2.1 GPS 全球定位系统组成部分
GPS 系统由GPS 卫星星座（空间部分），地面支持系统（地面控制部分）和GPS 用户接收机（用户部分）三个部分组成，如图所示。
图2.1 GPS 系统组成示意图
2.1.1 GPS 卫星星座
GPS 空间卫星星座最初（1978 年）计划由分布在3 个轨道上的24 颗卫星组成，1981 年因为考虑经费问题改为6 个轨道上的18 颗卫星星座，1986 年将卫星数目增加到21 颗，目前在轨的卫星数目为24 颗，其中3 颗为有源在轨备用卫星。
现有的24 颗卫星星座如图2.2 所示。卫星均匀分布在A，B，C，D，E，F共6 个倾角为55 度的轨道面上，每个轨道面上配置4 颗卫星。在6 个轨道面上，卫星等间隔的通过赤道上空，相邻的两个轨道平面交角为60 度。卫星运行高度20183 千米，运行周期11 小时58 分1.8 秒。这样，地面用户在15 度的仰角上可同时观测到4 至8 颗卫星；若仰角进一步降到5 度，有可能同时观测到12 颗卫星。
每颗GPS 卫星由收发设备、操作系统、原子钟、太阳能电池、推动系统和各种辅助设备组成。通常每颗卫星都处于正常工作状态。
图2.2 GPS 星座卫星分布
2.1.2 地面支持系统
利用卫星实现定位导航，首先必须知道卫星的位置。而卫星的位置是由卫星向用户实时广播的卫星星历（轨道参数）计算获得。卫星的星历数据来自于地面支持系统，而不是由卫星自己产生。
地面支持系统又称为地面控制部分，它由1 个主控站、5 个全球检测站和3个地面控制站组成。地面支持系统的任务就是跟踪所有的卫星，进行轨道参数和钟差的测量，计算卫星星历编辑成电文向卫星发送，预测修正模型参数，同步卫星钟等。
主控站拥有大型计算机，负责采集数据、编辑导航电文并发送到3 个地面控制站、诊断整个地面支持系统及卫星的工作状况并向用户指示以及调度卫星。监测站是无人值守的数据采集中心，装有精密的铯原子钟和能连续测量所有可见卫星的伪距的接收机，对卫星进行常年观测，并采集电离层数据和气象数据。地面控制站的主要组成部分是地面天线。由主控站传送来的卫星星历和钟参数由这里发送注入到经过该站上空的各个卫星。目前对每颗卫星每天注入一次或两次。
图2.3 地面支持系统方框图
2.1.3 用户部分
从GPS 实验卫星开始研制到24 颗工作卫星填满星座，系统投入正常运行，美国和世界许多国家的公司企业和科研机构相继研制出多种类型的GPS 用户设备。
GPS 用户设备包括独立应用的各类GPS 接收机和与其他设备或系统组合应用的各类产品。
GPS 用户设备按用途分类有军用、民用、导航、授时、测地等类型；按载体分类有舰载、车载、机载、手持等类型；按编码信息分类有有码接收机和无码接收机等类型；按电子器件分类有数字式接收机、混合式接收机、GPS-OEM 板等类型；按工作模式分类有单点定位式接收机、相对定位式接收机和差分接收机等
类型。
GPS 用户设备虽然种类繁多，用途不一，但是它们的基本组成大致相同。天线单元。目前使用较多的GPS 接收天线有四线螺旋天线、微带天线、贴面天线、锥形天线和偶极天线，根据接收机的性能要求合理选用。所有的GPS接收天线都要求全乡圆极化。有些天线还可以是有源天线。接收单元。
接收单元又分为信号通道部分和存储器。信号通道部分输入来自天线单元的GPS 信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理过程，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算的位置信息。每个通道每一时刻只能跟踪一颗卫星信号。现在的接收机多是8 到12 通道并行接收。存储器主要存储导航接收机为实现导航功能而需要的航路点、航线等信息；差分定位接收机和相对定位接收机由于需要进行事后处理，也需要存储一些实时定位数据、原始观测量以及计算结果。
图2.4 GPS 接收机的基本组成
计算和控制部分。该部分负责对接收机进行自检；根据采集的卫星星历、伪距和多普勒频移等观测数据计算三维位置和数据信息；进行人机对话，输入指令等功能。
电源。GPS 接收机通常采用直流供电。
GPS 接收机通常采用RS-232C 串行接口，少数接收机采用RS-422 接口。每一种GPS 接收机由接口提供各自的信息类型，这些信息类型内容通常由厂家自行确定。对于导航型GPS 接收机，通常采用NMEA（National Marine Electronics Association——美国航海电子协会）标准输出格式，例如NMEA 0183
格式。
2.2 GPS 定位原理和测速原理。
GPS 定位方法按照测量方法可以分为：伪距测量法、多普勒频移法、载波相位法和干涉法四种。其中伪距测量法简单易行，应用较为广泛。本节将主要介绍伪距测量定位原理。
2.2.1 卫星无源测距定位和伪距测量定位原理
通过测定卫星与用户之间的距离来确定用户位置的方法，称为卫星测距定位。用户接收机接收卫星信号，测定卫星至用户的传播时间，从而确定卫星至用户的距离的方法，称为卫星无源测距。
距离和电波传播延迟时间的关系如下：
R = c *T (2.1)
式中：
c——光速；
T——电波传播延迟时间；
R——卫星至用户的距离。
根据卫星信号所含有的卫星星历信息，可以求得每颗卫星在发射时刻的位置，从而确定用户的位置在一卫星为球心，以R 为半径的球面上。用同样的方法，测定用户至三颗卫星的距离，可以确定用户在空间的位置，即三个球面的交点。如果测点在地面上，则只需要测量两维位置，故只需测定用户至两颗卫星的距离就可以测定用户的位置。
卫星无源测距定位原理简单。但是要测定用户至卫星的距离，就要测量卫星至用户的电波传播延迟时间，为此用户必须和卫星保持准确的时间同步。这就需要卫星和用户同时配备精确的原子钟。由于原子钟非常昂贵，一般用户是不可能配用原子钟的。因此卫星无源测距定位只能用于地面站测控卫星或某些特种用
户。
由于用户设备不配用原子钟，用户接收设备测量得到的用户至卫星的距离就包含了由卫星钟和用户钟的钟差引入的误差。称这种含有钟差误差的测量距离为“伪距”。
在（2.4）式中观测点位置(X ,Y, Z) 和种差
为方程组的4 个未知数，通过求解方程组获得。所以必须测量用户至4 颗卫星的伪距，可到四个方程才能求解所有未知数。这也就是为什么必须至少观测到4 颗卫星才能进行三维坐标定位的原因。对于陆上或者海上用户来说，如果知道天线的高度，则只需要测量用户至
3 颗卫星的伪距就可以确定二维位置和用户钟相对于GPS 系统时的偏差。
图2.5 伪距测量原理图
2.2.2 多普勒测量定位原理
如图2.6 所示，GPS 卫星围绕地球运行，某一时刻在S 位置，卫星信号在地面观测点P 被接受，P 和GPS 卫星之间存在相对运动，使P 点接收的GPS 载频信号产生多普勒频移。设卫星能发射频率为fs，接收机接收到的频率为fr，卫星和观测点连线方向上的径向速度Vr。
式中，Vs 为卫星运动速度，a 为Vs 方向和Vr 方向的夹角。在P 点收到的卫星信号由于该点相对于S 运动而产生的多普勒频移为
多普勒频移引起接收机接收卫星信号载频的每秒相位周数增加或减少，把某一时间间隔内增加或减少的相位周数用计数器累加起来，称为多普勒积分。根据多普勒积分值，可以求得该时间间隔的起止时刻卫星和测点的距离差。
图2.6 多普勒频移原理图
GPS 接收机接收卫星信号，获得卫星轨道参数、时间和多普勒频移三种信息。根据轨道参数确定卫星位置；根据多普勒积分值，计算相应时刻卫星和观测者的距离差。
如图2.7 所示，到某一卫星在空间两点S1、S2 距离差 一定值的点的轨迹，是一这两点为焦点的旋转双曲面。双曲面与地球表面相交的曲线L12 就是通过地球观测者的位置线。依次再测得卫星在S2、S3 点，S3、S4 点……Sm、Sm+1点的距离差，就可以得到通过地面观测者的m 条位置线，这些位置线的任意两线的焦点就是观测者的位置。
图2.7 多普勒定位原理
2.2.3 GPS 测速原理
通过对卫星信号的多普勒频移的测量，列出4 颗卫星距离变化率方程。按照类似于求解用户位置和钟差的方程式，根据已经测定的伪距和解得的用户位置，可以求得用户的三维速度和钟差的变化率。将伪距方程变化为距离变化方程：
2.3 GPS 定位误差分析
影响GPS 定位、测速精度的因素来自于空间卫星、电波传播途径、接收设备和人为因素，包括卫星钟误差、卫星星历误差、电离层和对流层延迟误差、多路径效应、接收机噪声、通道偏差以及信号处理过程引入的误差。
接收机为选用的卫星组合与观测点的几何图形对GPS 定位误差的大小有一定影响。
各种误差因素造成的对定位精度的影响对于民用C/A 码型接收机和军用P码型接收机来说是不完全相同的。本文对GPS 定位误差的分析仅限于民用C/A码型接收机。
2.3.1 时钟误差
GPS 系统时是主控站通过一组高精度的原子钟及附加设备所产生。每一刻GPS 卫星也都配备一组原子钟，卫星钟与GPS 系统时保持同步。卫星钟的同步是通过地面站测得的每一颗卫星的星钟相对于GPS 系统时的偏差，计算它们的校正参数并发送给卫星，卫星接收并存储这些参数，然后通过导航电文向用户广播。用户根据这些参数修正卫星钟误差。尽管经过修正，仍然存在剩余误差，即同步误差。
同步误差引起的等效测距误差为1~3 米。
2.3.2 星历误差
GPS 地面监测站不断的对卫星进行距离测定，确定卫星空间位置并发送往主控站。主控站将监测数据经处理后形成星历表，通过注入站注入卫星，存入卫星的存储器。卫星通过电文向用户广播，用户由此计算出卫星发射信号时的空间位置。
由于受到卫星轨道摄动以及地面站的一些误差因素的影响，卫星星历表会出现一些误差，称为星历误差。另外由于用户接收到的星历并非实时的，而是由某一时刻起的推算值，这又加大了星历误差。星历误差引起的测距误差通常在2.5~7 米之间。
2.3.3 电离层和对流层的延迟误差
GPS 卫星发送的信号从卫星传播到地面用户需要穿越大气层，大气层中的电离层和对流层使电波传输路径和速度都发生变化，产生附加的电波传播延迟。
电离层是指高度位于60～1000 千米之间的大气层。电波在电离层中传播，电离层引起的附加延迟与电波的频率的平方成反比，并与电离层的电子浓度，观测卫星的仰角有关。白天因电离层电子浓度大，电波传播附加延迟大；夜间因为无太阳照射，电子浓度较低，电波传播附加延迟减小。宏观上来说，白天电离层引入的传播延迟误差近似成正弦变化。
对流层由于受地面温度地形影响较大，是一种不均匀的大气介质。卫星信号在对流层中传播时，速度和方向都会发生改变，产生电波传播附加延迟，延迟大小与大气温度、压力及观测卫星仰角有关。当卫星仰角小于10 度时，该延迟迅速增大；当仰角小于5 度时，因误差过大，GPS 接收机通常不对该卫星进行跟踪。
电离层和对流层引起的附加延迟误差通常都可以通过一定的模型和主控站发送的修正参数进行修正。修正后的残余误差引起的测距误差分别为2~15 米和0.4~2 米。
2.3.4 多路径效应引起的误差
多路径效应是指GPS 用户接收机除了直接接收到来自卫星的信号以外，还接收来自其他路径的该卫星的二次辐射信号，这些信号的合成，使信号特征发生变化，形成测量误差。该误差的大小和天线位置、天线附近反射体的位置性质等因素密切相关。
多路径效应引起的测距误差为2~4 米。
2.2.5 接收设备误差
接收机的通道硬件性能不完全一致产生通道间的信号延迟误差；对信号的处理过程，如量化过程引起的误差等统称为接收设备误差。
接收设备误差引起的测距误差通常为1.2~2.2 米。
表2.1 列出了各项误差因素引起的伪距测量误差的估算值、误差范围和总的等效误差。需要注意的是，随着GPS 技术的进步，表中列出的各项误差因素对测距误差的影响会逐步减小。
表2.1 GPS 伪距测量误差预测值
2.3.6 GPS 测速误差
引起GPS 定位误差的因素也同样适用于速度的测量误差。
接收机的动态性能是影响速度测量的主要因素，接收机其他误差源影响不大。接收设备动态特性对速度测量的影响是由于它使接收设备锁相跟踪环路引入噪声，产生虚假的多普勒频移。高质量的接收机的距离变化率误差小，引入的测速误差也就比较小。
表2.2 给出距离变化率误差分别为0.015 和0.065 时，三种置信度的用户速度测量误差。
表2.2 GPS 测速误差
