第2章 卫星定位

1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，它使空间科学技术的发展迅速进入一个崭新的时代。随着人造地球卫星不断入轨运行，利用人造地球卫星进行定位测量已成为现实。GPS （Global Position System）卫星定位系统的出现，以其全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已成为卫星定位系统的事实标准，并将卫星定位技术引入众多的应用领域，引发了测绘、交通运输等行业的深刻变革。

卫星定位系统，因其有着极高的可用性和可靠性，可提供适用多种需要的定位精度，拥有广泛的应用领域，从而使得卫星定位技术成为最重要、最有效也最成熟的一种定位技术。本章将以GPS为例，讲述卫星定位系统测量基础、测量原理、定位方法及误差等内容。

2.1 卫星定位测量基础

本节介绍卫星定位系统中的基础部分，包括卫星定位系统的发展历程、卫星定位系统组成结构、定位测量采用的空间系统和时间系统、卫星轨道运动等内容。

2.1.1 卫星定位系统概述

1.卫星定位系统的发展历程

20世纪60年代卫星定位测量技术问世，并逐渐发展成为利用人造地球卫星解决大地测量问题的一项空间技术。追溯卫星定位测量技术的发展过程，大致可归结为三个阶段，即：卫星三角测量，卫星多普勒定位测量，GPS卫星定位测量。

1966～1972年间，美国国家大地测量局在美国和联邦德国测绘部门的协助下，应用卫星三角测量方法，测量了具有45个测站的全球三角网，并获得了5m的点位精度。但是，卫星三角测量资料处理过程复杂，定位精度难以提高，不能获得待定点的三维地心坐标，因此卫星三角测量技术逐渐退出历史舞台，卫星定位测量向更高阶段发展。

1958年12月，美国海军开始研制美国海军导航卫星系统，于1964年建成并投入使用。该系统采用多普勒定位技术，在军事和民用方面取得了极大的成功，是导航定位史上的一次飞跃。我国也曾引进了多台多普勒接收机，应用于海岛联测、地球勘探等领域。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频率低，轨道精度难以提高，使得定位精度较低，难以满足大地测量、工程测量和天文地球动力学研究的要求。

为了提高卫星定位的精度，美国从1973年开始筹建全球定位系统GPS。在经过了方案论证、系统试验阶段后，于1989年开始发射正式工作卫星，并于1994年全部建成，投入使用。GPS系统能在全球范围内，向任意多用户提供高精度、全天候、连续、实时的三维测速、三维定位和授时。

2.卫星定位系统组成

卫星定位系统一般由三部分组成，即空间部分、地面监控部分和用户设备部分。

GPS系统的空间部分是指GPS工作卫星星座。GPS工作卫星由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上。卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角为55°。各个轨道平面的升交点（指当卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角，即轨道倾角不等于零时，轨道与赤道面有两个交点，卫星由南向北飞行时的交点）赤经相差60°，轨道平均高度为20 200km，卫星运行周期为11小时58分（恒星时），同一轨道上各卫星的升交角距为90°。GPS卫星的上述时空配置，保证了在地球上的任何地点、在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足精密导航和定位的需要。

GPS系统的地面监控部分目前由5个地面站组成，包括主控站、信息注入站和监测站。主控站设在美国本土科罗拉多·斯平士的联合空间执行中心（CSOC）。主控站除协调、管理所有地面监控系统的工作外，主要任务还有根据各个监测站提供的观测数据推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数，提供全球定位系统的时间基准，调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星以取代失效的工作卫星等。注入站的主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供观测数据。整个GPS地面监控部分，除主控站外均无人职守，各站间用现代化的通信系统联系，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。

GPS 系统的用户设备部分由 GPS 接收机硬件、相应的数据处理软件、微处理机以及终端设备组成。GPS接收机硬件包括接收机主机、天线和电源。它的主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件是指各种后处理软件包，它通常由厂家提供，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。

3.卫星定位系统应用概述

目前主要的卫星定位导航系统（如GPS和GLONASS）都是军方的产物。GPS是美国国防部影响最为深远的计划之一，对战略战术产生了深远而巨大的影响，其孕育及整个发展过程都是为军事目的服务的，从单兵定位、弹道测量、靶场监测到空间防务、核爆探测，GPS都发挥了巨大的作用。

民用航空是卫星定位导航系统重要的民用用户，在民航各方面的应用研究和试验几乎与卫星导航系统本身的发展同步进行。卫星导航的全球、全时、全天候、精密、实时、近于连续的特点，使它具有其他系统无法比拟的优点，并且彻底改变了传统的概念和方式。它可对民航飞机提供从导航到着陆、从地面到高空的一体化服务。用于航路导航，作为空中交通管制的一部分，可以改变航路上交通拥挤状况，改善高度分层，对飞机进行全程监视；用于进场着陆，不仅着陆设备简单，还可实现可变下滑道、曲线进场、多跑道同时工作；用于机场场面监护，可代替场面雷达管理各种机动车辆和飞机。

卫星定位导航系统是航天飞机等航空领域中最理想的定位导航系统。它能提供航天飞机的位置、速度和姿态参数，可以为航天飞机的起飞、在轨运行、再入过程及进场着陆提供连续服务。美国已在这方面进行过多次实验，美国“亚特兰大”号航天飞机安装了两套GPS，可为航天飞机导航系统提供多种参数，提高了导航系统的精度和可靠性，并大大简化了系统复杂度。卫星定位系统还常用于低轨卫星和空间站的定轨，用差分GPS完成飞船的交会和对接。我国对GPS在航天领域的应用从20世纪80年代初就已开始跟踪研究，包括方案探讨、算法研究、仿真及硬件设备的改进等工作。可以肯定，利用国内外现有的设备对航天器进行定轨、制导及测控等，GPS等卫星定位系统可以获得其他方法无法达到的精度和方便程度。

海洋也是卫星定位导航系统的重要应用领域之一。在军事上，除了对各类舰艇进行导航之外，还可以完成海上巡逻、舰队调动与会合、海上军事演习和协同作战、武器发射、航空母舰的定位与导航和对舰载飞机的导引等。在民用方面，可以进行船只定位、海洋测量、石油勘探、海洋捕鱼、浮标设立、管道铺设、浅滩测量、暗礁定位、海港领航和水上交通管理等。GPS在航海方面拥有最早、最多的用户，从1980年以来，美、日、英、德、法等各国就已经进行了大量实验。在航海方面，目前尚无比GPS更为先进的定位导航系统，其开发和应用受到各国的极大重视，除一般应用外，GPS的各种精密定位方法可用于港口船舶监控、狭窄航道的船舶导航、海洋地球物理勘探、海上平台定位、航标和浮标等的设立以及与声呐系统一起为水下物体定位。

利用卫星定位系统，在一个点上采用长时间观测、多点联测或者事后处理的方法，可以达到厘米级的观测精度，从而为研究地球动力学、地壳运动、地球自转和极移、大地测量和地震监测等提供了新的观测手段。另外，一些特殊的处理方法，如卫星源射电干涉法、多次差分法、载波相位观测、双频接收机、平滑和滤波技术等，为大地测量，特别是公路、铁路、桥梁等设计施工提供了准确而又简便的测量手段。

陆地定位导航对卫星系统的要求最低，只需低动态、单或双通道接收机时序处理，因而对卫星系统的完善性要求比较低，并可利用地标、地形随时修正，还可以利用航位推算等附加信息。现在卫星定位系统已经广泛应用于车辆定位导航、行业车辆管理、列车监控、野外作业等领域，并与其他如蜂窝网络、Wi-Fi无线网络等通信和定位技术相结合，定位速度和精度都在不断改进，应用范围也在不断拓宽。

2.1.2 卫星定位系统空间与时间系统

卫星定位系统中，卫星作为高空已知点，其位置是不断随时间变化的，利用这些卫星进行测量定位时，必须给出卫星在某一瞬时时刻的确切位置，这便需要确定描述位置的空间系统和描述时刻的时间系统。本节讲述的空间和时间参考系及2.1.3节讲述的卫星轨道是描述卫星运动、处理导航定位数据、表示飞行器运动状态的数学和物理基础。

1.卫星定位空间系统

在GPS定位导航中常会涉及多种坐标系。坐标系的适当选用在很大程度上取决于任务要求、完成过程的难易程度、计算机的存储量和运算速度、导航方程的复杂性等。一类常用坐标系是惯性坐标系，它是在空间固定的，与地球自转无关，对于描述各种飞行器的运动状态极为方便。严格说来，卫星及其他飞行器运动理论是根据牛顿引力定律，在惯性坐标系中建立起来的，而惯性坐标系统在空间的位置和方向应保持不变或仅作匀速直线运动。但是，实际上严格满足这一条件是困难的，在导航和制导中，惯性参考系一般都是通过观察星座近似定义的。另一类是与地球固连的坐标系，它对于描述飞行器相对于地球的定位和导航尤为方便。此外，还可能用到轨道坐标系、体轴系和游动方位系等。由于坐标轴的指向具有一定的选择性，因此常用“协议坐标系”指明国际上通过协议来确定的某些全球性坐标轴指向。

GPS定位系统是建立在“全球大地系统”（WGS，World Geodetic System）的基础上，它是一种以地球质心为圆点与地球固连的坐标系，属于协议地球坐标系。全球大地参考系统的精度受技术水平的限制，也因相应的任务精度要求而定。1960年，美国推出了WGS60，以后又相继推出WGS66和WGS72，其精度不断提高。1984年，美国军用制图署（DMA）对地球进行新的测量和定义，推出了全球大地系统 WGS84，这一系统被 GPS采用，成为 GPS定位测量的基础。

不同的国家或地区根据本地区的地表情况按椭球面与本地区域大地水准面最吻合的原则建立起自己的大地系统，供本国或本地区使用。由于受观测资料的局限，定义的椭球参数不尽相同，在参考椭球的基础上建立起局部大地系统。我国目前使用的大地坐标系统主要是1954年北京坐标系（简称BJ-54系）和l980年国家大地坐标系。

在航空导航应用中，经常需要把定位结果与地图相比较，如机场的调度管理、地形匹配系统等。地图投影是通过把椭球面的点投影到一个平面上形成的。大地测绘成果通常以这个坐标形式给出，它也是地图绘制的基础。地图投影的方式很多，我国采用的是高斯-克吕格投影。它是一种横轴、椭圆梭面、等角投影，用一个椭球柱面与地球椭球在某一子午圈上相切，这条子午线叫做投影轴子午线，也就是高斯-克吕格投影直角坐标系的纵轴或横轴，地球的赤道面与椭圆柱面相交成一条直线，这条直线与轴子午线正交，就是平面直角坐标系的横轴或纵轴，把椭圆柱面展开，就得到以（x，y）为坐标的平面直角坐标系。高斯-克吕格投影原理图如图2-1所示。

2.卫星定位时间系统

GPS定位是建立在测定无线电信号传播延迟基础上的，把时间转换为距离量时纳秒级的时间误差都可能会引起米级的距离误差，这就要求时钟高度稳定和同步。从理论上而言，任何一个周期运动，只要它的周期是恒定的且是可观测的，都可以作为时间的尺度。实际上我们所能得到的时间尺度只能在一定精度上满足这一理论要求。

为了保证导航和定位精度，GPS定位系统建立了专门的时间系统，简称GPST。GPS时间系统是由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一种原子时系统，与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。

2.1.3 卫星运行轨道及受摄运动

应用卫星定位系统进行导航和定位，首先要知道卫星轨道参数，进而确定卫星在空间的位置坐标。对于单个接收机定位，定位误差与卫星轨道误差密切相关。在相对定位中，按照经验，相对基线误差等价于相对轨道误差。卫星轨道参数是作为卫星广播电文的一部分由卫星发送的，这些参数是在地面跟踪站对卫星观测几天之后，由地面主控制站进行预报计算得来并经注入站加载到卫星的，所以是预报值。在讨论卫星正常轨道运动时，通常进行以下假设：

（1）地球是一个质点或具有均匀密度分布的球，其引力场是对称的；

（2）卫星的质量与地球相比可以忽略；

（3）假定卫星在真空中运动，即没有大气阻力和太阳辐射压力作用在卫星上；

（4）没有太阳、月球和其他天体引力作用在卫星上（仅讨论二体问题）。

然而卫星轨道运动是地球引力和其他许多作用在卫星上的力产生的总结果，如太阳和月球引力，太阳辐射在卫星上的压力。对于低轨道卫星，大气阻力也是不可忽略的。要想获得卫星运动的精密轨道，就不能只考虑地球的质心引力作用，而必须顾及卫星运动中所受到的地球非质心引力及其他各种作用力的综合影响，这些力称为摄动力。卫星在地球质心引力和各种摄动力综合影响下的轨道运动，称为卫星的受摄运动，相应的卫星运动轨道称为摄动轨道或瞬时轨道。摄动轨道偏离正常轨道的差异，称为卫星的轨道摄动。卫星受到的摄动力来源有以下几种：

（1）地球体的非球性及其质量分布不均，即地球的非中心引力；

（2）太阳的引力和月球的引力；

（3）太阳的直接与间接辐射压力；

（4）大气的阻力；

（5）地球潮汐的作用力；

（6）磁力等。

在摄动力加速度的影响下，卫星运行的多普勒轨道参数不再保持为常数，而变为时间的函数。在上述各种摄动力中，大气阻力的影响主要取决于大气的密度、卫星的断面与质量之比以及卫星的速度。由于 GPS 卫星所处的高空大气密度甚微，以至其对卫星的阻力影响可以忽略。地球受日月引力的影响产生潮汐现象，而地球的潮汐又将对卫星的运动产生影响，所以地球潮汐的影响，可以认为是日月引力对卫星运动的一种间接影响，理论分析表明，对GPS卫星来说，这种影响也不明显。