13.2.3并行码相位搜索37237413.2.4其他信号捕获算法-37513.2.5卫星搜索次序-37613.3高灵敏度GPS13.3.1加长积分时间377-38013.3.2大块相关器设计38113.3.3辅助GPS（AGPS）13.4互相关干扰及其抑制384·38413.4.1互相关干扰-38513.4.2互相关干扰抑制13.5接收机设计的发展趋势·387参考文献-389附录A缩写词中英对照·394附录B单位制及其换算-400附录C随机变量和随机过程-401附录D-407拉普拉斯变换附录EZ变换-410附录F傅里叶变换和采样定理413附录G离散傅里叶变换417附录HGPS数据格式420.11
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。i.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。1.1GPS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月，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GWieffenbach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人与成熟，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
GPS原理与接收机设计2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进人了其开发、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，美国宜告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1.2GPS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。空间星座部分T用户设备部分地而监控部分图1.1GPS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
第1章导引31.2.1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20200km，运行轨道是一个很接近于正圆的圆，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。150LA120°S90°60.升交点角30°5O.赤道30%60*工作卫星90°A120*备用卫星茶150*41/2/44143*203*2633232383升交点赤经图1.2GPS卫星星座图1.3GPS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AI.A2A3.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-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，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屋的存在，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（BlockI）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（BlockⅡ和BlockⅡA）卫星共计28颗。第二