综述全球卫星导航系统

1、综述全球卫星导航系统 全球四大卫星导航系统：美国的GPS欧盟的“伽利略”俄罗斯的“格洛纳斯”中国的 “北斗” 1. 美国的GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称；在机械领域GPS 则有另外一种含义：产品几何技术规范 （Geometrical Product Specifications）- 简称GPS。GPS是 20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统；其主要目的是为陆、 海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等 一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究

2、实验，耗资 300亿美元，到 1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS是目前世界上最先进、 最完善的卫星导航系统与定位系统。 GPS具有以下特点：全球、全天候工作，有 24颗GPS卫星星座，全球覆盖率高达 98%。高 精度定位，单击定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。静态定位观测效率 高（快速省时高效率），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，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。应用广泛多功能，主要是为船 舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。同时，还应用于各种等级的大地测量、

3、水下地形测量、地 壳形变测量、大坝和大型建筑物变形监测，工程机械 （轮胎吊，推土机等）控制等。操作越来越简便， 随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来 越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度；使野外工作变得轻松愉快。 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10-6 ,100-500KM 可达10-7， 1000KM可达10-9。在300-1500m 工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面 位置误差 小于1mm。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

4、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, 测站间无须通视；可提供 流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟 三维坐标；经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐 标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。操作简便；随着GPS接收机不断改进，自动化程 度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测 量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。全天候作业； 目前GPS观测可 在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起

5、雾刮风、下雨下雪等气候的影响。功能多、应 用广；GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0。1M/S，测时的 精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。 WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统 的。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向， X轴指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交点，丫轴与X轴和Z轴构成右手系。 GPS静态定位在测量中主要用于测定各种用途的控制点。其中，较为常见的方面是利用GPS建 立各种类型和等级的控制网，在这些方面，GPS技术已基本上取代了常

6、规的测量方法，成为了主要 手段。较之于常规方法，GPS在布设控制网方面具有以下一些特点：测量精度高：GPS观测的精度 要明显高于一般的常规测量手段，GPS基线向量的相对精度一般在 10-510-9之间，这是普通测 量方法很难达到的。选点灵活、不需要造标、费用低：GPS测量不要求测站间相互通视，不需要建 造觇标，作业成本低，大大降低了布网费用。全天侯作业：在任何时间、任何气候条件下，均可以进 行GPS观测，大大方便了测量作业，有利于按时、高效地完成控制网的布设。观测时间短：采用GPS 布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在12个小时左右，采用快速静态定位的 方法，观测时间更短。观测

7、、处理自动化采用 GPS布设控制网，观测工程和数据处理过程均是高度 自动化的。 GPS的应用有：陆地应用；主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、 工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等。海洋应用；包括远洋船最佳航程航线测定、 船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。 航空航天应用；包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航 天器防护探测等。 一般说来，GPS系统主要由三个部分组成：空间部分一一GPS卫星星座地面控制部分一一GPS 地面监控系统用户设备部分一一GPS信号接收机这三部分对

8、GPS系统的正常工作所起的作用 各不相同，缺一不可。 GPS系统的空间星座部分是由(21+3 )颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，另外3颗为备用卫 星；这24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道面包含 4颗卫星；轨道面相对赤道面倾角为 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度；卫星轨道为椭圆形，平均高度约 20200km，运行周期大约11小时58分。GPS的地面控制 部分主要由分布全球的6个地面站构成，其中包括卫星监测站、主控站及备用主控站

9、、信息注入站， 分别位于科罗拉多(Colorado)、盖茨堡(Gaithersbug)夏威夷(Hawaii)、南大西洋的阿松森群岛 (Ascension)、印度洋的迭哥伽西严(Diego Garcia)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein) 。GPS系统的 用户设备部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成，GPS接收 机硬件包括接收机主机，天线和电源，它的主要功能是接收卫星发播的信号，获取定位的观测值，提 取导航电文中的广播星历、卫星钟改正等参数，经数据处理而完成导航定位工作；GPS软件是指各种 后处理软件包，它通常由厂家提供，其主要作用是对观测数据进行精加工

10、，以便获得精密定位结果。 中国GPS导航的市场潜力巨大；截至到2005年底，中国拥有车载导航设备的车辆不足 10万辆， 相对于3000万辆的汽车总数来说，普及率不到 1% ;而日本的汽车车载导航安装率高达 59%，欧美 约占25%。虽然中国的市场还处于起步阶段，但调查认为其增长潜力巨大；中国消费者喜欢把手机 看作是时尚的标志，因此更换手机的速度远远超过其他国家的消费者； GPS终端设备在中国消费者中 也越来越受欢迎。有统计表明，2006年中国手持GPS装置的出货量达到了 28.8万，年增长率高达 141.5%，预计这一增长速度在未来五年内会继续；影响GPS导航市场发展的主要障碍包括，消费 者对

11、移动GPS导航了解不够，手机款式少，价格高，但随着机价格下降，以及业界厂商提高他们的 推广力度，这些问题都会尽快得到解决 。 2. 伽利略（Galileo ）卫星导航系统是由欧盟主导的全球卫星导航系统；耗资 30亿欧元，共发 射30颗卫星。包括韩国、中国在内，日本、阿根廷、澳大利亚、俄罗斯等国也在参与该计划；当初 的完成目标是2008年，但由于技术等问题，延长到了 2011年，最新消息推迟到2014年；中国也 向伽利略计划投资了 296万美元。“伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海 洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为 1米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导 航

12、系统的格局。 伽利略卫星导航系统能打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。权威部门预 计，伽利略计划将为欧盟创造15万个高技术含量的就业岗位。每年经济收益有10 0亿欧元之 多。仅出售航空和航海终端设备一项就可在 2008年至2020年将获得15 0亿欧元收入。为欧盟现 在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务；欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务 中就没有主导权。 “伽利略”系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，投入运行后，全球的用户将 使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度，这是 “伽利略”计划给用户带来的直接

13、好处。“伽利略”计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导 航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航 和定位功能；“伽利略”系统还能够和美国的 GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合 作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位 导航的要求。“伽利略”系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的, 同时“伽利略”系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户；与美 国的GPS相比，“伽利略”系统更先进，也更可靠；美国 GPS向别国提供的卫星信号，

14、只能发现地 面大约10米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1米长的目标。位军事专家形象地比喻说，GPS 系统，只能找到街道，而“伽利略”则可找到家门。 3. 俄罗斯的“格洛纳斯”是俄语中“ GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE （全球卫星 导航系统）”的缩写。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划；俄罗斯 1993年开始独自建立 本国的全球卫星导航系统；按计划，该系统将于 2007年年底之前开始运营，届时只开放俄罗斯境内 卫星定位及导航服务；到2009年年底前，其服务范围将拓展到全球。 “格洛纳斯”由 GLONASS星座.地面支持系统.用户设备三个部分组成 G

15、LONASS星 座:GLONASS星座由27颗工作星和3颗备份星组成；27颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面 上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度，轨 道高度2.36万公里。地面支持系统：地面支持系统由系统控制中心、中央同步器、 遥测遥控站（含激 光跟踪站）和外场导航控制设备组成；系统控制中心和中央同步处理器位于莫斯科，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。用户设备：GLONASS用户设备（即接收机）能接收 卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文；接收机 处理器对上述数据进行处理并

16、计算出用户所在的位置、速度和时间信息。 “格洛纳斯”的应用；军事运用：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。民用：格洛导航导航系统在大地和海洋测绘、 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与GPS有许多不同之处：卫星发射频率不同;GPS的卫星信号采用码分多址体制， 每颗卫星的信号频率和调制方

17、式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分；而GLONASS采用频分多 址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同；由于卫星发射的载波频率不同，GLONASS 可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。坐标系不同；GPS使 用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PE-90）。时间标准不同； GPS系统时与世界协调时相关联，而 GLONASS则与莫斯科标准时相关联。 北斗卫星系统BeiDou （COMPASS ） Navigation Satellite System是中国正在实施的自 主研发、独立运行的缩写为BDSo与美国的的、

18、欧盟的系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称全球 四大导航。北斗卫星导航系统2012年12月27日起提供连续导航定位与授时服务北斗卫星导航系统 由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面 端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国 GPS、俄罗斯“格 洛纳斯”、欧盟伽利略等其他卫星导航系统兼容的终端组成。中国此前已成功发射四颗北斗导航试验 卫星和十六颗北斗导航卫星（其中，北斗-1A已经结束任务），将在系统组网和试验基础上，逐步扩 展为全球卫星导航系统。北斗卫星导航建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠覆

19、 盖全球的导航系统。北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产 业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国名经济社会各行业的广泛应用。该系统可在全球范围内 全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信能力。3 中国以后生产定位服务设备的生产商，都将会提供对GPS和北斗系统的支持，会提高定位的精确度。 而北斗系统特有的短报文服务功能将收费，这个功能的实用性还有待观察。 中国的北斗卫星导航系统BeiDou （COMPASS ） Navigation Satellite System 是中国正在实 施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统

20、。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，用户段由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其 他卫星导航系统兼容的终端组成。2003年我国北斗一号建成并开通运行，“北斗”的指挥机和终端之 间可以双向交流；去年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队已运用“北 斗”进行了上百次交流；北斗二号系列卫星 2010年起将进入组网高峰期，预计在 2015年形成由三 十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。 北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界

21、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。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。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。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。 2007年4月14日，中国成功发射了第1颗北斗导航卫星。2009年4月15日零时16分，中国 在西昌卫星发

22、射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。是中国 北斗卫星导航系统建设计划中的第二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星；这颗卫星的成功发射， 对于北斗卫星导航系统建设具有十分重要的意义。2010年1月17日0时12分，中国在西昌卫星发 射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第三颗北斗导航卫星送入预定轨道，这标志着北斗卫星导 航系统工程建设又迈出重要一步，卫星组网正按计划稳步推进。 北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权 服务两种方式；开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2 米/秒，授时

23、精度10纳秒；授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、 授时和通信服务以及系统完好性信息。为使北斗卫星导航系统更好地为全球服务，加强北斗卫星导航 系统与其它卫星导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用 中国作为发展中国家，拥有广阔的领土和海域，高度重视卫星导航系统的建设，努力探索和 发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。2000年以来，中国已成功发射了 4颗“北斗导航试验卫 星”建成北斗导航试验系统（第一代系统）。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、 报文和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防

24、火和国家安 全等诸多领域逐步发挥着重要作用。中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和 30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服 务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0 .2 米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。中 国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。我国正在实施北斗卫星导 航系统建设，已成功发射十六颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先 具备覆盖亚太地区的定位、导航

25、和授时以及短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北 斗卫星导航系统。 北斗卫星导航系统工作方式：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发 器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号， O中心控制系统接收并解调用户发来的信号， 然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发 到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询 问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。 由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算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