第1章导引9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年批准广提供国际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、建立一个国家自已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看比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，而自前市场上有不少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--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
GPS原理与接收机设计10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人部署阶段。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年投人运营，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）是我国自已拥有的区域性（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，它不必向问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自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面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项卫星系统（OZSS）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垒断地位被打破，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）
第1章导引11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。1.5GPS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200nsl12.34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[335)。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3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
GPS原理与接收机设计12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R为10-15毫瓦（mW），那么为了更方便地表达这个功率值，功率β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(10-15)R(1.2)10xlg=10xlg=-150dBm11mW当然，功率P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β可有以下多种不同的表达方式：R=10-15mW=10-18W=-150dBm=-180dBW(1.3)假如另一个信号的功率P为10~16mW，即P2=10-16mW=10-19W=-160dBm=-190dBW(1.4)那么，R和P间的比率为10-15)(R)=10xlg10xlg=10dB(1.5)(10-16(P）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：R10xlg=(-150 dBm)-(-160 dBm)=10dB(1.6)B于是，我们称功率比P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，而面是信号幅值（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，V与V2为两信号的电压幅值，它们之间的分贝差异为10×lgdE(1.7)20×lg在通信等学科中，→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遮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
第1章导引13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。1.6GPS的应用GPS是继国际互联网（Intemet）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9。（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(i3；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2.4.1；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[8，GPS的一机多天线形式可用来检测水坝坡度的畸变情况116]：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，王赞.GPS、GLONASS系统的概况与比较.技术与市场，2006年08A期[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翰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