全球卫星定位系统
• 主要内容
• 计算机通讯及网络技术
• 数据库技术
• EDI技术
• 条形码技术
• 全球卫星定位系统
• 地理信息系统
• 射频技术
• MRP与DRP技术（另讲）
• 自动化仓库系统（另讲）
• CRM-客户关系管理
全球卫星定位系统
• GPS 的功用与特点
• GPS的应用
• GPS的系统组成与工作频率
• GPS系统的地面支持网
• GPS系统工作原理
• GPS定位误差
• GPS用户设备
• 差分GPS系统
• 全球导航卫星系统GNSS
GPS 的功用与特点
• 卫星导航是利用人造地球卫星来进行导航,相当于把导
航台搬到天上。
• 导航星全球定位系统（Navstar Global Positioning
System），简称GPS系统。
• GPS系统可在全球范围内，全天候为海上、陆上、空
中、空间的用户连续地提供高精度的位置、速度和时
间信息，并且有良好的抗干扰和保密性能，对导航定
位、大地测量，以及精密授时等均具有重要意义。
• GPS系统有21 颗工作卫星和 3 颗在轨的备用卫星，它们
平均配置在六个轨道上。
• 卫星发射用伪随机码（伪码）调制的两种频率；L1＝
,L2＝。
• 用户设备用测量到几颗卫星的距离的方法，来确定观察点
的位置。GPS系统能连续提供三维位置（经度、纬度、高
度）、三维速度和时间，实现近乎实时的导航定位。
• 双频发射是为了供用户设备消除电离层对传播的影响。
GPS 的功用与特点
• 伪码有 P码、C／A码、Y码三种。
• P码信号，定位精度高，保密性好，仅供美军
和特许用户使用，实时定位精度优于16米，测
速精度优于 米／秒，授时精度优于 微秒。
• C／A码信号供一般用户使用，定位精度可达
20～40米。
•
GPS 的功用与特点
• P码的精度高，但编制 P码的方程式早已公开。美国计划
在必要时要实施 A—S（Anti－spoofing反电子欺骗）政
策，将 P码加密编译成 Y码，Y码的编制方程式严格保密。
• Y 码用于有潜在威胁的军事环境中。如敌方播发一种精
度降低的假P码信号，企图欺骗GPS用户设备错误的跟踪
它，装有选择Y码用的附加输出芯片的P码接收机，不接
受这种假信号，有效地防止电子欺骗。A—S可以接通或
关闭。
• 民间使用上为了能获得更好的定位精度，已经相继采取
了一些措施。例如，C／A码采用差分 GPS技术，可以达
到米级的定位精度；供测地用的采用无码技术的用户设
备，可以达到厘米级的相对定位精度 。
GPS 的功用与特点
GPS的应用
• 一、海上应用—导航等
• 二、陆地——定位、测距、车辆导航
• 三、空中和空间应用
• （一）空中应用
• 1、航路导航
• 由于GPS具有全球覆盖、全天候、高精度和动态适应
能力。它可以直接用于飞机的航路导航。由于它不依靠
地面导航台，因而能适合于边远、荒漠、海上、极区等
空域的飞行，并可实施直飞航线或随机航线，增加飞行
灵活性
• 2、进近着陆
• 利用差分GPS能达到进近着陆的精度要求，因而能取
代仪表着陆系统（ILS）和微波着陆系统（MLS）。
• 3、机场的场面活动管理
• 当飞机和场面活动的车辆都装有GPS接收机和直接向
塔台报位的通信线路后，可以监视和调动所有场面活
动的飞机和车辆。
• 4、自动相关监视
• GPS接收机的定位数据可以为自动相关监控提供每架
飞机的位置报告给地面管制部门，在其显示器上呈现
和雷达监视相当的空中交通活动图像，以便实施管制。
GPS的应用
GPS的应用
• （二）空间应用
• 1、对导弹进行实时跟踪和制导
• 导弹装上GPS接收设备，可以测出飞行弹道。此外，
还可用于导弹的制导，使导弹（或炸弹）不仅可以低空
攻击目标，高空攻击目标亦有很高的命中精度。
• 2、确定空间运载体的轨道
• 航天飞机、轨道卫星等空间运载体上装备GPS接收机，
可以精确确定自身的轨道位置。
GPS的系统组成与工作频率
• 该系统由地面支持网、空中卫星群和用户设备
三个子系统组成。
•
• 1、地面支持网：监控卫星并根据测算结果向卫星提供时
间改正参数、卫星星历等资料。
• 2、空中卫星群：卫星接收来自地面站的信息，并向用
户发射以 C／A 码和 P 码调制的、带有时间信息和卫星
星历等导航参数的1575．42MHz和 1227．60MHz两种载波
频率的信号。
• 3、用户设备：接收卫星发射的时间信号和卫星轨道信
息，求得卫星位置，利用时间信号和伪码相关测量卫星
到测者的伪距，并由计算机解算用户位置、速度等参数。
GPS的系统组成与工作频率
GPS系统的地面支持网
• GPS系统的地面支持网由五个监测站、一个主
控站和四个注入站组成。
• 监测站收集卫星及当地气象资料送给主控站。
• 主控站根据这些资料计算卫星轨道等导航信息，
然后由注入站每隔8h向卫星发送一次，更新卫
星资料，以便卫星向用户设备转发导航信息。
GPS系统的地面支持网
图2 地面台站设置
• 一、监测站
–监测站（MS）有5个，分别设在太平洋的夏威夷、科罗拉
多的斯普林斯、马绍尔群岛的夸贾林岛、印度洋的迪戈加
西亚岛、南大西洋的阿森松岛等。
–每个监测站有一台用户接收机，若干台环境数据传感器，
一架原子钟和一台计算机信息处理机.
–它的任务是对所有视见卫星每测量一次距离数据；监
测导航信息；收集当地环境气象数据；（通过环境传感器
收集当地的气象数据，为了计算对流层校正数据）.
–监测站的计算机控制所有数据的收集，并将得到的数据存
贮，然后把这些数据送到主控站。
GPS系统的地面支持网
• 二、主控站
• 主控站（MSC）设在美国科罗拉多州斯普林斯的联合空间
工作中心。它负责对系统控制部分的运转实行全面的控制。
• 具体任务是：提供GPS系统的时间基准；处理由各监控站
送来的数据；编制各卫星的星历；计算各卫星钟的偏差和
电离层校正参数等，然后把不断更新的导航信息送到注入
站再转发给卫星。
• 监测站每6秒钟将其所测得的卫星距离信息和气象数据发
送给主控站，主控站对测量结果中各种已知的偏差如电离
层延时，对流层折射等进行修正；然后进行一次数据处理,
得到卫星位置、卫星速度、卫星的时钟偏差等估值：
• 然后按一定格式转化为导航电文送入注入站
GPS系统的地面支持网
三、注入站
• 目前注入站有4个，分别位于美国的科得角，
南大西洋的阿森松岛，印度洋的迪戈加西亚岛和
太平洋的马绍尔群岛的夸贾林岛。
• 注入站为主控站和卫星之间提供接口关系。
它用 1754MHz—1854MHz的频率向卫星注入有关
数据。注入数据有用户导航信息（包括时钟校正
参数、大气校正参数）、卫星星历及全部历书数
据。
•
GPS系统的地面支持网
GPS系统工作原理
GPS系统空中卫星群由21颗工作卫星和3颗备用卫星
组成。它们接收地面站发送来的星钟修正参数、电离
层校正参数等导航信息，为用户提供精密和标准定位
服务。
一、卫星星座
• GPS卫星网为21颗卫星星座布局，它包括24个卫星
位置，等间隔分布在6个轨道平面，轨道倾角为55度，
两个轨道在经度上相隔600。每一轨道面上有 4颗卫星。
如图3所示。
• 卫星星座 卫星群空间结构
GPS系统工作原理
• 卫星在高约20183km的近圆轨道上运行，周期约12h。
每颗卫星绕地球运行两圈时，地球恰好绕其轴转一周。
• 这样，每颗卫星每一恒星日有1～2次通过地球上同一地
点的上空。每一颗卫星每天至少一次通过一个地面控制
站的上空，因此控制站可全部设在美国国内。
• 同时，地球上任一地方用户任一时刻至少可看到仰角5
度以上的4颗卫星。
• 卫星姿态采用三轴稳定方式，保证卫星上天线的辐射口
总是对准地面。
GPS系统工作原理
GPS系统工作原理
• 二、卫星提供的导航信息
• 1、卫星工作方式
• 卫星中装有接收机、发射机、高精度的振荡器、
导航电文存贮器。
• 接收机接收地面站发送的导航信息，它包括卫
星星历、历书（卫星的概略坐标）、卫星时钟和
电离层校正参数等，同时还接收地面站发送的控
制指令。
• 卫星上时钟的标准频率f0= MHZ，它是卫
星上各种频率的同步信号。
• P码的码频率等于 f0 ，C／A码的码频率为f0/10， 载
波频率f1=154 f0, f2 =120 f0.
GPS系统工作原理
• 载波L1用P码、C／A码和导航数据信息进行相位调制。载
波L2只用P码和导航数据信息调制.
• C／A码是一种伪随机噪声码序列，其频率为，
周期 1ms。它是一种短码，易于捕获。 不同的卫星分配
了不同结构的C/A码。
• P码也是一种伪随机噪声码序列。其频率为，周
期约267天。实际上使用的P码周期为7天。不同结构的P
码分配给不同的卫星，在一星期内，各卫星的P码不重复。
P码是一种长期的精确码，它难以捕获。通常先捕获C／A
码，然后使用导航电文中含有的交接码转到P码。
•
GPS系统工作原理
• 2、卫星导航电文
• 导航电文是卫星提供给用户的信息，它包括卫
星状态、卫星星历、电离层修正参数和卫星钟偏
差校正参数以及时间等内容。图6是导航电文结构
示意图。
GPS系统工作原理
• (一)导航电文及其格式
• 导航电文是二进制文件，它是按一定格式组成数据帧，按帧向外播送。
• 每帧导航电文由5个子帧组成。第1、2、3帧播放该卫星的星历和卫星钟修正
参数，其内容每小时更新一次。
• 第4、5帧播放所有空中GPS卫星的历书（卫星的概略坐标），完整的历书占25
帧。
• 每个子帧含有10个字，
每个字占30bit.
GPS系统工作原理
• (二)导航电文内容
• 导航电文中各子帧的格式见下图
GPS系统工作原理
• 1. TEL：遥测码
• 每个子帧的第一个字码为遥测字（TEL）它指明卫星注入
数据的状态，由星载设备产生，遥测字开头 8个码位作捕
获导航数据的前导；随后14个bit是遥测电文，内容包括地
面注入数据的状态，诊断信息等，指导用户是否选用该卫
星。
• :转换码
• 每个子帧的第二个字码为转换码.它可以辅助用户从捕获
的C/A码转换到捕获P码.
• 3.导航信息:
• 每个子帧中的后8个字导航信息或专用电文,由地面控制
站注入给卫星。
GPS系统工作原理
• 卫星发送出的信号有：
• 1、L1和L2两种载波；
• 2、C／A码和P码两种伪随机码；
• 3、导航电文（包括时间信号、卫星轨道资料、电波
传播修正参数和卫星钟校正参数、历书）。
•
GPS系统工作原理
GPS系统工作原理
• GPS基本工作原理
• GPS接收机接收来自卫星的导航信息，利用星
历资料计算卫星位置; 利用伪随机码或载波
相位测量测者到卫星的距离，最后解算导航方
程求测者位置的经纬度。
•
GPS系统工作原理
• 一、测时间差求距离
• GPS中，测量者到卫星的距离是通过测电波从卫星
发射到被用户接收机接收的时间间隔来确定的，即
根据卫星信号传播时间与电波传播速度的乘积来求
得。
• 而卫星信号传播时间通过测量卫星信号的C／A码
或P码与用户接收机内产生的同类码相关所需要的相
移来求得。
• 1、伪码测距原理
• 如图8所示，上一行是接收到的卫星伪码信号，下一行是接
收机产生的伪码信号，它的格式与卫星的伪码相同，由接收到的
卫星伪码信号相对于接收机产生的伪码信号的延迟量，就可得卫
星与用户接收机之间的距离。这种未经修正的距离称为伪距。
GPS系统工作原理
• 2、伪码测距方法
• 如图9所示，被接收、检测和放大的伪随机序列与接收机
产生的伪码序列通常是不同步的，本机的伪码在时钟的控
制下逐步地移动，直到接收的和本机的伪码信号同步，则
相关器输出控制信号停止本机伪码的移动，并将测得的时
间信息提供给计算机。
GPS系统工作原理
• 图10示出了相关接收的一个例子，第2行是接收来自卫星的10个
码元信号，第3行是本机产生的伪码序列的10个码元。
• 当接收的伪码信号与本机伪码信号不同步时，在时钟控制下，本
机伪码序列右移，直到第4行所示状态，即同步，此时相关器输出
高电平停止本机伪码的移动。
• 测得的时间差是 5个码元持续时间，每个码元为1s ，共5s。
GPS系统工作原理
• 二、 卫星定位算法
• 1、导航方程
• 自相关测量卫星发送的伪码和本机产生的伪码间差值
而得到的距离，并不是测者到卫星的真实距离，许多因素
使它带有不同性质的误差，影响较大的有卫星钟差、用户
钟差、电波传播误差等。这些误差严重地影响卫星的定位
精度，必须尽可能予以修正。
GPS系统工作原理
• （1） GPS时间系统
• 原子时是以铯原子133基态两个超精细能级间跃迁所辐射的电
波振荡周期为基础的时间系统。起始历元为1958年1月1日0点。
原子时稳定、均匀、至今未见变化。
• 协调世界时UTC是以原子秒为单位，
• GPS时是一种连续的、高精度的、均匀的时间系统，它以原子
秒为单位，时间间隔为一周即604880s）。它开始和结束在每
周星期六和星期日之间的子夜零点时刻。
• GPS时起点1980年1月6日UTC的零点。它常用自起点以后的周
数、日数、GPS秒来表示时间。
• GPS时间计量是通过Z计数（从每个星期日的零时开始计数，）
进行的，利用Z计数器可以较快地捕获P码。
GPS系统工作原理
• （2）钟差
• GPS时间是整个系统的时间标准。它在导航电文的交换
字中每6s向用户发送一次。由于1ns即s的误差将导致
距离误差0．3m，所以整个系统要求严格与主控站的原
子钟同步。
• 通常卫星钟和用户钟都有误差。
• 卫星钟差可根据导航电文确定。
• 用户钟差可在导航解算过程中获得。
GPS系统工作原理
• (3)电波传播误差
• 该误差主要由电离层和对流层对电波的影响造成的。
• a．电离层的影响
• 地球上方50km到1000km区域的大气层，由于受太阳
紫外线等影响而电离成自由电子和离子，形成密度随昼
夜、季节、地磁纬度及太阳活动情况变化的电离层。当
电波穿越该区域时，将受到非线性传播性能的影响。
• 卫星导航电文中，子帧1和子帧5提供了一些参数供校正
电离层附加延时用，还有利用伪码和相位测量、不同测
量值线性组合，差分方法等来消除电离层的影响。
GPS系统工作原理
• b．对流层影响
• 电波经过对流层时，受气温、气压、湿度、仰角等因
素影响也会产生传播附加延迟。在标准情况下，卫星
位于天顶时，其误差约，卫星仰角为10度时，其
误差可达20m。
• 由于对流层造成的误差与卫星仰角有关，低仰角
时电波通过对流层的路径长，误差大，所以实际应用
中应选择仰角大于50的卫星
GPS系统工作原理
• （4） 测距方程
• 图12示出了卫星距离测量中影响测距精确的因素。伪
距测量值是用测得的卫星发射的信号和用户接收机收到信
号的时间差t与电波速度C来描述的，可写为下列表达式：
GPS系统工作原理
• Ri= Ri+ctAi+c(tu- tui)
• 式中： Ri——伪距；
• Ri ——真实距离；
• c——电磁波传播速度；
• tui ——卫星钟差；
• tu ——用户钟差；
• tAi——传播延迟和其它误差。
GPS系统工作原理
• 经修正卫星钟差、电离层和对流层等系统误差后，剩余误
差作为随机误差:
• Rp=R+T+V （2）
• 式中： Rp—测量的距离
• R——测者到卫星的实际距离
• T—用户钟差对应的距离偏差
• V——随机误差
• 则式（2）即为测距导航方程。
GPS系统工作原理
• 2、GPS定位算法
• GPS卫星定位算法很多，依据求解的未知数维数不同，
有二维、三维等定位法。依据计算方法不同，有解方
程组法、最优估计法等。
• 定位类型还有定点、动点定位之分，差分方法和非差
分法之分。
•
GPS系统工作原理
GPS定位误差
• GPS定位误差主要来源于伪距误差、卫星与测者
间 相 对 几 何 位 置 的 几 何 精 度 因 子
GDOP（Geometric Dilution of Precision），以
及使用不同测地坐标系而产生的误差。
• 位置误差与伪距误差成正比，与测者和卫星之间
的位置关系有关。这种关系通常用几何精度因子
GDOP来描述。
• 一、几何精度因子GDOP
• GDOP有下述特性：
• （1）它是选定4颗卫星与测者之间几何关系造成的
位置误差的放大倍数。当GDOP大一倍时，位置误差也将大
一倍。
• （2）GDOP只与卫星和测者的相对位置有关，与所选
坐标无关。
• （3）GDOP是星座设计的一个判据，即卫星安置的位
置应能使地面测者获得好的GDOP值。
• （4）定位时，选星原则就是使GDOP尽可能小，以提
高定位精度。
GPS定位误差
• 为了取得精确的定位效果，选星时总是使GDOP尽可能减
小，导航仪通常采用以下方法来选星。
• （1）最佳GDOP法。即从仰角5度以上的星中取4颗的
全部组合，分别计算GDOP值，取GDOP最小的一组星座
进行定位。此法选择的星座最佳，但计算量大。
• （2）次优GDOP。从能收到的卫星中先选出三颗，它
们的斜距具有最大的垂直分量、北向分量和东向分量，然
后再选一颗卫星使GDOP最小。
• （3）端四面体法。以测者为中心作单位球，以四颗星
在球面的投影点为顶点组成一四面体。当该四面体体积最
大时，这四颗卫星的 GDOP最小，参阅图14。
GPS定位误差
• 二、伪距测量误差
• GPS系统中，因测量带来的误差，可以全部
等效为伪距测量时带来的距离误差，称为用户等
效测距误差。
• 它主要来自卫星部分，传播途径和用户设备等造
成的误差。
GPS定位误差
• 1、星历和星钟的误差
• 由星历所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差为星历
误差。
• 它主要取决于卫星跟踪系统的质量，如监测站的数量及
分布；观测值的精度；轨道计算时所用的模型及软件等。
同时还与星历表的预报间隔有关。
• 星钟误差主要取决于星上钟的质量，卫星上虽然使
用高精度的原子钟，但它仍存在误差，其系统性误差可
由卫星钟校正参数加以修正，而随机误差，则难于完全
校正。
GPS定位误差
• 2、大气层传播延迟
• 大气层传播延迟，包括电离层传播延迟和对流层传播延迟
二部分。其误差虽经校正，但仍残存一部分。
• 3、多路径效应
• 多路径效应是指用户设备接收到卫星信号不仅有直达信号，
还有经反射到达的信号，这些信号合成后，使信号特性变化，
形成测量误差。这种多路径误差，与用户天线位置及其附近反
射面自然特性有关。
• 4、接收机噪声和量化误差
• 用户接收机的硬件和软件处理信号所引起的噪声，会在距离测
量中对误差产生影响。接收机测距可被量化。
• 5、接收机通道间偏差
• 多通道接收机进行测量时，由于各通道硬件路径不同，会
产生通道间偏差。
GPS定位误差
GPS用户设备
• 1 GPS用户设备的组成
• GPS用户设备包括GPS接收机及其天线，并包括内部
配套的或外部选装的控制显示设备。接收机和天线是
用户设备的核心部分。它的主要功能是接收GPS系统
的卫星信号并进行处理、量测和数据输。GPS用户设
备核心部分的主要组成如图16所示。
前置
放大
混频
滤波
信号
处理
微处
理器
输入
输出
基准
振荡
外部控制
显示组件
外
部
系
统
天线
图16 GPS用户设备的核心部分
GPS用户设备
• 天 线——一般用微带天线，它带前置放大，采用低噪声放
大器；
• 射频部分——包括混频和滤波，使其成为中频输出；
• 信号处理——用于信号识别和跟踪处理，在此测定伪距和时
间，并进行解扩提取导航电文；
• 微处理器——用于接收机的控制、数据采集和各种计算，包
括选星计算、定位计算和监测计算；
• 输入输出——包括数据存贮和输入输出端口功能，供外部控
制显示组件和外部系统使用；
• 基准振荡器——用以产生标准频率，供用户接收机时钟混频，
以及产生伪码等用。
GPS用户设备
• 2 用户接收机的类型
• GPS接收机可有多种不同的分类，现将其主要
分类加以介绍。
• 一、根据接收机的工作原理分类
• ——码相关型接收机；
• ——相位型接收机；
• ——混合型接收机。
GPS用户设备
• 码相关型接收机：能够产生与所测卫星的测距码结构完全
相同的复制码。工作中通过逐步相移，使接收码与复制码
达到最大相关，以测定卫星信号到达用户接收机天线的传
播时间。码相关型接收机可利用C/A码也可以利用P码，其
工作的基本条件是必须掌握测距码的结构。所以这种接收
机也称为有码接收机。
• 载波相位型接收机：是利用载波信号的平方技术去掉调制
码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号。这种接收
机只利用卫星的信号无需解码，因而不必掌握测距码的结
构，所以也称为无码接收机。
• 所谓混合型接收机，是综合利用了相关技术和相位技术的
优点，它可以同时获得码伪距和精密的相位观测量。
GPS用户设备
• 二、根据接收信号通道的类型分类
• ——平行通道接收机；
• ——序贯通道接收机；
• ____多路复用通道接收机。
• 在导航和定位工作中，GPS接收机需要跟踪多颗卫星。
而对于来自不同卫星的信号，接收机必须首先将它们分
离开来，以便进行处理，量测获得不同卫星信号的观测
量。
• GPS接收机的通道，其主要作用是将接收到的不同卫星
信号加以分离，以实现对各卫星信号的跟踪、处理和量
测。
GPS用户设备
• 平行通道接收机，即具有多个卫星信号通道，而每个通道只
连续跟踪一个卫星信号的接收机。这种接收机也称连续跟踪
型接收机。
• 序贯通道接收机，通常只具有1～2个通道。这时为了跟踪多
个卫星信号，它在相应软件的控制下，按时序依次对所有观
测卫星的信号进行量测，也称时序式接收机。由于对所测卫
星依次量测一个循环所需时间较长（>20 ms），所以其对卫
星信号的跟踪是不连续的。
• 多路复用通道接收机，与序贯通道接收机相似，一般也只具
有1～2个通道。，在相应软件的控制下，按时序对所有观测
卫星所信号进行量测，其与序贯通道接收机的区别，主要是
对所测卫星信号量测一个循环的时间较短（≤20ms），可以保
持对卫星信号的连续跟踪，所以也可以称为快速序贯通道接
收机。
GPS用户设备
• 三、根据接收的卫星信号的载频和码制分类
–单频接收机（L
1
），CA码，供民用；
–双频接收机（L
1
+L
2
），CA码加L
2
无码接收，供民用；
–双频接收机（L
1
+L
2
），P码，供军用。
• 单频接收机只能接收经调制L
1
信号，而且只能利用CA码。
但由于修正模型尚不完善，精度较差。所以单频接收机
主要用于民间。
• 双频接收机，可以同时接收L
1
和L
2
信号，和利用P码，而
且利用双频技术可以消除或减弱电离层折射对观测量的
影响，导航和定位的精度较高，一般用于军用。今后L
2
信号加发CA码后，或者加发L
5
民用频率后，也可用双频
民用接收机。
GPS用户设备
• 四、根据接收机的用途分类
• ——导航型；
• ——大地型；
• ——授时型。
• 导航型接收机，主要用于确定船舶、车辆、飞机和导弹等运
载体的实时位置和速度，以保障这些载体按预定的路线航行。
• 大地型接收机，主要是指适于进行精密大地测量工作的接收
机。这类接收机，一般均采用载波相位观测量进行相对定位，
精度很高，也称测量型接收机。
• 授时型接收机，主要用于天文台或地面监控站进行时频同步
测定。利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时。
GPS用户设备
• 3. 接收机通道概念
• 接收机信号通道，可以理解为GPS卫星发射的信号，经
由天线进入接收机的“路径”，它的主要作用是跟踪、
处理和量测卫星信号，以获得导航和定位所需要的数
据和信息。
• 前已指出，当GPS接收机的全向天线，接收到所有来自
天线水平面以上的卫星信号之后，必须首先把这些信
号分离开来，以便进行处理和量测。这种对不同卫星
信号的分离，就是通过接收机内若干分离信号的通道
来实现的。
GPS用户设备
• 通道是由硬件和相应的控制软件组成的。每个通道在某
一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号。当接收机需
同时跟踪多个卫星信号时，原则上可能采用两种跟踪方
式：
• 其一是接收具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连
续地跟踪一个卫星信号；
• 其二是一个信号通道在相应软件的控制下用时分制跟踪
多个卫星信号。
• 所以通道的类型，如果根据跟踪卫星信号的不同方式，
则可分为下列三种（参见图10-3-2）。
• ——序贯通道（Sequencing channel）；
• ——多路复用通道（Multiplexing channel）；
• ——并行通道（Multi-channel in parallel）
GPS用户设备
• 根据通道的工作原理，即对信号处理和测量方法上的不同，
可分为三种不同技术：
• 码相关技术：从接收到的载波中提取伪随机噪声（PRN）码
的CA码序列后，和接收机自己生成的码序列（或称复制码）
对照，对复制码用前移或后推的方法使复制码和接收码对
齐，使信号得到捕获和识别，在此基础上可以通过测定复
制码和接收码之间的时间差，即卫星到用户之间的传播时
间，而获得伪距数据。用码相关技术测距方法又称码伪距
法。
GPS用户设备
• 载波相位技术：将接收到的载波信号自乘，去掉载波上的
调制码，用以作载波相位测量。利用此法所测定的相位。载
波相位技术只能用于静态测量，因为CA码L
1
的频率为
其波长约19cm，如果GPS定位更新率每秒一次的话，
每秒为数厘米速度的动态用户，就无法采用载波相位技术。
• 码相位技术：将接收到的载波信号与该信号延迟半个码元宽
度（487ns）的信号相乘，经过带通滤波后获得一个其频率与
C/A码频率相同的正弦波信号。然后利用时间间隔计
数器来测量码相位。码相位技术只能用于低动态测量，因为
CA码的频率为，对应波长为293m，高动态用户无法
利用。
GPS用户设备
• 载波相位技术和码相位暗处都不需了解测距码的结构，
都无法获得卫星的导航电文和时间信息，虽然它们的
测量精度较高，但只能用于静态定位，很少用于动态
导航。航空用导航型GPS接收机都采用码相关技术，但
有时也可以附加码相位技术支助，以便提高精度。所
以码相关技术使用最为普遍。
GPS用户设备
差分GPS系统
• 一、差分GPS技术原理
• 在飞机进近着陆时，飞机的定位精度应更高，应该不低
于米级要求，为此可以采用差分GPS技术。
• 差分GPS的技术原理为：在已知精密座标位置的点上，设
置GPS监测设备（GPS基准台），用精度很高的静态定位
用的双频GPS接收机，天线位置上排除多径干扰的影响，
连续实时地接收GPS信号，求出误差，按规定时间间隔确
定修正量值向用户播发。用户利用收到的信息，使机载
接收机解算中加以修正，因此能够输出更为正确的位置
数据。
• 利用差分GPS（或称DGPS）可以消除或减小例如星钟误
差、星历误差、信号传播延迟误差等公共误差，因而提
高了定位精度。但用户接收机自身的噪声误差，多径干
扰误差只与自身设备有关，差分GPS技术也不能消除。
• 差分GPS应用中的精度和用户相对差分基准台的距离有
关，离基准台越近，则由于其公共误差相同而精度高，
离台较远时，由于大气传播误差上产生差异，使精度降
低。因而，差分技术的应用受到用户与基准台之间距离
的限制。所以差分GPS技术一般适用于机场附近的进近
着陆，并不适用于航路飞行。
差分GPS系统
• 二、差分GPS的类型
• 基于相同的工作原理不同的修正方式，差分GPS分为以下类型
• 位置差分：基准台测出位置的三维数据（经度、纬度、高度）
和基准台天线的中心标定精密位置的三维数据相比较，得到经
度差、纬度差和高度差三个数据后，向空中广播，飞机上收到
后按此数据修正飞机位置即可。
• 此法优点为用户只需在自己测得位置数据上修正，不必在通道
接收机内部修正，但如果用户接收机选用于定位的四颗卫星和
基准台所选用的四颗卫星不同，则显然误差各不同而导致不正
确。当飞机离基准台较远一些时，由于几何位置不同，选用卫
星组合会不同，所以此法只能适用于离基准台较近的情况。
差分GPS系统
• 伪距差分：基准台测出在其可视见范围内所有卫星的伪距
数据和该点到卫星之间理论算出的伪距比较求出伪距误差，
将所有卫星的伪距误差，称为用户差分距离误差（UDRE）
向用户广播，飞机上的接收机收到后，先对定位计算中所
用卫星的伪距进行修正后，再送去求定位解，这样可以使
求出的定位解数据更为精确。
• 此法必须在用户接收机内部修正，但不管接收机定位时选
用任何卫星组合均可。这是目前广泛采用的方法，不论海
上或航空的差分应用都用此法，其精度仍然与用户离基准
台的距离有关。
差分GPS系统
• 载波相位差分：基准台和用户接收机同时采用载
波相位测量法分别测定对共视卫星的载波相位距
离，基准台将各卫星的载波相位修正值发送给用
户，以便用户改正其载波相位距离，然后求出精
确的定位解。这种技术用于测地定位，又称实时
动态测量（RTK）技术。
差分GPS系统
全球导航卫星系统GNSS
• 一、概况
• GPS是美国军方控制和运行系统，虽然已经宣布其
民用码（CA码）向全球民间开放，免费提供使用，
但是保留其对敌视使用的拒绝措施，包括危机时
刻采用向局部地区施加降精度，乱码或中断信号
等不可预测的措施，对航空使用尚无安全保障。
在美国也不能作为单一导航手段使用。
• 国际民航组织（ICAO）鼓励航空界尽早采用卫星导航，
考虑到美国的GPS尚未具有足够的安全保障，提出了一
个使用多元化的全球导航卫星系统（GNSS）概念，根
据定义：“GNSS是一个全球性的位置和时间的测定系
统，它包括一个或几个卫星星座，机载接收机和系统
完好性监控，这个系统完好性监控是为了支持实际飞
行阶段中所需导航性能（RNP）所必要的增强。”从而
把GNSS这个名词固定下来并专门化，成为被ICAO采纳
作为全球民航用作航空器定位和导航的一个统一系统
的总概念。
全球导航卫星系统GNSS
• 它蕴含着如下意义：
• （1）GNSS将由多星座系统组成，不能单纯依靠单个或
单国的某一现存系统（星座），而GPS和GLONASS（以
及今后的Galileo系统）可以作为GNSS的选用部件；
• （2）考虑到民航对安全飞行上的要求，GNSS必需有完
好性监控和增强技术。例如美国、加拿大准备发展由
静地卫星发布广域完好性监控信息和广域差分信息，
称为广域增强系统（WAAS），日本也将发射静地卫星
——移动运输卫星（MTSAT），同样具有对GPS的广域
增强作用（MSAS），欧洲利用Inmarsat卫星和
Artremis卫星实现欧洲静地卫星的GPS重叠系统
（EGNOS）也是一种广域增强系统。
全球导航卫星系统GNSS
• 这些广域增强系统必须在地面上按地域建立对
GPS的完好性监测台网，监测并生成完好性数
据，用以上行注入卫星后向用户广播，这些台
网和静地卫星都是GNSS的组成部件；
• （3）机载接收机必需备有接收机自治式完好性
监控（RAIM）手段，作为接收机适航批准的必
要条件；
• （4）希望由民间补发、加发民用的导航卫星，
或建立民用导航星座，最终地形成一个民用GNSS
星座，近期欧洲提出的Galileo计划，能够符合
此要求。
全球导航卫星系统GNSS
• 二、 GLONASS系统
• Glonass是前苏联于1982年宣布发展并发射首颗试验卫星建立起来的，比
美国的GPS晚起动晚9年，直至1996年初达到了24颗卫星在轨的满星座运行。
其星座方案与GPS相仿，为24颗中高度轨道（MEO）卫星，采用19100公里
高度的三个等间隔轨道，轨道倾角°。由于倾角较大，对高纬度地区
的信号覆盖较好。每个轨道上平均分布8颗卫星。卫星绕地球旋转周期约
11小时15分钟。
• 三、 Galileo计划
• 欧洲联盟委员会于1999年公布其伽利略（Galileo）计划，意欲靠欧洲力
量建立一个和GPS相仿的，可以和GPS兼容，但独立自主的民用全球导航卫
星系统，希望在交通运输上摆脱一贯受美国的牵制，这个计划虽然难产，
曾两次搁浅，最近已于2002年3月决策上马。
• 该计划星座部署的初步方案与GPS星座相仿，由30颗中高度轨道（MEO）卫
星组成，采用23100公里高度上的三个等间隔轨道，轨道倾角56°，每个
轨道上均匀分布9颗工作卫星，另有一颗在轨备用卫星。
全球导航卫星系统GNSS
