GPS卫星和北斗卫星定位原理
GPS的工作原理，简单地说来，是利用我们熟知的几何与物理上一些基本
原理。首先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A
至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的
圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两
个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只
能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一
个不合理的位置。当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行
定位。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，收到四颗则加上高程值
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。
GPS：全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem，简称GPS)是由美国政
府所发展，整个系统约分成下列三个部份:
1、太空卫星部份：由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记着(21+3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平
面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以
上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS
卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有
一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做"间隙段"。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作
卫星的编号和试验卫星基本相同。
2、地面控制部分：对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位
置是依据卫星发射的星历-描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面
监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准-GPS时间系统。这就
需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫
星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
3、用户设备部分:GPS信号接收机的任务是能够捕获到按一定卫星高度截
止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信
号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，三维
速度和时间。
以上所说，要实现精确定位，要解决两个问题：其一是要确知卫星的准确位置；其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离。下面我们看看怎样来做到这点。怎样确知卫星的准确位置?要确知卫星所处的准确位置。首先，要通过深思熟虑，优化设计卫星运行轨道，而且，要由监测站通过各种手段，连续
不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确
接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。
要准确测定信号传播时间，要解决两方面的问题，一个是时间基准问题。
时间基准问题就是GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测
站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机
接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。所以，GPS接收机
除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。原子钟虽然十分精确，但也
不是一点误差也没有。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样，设置昂
贵的原子钟，所以就利用测定第四颗卫星，来校准GPS接收机的时钟。我们前
面提到，每测量三颗卫星可以定位一个点。利用第四颗卫星和前面三颗卫星的
组合，可以测得另一些点。理想情况下，所有测得的点，都应该重合。但实际上，并不完全重合。利用这一点，反过来可以校准GPS接收机的时钟。测定距
离时选用卫星的相互几何位置，对测定的误差也不同。为了精确的定位，可以
多测一些卫星，选取几何位置相距较远的卫星组合，测得误差要小。在我们提
到测量误差时，还有一点要提到，就是美国的SA政策。美国政府在GPS设计中，计划提供两种服务。一种为标准定位服务(SPS)，利用粗码(C/A)定位，精度约
为100m，提供给民用。另一种为精密定位服务(PPS)，利用精码(P码)定位，精度达到10m，提供给军方和特许民间用户使用。由于多次试验表明，SPS的定位精度已高于原设计，美国政府出于对自身安全的考虑，对民用码进行了一种称为"选择可用性SA(SelectiveAvailability)"的干扰，以确保其军用系统具有
最佳的有效性。由于SA通过卫星在导航电文中随机加入了误差信息，使得民用信号C/A码的定位精度降至二维均方根误差在100米左右。采用差分GPS技术(DGPS)，可消除以上所提到大部分误差，以及由于SA所造成的干扰，从而提高卫星导航定位的总体精度，使系统误差达到10到15米之内。
北斗卫星定位原理:
"北斗一号"卫星定位系出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星
距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗
卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数
字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行
的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐
标经加密由出站信号发送给用户。
"北斗一号"的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏
地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(
类似差分状态)。工作频率:2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。
"一代'北斗'只用双星定位，比GPS等投资小、建成快，"范本尧说这是我
北斗手机号定位
国国情决定的，也对一代"北斗"的技术路线提出了特殊的要求，"所以我们的定位系统具有自己的特点。"
美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，都是使用24颗卫星(GPS还另有3颗备份卫星，GLONASS则因经费问题损失了几颗卫星)组成网络。这些卫星不中断地向
地面站发回精确的时间和它们的位置。GPS接收器利用GPS卫星发送的信号确
定卫星在太空中的位置，并根据无线电波传送的时间来计算它们间的距离。等
计算出至少3~4颗卫星的相对位置后，GPS接收器就可以用三角学来算出自己
的位置。每个GPS卫星都有4个高精度的原子钟，同时还有一个实时更新的数
据库，记载着其他卫星的现在位置和运行轨迹。当GPS接收器确定了一个卫星
的位置时，它可以下载其他所有卫星的位置信息，这有助于它更快地得到所需
的其他卫星的信息。
"1983年，'两弹一星'功勋奖章获得者陈芳允院士和合作者提出利用两颗
同步定点卫星进行定位导航的设想，经过分析和初步实地试验，证明效果良好，"中国计量科学研究院的黄秉英研究员说，这一系统被称为"双星定位系统"。
一代"北斗"采用的基本技术路线最初来自于陈芳允先生的"双星定位"设想，正式立项是在1994年。北斗卫星导航系统由空间卫星、地面控制中心站和用户终端等3部分即可完成定位。一代"北斗"与GPS系统不同，对所有用户位置的
计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。因此，地面中心站可以保
留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。
有源无源是关键不同点
"一代'北斗'采用的是有源定位，GPS和GLONASS等都是无源定位，"范本
尧说，"这是它们质上的不同点。"
所谓有源定位就用户需要通过地面中心站联系及地面中心站的传输，通讯
就不必通过其他的通讯卫星了，一星多用符合我国国情。GPS和GLONASS没有
设计通讯功能，主要原因就在于不需要地面站中转服务的无源定位不能提供通
讯服务。
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