卫星定位原理

以美国的GPS（Global Positioning System）全球定位系统为例。

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一、GPS的组成及各部分的作用

全球定位系统（英语：Global Positioning System，通常简称GPS），又称全球卫星定位系统，是美国国防部研制和维护的中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。全球定位系统可满足位于全球地面任何一处或近地空间的军事用户连续且精确地确定三维位置、三维运动和时间的需求。

GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。

1. 空间星座部分
   GPS卫星星座设计由24颗卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。24颗GPS卫星在离地面2万200千米的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
   GPS卫星连续发送GPS信号，供GPS接收机接收。GPS卫星发射的信号主要分为载波（Carrier wave）、测距码（Ranging Code）和导航电文（Navigation Messages ）三部分，其中测距码和导航电文调制到高频载波上后，通过卫星天线将调制后的载波辐射出来。
   ● 测距码
   测距码有两种，都属于伪随机噪声码（Pseudo Random Noise，简称 PRN）：C/A 码（Coarse/Acquisition Code）和P码（Precise Code）。C/A码（Coarse/Acquisition Code）是用于进行粗略测距和捕获P码的粗码，相应的码元宽度为293.05米，使用C/A码来定位得到的定位精度约为码元宽度的1%，即一般为±（2~3）米。P码是精确测定从GPS卫星到用户接收机距离的测距码，也称精码，相应码元宽度为29.3米。P码测距精度为0.3米。

   ● 导航电文
   导航电文包括系统时间、时钟校正值、自身精确的轨道数据（即星历）、其他卫星的近似轨道信息、电离层模型参数和世界协调时（UTC）数据等系统状态信息。导航电文用于计算卫星当前的位置和信号传输的时间，从而使GPS接收机在接收导航电文后能确定自身的位置。导航电文是具有一定格式的二进制码，以“帧”为单位向用户发送。每帧电文含有1500bit，传输速率为50bit/s。每个主帧包含5个子帧：
   ※ 子帧1包含有卫星钟改正数、GPS周数（Week Number）和卫星工作状态信息
   ※ 子帧2和子帧3主要向用户提供有关计算卫星在轨位置的信息，包括广播星历参数和数据龄期（Age of Data Offset，简称AODO）
   ※ 子帧4和子帧5提供了卫星导航、星座历书等信息。GPS卫星导航电文结构如下图所示：
   
   （图片来自http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4597.html）
   ● 载波
   GPS卫星所用的两个载波均位于微波的L波段，分别称为L1载波和L2载波。
   两个相关的载波信号：
   
   采用L波段的高频率载波可以较为精确的测定多普勒频移和载波相位，提高测速和定位精度。使用两个频率还可以测定电离层延迟。

GPS卫星天线发射出来的信号为：

2. 地面监控部分
   地面监控部分主要由1个主控站（Master Control Station，简称MCS）、12个地面天线站（Ground Antenna）和16个监测站（Monitor Station）组成。
   主控站位于美国科罗拉多州的谢里佛尔空军基地，是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。

   注入站目前有4个，注入站的作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星。每颗GPS卫星上的计算机和导航信息发生器非常精确地了解其轨道位置和系统时间，而全球监测站网保持连续跟踪卫星的轨道位置和系统时间。位于科罗拉多州施里弗（Schriever）空军基地内的主控站与其运控段一起，至少每天一次对每颗GPS卫星注入校正数据。注入数据包括：星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型的基础上算出的，可在几个星期内保持有效。

   注入站同时也是监测站，另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角2处监测站，故监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。

3. 用户设备部分
   用户设备主要为GPS接收机，主要作用是接收GPS卫星发出的信号，进行去噪、放大、解调等处理后，根据测距码和导航电文计算用户的三维位置及时间。

二、GPS工作的原理

GPS卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供GPS接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，通常称之为时延，因此，也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速，便能得到某颗卫星距离接收机的距离di，这个距离叫做伪距。图中显示了GPS系统的时延原理。

接收机收到导航电文后就可获知卫星i 的精确位置(Xi, Yi, Zi)，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和Vto为接收机的钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

参考：1.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E7%90%83%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F
2.http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171011_4563.html