有一個(gè)人為地高頻抖動(dòng)?；鶞?zhǔn)信號(hào)是產(chǎn)生其它信號(hào)(載波，C/A碼，P碼以及導(dǎo)航電文)的基準(zhǔn)，因此，δ技術(shù)對(duì)所有信號(hào)都有影響。引入的ε技術(shù)使得導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星參數(shù)精度大大降低。ε技術(shù)使廣播星歷的精度從20m降到100m。同時(shí)，100m不是一個(gè)固定偏差，而是一個(gè)沒(méi)有變化規(guī)律的人為隨機(jī)量。

1996年3月，美稱將在2006年最終停止SA政策

2000年5月1日，SA政策解除，GPS單點(diǎn)定位精度為10米 在保障軍方安全下，逐步取消AS政策，直接捕獲P碼藍(lán)線是有SA靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，緯度最大漂移約270米，95%是92米； 經(jīng)度最大漂移約140米，95%是80米紅線是取消SA后靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，緯度最大漂移約33米，95%是11 米；經(jīng)度最大漂移約21米，95%是8米

精測(cè)距碼的加密（A－S）措施

P碼W碼Y碼將P碼與嚴(yán)格保密的W碼進(jìn)行模二和運(yùn)算形成Y碼。美國(guó)政府宣布：AS只是在國(guó)家緊級(jí)情況或?qū)嶒?yàn)期間實(shí)施。非特許用戶對(duì)美國(guó)GPS限制政策的措施建立獨(dú)立地GPS衛(wèi)星測(cè)軌系統(tǒng)建立獨(dú)立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)差分GPS技術(shù)以美國(guó)為首，從1986年開(kāi)始建立的國(guó)際合作GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)（CIGNET-CoorperativeInternationalGPSSatelliteTrackingNetwork），其跟蹤站的分布已擴(kuò)展至歐、亞、非、美、大洋州等五大洲，該跟蹤網(wǎng)的測(cè)軌精度可達(dá)分米級(jí)。建立獨(dú)立的定軌系統(tǒng)，為非特許用戶提供精密星歷，對(duì)于提高定位精度有重大意義。因?yàn)镚PS衛(wèi)星屬于高空衛(wèi)星，受大氣阻力和地球非球狀的引力的影響較少，建立區(qū)域定軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全有可能確定GPS衛(wèi)星的精密軌道。我國(guó)建立的GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，也有我們自己的測(cè)軌站。利用北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)GPS衛(wèi)星增強(qiáng)信號(hào)。建立獨(dú)立地GPS衛(wèi)星測(cè)軌系統(tǒng)GPS測(cè)軌站分布圖研究開(kāi)發(fā)差分GPS技術(shù)在相距不遠(yuǎn)的測(cè)站,對(duì)同一衛(wèi)星的觀測(cè)量具有很強(qiáng)的相關(guān)性，許多誤差對(duì)觀測(cè)量的影響量相同或相似。因此利用差分技術(shù)能消除或明顯削弱誤差，顯著提高定位精度。差分GPS的基本思想是：在坐標(biāo)為已知的基準(zhǔn)站安置GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見(jiàn)的衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè)，可得基準(zhǔn)站的GPS觀測(cè)量。與此同時(shí)，根據(jù)基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)和所測(cè)衛(wèi)星的已知瞬間位置，也可以計(jì)算出差分GPS改正信息，以該值作為修正值發(fā)播給移動(dòng)站的用戶。流動(dòng)站根據(jù)修正值來(lái)改正同步觀測(cè)的相應(yīng)觀測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算流動(dòng)站的瞬間位置。

WhatisDifferentialGPS?

一些國(guó)家和地區(qū)正在或已經(jīng)建立起自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。俄羅斯的GLONASS已經(jīng)投入使用；歐洲空間局也正在發(fā)展一種以民用為主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)NAVSAT；日本也準(zhǔn)備有類似的計(jì)劃;我國(guó)也在建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)—北斗導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)。建立獨(dú)立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)五、GPS發(fā)展趨勢(shì)

導(dǎo)航戰(zhàn)計(jì)劃:所謂“導(dǎo)航戰(zhàn)”是指在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，保證己方充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航，同時(shí)阻塞敵軍利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航，又使民用衛(wèi)星導(dǎo)航不受影響。研究開(kāi)發(fā)新一代獨(dú)立的捕獲P碼的軍用GPS接收機(jī)研究開(kāi)發(fā)具有識(shí)別能力的電子干擾機(jī)提高GPS衛(wèi)星的自主更新及抗毀能力美國(guó)國(guó)防部和交通部(DOT)達(dá)成協(xié)議實(shí)施GPS現(xiàn)代化，GPS執(zhí)委會(huì)、GPS顧問(wèn)會(huì)和導(dǎo)航學(xué)會(huì)(ION)先后召開(kāi)4次國(guó)際會(huì)議，討論GPS現(xiàn)代化的問(wèn)題，并開(kāi)展了一系列研究工作。GPS現(xiàn)代化研究?jī)?nèi)容：

GPS系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)；GPS系統(tǒng)性能應(yīng)具備的最 佳特征；星座圖形的優(yōu)化及星座的 強(qiáng)化；GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)；GPS第二、三個(gè)民用頻率 和第二種民用碼的選擇擴(kuò)大GPS系統(tǒng)的民用領(lǐng)域GPS系統(tǒng)功能的擴(kuò)大；GPS和GLONASS的綜合 利用；GPS信號(hào)強(qiáng)度的提高；GPS誤差模型的精化；GPS系統(tǒng)的優(yōu)化管理；GPS政策和美國(guó)國(guó)家安全 利益。現(xiàn)代化計(jì)劃現(xiàn)行GPS系統(tǒng)是25年前設(shè)計(jì)的，根據(jù)國(guó)家GPS政策的要求，1997年美國(guó)防部發(fā)出一個(gè)為“GPS現(xiàn)代化”征求軍民各界意見(jiàn)的通知，以配合空軍制訂一個(gè)未來(lái)全球?qū)Ш较到y(tǒng)和授時(shí)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)。GPS現(xiàn)代化的主要目標(biāo)是增強(qiáng)軍用GPS性能，但為使GPS在國(guó)際上占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，壓制類似全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（如GLONASS，GALILE）的發(fā)展，確保GPS成為全球惟一標(biāo)準(zhǔn)，GPS現(xiàn)代化在民用服務(wù)方面也作了很大改進(jìn)。增加新的第二和第三個(gè)民用頻率。增加星座衛(wèi)星數(shù)目。通過(guò)增加6～12顆衛(wèi)星，使工作衛(wèi)星數(shù)目增加到30～36顆.改進(jìn)現(xiàn)役GPS的ⅡR和ⅡF型衛(wèi)星及研究下一代GPS－Ⅲ衛(wèi)星體系結(jié)構(gòu)的三項(xiàng)研制計(jì)劃GPSModernizationImprovedUserEquipmentRedundantSafety

ofLifeSignalsIncreasedRadiatedPowerServiceforSpaceUsersAugmentations,ImprovedTimingModernizationSatelliteupgradesneededtoimproveaccuracy,reliabilityofGPSforcivilianusersInternationalaviationcommunitymovingtowardsGlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS)IGEB,WhiteHousehavespentovertwoyearsdevelopingplantoaddtwonewcivilianGPSsignalsDODalsoplanstoaddnewmilitarysignalsaroundL1andL2:“M-Code”GoalsofGPSModernizationProgramMilitaryProtection

ofserviceforUS/AlliedforcesAddnewsignalsandincreasedsignalpowertoimproveNavwarcapabilityModifyselectplatformstodetectandlocateGPSjammingDevelopandfieldimprovedanti-jamandsecuritytechnologies

Prevention

ofadversaryexploitationSpectrallyseparatenewmilitarysignalsfromcivilsignals

CivilPreservation

ofcivilusewhileprovidingenhancements

AddnewsignalstoimproveaccuracyandsignalredundancyTheTerminationofSelectiveAvailabilitywasthefirststepintheGPSModernizationProcessAdvantagesofaNewSignalImprovedcross-correlationpropertiesImprovedtrackingcapability--3dBhigherpowerthanCoarseAcquisition(C/A)onL2SignalCharacteristicsTwocodes-onewithdata(mediumcode);onewithout(longcode)CodeslongerthanC/AcodetominimizecrosscorrelationSeparatedbytime-TimeDivisionMultiplexed(TDM)OvercomesomelimitationsofcurrentC/AcodedsignalsGPSSpaceandControlNewCivilCodeonL2GPSSpaceandControl

BlockIIRModernizationPre-ModernizationHeritageSignalsL1C/AL1,L2P(Y)DesignLife10YearsPostModernizationModernizedSignalsHigherPowerL1C/A,L2SecondCivilL1,L2P(Y)L1,L2M-Code

DesignLife10YearsGPSSpaceandControl

BlockIIFModernizationPre-ModernizationHeritageSignalsL1,L2C/AL1,L2P(Y)DesignLife15Years33SatelliteProductionRunPostModernizationModernizedSignalsSimilarPowerL1C/A,L2

CivilSignalL1,L2P(Y)L1,L2M-CodeL5NewCivilSignalDesignLife12Years10YearMMD2RubidiumClocksand1Cesium12SatelliteProductionRunSecondCivilSignalMaintainSpaceUserServiceThirdCivilSignal1ON3menu2Rockwell4567WPT8POS9NAVCLRMARK0OFFNUMLOCKFIXFOM1N42*01”46.12”W091*38’54.36”EL+00862ftZEROIZETheGPSIIISystemReviewentireGPSArchitect