【学习目标】
通过本章学习，要求了解了4大导航定位系统，掌握GPS的定位原理，了解各种GSM的定位方式，掌握栅格结构和矢量结构的数据压缩编码方法。
【关键术语】
GPS、北斗导航、GSM、GIS。
【引导案例】
TITANGPS车辆监控系统（TITANGPS Auto Monitoring System）是APOLLO公司采用软件工程的方法进行设计开发的。它是将GPS、GSM、GIS等技术紧密结合，实现对车辆实时监控的一体化系统。
TITANGPS系统同时实现所有与GPS相关的GIS功能，通过GSM网把信息传递给车辆控制中心，实时显示监控车辆位置、状态、运动轨迹，实现对监控车辆的远程控制，包括强制发回位置、车辆控制器控制（如开关门、防盗等）、询问、通知信息发送等。
第一节卫星导航定位系统
在全球海陆空范围内，用于确定位置、进行导航和授时的星座称全球导航定位系统。迄今为止，人类已建立了多个全球定位系统。
一、全球定位系统（Global Position System，GPS）
1.GPS系统简介
GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit），该系统于1958年开始研制，1964年正式投入使用。Transit用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制作了铺垫。
1973年，美国国防部批准其海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统，即授时和测距导航卫星，或称全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System， NAVSTAR/GPS），简称GPS系统。GPS系统采用延时测距的被动式导航体制，能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的三维位置、三维速度和一维时间的7维定位、导航和授时服务，用户的数量没有任何限制。1978年2月发射第一颗GPS卫星，1994年3月，24颗卫星构成的星座部署完毕，GPS系统正式建成，系统总共耗资200亿美元。GPS开始时只用于军事目的，现在也广泛应用于商业和科学研究。
2.GPS系统构成
GPS系统包括三大部分：
（1）空间部分——GPS卫星星座。
GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，轨道高度为20200千米，每颗卫星都配备有精度极高的原子钟（30万年的误差仅为1秒），12恒星时(11小时58分钟2.05秒)绕地球一周；24颗卫星均匀分布在6个轨道平面，每4颗卫星工作在同一轨道平面内，彼此夹角为60°，各轨道平面相对于赤道平面的倾角度为55°，在每一轨道平面，各卫星的间隔为90°。GPS空间卫星的这种分布方式，可以保证在地球上的任何地点都能连续同步地观测到至少4颗卫星，从而提供全球范围从地面到20000千米高空之间任一载体高精度的三维位置、三维速度和系统时间信息的服务。
（2）地面控制部分——地面监控系统。
地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站构成。这些子系统的功能是对空间的卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。
主控站为美国科罗拉多的联合空间执行中心，它是整个GPS系统的核心，它的功能是为全系统提供时间基准；监视、控制卫星的轨道；处理监测站送来的各种数据；编制各卫星星历；计算和修正时钟误差及电离层对电波传播造成的偏差；当卫星失效时及时调用备用卫星等。
3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美国军事基地上。注入站的任务是将主控站计算出的卫星参数发送给卫星，同时向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。
5个监测站分别设在主控站、3个注入站及夏威夷岛。监测站负责对诸卫星进行连续跟踪和监视，测量每颗卫星的位置和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控站进行处理，5个监控站均为无人值守的数据采集中心。
（3）用户设备部分——GPS信号接收机。
用户部分主要是GPS接收机，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。GPS接收机能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解算信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据，或采用后处理的方式获得定位、测速、定时等数据。用户接收机按使用环境可分为低动态接收机和高动态接收机，按所要求的精度可分为C/A接收机和双频精码（P码）接收机。
3.GPS信号精度
美国政府在GPS的最初设计中，为了测量卫星至接收机的伪距，卫星发射三种伪随机码（简称伪码）信号，即C/A码、P码与Y码，它们分别调制在两个载频上发射。C/A码——粗测/捕获码，为民间用户提供标准定位服务（SPS）；P码——精密码，为美国军方用户和特许的用户提供精密定位服务（PPS）。最初预计C/A码的定位精度约为400米，但由外场试验结果表明，定位精度可达到15～40米，而测速精度达到每秒零点几米。美国政府出于自身安全的考虑，于1991年在Block Ⅱ卫星上实施了可用性选择（Selective Availability，SA）政策，其目的就是降低GPS的定位精度。SA通过控制卫星钟和报告不精确的卫星轨道信息来实现。它包括两项技术：第一项技术是将卫星星历中轨道参数的精度降低到100米左右；第二项技术是在GPS卫星的基准频率施加高抖动噪声信号，而且这种信号是随机的，从而导致测量出来的伪距误差增大。通过这两项技术，美国国防部把精度降低到100米（水平位置）和156米（高度），测速精度为0.3米/秒，定时精度340纳秒。以上精度均指95%概率。
P码是保密码，但P码的编码方式已公开。为了严格限制非特许的用户使用P码，美国在1994年1月31日在卫星上实施了反电子欺骗（Anti Spoofing，AS）的技术措施，将P码进一步加密编译成Y码。Y码是P码与一个被称为W码的密码模二相加而成的。这样，倘若敌方发射虚假的P码信号进行电子欺骗，使美方产生错误定位，美方只要采用装有选择Y码附加芯片的P码接收机，不接收这种假信号，就可达到防止电子欺骗的目的。
2000年5月2日，美国政府基于两种考虑放弃了SA政策。一是其国内和国外的应用需求，以及国际竞争的需要，希望保持GPS的国际领先地位，同时成为国际标准的战略性策略；二是美国已经具备新的阻断敌对方利用民用信号对其发动攻击的能力，尤其是在局部区域内的控制使用能力。
4.GPS定位原理及方法
（1）卫星定位的基本原理。
GPS系统的定位原理是：每个太空卫星在运行时，任一时刻都有一个坐标值来代表其位置所在（已知值），接收机所在的位置坐标为未知值，而太空卫星的信息在传送过程中所需耗费的时间，可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算出来，将此时间差值乘以电波传送速度（一般定为光速），就可计算出太空卫星与使用者接收机间的距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相关的方程式。每接收到一颗卫星的信息就可列出一个相关的方程式，因此在至少收到三颗卫星的信息后，即可计算出平面坐标（经纬度）值。
用距离交会的方法求解P点的三维坐标（x，y，z）的观测方程为：
ρi=［(x1－x)2+(y1－y)2+(z1－z)2］12（i=1，2，3)（8-1）
式中，ρi是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。但这是伪距，而不是卫星与GPS接收机的几何距离，用ρ′表示。
ρ′=c×Δt(含有各种误差)（8-2）
（2）伪距法定位。
伪距法定位是指由GPS接收机在某一时刻测出四颗以上的GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用空间距离后方交会的方法求得接收机所在点的三维坐标。
因为测距中存在一些误差，如电离层误差、对流层误差、卫星钟差、接收机钟差δtk，所测伪距与真正的几何距离之间的关系为：
ρ=ρ′+δρ1+δρ2+cδti－cδtk（8-3）
式中：ρ——卫星与GPS接收机的几何距离；
ρ′——伪距；
δρ1——电离层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得；
δρ2——对流层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得；
δti——第i颗卫星的钟差（卫星时间与理想GPS时间的差），可根据卫星星历求得；
δtk——接收机钟差（接收机时间与理想GPS时间的差，未知）。
由于δtk也需通过方程求出，所以，要增加一个方程，式（8-1）可修改为：
［(xi－x)2+(yi－y)2+(zi－z)］12+c(δtk－δti)=ρ′i+δρ1+δρ2（i=1，2，3，4)（8-4）
列出4个方程可求解4个未知数：x，y， z， δtk，从而可进行定位。
5.GPS定位方式
GPS定位的方式是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准作如下划分：
（1）根据定位所采用的观测值划分：
①伪距定位。伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位。其缺点是观测值精度低，C/A码伪距观测值的精度为29.3～2.93米，而P码伪距观测值的精度为2.93～0.293米，从而导致定位结果精度低。
②载波相位定位。载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1（19米）、L2（24.4厘米）或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，分别达到2.6～5.3毫米与3.4～6.8毫米；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。
（2）根据定位的模式划分：
①绝对定位。绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，一般用于导航和精度要求不高的应用中。
②相对定位。相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。
（3）根据获取定位结果的时间划分：
①实时定位。实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。
②非实时定位。非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理定位的方法。
（4）根据定位时接收机的运动状态划分：
①动态定位。动态定位就是在进行GPS定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。
②静态定位。静态定位就是在进行GPS定位时，接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式是多台接收机在不同的观测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。
二、格洛纳斯系统（GLONASS）
1.GLONASS系统简介
GLONASS系统由苏联在1976年组建，1991年组建成具备覆盖全球的卫星导航系统，苏联解体后由俄罗斯政府负责运营。但随着俄罗斯经济不断走低，虽然系统的导航卫星不断得到补充，却因失修等原因使系统陷入崩溃的边缘，最严重时，仅6颗卫星正常工作。随着俄罗斯的经济逐渐好转，系统卫星在数目上基本上得到完善。据俄罗斯《消息报》2013年1月报道，俄自主研制的“格洛纳斯”全球卫星导航系统将在近期内正式投入使用，相关方离共同做出启用决定仅一步之遥。届时，格洛纳斯卫星导航系统将再次启用24颗卫星并实现信号全球覆盖（24颗卫星分布在3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星）。该系统目前共有31颗卫星在轨，除24颗实现全球信号覆盖的卫星外，3颗卫星进行技术维护，2颗卫星处于备用轨道，1颗卫星（格洛纳斯-K）进行飞行测试，1颗备用卫星。