7卫星定位(第七章 )

1、第七章 卫星定位1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代。四十多年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学以及军事科学等众多学科领域，得到极其广泛的应用，从而推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人类的科学文化生活。7.1 概论7.1.1 第一代卫星定位系统人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。1958年底，美国海军武器实验室，就着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统

2、”(Navy Navigation Satellite System。NNSS)。该系统采用多普勒卫星定位技术进行测速定位的卫星导航系统。NNSS系统中，卫星的轨道都通过地极，故也称“子午(Transit)卫星系统”。子午卫星导航系统的问世，开创了海空导航的新时代，1964年该系统建成，随即在美国军方启用；1967年美国政府批准该系统解密，并提供民用。自此，卫星多普勒定位技术迅速兴起。多普勒定位具有经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制等优点。只要在测点上能收到从子午卫星上发来的无线电信号，便可在地球表面的任何地方进行单点定位或联测定位，获得测站点的三维地心坐标。美国子午卫星导航系统建立的同

3、时，前苏联也于1965年开始建立了一个卫星导航系统，称为CICADA。该系统有12颗所谓宇宙卫星。NNSS和CICADA卫星导航系统虽然将导航和定位推向了一个新的发展阶段，但是它们仍然存在着一些明显的缺陷。比如卫星少、不能实时定位。地面上一点上空子午卫星通过的间隔时间较长，而且低纬度地区每天的卫星通过次数远低于高纬度地区。而对于同一地点两次子午卫星通过的间隔时间为0.81.6小时，对于同一子午卫星，每天通过次数最多为 13次，间隔时间更长。由于多普勒接收机一般需观测15次合格的卫星通过，才能使单点定位精度达10m左右，而各个测站观测了公共的17次合格的卫星通过时，联测定位的精度才能达到0.5m

4、左右。间隔时间和观测时间长，不能为用户提供实时定位和导航服务，而精度较低限制了它的应用领域。为了满足军事部门和民用部门，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位的迫切要求，1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”即通常简称的“全球定位系统”(GPS)。7.1.2 GPS全球定位系统一、GPS全球定位系统的建立1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统：NAVSTAR/GPS。它是英文Navigation Satellite Timing And Ranging/Global

5、 Positioning System的缩写词。其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”。简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证(19741978年)，系统论证(19791987年)、生产实验(19881993)三个阶段。总投资超过200亿美元。论证阶段共发射了11颗被称作Block I的试验卫星，生产实验阶段发射Block II, Block II A型第二代 GPS卫星，GPS系统由此为基础

6、改建而成。随着2004年11月6日美国发射的一颗Block IIR-13型GPS卫星检测完毕，GPS拥有创历史记录的30颗工作卫星，其中包括18颗Block II、 Block II A型和12颗新一代的Block IIR型卫星。Block IIR的升级配置Block IIR-M型卫星计划于2005年发射，该卫星将增加两种新的军用信号和一种新的民用信号。二、GPS全球定位系统的组成整个系统分为空间卫星、地面控制和监测站、用户设备三大部分。（一）空间卫星部分图71 GPS星座全球定位系统的空间卫星星座，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。卫

7、星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55各轨道平面升交点的赤经相差60在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11 小时58分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。目前，全球定位系统的工作卫星，在空间的分布情况如图71所示。 GPS卫星在空间的上述配置，保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。不过也应

8、指出，GPS卫星的上述分布，在个别地区仍可能在某一短时间内(例如数分钟)，只能观测到4颗图形结构较差的卫星，而无法达到必要的定位精度。空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效地工作是极其重要的。GPS基本参数是：卫星颗数为 213，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分(恒星时 12小时)，载波频率为 1575.42MHz和 1227.60MHz。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多11颗卫星。GPS工作

9、卫星的在轨重量是843.68公斤，其设计寿命为七年半。当卫星入轨后，星内机件靠太阳能电池和蓄电池供电。每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当位置。GPS卫星通过12根螺旋型天线组成的阵列天线发射张角大约为30度的电磁波束，覆盖卫星的可见地面。卫星姿态调整采用三轴稳定方式，由四个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，致使螺旋天线阵列所辐射的波速对准卫星的可见地面。（二）地面监控部分图72 GPS地面监控站GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。其分布如图72所示。1. 监测站现有5个地面站均具有监测站的功能。监测站，是在

10、主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。2. 主控站主控站一个，设在科罗拉多(Colorado Springs)。主控站除协调管理地面监控系统的工作外，其主要任务是1) 根据本站和其它监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。2) 提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GP

11、S卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。3) 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。4) 启用备用卫星以代替失效的工作卫星。3. 注入站注入站现有 3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)、南大西洋的阿松森岛(Ascension)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备，包括一台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS的地面监控

12、部分，除主控站外均无人值守。各站之间用现代化的通信网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。（三）用户设备部分全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。用户设备的主要任务是，接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异。随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。用户设备，主要由GPS接收机硬件和数据

13、处理软件，以及微处理机及其终端设备组成，而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。三、GPS全球定位系统的特点从1978年发射第一颗GPS试验卫星以来，利用该系统进行定位的研究、开发和实验工作，发展异常迅速。理论与实践表明，GPS同其它导航系统相比，其主要特点如下：1. 全球地面连续覆盖：采用的测距码P码C/A码单点定位（m）5- 1020-40差分定位(m)13-5测速（m/s）0.10.3测时（ns）100500表71 GPS定位精度由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点，均可连续地同步观测到至少4颗卫星。从而保障了全球、全天候连续地三维定位。2. 功能多，精度高：

14、GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。日前，利用不同测距码实时定位、测速与测时的精度，大体如表71所列。随着GPS定位技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。3. 实时定位:利用全球定位系统导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可保障运动载体沿预定航线的运行，也可实时地监视和修正航行路线，以及选择最佳的航线。4. 应用广泛:随着GPS定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。目前，在导航方面，它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得了成功地应用；在测

15、量工作方面，这一定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监测、地籍测量，航空摄影测量和海洋测绘等领域。已经成为主要定位手段。由于GPS高精度导航的优点，对军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。正因为如此，美国政府把发展GPS技术，作为导航技术现代化的重要标志，并把这一技术，视为20世纪最重大的科技成就之一。7.2 GPS单点定位图73 GPS单点定位图7.2.1 同时观测4颗卫星由于接收机测量的是伪距，在观测值中存在着接收机钟差，加之测量点的三维坐标为待求值，一共有4个未知数。要求解出这4个未知数，必须有4个方程式。为此，要实现单点绝对定位必须同时观测4个卫星(图73)，组成定位的基本

16、方程。设为伪距观测量，R为接收机到卫星的真距离，为接收机钟差，则观测方程为 (71)式中，假定伪距观测量已经过星历中的对流层和电离层改正；()为卫星的瞬时地心坐标，可由卫星星历电文中求出(详见第八章)；()为接收机的地心坐标，是待求量。为了求解方便和数据处理的需要，将式(71)进行微分，作线性化处理，并将接收机的概略坐标()作为初始值代入，得到 (72)式中，为接收机钟差对应的空间距离， 从式(72)中看出，三个坐标分量的系数是接收机到卫星的单位矢径分别向三个坐标轴投影的方向余弦。采用符号 (73)规定上标为卫星号，下标i为测站号，则组成伪距定位的基本方程 (74)采用矩阵表示： 观测量 状态

17、矩阵未知数则式(74)变为： (75)对式(75)求解，便得到接收机地心坐标的唯一解 (76)7.2.2 同时观测4颗以上卫星 在实际工作中，如果测得4颗以上卫星的伪距，则可设立位置线误差方程式，利用最小二乘法解算定位点的最或然点位。设定位点P的坐标为，其概略坐标为，在定位点P处同时观测得到n条位置线，由（136）式可以建立n个位置线误差方程式，其矩阵形式为： （77） 式中： 为求得定位点P的最或然点位，采用最小二乘法原理，平差计算点位。设观测值权阵为P，则由最小，可得： ， 即， 设：，则： （78）则最或然点位中误差为： （m） 7.3 差分GPS定位原理根据差分GPS基准站发送的信息方

18、式可将差分GPS定位分为4类，即：位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分，相位差分。这4类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。本节介绍最常用的伪距差分和相位差分工作原理。7.3.1 伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC104也采用了这种技术。在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，

19、用户利用此测距误差来改正测量的伪距，并求解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。基准站的GPS接收机测量出全部卫星的伪距和收集全部卫星的星历文件(等)。利用已采集的轨道根数计算出各个卫星的地心坐标（X，Y，Z），同时，可采用各种方法(参阅第九章)精确求出基准站的地心坐标（X，Y，Z）b。这样，利用每一时刻计算的卫星地心坐标和基准站的已知地心坐标反求出每一时刻到基准站的真距Ri：式中，上标i表示第i颗卫星，下同。基准站GPS接收机测量的伪距包括各种误差，与真距不同。可以求出伪距的改正数： (79)同时可求出伪距改正数的变化率： (710)基准站将传送给用户台，用户台测量出伪距再加上以上的

20、改正数，便求得经过改正的伪距： (711)利用改正后的伪距，只要观测4颗卫星就可以按下式计算用户站的坐标。 (712)式中，为钟差，v为接收机噪声。7.3.2 载波相位差分原理随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术-载波相位差分技术。载波相位差分技术又称为 RTK技术 (实时动态定位：Real Time Kinematic)，是以GPS的载波相位观测量为根据的实时GPS差分技术，它是

21、建立在实时处理两个测站的载波相位基础上，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，它利用了参考站和移动站之间观测误差的空间相关性，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度(分米甚至厘米级)的定位。一、标准RTK定位RTK技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离。GPS误差的空间相关性随参考站和移动站距离的增加而逐渐失去线性，因此在较长距离下(单频10km，双频30km)，经过差分处理后的用户数据仍然含有很大的观测误差，从而导致定位精度的降低和无法解算载波相位的整

22、周模糊度。所以，为了保证得到满意的定位精度，传统的单机RTK的作业距离都非常有限。二、网络RTK技术图74 网络RTK为了克服传统RTK技术的缺陷，在20世纪90年代中期，人们提出了网络RTK技术。在网络RTK技术中，线性衰减的单点GPS误差模型被区域型的GPS网络误差模型所取代，即用多个参考站组成的GPS网络来估计一个地区的GPS误差模型，并为网络覆盖地区的用户提供校正数据。而用户收到的也不是某个实际参考站的观测数据，而是一个虚拟参考站的数据，和距离自己位置较近的某个参考网格的校正数据，因此网络RTK技术又被称为虚拟参考站技术(Virtual Reference)。网络RTK在系统的可靠性方

23、面远远优于单机RTK系统。因为单机RTK系统的可靠性取决于单个参考站，一旦该参考站出现问题，其覆盖的区域就会成为服务盲区，甚至是错误服务区。而在网络RTK方式，系统的可靠性不是由单个站而是由整个GPS参考站网络来维护的，因此单个参考站即使出现问题也很容易被发现，不会导致数据被错误使用。网络RTK系统的组成为：GPS参考站网络、控制中心、从各参考站到控制中心的通信网络、控制中心和用户间的通信网络。其中控制中心是网络RTK系统的核心和计算中心，该单元运行网络RTK软件，处理参考站网络的数据，并形成校正数据网格。参考站到控制中心的通信网络则负责将参考站的数据实时地传输给控制中心，由于参考站的数据量大

24、，位置固定，并有实时性要求，因此通常采用有线通信网络，一般可采用Internet。无线链路也可以采用，但应避免通信延迟过大。控制中心和用户间的通信网络是指如何将网络校正数据送给用户。一般来说，网络RTK系统有两种工作方式：单向方式和双向方式。在单向方式下，只是用户从控制中心获得校正数据，而所有用户得到的数据应该是一致的；在双向方式下，用户还需将自己的粗略位置(单点定位方式产生)报告给控制中心，由控制中心有针对性地产生校正数据并传给特定的用户，每个用户得到的数据则可能不同。7.4 差分GPS系统图75 中国沿海RBN/DGPS信标台站中国沿海RBN/DGPS信标差分系统，是我国政府为适应国民经济

25、、国际贸易和社会发展的需要，满足航行在我国主要港口、重要水道和沿岸的运输船舶以及国防、海洋测绘、海洋石油开发等众多用户的需求，建成的一种高精度助航定位系统。如图75所示，该系统在我国沿海地区建设了20座RBN/DGPS台站，按规定强度信号覆盖整个沿海水域和部分沿海陆域。该系统于2002年1月1日零时起正式开通。RBN/DGPS系统是无线电信标差分GPS定位系统“Radio Beacon Differential GPS”的缩写。该系统是通过现有无线电信标台站的设备进行改造。向用户按一定时间间隔播发差分GPS伪距改正数为主的信息，以提高导航和定位精度的一种高科技助航定位服务系统。RBN/DGPS

26、系统具有全天候、信号稳定可靠、抗干扰能力强、作用距离远、无限用户单向接收等特点。RBN/DGPS系统充分利用原有大功率无线电指向标的设施，利用成熟的技术，可靠性高，作用距离远，实现与国际接轨，达到国际先进水平。据文献报道，目前美国、加拿大、瑞典、芬兰等国已投入使用的RBN/DGPS台站已达140多座，目前大量的海洋运输船舶装备了RBN/DGPS接收设备。RBN-DGPS系统从一开始就获得了广泛的应用，为航行在主要港口、重要水道和沿海沿岸的公众用户、国防建设、海洋测绘、海洋石油开发、海洋渔业、海洋资源调查、海上交通管理、疏浚、引航等和其他相关用户提供高精度的导航服务和高精度的测量定位服务。海测部

27、队多次的试验也表明，RBN-DGPS系统的精度完全满足海洋测绘的各种规范要求，所以RBN-DGPS可广泛应用在各种比例尺的海上测量，为海图更新和海底工程发挥越来越重要的作用。同时在从事航道疏浚、浮鼓抛设、定点打捞、围海造田、海底沉船或物件打捞、暗礁爆破等等工程的施工单位都可以借助RBN-DGPS系统进行精确定位，从而保证工程的效率和质量。7.5 其他卫星定位系统继美国开发GPS全球定位系统之后，前苏联和我国先后建立了GLONASS卫星导航系统和“北斗”双星定位系统。目前欧盟正在建立全开放型的新一代卫星定位系统伽俐略（Galileo）。下面分别加以介绍。7.5.1 GLONASS定位系统图76

28、GLONASS卫星系统1970年前苏联国防部主持设计了覆盖全球的卫星导航系统GLONASS（Globle Navigation Satellite System）。苏联解体后俄罗斯政府于1993年将此项目移交俄罗斯空军部队（VKS）。前苏联于1982年1O月发射第一颗GLONASS卫星，1995年初只有16颗卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，至1996年1月完成了24颗工作卫星加1颗备用卫星的布局，建成GLONASS卫星系统并发播导航信号，系统正常投入使用。GLONASS卫星的平均工作寿命为4.5年。1999年底补网发射了3颗卫星，至2000年初，该系统只有7颗健

29、康卫星保持连续工作。2000年10月补网又发射了3颗卫星。到2001年3月，GLONASS卫星中有13颗健康卫星。2001年补网发射了6颗卫星，使在轨卫星增加到17颗。从基本观测量来看，GLONASS导航系统和GPS一样，也分为保密的军用双频P码测距和民用的单频CA码测距。也就是说，它对军用提供高精度导航，对民用提供较低精度的导航服务。俄罗斯宣布对民用CA码不加入类似美国SA的人为降低精度的措施，并且计划增发民用第二频段。GLONASS由三部分，即空间部分、地面监控部分和用户接收机部分组成。GLONASS的空间部分由24颗周期约12小时的卫星组成，它们不断发播测距和导航信息。控制部分由一个系统

30、控制中心以及一系列在俄罗斯境内分布的跟踪站和注入站组成。控制部分除对卫星工作状态进行监测并于必要时通过指令调整其工作状态外，还对各卫星进行测量以确定其轨道和卫星钟钟差。最后以导航电文的形式通过卫星存储，转发给用户。用户接收机也采用伪随机码测距技术取得伪距观测量。接收并调解导航电文，最后进行导航解算。GLONASS采用频分多址，即各卫星所发播（调制）的伪随机测距码都是一样的，但各卫星的载波频率不同。卫星的识别是靠卫星发播的载波频率差异。最初GLONASS卫星的发播频率与国际电联分配的射电天文及通讯卫星近地转移轨道控制频率相近并发生冲突。近来GLONASS拟将同一轨道面相对的两颗卫星（相差180）

31、使用同一载波频率，将使用频率数减半。这是因为任何用户均不可能同时看到这两颗卫星。和GPS类似，每颗GLONASS卫星发播两个载波频率Ll和L2，以通过计算削弱电离层传播延迟的影响。其调制的测距码也分为粗码（CA码）和精密测距码（P码），C/A码主要供民用和捕获P码，P码供军用。7.5.2 双星导航定位系统一、双星导航定位系统组成和特点双星导航定位系统，又称为“北斗一号”导航卫星定位系统是中国自主建立的世界上第一个区域性卫星导航系统，卫星覆盖区域为中国及其周边地区。 “北斗一号”导航卫星定位系统于上世纪80年代开始进行研究，1989年，“双星定位演示试验”的成功。1993年进入正式开发阶段，又经

32、过10年的时间，终于建成。2003年5月25日中国成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。这颗“北斗一号”导航定位系统的备份星，与2000年10月31日和12月21日分别发射升空的前两颗卫星组成了完整的卫星导航定位系统，可在我国大陆、台湾、南沙及其它岛礁、中国海、日本海，太平洋部分海域及周边部分地区，为时速1000公里以下的中、低动态用户和静态用户全天候、全天时提供定位/简短报文通信/授时服务。双星导航定位系统由两颗卫星，地面应用系统和测控系统三部分组成，如图77所示。地面应用系统由中心控制系统、用户系统和标校系统组成。中心控制系统由信号收发、信息处理、监控、测试和信道测试五个分系统及

33、配套附属设备组成，是全系统监视、管理中心，具有全系统信息的产生、搜集、处理与控制等功能。其主要任务是产生并向用户发送询问信号和标准时间信号（出站信号），接收用户响应信号（入站信号）；确定卫星实时位置并通过出站信号向用户提供卫星位置参数；向用户提供定位、授时服务并存储用户有关信息；转发用户间通信信息或与用户进行报文通信；监视并控制卫星有效载荷和地面应用系统的情况；用户系统是系统的应用终端，其主要任务是在系统其它部分的配合下实现定位、授时和通信功能。根据不同的应用范围可有多种分类方式。按用户需求可分为指挥型和普通型用户机；按服务优先级可分为非屏蔽用户、一级、二级和三级用户；按服务频度和响应时间可分

34、为一类、二类和三类用户机；按通信电文长度可分为长电文和短电文用户机。另外，根据一些特殊用途可分为定时型、测高型、保密型、加固型和GPS兼容型等特殊类型。图77双星导航定位系统组成标校系统是由分设在服务区内若干已知点上的各类标校站组成。标校站按用途可分为测轨、定位和测高三类标校站。测轨标校站为系统确定卫星实时位置提供观测数据。二、双星导航定位系统定位原理 “北斗一号”卫星导航定位系统是通过双星定位方式工作的。该系统由两颗经度上相距60度的地球静止卫星对用户双向测距，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。双星导航定位系统的定位原理为三球交会测量原理。地

35、面中心通过两颗卫星向用户广播出站信号，并根据用户响应的入站信号计算出用户到两颗卫星的距离，以两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，形成两个球面，用户机必然位于这两个球面交线的圆弧上。然后根据中心存储的数字地图或用户自带测高仪测出的高程算出用户到地心的距离，根据这三个距离就可以通过三球交会测量原理确定用户的位置，并通过出站信号将位置告知用户。授时和通信功能也在这种出入站信号的传输中同时实现。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。“北斗”系统主要有三大功能：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS相当；短报

36、文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20纳秒。 卫星1 卫星2 Ru1 R01 Ru2 R02 标校机1 地面中心 用户n 用户1 标校机N 出站链路信号 入站链路信号图78系统工作原理系统工作原理如图78所示。系统的工作方式可分为单收双发和双收单发两种方式。单收双发工作方式的工作过程是：首先由地面中心向卫星和卫星同时发送出站询问信号（C频段），两颗工作卫星接收后，经卫星上出站转发器变频放大向服务区内的用户广播（S频段），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入站响应信号（用户的申请服务内容包含在内，L频段），经卫星转发回地面中心（C频段），地面中心接收解调

37、用户发送的信号，测量出用户所在点至两卫星的两个距离和观测量，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，根据测出的两距离和量，加上从储存在计算机内的数字地图查寻到的用户高程值（或由用户携带的气压测高仪提供），计算出用户所在点的坐标位置，然后置入出站信号中发送给用户，用户收此信号后便知自己的坐标位置。双收单发的工作过程是用户处于两颗卫星出站信号共同覆盖的区域内工作，用户接收机同时接收两颗卫星的出站信号，测量出接收到两信号的时差值，并将此测量值随同申请服务的信息通过一颗卫星转发回地面中心，地面中心也能测算出用户至两星的距离，计算出用户的位置。下面以单发双收为例，叙述其工作原理。设用户

38、位置坐标为，若用户响应卫星的出站信号，用户每响应一次出站信号，中心控制系统测得如下两个距离量Ru1、Ru2和已知用户高程值Hu： （713） 式中：、分别为椭球的长、短半径和扁率 、为中心控制系统所测得的中心控制系统卫星（或卫星）用户卫星（或卫星）中心控制系统之间的距离和观测量。利用方程即可解出以赤道面为对称的两个互为镜像的位置解，由于服务区位于北半球，因此容易判断的位置解为用户的真实解。在利用上式中基本观测量进行定位计算时，各类误差（如星历误差、高程误差、测量误差、传播误差等）都将对定位产生影响。为确保系统定位精度的要求，一方面必须对各项误差源实行有效控制；另一方面在定位计算中要设法削弱系统

39、误差影响。为了提高定位精度，本系统采用差分技术，即利用己知位置的标校站（网）数据，确定观测量的误差，定位计算中改正观测量，以便得出精确位置。 差分技术分为局域差分和广域差分。局域差分是利用用户附近的一个或多个标校站的基准观测数据来修正该用户的观测量误差，其有效范围约为250公里。广域差分是基于多个标校站对测量误差进行改正的方法。利用标校站的实测数据，建立自适应的传播修正模型，对电波传播，卫星轨道等系统误差进行统一修正，可满足系统对定位精度的要求。若用户至标校站距离小于250公里，也可用局域差分方法确定用户位置。本系统具有广域差分法和局域差分法的处理能力。地面用户的高程值可由存储在中心控制系统计

40、算机内的数字化地形图或由用户携带的气压测高仪提供。数字化地形图是地球表面真实地形的反映，它是用许多按一定密度分布的离散点的高程值来描述的一个高次曲面。由数字图查得任意点高程值，其精度优于10米（1）。定位计算时，利用用户所在点经纬度，在数字化地形图上读取用户周围若干点高程值，采用曲面拟合插值，即可得到用户所在点的高程值。定位计算过程为一迭代搜索过程。若用户带有气压测高仪，可实时测得用户所在点的气压值，并随申请信息一起发往中心控制系统，由中心控制系统结合来自测高标校机的基准数据，计算出用户所在点的高程。地面气压测高可提供精度优于10米（1）的用户高程值，空中用户的气压测高精度为数十米。7.5.3

41、 伽俐略（Galileo）卫星定位系统一、概述伽利略计划是技术、经济和政治的一次重大挑战，伽利略计划，实际上是一个欧洲的全球导航服务计划。它是世界上笫一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统（GNSS），与GPS相比，它将更先进、更加有效、更为可靠。它的总体设计思想是：与GPS/GLONASS不同，Galileo系统是一个最高精度的全开放型的新一代卫星导航系统，自成独立体系；能与其它的GNSS系统兼容互动，具备先进性和竞争能力；公开进行国际合作，建设资金由欧盟各成员国政府和私营企业共同投资。上世纪九十年代欧洲一直在积极筹划GNSS计划，并开始运作GNSS1中的“欧洲静止轨道导航重叠系统（

42、EGNOS）”，到1999年正式提出GNSS2中的Galileo(伽利略)计划，并分成四个阶段来加以实施。这就是系统定义阶段(1999-2001)、研发验证阶段(2002-2005)、系统部署阶段(2006-2007)，以及系统运营阶段(2008- )。2000年欧盟在世界无线电大会上获得了建立全球卫星导航系统（GNSS）的L频段的频率资源。2002年3月，欧盟15国交通部长一致同意伽俐略（Galileo）卫星定位系统的建设。伽利略系统基本投资约为32亿欧元，中国与欧盟于2003年10月达成共同开发伽俐略（Galileo）卫星定位系统的协议，并提供2亿欧元的支持。二、Galileo系统的组成伽

43、利略系统摆脱了GPS和GLONASS那样的“老三段”组成方式的巢臼，形成四大组成部分的新模式。系统由空间段、环境段、地面段和用户段。伽利略的空间段由位于中高度的30颗卫星构成，这些卫星分置于3个轨道面内，每个轨道面上有10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用，轨道高度为23616km，倾角为56度。卫星绕地球旋转一周的时间为14小时04分钟，卫星重量为625kg，在轨寿命15年，耗功1.5kw，发射频段为四个(包括SAR使用的频段)，工作信道(基本信号)达11个。伽利略的环境段是新增的部分，实际上在GPS和GLONASS中都是隐含的部分，在伽利略中明确提升到最关键的组成部分中来，这是由于实用需求

44、日益广泛和技术进步带来的结果，因为定位精度日益提高和可靠性更加重份量的客观需求，以及使用中遇到的各种各样的问题，必然要把这个环境段放到重要位置上加以考虑。环境段主要研究电离层、对流层、电波干扰和多径效应，以及它们的缓解技术和对策。 伽利略的地面段主要有伽利略控制中心(2个)、C波段任务上行站(5个)、伽利略上行站(5个，TT&C-S波段和ULS-C波段)、伽利略传感器站(29个)，以及Delta完好性处理装置和任务管理办公室组成，它们之间由伽利略数据链路和伽利略通信网络进行连接，外面相关的部门还包括搜索救援(SAR)中心，EGNOS和世界协调时部门。伽利略控制中心分为四大系统：完好性处理系统，

45、精密定时系统，轨道同步和定时系统，以及伽利略资源控制系统。后者又包括服务产品部、卫星控制部和任务控制部。 伽利略的用户段涉及到海陆空天各种应用领域，由于伽利略提供的服务及水平要比GPS多得多和高得多，所以对用户接收机的要求就更高更广更多，而且还应兼顾到与GPS的兼容互动。三、Galileo系统的功能伽利略的服务虽然提供的信息仍还是位置、速度和时间，但是伽利略提供的服务种类远比GPS多，GPS仅有标准定位服务(SPS)和精确定位服务(PPS)两种，而Galileo则提供五种服务，这就是：公开服务(OS)，与GPS的SPS相类似，免费提供；生命安全服务(SoLS)；商业服务(CS)；公共特许服务(

46、PRS)；以及搜救(SAR)服务。以上所述的前四种是伽利略的核心服务，最后一种则是支持SARSAT的服务。伽利略服务不仅种类多，而且独具特色，它能提供完好性广播；服务的保证；民用控制；局域增强。伽利略的公开服务提供定位、导航和授时服务，免费，供大批量导航市场应用。商业服务是对公开服务的一种增值服务，以获取商业回报，它具备加密导航数据的鉴别功能，为测距和授时专业应用提供有保证的服务承诺。生命安全服务，它可以同国际民航组织(ICAO)标准和推荐条款(SARs)中的“垂直制导方法”相比拟，并提供完好性信息。公共特许服务是为欧洲/国家安全应用专门设置的，是特许的或关键的应用，以及具有战略意义的活动，其

47、卫星信号更为可靠耐用，受成员国控制。伽利略提供的公开服务定位精度通常为15-20m(单频)和5-10m(双频)两种档次。公开特许服务有局域增强时能达到1m，商用服务有局域增强时为10cm-1m。 7.6 卫星导航系统（GNSS）的发展7.6.1 美国对GPS系统的改进计划一、GPS的现代化计划GPS的现代化计划包括增加民用信号、改善现有信号，克服大气层效应、改善地面设施以及开发第三代GPS卫星等。对GPS的标准精度服务（SPS）即民用空间信号，1998年美国宣布将在L1=1227.6MHz频率上广播第二民用信号。同时，在L5=1176.45MHz上的第三民用信号频率将在2005年开始广播。对于

48、单点实时GPS用户，增加第二和第三民用信号将改善定位精度，提高信号可用性和完善性，增加服务连续性和抗射频干扰能力，有助于高精度的短基线和长基线差分应用。对于军用信号，现代化计划保护作战区内的军用服务，防止敌方使用GPS服务，保存作战区域外的民用服务。军用PPS服务中提供新的军用M码。为改善现有信号，提高对欧盟GNSS定位系统的竞争力，2000年5月1日美国关闭了SA政策。GPS用户能得到优于22米的水平SPS定位精度。为了克服大气层延迟误差影响，使用L2C/A码与L1相结合，将使电离层误差从7.0m降低到0.1m。改善地面控制设备，提高对GPS卫星的监测能力，使控制网络更加稳定，提高定位精度。

49、2010年后开发新一代的GPS Block 卫星和相关的地面控制网。二、GPS系统的增强系统（一）广域增强系统WAAS是由美国联邦航空局开发的广域增强系统。WAAS的区域包括整个美国，以及计划加入的国家。 WAAS是一个用区域性地面站监测GPS信号误差通过地球静止卫星发播改正数和完好性信息的网络系统。同时，也发射类似GPS的L1信号。WAAS在北美计划有4颗地球静止卫星，现有两颗可用。此系统在美国大陆水平精度可达1-2米，高程精度2-3米。在21天的稳定性测试后，美国联邦航空局宣称WAAS可用于非航空用户，若要适应更广泛的用户需要更好的稳定性。WAAS还处在测试状态，服务的不连续仍是主要问题。

50、WAAS由广域基准站(若干个)、广域主控站组成，利用数据链发播定位修正信息。其特点是对空间相关的误差(大气中的传播延迟误差)和对空间不相关的误差(卫星的星历误差、星钟误差)分别解算出来，分别修正。这样，不仅使得只需设置较少的基准站就能覆盖大范围地区，还能利用卫星广播修正电文，在海洋和偏远荒漠地区不需设台，用户也能获得修正信息。（二）局域增强系统美国建立局域增强系统（LAAS）的目的是改善GPS信号，以满足精密实时定位所需的性能要求。向视线范围内的飞机提供差分修正信号。LAAS能将精度提高至1米。 LAAS是对WAAS服务的完善。LAAS使用的差分技术是基于产生一个本地基准站和用户站之间所有预计

51、的共同性误差的修正值。所以，LAAS只能在约20海里的局域范围内发播导航修正信息，其服务空间只包括在本区域内的机场。虽然LAAS提供的服务空间小于WAAS，但是，LAAS所能提供的精度要远高于WAAS。因而，LAAS能提供比WAAS更多的精密引航服务，并能有效缩短系统完好性告警时间。LAAS主要由地面基准站、机载差分GPS接收设备、数据链组成。LAAS可供I类精密引航(可用性指标远高于WAAS)、II类乃至III类精密引航和着陆。此外，LAAS的空间信号还能提供机场场面活动监视服务。7.6.2 俄罗斯GLONASS重建计划 按照俄罗斯政府在2001年8月批准的一项全球导航系统计划，俄罗斯的GL

52、ONASS全球导航卫星系统将于2008年全部再建。该计划要求8亿美元投资，用作2002-2011年间多达38颗卫星的装配和部署，其中包括11颗改进的GLONASS-M和20颗全新的GLONASS-K，其余为目前的生产型卫星。从1982年第1颗工作原型被部署以来，生产型卫星一直没有太在的变化，对基本设计所做的改进主要是把卫星在轨寿命从规定的3年延长至5年。GLONASS-M被指定为一种过渡性的解决方案，以便在实现先进得多的GLONASS -K之前使系统保持运行。一种全新设计的GLONASS-K将结合新的数字技术，这将使卫星重量减少2倍以上，降到了1543磅。6颗卫星能部署在一个单个的质子号上，或

53、2颗卫星可装到一个联盟-2上。GLONASS-K在运行中将更为可靠，工作寿命能保持10-15年。为民用用户提供的定位误差将进一步减少。GLONASS目前的载波频率是1602.0-1614.94兆赫兹，计划在2005年以前将载波频率转移到1602.0-1609.31兆赫兹，2005年之后再转移到1598.06-1605.38兆赫兹。7.6.3 欧洲GNSS计划欧空局（ESA）、欧盟（EC）和欧洲航行安全局（Eurocontrol）一直致力于建设一个纯民用的全球卫星导航系统(GNSS)的努力。通过实践和研究，又将GNSS分为两步走计划，即第一代导航系统（GNSS1）和第二代导航系统（GNSS2）。一、第一代导航系统（GNSS1）GNSS1就是对美国现有的GPS和俄罗斯的GLONASS进行增强，目前