同步測距全球定位系統

一種正在趨於成熟的先進軍用衛星導航定位系統，簡稱全球定位系統 (GPS)。60年代“子午儀”衛星導航系統研製成功以後，美國繼續研究更先進的軍用衛星導航系統。1973年開始研究全球定位系統，工程研究試製階段接近結束，預計80年代後期開始部署使用，用以滿足軍事上的需要。原計劃在3個軌道平面上共部署 24顆衛星，在最佳狀態下可達到10米左右三維準確度（全球範圍）。後來改為在6個軌道平面上共部署18顆衛星，定位能力有所降低。

全球定位系統包括地面控制部分、空間部分和用戶部分。

①　地面控制部分：由一個主控站、一個地面控制站和若干相互遠離的監測站組成。監測站配有接收機、銫鐘和覆蓋上半天球的天線，能無源跟蹤視界內的所有衛星，從收到的每顆衛星信號中測得單程距離。然後，將測得值與環境數據一起發往主控站。主控站對收到的數據進行處理，得到軌道數據和鐘差，由此產生星曆。主控站用銫鐘組保持全球定位系統時，必要時能調整星鍾時間相位和頻率。地面控制站每天向每顆衛星輸送一次主控站提供的電文，其中包括星曆、鐘差和傳播延遲數據。數據裝入衛星上存儲器，用以更換舊數據，並調製在每顆衛星發射的兩個載頻上。

②　空間部分：衛星在 20183公里高的圓軌道上運行，運行周期為12小時。軌道對赤道傾斜55°。6個軌道平面上各均勻分佈 3顆衛星，軌道升交點相互間隔60°。衛星上除裝有遙控、遙測、收發天線等一般衛星所必備的分系統外，還裝有高穩定度的原子鐘和導航分系統。超穩定原子鐘是全球定位系統的核心。每顆衛星自身直接產生超穩定導航同步信號，初期使用銣頻標，同時研製更穩定的銫頻標。衛星上銫頻標的長期穩定度預期達到每300萬年不差1秒。 ③　用戶部分：用戶接收設備中用來接收處理衛星導航同步信號的晶體振蕩器，類似於現代數字手錶中的石英振蕩器，具有極佳的短期穩定度。它與原子頻標結合使用時，足以提供全球定位系統定位準確度所需要的精確時間基準。但用戶鐘差須用解算測偽距聯立方程解決。星曆跟蹤和預測是全球定位系統工作的基本依據。用戶憑藉星曆跟蹤和預測，測量距離和計算所在位置。全球定位系統採用了頻譜擴展技術。在用戶接收機中，衛星選擇信號處理、本地碼產生和定位計算等均靠微處理器完成。

衛星把來自星鐘的 10.23兆赫頻率作為基準。這個基準頻率推動鍾標、碼產 生器，乘120次得到載頻L2（1227.6兆赫），乘 154次得到 L1（1575.42兆赫）。鍾標控制計算機產生軌道數據。碼產生器產生P碼和 C/A碼。P碼與軌道數據一起分別調製在經90°移相的L2和L1上，由天線發射。C/A碼與軌道數據分別直接調製在L2和L1上，由天線發射（圖1）。P碼是最精確的偽隨機雜訊碼，每7天重複一次，當接收設備沒有對應碼模時就很難跟蹤和鎖定。C/A碼是粗獲取碼，每毫秒重複一次，提供的定位準確度較差。導航電文中含有交接詞(HOW)，專門用來把C/A碼轉換為 P碼。全球定位系統的電文使用規定的數據結構，每1500比特為1幀，分為5個300比特的副幀，每個副幀再分為10個30比特的詞。每個詞含有24個信息比特和 6個奇偶校驗比特（圖2）。

接收機的功能是：首先由處理器確定4顆待用的位置最佳的衛星，其次從頻率合成器中選用L1和L2,再用碼跟蹤環與收到P碼或C/A碼保持同步，同時用鎖相環跟蹤載頻（圖3）。然後準確測量信號到達時間和多普勒頻移。可用幾個跟蹤環連續測量各顆衛星，或用一個環順序反覆測量各顆衛星。隨後對導航電文解調，從副框架集成完整電文，並通過制入奇偶校驗比特進行校正。衛星星曆經解碼後計算衛星的位置和速度，然後將衛星位置、速度、信號到達時間與多普勒頻移合起來算出用戶位置、速度，以及與用戶鐘的時間差和頻差。解算3個位置坐標須用4顆衛星信號的到達時間和接收機鐘差。接收機可與其他導航感測器組合。由於用戶對功能要求不同，在設計上有較大的變動範圍。高性能飛機要求在強幹擾環境中保持高定位準確度，需要使用4個通道同時跟蹤4顆衛星。航海和航空的民用用戶使用單通道接收機，並只用C/A碼順次測量就能滿足需要。

全球定位系統與推算系統組合工作，如與慣性導航系統組合最為有利，兩者可以互相補充。慣性導航在載體短期運動急劇變化時仍能提供準確信息。慣性導航的速度輸出又可支持全球定位系統接收機的碼跟蹤和載頻跟蹤環，可使接收機使用很窄的跟蹤環帶寬。這樣，在低信噪比條件下仍可連續工作和對抗強的干擾。另一方面，全球定位系統在平穩運動條件和良好信噪比環境中提供的位置、速度、偽距和距離變化率，又有助於調整和修正慣性導航數據。慣性導航在長期漂移中所產生的誤差，通常可用全球定位系統測得的數據不斷估算和更新。

組合系統導航濾波器既可裝入全球定位系統接收機的處理器中，也可裝入慣性導航的處理器中。所有導航計算均可在一個處理器中進行。但用多個濾波器分散處理多個感測器的輸入時，載體上各個導航系統都能單獨工作。