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数字工程前沿技术课程报告 三大卫星导航系统现今三大卫星导航系统是美国的全球定位系统（GPS），俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）和中国的北斗卫星导航系统。一、全球定位系统（GPS）（一）、全球定位系统的介绍及其背景1、全球定位系统的定义利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位（Global Positioning System）系统，简称GPS。全球定位系统是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。2、 全球定位系统的产生与发展1由TRANSIT到GPS1957年10月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生。利用多普勒频移原理1964年建成子午卫星导航定位系统(TRANSIT)。美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用。经历20年，耗资300亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。 3、 全球定位系统的计划最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备用星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。4、全球定位系统（GPS）卫星（如图1所示）24颗卫星(21+3)6个轨道平面图155轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)11小时58分(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)在全球各处能观测到高度角15的卫星 4 颗以上 （二）、全球定位系统的特点1、全球全天候定位GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，确保实现全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外）。2、定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6m，100-500km可达10-7m，1000km可达10-9m。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测时解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。实时单点定位(用于导航)：P码12m ；C/A码510m。静态相对定位：50km之内误差为几mm+(12ppm*D)；50km以上可达0.10.01ppm。实时伪距差分(RTD)：精度达分米级。实时相位差分(RTK)：精度达12cm。3、观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟；采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟。因而使用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。4、测站间无需通视GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%50%），同时也使选点工作变得非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。5、仪器操作简便随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化”。在观测中测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。如果在一个测站上需作长时间的连续观测，还可以通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，现在的接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻了测量工作者的劳动强度。6、可提供全球统一的三维地心坐标GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。7、应用广泛（三）、全球定位系统的系统组成1、系统组成GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分GPS星座;地面控制部分地面监控系统; 用户设备部分GPS 信号接收机。如图2所示空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载表信号提供其它辅助信息地面控制部分：中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨用户部分：接收并测卫星信号记录处理数据提供导航定位信息 图22、地面控制站 图3一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion)大西洋 迭哥伽西亚(Diego Garcia)印度洋 卡瓦加兰(kwajalein)太平洋 五个监测站 = 1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii) （如图3所示）4、 用户设备（如图4所示）GPS信号接收机接收GPS卫星发射信号，经信号处理获得用户位置、速度等信息，再通过数据处理完成导航和定位。 图4 注：用户只接收而不必给卫星发射任何信号，卫星也不必理会用户的存在，系统中用户数量没有限制。 （四）、全球定位系统的功能1、精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中 2、工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量 3、勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到 4、导航： 武器导航：精确制导导弹、巡航导弹 . 飞机导航：航线导航、进场着陆控制 车辆导航：车辆调度、监控系统 . 星际导航：卫星轨道定位 船舶导航：远洋导航、港口/内河引水 . 个人导航：个人旅游及野外探险5、定位： 车辆防盗系统 手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统 儿童及特殊人群的防走失系统 6、农业勘测 （五）、全球定位系统的定位原理2由于卫星的位置精确可知，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。（如图5所示） 图5（六）、全球定位系统的信号组成及误差来源1、全球定位系统的信号来源GPS 卫星发射两种频率的载波信号即频率为1575.42MHz 的L1 载波和频率为1227.60HMz 的L2 载波。它们的频率分别是基本频率10.23MHz 的154 倍和120 倍。它们的波长分别为19.03cm 和24.42cm。在L1 和L2 上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：C/A 码：C/A 码又被称为粗捕获码，它被调制在L1 载波上。 P 码（Y 码）：P 码又被称为精码。它被调制在L1 和L2 载波上。 导航信息（或称D 码）：导航信息被调制在L1 载波上，其信号频率为50Hz， 包含有GPS 卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。 2、 全球定位系统的误差来源与GPS卫星有关的因素:SA技术：人为的降低广播星历精度(技术，2000年5月取消),AS技术：防电子欺骗技术；卫星星历误差； 卫星钟差与传播途径有关的因素:电离层延迟； 对流层延迟； 多路径效应与接收机有关的因素:接收机钟差； 天线相位中心误差； 接收机软件和硬件误差另外有接收机的对中、整平误差等（七）、全球定位系统的缺陷GPS卫星所处波段的电波入水能力较差，不能用于潜艇导航GPS的完好性监测和报警能力不足，对卫星的一些软故障要在很长时间后才能发现故障状态。整个系统维护费用高，每年需5亿美元的维护费用GPS的可利用性及所有地区的连续性服务性能不佳，某些时候在某些地方出现少于4颗卫星的情况，无法实现迅速准确的定位。（八）、全球定位系统的应用31、空间位置服务定位：如汽车防盗、地面车辆跟踪和紧急救生。导航：如船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、智能交通、汽车自主导航及导弹制导。测量：主要用于测量时间、速度、及大地测绘，如水下地形测量、地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测及浮动车数据，利用GPS定期记录车辆的位置和速度信息。从而计算道路的拥堵情况。2、时间服务系统同步：如CDMA通信系统和电力系统授时：准确时间的授入、准确频率的授入二、格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）（一）、格洛纳斯卫星导航系统的介绍4及其背景1、格洛纳斯卫星导航系统的定义“格洛纳斯(GLONASS)”是俄语中“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。2、格洛纳斯卫星导航系统的背景1960年末，前苏联军方确认需要一个卫星无线电导航系统用于新一代弹道导弹的精确导引，而当时已有的旋风（Tsyklon）卫星导航系统接收站需要好几分钟的观测才能确定一个位置，因此不能达到导航定位的目的。上世纪70年代初，美国宣布要研制全球定位系统GPS，于1973年成立GPS联合计划办公室。1977年，美国发射了两颗导航技术卫星NTS-2和NTS-3，后者即是GPS系统的第一颗卫星。作为对其回应，前苏联国防部设想了全球导航系统，即为GLONASS。3、格洛纳斯卫星导航系统提供的两种导航信号标准精密导航信号（SP）高精密导航信号（HP）（二）、格洛纳斯卫星导航系统的特点1、抗干扰能力强 2、GLONASS 系统采用了军民合用、不加密的开放政策3、 GLONASS 系统采用频分多址(FDMA)方式， 根据载波频率来区分不同卫星（GPS 是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）（三）、格洛纳斯卫星导航系统的系统组成和GPS一样，GLONASS也由三部分组成（如图6所示），分别是地面控制设施（控制区段）、卫星星座（空间区段）和用户设备（用户区段）。 图61、地面控制设施（GBCC）这部分也称为地基控制设施（如图7所示），由系统控制中心和分布在俄罗斯各地的指令跟踪站网组成。主要包括6个组成单元：系统控制中心（SCC）、中央同步器（SC）、指令和跟踪站（CTS，即地基跟踪站）、相位控制系统（PCS）、光量子跟踪站（QOTS）、导航字组控制设备（NFCE）。地面支持系统的功能由前苏联境内的许多场地来完成。随着苏联的解体，GLONASS系统由俄罗斯航天局管理，地面支持段已经减少到只有俄罗斯境内的场地了。其中，系统控制中心是由MSF掌管的军用设施，设在Golitsino，在莫斯科西南70km处，对所有系统功能的运行进行协调与调度，而中央同步器负责产生标准系统时间信号，并送往相位控制系统。遥测遥控站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢斯克和共青城。地面控制部分负责的功能总结如下：（1）测量和预测各颗卫星的星历；（2）将预测的星历、时钟校正值和历书信息上行加载给每颗GLONASS卫星，以便以后编入导航电文；（3）使星钟 星钟：卫星星钟参数包含在导航电文中。一颗卫星播发的星钟数据提供该卫星的星期周数、测距精度、健康状态及星钟校正参数等内容。与GLONASS同步；（4）计算GLONASS系统时和UTC（SU）之间的偏差；（5）卫星的指挥、控制、内务和跟踪。2、格洛纳斯卫星及其星座GLONASS 由24 卫星组成。它们分布在3个轨道上，每个轨道有8颗卫星，轨道上卫星间距45度（如图8所示）。 轨道平均高度：19100 km轨道倾角为64.8卫星运行周期：11 时15分GLONASS上述空间配置，保证地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测5颗卫星。 图83、用户设备到1995年为止，俄罗斯已研制了两代用户设备（UE）。第一代接收机只能用GLONASS来工作，与西方的同类GPS接收机相比，它偏大和偏重，有三种基本设计，即1通道、2通道和4通道接收机。第二代接收机是5通道、6通道和12通道设计，采用了大规模集成电路和数字处理技术，而且民用接受机可用GPS和GLONASS两种系统来工作。俄罗斯的用户设备的主要设计单位是圣彼得堡的俄罗斯无线电导航和时间研究所，Kampas设计局和俄罗斯科学和航天仪器研究所。（四）、格洛纳斯卫星导航系统的功能5及其分类1、格洛纳斯卫星导航系统的功能GLONASS系统的主要作用是实现全球、全天候的实时导航与定位，另外，还可以用于全球时间传递。2、格洛纳斯卫星导航系统的分类GPS一般分为军用PPS和民用SPS两种,即常说的P码和C/A码。GLONASS系统与GPS相同也分为高精度链(channel of high accuracy-CHA)和标准链(channel of standard accuracy-CSA)两种。按照卫星种类可以分为GLONASS、GLONASS-M、GLONASS-K等。按用户不同可以分为军用与民用，民用包括陆地交通、航空航海等。（五）、格洛纳斯卫星导航系统的缺陷6GLONASS全球导航卫星系统，是在前苏联海军CICADA第一代卫星导航系统的基础上建设成功的第二代卫星导航系统, GLONASS星座和GPS星座的差异（如表1所示）纵观GLONASS系统的发展历程， GLONASS系统存在下述不足。 表11.频段宽，被迫改变部分卫星的载波频率。GLONASS卫星所发送的导航定位信号，是采用频分多址的扩频信号，即每颗卫星采用不同的两个载波频率，而使用相同的测距码;亦即，第j颗GLONASS卫星的两个载波频率按原设计为 f=1602.5625+0.5625 (j一1)(MHz)f=1246.4375+0.4375 (j一1)(MHz)式中，j=0, 1, 2, 3, 4. 24(其中0号卫星作试验之用)。但是，国际无线电咨询委员会对上述频率提出了异议，认为GLONASS卫星所用的载波频率，对航空卫星移动通信、射电天文观测和低轨卫星移动通信构成威胁和干扰，俄罗斯需要压缩GLONASS卫星所用载波频段，让出高端频率。俄罗斯不得不更改上述载波频率，而按下述方法改变GLONASS卫星的载波频率:在同一轨道上的升交角距相差180度的两颗GLONASS卫星采用相同的载波频率;例如，No.1/No.5, No.3/No.7, No.12/No.16, No.15/No.17, No.19/No.23和No.20/No.23等各对GLONASS卫星的载波频率相同;亦即，让出第13-24频道，而压缩成0-12频道。2.定轨观测网面积过小，广播星历 广播星历：卫星发播的预报一定时间内卫星轨道信息的电文信息。精度低，难以实现较高精度的实时导航定位。自1995年12月由24颗卫星构成的GLONASS星座运行以来，GLONASS地面监控系统的监测站仅设置在前苏联境内，以致GLONASS卫星的广播星历精度较低(如表2所示)，而依靠对GLONASS卫星的卫星激光测距成果精化GLONASS卫星的星历。这对实时导航定位测量是不利的，难以获得较高的实时导航定位测量精度，无法与仅lm左右的GPS广播星历精度相媲美。 表23.GLONASS卫星的在轨工作寿命过短，影响用户的导航定位测量。1995年12月，GLONASS系统终于建成了24颗卫星构成的工作星座。但是，GLONASS卫星的在轨作业寿命过短;两年半后的1998年6月，仅有12颗GLONASS卫星能够提供导航定位服务。1987年4月至1988年5月发射的12颗GLONASS卫星，除去6颗发射失败的GLONASS卫星，其余6颗在轨工作的GLONASS卫星，它们的平均作业寿命仅为22个月。20世纪末期的GLONASS星座，只有7颗GLONASS卫星能够提供导航定位服务，其它卫星均因种种原因再不能够用于微波导航定位。然而，GPS卫星的在轨作业寿命却远超过GLONASS卫星:GPS Block I卫星的在轨平均工作寿命为8.87年，其中寿命最长者为13.5年;GPS Block II卫星的在轨平均工作寿命为12.02年，其中寿命最长者为16.1年。（六）、格洛纳斯卫星导航系统的应用卫星导航首先是在军事需求的推动下发展起来的，GLONASS与GPS一样可为全球海陆空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续提供高精度的各种三维位置、三维速度和时间信息（PVT信息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导航；也在精密导弹制导、C3I精密敌我态势产生、部队准确的机动和配合、武器系统的精确瞄准等方面广泛应用。另外，卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、地质勘探、石油开发、地震预报、地面交通管理等各种国民经济领域有越来越多的应用。GLONASS的出现，打破了美国对卫星导航独家笼断的地位，消除了美国利用GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧，GPS/GLONASS兼容使用可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的SA影响，从而提高定位精度。三、北斗卫星导航系统（一）、北斗卫星导航系统的介绍及其背景71、北斗卫星系统的定义北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。2、北斗卫星系统的发展历程卫星导航系统是重要的空间信息基础设施，中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。（二）、北斗卫星导航系统的特点1、和美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS 相比，增加了通讯功 能 2、全天候快速定位，与 GPS 精度相当 3、属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂 4、属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务（三）、北斗卫星导航系统的建设原则北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：1、开放性北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。2、自主性中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。3、兼容性在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。4、渐进性中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。（四）、北斗卫星导航系统的功能81、短报文通信北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。现在可以达到一次传送多达120个汉字的信息。目前在远洋航行中有重要的应用价值。2、精密授时北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。3、 定位精度水平精度100米(1)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。4、系统容纳的最大用户数：每小时540000户。（五）、北斗卫星导航系统的优势与劣势1、北斗卫星导航系统的优势同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”； 自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。2、北斗卫星导航系统的劣势1、北斗系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。 2、北斗系统属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务。（六）、北斗卫星导航系统的系统组成北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。1、空间段（如图9所示）：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成 图92、地面段（如图10所示）：由主控站、上行注入站和监测站组成 图103、用户段（如图11所示）：由北斗用户终端以及与其它GNSS兼容的终端组成 图114、北斗卫星导航系统的时间系统北斗时（BDT）溯源到协调世界时UTC（NTSC），与UTC的时间偏差小于100纳秒。BDT的起算历元时间是2006年1月1日零时零分零秒（UTC）。 BDT与GPS时和Galileo时的互操作在北斗设计时间系统时已经考虑，BDT 与GPS时和Galileo时的时差将会被监测和发播。5、北斗卫星导航系统的坐标系统北斗系统采用中国2000大地坐标系（CGS2000）。 CGS2000与国际地球参考框架ITRF的一致性约为5个厘米 。（七） 、北斗卫星导航系统的服务与性能1、全球服务 2、开放服务：定位精度: 10 m测速精度: 0.2 m/s授时精度: 20 ns3、短报文通信服务4、 授权服务 5、 区域服务6、广域差分服务定位精度: 1 m（八）、北斗卫星导航系统的定位原理9以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。（如图12所示） 图12（九）、北斗卫星导航系统的发展规划北斗卫星导航系统按照三步走的总体规划分步实施：第一步，1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，2000年形成区域有源服务能力；第二步，2004年启动北斗卫星导航系统建设，2012年形成区域无源服务能力；第三步，2020年北斗卫星导航系统形成全球无源服务能力。发展路线图如下图13所示： 图13（十）、北斗卫星导航系统的应用101、 军事应用“北斗”卫星导航定位系统的军事功能与GPS类似，如：飞机、导弹、水面舰艇和潜艇的