全球卫星定位系统(GNSS)分解课件

1、 GPS的发展过程及GPS现代化俄罗斯的GLONASS系统伽俐略（Galileo）系统的发展 中国北斗卫星导航系统 伪卫星导航定位技术主要内容GNSS的组成及发展过程1.1 GPS的发展过程及GPS现代化GPS的发展过程及GPS现代化 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”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。该系统中，卫星的轨道都通过地极，故也称“子午（Transit）卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。子午卫星GPS的发展过程及GPS现代化 1973年美国国防部便开始组织海陆

2、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Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，有时也被称作NAVSTAR GPS。“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NAVSTAR / GPS），简称“全球定位系统”（GPS）。GPS的发展过程及GPS现代化 GPS卫星已经研制了三代：第一代(Block I)：11颗实验卫星，分布在2个轨道平面，已停止工作。第二代(Block II、IIA)：共28颗卫星，设计寿命7.5年，1989-94发射完成。第三代(Block IIR、IIF、III)：已部分

3、发射运行，以实现GPS现代化。GPS的发展过程及GPS现代化 1999年1月25日美国副总统戈尔提出了GPS现代化的计划。随后美国军方和波音公司（始于IIF）阐明了其内涵：保护：更好地保护美方和友好方使用GPS，加强抗干扰能力；阻止：阻扰敌对方使用GPS，施加干扰；保持：保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确、更安全的GPS使用。GPS的发展过程及GPS现代化PRN 01 from Block IIR-M is unhealthyPRN 25 from Block IIA is unhealthyPRN 32 from Block IIA is unhealthyIIF计划GPS的发展过程及G

4、PS现代化GPS IIA为GPS II的增强卫星GPS Block IIF卫星GPS IIF-1 Launch Vehicle:Delta IVLaunch Site:Cape Canaveral Air Force StationLaunch Date:Thursday, May 27, 2010美国空军8月27号宣布，第一颗GPSBlock IIF卫星开始正式运行，在当天早上10:10左右卫星发回了健康的导航信号，标志着Block IIF卫星正式投入使用。计划到2013年发射12颗1.1 GPS的发展过程及GPS现代化(续) 第一阶段：发射12颗改进型的BLOCK IIR卫星， 增播第二民

5、用码和军码（M）,增加星间测距和通信链路设计。（97-04，lockheed Martin） 第二阶段：在2005（延迟到2011）年前发射6颗BLOCK IIF卫星，强化军码（M码）、增发第三民用码（L5：1176MHz）。到2008年（未确定）至少有18颗IIF型卫星，到2016年全部以IIF型（24+3）运行。 第三阶段：研制和发射BLOCK III卫星，2003年完成系统设计、2008年发射GPS III的第一颗试验卫星、20年后完成GPS III替代GPS II。GPS 频率表2005，GPS IIR-M-1，加L2C 2010，GPS IIF SV-1 ，加L5 GPS II添加，

6、还用于传输导弹预警信息1.2 俄罗斯的GLONASS系统 GLONASS系统由卫星、地面测控站和用户设备三部分组成，系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3 个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度1万9000公里，运行周期11小时15分。GLONASS系统于20世纪70年代开始研制，1982年发射首颗卫星入轨。但由于航天拨款不足，该系统部分卫星一度老化，最严重曾只剩6颗卫星运行。2003年12月，由俄国应用力学科研生产联合公司研制的新一代卫星交付联邦航天局和国防部试用，为2008年全面更新Glonass系统作准备。在技术方面，GLONASS系统的抗干扰能力比GPS要好，但其单点定位精

7、确度不及GPS系统。2004年，印度和俄罗斯签署了关于和平利用俄全球导航卫星系统的长期合作协议，正式加入了GLONASS系统，计划联合发射18颗导航卫星。 1.2 俄罗斯的GLONASS系统GLONASS卫星星座GLONASS卫星外型 1.2 俄罗斯的GLONASS系统GLONASS系统新进展GLONASS 升级计划恢复全球连续导航能力Glonass-K 计划 (2011)进一步提高GLONASS系统的定位精度地面控制部分的现代化扩展地面控制网络 提高系统时间的稳定度，轨道精度扩展地面监测网信号现代化GLONASS-K增加G3信号 (CDMA)与GPS、Galileo能进行互操作 信号频段坐标

8、系统时间系统发射新的卫星，继续GLONASS现代化进程GLONASS系统新进展2006年12月25日，俄罗斯用质子-K运载火箭发射了3颗格洛纳斯-M卫星，使格洛纳斯系统的卫星数量达到17颗。2010年12月05日，俄罗斯携带有3颗卫星的质子M运载火箭发射后偏离正常轨道，坠落夏威夷附近的太平洋中。2011年2月26日发射了一颗格洛纳斯-K卫星共27颗，23颗可用，一颗试运转，3颗在维护中全球某一时刻PDOP情况目前整体可用情况北斗北斗导航三步走第一步是试验阶段，即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务，为北斗卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，研制一些地面应用基础设施设备等；第二步是到

9、2012年，计划发射10多颗卫星，建成覆盖亚太区域的北斗卫星导航系统；第三步是到2020年，建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。 北斗第一步：北斗卫星导航试验系统（2003年）有源服务能力第二步（2010年左右）区域无源服务能力（2015年左右）全球服务能力北斗卫星导航系统北斗北斗一代、二代发射基本情况至今一代有2颗在轨运行卫星二代有七颗卫星，一颗仅用于测试，一个不能用，剩下5颗可用。 北斗北斗1-D的发射In February 2007, the fourth and also the last satellite of BeiDou-1 system, th

10、eBeiDou-1D(sometimes calledBeiDou-2A, serving as a backup satellite), was sent up into space.It was reported that the satellite had suffered from a control system malfunction but was then fully restored 北斗北斗一代双星定位系统组成 采用两颗位于80E和140E地球静止轨道卫星双向测距加数字化高程地图定位 北斗北斗一代系统组成导航通信卫星：即空间中继站是两颗距地 面36000KM与地球同步的静止

11、卫星 ,两者升交点赤经相差60地面站组：包括主控站 、计算中心 、测轨站 、测高站以及校准站等 用户设备：为仅带有定向天线的收发器 ,用于接收中心站通过卫星转发来的信号和 向中心站发射通信信息不 含定位解算处理器 ,设备比较简单。一代定位原理中心站通过测量信号在中心站-卫星-用户之间往返的时间延迟,从而测定用户和两颗卫星之间的距离,再利用用户的高度测量数据或数字地图经过解算就可以确定用户的位置北斗一代性能短报文通信：一次可传送多达120个汉字的讯息。精密授时：精度达10纳秒。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。系统容量：每小

12、时540000户。北斗一代与GPS比较覆盖范围北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70-140，北纬5-55。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。 北斗一代与GPS比较卫星数量和轨道特性 北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55，轨道面赤道角距60。GPS导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。 北斗一代与GPS比较定位原理北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三

13、维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。北斗一代与GPS比较用户容量北斗导航系统由于是主动双向测距的询问-应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统，用户设备

14、只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。北斗一代与GPS比较生存能力 和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号” 系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。 北斗一代与GPS比较实时性 “北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要

15、经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。2003年介入伽利略蜜月期（2003年-2004年）中欧优势互补反对单极世界 2003年的欧洲，处处弥漫着反美反战情绪。美国执意执行单边主义外交策，不顾国际会反对，悍然发动伊拉克战争，欧洲人感受到了“单极世界”引起的潜在危险。时任法国总统希拉克，主张建立“多极化世界”，他的呼声得到时任德国施罗德的坚决支持。在这样的背景下，欧盟决定把中国纳入欧盟2002年就已启动的“伽利略”计划中，中

16、国成为第一个非欧盟的参与国。消息传开，震惊美国。 介入伽利略一直以来，美国的全球卫星定位系统GPS在用导航领域独步天下，即便同时代有俄罗斯的“格洛纳斯”系统与之竞争，但“格洛纳斯”年久失修，导航卫星残缺不全，早已淡出国际市场，根本不具备与GPS一比高下的能力。欧盟发起的“伽利略”全球卫星导航计划，被认为是结束美国“独霸”局面的最有力挑战。按设计，“伽利略”将一共由30颗“中轨道”和“静轨道”导航卫星覆盖全球，其定位精度超过了GPS，在兼容性和精确度等设计方面也优于GPS。为了打破GPS的垄断地位，“伽利略”的“公共管理服务”系统拟使用的频率故意选择了与美国GPS相近的频率，这样的安排有可能冲淡

17、GPS的频道效果，令美国人坐立不安。 介入伽利略当时的“北斗”系统尚属实验开发阶段，其技术参数落后于GPS，也落后于2002年欧盟决定启动的“伽利略”系统，而且更重要的一点是，“北斗”一号只属于区域性，其商用价值并不高。在这样背景下，欧洲人主动“邀请”中方加入全球卫星导航系统，中方欣然受之，双方一拍即合。欧洲把中国纳入，不仅使欧洲一些国家的赚足了治资本，也使“伽利略”计划捉襟见肘的财状况得到极大缓解，更给“伽利略”进入中国诱人的市场打下了基础。2003年底，在中方实际完成了区域导航系统“北斗”一号之后，中欧草签合作协议。2004年中欧正式签署技术合作协议，中方承诺投入2.3亿欧元的巨额资金，第

18、一笔7000万欧元的款项很快就打到欧方账户上。 介入伽利略中国与欧盟合作，既有战略利益也有实际的好处。有人评论，中欧在高端技术上的合作，实质上打破了美国主导的欧洲对华武器禁运，也相当于废弃了针对中国这样特定国家的欧美武器贸易条例（ITAR）,为最终从法律层面解除对华武器禁运撕开了一个口子。由于卫星导航在现代战争中扮演越来越重大的角色，美国甚至扬言，美国如感觉受到威胁，则有权击毁“伽利略”卫星。 介入伽利略2005年，“伽利略”首颗“中轨道”实验卫星“GLOVE-A”搭乘俄罗斯“联盟”号运载火箭顺利升空。虽然这只是一颗实验性卫星，并非是要最终布置的30颗导航卫星之一，但“GLOVE-A”的发射，

19、标志着欧盟“伽利略”计划从设计向运转方向转变。然而，进入2005年，欧洲治开始转向，之前“亲华”的德国施罗德黯然退隐，由来自右翼的亲美治家默克尔担任德国新，而法国也进入了交替的时代，希拉克的影响力逐渐下降，亲美治人物尼古拉萨科齐于2007年开始担任法国总统。亲美治人物纷纷上台，给欧盟致力于建立“多极世界”的愿望变得暗淡，欧洲迅速向美国靠拢。在这样的背景下，欧洲航天局与美国“修好”，同意修正之前拟定的与美国GPS相近的发射频率，以便投入使用后产生信号冲突的可能性降至最低限度。但这样的技术重新修正，却花掉了预算之外的一大笔钱。作为回报，美国同意在技术上支持“伽利略”的开发。 介入伽利略恰恰在这个时

20、候开始，欧盟为“伽利略”计划的财和利益分配吵成一团。也是从这个时候开始，欧盟开始排挤中国。眼看着投入巨额资金，却得不到与之相称的对待，甚至待遇还低于没有投入一分一厘的其他非欧盟国家，如印度等国，令中国大为不满。中国不但进不到“伽利略”计划的决策机构，甚至在技术合作开发上也被欧洲航天局故意设置的障碍所阻挡，中方除了挂得一个参与人的“好名声”之外，其他一无所得，反而要担负巨额资金投入，这样的“结局”令中方十分不满。 介入伽利略在此背景下，中国开始把注意力转移到沉寂数年的“北斗”系统上。2007年发射的第四颗“北斗”一号导航卫星，替换了退役的卫星，“北斗”系统开始激活。到2007年底，中国成功发射了

21、第一颗“中轨道”导航系统，标志着“北斗”系统在技术和规划上的重大突破。本来中国诚心与欧盟合作，一开始就定位“北斗”为区域导航系统，给“伽利略”计划留下了毫无保留的施展空间。但是，事与愿违，欧方“骨子里”并没有放弃轻视中国、压制中国的心态，合作不到几年，短暂的“蜜月期”一过，中欧双方就合作开发问题常生冲突，中国抽身离去，留下为经费吵成一团的欧盟各国。 介入伽利略竞争期（2008年-2009年）“北斗”横空出世技压“欧系”卫星由于实质参与欧洲“伽利略”卫星导航系统受挫，中国决定“单干”。2006年11月，中国对外宣布，将在今后几年内发射导航卫星，开发自己的全球卫星导航和定位系统，到2007年底，有

22、关覆盖全球的“北斗”二号系统计划已经浮出水面。此时，欧盟还在内耗中没有脱开身。直到2008年4月27日，“伽利略”系统的第二颗实验卫星才升空，此时距上次发射已经有差不多四年时间，这样的进度，比最初的计划推迟了整整五年。 介入伽利略“北斗”二号横空出世，不仅使欧洲“伽利略”系统准备与美国GPS一争高下的愿望大打折扣，也冲淡了“伽利略”未来的市场前景。“北斗”二号在技术上比“伽利略”更先进，定位精度甚至达到0.5米级，令欧洲人深受震撼。另一方面，之前“伽利略”计划的推出，刺激了美国和俄罗斯加快技术更新，新一代GPS和新一代“格洛纳斯”的定位精度等技术指标均很快反超“伽利略”，“伽利略”逐渐丧失了技

23、术相对领先的优势。为转变被动局面，欧洲人别无他法，只有增加财投入，而此时欧洲航天局为了排挤中国，已经以法律形式规定所有开发资金均来源于欧盟公共资金，这就意味着，要想增大投入，还得在内部无休止地“吵”下去。 欧洲人开始酸溜溜地说，中国“北斗”二号的技术“偷窃”自欧盟“伽利略”计划，这样的无聊之辞已经成为欧洲人自大自负又一例证。出于战略的需要，中国并没有完全放弃与欧盟“伽利略”计划的合作，但这已经不能阻挡中国推出自主全球导航系统的步伐。介入伽利略按照国际电信联盟通用的程序，中国已经向该组织通报了准备使用的卫星发射频率，这一频率正好是欧洲“伽利略”系统准备用于“公共管理服务”的频率。频道是稀有资源。

24、占得先机的美国和俄罗斯分别拥有最好的使用频率（80%的黄金频段），中国所看中的频率被认为是美国和俄罗斯之后的“次优”频率。此外，日本、韩国、印尼等亚太国家也在加紧申报并获取频率轨道资源。更有甚者，汤加王国早期申报了大量的频率轨道资源并获得了优先使用权，此后以经营优先使用权来获取经济利益。可以看出，各国为维护自身的军事或经济利益，都在抓紧抢占卫星频率轨道资源。 介入伽利略按照“谁先使用谁先得”的国际法原则，中国和欧盟成了此频率的竞争者。然而，中国将在2009年发射三颗“北斗”二代卫星，正式启用该频率，而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐，注定要在这场“出乎意料”的竞赛中败下阵来，从而失去对频率的

25、所有权。中欧围绕“伽利略”开发的曲折过程生动地证明，中欧只有真诚合作，平等相待，才能给双方都带来长远利益。欧洲如不放弃自负自大的心态，继续歧视和压制中国，那么，最后受损失的还是欧洲自己。 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统简介 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。 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GLONASS、欧洲GA

26、LILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。 中国目前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和七颗北斗导航卫星，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。北斗卫星导航系统2010年11月16日，第八届中国国际航空航天博览会在广东珠海市开幕，代表“北斗导航”工程的天地一体卫星运行沙盘在展会上亮相。 2010年12月17日，第7颗北斗导航卫星发射前的星箭对接。12月18日，第7颗北斗导航卫星成功进入太空。 北斗卫星导航系统空间部分北斗卫星导航系统星座由30多颗GSO和MEO卫星构成，其中MEO卫星是主体，GSO卫星提供增强能力。北斗卫星导航系统2007年发射的MEO卫星装载4台国产星载铷原子钟

27、已连续在轨运行18个月，测试表明星载铷钟在轨工作正常，各项指标满足设计要求。当今最先进的钟是：喷泉原子钟北斗的信号频段E5a (L5)E5bL2G2E6L1G11164 MHz1215 MHz1260 MHz1300 MHz1559 MHz1610 MHzE6L1B2E2E1L5B3B1B1-2B1-MBOCGALILEOGPSGLONASS北斗频率资源北斗北斗卫星导航系统目标 提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，2006年11月2日，中国官方宣布到2008年定位精度将为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

28、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，已成功发射七颗北斗导航卫星。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。 北斗北斗卫星导航系统的发射历程 【第1颗】：2007年4月14日【第2颗】：2009年4月15日【第3颗】：2010年1月17日【第4颗】：2010年6月2日【第5颗】：2010年8月1日【第6颗】：2010年11月1日【第7颗】：2010年12月1

29、8日陈芳允 （1916-2000）电子学家、空间系统工程专家，中国卫星测量、控制技术的奠基人之一，“两弹一星功勋奖章”获得者，中国科学院院士，国际宇航科学院院士，曾任国际宇航联合会（IAF）副主席。1965年担任卫星测量、控制的总体技术负责人，为中国第一颗人造卫星的准确测量、预报作出了重要贡献。他还参加了中国回收型遥感卫星的测控系统方案的设计和制定工作，为中国十几颗遥感卫星成功回收作出了重大贡献。他相继提出了微波统一测控系统、“双星定位系统”、遥感小卫星群对地观测系统和小卫星移动卫星通信系统等方案。他直接参与指导研制成功的微波统一测控系统，在中国同步通信卫星发射和运行中发挥了很高的效用。1985年获国家科技进步奖特等奖。 1983年陈芳允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，这一系统称为“双星定位系统”。这个系统由两颗在经度上相差一定距离（角度）的同步定点卫星，一个运行控制主地面站和若干个地面用户站组成。主地面站发信号经过两颗同步定点卫星到用户站；用户站接收到主地面站发来的信号后，即作出回答，回答信号经过这两颗卫星返回到主地面站。主站两颗卫星用户站之间的信号往返，可以测定用户站的位置。然后，主地面站把用户站的位置信息经过卫星通知用户站。这就是定位过程。主地面站和用户站之间还可以互通简短