1. GNSS

    GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global NavigationSatellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，

包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，

以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和

日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。

国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统，如下图所示：

SBAS（Satellite-Based Augmentation System），即星基增强系统，通过地球静止轨道（GEO）卫星搭载卫星导航增强信号转发器，

可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进，

从而成为各航天大国竞相发展的手段。目前，全球已经建立起了多个SBAS系统，如美国的WAAS（Wide Area Augmentation System）、

俄罗斯的SDCM（System for Differential Corrections and Monitoring）、欧洲的EGNOS（European Geostationary Navigation OverlayService）、

日本的MSAS（Multi-functionalSatellite Augmentation System）以及印度的GAGAN（GPS AidedGeo Augmented Navigation）。

    上述SBAS系统的工作原理大致相同。首先，由大量分布极广的差分站（位置已知）对导航卫星进行监测，

获得原始定位数据（伪距、载波相位观测值等）并送至*处理设施（主控站），后者通过计算得到各卫星的各种定位修正信息，

通过上行注入站发给GEO卫星，最后将修正信息播发给广大用户，从而达到提高定位精度的目的。

2. GPS简介

    GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。它是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。

其目的是在全球范围内对地面和空中目标进行准确定位和监测。随着全球性空间定位信息应用的日益广泛，

GPS提供的全时域、全天候、高精度定位服务将给空间技术、地球物理、大地测绘、遥感技术、交通调度、

军事作战以及人们的日常生活带来巨大的变化和深远的影响。

    GPS系统一般由地面控制站、导航卫星和用户接收机（GPS的移动用户端）三大部分组成。导航卫星至少24颗，

均匀分布在6个极地轨道上，轨道的夹角为60度，距地平均高度为20200公里，每12恒星时绕地球一周。

1）空间部分：

GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，运行周期为12h。

卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、

任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

2）地面控制系统：

地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，

主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado. Springfield）。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。

3）用户设备部分：

用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。

当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。

根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、

高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。

 

2.1GPS定位原理

    GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机

的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则

通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，

这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR，）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元

组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。

它是从卫星信号中解调制出来，导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。

当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的

卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。   

    GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，

所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。

所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

空间直角坐标系转换为大地坐标系（ XYZ → BLH ）：

在相同的基准下，将大地坐标系转换为空间直角坐标系。公式为：

利用该式计算有一个问题：后两式中有交叉变量，因此需要进行处理。

Ⅰ迭代算法

①    利用下式求出B的初值。

①    利用B的初值求出H和N的初值，再次求定B的值。

Ⅱ直接算法

公式如下：

2.2地球经纬度

1）经度longitude：定义为地球面上一点与两极的连线与0度经线所在平面的夹角。

以球面上的点所在辅圈相对于坐标原点所在辅圈的角距离来表示。英国首都伦敦格林尼治天文台原址的

那一条经线定为0°经线也叫本初子午线，它的东面的为东经，共180度，在它西面的为西经，共180度。

2）纬度latitude：是指某地地面法线对赤道面的夹角，其数值在0至90度之间。位于赤道以北的点的纬度叫北纬，记为N；

位于赤道以南的点的纬度称南纬，记为S. 北极就是北纬90度，南极就是南纬90度。

3）经纬度表示：1884年国际经度会议规定，以通过英国伦敦格林威治天文台子午仪中心的经线为0°经线。

从0°经线往东叫东经，往西叫西经，东、西各分180°。习惯 上以西经20°和东经160°为分界把地球分为东西两个半球。

假如从地轴的正中间将地球切成南北两半，上边的一半叫北半球，下边的一半叫南半球。被切的这个平面，叫赤道面。

赤道面与地球表面相交的线叫赤道。纬线从赤道往两极越来越短，到了两极就缩小成一个点了。科学家们把赤道定为0°纬线，

从赤道向两极各 分为90°，赤道以南叫南纬，赤道以北叫北纬。在计算机或GPS上经纬度经常用度、分、秒和度.度、分.分、秒.秒的

混合方式进行表示，度、分、秒间的进 制是60进制，度.度、分.分、秒.秒的进制是100进制，换算时一定要注意。

 

4）经纬度转换：可以近似地认为每个纬度之间的距离是不变的111KM，每分间 1.85KM，每秒间31.8M。

经度间的距离随纬度增高逐渐减小，可按以下公式计算：

          经度1°长度=111.413cosφ一0.094cos3φ公里(纬度φ处)

一般从GPS得到的数据是经纬度。经纬度有多种表示方法。

a）ddd.ddddd， 度 . 度的十进制小数部分（5位）例如：31.12035º

b）ddd.mm.mmm，度 . 分 . 分的十进制小数部分（3位）例如 31º10.335'

c）ddd.mm.ss， 度 . 分 . 秒 例如 31º12'42"

地球上任何一个固定的点都可以用确定的经纬度表示出来。

把经纬度转换成十进制的方法：

Decimal Degrees = Degrees + minutes/60 +seconds/3600

例：57°55'56.6"=57+55/60+56.6/3600=57.9323888888888

把经纬度(longitude，latitude)(205.395583333332，57.9323888888888)

转换据成坐标(Degrees,minutes,seconds)(205°23'44.1"，57°55'56.6")。

步骤如下：

a）直接读取"度"：205

b）(205.395583333332-205)*60=23.734999999920 得到"分"：23

c）(23.734999999920-23)*60=44.099999995200 得到"秒"：44.1

2.3GPS卫星信号结构

    GPS卫星发射的信号包含有三种成分，即50Hz导航电文(D码)、伪随机码(C/A码或P码)和载波(Ll，L2波段)。

这3种信号分量都是在同一基准频率F0=10.23MHZ的控制下产生的。

GPS卫星所采用的两种测距码，即C/A码和P码（或Y码），均属于伪随机码。

1） C/A码

是由两个10级反馈移位寄存器组合而产生。码长Nu=1024-1=1023比特，码元宽为tu=1/f1=0.97752s,（f1为基准频率f0的10分之1，1.023 MHz）,

相应的距离为293.1m。周期为Tu= Nutu=1ms，数码率为1.023Mbit/s。

     C/A码的码长短，共1023个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，称捕获码。

码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的1/100，则相应的测距误差为2.9m。由于精度低，又称粗码。

 2） P码

      P码产生的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。

码长Nu=2.35*10^14比特，码元宽为tu=1/f0=0.097752s，相应的距离为29.3m。周期为Tu= Nutu=267d，数码率为10.23Mbit/s。

      P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分成38部分，（每一部分为7天，码长约6.19 ，1012比特），

其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周期，

但结构不同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，

若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29m，故P码称为精码。

3）导航电文

    导航电文是包含有关卫星的参考星历（星历是指在GPS测量中，天体运行随时间而变的精确位置或轨迹表，

它是时间的函数）、卫星工作状态、时间改正参数、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码）。

     导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有1500比特，播送速度50bit/s，每帧播送时间30s。

     每帧导航电文含5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字30比特，故每个子帧共300比特，播发时间6s。

为记载多达25颗卫星，子帧4、5各含有25页。子帧1、2、3和子帧4、5的每一页构成一个主帧。

主帧中1、2、3的内容每小时更新一次，4、5的内容仅当给卫星注入新的导航电文后才得以更新。

a.     导航电文的格式

b.   一帧导航电文的内容

①   遥测字（TLM-Telemetry WORD）

    位于每个子帧的开头，作为捕获导航电文的前导。

②    转换码（交接字）（HOW-Hand Over Word）    

       紧接各子帧的遥测字，主要向用户提供用于捕获P码的Z记数。所谓Z记数是从每个星期六/星期日子夜零时起算的时间记数（1.5s），

        表明下一子帧开始瞬间的GPS时。

③     数据块1D：含有卫星钟改正参数及数据龄期、星期的周数编号、电离层改正参数、和卫星工作状态等信息。

卫星钟改正参数a0、a1、a2分别表示该卫星的钟差、钟速和钟速变化率。

④ 数据块2：包含在2、3两个子帧里，主要向用户提供有关计算该卫星运行位置的信息。

    该数据一般称为卫星星历，每30s重复1次，每小时更新一次。

⑤数据块3：包含在4、5两个子帧中，主要向用户提供其他GPS卫星的概略星历及其工作状态信息，称为卫星的历书。

       第3数据块的内容每12.5分钟重复一次，每天更新一次。