GNSS測(cè)量技術(shù)：GNSS組成與衛(wèi)星信號(hào)

3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化3.3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)3.4GPS衛(wèi)星星歷3.5GPS衛(wèi)星信號(hào)3.6GNSS接收機(jī)GNSS組成與衛(wèi)星信號(hào)美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國(guó)的BDS在系統(tǒng)組成及工作原理等方面均極為相似，鑒于美國(guó)GPS系統(tǒng)是建成最早也最成熟的系統(tǒng)，故本章以GPS系統(tǒng)為例介紹了GNSS的系統(tǒng)構(gòu)成、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星信號(hào)和GNSS接收機(jī)等內(nèi)容。3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成GPS全球定位系統(tǒng)由空間、地面段和用戶段三個(gè)部分組成，如圖3-1所示。GPS衛(wèi)星可連續(xù)向用戶播發(fā)用于進(jìn)行導(dǎo)航定位的測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文，并接收來(lái)自地面監(jiān)控系統(tǒng)的各種信息和命令以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成

地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括跟蹤GPS衛(wèi)星，對(duì)其進(jìn)行距離測(cè)量，確定衛(wèi)星的運(yùn)行軌道及衛(wèi)星鐘改正數(shù)，進(jìn)行預(yù)報(bào)后再按規(guī)定格式編制成導(dǎo)航電文，并通過(guò)注入站送往衛(wèi)星。地面監(jiān)控系統(tǒng)還能通過(guò)注入站向衛(wèi)星發(fā)布各種指令，調(diào)整衛(wèi)星的軌道及時(shí)鐘讀數(shù)，修復(fù)故障或啟用備用件等；

用戶則用GPS接收機(jī)來(lái)測(cè)定從接收機(jī)至GPS衛(wèi)星的距離，并根據(jù)衛(wèi)星星歷所給出的觀測(cè)瞬間衛(wèi)星在空間的位置等信息解算自己的三維位置、三維運(yùn)動(dòng)速度和鐘差等參數(shù)。

3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成

圖3-1GPS系統(tǒng)組成3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成3.1.1空間段GPS空間段是由空間運(yùn)行的24顆衛(wèi)星按照一定的規(guī)則組成的GPS衛(wèi)星星座，這樣衛(wèi)星的空間布局保證了用戶在全球上的任意位置和任意時(shí)刻至少能同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，最多可同時(shí)觀測(cè)到11顆衛(wèi)星，從而保證了GPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航定位的能力。圖3-2GPS衛(wèi)星星座3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)展至今，GPS系統(tǒng)已先后發(fā)展出BlockI（實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星）、BlockII、BlockIIA、BlockIIR、BlockIIR-M、BlockIIF、BlockIII及BlockIIIF型共八代衛(wèi)星，其中BlockI（實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星）、BlockII、BlockIIA、BlockIIR型目前已全部退役，目前在軌GPS衛(wèi)星主體呈長(zhǎng)方體，兩側(cè)有太陽(yáng)能帆板，能自動(dòng)對(duì)日定向。太陽(yáng)能電池為衛(wèi)星提供工作用電。每顆衛(wèi)星都配備有多臺(tái)原子鐘，可為衛(wèi)星提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星上帶有燃料和噴管，可在地面控制系統(tǒng)的控制下調(diào)整自己的運(yùn)行軌道。GPS衛(wèi)星的基本功能是：①接收并存儲(chǔ)來(lái)自地面控制系統(tǒng)的導(dǎo)航電文。②在原子鐘的控制下自動(dòng)生成測(cè)距碼和載波。③并將測(cè)距碼和導(dǎo)航電文調(diào)制在載波上播發(fā)給用戶。④按照地面控制系統(tǒng)的命令調(diào)整軌道和衛(wèi)星鐘，修復(fù)故障或啟用備用件以維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成3.1.2地面段主要由分布于全球各地的若干個(gè)跟蹤站組成，按照其功能和作用的不同可分為主控站、監(jiān)控站和注入站。其中主控站的數(shù)量為1個(gè)，監(jiān)控站的數(shù)量為5個(gè)，注入站的數(shù)量為3個(gè)（現(xiàn)代化之前）。圖3-3早期的GPS地面監(jiān)控站位置分布示意3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成1.主控站主控站位于美國(guó)的科羅拉多斯普林斯（ColoradoSprings）的空間聯(lián)合中心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的工作，主要有以下四項(xiàng)任務(wù)：

（1）對(duì)本站和監(jiān)測(cè)站收到的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，同時(shí)對(duì)各個(gè)衛(wèi)星的星歷、鐘差和大氣改正等參數(shù)進(jìn)行推算和編制，將其傳送到注入站。

（2）對(duì)偏離軌道的衛(wèi)星進(jìn)行糾正。

（3）為全球定位系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。

（4）對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度。3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成2.監(jiān)測(cè)站監(jiān)控站是無(wú)人值守的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心，早期的監(jiān)測(cè)站共有五個(gè)一個(gè)位于美國(guó)的夏威夷（Hawaii），余下位于迪戈加西亞（DiegoGarcia）、阿森松島（Ascension）和夸賈林（Kwajalein）的監(jiān)測(cè)站與注入站重疊，位于科羅拉多斯普林斯（ColoradoSprings）的監(jiān)測(cè)站與主控站重疊。主要功能包括：（1）對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的所有GPS衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量；（2）通過(guò)氣象傳感器自動(dòng)測(cè)定并記錄氣溫、氣壓、相對(duì)濕度（水氣壓）等氣象參數(shù)；（3）對(duì)偽距觀測(cè)值進(jìn)行改正后再進(jìn)行編輯、平滑和壓縮，然后傳送給主控站。3.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成3.注入站

注入站現(xiàn)有3個(gè)，分別位于印度洋的迪戈加西亞（DiegoGarcia）、南大西洋的阿森松島（Ascension）和南太平洋的夸賈林（Kwajalein）其主要設(shè)備為一根直徑達(dá)3.6m的天線、一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)C波段發(fā)射機(jī)。注入站的主要任務(wù)是將主控站需傳輸給衛(wèi)星的資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲(chǔ)器中，供GPS衛(wèi)星向用戶播發(fā)。3.1.3用戶段GPS用戶設(shè)備即信號(hào)接收機(jī)，包括硬件和軟件兩部分，其作用是放大、變換和處理所接收的GPS信號(hào)，從而得出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，從而實(shí)時(shí)計(jì)算出測(cè)站的三維位置、三維速度和時(shí)間。3.2.1美國(guó)GPS政策1.選擇可用性（SelectiveAvability,SA）為防止敵對(duì)方利用GPS危害美國(guó)的國(guó)家安全，美國(guó)國(guó)防部從1991年7月1日起在所有的工作衛(wèi)星上實(shí)施SA技術(shù)。SA政策分別通過(guò)ε技術(shù)和δ技術(shù)兩種方法實(shí)現(xiàn)，ε技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)在衛(wèi)星的廣播星歷中人為地加入誤差以降低衛(wèi)星星歷的精度，該方法引入的衛(wèi)星星歷誤差在50~150m之間變化，其周期一般為數(shù)小時(shí)。δ技術(shù)的實(shí)質(zhì)是人為的向衛(wèi)星鐘引入偽隨機(jī)高頻抖動(dòng)，降低衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性，實(shí)施δ技術(shù)所產(chǎn)生的測(cè)距誤差可達(dá)±50m左右，其變化周期一般為數(shù)分鐘。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化

SA實(shí)施后，未經(jīng)美國(guó)政府授權(quán)的全世界廣大用戶使用全球定位系統(tǒng)SPS服務(wù)的精度將被降低為：平而位置±100m，高程±156m，速度±0.3m/s，時(shí)間±340ns。圖3-4SA政策取消前后SPS精度變化3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化2001年5月1日，美國(guó)政府宣布廢除SA政策并于2001年5月2日4時(shí)左右正式實(shí)施，美國(guó)廢除SA的原因主要有：(1)蘇聯(lián)的解體和東歐劇變使國(guó)際形勢(shì)發(fā)生極大變化，美國(guó)的國(guó)家安全威脅迅速降低。(2)美國(guó)GPS產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展要求政府對(duì)GPS政策作出調(diào)整。(3)差分GPS的發(fā)展以及軍方局部地區(qū)實(shí)施SA的技術(shù)的成熟，使得SA政策已無(wú)太大實(shí)際意義。(4)來(lái)自于俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化2.反電子欺騙（Anti-Spoofing,AS）AS政策是美國(guó)國(guó)防部為防止敵對(duì)方對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行電子欺騙和電子干擾而采取的一種措施.其具體做法是在P碼上加上嚴(yán)格保密的W碼，使其模二相加產(chǎn)生完全保密的P（Y）碼。AS政策從本意上講是一種防衛(wèi)性的措施，它進(jìn)一步限制了廣大非特許用戶使用Y碼的可能性，該措施從1994年1月31日起實(shí)施至今，與SA政策是各自獨(dú)立實(shí)施的。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)接收機(jī)生產(chǎn)廠家的不懈努力，在AS政策實(shí)施的情況下，未經(jīng)美國(guó)政府授權(quán)的一般測(cè)量用戶如采用Z跟蹤技術(shù)仍能利用P碼來(lái)進(jìn)行測(cè)距，從而可有效的克服了AS政策所造成的不利影響。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化3.應(yīng)對(duì)GPS限制政策的措施（1）發(fā)展差分GPS技術(shù)差分GPS定位技術(shù)可以有效地消除衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、信號(hào)傳播延遲誤差等，實(shí)時(shí)定位精度提高到分米級(jí)甚至更高，是削弱美國(guó)限制政策影響的有效手段。比如基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)RTK，其精度可達(dá)厘米級(jí)。（2）建立獨(dú)立的GPS衛(wèi)星測(cè)軌系統(tǒng)用戶可通過(guò)建立獨(dú)立自主的GPS衛(wèi)星跟蹤測(cè)軌系統(tǒng)，精密測(cè)定GPS衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行軌道，為精密工程測(cè)量、地殼變形監(jiān)測(cè)、地球動(dòng)力學(xué)研究提供精密的后處理星歷。我國(guó)在”八五”期間就建立了自己獨(dú)立的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)包括北京站、武漢站、上海站、長(zhǎng)春站、昆明站、拉薩站以及烏魯木齊站。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化（3）使用兼容多系統(tǒng)的GNSS接收機(jī)目前已經(jīng)出現(xiàn)可同時(shí)兼容多種GNSS系統(tǒng)的接收機(jī)，使用這些接收機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航定位可有效降低美國(guó)GPS政策的影響，同時(shí)定位的精度和可靠性進(jìn)一步的大幅提高。（4）建立獨(dú)立的導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)建立獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，才能徹底擺脫對(duì)美國(guó)GPS的依賴。鑒于GNSS技術(shù)的重要性和戰(zhàn)略價(jià)值，盡管其技術(shù)復(fù)雜、耗資巨大，全球許多國(guó)家和地區(qū)紛紛投入到GNSS系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)的研制，這也迫使美國(guó)GPS政策不得不作出調(diào)整（取消SA），同時(shí)提出了GPS現(xiàn)代化計(jì)劃以提高美國(guó)GPS系統(tǒng)在導(dǎo)航定位領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化3.2.2GPS現(xiàn)代化相比于當(dāng)時(shí)多個(gè)世界大國(guó)正在積極建設(shè)的其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)，早期GPS顯現(xiàn)出許多固有不足，主要表現(xiàn)在：（1）衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的強(qiáng)度微弱，容易受到多徑、噪聲、干擾等因素的影響，難以穿透樹(shù)林、城市建筑的遮擋，無(wú)法滿足日益旺盛的室內(nèi)定位導(dǎo)航需求。（2）調(diào)制于L1載波上的C/A碼和P碼都位于L1的中心頻段,容易受人為干擾。此外，由于L2載波上未調(diào)制民用測(cè)距碼，一般用戶無(wú)法實(shí)現(xiàn)GPS雙頻觀測(cè)的電離層誤差校正,限制了GPS單點(diǎn)定位精度和應(yīng)用范圍。（3）過(guò)分依賴地面控制系統(tǒng)。一旦地面監(jiān)控系統(tǒng)受到破壞或受到信息安全攻擊，則很難保證系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)的可靠性。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化為了加強(qiáng)GPS對(duì)美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中的支撐和保持全球民用導(dǎo)航領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)地位，并保持未來(lái)30年內(nèi)美國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì)地位，美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栍?999年1月25日宣布將斥資40億美元進(jìn)行GPS現(xiàn)代化。美國(guó)軍方也發(fā)文闡述了GPS現(xiàn)代化的內(nèi)涵，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）保護(hù)。為了更好地保護(hù)美方和友好方的使用，大力發(fā)展軍碼和，并強(qiáng)化軍碼的保密性能和抗干擾能力；（2）阻止。施加干擾阻擾敵對(duì)方的使用，如施加SA，AS等；（3）保持。保持在有威脅地區(qū)以外的民用用戶有更精確更安全的使用。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化1999年6月，美國(guó)軍方和情報(bào)部門(mén)又提出了以下幾項(xiàng)GPS現(xiàn)代化措施：(1)增加GPS衛(wèi)星的發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，以增加抗電子干擾能力；(2)增設(shè)更好保密和安全性能的新軍用碼M碼，與民用碼分離；(3)研發(fā)有更好的保護(hù)性能，尤其是抗干擾能力和初始化的能力的新一代軍用GPS接收機(jī)。在民用方面，美方擬采取的措施是：(1)終止SA政策的實(shí)施，提高民用實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航精度；(2)在L2載波上調(diào)制民用碼（L2C），使得一般用戶可以采用雙頻改正來(lái)消除電離層延遲；(3)增加L5民用頻率，對(duì)非軍方用戶而言，可組成載波相位線性組合觀測(cè)值。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化GPS現(xiàn)代化計(jì)劃分為三個(gè)階段：第一階段發(fā)射12顆改進(jìn)型的BLOCKⅡR型衛(wèi)星；第二階段發(fā)射6顆GPSBLOCKⅡF，到2016年GPS系統(tǒng)衛(wèi)星應(yīng)全部以ⅡF運(yùn)行，共計(jì)24+3顆；第三階段發(fā)射GPSBLOCKⅢ型衛(wèi)星，在2003年前完成代號(hào)為GPSⅢ的GPS完全現(xiàn)代化計(jì)劃設(shè)計(jì)工作。計(jì)劃用20年時(shí)間完成GPSⅢ計(jì)劃，取代目前的GPSⅡ。截止目前為止，GPS現(xiàn)代化計(jì)劃已實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)有：（1）取消SA政策。2000年5月，美國(guó)宣布取消實(shí)施SA政策，2007年，美國(guó)政府宣布計(jì)劃通過(guò)建造沒(méi)有SA的GPSIII衛(wèi)星來(lái)永久消除SA。3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化（2）新的民用信號(hào)及軍用碼。為了提高民用用戶的性能，GPS部署了三種新的民用信號(hào)：L2C、L5和L1C。加上傳統(tǒng)的民用信號(hào)L1C/A總共四個(gè)民用GPS信號(hào)。在L1和L2上增設(shè)新的軍用碼M碼。（3）衛(wèi)星的退役和增補(bǔ)。自2005年至今，美軍先后完成了20余次發(fā)射任務(wù)，成功將8顆BlockIIR(M)衛(wèi)星和12顆BlockIIF衛(wèi)星送入軌道，完成了現(xiàn)代化計(jì)劃中的第一和第二步。（4）地面監(jiān)控站的現(xiàn)代化。2008年實(shí)施精度改進(jìn)計(jì)劃L-AII后，地面監(jiān)控站增加至16個(gè)，級(jí)后地面監(jiān)控站位置升如圖3-4所示，L-AII實(shí)施后，監(jiān)控站收集GPS數(shù)據(jù)的能力提高了三倍，廣播星歷的精度提升了10%到15%3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化圖3-5L-AⅡ?qū)嵤┖蟮牡孛姹O(jiān)控站位置示意圖3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化如今，美軍正在全力研制生產(chǎn)下一代也就是第三代GPS衛(wèi)星—GPSIII。隨著第一顆代GPSIII衛(wèi)星GPSIIISV01于2018年12月23日發(fā)射，全球定位系統(tǒng)（GPS）在技術(shù)和能力現(xiàn)代化方面邁出了重要一步。截止2022年6月26日，美國(guó)GPS系統(tǒng)共有31顆在軌工作衛(wèi)星。表3-1GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化演變3.2美國(guó)GPS政策與現(xiàn)代化衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的軌道取決于它在空間中受到的各種力的影響。除受到地球引力外，還受太陽(yáng)的引力、月亮的引力、太陽(yáng)光壓、地球潮汐力、大氣阻力等作用力的影響，無(wú)法采用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。按其影響和大小分為兩類：一類是假設(shè)地球?yàn)榫鶆蛸|(zhì)量的球體的引力，稱為中心引力；另一類是攝動(dòng)力，也稱非中心引力，包括地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力、日月引力攝動(dòng)力、太陽(yáng)光壓、地球潮汐和大氣阻力等。相較于中心引力，攝動(dòng)力的影響小得多，若假設(shè)中心引力的影響為1，則攝動(dòng)力的影響僅為中心引力的10-5量級(jí)，中心引力決定著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和特征（無(wú)攝運(yùn)動(dòng)或開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)），由中心引力確定的衛(wèi)星軌道稱為理想軌道（或開(kāi)普勒軌道），它是分析衛(wèi)星實(shí)際軌道的基礎(chǔ)；3.3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)顧及攝動(dòng)力影響，衛(wèi)星軌道將產(chǎn)生一些小的附加變化而偏離理想軌道，偏離量的大小隨時(shí)間而改變，這種顧及攝動(dòng)力影響的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)稱為受攝運(yùn)動(dòng)。3.3.1衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)理論的首要研究對(duì)象。其原因如下：（1）無(wú)攝運(yùn)動(dòng)是衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的第一近似描述（2）無(wú)攝運(yùn)動(dòng)是至今唯一能得到的嚴(yán)密分析解的運(yùn)動(dòng)；（3）無(wú)攝運(yùn)動(dòng)是全部作用力下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)更精確解的基礎(chǔ)。1.二體意義下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)在衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)中，衛(wèi)星按照其預(yù)定的軌道運(yùn)行，此時(shí)的衛(wèi)星可以視為與地球一樣質(zhì)量集中的質(zhì)點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用開(kāi)普勒三定律進(jìn)行描述。3.3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)（1）開(kāi)普勒第一定律開(kāi)普勒第一定律又稱為橢圓定律，即衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道為一橢圓，該橢圓上的一個(gè)焦點(diǎn)與地球質(zhì)心重合。如圖3-6所示，在衛(wèi)星的運(yùn)行軌道上，將離地球質(zhì)心最遠(yuǎn)的一點(diǎn)稱為遠(yuǎn)地點(diǎn)，將距離地球最近的一點(diǎn)稱為近地點(diǎn)。衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的軌道方程：

(3-1)該方程描述了任何時(shí)刻衛(wèi)星在軌道上相對(duì)近地點(diǎn)的位置是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)。式中r為衛(wèi)星到地球質(zhì)心距離；a為開(kāi)普勒橢圓的長(zhǎng)半徑；e為開(kāi)普勒橢圓的偏心率；V為真近點(diǎn)角的角度。其中，當(dāng)V=0°時(shí),r=a(1-e)為衛(wèi)星的近地點(diǎn)距離，當(dāng)V=180°時(shí)，r=a(1+e)為衛(wèi)星的遠(yuǎn)地點(diǎn)距離。圖3-6開(kāi)普勒橢圓（2）開(kāi)普勒第二定律開(kāi)普勒第二定律也稱為等面積定律，即地心向徑在單位時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)的面積相等，如圖3-7所示。根據(jù)能量守恒定律，衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能和勢(shì)能之和是不變的。勢(shì)能由地球重力場(chǎng)引起的，衛(wèi)星的地心距離越遠(yuǎn)，其勢(shì)能越大，反之越小。而動(dòng)能是由衛(wèi)星的運(yùn)行速度決定的，圖3-7等面積定律示意圖衛(wèi)星的運(yùn)行速度越大，動(dòng)能越大，反之越小。由此，結(jié)合開(kāi)普勒第二定律可以得出：衛(wèi)星在近地點(diǎn)時(shí)動(dòng)能最大，速度最大；衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)動(dòng)能最小，速度最小。（3）開(kāi)普勒第三定律開(kāi)普勒第三定律也稱為周期定律，即衛(wèi)星繞地球軌道運(yùn)動(dòng)周期的平方與衛(wèi)星軌道橢圓長(zhǎng)半軸的立方成正比且為一個(gè)常數(shù)，該常數(shù)在數(shù)值上為地球引力常數(shù)GM倒數(shù)的4π2倍。該定律能夠依據(jù)開(kāi)普勒橢圓的長(zhǎng)半徑確定出衛(wèi)星的平均角速度，對(duì)計(jì)算衛(wèi)星的位置具有極其重要的意義。(3-2)式中：T為衛(wèi)星運(yùn)行周期，GM為地球引力常數(shù)。2.衛(wèi)星無(wú)攝運(yùn)動(dòng)的軌道參數(shù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道為一通過(guò)地心平面、形狀和大小固定的橢圓，地球質(zhì)心為該橢圓上的一個(gè)焦點(diǎn)。但衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星在軌道中的瞬時(shí)位置需要多個(gè)參數(shù)進(jìn)行確定，只有這些參數(shù)確定下來(lái)，衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星在軌道中的瞬時(shí)位置才能唯一確定。下面將對(duì)這些參數(shù)(圖3-8)進(jìn)行介紹：軌道橢圓長(zhǎng)半徑a：軌道橢圓中近地點(diǎn)通過(guò)地球質(zhì)心到遠(yuǎn)地點(diǎn)連線距離的一半，長(zhǎng)半徑?jīng)Q定了橢圓的大小。軌道橢圓偏心率e：軌道橢圓兩個(gè)焦點(diǎn)間的距離與其長(zhǎng)半軸a的比值。偏心率決定了軌道橢圓的形狀。其他參數(shù)均可以依據(jù)長(zhǎng)半徑和偏心率兩個(gè)參數(shù)推導(dǎo)出。3.3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)升交點(diǎn)赤經(jīng)?：升交點(diǎn)是指衛(wèi)星由南向北的運(yùn)行與天球赤道的交點(diǎn)，升交點(diǎn)與春分點(diǎn)之間的地心夾角。軌道面傾角i：衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面之間的夾角。升交點(diǎn)赤經(jīng)和軌道面傾角確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體間的相對(duì)定向。近地點(diǎn)角距?：軌道平面上升交點(diǎn)與近地點(diǎn)之間的地心夾角。該參數(shù)確定了開(kāi)普勒橢圓在軌道平面上的定向，也稱為軌道橢圓定向參數(shù)。真近點(diǎn)角V：軌道平面上衛(wèi)星與近地點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地心夾角。該參數(shù)的表達(dá)式為時(shí)間相關(guān)的函數(shù)，通過(guò)該參數(shù)可以確定衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)行位置。圖3-8開(kāi)普勒軌道參數(shù)3.3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)以上參數(shù)的選擇并不是唯一的，但參數(shù)的確定必須有利于以下問(wèn)題的解決，即:（1）軌道橢圓的形狀和大?。唬?）軌道平面與地球體的相關(guān)位置；（3）軌道橢圓在軌道平面上的方位；（4）衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)位置。對(duì)于衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，上述軌道參數(shù)的具體數(shù)值，是由不同衛(wèi)星的發(fā)射條件決定的。一般而已，將上述6個(gè)參數(shù)所構(gòu)成的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為軌道坐標(biāo)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，這6個(gè)參數(shù)確定了衛(wèi)星在任一瞬間相對(duì)地球體的空間位置。3.3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)3.3.2衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于受到攝動(dòng)力的影響，其運(yùn)行軌道會(huì)出現(xiàn)小的偏差從而偏離理想軌道，且這種偏離量會(huì)隨著時(shí)間變化而變化。在GNSS的精密定位技術(shù)中，如果只考慮地球質(zhì)心引力狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是無(wú)法滿足其精度要求的，在計(jì)算過(guò)程中必須考慮地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力、日月攝動(dòng)力、大氣阻力、光壓攝動(dòng)力、潮汐攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星繞軌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。3.3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)1.地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力真實(shí)的地球形狀并非一個(gè)質(zhì)量均勻的規(guī)則球體，而是一個(gè)長(zhǎng)短軸相差達(dá)到約21km且內(nèi)部質(zhì)量不均勻、形狀不規(guī)則的橢球體（圖3-9）。圖3-9地球示意圖2.日月引力攝動(dòng)力由于衛(wèi)星離太陽(yáng)較遠(yuǎn)，其攝動(dòng)力影響極為微弱，而月亮的攝動(dòng)力影響較大。日月引力對(duì)衛(wèi)星繞軌運(yùn)動(dòng)所造成的影響，表現(xiàn)為長(zhǎng)周期攝動(dòng)，量級(jí)為10－6。如果忽略此項(xiàng)攝動(dòng)力的影響，將會(huì)造成GNSS衛(wèi)星在3h弧段上產(chǎn)生5~150m的位置誤差，2d弧段上產(chǎn)生1000~3000m的位置誤差。3.太陽(yáng)光壓太陽(yáng)光壓會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生攝動(dòng)加速度，該加速度的大小與衛(wèi)星、太陽(yáng)、地球三者間的相對(duì)位置、衛(wèi)星表面的反射特性、衛(wèi)星接受陽(yáng)光照射的有效面積與衛(wèi)星的質(zhì)量的比值有關(guān)，其量級(jí)為10－7。通常受到太陽(yáng)光的影響，衛(wèi)星在3h弧段上將產(chǎn)生5~10m的位置偏差，在2d弧段上將產(chǎn)生100~800m的位置偏差。此外，部分太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)地球反射到衛(wèi)星也會(huì)對(duì)GNSS衛(wèi)星產(chǎn)生影響，但由于這種間接輻射壓力只占直接輻射壓力的1%~2%，因此可以忽略不計(jì)。4.地球潮汐作用力固體潮汐和海洋潮汐是地球受日、月引力作用所產(chǎn)生的形變，該形變會(huì)引起地球質(zhì)量分布的變化從而引起地球引力的變化，這種地球引力的變化稱為潮汐作用力。潮汐作用力對(duì)GNSS衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度量級(jí)較小。其中固體潮汐可導(dǎo)致衛(wèi)星在2d弧段上將產(chǎn)生0.5-1m的軌道誤差；海洋潮汐可導(dǎo)致衛(wèi)星在2d弧段上將產(chǎn)生1-2m的軌道誤差。對(duì)于大多數(shù)的GNSS用戶來(lái)說(shuō)，影響可以忽略不計(jì)。5.大氣阻力大氣阻力會(huì)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行產(chǎn)生影響，而其影響的大小主要取決于大氣密度、衛(wèi)星截面積與衛(wèi)星質(zhì)量的比值和衛(wèi)星運(yùn)行速度。由于大氣密度隨著高度的增加而降低，因此大氣阻力會(huì)對(duì)低軌道的衛(wèi)星產(chǎn)生較大影響，而對(duì)于高軌道（2×104km）的衛(wèi)星產(chǎn)生的影響微乎其微，可以忽略不計(jì)。要利用GNSS衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位，就需要先根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道參數(shù)信息計(jì)算出衛(wèi)星瞬時(shí)的位置及其運(yùn)動(dòng)速度。GNSS衛(wèi)星的軌道信息存儲(chǔ)于衛(wèi)星星歷中，衛(wèi)星星歷中包含了某一時(shí)刻的衛(wèi)星軌道參數(shù)及其變化率，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星星歷進(jìn)行計(jì)算即可獲得相應(yīng)時(shí)刻的衛(wèi)星位置和速度。衛(wèi)星星歷分為預(yù)報(bào)星歷和后處理星歷兩種，下面將以GPS衛(wèi)星星歷為例進(jìn)行講述。3.4GPS衛(wèi)星星歷3.4.1GPS衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷預(yù)報(bào)星歷是用戶通過(guò)對(duì)衛(wèi)星所發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文進(jìn)行解碼所獲得的數(shù)據(jù)。由于預(yù)報(bào)星歷是通過(guò)電文的方式直接發(fā)給用戶接收機(jī)的，因而又稱為廣播星歷，其數(shù)據(jù)間隔為2h。衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷包括相對(duì)于某一參考?xì)v元的衛(wèi)星開(kāi)普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動(dòng)9個(gè)參數(shù)。其中參考?xì)v元的衛(wèi)星開(kāi)普勒軌道參數(shù)稱為參考星歷，是由GPS地面監(jiān)測(cè)站利用大約一周的觀測(cè)資料所計(jì)算得到的。由于衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到攝動(dòng)力的影響，導(dǎo)致實(shí)際的軌道與參考軌道存在偏離，其偏離程度主要是取決于觀測(cè)歷元和參考?xì)v元的時(shí)間差。如果在GPS衛(wèi)星的二體運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上加入長(zhǎng)期攝動(dòng)改正項(xiàng)和周期攝動(dòng)改正項(xiàng)，就可以推算出任意觀測(cè)歷元的衛(wèi)星星歷，稱為衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)星歷。3.4GPS衛(wèi)星星歷GPS用戶獲取的衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷中，包含了17個(gè)衛(wèi)星星歷參數(shù)，其中6個(gè)為相應(yīng)參考時(shí)刻的開(kāi)普勒軌道參數(shù)，9個(gè)為反映攝動(dòng)力影響的參數(shù)和1個(gè)參考時(shí)刻和星歷數(shù)據(jù)齡期。其定義如下表3-2所示：表3-2GPS衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷參數(shù)圖3-10預(yù)報(bào)星歷參數(shù)圖示參考?xì)v元是從星期日子夜零點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算的參考時(shí)刻，為從最后一次注入電文起，預(yù)報(bào)星歷的外推時(shí)間間隔。圖3-10為上述衛(wèi)星實(shí)際軌道參數(shù)的描述。GPS衛(wèi)星播發(fā)廣播星歷的方式有兩種，分別為利用C/A碼和P碼兩種信號(hào)碼進(jìn)行傳送。其中：P碼主要是供軍方和特許用戶使用，其精度往往較廣播星歷高出1～2個(gè)量級(jí)，具體精度指標(biāo)不詳；C/A碼主要交付民用，SA政策實(shí)施時(shí)，廣播星歷的精度被認(rèn)為降低至50～100m，SA取消后，其精度迅速提高至5～7m。GPS現(xiàn)代化實(shí)施以來(lái)，廣播星歷的精度進(jìn)一步提高，截至2022年1月，GPS廣播星歷的整體軌道精度已優(yōu)于0.3m。3.4GPS衛(wèi)星星歷3.4.2GPS衛(wèi)星的后處理星歷GPS衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷的外推誤差，導(dǎo)致GPS衛(wèi)星定位精度受到限制。為滿足精密定位工作用戶的需求，需要提供一個(gè)比預(yù)報(bào)星歷更為精密的衛(wèi)星星歷——精密星歷。精密星歷是由一些地面跟蹤站所獲得的對(duì)GPS衛(wèi)星的精密觀測(cè)資料，應(yīng)用與廣播星歷相似的計(jì)算方法所計(jì)算得到的星歷，是一種不含外推誤差的實(shí)測(cè)星歷。然而，精密星歷無(wú)法像廣播星歷那樣通過(guò)GPS衛(wèi)星播發(fā)獲取，只能在事后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等方式進(jìn)行獲取，由于精密星歷是實(shí)測(cè)星歷，故存在一定的延時(shí)，因此精密星歷又被稱為后處理星歷。我國(guó)的GPS衛(wèi)星跟蹤站網(wǎng)在“八五”期間已經(jīng)建成，“九五”期間已向國(guó)內(nèi)用戶提供包括精密星歷等服務(wù)。3.4GPS衛(wèi)星星歷3.4.3IGS的產(chǎn)品及精度1.IGS組織簡(jiǎn)介國(guó)際GNSS服務(wù)IGS(InternationalGNSSService)是國(guó)家大地測(cè)量協(xié)會(huì)IAG(InternationalAssociationofGeodesy)為支持大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)研究而建立的一個(gè)國(guó)際協(xié)作組織。1994年1月1日正式開(kāi)始工作，后來(lái)由于GLONASS等GNSS新成員的加入更名為國(guó)際GNSS服務(wù)，其職責(zé)包括提供IGS跟蹤站的GNSS觀測(cè)資料以及生產(chǎn)包括GPS和GLONASS衛(wèi)星星歷、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、極移及日長(zhǎng)變化；IGS跟蹤站的坐標(biāo)及其變化等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為精密定位用其它地球動(dòng)力學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持。3.4GPS衛(wèi)星星歷2.IGS衛(wèi)星星歷及鐘差產(chǎn)品IGS提供的GPS衛(wèi)星星歷及鐘差產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3-3。表3-3GPS衛(wèi)星軌道及鐘差產(chǎn)品精度指標(biāo)GPS衛(wèi)星所發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)由載波信號(hào)、測(cè)距碼和導(dǎo)航電文等三部分組成。其中測(cè)距碼分為P碼和C/A碼，GPS衛(wèi)星信號(hào)組成如圖3-11所示。

圖3-11GPS衛(wèi)星信號(hào)組成3.5GPS衛(wèi)星信號(hào)3.5.1GPS衛(wèi)星的載波信號(hào)GPS信號(hào)中的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文均為低頻信息，因此很難將其從離地約20000km的衛(wèi)星成功傳輸?shù)降孛妗榱擞行У剡M(jìn)行高質(zhì)量信息的傳播，需要將頻率較低的信號(hào)加載在頻率較高的信號(hào)中進(jìn)行播發(fā)，這種可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻率振蕩波稱為載波，頻率較低信號(hào)加載在高頻載波上的過(guò)程稱為調(diào)制。GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼是通過(guò)調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的。GPS衛(wèi)星所發(fā)射的載波信號(hào)有L1載波、L2載波和L5載波。由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率f0＝10.23MHz經(jīng)過(guò)振蕩器震蕩產(chǎn)生的，倍頻分別為基準(zhǔn)頻率的154倍、120倍和115倍。其波長(zhǎng)和頻率如下：L1載波：頻率f1＝1575.42MHz，λ1＝19.03cmL2載波：頻率f2＝1227.60MHz，λ2＝24.42cmL5載波：頻率f5＝1176.45MHz，λ5＝25.50cm這3種載波頻率的選擇主要是為了較完善地消除由于電離層效應(yīng)所引起的信號(hào)延遲誤差，從而提高GPS導(dǎo)航定位的精度。載波除能夠搭載測(cè)距碼和導(dǎo)航電文外，其本身相位還能用于測(cè)距，基于載波相位測(cè)量的測(cè)距精度較偽距測(cè)量高出了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在精密定位中得到了廣泛的應(yīng)用。3.5.2GPS衛(wèi)星的測(cè)距碼測(cè)距碼是用于測(cè)定從衛(wèi)星至接收機(jī)間距離的二進(jìn)制碼。GPS的測(cè)距碼分為C/A碼和P碼，它們都是二進(jìn)制偽隨機(jī)噪聲序列，具有特殊的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。在現(xiàn)代通訊技術(shù)中，普遍采用二進(jìn)制數(shù)0和1進(jìn)行表示，將這些二進(jìn)制數(shù)的組合稱為碼。一個(gè)二進(jìn)制數(shù)稱為一個(gè)碼元或者一個(gè)比特（bit），比特是碼的度量單位。每秒鐘傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)叫做數(shù)碼率。3.5GPS衛(wèi)星信號(hào)1.偽隨機(jī)噪聲碼及其自相關(guān)特性（1）偽隨機(jī)噪聲碼隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)特性，但不具有周期性和沒(méi)有確定的編碼規(guī)則，在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法復(fù)制和利用。為解決這一問(wèn)題，GPS利用多級(jí)反饋移位寄存器制造出偽隨機(jī)噪聲碼（Pseudorandomnoise，PRN），簡(jiǎn)稱為偽隨機(jī)碼或偽碼。偽隨機(jī)噪聲碼是m序列，其特點(diǎn)是具有類似隨機(jī)碼的良好自相關(guān)特性，同時(shí)具有某種確定的編碼原則和周期性，可以進(jìn)行人工復(fù)制。（2）偽隨機(jī)噪聲碼的自相關(guān)特性具有相同結(jié)構(gòu)的兩個(gè)m序列，無(wú)論其從第幾位開(kāi)，經(jīng)過(guò)若干次移位，最終都可以“對(duì)齊”。我們定義：兩個(gè)同結(jié)構(gòu)m序列經(jīng)過(guò)n次移位后，若一個(gè)周期中對(duì)應(yīng)的元素完全相同，則相關(guān)系數(shù)取得最大值1(圖3-12)。自相關(guān)系數(shù)定義為：(3-3)式中：A為接收機(jī)產(chǎn)生的C/A碼（一個(gè)周期）移位j次后與接收機(jī)接收到的C/A碼對(duì)應(yīng)元素相同的數(shù)目，D為對(duì)應(yīng)元素不同的數(shù)目。在圖3-12（a）中，j=0，A=9，D=6。在圖3-12（b）中，經(jīng)過(guò)8次移位已經(jīng)完全“對(duì)齊”，j=8，A=15，D=0。圖3-12偽隨機(jī)噪聲碼的自相關(guān)特性如果兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的m序列存在延時(shí)(移位j≠0)，它們的相關(guān)系數(shù)總是小于1，只有當(dāng)這兩個(gè)序列完全“對(duì)齊”（無(wú)延時(shí)，移位j=0）時(shí)，相關(guān)系數(shù)等于1。GPS接收機(jī)接收到的C/A碼與接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的本地C/A碼，經(jīng)過(guò)多次移位，并計(jì)算每次移位后的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)取得最大值時(shí)，也就是兩個(gè)碼序列完全對(duì)齊。這時(shí)的移位次數(shù)，就代表了傳播中的延時(shí)，進(jìn)而可以求得傳播距離，并可以轉(zhuǎn)換捕獲P碼。3.5GPS衛(wèi)星信號(hào)2.測(cè)距碼（1）C/A碼C/A碼是由2個(gè)10級(jí)反饋移位寄存器產(chǎn)生的m序列，共可能產(chǎn)生1023種結(jié)構(gòu)不同的碼供選用。從中選出32種以PRN1……PRN32命名各個(gè)GPS衛(wèi)星。C/A碼存在以下特點(diǎn)：①C/A碼的碼長(zhǎng)比較短，容易進(jìn)行捕獲。在進(jìn)行GPS定位的過(guò)程中，為了測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)傳播的延遲時(shí)間，通常對(duì)C/A碼進(jìn)行逐個(gè)搜索的方式進(jìn)行捕獲，若以50碼元/秒，只需要20秒左右就可以完成。由于其易于捕獲，同時(shí)利用C/A碼的信息可以輕松地進(jìn)行P碼的捕獲，因此C/A碼又被稱為捕獲碼。②C/A碼的碼元寬度較大，假設(shè)兩個(gè)序列的碼元對(duì)其誤差為碼元寬度的1/10-1/100，則其相應(yīng)的測(cè)距誤差可達(dá)到29.3m-2.9m，因此C/A碼也稱為粗碼。（2）P碼P碼是由兩組各有兩個(gè)12級(jí)反饋移位寄存器的電路發(fā)生，其形成原理與C/A碼相似，但其線路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)比C/A碼復(fù)雜。與C/A碼不同，P碼的碼長(zhǎng)較大，因此如果采用與C/A碼相同的逐個(gè)搜索的方式，耗費(fèi)的時(shí)間非常長(zhǎng)，基本上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際操作過(guò)程中通常先對(duì)C/A碼進(jìn)行捕獲，再根據(jù)導(dǎo)航電文的信息進(jìn)行P碼的捕獲。同時(shí)，P碼的碼元寬度僅為C/A碼的1/10，所以其測(cè)距誤差也僅為C/A碼的1/10。利用這一特點(diǎn)，P碼可以用于較為精密的導(dǎo)航定位，也稱為精碼。相對(duì)于C/A碼，P碼的結(jié)構(gòu)是不公開(kāi)的，僅供美軍軍方和特許用戶使用。但隨著P碼的結(jié)構(gòu)逐漸為大家所悉知，已難以進(jìn)行保密。為此，美國(guó)實(shí)施了AS限定政策，將P碼與完全保密的W碼進(jìn)行模二相加形成新的保密Y碼以取代原來(lái)的P碼，我們?cè)诹?xí)慣上依然將其稱為P碼，又稱為P（Y）碼。（3）其他測(cè)距碼①L2C碼。L2C碼稱為城市碼，其被調(diào)制于L2載波上。L2C信號(hào)包括CM碼和CL碼。L2C碼第一次應(yīng)用于2005年9月23日發(fā)射的GPS衛(wèi)星SLC-17A。其主要是用于解決C/A碼調(diào)制于L1載波上無(wú)法精確消除電離層延遲的問(wèn)題。目前，L2C碼采用窄距相關(guān)間隔技術(shù)后，其測(cè)量精度達(dá)到了分米級(jí)，可以與P碼的測(cè)距精度相媲美。②M碼。M碼主要是供軍方使用的保密碼，其生成方法和碼結(jié)構(gòu)不對(duì)外公開(kāi)。M碼對(duì)于信號(hào)的捕獲更加迅捷穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng)。③L5碼。為了解決C/A碼的互相關(guān)性差、抗干擾能力弱和易受多路徑效應(yīng)影響等缺陷，美國(guó)軍方設(shè)計(jì)出了L5碼。相對(duì)于C/A碼，L5碼的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，衍射能力更好，自由空間衰減更小，達(dá)到地面的功率也會(huì)更高。L5碼速率提高了10倍，碼長(zhǎng)變小了10倍，提高了抗多徑的能力，具有導(dǎo)航電文糾錯(cuò)能力，可在低功率環(huán)境下提高定位速度。3.5.3GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文衛(wèi)星導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正參數(shù)、電離層延遲改正參數(shù)、遙測(cè)碼，以及由C/A碼確定P碼信號(hào)時(shí)的交接碼等參數(shù)。送的信號(hào)是否出錯(cuò)，并能糾正單個(gè)錯(cuò)誤，故通常又稱為糾錯(cuò)碼。完整的導(dǎo)航信息由25幀數(shù)據(jù)組成。由于播送速度為50bit/s，所以全部播完要12.5min，其結(jié)構(gòu)如圖3-13所示。圖3-13導(dǎo)航電文格式每幀導(dǎo)航電文中，各子幀的主要內(nèi)容如圖3-14所示：圖3-14一幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容3.5GPS衛(wèi)星信號(hào)

GNSS接收機(jī)是用于接收、跟蹤、變換和測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的無(wú)線電接收設(shè)備，通過(guò)接收機(jī)對(duì)導(dǎo)航定位信號(hào)進(jìn)行處理，就可以實(shí)時(shí)測(cè)出測(cè)站的三維位置、三維速度和時(shí)間。3.6.1GNSS接收機(jī)的組成GNSS接收機(jī)主要由天線單元、主機(jī)和電源等三部分組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。3.6GNSS接收機(jī)圖3-15信號(hào)接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)GNSS接收機(jī)按其構(gòu)成和功能，可分為硬件部分和軟件部分：1.硬件部分。包括天線單元、主機(jī)和電源。（1）天線單元部分。主要由接收機(jī)天線和前置放大器兩部分所組成，主要功能是對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大和變頻處理。GNSS接收機(jī)較為常見(jiàn)的天線類型有單極天線、螺旋形天線、微帶天線和錐形天線。（2）主機(jī)。接收機(jī)主機(jī)由變頻器、信號(hào)通道、存儲(chǔ)器、微處理器及顯面屏組成。a.變頻器：經(jīng)過(guò)前置放大器處理的信號(hào)依舊較為微弱，因此需要變頻器進(jìn)行再次處理。3.6GNSS接收機(jī)b.信號(hào)通道：GNSS接收機(jī)的核心部分，主要用于對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行搜索、對(duì)廣播電文數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)和解調(diào)，得到導(dǎo)航電文；進(jìn)行偽距、載波相位和多普勒頻移測(cè)量。它是一種軟件和硬件相結(jié)合的復(fù)雜電子裝置。可分為相關(guān)型、平方型和相位型三種。c.存儲(chǔ)器：接收機(jī)采集到的碼相位偽距觀測(cè)值、載波相位觀測(cè)值和多普勒頻移等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。d.微處理器：微處理器的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤和點(diǎn)位計(jì)算，通過(guò)結(jié)合接收機(jī)內(nèi)的處理軟件，可以完成以下工作：①開(kāi)機(jī)后控制GNSS接收機(jī)進(jìn)行各波道自檢，并對(duì)各波道的時(shí)延值進(jìn)行測(cè)定、校正和存儲(chǔ)；②對(duì)衛(wèi)星星歷進(jìn)行解譯，計(jì)算出測(cè)站的三維坐標(biāo)；③由測(cè)站點(diǎn)位坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷計(jì)算所有衛(wèi)星的升降時(shí)間、方位和高度角，提供可視衛(wèi)星數(shù)據(jù)及衛(wèi)星的工作狀況，以便獲得最佳定位星位，提高定位精度。e.顯示屏：GNSS接收機(jī)的顯示面板主要是負(fù)責(zé)接收機(jī)的顯示工作，通過(guò)顯示屏可以實(shí)時(shí)了解GNSS接收機(jī)的工作狀態(tài)和工作模式。（3）電源GNSS接收機(jī)的電源分為兩種：一種是隨機(jī)配置的內(nèi)置電池，通常為鋰電池；內(nèi)置電源起到的作用主要是在機(jī)外電池電壓不足或進(jìn)行機(jī)外電池更換時(shí)，GNSS接收機(jī)的工作不受到影響。此外，內(nèi)置電池還能在GNSS接收機(jī)關(guān)機(jī)后為存儲(chǔ)器供電，防止數(shù)據(jù)丟失。另一種為外接電源，常用的有汽車電瓶或?qū)Ｓ玫碾娫催m配器。進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的GNSS測(cè)量時(shí)，通常采用外接電源作為GNSS接收機(jī)的供電電源。2.軟件部分分為內(nèi)部軟件和外部軟件。內(nèi)部軟件主要包括自測(cè)試軟件、衛(wèi)星預(yù)報(bào)軟件、導(dǎo)航電文解碼軟件、GNSS單點(diǎn)定位軟件及自動(dòng)操作程序等；外部軟件是指各類數(shù)據(jù)后處理軟件，如天寶公司的TBC及中海達(dá)的HGO等。3.6.2GNSS接收機(jī)的分類隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，世界各國(guó)對(duì)接收機(jī)的研發(fā)也越來(lái)越重視。目前，GNSS接收機(jī)的生產(chǎn)廠家約數(shù)十家，其型號(hào)也達(dá)到了幾百種，依據(jù)GNSS接收機(jī)的工作原理、用途、接收信號(hào)的頻率和通道數(shù)目可以將其分為不同種類。1.按接收機(jī)的工作原理分類：可分為碼相關(guān)型接收機(jī)、平方型接收機(jī)、混合型接收機(jī)三類。（1）碼相關(guān)型接收機(jī)：利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測(cè)值。（2）平方型接收機(jī)：通過(guò)利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào)從而恢復(fù)完整的載波信號(hào)。利用相位計(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)間的相位差，獲得偽距觀測(cè)值。（3）混合型接收機(jī)：兼具了以上兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到偽距觀測(cè)值，又可以得到載波相位觀測(cè)值。2.按接收機(jī)的用途分類：可將GNSS接收機(jī)分為導(dǎo)航型接收機(jī)、測(cè)地型接收機(jī)、授時(shí)型接收機(jī)。（1）導(dǎo)航型接收機(jī)：主要用于確定船舶、車輛、飛機(jī)和導(dǎo)彈等運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置和速度。（2）測(cè)地型接收機(jī)：測(cè)地型接收機(jī)早期的測(cè)量工作中主要用于進(jìn)大地測(cè)量和工程控制測(cè)量，一般采用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行相對(duì)定位，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至是毫米級(jí)。（3）授時(shí)型接收機(jī)：主要用于天文臺(tái)或地面監(jiān)測(cè)站進(jìn)行時(shí)間頻標(biāo)的同步測(cè)定。3.6GNSS接收機(jī)3.按接收機(jī)接收的載波頻率分類:可分為單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)。（1）單頻接收機(jī)：?jiǎn)晤l接收機(jī)用于接收