《地理信息系統(tǒng)及3S空間信息技術(shù)》課件第6章

第6章全球定位系統(tǒng)6.1

導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)簡介6.2

GPS的定位原理6.3

GPS的應(yīng)用6.4組合導(dǎo)航6.5

GPS/INS組合導(dǎo)航復(fù)習(xí)與思考題

6.1導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)簡介

6.1.1概述

1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第一顆人造地球衛(wèi)星“Sputnik”號。美國霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的科學(xué)家們通過對這顆衛(wèi)星用無線電方法跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)了所測得的多普勒頻移與衛(wèi)星運動之間的關(guān)系。第一代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的美國Transit（子午儀）系統(tǒng)和20世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)建立的Cicada系統(tǒng)。美國和前蘇聯(lián)分別從20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)80年代開始研制新一代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)——GPS和GLONASS（GLObalNAvigationSatelliteSystem）系統(tǒng)，并分別于1995年和1996年達(dá)到各自的實用水平，而且其使用在不斷地迅猛增長。為了打破一個或兩個國家軍事部門對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的控制、滿足民用和各自國家的軍事需要，世界上許多國家正在發(fā)展完全由民間控制的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS）和研制地球同步衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。從20世紀(jì)90年代開始，國際民航組織、國際移動衛(wèi)星組織、歐洲等一直倡導(dǎo)發(fā)展完全由民間控制的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS。同時，歐洲多年來一直在爭取發(fā)展歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，并力圖在發(fā)展未來GNSS中扮演主角。雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，使我們在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域逐步走出了受制于人的境地，具有重要的實用價值和重大的戰(zhàn)略意義。目前，“北斗一號”雙星定位導(dǎo)航通信系統(tǒng)，已于2000年10月30日和12月21日分別成功發(fā)射兩顆導(dǎo)航衛(wèi)星，2003年5月發(fā)射了第三顆“北斗”導(dǎo)航備份衛(wèi)星，2007年4月14日，又一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星(COMPASS-M1)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運載火箭發(fā)射成功，標(biāo)志著我國已擁有了自主完善的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)就是一個有源導(dǎo)航定位與通信系統(tǒng)。6.1.2典型的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)

1.子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)

子午儀系統(tǒng)由6顆衛(wèi)星組成,衛(wèi)星軌道近似圓形,軌道傾角為90°左右,軌道高度為1100km,周期約107min，每顆衛(wèi)星覆蓋半徑為3000~3500km。對地面用戶來說，1顆衛(wèi)星每次通過其上空時僅有18min的跟蹤觀測弧段。衛(wèi)星連續(xù)發(fā)播400MHz和150MHz兩種載波信號，供用戶對衛(wèi)星進(jìn)行觀測。在400MHz的載波上調(diào)制有導(dǎo)航電文，它向用戶提供衛(wèi)星位置和時間信息，用于用戶的位置解算。子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)是第一代導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星在1959年9月發(fā)射升空，1964年開始交付海軍使用，1967年正式組網(wǎng)并允許民用。作為第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，子午儀實現(xiàn)了全球、全天候?qū)Ш?。它解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)，如能源系統(tǒng)、振蕩器設(shè)計、重力梯度穩(wěn)定試驗等，完成了開創(chuàng)性工作。該系統(tǒng)當(dāng)時主要用于陸、海、空三軍以及諸如海上鉆井平臺定位等測量方面。

鑒于這些缺點，美國軍方提出了對子午儀的修改計劃，同時在1964年9月開始發(fā)展海軍的TIMATION計劃及空軍621B系統(tǒng)。1973年12月，這兩種系統(tǒng)合并成為現(xiàn)在的Navstar-GPS方案（軌道采用海軍系統(tǒng)，信號結(jié)構(gòu)和頻率采用空軍系統(tǒng)）。

GPS基本上彌補了子午儀的不足，這是因為它采用了幾項關(guān)鍵技術(shù)，如：超穩(wěn)定原子鐘技術(shù)，其穩(wěn)定度達(dá)到10~14量級；晶體振蕩器技術(shù)，使用戶設(shè)備在可接受的價格范圍內(nèi)保持了足夠的精度；精密星歷跟蹤和預(yù)報技術(shù)，直接提高了定位精度。

2.GPS及其發(fā)展

GPS全稱為定時和測距的導(dǎo)航衛(wèi)星（NavstarGPSNavigationSystemforTimingandRanging,GlobalPositioningSystem），是用來授時和測距的導(dǎo)航系統(tǒng)。它是由美國國防部（DepartmentofDefense,DOD）研制和發(fā)展的，其目的是針對軍事用途，例如戰(zhàn)機、船艦、車輛、人員、攻擊目標(biāo)的精確定位等。目前，它已成為世界上應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)之一。

PS由空間部分(衛(wèi)星星座)、監(jiān)控部分和用戶部分組成。(1)空間部分。由高度為20183km的21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌熱備份衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座,衛(wèi)星分布在6個等間隔的、傾角為55°的近圓軌道上,運行周期為11小時58分?？臻g部分的主要任務(wù)是發(fā)播導(dǎo)航信號，星上設(shè)備有具有長期穩(wěn)定度的原子鐘(其誤差為1秒/300萬年)、L波段雙頻發(fā)射機、S波段接收機、偽碼發(fā)生器和導(dǎo)航電文存儲器。

(2)監(jiān)控部分,包括監(jiān)控站、注入站和主控站。在初期階段，設(shè)了4個監(jiān)控站分別在范登堡空軍基地、夏威夷、關(guān)島和阿拉斯加。為了提高系統(tǒng)性能，現(xiàn)采用改進(jìn)的業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)，利用5個監(jiān)控站來跟蹤衛(wèi)星(分別設(shè)在科羅拉多的斯普林斯、亞森遜島、迪戈加西亞島、夸賈林、夏威夷)，各監(jiān)控站配有GPS接收機、環(huán)境數(shù)據(jù)測量儀、原子頻標(biāo)和處理機，它們將收集到的數(shù)據(jù)傳送到主控站。

(3)用戶即GPS接收機。它的主要功能是接收衛(wèi)星發(fā)播的信號，并利用本機產(chǎn)生的偽隨機碼取得距離觀測值和導(dǎo)航電文。根據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差改正信息，計算接收機的位置。用戶接收機可以有許多種類：按使用環(huán)境可以分為低動態(tài)用戶接收機和高動態(tài)接收機；按所要求的精度可分為單頻粗捕獲碼(C/A碼)接收機和雙頻精碼(P碼)接收機；按用途可分為測量型和導(dǎo)航型，后者又有機載式、彈載式、星載式、艦載式、車載式、手持式等。

GPS是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中最早研制和投入使用的一種。由空間、地面監(jiān)控和用戶接收機三大部分組成的GPS全球網(wǎng)已于1995年7月投入運行，目前正在向使用多樣化、功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用全球化、體系結(jié)構(gòu)開放化的方向發(fā)展，已經(jīng)并繼續(xù)在軍事和民用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

(1）關(guān)閉SA：美國政府關(guān)閉SA是一個很重要的變化。對于民間GPS用戶，這個變化將會改善空間信號的精度，消除由SA所產(chǎn)生的大約24.2m的偽距誤差。

(2）增加民用頻率：增加民用頻率是GPS的另一個重要變化。1998年決定在新一代BlockⅡF衛(wèi)星上附加第二民用頻率，1999年初又決定附加第三民用頻率。

(3）增大星座：24顆衛(wèi)星的可用性或許是認(rèn)識當(dāng)前已經(jīng)形成GPS星座維持策略的一種更為重要的途徑。這一策略的結(jié)果是導(dǎo)致任一時間在星座中總有24顆以上的衛(wèi)星在工作?？哲娨殉兄Z將維持一個24顆衛(wèi)星的星座，并使新的替補衛(wèi)星將在實際需要之前進(jìn)入軌道，以免因衛(wèi)星故障而出現(xiàn)可見衛(wèi)星數(shù)目減少和覆蓋漏洞。

(4）增加后向天線：增加后向天線的目的在于支持更高高度上的衛(wèi)星（如GEO）能夠接收導(dǎo)航信號，以擴大GPS的應(yīng)用。

(5）增強信號功率：和其他幾個重要變化有所不同，增加30dB的抗干擾能力幾乎完全用于軍方用戶，這項變化有助于GPS導(dǎo)航能力在未來戰(zhàn)場上的生存?？赡懿扇〉拇胧┌ㄌ刂铺炀€、先進(jìn)信號處理技術(shù)和對空間信號本身的潛在改進(jìn)。

(6）改進(jìn)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)：現(xiàn)有GPS信號結(jié)構(gòu)的缺點是軍民信號容易同時受到干擾的威脅，因此需要找到一種方法既對軍用安全可靠又拒絕敵方使用，同時于民更易利用或?qū)γ裼糜绊懽钚?。這就涉及GPS信號結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。現(xiàn)已提出多種方案，主要途徑是增加軍碼和把軍碼與民碼分開。目前美國正在改進(jìn)BlockⅡR和BlockⅡF衛(wèi)星信號的結(jié)構(gòu)，決定在L1和L2上加載專供軍用的M碼信號和在L2上加載民用信號。

(7）改善精度：精度一直是美國制訂GPS政策的焦點，也是全世界民用團體與非GPS系統(tǒng)擁有國和國際組織為之奮斗的主要目標(biāo)之一。與此同時，繼續(xù)提高精度也是推動GPS系統(tǒng)和應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵課題之一。在GPS精度改善倡議（AII）中，2.5m的SISURE（空間信號用戶測距誤差）是與GPS運行控制系統(tǒng)（OCS）相關(guān)的大量工作改進(jìn)的結(jié)果。一方面是把國家成像與測繪局的10個PPS基準(zhǔn)站并入OCS，以改善在軌衛(wèi)星性能的實時可觀測性；另一方面是繼續(xù)努力，使OCS的工作更加靈活。

PPS的SISURE值（1σ）從1992年的4.3m降到了1997年的1.9m（實際上還小于預(yù)計的2.5m），并有望在2007年達(dá)到亞米級，這完全證明了AII計劃所取得的成就。對軍方用戶來講，這種由2.5m的SISURE所產(chǎn)生的精度提高是非常有用的，但民間用戶能夠獲得的改善與SA和單頻電離層延遲補償所產(chǎn)生的不精確性相比幾乎微不足道。

(8）接收機改進(jìn)：在接收機改進(jìn)方面，主要采取功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化和開放式結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用選擇可用性與抗干擾模塊（SAASM），提高接收機的抗干擾能力。

3.GLONASS的現(xiàn)狀

GLONASS是由前蘇聯(lián)國防部獨立研制和控制的軍用導(dǎo)航系統(tǒng)，開始于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)歷20多年的曲折歷程，于1996年1月18日實現(xiàn)滿星座24顆衛(wèi)星正常播發(fā)信號。至此，GLONASS可以實現(xiàn)全天候、連續(xù)實時的為用戶提供三維位置、三維速度和時間信息。

GLONASS由24顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座(21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星)，均勻分布在3個軌道平面內(nèi)，衛(wèi)星高度為19100km，軌道傾角為64.8°，衛(wèi)星運行周期為11小時15分。GLONASS與GPS極為相似，主要區(qū)別在于，前者采用頻分制，后者采用碼分制，對于頻分制,每顆衛(wèi)星采用不同的射電頻率。

GLONASS系統(tǒng)需要大約每年3900萬美元來保證其基本功能。由于經(jīng)濟原因，俄羅斯目前難以維持GLONASS的正常運行，如果沒有資金支持用于新星補充發(fā)射，這個老化的系統(tǒng)會很快崩潰。因此，俄羅斯建議與歐盟共有這個系統(tǒng)，并提供它的有價值的頻率以換取發(fā)射新衛(wèi)星的費用。

1999年2月18日俄羅斯總統(tǒng)葉利欽決定同意軍民共同分享控制GLONASS，希望這樣能吸引投資來挽救困難重重的GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)。并希望使GLONASS成為GNSS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，他責(zé)成俄羅斯空間局和俄軍方共同確定哪些民用組織可以使用該系統(tǒng)，以及可以怎樣使用這個系統(tǒng)。他還授權(quán)建立一個軍民聯(lián)合組織來控制、維護和使用該系統(tǒng)。

到2000年年底，GLONASS系統(tǒng)只有7顆衛(wèi)星保持連續(xù)工作。對于需要三維定位信息的GLONASS用戶來說，在特定時間里看到2顆衛(wèi)星的概率只有35％。

近年來，俄羅斯政府批準(zhǔn)執(zhí)行的“GLONASS系統(tǒng)2002～2011年的發(fā)展計劃”和“2006～2015年航天發(fā)展規(guī)劃”，主要目標(biāo)就是成功地開發(fā)、有效地應(yīng)用GLONASS系統(tǒng)，保證國家、社會、經(jīng)濟的發(fā)展，保障國家安全；通過保證為俄羅斯和全球用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)，保持俄羅斯在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的先進(jìn)地位。在經(jīng)費支持方面，由于充分認(rèn)識到導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的重要性，近年俄政府對GLONASS的撥款也逐年增長,2006年撥款1.7億美元（47.2億盧布）,2007年撥款3.6億美元

（98.8億盧布）。另外，2007年已經(jīng)額外撥出18億盧布，以確保2008～2009年發(fā)射GLONASS衛(wèi)星；2008年9月俄羅斯總理普京簽署指令，增加26億美元開發(fā)GLONASS系統(tǒng)。

4.GNSS的發(fā)展

GNSS的目的是為民用航空導(dǎo)航和自主著陸提供星基和地基的導(dǎo)航信號，并具備要求的精度、可靠性和可用性，也不會受到其他干擾源和阻塞的影響，其長期目標(biāo)是要建設(shè)一個完全受控于民間方面的全新系統(tǒng)GNSS-2，以替代現(xiàn)有的軍用GPS和GLONASS系統(tǒng)。

GNSS-2計劃分三個階段實施：第一步是歐洲靜止導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)（EGNOS），由GPS和GLONASS加上它們的陸基與星基增強系統(tǒng)組成；第二步是建立歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（ENSS），由12個傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星加上3個地球靜止衛(wèi)星（GEO）組成；第三步是建立GNSS-2，有兩種代表性的方案，一種是德國提出的包括36個傾斜圓軌道地球同步（IGSO）衛(wèi)星和9顆GEO衛(wèi)星的全球性系統(tǒng)，另一種是法國提出的由在1500km高度的56~63顆衛(wèi)星組成的革新歐洲導(dǎo)航系統(tǒng)（INES）。

5.INMARSAT系統(tǒng)

INMARSAT系統(tǒng)是由國際移動衛(wèi)星組織（原名國際海事衛(wèi)星組織，簡稱INMARSAT）籌建。最初，該系統(tǒng)僅具有衛(wèi)星通信能力，在其4顆INMARSAT2型衛(wèi)星于1992年全部投入運營后，便著手改進(jìn)4顆INMARSTA3型衛(wèi)星的設(shè)計，在其上加裝衛(wèi)星導(dǎo)航艙。這4顆新星入軌運行之后，1996年初，在向全球提供通信服務(wù)的同時，已具備了導(dǎo)航定位能力。

6.雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)

1)雙星定位原理

雙星導(dǎo)航定位是利用兩顆地球同步衛(wèi)星作信號中轉(zhuǎn)站；用戶收發(fā)機接收一顆衛(wèi)星（主星）轉(zhuǎn)發(fā)的地面中心站測距信號，并向兩顆衛(wèi)星同時發(fā)射信號作應(yīng)答；地面中心站根據(jù)兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的用戶的同一個應(yīng)答信號以及其他數(shù)據(jù)計算用戶位置和導(dǎo)航信息；用戶收發(fā)機在允許的時間或規(guī)定的時間后，接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信息，從而實現(xiàn)用戶自身的定位和導(dǎo)航。雙星定位的幾何原理是：以衛(wèi)星為球心，以衛(wèi)星至用戶（測站）的斜距為半徑，可以作兩個大球，在滿足一定條件下，兩大球面相交形成交線圓，并穿過赤道面，在地球的南半球和北半球各有一個交點，其中一個交點就是用戶的點位，在已知用戶大地高時，可唯一確定用戶的位置。根據(jù)雙星定位的幾何原理和幾何分析，要唯一確定用戶的點位必須滿足以下三個條件：兩衛(wèi)星間的弦長必須小于兩斜距之和，即兩衛(wèi)星間的最大夾角不得超過162°，否則以衛(wèi)星至用戶的斜距為半徑的兩個大球不能形成交線圓。

2)雙星定位系統(tǒng)的組成

雙星定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端

組成。

空間衛(wèi)星部分：由2~3顆地球同步衛(wèi)星組成，執(zhí)行地面中心站與用戶終端之間的雙向無線電信號的中繼業(yè)務(wù)。每顆衛(wèi)星上的主要載荷是變頻轉(zhuǎn)發(fā)器，以及覆蓋定位通信區(qū)域點的全球波束或區(qū)域波束天線。保證系統(tǒng)正常工作至少需要兩顆衛(wèi)星，兩顆衛(wèi)星間弧距要大于30°，在60°左右最好。第三顆衛(wèi)星為備份星。地面中心站部分：主要由無線電信號發(fā)射和接收，整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，數(shù)據(jù)的存儲、交換、傳輸和處理,以及電源等組成。地面中心站連續(xù)地產(chǎn)生和發(fā)射無線電測距信號，接收并快速捕獲用戶終端轉(zhuǎn)發(fā)來的響應(yīng)信號，完成全部用戶定位數(shù)據(jù)的處理工作和通信數(shù)據(jù)的交換工作，把地面中心站計算得到的用戶位置和經(jīng)過交換的通信內(nèi)容分別送給用戶。用戶終端部分：用戶終端接收地面中心站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的測距信號，變頻后注入有關(guān)信息，并向兩顆衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號，此信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。具有這種應(yīng)答電文能力的設(shè)備都叫用戶終端，又可稱為測站收發(fā)機。根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同，用戶終端分為：定位通信終端、衛(wèi)星測軌終端、氣壓測高標(biāo)準(zhǔn)站終端、校時終端、集團用戶管理站終端等。系統(tǒng)的大量終端是定位通信終端，即常說的用戶收發(fā)機。

3)雙星定位系統(tǒng)的功能

(1)快速定位：地面中心站發(fā)出的測距信號（具體為格式化的幀結(jié)構(gòu)及其偽碼）含有時間信息，經(jīng)過衛(wèi)星—測站（用戶）—衛(wèi)星，再回到中心站，由出入站信號的時間差可計算出距離。雙星定位系統(tǒng)信號在中心站—衛(wèi)星—測站（用戶）—衛(wèi)星—中心站四條邊上的傳播時間約為0.48~0.56s，中心站信號處理不到0.4s，因此，對于優(yōu)先級最高的用戶，可在1s之內(nèi)完成快速定位。

(2)實時導(dǎo)航：雙星定位系統(tǒng)的中心站有龐大的數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)庫和各種豐富的數(shù)字化信息資源，中心站根據(jù)用戶的定位信息，參考地圖數(shù)據(jù)庫可迅速地計算出用戶距目標(biāo)的距離和方位，可對用戶發(fā)出防撞和救援信息等。另外，用戶收發(fā)機也具有一定的信息存儲和處理能力，可以設(shè)置多個航路點、目標(biāo)點、用戶航行允許最大偏差等信息，計算用戶距目標(biāo)的距離和方位，導(dǎo)引用戶到達(dá)目的。因此，雙星定位系統(tǒng)具備實時導(dǎo)航的能力。

(3)簡短通信：雙星定位系統(tǒng)詢問信號和響應(yīng)信號的幀格式結(jié)構(gòu)中都有通信信息段。用戶想向指揮部請求指示，或想與其他用戶聯(lián)系時，用收發(fā)機的信息鍵盤鍵入對方地址碼和通信電文。中心站把通信電文放入要聯(lián)系的測站（用戶）能夠解出通信碼的信息中，隨詢問信號發(fā)射出去，對應(yīng)測站或指揮站便可得到通信信息。非對應(yīng)地址碼的測站解不出通信段內(nèi)容，只出現(xiàn)干擾噪聲。

(4)精密授時：雙星定位系統(tǒng)的授時與定位、通信是在同一信道完成的。地面中心站的銫原子鐘產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率，通過詢問信號將時標(biāo)的時間碼送給測站。授時測站與定位通信測站的不同之處在于有一個解碼器和一個計數(shù)器。解碼器解出詢問信號的時間碼，計數(shù)器記錄時間碼的時標(biāo)與測站鐘的鐘差。通過測站的響應(yīng)信號，地面中心站計算出時延，連同協(xié)調(diào)世界時UTC與UTC1的改正數(shù)一起送給測站，測站便可得到UTC標(biāo)準(zhǔn)時間，或再加改正數(shù)得到UTC1標(biāo)準(zhǔn)時間。

4)系統(tǒng)的工作過程

系統(tǒng)的工作過程如圖6-1所示。首先，由地面中心向衛(wèi)星1和衛(wèi)星2同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星上轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播，用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號（用戶的申請服務(wù)內(nèi)容包含在內(nèi)），經(jīng)衛(wèi)星上轉(zhuǎn)發(fā)器向地面中心轉(zhuǎn)發(fā)，地面中心接收解調(diào)用戶發(fā)送的信號，測量出用戶所在點至兩衛(wèi)星的兩個距離和量，然后,根據(jù)用戶的申請服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)

處理。對定位申請，根據(jù)測出的兩距離和量，加上從儲存在計算機內(nèi)的數(shù)字地圖查詢到的用戶高程值（或由用戶攜帶的氣壓測高儀提供），計算出用戶所在點的坐標(biāo)位置，然后置入出站信號中發(fā)送給用戶，用戶收此信號后便知自己的坐標(biāo)位置。對通信申請，地面中心將通信內(nèi)容置入出站信號中，按收信地址轉(zhuǎn)發(fā)給收信人。圖6-1北斗導(dǎo)航系統(tǒng)工作過程

5)信號傳輸體制

(1)為完成定位必須進(jìn)行準(zhǔn)確的測距，準(zhǔn)確測距就必須能精確測量信號的傳輸時延，為保證足夠的時間精度，就必須以足夠的帶寬為代價，而擴頻調(diào)制提供了這種功能；(2)對外部和內(nèi)部的抗干擾性能要強，使系統(tǒng)能夠工作在很高的背景噪聲中，信號之間的干擾要很小；

(3)通信數(shù)據(jù)調(diào)制在載波上，要技術(shù)成熟，調(diào)制和解調(diào)簡單可靠，頻帶利用率高。詢問信道和響應(yīng)信道之所以采用不同的傳輸體制，在于地面中心站發(fā)往用戶終端的詢問信號采用時分體制，即中心站以一定幀周期的信號形式連續(xù)地經(jīng)衛(wèi)星向所有用戶發(fā)送詢問信號，這樣就可以在正向線路中避免系統(tǒng)內(nèi)部干擾，使用戶終端設(shè)備大大簡化，但時間利用率低。這可以加大星上功率，提高信息速率和幀速率來補償。用戶終端發(fā)往中心站的響應(yīng)信號采用隨機時分/碼分體制，即用戶將響應(yīng)以突發(fā)形式經(jīng)衛(wèi)星發(fā)回中心站，共用一個頻道。當(dāng)兩個信號同時到達(dá)可能要發(fā)生碰撞，但由于采用擴頻技術(shù)，在一個碼周期內(nèi)，即使有多個信號到達(dá)，只要相互到達(dá)的時間錯開一個碼元周期都可以設(shè)法分別接收并處理。采用多重接收技術(shù)，可大大降低信號的碰撞率，增大系統(tǒng)容量。

6)雙星定位系統(tǒng)的特點

·雙星定位系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

(1)可以對大覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶進(jìn)行24小時全天候連續(xù)實時定位。雙星定位系統(tǒng)采用地球同步衛(wèi)星，衛(wèi)星相對地面靜止。微波傳遞信息對大氣穿透力強。采用差分定位技術(shù)可消除絕大部分衛(wèi)星位置誤差和電離層延遲誤差，因而可以全天工作，定位精度不會有太大的影響。地球同步衛(wèi)星距地面約3.6×104～4.2×104km，無線電信號從地面發(fā)出經(jīng)衛(wèi)星再返回地面的上、下行時間約為0.24～0.28s。

(2)定位精度較高：雙星系統(tǒng)的定位精度由下述幾個因素所決定。計算定位的幾何圖形、點位的大地高精度、點位的地理緯度、觀測和計算方法、測站收發(fā)機發(fā)射功率和偽碼長度。描述衛(wèi)星和測站之間幾何關(guān)系的常用因子是幾何精度系數(shù)GDOP，它是誤差的幾何放大系數(shù)，表示1m的定位參與量誤差傳播給定位誤差的放大倍數(shù)。雙星定位的GDOP值在中緯度地區(qū)為1.5～2.0。點位精度隨測站緯度的降低而降低。采用差分定位法和擴頻技術(shù)，可以使測距精度達(dá)到3m左右，數(shù)字地圖高程平均精度在平原地區(qū)可達(dá)5m左右，因而雙星定位精度一般情況下可以達(dá)到9～12m。在用幾個校準(zhǔn)站修正的情況下，保證10m以內(nèi)的精度是完全可能做到的。另外，采用數(shù)字地圖用戶數(shù)據(jù)修正等措施，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的定位精度。

(3)僅用兩顆衛(wèi)星就可以進(jìn)行導(dǎo)航通信，資金投入少?，F(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較多，子午儀系統(tǒng)有6～9顆衛(wèi)星，GPS系統(tǒng)預(yù)計要有18～24顆衛(wèi)星，因此費用較高。而雙星定位系統(tǒng)工作衛(wèi)星只需兩顆，連同備份星3～4顆已足夠。因此，同其他系統(tǒng)相比，投資最少，建設(shè)周期短。另外，由于每個收發(fā)機有專門識別碼，專用識別碼到地面中心站注冊登記后，才能夠使用系統(tǒng)進(jìn)行定位和通信，中心站可用計費形式控制收發(fā)機的使用。高效益、低收費，必然會有大量的民間用戶申請使用。

(4)用戶設(shè)備比較簡單。雙星定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理完全由中心站計算完成，測站收發(fā)機僅僅是個應(yīng)答器。

(5)具有通信功能，信息高度集中，便于集中指揮控制和管理。

(6)可提供高精度的時間信息。

·雙星定位系統(tǒng)的主要不足之處：

(1)系統(tǒng)抗毀能力差，定位精度有限。由于系統(tǒng)采用集中式處理，從而導(dǎo)致了該系統(tǒng)為節(jié)點系統(tǒng)。一旦中心被毀壞，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，這對于軍事用戶尤其重要；同時,由于所有用戶的定位都是在中心站完成，這就導(dǎo)致對中心站設(shè)備的處理能力要求極高，而且也導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)有較大的滯后誤差。

(2)系統(tǒng)采用有源工作方式，用戶數(shù)量有限且隱蔽性差。雙星定位系統(tǒng)的用戶測站必須發(fā)射信號才能完成定位和通信，這對民用不存在問題，但軍事用戶會暴露目標(biāo)，有被敵方截獲信息的危險，只有在加強保密措施之后，此危險才能減弱或避免，因此用戶隱蔽性差。另外，采用有源工作方式，用戶定位數(shù)據(jù)更新率難以提高，不能滿足高機動用戶的要求，而且限制了系統(tǒng)的用戶數(shù)目。

(3)不能全球覆蓋。雙星系統(tǒng)只能提供覆蓋區(qū)內(nèi)的通信定位，不能進(jìn)行全球覆蓋，一旦戰(zhàn)爭中需要其他地區(qū)的信息、導(dǎo)航和通信，系統(tǒng)將無能為力。

(4)衛(wèi)星通信能力有限。系統(tǒng)的通信信息要通過地面站接收、解譯和傳送等復(fù)雜的過程，其通信的容量和速度都有限，僅僅是允許參加通信的測站與測站或測站與地面站之間的簡短報文通信。

(5)由于同步衛(wèi)星位于地球赤道平面內(nèi)，因此對赤道附近的測站定位精度很差。

(6)雙星定位系統(tǒng)要求用戶提供高度信息或中心站提供數(shù)字地圖以確定用戶高程。

7.“北斗一號”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

為了適應(yīng)新時期國防事業(yè)發(fā)展的需要，根據(jù)國情，我國于20世紀(jì)80年代中期提出并擬定了發(fā)展雙星定位系統(tǒng)計劃，其工程代號取名為“北斗一號”，該系統(tǒng)是我國自己獨立研制開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)?！氨倍芬惶枴毙l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是利用地球同步衛(wèi)星對目標(biāo)實施快速定位，同時兼有報文通信和授時定時功能的一種新型、全天候、高精度、區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由兩顆地球同步衛(wèi)星、一個地面控制系統(tǒng)（簡稱地面中心）、若干專用標(biāo)校機和各類用戶機等部分組成，各部分通過出站鏈路（即中心控制系統(tǒng)→衛(wèi)星→用戶）和入站鏈路（用戶→衛(wèi)星→中心控制系統(tǒng)）相連接。兩顆地球同步衛(wèi)星間弧距為60°，分別定點于東經(jīng)140°（BD1-D）和東經(jīng)80°（BD1-X），另一顆備份衛(wèi)星定點于東經(jīng)110.5°（BD1-B）。系統(tǒng)在同一信道中完成的主要功能有：

(1)定位（導(dǎo)航）：快速確定用戶所在點的地理位置。(2)通信：用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)均可實行雙向簡短數(shù)字報文通信。

(3)定時：中心控制系統(tǒng)定時播發(fā)授時信息，由用戶確定自己的準(zhǔn)確時間并與地面中心進(jìn)行嚴(yán)格的時間同步?！氨倍芬惶枴毕到y(tǒng)的覆蓋范圍為北緯5°~55°，東經(jīng)70°~140°之間一個心臟區(qū)域，上大下小，最寬處在北緯35°左右。其定位精度是水平100m，在實行標(biāo)校站之后為20m（類似差分工作）；高程控制精度為10m，系統(tǒng)能容納的用戶為每小時540000戶；其定位響應(yīng)時間為：1類用戶<5s，2類用戶<2s，3類用戶<1s；一次定位成功率

為95％?！氨倍芬惶枴毕到y(tǒng)采用三球交會測量原理進(jìn)行定位，即以兩顆衛(wèi)星（位置已知）為兩球心，兩球心至用戶的距離為半徑作二球面；另一個球面是以地心為中心，以地球半徑與用戶所在點的高程之和為半徑的球面，三球交會點即為用戶的位置。

“北斗一號”系統(tǒng)是我國的第一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有雙星定位系統(tǒng)的不足，但也具有GPS系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點。6.2GPS的定位原理

6.2.1定位原理

GPS衛(wèi)星定位是利用了測距交會的原理確定點位。就無線電導(dǎo)航定位來說，設(shè)在地面上有三個無線電信號發(fā)射臺，其坐標(biāo)為已知，用戶接收機在某一時刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機至三個發(fā)射臺的距離d1，d2，d3。只需以三個發(fā)射臺為球心，以d1，d2，d3為半徑作出三個定位球面，即可交會出用戶接收機的概略位置。若將無線電信號發(fā)射臺從地面搬到衛(wèi)星上，組成一個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，應(yīng)用無線電測距交會的原理，便可由三個以上地面已知點（控制站）交會出衛(wèi)星的位置，反之利用三個以上衛(wèi)星的已知空間位置也可交會出地面未知點（用戶接收機）的位置。這便是GPS衛(wèi)星定位的基本原理，如圖6-2所示。圖6-2GPS衛(wèi)星定位原理

GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有GPS衛(wèi)星的位置信息。用戶用GPS接收機在某一時刻同時接收三顆以上的GPS衛(wèi)星信號，測量出測站（接收機天線中心）P至三顆以上GPS衛(wèi)星的距離,并解算出該時刻GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，據(jù)此利用距離交會法解算出測站P的位置。設(shè)在時刻ti在測站P用GPS接收機同時測得P點至三顆GPS衛(wèi)星s1，s2，s3的距離ρ1，ρ2，ρ3，通過GPS電文解譯出該時刻三顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)分別為（Xj，Yj，Zj），

j=1,2,3。用距離交會的方法求解P點的三維坐標(biāo)（X,Y,Z）的觀測方程為(6-1)在GPS定位中，GPS衛(wèi)星是高速運動的衛(wèi)星，其坐標(biāo)值隨時間在快速變化著。需要實時地由GPS衛(wèi)星信號測量出測站至衛(wèi)星之間的距離，實時地由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標(biāo)值，并進(jìn)行測站的定位。依據(jù)測距的原理，其定位原理與方法主要有偽距法定位、載波相位測量定位和差分GPS定位等。對于待定點來說，根據(jù)其運動狀態(tài)可以將GPS定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。靜態(tài)定位是指對于固定不動的待定點，將GPS接收機安置于其上，觀測數(shù)分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標(biāo)，又叫絕對定位。若以兩臺GPS接收機分別置于兩個固定不變的待定點上，則通過一定時間的觀測，可以確定兩個待定點之間的相對位置，又叫相對定位。而動態(tài)定位則至少有一臺接收機處于運動狀態(tài)，測定的是各觀測時刻（觀測歷元）運動中的接收機的點位（絕對點位或相對點位）。

GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是無源測距系統(tǒng)。在無源測距系統(tǒng)中，用戶通過比較接收到的衛(wèi)星發(fā)射的信號和本地參考信號，測量傳播延時。若衛(wèi)星時鐘和用戶時鐘同步，即兩時鐘同頻同相，或已知相差，那么測得的延時τ正比于衛(wèi)星和用戶間的距離r，則r=cτ，其中c為電波傳播的速度。然而，衛(wèi)星鐘與用戶接收機時鐘難以保持嚴(yán)格同步，所以觀測的測站至衛(wèi)星之間的距離均含有衛(wèi)星鐘和接收機鐘同步差的影響（故習(xí)慣上稱之為偽距）。關(guān)于衛(wèi)星鐘差，可以應(yīng)用導(dǎo)航電文中所給出的有關(guān)鐘差參數(shù)加以修正，而接收機的鐘差一般難以預(yù)先準(zhǔn)確地確定。所以，通常均把它作為一個未知參數(shù)，與觀測站的坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理中一并求解。因此，在1個觀測站上，為了實時求解4個未知參數(shù)（3個點位坐標(biāo)分量和一個鐘差參數(shù)），便至少需要4個同步偽距觀測值。也就是說，至少必須同時觀測4顆衛(wèi)星。觀測四個衛(wèi)星測其偽距，建立方程組，就能解得觀測點的三維位置和用戶鐘偏差。用戶設(shè)備接收到四顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文后，就可進(jìn)行時間校正、計算衛(wèi)星位置和計算觀測點的三維位置。

GPS定位誤差通常可以用幾何精度系數(shù)GDOP來表示，它反映了用戶與所選衛(wèi)星之間的幾何關(guān)系對定位誤差的影響。也可以分別采用定位精度系數(shù)PDOP、水平位置精度系數(shù)HDOP、垂直方向精度系數(shù)VDOP、鐘偏差系數(shù)TDOP來表示。GPS系統(tǒng)定位誤差主要來源于衛(wèi)星部分、傳播路徑和用戶設(shè)備等三個方面。其中，因測量帶來的定位誤差，可以全部等效為偽距測量時帶來的距離誤差，而總的定位誤差，可用GDOP和用戶等效測距誤差的乘積來確定。6.2.2定位算法

廣義上的定位實際上是一個統(tǒng)稱，它包括位置確定和速度確定。狹義上的定位就是單指確定位置。

1.GPS絕對定位與相對定位

GPS的定位方法從不同的角度可有多種分法，依據(jù)根本的定位方式可分為絕對定位和相對定位兩類。

GPS絕對定位也叫單點定位，它是利用一臺接收機觀測衛(wèi)星，獨立地確定出自身在WGS-84地心坐標(biāo)系中的絕對位置。這一位置在WGS-84坐標(biāo)系中是唯一的，所以稱為絕對定位。因為利用一臺接收機能完成定位工作，又稱為單點定位。

GPS相對定位，是在兩個（或若干個）測量站上設(shè)置GPS接收機，同步跟蹤觀測同一組GPS衛(wèi)星，測定它們之間的相對位置。它測量的位置是相對于其中一個已知點（基準(zhǔn)點）的位置，而不是在WGS-84坐標(biāo)系中的絕對位置。也就是說，它精確測定出兩點之間的坐標(biāo)分量(ΔX,ΔY,

ΔZ)和基線長(B)。這樣，如果一點的絕對坐標(biāo)已知，則根據(jù)這點的已知坐標(biāo)可計算出另一點的精確坐標(biāo)。絕對定位在空間和時間上都是獨立的。也就是說，它的每一次定位代表了該測點在該時刻的位置，與其他測點和其他時刻無關(guān)。這一特點說明，如果將接收機安裝在運動目標(biāo)上，例如船舶、飛機和車輛等，就可以測量出運動目標(biāo)的瞬時位置和運動速度。絕對定位是指提供定位信息的唯一性，而非固定不動。相反地，絕對定位幾乎全部應(yīng)用于移動目標(biāo)的動態(tài)定位中。這就實現(xiàn)了運動目標(biāo)動態(tài)中的導(dǎo)航功能。

2.定位算法

GPS系統(tǒng)采用的是WGS-84坐標(biāo)系，屬于地球坐標(biāo)系。GPS絕對定位利用的是偽距觀測值，所以又稱為偽距定位。偽距方程的常用形式為：

ρi=ri+cδtu

(i=1,2,3,4)

(6-2)

式中：

ρi——衛(wèi)星至用戶的測碼偽距觀測量；

ri——衛(wèi)星至用戶的真實距離： (6-3)

δtu——用戶接收機時鐘相對衛(wèi)星鐘的鐘差；

c——電波傳播速度，300000000m/s。令cδtu=lu，則 (6-4)設(shè)用戶真實位置狀態(tài)為Xu=［x

yzlu］T，用戶估計位置狀態(tài)為：Xu′=［x′y′z′lu′］T，δXu為用戶真實位置狀態(tài)與估計位置狀態(tài)的差值。在計算開始時采用接收機的概略坐標(biāo)Xu′，第一次計算出的結(jié)果是不精確的。因此，必須反復(fù)迭代計算，直到滿足規(guī)定的限差為止。

將偽距ρi在Xu′處Taylor展開，有 (6-5)忽略上式中二階以上的高階項，得或（6-6）式中：（6-7）對應(yīng)于4顆衛(wèi)星，則有（6-8）式中：當(dāng)H為非奇異矩陣時（由選星程序加以保證），可得：（6-9）用戶的真實位置狀態(tài)：（6-10）這種算法的流程見圖6-3。圖6-3線性化定位算法流程圖

3.測速算法

與建立偽距觀測方程相似，用戶時鐘和衛(wèi)星鐘之間存在有頻差，而系統(tǒng)借助測量到達(dá)信號的多普勒頻移來確定運動速度（距離變化率）。頻差將直接包含在被測量的多普勒頻率中，從而使測量值不是真實的用戶至衛(wèi)星距離的變化率，而是偽距的變化率(i=1,2,3,4)（6-11）這時有（6-12）把式（6-12）在Xu′、Vc′處展成Taylor級數(shù)，并略去二階以上的高階項，則得（6-13）由式（6-12）推得，對Xu的偏導(dǎo)數(shù)為（6-14）式中:將式（6-13）中第一項的系數(shù)表示為（6-15）同樣，由式（6-12）可推得，對Vc的偏導(dǎo)數(shù)為（6-16）由此，式（6-13）中第二項的系數(shù)可表示為（6-17）應(yīng)當(dāng)指出，式（6-16）中的hm與式（6-6）中的hi是完全相同的。這也就決定了在求速度解時可以利用求解位置時所得的結(jié)果。由式（6-15）和式（6-17），可將式（6-13）改寫為（6-18）式中:將由式（6-9）求得的偽距差表示的用戶狀態(tài)關(guān)系式：δXu=H－1δρ，代入式（6-18）中得由此，求得δVc的表達(dá)式求得用戶速度狀態(tài)修正值δVc后，可按下式計算修正后的用戶速度：

Vc=Vc′+δVc

（6-21）這種算法的流程見圖6-4。（6-19）（6-20）圖6-4線性化測速算法流程圖6.2.3誤差分析

GPS的主要誤差來自三個方面：

(1)空間飛行器部分（GPS衛(wèi)星誤差）：衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差與設(shè)備延遲誤差；

(2)用戶系統(tǒng)部分：用戶接收機測量誤差、用戶計算

誤差；

(3)信號傳播路徑：電離層的信號傳播延遲、對流層的信號傳播延遲和多路徑效應(yīng)。

1.GPS衛(wèi)星誤差

空間飛行器誤差主要由地面控制部分跟蹤站的分布及其站址誤差、跟蹤站所取得觀測量精度、衛(wèi)星所受攝動力模型的精確程度、計算精度和衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性等因素決定的。這些因素具體體現(xiàn)為衛(wèi)星星歷預(yù)報誤差和衛(wèi)星鐘鐘差誤差。被當(dāng)作已知值的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星鐘差具有誤差時，可以等效為偽距誤差。由于GPS衛(wèi)星很高，它的位置誤差之徑向分量可近似地認(rèn)為等效于偽距誤差。這樣，衛(wèi)星位置誤差和鐘差誤差被認(rèn)為是與接收機相對衛(wèi)星的位置無關(guān)的。這對評定定位精度是很方便的，盡管將這兩項誤差認(rèn)為是獨立的誤差源有不嚴(yán)格之處。在使用衛(wèi)星導(dǎo)航電文的情況下，一般估計衛(wèi)星星歷誤差的等效偽距誤差約為4m，衛(wèi)星鐘差誤差的等效偽距誤差約為3m。

2.用戶系統(tǒng)的誤差

用戶系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差主要是測距碼的分辨率和接收機噪聲。測距分辨率取決于碼元寬度，通常認(rèn)為可以達(dá)到一個碼元的64－1，由此而產(chǎn)生的測距誤差對于P碼和C/A碼分別約為0.3m和3m。而接收機測距噪聲涉及的因素更多些。通常偽距觀測值是利用碼跟蹤環(huán)路取得的，由碼跟蹤環(huán)路(例如延遲鎖定環(huán)路)的工作原理可知，它是利用早發(fā)碼與遲發(fā)碼所產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)濾波器驅(qū)動壓控時鐘而實現(xiàn)碼跟蹤的。這一動態(tài)過程的誤差可以等效為接收機測距噪聲，它取決于碼元寬度、信號品質(zhì)(碼特性、調(diào)制方式、信噪比等)和接收機質(zhì)量。一般估計P碼的偽距測量噪聲誤差為1.5m左右，C/A碼為7m左右。

3.信號傳播中的誤差

1)電離層延遲誤差及修正模型

·電離層延遲誤差

電離層是高度位于50～1000km之間的大氣層。由于太陽的強輻射，電離層中的部分氣體分子將被電離而形成大量的自由電子和正離子。當(dāng)電磁波信號穿過電離層時，傳播速度會發(fā)生變化，所以信號傳播時間乘以真空中的傳播速度c(c=3×108m/s)就不等于信號的實際傳播距離，從而引起測距誤差。此誤差稱之為電離層延遲誤差。用偽隨機碼所測定的偽距，其電離層延遲誤差為式中：Ne——電子密度，是指每立方米中的電子數(shù)；

f——衛(wèi)星信號的頻率（載波頻率）。現(xiàn)引進(jìn)一個新的量：電子總量NΣ,即指底面積為一個平方米貫穿整個電離層的柱體內(nèi)所含的總電子數(shù)。用NΣ

代替式（6-22）中的積分，則有：（6-22）（6-23）由此可知，電離層延遲誤差取決于電子總量NΣ和信號頻率f。計算電離層延遲誤差的主要困難在于電子總量NΣ的復(fù)雜性。它隨多種因素（地方時、太陽活動強度、季節(jié)等）而變化，至今尚未完全搞清楚其每一種因素通過什么方式來影響NΣ，還無法用一個嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型來描述其變化規(guī)

律。

雖然難以計算電子總量NΣ，但還是可以通過其他途

徑來對電離層誤差進(jìn)行改正，而不用計算式（6-22）或式（6-23）。

·修正模型

修正模型也有多種，常用的是Klobuchar模型。該模型利用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文中所給出的8個電離層延遲校正參數(shù)α0,α1,α2,α3和β0,β1,β2,β3計算電離層延遲。在Klobuchar模型中，根據(jù)電離層延遲隨地方時的變化規(guī)律，將晚上電離層延遲看做是一個常數(shù)，而將白天看作是余弦波的中正部分，如圖6-5所示。圖6-5電離層延遲隨地方時的變化規(guī)律

·計算修正公式

(1)任一時刻t，天頂方向（仰角E=90°）的電離層延遲改正Tg（s）為：（6-24）式中：t——地方時（s）；

f——最大電離層改正所對應(yīng)的地方時，由圖6-5可看出最大電離層時延對應(yīng)的地方時是14時，f=14×3600=50400(s)；

DC——基礎(chǔ)電離層延時（晚間電離層延時），DC=5ns；

A——電離層延遲函數(shù)振幅（m）；

Tp——電離層延遲函數(shù)周期（s）。（6-25）式中：αi,βi——導(dǎo)航電文提供的電離層校正參數(shù)；

m——電離層K′點的地磁緯度，K′點是測站K至衛(wèi)星的連線與中心電離層的交點。

(2)任一時刻t，仰角為E的觀測方向電離層延遲改正Tg′(s)為

Tg′=SF·Tg （6-26）式中,SF——與觀測方向仰角有關(guān)的傾斜因子。式中：R0——地球平均半徑；

h——點位高程。所有的電離層延遲改正模型基本上都是一種經(jīng)驗估計公式，用Klobuchar模型校正時，通常只能校正掉電離層誤差的50％～60％，也只是一種近似模型。在實際應(yīng)用中，如果能采用雙頻接收機或用差分GPS來消除電離層誤差，效果會更好。（6-27）

2)對流層延遲誤差及修正模型

對流層是高度為40km以下的大氣層。由于其離地面近，所以大氣密度較電離層的密度大，且大氣狀態(tài)隨地面氣候的變化而變化。當(dāng)電磁波通過對流層時，傳播速度將產(chǎn)生變化，從而引起傳播延遲。天頂方向的對流層延遲約為2.3m，仰角E為10°時，對流層傳播延遲將增大到約13m。目前采用的對流層延遲的校正模型較多，常用的一種比較簡潔而有效的模型可寫為：（6-28）式中：H——用戶的海拔高度（km）；

E——衛(wèi)星仰角（rad）。此模型能修正掉對流層誤差的90％。

3)多路徑誤差

在實際的GPS測量中，接收機天線除接收直接來自衛(wèi)星方向的信號外，還能接收到其他物體反射回來的信號。因此，接收到的信號是直射波和反射波產(chǎn)生干涉后的組合信號。由于直射波和各反射波路徑不同，從而使信號變形，產(chǎn)生測量誤差，稱為多路徑效應(yīng)誤差。

4.GPS的隨機誤差模型

GPS的大部分誤差即使經(jīng)過校正仍然存留一些隨機誤差，存留的隨機誤差都可以被等效為時鐘誤差。

將時鐘偏置和時鐘頻漂分別用等效距離和等效距離變化率來表示，則GPS的隨機誤差模型可寫為：(6-29)式中：δlu——等效時鐘誤差(時鐘偏置)相應(yīng)的距離誤差；δlru——等效時鐘頻率誤差（時鐘頻漂）相應(yīng)的距離變化率誤差；

wlu,wlru——零均值白噪聲；

βlru——反相關(guān)時間。6.3GPS的應(yīng)用

6.3.1GPS在航空中的應(yīng)用

衛(wèi)星導(dǎo)航在航空應(yīng)用上已經(jīng)打開局面，不論其宣布正式使用與否，實質(zhì)上早已進(jìn)入了向衛(wèi)星導(dǎo)航的過渡時期。根據(jù)美國FAA的統(tǒng)計，全球已有25個國家宣布正式采用GPS,其中大部分作為輔助導(dǎo)航手段。對于軍用飛機，GPS系統(tǒng)是美國軍用飛機導(dǎo)航裝備發(fā)展的趨勢。正在研究和實施的GPS導(dǎo)航戰(zhàn)計劃不僅在飛機、艦船和陸上導(dǎo)航方面的很多用途，將在武器制導(dǎo)、目標(biāo)瞄準(zhǔn)、軍事通信系統(tǒng)時間同步、指揮與控制方面產(chǎn)生巨大的作用，而且非常注重以下技術(shù)的發(fā)展：

1)GPS/慣導(dǎo)組合技術(shù)

GPS的優(yōu)點是全球覆蓋而且精度很高，慣導(dǎo)的優(yōu)點是不怕干擾、短期精度高，但長期漂移很大。把兩者組合起來，便能產(chǎn)生一種精度高且不怕干擾的系統(tǒng)。最簡單的組合是當(dāng)有干擾使GPS不能工作時，慣導(dǎo)將繼續(xù)維持高精度導(dǎo)航，而當(dāng)干擾停止后，GPS又開始起主導(dǎo)作用。

2)發(fā)展地形輔助導(dǎo)航

美國有發(fā)達(dá)的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)，因此能及時掌握世界地形變化動態(tài)，這是美國使用地形輔助導(dǎo)航的有利條件。在有了地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)后，為了能在平坦地形上空和高空均有良好的導(dǎo)航性能，應(yīng)在原有系統(tǒng)中組合GPS，為此美國發(fā)展了聯(lián)合Kalman濾波技術(shù)，以便把包括GPS在內(nèi)的多種導(dǎo)航傳感器組合在一起。

3)發(fā)展聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（JTIDS）

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)本質(zhì)上是一種用于三軍聯(lián)合作戰(zhàn)的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。由于GPS的現(xiàn)代化和軍用飛機最終都要裝備GPS，美國將用GPS代替JTIDS的相對導(dǎo)航功能。6.3.2GPS在軍事中的作用

軍事需要是現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要推動力，并為此發(fā)展了多種系統(tǒng)以滿足各種現(xiàn)代戰(zhàn)爭的軍事需求。導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的精確位置、速度和時間（PVT）信息，已深入到了各種級別的軍事單位，在戰(zhàn)爭的各階段影響著戰(zhàn)爭的方式和效能，對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的成敗起著至關(guān)重要的作用。在戰(zhàn)前的部隊調(diào)動與布署，戰(zhàn)中的指揮控制、機動與精確作戰(zhàn)，戰(zhàn)后的評估，全空間防衛(wèi)，以及在綜合后勤支持中都發(fā)揮著重要作用。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星處在空間，又是移動的，其抗毀能力高于陸基系統(tǒng)；同時，衛(wèi)星導(dǎo)航軍碼是保密的，具有抗欺騙和反利用能力。因此,衛(wèi)星導(dǎo)航正在迅速裝備海陸空幾乎所有的軍事平臺以及步兵、導(dǎo)彈、炸彈和炮彈等系統(tǒng)。為了提高GPS軍用精度，美國軍方執(zhí)行了廣域GPS增強計劃，主要是增布GPS地面監(jiān)控站和地面天線的數(shù)量，提高相應(yīng)的測量與處理技術(shù)，目標(biāo)是要把GPS軍用精度提高到1m。為了阻止敵方在戰(zhàn)場上利用GPS民用信號對付美國軍隊，美國把重點放到在戰(zhàn)場上施放干擾。同時，軍用GPS接收機使用了PPS信號，帶有多種抗干擾措施，能適應(yīng)各種環(huán)境條件和動態(tài)的要求，滿足相應(yīng)軍用標(biāo)準(zhǔn)、保密和電磁兼容性等要求?？偨Y(jié)GPS在軍事上的應(yīng)用歸納起來大致有下列五個方面：(1)用于各種精密打擊武器的制導(dǎo)。目前，美國各種海陸空作戰(zhàn)平臺、彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、炸彈，甚至炮彈均已開始裝備GPS或GPS/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，這將使武器命中精度大為提高，極大地改變未來作戰(zhàn)方式。在高空偵察及精確測定目標(biāo)位置時，GPS也起著重要作用。

(2)構(gòu)成C3I系統(tǒng)的重要組成部分。GPS為分布在整個戰(zhàn)場上的各參戰(zhàn)單位提供準(zhǔn)確的實時位置，再通過網(wǎng)絡(luò)通信廣播出來，以便能讓所有參戰(zhàn)成員了解整個戰(zhàn)場己方單位的分布及相對位置，極大地方便了指揮員的決策和友鄰部隊的作戰(zhàn)配合。有了衛(wèi)星導(dǎo)航提供的準(zhǔn)確位置和時間信息，作戰(zhàn)部隊可以按指揮部的命令在準(zhǔn)確的時間出現(xiàn)在準(zhǔn)確的地點，從而使新型作戰(zhàn)思想能夠得以實施。

(3)用于各種需要精確定位與時間信息的戰(zhàn)術(shù)操作中，如陸上和海上的布雷與掃雷，越過雷區(qū)，物資與人員的空投，敵情偵察，海上和陸上的搜索與救援，無人駕駛飛行器的控制與回收，火炮前方觀測員的定位，火炮及雷達(dá)陣地的快速布列，軍用地圖快速測繪，以及衛(wèi)星測控與跟

蹤等。

(4)用于各種軍事通信系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)的時間同步，以及用于信息保密系統(tǒng)中。

(5)用于武器試驗場的高速武器(如導(dǎo)彈和反導(dǎo)彈)的跟蹤和精確彈道測量，時間系統(tǒng)的統(tǒng)一建立與保持，雷達(dá)威力及精度校驗等，極大地提高精度、效率和節(jié)約經(jīng)費。6.3.3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在導(dǎo)彈武器中的應(yīng)用

GNSS在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的主要應(yīng)用有：GNSS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng),GNSS精密授時,導(dǎo)彈再入和落點控制,彈道測量與安全控制,基于GNSS的航姿測量,GNSS/Autopilot組合控制系統(tǒng),導(dǎo)彈火控系統(tǒng)。美國軍方開展的“阻擊手”精確打擊武器組合制導(dǎo)技術(shù)采用嵌入GPS的組合式固態(tài)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)（GGP），用于空中發(fā)射常規(guī)巡航導(dǎo)彈（CALCM）、高速反輻射導(dǎo)彈（HARM）、聯(lián)合直接攻擊彈藥（JDAM）、聯(lián)合防區(qū)外武器（JSOW）、防區(qū)外對地攻擊武器（SLAM）。美國陸軍在現(xiàn)成的BAT反坦克子彈藥彈體上加裝GPS接收機，以裝備陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)，德國迪爾公司也成功地進(jìn)行了GPS制導(dǎo)的多管火箭系統(tǒng)的新彈頭試驗。英國國防部也撥款給國防研究局，使皇家空軍進(jìn)行普通炸藥上安裝制導(dǎo)裝置的可行性論證。英國空軍考慮了GPS輔助瞄準(zhǔn)系統(tǒng)/GPS輔助彈藥。法國航空航天公司導(dǎo)彈分公司研制的VESTA超音速“彈體”，也利用了GPS的自主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)體制。由于軍用GPS接收機只向美國授權(quán)的盟國提供，因此為減少美國的控制，非授權(quán)國家大都本著“用而不靠”的原則開展GPS的應(yīng)用研究。同時，許多國家逐漸關(guān)注GPS/GLONASS組合的GNSS。這是由于GPS和GLONASS的組合定位導(dǎo)航有許多優(yōu)點，如提高系統(tǒng)的完整性和可靠性，提高系統(tǒng)的定位精度，減少對某一系統(tǒng)的依賴。6.3.4GPS在空間飛行器上的應(yīng)用

目前，高精度差分GPS已成為航天器精確定軌和相對導(dǎo)航的重要技術(shù)手段；GPS載波相位差分技術(shù)為GPS用于飛行器的姿態(tài)測定開辟了新途徑，通過測量安裝于航天器表面的多個天線之間的載波相位差，來確定航天器的姿態(tài)是GPS在空間飛行器上的最新研究和應(yīng)用。

GPS在空間飛行器上研究和實驗的結(jié)果表明：單獨一臺星載GPS接收機具有可同時為空間飛行器提供三維位置、三維速度、精確時間和三維姿態(tài)（Posotion,Velocity,TimeandAttitude，PVTA）等10維信息的能力。只要在飛行器上適當(dāng)配置GPS接收機天線，GPS接收機可為各類航天器提供三軸姿態(tài)確定和三維位置測量，這種定位/定姿的方式既適用于慣性定向平臺，也適用于對地觀測平臺，既適用于自旋穩(wěn)定航天器，也適用于三軸穩(wěn)定航天器。這使得傳統(tǒng)上由不同的專用設(shè)備來完成的空間飛行器軌道和姿態(tài)確定，如今用單獨一臺GPS接收機就可完成全部在軌測量。因此，GPS作為一種集定位、測速、定姿和授時多種功能于一體的全能敏感器，對于尺寸、重量、功耗和費用等都受到限制的空間飛行器具有相當(dāng)大的吸引力，它的應(yīng)用減少了星載導(dǎo)航和姿態(tài)傳感器的數(shù)量，大大降低了空間開發(fā)和應(yīng)用的成本，同時又增加了空間飛行器的自主能力。6.3.5GPS在道路工程中的應(yīng)用

目前，GPS在道路工程中的應(yīng)用主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發(fā)展，對勘測技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長，已知點少，因此用常規(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求。國內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級高精度控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。實踐證明，這一應(yīng)用在幾十千米范圍內(nèi)的點位誤差只有2厘米左右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實現(xiàn)的精度，同時也大大提前了工期。由于無需通視，可構(gòu)成較強的網(wǎng)形，提高點位精度，同時對檢測常規(guī)測量的支點也非常有效,GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測量中。GPS技術(shù)在隧道測量中也具有廣泛的應(yīng)用前景，GPS測量無需通視，減少了常規(guī)方法的中間環(huán)節(jié)，因此，速度快、精度高，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。6.3.6GPS的其他應(yīng)用

GPS除了用于導(dǎo)航、定位、測量外，由于GPS系統(tǒng)的空間衛(wèi)星上載有的精確時鐘可以發(fā)布時間和頻率信息，因此以空間衛(wèi)星上的精確時鐘為基礎(chǔ)，在地面監(jiān)測站的監(jiān)控下，傳送精確時間和頻率是GPS的另一重要應(yīng)用，應(yīng)用該功能可進(jìn)行精確時間或頻率的控制，為許多工程實驗服

務(wù)。此外，還可利用GPS獲得氣象數(shù)據(jù)，為某些實驗和工程應(yīng)用。

6.4組合導(dǎo)航

6.4.1導(dǎo)航及導(dǎo)航系統(tǒng)

早期的導(dǎo)航工作一般是由領(lǐng)航員完成的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多地使用導(dǎo)航儀器，使其代替領(lǐng)航員的工作而自動地執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)。因此，能夠向航行體的操縱者或控制系統(tǒng)提供航行體的位置、速度、航向等即時運動狀態(tài)的系統(tǒng)叫做導(dǎo)航系統(tǒng)。6.4.2導(dǎo)航系統(tǒng)的三個基本特征

導(dǎo)航系統(tǒng)具備下面三個特征：

(1）導(dǎo)航系統(tǒng)首先應(yīng)該是一套探測系統(tǒng)，必須要通過測量才能得到導(dǎo)航參數(shù)。當(dāng)然許多用戶感興趣的導(dǎo)航參數(shù)是通過解算得到的，但是也必須先有觀測值才能解算。

(2）導(dǎo)航系統(tǒng)必須是一套能執(zhí)行測量功能的硬件設(shè)備。用戶不可能憑空去測量導(dǎo)航參數(shù)，一定要有硬件形式的儀器、設(shè)備來執(zhí)行測量功能。

(3）導(dǎo)航系統(tǒng)要有導(dǎo)航解算功能。原始觀測值往往不能包含我們想要的全部導(dǎo)航參數(shù)，而且通常包含噪聲，因此必須要由計算機按照一定的算法，消除噪聲干擾，得到用戶感興趣的全部導(dǎo)航參數(shù)。6.4.3導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

導(dǎo)航系統(tǒng)分為自主式和非自主式兩種。

1)自主式導(dǎo)航系統(tǒng)

常用的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem,INS）、天文導(dǎo)航（ChronometerNavigationSystem,CNS）、航位推算法（DeadReckoning,DR）等。

2)非自主式導(dǎo)航系統(tǒng)

根據(jù)導(dǎo)航臺設(shè)在陸上或是設(shè)在衛(wèi)星上，相應(yīng)的分別稱為陸基導(dǎo)航系統(tǒng)和星基導(dǎo)航系統(tǒng)（衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），總稱為無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。陸基系統(tǒng)有羅蘭-C（Loran-C）、OMEGA、TACAN、VOR、DME等。星基系統(tǒng)有子午儀、GPS、GLONASS、GALILEO及我國的“北斗”雙星導(dǎo)航系統(tǒng)等。6.4.4組合導(dǎo)航

組合導(dǎo)航系統(tǒng)通常采用數(shù)據(jù)融合方法將多個傳感器的導(dǎo)航信息融合在一起，使得組合系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性能、容錯性能等各項性能指標(biāo)均優(yōu)于子系統(tǒng)單獨工作時的性能。

GPS為導(dǎo)航和定位領(lǐng)域所帶來的成果和應(yīng)用潛力愈來愈受到各個行業(yè)的重視，在陸地、海洋、空中、空間應(yīng)用研究中更加顯示出其不可替代的作用。但是，GPS系統(tǒng)同時也存在其固有的不足之處。隨著用戶對導(dǎo)航、定位精度和性能要求的不斷提高，單獨GPS系統(tǒng)往往難以獨立完成任務(wù)。利用多種傳感器構(gòu)成性能完備的組合導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。常見的有GPS與INS技術(shù)，GPS與計算機技術(shù)，GPS與GSM技術(shù)，GPS與GIS技術(shù)，GPS與其他傳感器的數(shù)據(jù)融合等。其中以GPS為基礎(chǔ)的GPS/INS，GPS/GIS，越來越受到應(yīng)用部門的重視。

6.5GPS/INS組合導(dǎo)航

6.5.1慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性測量裝置包括：

(1)3個加速度計：用來測量運載器的3個平移運動的加速度，指示當(dāng)?shù)氐卮咕€的方向，對測出的加速度進(jìn)行兩次積分，可算出運載器在所選擇的導(dǎo)航參考坐標(biāo)系的位置。

(2)3個陀螺儀：用來測量運載器的3個轉(zhuǎn)動運動的角位移，指示地球自轉(zhuǎn)軸的方向。

按照慣性測量裝置在運載器上的安裝方式，可分為平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是將加速度計和陀螺儀安裝在慣導(dǎo)平臺上，按照建立坐標(biāo)系的不同，又可分為空間穩(wěn)定和當(dāng)?shù)厮降膽T性導(dǎo)航系統(tǒng)，前者的慣導(dǎo)平臺相對慣性空間穩(wěn)定，后者的慣導(dǎo)平臺能跟蹤當(dāng)?shù)厮矫?，但其方位相對于地球可以是固定的，也可以是自由的、游動的。由于平臺能隔離運載體的振動，慣性儀表的工作條件較好，可減少測量誤差，提高導(dǎo)航精度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，造價高。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是將加速度計和陀螺儀安裝在運載體上，由計算機軟件建立一個數(shù)學(xué)平臺，取代機械慣性平臺，因而結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，成本低，但慣性儀表工作條件較差，測量誤差增大，導(dǎo)航精度下降，故對陀螺儀的要求很高，能耐沖擊、振動，角速度測量范圍要大，采用靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺等新型陀螺較為理想。6.5.2INS的優(yōu)缺點

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要優(yōu)點是不依賴任何外界系統(tǒng)的支持能獨立自主地進(jìn)行導(dǎo)航，能連續(xù)地提供包括姿態(tài)基準(zhǔn)在內(nèi)的全部導(dǎo)航和制導(dǎo)參數(shù)，具有對準(zhǔn)后良好的短期精度和穩(wěn)定性。

其主要缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價較高，導(dǎo)航誤差隨時間積累而增大，加溫和對準(zhǔn)時間較長，因此，不能滿足遠(yuǎn)距離或長時間航行及高精度導(dǎo)航或制導(dǎo)的要求。為了提高導(dǎo)航定位精度，出現(xiàn)了多種組合導(dǎo)航的方式，即把各具特點的不同類型的導(dǎo)航系統(tǒng)匹配組合，使之相互取長補短，從而形成一種更為優(yōu)良的新型導(dǎo)航系統(tǒng)——組合導(dǎo)航系統(tǒng)，如慣性導(dǎo)航與多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航與VOR/DME組合導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航與LORAN或德卡（DECCA）或OMEGA或康索爾（CONSOL）或地面參照導(dǎo)航（TRN）或地形特征匹配（TCM）組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以及GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。6.5.3進(jìn)行GPS/INS組合的必要性

GPS是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，使用方便,成本低廉，其最新的實際定位精度已經(jīng)達(dá)到5m以內(nèi)。但是GPS系統(tǒng)軍事應(yīng)用還存在易受干擾、動態(tài)環(huán)境中可靠性差及數(shù)據(jù)輸出頻率低等不足。

INS系統(tǒng)則是利用安裝在載體上的慣性測量裝置（如加速度計和陀螺儀等）敏感載體的運動，輸出載體的姿態(tài)和位置信息。INS系統(tǒng)完全自主，保密性強，并且機動靈活，具備多功能參數(shù)輸出，但是存在誤差隨時間迅速積累的問題，導(dǎo)航精度隨時間而發(fā)散，不能單獨長時間工作，必須不斷加以校準(zhǔn)。

將GPS和INS進(jìn)行組合可以使兩種導(dǎo)航系統(tǒng)取長補短，構(gòu)成一個有機的整體。6.5.4GPS/INS組合的優(yōu)勢

一般來說，GPS/INS組合具有以下優(yōu)勢：

1.改善系統(tǒng)精度

高精度的GPS信息可以用來修正INS，控制其誤差隨時間的積累。利用GPS信息可以估計出INS的誤差參數(shù)以及GPS接收機的鐘差等量。

另一方面，利用INS短時間內(nèi)定位精度較高和數(shù)據(jù)采樣率高的特點，可以為GPS提供輔助信息。

2.加強系統(tǒng)的抗干擾能力

GPS信號受到高強度干擾，或當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)接收機出現(xiàn)故障時，INS系統(tǒng)可以獨立地進(jìn)行導(dǎo)航定位。當(dāng)GPS信號條件顯著改善到允許跟蹤時，INS系統(tǒng)向GPS接收機提供有關(guān)的初始位置、速度等信息，以供在迅速重新獲取GPS碼和載波時使用。INS系統(tǒng)信號也可用來輔助GPS接收機的天線對準(zhǔn)GPS衛(wèi)星，從而減小了干擾對系統(tǒng)的影響。

3.解決周跳問題

對于GPS載波相位測量，INS可以很好地解決GPS周跳和信號失鎖后整周模糊度參數(shù)的重新解算，也降低了至少4顆衛(wèi)星可見的要求。

4.解決GPS動態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問題

在某些動態(tài)應(yīng)用領(lǐng)域，高頻INS數(shù)據(jù)可以在GPS定位結(jié)果之間高精度內(nèi)插所求事件發(fā)生的位置（如航空相機曝光瞬間的位置測定）。

5.用途更廣

GPS/INS組合系統(tǒng)是GPS與INS互補、互相提高的集成，而不是二者的簡單結(jié)合,組合系統(tǒng)性能更強，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。

正是由于這兩套系統(tǒng)具有極好的互補性，不僅可以低成本提供全球精確導(dǎo)航，也可以滿足軍事應(yīng)用對保密性的要求。6.5.5GPS/INS組合的關(guān)