GPS原理与接收机设计4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（BlockIIR和BlockIIR-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，它宽药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BlockIIA、IIR和IIR-M卫星混合构成的。(a)第二代（BlockⅡ/EA）卫星(b)第三代（BlockIR）卫星图1.4第二代和第三代卫星的实物照(4）第四代（BlockIF）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GPSIⅡI卫星组成。GPSII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，GPSⅡI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BlockIR-M、BlockIF和GPSIⅡI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20200km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（Rb）原子钟和两台艳（Cs）原子钟，而每颗第三代卫星则配置有三台原子钟。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BlockⅡI卫星的SVN被分配为13~21，IIA卫星的SVN被分配为22~40，而IIR/IR-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I日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
第 1 章 导引5表1.1GPS星座中各颗运行卫星的状况（截至2005年11月18日）SVNPRN编号代号轨道编号频率标准发射时间321F6IIACs1992.11.22261D7IRRb2004.11.06IA 333C2Cs1996.03.28344D4IIARb1993.10.26355B4IIARb1993.08.30clRb366IIA1994.03.10377C4ILARb1993.05.13388IIACs A31997.11.06399AlIEACs1993.06.264010E3ILACs1996.07.164611D2IIRRb1999.10.074313F3IIRRb1997.07.234114F1IRRb2000.11.101515D5ICs1990.10.015616TRRbB12003.01.295418E4URRb2001.01.3059C319RRb2004.03.205120E1IIRRb2000.05.114521D3IIRRb2003.03.314722E2RRb2003.12.216023F4IIRRb2004.06.232424DIIIACs1991.07.042525A2IACs1992.02.232626F2RbILA1992.07.0727cs27A4ILA1992.09.094428B3IIRRb2000.07.1629F529IIARb1992.12.183030B2IIARb1996.09.123131C5IIACs1993.03.30GPS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人站或主控站。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（Hawai）、科罗拉多（ColoradoSprings）、佛罗里达（FloridaCapeCanaveral）、南大西洋的阿松森群岛（AscencionIsland）、印度洋的迭哥加西亚（DiegoGarcia）和南太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）7.2]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
6GPS原理与接收机设计精度原子钟、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，并将其传送给注人站；（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。注人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，并确保传输信息的谁确性，图1.5右下角表明了监测站、主控站和注人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。罗拉多卡瓦加兰O佛罗里达?夏威爽一进西?送哥加西亚阿松森群岛O监测站口主控站04国注人站监测站→主控站→注人站图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
第1章导引>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（xm），y)，z)），而接收机测得其本身到该卫星的距离为p)，那么我们根据高中数学知识就足以列出以下方程式：((m) x) +(g(m)-y)~ +(2(m) 2)"=p(a)(1.1)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，那公接收机可分别列出3个与上式一样的方程式，然后从这个方程式中解算出三个未知数x，义和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。卫星2路号卫星：am(y,z0)3卫星3(a0), y0), 23)p0)(x,y,2)图1.6GPS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
8GPS原理与接收机设计1.3GPS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。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。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CIA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：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人一个高频抖动干扰，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CIA码和经由PY)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123.30]