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第11章 GPS

学习目标

  1. 说明卫星导航定位技术的发展脉络，区分 GPS、GNSS 与北斗系统的概念边界。
  2. 描述 GPS 空间段、控制段和用户段的组成及其协同工作方式。
  3. 归纳 GPS 定位误差的主要来源、精度因子和差分增强技术。
  4. 掌握 WGS-84、CGCS2000、GCJ-02 等坐标系统在实际位置服务中的转换意义。
  5. 比较 GLONASS、Galileo、北斗系统的主要技术特点。
  6. 结合物流场景说明卫星导航在车辆监控、电子围栏、路径调度、冷链运输和风险控制中的应用。

引言

全球定位系统（Global Positioning System, GPS）是卫星导航技术走向工程化和大众化的标志性成果。它由空间段、控制段和用户段协同构成：卫星星座连续播发导航信号，地面控制系统监测卫星状态并上传星历与钟差校正数据，接收终端捕获信号、解算位置，从而向全球用户全天候、连续地提供三维位置、速度和精密时间信息。

单点定位利用伪距观测量建立方程组求解用户位置：由于待解量包含三维坐标和接收机钟差，至少需要同时观测 4 颗卫星；载波相位观测则可将精度提升至厘米级。实际定位精度受到卫星轨道与钟差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应和卫星几何构型等因素的影响，可通过差分 GPS、实时动态定位（RTK）、网络 RTK、精密单点定位和星基增强系统等技术加以改善。

随着 GPS、GLONASS、Galileo 和我国北斗卫星导航系统相继建成，现代位置服务通常在多个卫星系统之间协同工作，以提高可见卫星数量、几何构型质量和定位连续性。我国北斗三号采用 GEO、IGSO 与 MEO 混合星座，具备三频信号体制和独有的短报文通信能力。

对物流行业而言，卫星导航将空间位置与订单、时间窗、道路状态、运输成本和风险控制关联起来，支撑车队管理、路径优化与动态调度、电子围栏、物流可视化、港口园区协同和物流金融风险控制。本章将依次介绍卫星导航发展历程、GPS 系统组成与信号体系、定位原理与误差分析、坐标系统、多系统对比及其物流应用。

11.1 卫星导航定位技术概述

11.1.1 卫星导航定位技术的发展历程

现代卫星导航技术的形成，源于航海、航空与军事领域对高精度、全天候、全球覆盖导航手段的长期需求。1957年，苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星"Sputnik-1"，科学家很快发现，通过分析卫星信号的多普勒频移可以推断卫星与地面站的相对运动状态，这为卫星导航技术奠定了物理基础。

20世纪50年代末至60年代，美国海军建设了导航卫星系统NNSS（Navy Navigation Satellite System），也称Transit系统，主要用于潜艇和舰艇的导航定位。该系统于1964年投入军用、1967年向民用开放，能够提供二维定位服务，但存在更新周期长、只能间歇定位、无法提供实时连续三维导航等局限。

随着陆海空三军对连续、实时、三维导航能力的需求不断增长，美国国防部于1973年正式批准NAVSTAR/GPS（Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System）计划。1978年首批Block I试验卫星发射升空，经过近20年的建设与验证，1995年GPS宣布达到完全运行能力（Full Operational Capability, FOC），成为世界上第一个实现全球连续覆盖的卫星导航系统。

进入21世纪后，卫星导航技术呈现三个显著趋势：

(1) 由单系统走向多系统。 除GPS外，俄罗斯GLONASS完成星座恢复，欧洲Galileo逐步建成运行，中国北斗于2020年完成全球组网，四大系统共同构成全球导航卫星系统（GNSS）体系。

(2) 由单频走向多频。 多频观测有助于消除电离层误差，提高定位精度与抗干扰能力。GPS、北斗、Galileo均在设计中引入了三频或更多频点的民用信号。

(3) 由定位走向综合服务。 现代卫星导航系统不仅提供定位（Positioning）和导航（Navigation），还提供高精度授时（Timing）服务，成为通信、电力、金融和交通系统的重要时间基准来源。

11.1.2 GPS 的概念与基本功能

GPS是Global Positioning System的缩写，全称为导航卫星授时测距/全球定位系统（NAVSTAR/GPS），中文通常译为全球定位系统。GPS由空间卫星星座、地面控制系统和用户接收设备三大部分构成，能够为全球用户全天候、连续地提供三维位置、三维速度和精密时间信息。

GPS的基本功能包括：

  • 三维定位： 提供经度、纬度和高程。
  • 运动信息： 提供速度、航向、加速度等。
  • 精密授时： 提供统一的高精度时间基准。

GPS的主要特点可概括为：

  • 全球覆盖： 在地球大部分地区均可获得定位服务。
  • 全天候工作： 不受云、雨、雾等气象条件影响。
  • 实时连续： 接收机可连续接收信号并实时解算位置。
  • 三维定位： 可同时获得平面位置和高程信息。
  • 易于集成： 芯片体积小、功耗低，便于嵌入各类终端设备。

11.1.3 GPS、GNSS 与北斗

在日常用语中，"GPS"常被用作一切卫星导航的代名词，但从严格的技术概念看，这种用法并不准确。三者的关系可作如下区分：

  • GPS（全球定位系统）： 美国建设和维护的一个具体卫星导航系统。
  • GNSS（全球导航卫星系统）： 对GPS、GLONASS、Galileo、北斗等所有卫星导航系统的统称。
  • 北斗（BDS，北斗卫星导航系统）： 我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是GNSS的重要组成部分。

11.1.4 卫星导航技术的典型应用

卫星导航技术已渗透到现代社会运行的众多环节，典型应用领域包括：

  • 交通运输： 车辆导航、公交调度、船舶航行、航空导航、共享出行管理。
  • 测绘与工程： 控制测量、地形测量、道路桥梁施工放样、变形监测。
  • 物流管理： 车辆跟踪、冷链监控、配送调度、电子围栏、运输全过程可视化。
  • 精准农业： 农机自动驾驶、播种施肥路径控制、农田边界采集。
  • 应急与公共安全： 救援队伍调度、灾情区域定位、重点车辆监管。
  • 授时与同步： 通信基站、电力系统、金融系统、工业控制系统统一授时。

对于物流领域而言，卫星导航既能够获取车辆位置，也能够将空间位置与订单、时间窗、道路状态、运输成本和风险控制关联起来，从而支撑智能调度与管理决策。

11.2 GPS 系统的组成与信号体系

11.2.1 GPS 系统总体结构

GPS由空间段（Space Segment）、控制段（Control Segment）和用户段（User Segment）三大部分构成，三者协同完成"卫星播发信号、地面维护系统、用户接收解算"的完整工作链条。

  • 空间段： 由运行中的导航卫星星座构成，主要作用是向全球连续播发导航信号与时间信息。
  • 控制段： 由主控站、监测站、注入站等地面设施构成，主要作用是监测卫星状态，计算星历与钟差，并向卫星上传校正数据。
  • 用户段： 由各类GPS/GNSS接收机与终端构成，主要作用是接收并处理卫星信号，解算位置、速度和时间。
GPSSegments Space 空间段 导航卫星星座 Control 控制段 主控站、监测站、注入站 Space->Control 遥测与状态信息 User 用户段 接收机与终端 Space->User 广播导航信号 Control->Space 上行星历、钟差与控制指令

图11-1 GPS系统空间段、控制段与用户段协同关系示意图

11.2.2 空间段

GPS空间段的标称设计方案为24颗工作卫星（另有3颗在轨备用），均匀分布在6个轨道面上，每个轨道面包含4颗卫星。星座的基本参数如下表所示：

表11-1 GPS空间段星座基本参数

参数 设计值
卫星总数 24颗
轨道面数量 6个
轨道面倾角 55°
轨道高度 约20,200 km
轨道周期 约11小时58分钟
地面重复轨迹周期 约23小时56分钟

上述24颗卫星是GPS的标称设计构型（Baseline Constellation），实际在轨可用卫星数通常多于24颗。截至近年，GPS在轨工作卫星一般维持在30颗以上，以确保全球范围内具有良好的卫星可见性和几何构型。

GPS卫星（又称空间飞行器，Space Vehicle）的主要组成包括：

  • 原子钟：铷钟和铯钟为导航测距和系统授时提供高稳定度时间基准。
  • 导航载荷：负责产生、调制并播发导航信号。
  • 太阳能供电系统：太阳能翼板（面积约7 m²）为卫星提供持续电力。
  • 姿态与轨道控制：维持卫星姿态、轨道稳定，保证天线指向地球。
  • 微处理器：对地面上传数据进行处理和存储。
  • 遥测遥控装置：接收地面控制指令并回传卫星状态信息。

卫星的基本工作流程为：接收地面控制段上传的星历、钟差和控制指令，利用星载原子钟提供精密时间参考，连续向用户播发载波、测距码和导航电文，并根据控制需要调整姿态或执行系统维护。

11.2.3 控制段

卫星轨道会受到地球非球形引力、日月引力、太阳光压等摄动力的影响而偏离预定轨道，卫星原子钟也会出现钟速漂移和频率偏差，因此必须通过地面控制段持续监测和校正。

GPS地面控制段包括以下设施：

  • 主控站（Master Control Station）
    • 数量：1个，位于美国科罗拉多斯普林斯，另设1个备用主控站。
    • 功能：汇总所有监测数据，推算卫星星历、钟差和大气修正参数，提供全系统时间基准，协调卫星运行管理。
  • 监测站（Monitor Station）
    • 数量：16个，分布于全球。
    • 功能：配备双频GPS接收机和高精度原子钟，自动采集卫星观测数据。
  • 注入站（Ground Antenna/Upload Station）
    • 数量：11个。
    • 功能：将主控站计算的星历、钟差、导航电文及控制指令上传至卫星。

控制段的工作流程可概括为：监测站采集观测数据 → 主控站汇总计算 → 注入站上传至卫星 → 卫星播发更新后的导航信息 → 用户接收使用。正因为控制段持续运行，用户才能获得可用、连续、可信的定位服务。

主控站的核心职责包括：

  1. 根据各监测站的观测资料推算卫星星历和钟差参数。
  2. 提供全系统的统一时间基准（GPS时间）。
  3. 对运行轨道偏差过大的卫星进行轨道调整。
  4. 在卫星故障时启用备用卫星替代失效卫星。
  5. 监控所有卫星的健康状态并设置卫星健康标志。

11.2.4 用户段

用户段由各类GPS/GNSS接收机及其配套终端构成。随着半导体工艺的进步和芯片集成度的提高，GPS接收设备已从早期的大型专业仪器，发展为可嵌入手机、车载导航仪、手持终端、无人机飞控、共享单车锁具和冷链传感器等多种形态的微型化模块。

按照用途分类，GPS接收机可分为三类：

  • 导航型。强调实时性与低成本，结构简单。典型应用包括：车载导航、手机定位、消费电子。
  • 测量型。强调载波相位精度与后处理能力，可实现厘米级定位。典型应用包括：RTK测量、静态控制测量、工程放样。
  • 授时型。强调时间同步稳定性。典型应用包括：通信基站、电力系统、实验室授时。

按接收信号频率分类，可分为三类：

  • 单频接收机。仅接收L1信号，结构简单、成本低。适用于短基线（一般不超过20 km）定位和手持导航。
  • 双频接收机。同时接收L1和L2信号，可消除电离层一阶误差。适用于高精度测量和长基线定位。
  • 多频接收机。接收L1、L2、L5等多个频段信号。适用于GNSS多系统兼容和复杂环境下的高精度应用。

GPS接收机接收和处理信号的过程为：

  1. 信号捕获。 搜索可见卫星，确定其信号的码相位和多普勒频移。
  2. 信号跟踪。 持续跟踪锁定卫星信号，保持与卫星信号的同步。
  3. 电文解码。 从导航信号中提取导航电文，获得星历、钟差和卫星状态信息。
  4. 观测量提取。 测量伪距、载波相位和多普勒等观测量。
  5. 定位解算。 根据观测方程和数学模型计算位置、速度和时间。
  6. 结果输出。 将定位结果通过串口、网络或显示屏输出至用户。

11.2.5 GPS 信号与导航电文

GPS卫星播发的信号可理解为"载波 + 测距码 + 数据码"的叠加组合。用户接收机通过对测距码和载波进行捕获和跟踪，可获得伪距、载波相位和多普勒等观测量，再结合导航电文中的轨道与时钟信息完成定位解算。

1. 载波频率

GPS的信号体系以两个基本民用/军用载波频率为基础：

  • L1载波：频率1575.42 MHz，波长约19.0 cm，承载民用C/A码、军用P(Y)码和导航电文，是标准定位服务（SPS）的基础信号。
  • L2载波：频率1227.60 MHz，波长约24.4 cm，主要承载军用P(Y)码，用于精密定位服务（PPS）。

在GPS现代化进程中新增了第三个民用频率：

  • L5载波：频率1176.45 MHz，波长约25.5 cm，功率更高、带宽更宽、抗干扰性能更好，面向高性能民用与航空安全关键应用。

2. 测距码

GPS采用两种伪随机噪声码用于测距：

  • C/A码（Coarse/Acquisition Code，粗捕获码）：码速率1.023 Mbps，码长1023个码片，重复周期1毫秒。C/A码面向民用开放，用于标准定位服务。
  • P码（Precision Code，精密码）：码速率10.23 Mbps，码长极长（约2.35×10142.35 \times 10^{14}个码片），重复周期约267天。P码经加密后形成Y码，即P(Y)码，用于精密定位服务和反电子欺骗（Anti-Spoofing, AS）。

3. 导航电文

导航电文（Navigation Message）是GPS卫星随信号播发的数字信息，主要内容包括：

  • 卫星星历： 描述卫星精确轨道的参数集，用于计算卫星在空间中的实时位置。
  • 卫星钟差： 卫星钟相对于GPS时间的偏差及漂移参数，用于修正卫星钟误差。
  • 历书信息： 所有卫星的大致轨道参数，用于接收机快速捕获卫星信号。
  • 卫星健康状态： 标识各卫星的工作状态是否正常，帮助接收机判断是否可用。
  • 电离层模型参数： 用于单频用户修正电离层延迟的Klobuchar模型系数。
  • GPS时间信息： 包括GPS周数和周内秒数，用于时间同步。

11.3 GPS 观测量与定位原理

🎬 教学动画：GPS 定位原理（2:45）

11.3.1 观测量的基本类型

GPS 定位需要先测量卫星与接收机之间的物理观测量，再通过数学模型反推出用户位置，接收机并不会直接输出无需解算的经纬度。最基本的观测量包括三类：

  • 伪距： 由信号传播时间乘以光速得到，精度为米级，是最基础的导航型定位观测量。
  • 载波相位： 利用载波相位变化测量距离，精度可达毫米级（存在整周模糊度），主要用于高精度测量与测绘。
  • 多普勒： 利用信号频率变化反映相对运动，主要用于速度估计与动态跟踪。

三者可理解为不同精度层级的时空观测手段：伪距适合大众导航定位，载波相位适合高精度测量，多普勒适合速度估计。

11.3.2 伪距的概念

若卫星信号从发射到接收经历的传播时间为 Δt\Delta t，理想情况下，卫星与接收机之间的几何距离为：

d=c⋅Δt d = c \cdot \Delta t

其中，cc 为真空中的光速（约 2.998×1082.998 \times 10^8 m/s）。

然而在实际测量中，传播时间除几何传播时间外，还叠加了卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟、对流层延迟、多路径和噪声等影响，因此接收机测得的是包含各种误差的"伪距"（Pseudorange），并不等同于真实几何距离。伪距观测方程通常表达为：

P=ρ+c(δtr−δts)+I+T+ε P = \rho + c(\delta t_r - \delta t^s) + I + T + \varepsilon

PP 为伪距观测值；ρ\rho 为卫星与接收机之间的真实几何距离；δtr\delta t_r 为接收机钟差；δts\delta t^s 为卫星钟差；II 为电离层延迟；TT 为对流层延迟；ε\varepsilon 为多路径、噪声及其他残余误差。

11.3.3 单点定位原理

单点定位，也称绝对定位，是指使用单台接收机，通过同时观测多颗卫星来解算自身在WGS-84坐标系中的三维位置。

设接收机坐标为 (x,y,z)(x, y, z)，第 nn 颗卫星的已知坐标为 (xn,yn,zn)(x_n, y_n, z_n)，可由导航电文中的星历参数计算得到，理想几何距离为：

ρn=(x−xn)2+(y−yn)2+(z−zn)2 \rho_n = \sqrt{(x - x_n)^2 + (y - y_n)^2 + (z - z_n)^2}

第 nn 颗卫星的伪距观测方程为：

Pn=ρn+c δtr−c δtns+In+Tn+εn P_n = \rho_n + c\,\delta t_r - c\,\delta t^{s}_n + I_n + T_n + \varepsilon_n

其中卫星钟差 δtns\delta t^{s}_n 可利用导航电文中的钟差参数计算，电离层延迟 InI_n 和对流层延迟 TnT_n 可由相应模型估算。将这三项移到等式左边，得到修正后的伪距：

P~n=ρn+c δtr+εn \tilde{P}_n =\rho_n + c\,\delta t_r + \varepsilon_n

令 b=c δtrb = c\,\delta t_r为接收机钟差对应的等效距离偏差，则方程简化为：

P~n=(x−xn)2+(y−yn)2+(z−zn)2+b+εn,n=1,2,3,4,… \tilde{P}_n = \sqrt{(x - x_n)^2 + (y - y_n)^2 + (z - z_n)^2} + b + \varepsilon_n, \quad n = 1, 2, 3, 4, \ldots

εn\varepsilon_n较小，忽略后上式中待解的未知量有四个：接收机三维坐标 xx、yy、zz 以及钟差偏差 bb。因此，至少需要同时观测 4颗卫星 才能建立4个方程求解4个未知量——这就是"三维定位至少需要4颗卫星"的根本原因。

PseudorangePositioning Receiver 接收机 (x, y, z, δt_r) S1 卫星 1 S1->Receiver P_1 S2 卫星 2 S2->Receiver P_2 S3 卫星 3 S3->Receiver P_3 S4 卫星 4 S4->Receiver P_4

图11-2 伪距单点定位原理示意图

11.3.4 定位解算的基本思想

在实际定位中，接收机通常按以下步骤完成解算：

  1. 根据导航电文中的星历参数计算各卫星在信号发射时刻的空间坐标。
  2. 利用各卫星的伪距观测值建立伪距观测方程组。
  3. 对非线性方程组进行泰勒展开，在近似位置处线性化。
  4. 采用最小二乘法或加权最小二乘法迭代求解接收机位置和钟差。
  5. 输出位置（经纬度、高程或空间直角坐标）、速度和时间结果。

这一过程本质上是带有系统误差和随机误差的参数估计问题。当可见卫星数超过 4 颗时，方程组成为超定方程组，通过最小二乘估计可以进一步提高解算精度和可靠性。

11.3.5 载波相位与高精度定位

伪距定位适合大众导航应用，但在工程测量、形变监测、高精度地图采集等场景中，常常需要厘米级甚至毫米级精度，此时必须使用载波相位观测。

载波相位观测的优点在于测量精度高，但存在一个关键难点，观测值中包含未知的整周模糊度（Integer Ambiguity）。载波相位观测方程可简化表达为：

Φ=ρ+c(δtr−δts)+T−I+λN+εϕ \Phi = \rho + c(\delta t_r - \delta t^s) + T - I + \lambda N + \varepsilon_\phi

其中，Φ\Phi 表示载波相位观测值，已转换为距离量，λ\lambda 为载波波长，NN 为未知的整周模糊度，εϕ\varepsilon_\phi 则表示噪声及其他残余误差。电离层对载波相位和伪距的影响符号相反，对伪距产生正延迟，距离偏长，对载波相位产生超前效应，距离偏短。这一特性是双频组合观测消除电离层误差的物理基础。整周模糊度的正确解算是载波相位高精度定位的技术难点。只有在模糊度被正确固定为整数值后，才能实现厘米级的定位精度。

11.3.6 相对定位与差分定位

相对定位的核心思想是两台或多台接收机同时观测同一组卫星，通过构造差分观测量消除或削弱共同误差。相对定位可以显著减弱卫星钟差、卫星星历误差、电离层和对流层延迟的影响。

按技术方法和应用模式的不同，常见的相对/差分定位方法包括：

  • 差分GPS（DGPS）：由基准站发送伪距改正数，流动站实时应用这些改正数。定位精度为亚米级至米级，典型应用为实时导航增强。
  • 实时动态定位（RTK）：利用载波相位观测和基准站改正数进行实时解算。定位精度可达厘米级，典型应用为工程测量、精准农业。
  • 静态相对定位：长时间观测载波相位，事后处理解算。定位精度可达毫米至厘米级，典型应用为控制测量、形变监测。

差分定位的效果与基准站和流动站之间的距离密切相关。一般而言，两站间距不宜超过1000 km，否则空间误差的相关性显著下降，差分改正的效果将明显减弱。

11.3.7 应用实例

普通智能手机通常依赖多系统GNSS芯片、辅助定位数据（A-GNSS）、地图匹配和惯性传感器，综合实现米级至数米级定位，足以满足日常出行导航需求。但在道路放样、桥梁监测、无人机航测控制点测量等工程场景中，米级误差远远不能满足要求。这类场景通常需要使用载波相位观测，而不是仅依赖伪距观测；采用双频或多频接收机以消除电离层误差；通过差分改正或RTK解算以获得厘米级精度；同时还需要更稳定的天线和更严格的观测环境控制。因此，工程应用通常采用测量型接收机配合差分或 RTK 技术，大众导航终端难以满足相应精度要求。

11.4 GPS 定位误差与增强技术

11.4.1 误差来源分类

GPS的定位精度受到多种误差源的影响。按误差产生的环节，可将其分为三大类：

  • 与卫星有关的误差：典型误差包括卫星轨道误差和卫星钟差，主要由星历和钟差参数与真实值之间的偏差引起。
  • 与信号传播路径有关的误差：典型误差包括电离层延迟、对流层延迟和多路径效应，主要是信号在传播过程中受大气和地物环境影响所致。
  • 与接收设备有关的误差：典型误差包括接收机钟差、噪声和天线相位中心偏差，主要来自设备自身性能和安装环境。

11.4.2 主要误差项分析

1. 卫星轨道误差与卫星钟差

用户定位需要利用导航电文中的星历参数计算卫星坐标，利用钟差参数修正卫星时钟偏差。若广播星历与卫星真实轨道之间存在差异，或钟差参数不够精确，解算结果就会偏离真实位置。这也是地面控制段持续更新星历和钟差的根本原因。

广播星历的轨道误差通常在1~2米量级，卫星钟差经修正后残余误差约为数纳秒。使用国际GNSS服务组织提供的精密星历和精密钟差产品，可将上述误差分别降至厘米级和亚纳秒级。

2. 电离层延迟

电离层是位于地球上方约60 km至1000 km高度范围内的电离气体层，其中的自由电子会导致GNSS信号传播速度发生变化。电离层延迟是GPS单频用户面临的最大误差源之一，天顶方向的延迟量通常在2~50米之间，夜间较小、白天较大，且受太阳活动周期影响显著。

电离层延迟具有频率色散特性，即不同频率信号受到的延迟量不同。利用这一特性，双频接收机可通过L1和L2两个频率的观测值线性组合，显著消除电离层一阶延迟影响。单频接收机则只能依赖广播的电离层模型参数进行近似修正，修正效果约为50%~70%。

3. 对流层延迟

对流层在地面至约40km高度，属于非色散介质，对不同频率信号的延迟量相同，因此不能像电离层那样通过双频组合消除。对流层延迟主要与气压、温度、湿度和卫星高度角有关。

对流层延迟通常分为干分量和湿分量两部分。干分量约占总延迟的90%，可通过标准大气模型较好地修正；湿分量的变化更为复杂，模型修正效果有限，在高精度应用中常需参数估计或外部气象数据辅助修正。

4. 多路径效应

当卫星信号直接到达天线的同时，又经地面、建筑物、水面或车辆表面反射后再次进入天线，直达信号与反射信号叠加就会引起观测值偏差，这就是多路径效应（Multipath Effect）。多路径会使伪距产生数米至数十米的偏差，使载波相位产生数厘米至数分米的偏差。

多路径效应是城市峡谷、港口堆场、立交桥下和仓库装卸区等复杂环境中的重要误差源。与卫星钟差和大气延迟不同，多路径误差具有强烈的局部性，难以通过差分技术消除，通常需要通过选择良好的天线位置、使用抗多路径天线或信号处理算法来抑制。

11.4.3 几何精度误差

即使单颗卫星的测距误差较小，如果多颗可见卫星在天空中的分布过于集中，定位结果的精度放大效应仍然会很明显。这种由卫星空间几何构型引起的精度衰减，通常用精度因子（DOP, Dilution of Precision）来衡量。DOP值越小，说明卫星几何构型越有利于定位。卫星分布越均匀、覆盖天空范围越广，DOP值越小。

11.4.4 差分与增强技术

为提高定位精度、完好性和可用性，GPS/GNSS领域发展了多种增强技术：

DGPS（Differential GPS）在已知坐标的基准站上计算当前伪距测量误差，再将改正信息通过无线电等通信方式发送给流动站。其实现简单、实时性好，适合亚米级精度需求场景。

RTK（Real-Time Kinematic）利用载波相位观测数据和基准站改正信息实时解算整周模糊度，在实时环境下即可获得厘米级定位精度。RTK依赖基准站和流动站之间的实时数据链路，且基线长度通常不超过数十公里。

网络RTK 以区域连续运行参考站（CORS）网络为基础，通过区域误差建模技术（如VRS、FKP、MAC等方法）生成更为稳定和均匀的改正信息，可覆盖更大范围，是当前测绘、农机自动驾驶和高精度地图采集中广泛采用的技术。

PPP（Precise Point Positioning，精密单点定位）利用国际GNSS服务组织（IGS）或商业机构提供的精密星历和精密钟差产品，配合复杂的误差模型，在不依赖近距离基准站的条件下实现分米至厘米级定位。PPP适合广域应用，但传统PPP存在收敛时间较长（通常需要20~30分钟）的问题。近年来，PPP-RTK等技术正在推动PPP向更快收敛和更强实时性方向发展。

SBAS（Satellite-Based Augmentation System，星基增强系统）通过地球同步轨道卫星向用户播发广域差分改正和完好性信息，在提高定位精度的同时为用户提供完好性保障。典型的SBAS系统有美国的WAAS、欧洲的EGNOS、日本的MSAS和印度的GAGAN。

11.5 GPS 坐标系统与空间表达

11.5.1 WGS-84 坐标系

GPS使用的基础坐标框架是WGS-84（World Geodetic System 1984，1984年世界大地坐标系）。WGS-84是一种地心坐标系，其坐标原点为地球质心；ZZ轴指向BIH 1984.0定义的协议地球极方向，XX轴指向BIH 1984.0定义的零子午面与CTP赤道面的交点，YY轴按右手坐标系法则确定，与XX轴和ZZ轴构成正交右手系。

WGS-84同时定义了一个参考椭球，有特定的长半轴 aa 为6378137m，扁率 ff 为1/298.257223563。WGS-84是GPS接收机原始解算结果最常见的输出参考系，也是国际航空、航海导航及众多全球地图服务采用的基础坐标参考。

11.5.2 经纬度、高程与空间直角坐标

地球表面的位置通常可用两种方式表达：

(1) 大地坐标：

  • 纬度（φ\varphi）：点到椭球面法线与赤道面的夹角，北纬为正、南纬为负，取值范围为-90°~+90°。
  • 经度（λ\lambda）：点所在子午面与本初子午线（格林尼治子午线）之间的夹角，东经为正、西经为负，取值范围为-180°~+180°。
  • 大地高（hh）：点沿椭球面法线方向到椭球面的距离。

(2) 空间直角坐标 (X,Y,Z)(X, Y, Z)：

三个坐标轴按WGS-84定义确定，常用于卫星轨道计算和空间几何运算。大地坐标与空间直角坐标之间可根据参考椭球参数进行相互转换。

在数学计算和卫星轨道处理中，通常使用空间直角坐标；在地图显示和大众应用中，则更常使用经纬度表达。

11.5.3 常见地图坐标系统及其应用

在实际应用中，国内外常用的地图平台和导航系统可能采用 WGS-84 之外的多个坐标系统。坐标系统不一致是导致轨迹显示偏移的常见原因。

表11-2 常见地图坐标系统及其应用

坐标系统 类型 典型应用环境
WGS-84 地心坐标系（原始） GPS芯片输出、国际地图服务（Google Earth、OSM）、iOS设备
CGCS2000 国家大地坐标系（原始） 中国测绘体系、天地图、北斗相关正式数据
GCJ-02 加密坐标系统 高德地图、腾讯地图、国内Android设备A-GPS
BD-09 二次加密坐标系统 百度地图及其生态产品
Web Mercator 投影坐标系 Google Maps、高德、天地图等网络地图切片显示
UTM 投影坐标系 工程测绘、军事地图、无人驾驶高精地图

说明：

  • CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000，2000国家大地坐标系）与WGS-84在参数上非常接近，在大多数应用场景中差异可忽略。
  • GCJ-02（俗称"火星坐标系"）是中国国家测绘主管部门要求的一种加密坐标系统，对WGS-84坐标施加了非线性偏移，在中国境内使用互联网地图时具有法律强制性。
  • BD-09是百度在GCJ-02基础上进行的二次加密，仅限百度地图生态使用。

11.6 网络 GPS

11.6.1 网络 GPS 的概念

网络GPS是将GPS定位技术与通信网络和信息系统集成，形成面向业务应用的定位服务体系。其基本架构可概括为四个组成部分：

  • GPS/GNSS：负责提供位置感知。当代技术载体包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等多系统接收模块。
  • 移动通信网络：负责回传位置数据。当代技术载体包括4G/5G、NB-IoT、卫星通信等。
  • Web平台：负责可视化展示与信息共享。当代技术载体包括互联网地图、WebGIS平台、移动App等。
  • 业务信息系统（MIS）：负责规则处理、任务分配和决策支持。当代技术载体包括TMS、WMS、调度系统、ERP等。

早期文献常将网络GPS概括为"GPS + GSM + WEB + MIS"的组合。在当今技术环境下，通信手段已从GSM扩展到4G、5G、NB-IoT、卫星通信等多种传输链路。

11.6.2 CORS 与网络 RTK

连续运行参考站系统（CORS, Continuously Operating Reference Station）是现代网络GPS的重要基础设施。其核心思想是在一定区域内布设多个固定高精度GNSS参考站，连续观测GNSS信号，通过数据中心对区域误差进行建模，为用户提供实时的改正服务。

CORS的主要功能和价值包括：

  1. 为区域内用户提供统一、稳定的高精度定位改正信息。
  2. 消除用户自建基站的需求，显著降低高精度定位的门槛和成本。
  3. 支撑测绘、工程、农业、交通领域的网络RTK应用。
  4. 为城市级和行业级时空信息平台提供基础数据支撑。

目前，我国大部分省份已建成省级CORS网络，部分发达地区站间距可达30~50 km，能够为用户提供覆盖全省的厘米级实时定位服务。

11.7 其他全球导航卫星系统

11.7.1 GLONASS

GLONASS（Global Navigation Satellite System，格洛纳斯）是俄罗斯（前苏联）自20世纪70年代中期开始建设的全球卫星导航系统。1982年10月12日发射首颗卫星，1996年完成24颗卫星的全面部署。但由于经济困难和卫星寿命到期等原因，星座一度严重退化。经过多年恢复建设，GLONASS于2011年前后重新实现24颗卫星的完整部署，恢复了全球服务能力。

GLONASS的主要技术参数如下：

表11-3 GLONASS主要技术参数

参数 GLONASS设计值
卫星总数 24颗（3个轨道面，每面8颗）
轨道高度 约19,100 km
轨道倾角 64.8°
轨道周期 约11小时15分钟
多址方式 传统FDMA；现代化卫星逐步引入CDMA信号

GLONASS的轨道倾角64.8°高于GPS 55°，使其在高纬度地区,如俄罗斯北部、北极航道的卫星可见性优于GPS，这是GLONASS在高纬地区具有特殊应用价值的重要原因。

GLONASS传统采用频分多址（FDMA）技术——每颗卫星发射频率略有不同，接收机通过频率区分卫星。这与GPS和其他系统采用的码分多址（CDMA）方式不同。在GLONASS现代化过程中，新一代卫星已开始引入CDMA信号，以提升与其他GNSS系统的互操作性。

11.7.2 Galileo

Galileo（伽利略）是欧盟主导建设的全球卫星导航系统。与GPS和GLONASS不同，Galileo是世界上第一个由民用机构主导建设和管理的全球卫星导航系统，强调服务的民用主导地位和独立自主性。2016年12月，Galileo正式宣布启动初始服务。

Galileo的主要技术参数如下：

表11-4 Galileo主要技术参数

参数 Galileo设计值
卫星总数 30颗（27颗工作 + 3颗备用）
轨道面数量 3个
轨道高度 约23,222 km
轨道倾角 56°
定位精度 公开服务水平定位精度优于1米

Galileo设计了多种服务层级，体现了其面向不同需求的服务能力。开放服务（OS）免费向全球用户提供定位、导航和授时服务；高精度服务（HAS）提供分米级精度的增强服务；公共管制服务（PRS）是面向政府授权用户的加密服务；搜索与救援服务（SAR）支持国际COSPAS-SARSAT搜救系统；完好性服务则提供导航信号的完好性告警信息。

11.7.3 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）是我国自主建设、独立运行和自主发展的全球卫星导航系统。北斗系统的建设遵循"三步走"发展战略：

  • 北斗一号（BDS-1）：2000年建成，服务范围为中国及周边地区，采用有源定位，提供区域服务。
  • 北斗二号（BDS-2）：2012年建成，服务范围为亚太地区，采用无源定位，实现区域增强。
  • 北斗三号（BDS-3）：2020年建成，服务范围覆盖全球，采用全球无源定位，并提供多种特色服务。

1. 北斗系统的星座构型

北斗三号采用了独特的混合星座设计，由三种不同轨道类型的卫星组成：

表11-5 北斗三号星座构型

轨道类型 卫星数量 轨道高度 说明
GEO（地球静止轨道） 3颗 约35,786 km 固定覆盖中国及周边区域
IGSO（倾斜地球同步轨道） 3颗 约35,786 km 增强亚太区域覆盖
MEO（中圆地球轨道） 24颗 约21,528 km 实现全球覆盖

这种混合星座设计使得北斗在实现全球覆盖的同时，在亚太地区拥有更优的卫星可见性和几何构型。

2. 北斗系统的技术特色

(1) 三频信号体制。 北斗三号设计了覆盖三个频段的导航信号：

表11-6 北斗三号信号频段

频段 中心频率 对应信号
B1 约1575.42 MHz（B1C）/ 1561.098 MHz（B1I） 与GPS L1频率一致或接近，便于兼容
B2 约1176.45 MHz（B2a）/ 1207.14 MHz（B2b） 与GPS L5、Galileo E5频率接近
B3 约1268.52 MHz 北斗自主频段

三频观测有助于更有效地消除电离层高阶误差，提高定位精度和可靠性。

(2) 短报文通信服务。 北斗系统独有的短报文通信功能，使用户终端可以通过卫星链路发送和接收文字信息。北斗一号时期每次可传输约120个汉字；北斗三号区域短报文服务容量大幅扩展，单次可发送超过1000个汉字，全球短报文服务单次可发送40个汉字。该功能在无地面移动通信网络覆盖的海洋、沙漠、偏远山区等环境中具有重要的应用价值。

(3) 有源定位与无源定位并存。 北斗一号采用有源定位体制——用户终端需主动发送信号，经过卫星转发至地面中心站，中心站利用两颗GEO卫星构成的两个球面与以地心为球心的地球球面进行三球交会，解算出用户位置后再通过卫星发回给用户。这种有源定位方式可同时实现定位和通信，但存在用户容量受限和终端暴露位置的局限。北斗二号和三号系统已全面支持与GPS类似的无源定位方式，用户接收机只接收信号而不发射信号，不受用户容量限制。

(4) 多种服务能力。 北斗三号除基本定位、导航、授时服务外，还提供星基增强服务（SBAS）、精密单点定位服务（PPP）、国际搜救服务和地基增强服务等。

3. 北斗系统的地面段

北斗系统的地面控制段包括：

  • 主控站： 1个，位于北京，是系统的运行管理和控制中心。
  • 注入站： 3个，分别位于北京、喀什、三亚（其中北京站与主控站并址），负责向卫星上传星历、钟差和控制指令。
  • 监测站： 若干，分布于国内外，负责采集卫星观测数据。

4. 北斗在中国的行业应用

北斗系统在中国已实现广泛的行业应用。根据公开资料，截至2019年底，超过650万辆道路营运车辆安装了北斗终端，约4万辆邮政和快递车辆接入北斗监管平台，约8万辆公交车使用北斗进行调度管理。

此外，北斗在水文监测、气象测报、电力调度、海洋渔业、救灾减灾和公共安全等领域也得到广泛应用。在大众市场，国内外主流芯片厂商已推出兼容北斗的通导一体化芯片，北斗信号已成为国内智能手机的标配。

5. 北斗的国际推广

北斗相关产品和服务已输出到120余个国家和地区，在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等地成功应用于国土测绘、精准农业、数字施工、车辆船舶监管和智慧港口等领域。

11.7.4 全球四大导航系统对比

表11-7 全球四大卫星导航系统对比

对比项目 GPS（美国） GLONASS（俄罗斯） Galileo（欧盟） 北斗
建设主体 美国国防部 俄罗斯国防部 欧盟/欧洲航天局 中国
系统属性 军民两用 军民两用 民用主导 军民两用
卫星数量 24+（6轨道面） 24（3轨道面） 30（3轨道面） 30（混合星座）
轨道高度 ~20,200 km ~19,100 km ~23,222 km MEO ~21,528 km
多址方式 CDMA FDMA/CDMA CDMA CDMA
信号频段 L1/L2/L5 G1/G2/G3 E1/E5/E6 B1/B2/B3
特色能力 全球产业成熟 高纬优势 完好性服务 短报文通信
全球服务时间 1995年 1996/2011年 2016年（初始） 2020年

需要强调的是，在当代应用中，GPS与北斗、GLONASS、Galileo之间并非"谁替代谁"的关系，多系统兼容和融合使用才是主流方向。

11.7.5 多系统融合定位的意义

现代 GNSS 终端普遍支持 GPS、北斗、GLONASS、Galileo 的多系统联合定位，单 GPS 方案已较少使用。多系统融合的主要价值体现在四个方面：一是增加可见卫星数量，多系统可用卫星总数大幅增加，提高了信号获取概率；二是改善几何构型，更多的可见卫星意味着更均匀的空间分布，可有效降低DOP值；三是提高首次定位速度，多系统卫星信号的冗余加快了信号捕获和初始定位过程；四是增强弱信号环境下的可用性，在城市峡谷、山区、隧道口等遮挡环境中，多系统融合能显著改善定位连续性。

对于城市交通、港区作业、山区运输和无人系统等复杂环境应用而言，多系统融合已成为事实上的标准配置。

11.8 GPS 与北斗在物流中的应用

11.8.1 车辆定位与车队管理

车队管理是卫星导航在物流行业中最基础、最成熟的应用领域。通过在运输车辆上安装GNSS定位终端，管理平台可以实现：

  1. 车辆实时位置监控。 调度中心在电子地图上实时显示全部车辆的位置。
  2. 历史轨迹回放。 查看任意时段的行驶路线和停留记录。
  3. 行为异常告警。 对偏航、越界、超速、怠速、疲劳驾驶等进行自动识别并预警。
  4. 司机考核与运营分析。 基于轨迹数据分析油耗、行驶效率和驾驶习惯。
  5. 客户可视化服务。 向客户提供订单在途状态查询。

从管理角度看，位置数据是连接运输执行层与调度管理层的关键桥梁。在中国，交通运输主管部门已要求重点营运车辆强制安装卫星定位装置并接入动态监管平台，北斗终端已成为运输安全监管的法定基础设施。

11.8.2 路径优化与动态调度

卫星导航为物流路径优化提供了动态位置输入。将车辆实时位置与订单信息、道路路况、时间窗口、装载约束和配送优先级相结合，调度系统可以实现：

  1. 动态重规划配送线路，应对临时插单和客户变更。
  2. 识别拥堵路段并自动切换替代路线。
  3. 合并临近订单，提高装载率和路线效率。
  4. 优化回程配载，减少空驶率。
  5. 预测到达时间，提升客户体验。

在此过程中，GPS或北斗为路径优化算法提供了必需的车辆实时状态数据。

11.8.3 电子围栏与安全监管

电子围栏（Geofence）是将地理边界规则应用于物流过程控制的典型技术手段。通过在系统中预设仓库、港区、园区、危险区域或客户场站的地理边界，当车辆进入、离开或在围栏内异常停留时，系统自动触发相应业务规则。典型应用包括：

  1. 危化品运输监管。 当车辆进入禁行区或城市限行区域时，系统自动报警，并通知安全管理人员。
  2. 冷链装卸监控。 当车辆在装卸区停留超过规定时间时，系统触发温控检查预警。
  3. 高价值货物押运。 当车辆偏离预定线路时，系统通知风控中心和车辆跟踪人员。
  4. 到达确认。 当车辆进入客户场站围栏时，系统自动生成到达记录。

11.8.4 物流可视化与客户服务

现代物流客户越来越重视运输过程的透明化和确定性。卫星导航数据接入物流平台后，可以支撑以下客户服务功能：

  1. 运单状态实时查询——客户可查看货物当前所在位置。
  2. 预计到达时间（ETA）动态预测——基于实时位置和路况更新ETA。
  3. 异常运输事件通知——运输中断、延误或偏航时主动通知客户。
  4. 签收前通知——车辆接近目的地时自动通知收货方做好准备。

对于平台型物流企业而言，运输过程透明化本身就是核心服务能力的组成部分。

11.8.5 港口、园区与多式联运场景

在大型港口和物流园区中，卫星导航常与RFID、视频识别、GIS、码头操作系统（TOS）、仓储管理系统（WMS）和运输管理系统（TMS）等融合使用，支撑以下应用：

  1. 集装箱卡车的调度与堆场内部路径管理。
  2. 拖挂设备、空箱和重箱的位置跟踪。
  3. 园区入口车辆排队与拥堵监测。
  4. 港口、铁路、公路多式联运衔接中的作业节点定位和时间协同。

在这一阶段，卫星导航的应用价值已从"单车可视化"扩展为"空间运营协同"，关注对象由单辆车的位置转向整个物流节点的空间运行效率。

11.8.6 物流金融与风险控制

在大宗货物运输、供应链金融和高值货物运输中，位置数据是风险控制的重要依据。通过掌握车辆和货物的实时轨迹、到离场记录和停留异常，金融机构和物流企业可以辅助判断：

  1. 货物是否按照合同约定的路线运输。
  2. 运输过程中是否存在中途卸货、调包或异常停留等风险行为。
  3. 融资质押货物是否已进入指定的监管仓库或港口。

因此，卫星导航不仅服务于运营效率优化，也是物流金融和信用管理的基础信息来源。

本章小结

本章系统介绍了卫星导航定位技术及其在物流领域的应用。首先，回顾了从 Transit 系统到 GPS 的发展历程，以及 GPS、GLONASS、Galileo 与北斗三号共同构成全球导航卫星系统（GNSS）体系的演进：卫星导航经历了由单系统走向多系统、由单频走向多频、由定位走向综合服务的过程。

其次，介绍了 GPS 由空间段、控制段和用户段构成的系统结构：24 颗工作卫星组成标称星座，主控站、监测站与注入站协同完成星历与钟差的监测校正，接收机通过信号捕获、跟踪、电文解码、观测量提取和定位解算输出位置、速度与时间。GPS 信号是"载波＋测距码＋数据码"的叠加组合，L1、L2、L5 载波分别承载测距码与包含星历、钟差的导航电文。

再次，讲解了伪距单点定位与载波相位定位的基本原理：三维定位至少需要观测 4 颗卫星，以解算三维坐标和接收机钟差共四个未知量；载波相位经整周模糊度正确固定后可实现厘米级精度。分析了卫星轨道与钟差、电离层延迟、对流层延迟、多路径效应和几何精度因子（DOP）等误差来源，以及 DGPS、RTK、网络 RTK、PPP 和 SBAS 等增强技术；介绍了 WGS-84、CGCS2000、GCJ-02 与 BD-09 等坐标系统的类型与典型应用环境。

同时，比较了 GPS、GLONASS、Galileo 和北斗系统的星座构型与技术特点，重点说明北斗三号混合星座、三频信号体制和短报文通信的特色。最后，结合车队管理、路径优化与动态调度、电子围栏、物流可视化、港口园区与多式联运、物流金融风险控制等场景，说明卫星导航已从单车可视化发展为空间运营协同和风险控制的基础信息来源。

课后习题

  1. GPS 空间段、控制段和用户段分别承担什么任务？三者如何构成完整的定位服务链？
  2. GPS 信号由载波、测距码和导航电文共同构成。三者的作用分别是什么？
  3. 三维单点定位为什么至少需要同时观测 4 颗卫星？
  4. 列举 GPS 定位误差的主要来源。
  5. 解释 DGPS 的基本原理与应用场景。
  6. WGS-84、CGCS2000、GCJ-02 和 BD-09 分别用于哪些典型环境？
  7. 比较 GPS、GLONASS、Galileo 和北斗系统在星座构型、轨道高度和多址方式上的主要特点。
  8. 北斗三号的混合星座、三频信号和短报文通信分别具有什么技术价值？
  9. 举例说明卫星导航在电子围栏、冷链运输、多式联运和物流金融风险控制中的具体作用。

参考文献

[1] GPS.gov. Official U.S. Government Information about the Global Positioning System[EB/OL]. https://www.gps.gov.

[2] European Space Agency. Navipedia: GNSS Knowledge Base[EB/OL]. https://gssc.esa.int/navipedia/.

[3] Wikipedia. Global Positioning System[EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System.

[4] Wikipedia. GPS Signals[EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals.

[5] Wikipedia. BeiDou[EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/BeiDou.

[6] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统公开服务性能规范[S]. 北京: 中国卫星导航系统管理办公室, 2021.

[7] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统发展报告[R]. 北京: 中国卫星导航系统管理办公室, 2022.