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第七章卫星定位与导航根据卫星播发的无线电波和导航电文，确定空间点位置和运动轨迹的方法，称为卫星定位与导航。它是构成高技术战争的关键技术之一。60年代中期，美国最先研制出子午仪导航卫星系统。用户接收机通过接收分布在6个轨道平面（与赤道面的交角约90*）上，高度约1000公里的6颗卫星播发的无线电信号和导航电文，同时测出卫星相对接收机运动而产生的多普勒频移，即可计算出接收机的位置。该系统属于“单星、低轨、测速”体制，不能实时、连续定位（一次定位需8~10分钟，两次定位间隔1.5小时），但卫星定位导航的优越性及其发展前景已为世界各国所确认。因此美国很快又研制出“多星、高轨、测距”体制的GPS全球定位系统，不仅定位精度高，且可全天候实时连续定位，能满足舰船、飞机、车辆乃至单兵定位的需要。前苏联和欧洲空间局（ESA）也分别研制出了“GLONASS”和“NASAT”导航卫星系统。第一节GPS定位导航系统GPS是全球定位系统（GlobalPositioningSystem）的简称。它是美国第二代卫星定位系统，能为用户全天候、不间断提供空间点的三维坐标。一、系统简介GPS定位导航系统，由空间星座、地面监控和用户接收机三大部分组成。（一）空间星座空间星座含有24颗卫星，分布在6个倾角为55‘的近圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星。卫星平均高度两万公里，运行周期12小时。这种星座布设可使地球上任何地方、任何时刻可同时观测到4颗以上卫星，实现三维定位，如图7·1。GPS卫星主体呈圆柱形，直径约1.5米，两侧有太阳能集电板提供电源，还有驱动系统，用以调整卫星姿态。卫星接收和储存由地面监控站发来的导航信息，并在精确的原子时钟控制下，不断地向地面发送瞬时卫星位置和相应时刻信息组成的“导航电文”以及测距信号。（二）地面监控地面监控部分，由1个主控站和数个监测站、注入站组成。监控站负责接收全部卫星播发的信号，并由此确定出卫星至监控站接收机的距离，再连同气象数据一并传送给主控站。主控站根据各监测站对卫星的全部观测数据，计算每颗星的轨道和卫星钟改正数，依此外推一天，按一定格式转换为导航电文。注入站在当每颗卫星运行至上空时，把导航数据和指令注入给卫星，保证卫星不问断地播发定位电文。（三）用户接收机用户接收机，主要包括主机、电源、天线和输入输出设备以及数据处理软件等。按定位方法的不同，分为伪随机码接收机和相位测量接收机。军事上主要使用前者，主机通过天线接收卫星定位信号，获得定位观测值，提取导航电文中的星历和卫星钟改正等参数，迅速计算出所在位置和运动方向、速度，并显示在显示器上。它可装载在飞机、导弹、舰艇、车辆上予以定位和导航。还研制有适于单兵使用的便携式定位设备。该系统分精码（P6马）和粗码（c/A码）实施定位，相应的实时定位精度分别为10米和数十米。二、定位方式与方法（一）定位方式GPs的定位方式，按定位所需时间分为：1、实时定位。接收机随时接收卫星信号，迅即给出接收机所在位置的三维（或二维）坐标。它的精度较低，但实用价值颇大，能满足船舶、飞机、车辆、单兵等实时定位与导航的需要。2、事后处理定位。接收机放在一个固定的地方，长时间接收卫星信号；或多台仪器同时在不同的地点进行联测，按产生误差的规律，对测量值进行线性组合，消除卫星钟和接收机钟的误差，然后计算出点的位置。因此，它的精度较高，多用于测量、地质等部门。（二）定位方法1、伪距法。测量出卫星信号到接收机的传播时间，再乘以电磁波传播速度，即得出卫星播发信号瞬间位置至接收机的距离。由于卫星任一瞬间的位置可由导航电文求得，故接收机只要同时观测4颗星的距离，即可按空间距离后方交会原理计算出接收机的位置。2、多普勒定位法。如果声波或电磁波的波源对接收者作相对运动，尽管波源发出的频率不变，但接收者收到的频率却不同。当波源接近接收者时，收到的频率增大；反之，远离接收者时，收到的频率减小。这种现象叫做多普勒效应，而频率的变化量，称为多普勒频移。接收者只要测出几个已知轨道的导航卫星产生的多普勒频移，即可计算出接收者所在的位置。3、相位法。接收机接收卫星播发的信号，并由本机振荡器进行复制，产生一个与卫星载波信号完全一致的基准信号。再测出某一时刻卫星载波信号相位值和接收机基准信号相位值之差（相位差），再乘以波长，即得接收机到卫星播发信号瞬间位置的距离。按此求得数颗卫星至接收机的距离，即可算出接收机所处位置。目前军事上的实时定位，主要采用伪距法。三、伪距法定位原理GPs采用多星高轨电磁波测距方法，整个系统采用统一的标准时，卫星在规定的标准时刻ts播发定位信号，而用户接收机在电磁波传播相应时间段后于tr时刻收到信号，从而可按下式求得用户至卫星播发信号瞬间的距离ρ，即p=c（tr-ts）式中，c为电磁波传播速度。但是，卫星时钟和接收机时钟不可能做到与标准时同步，因而不可避免地含有钟差△ts与△tr。这样，按卫星和接收机钟面时刻t's与t'r求得的距离将含有误差而为ρ'，即p'=c（t'r-t's）钟差是个变值，设某标准时刻t相应的卫星和接收机钟面时刻分别为t'r与t's该两种面时刻相应的钟差为△ts=t'=t△tr=t'r-t卫星的钟差△t，，可以通过地面主控站对卫星的跟踪观测计算求得，并外延一天，不同时刻相应的钟差值预先注入卫星存储器，在卫星播发信号和导航电文中提供给用户以它是一个已知值。但是用户接收机的钟差△tr，则很难以足够的精度测定。改化（7式得P'=c[（tr+△tr）-（ts+△ts）]=c（tr-ts）+C△tr-C△ts或p'+c△ts=P+c△tr上式左端均为已知值，它等于用钟面时刻算得的用户接收机至卫星播发信号瞬间位置的距离与卫星钟差对距离的改正数之和，设以Ki表示，称为伪距离，简称伪距。按此，上式可写作Ki=p+c△tr式中，x、Y、Z为用户接收机在所采用的地心直角坐标系中的三维坐标；xiyizi为第i颗卫星在播发定位信号瞬间在同一坐标系中的坐标，它可在播发的导航电文中得到，为已知值。这样，在任一观测瞬间，用户只要测定4颗卫星的伪距，即可依（3·5）式组成四个方程式，从而解出x、Y、z和△t，四个未知数，进而换算成相应的地理坐标或高斯平面直角坐标，从而达到定位目的。四、GPS接收机的使用方法GPS接收机的使用方法，随型号、定位方式和精度要求的不同而不同。现以图7示的NAVIOOOM小型接收机为例，说明其使用方法（一）首次开机的使用方法首次使用或长时间断电后启用，叫做首次开机。其操作内容如下1、仪器状态设置——地形遮挡情况设置：开阔地域或有遮挡；——要求提供坐标的类型：地理坐标或高斯平面直角坐标——坐标系选择：我国应选新1954年北京坐标系；——高度单位：米制或英制：——明确日期表示顺序：日/月/年，或月/日/年。2、仪器初始化应输入以下内容：——时间：格林尼治时——日期；——概略位置：可由图上概略查出——定位方式：二维或三维定位；——概略高程：当要求二维定位时，应由图上查出活动区域概略高程而输入。3、搜集卫星星历卫星运行的轨道参数，叫做卫星星历。每颗星都有自己的轨道参数。当仪器状态设置和初始化工作完成以后，按动搜集卫星星历键，接收机即自动搜集卫星星历。4、定位完成上述程序后，接收机即进入定位状态。按POS键即开始定位，其结果将在显示屏作如图7·3形式的显示。首次定位时间约需3分钟，定位更新率20秒钟，精度约为100米。（二）接续使用的定位方法在首次开机使用的基础上，若不断电再开机定位，叫做接续定位。此时，只要按POS键即可定位并显示结果。五、GPS的应用GPS应用十分广泛。它能对全球各个地方的接收机，全天候地随时告诉所处位置、正在前进的方向和速度，离目的地还有多远，以及是否偏离了预定方向。若把GPs作为指挥自动化系统的终端，指挥员能随时了解部队和重要武器装备的位置。若将接收机装在巡航导弹上，可自行修正航路偏差，按预定航线击中目标；若装在舰船、飞机和战斗车辆上，可实现自动导航。还可用于炮阵地连测和获取射击诸元。GPS接收机最适于在开阔地使用。当附近有高大建筑物、陡峭的崖壁、山谷或处于林地时，要防止遮断天线接收信号，并要尽量避开高压线、强磁场。在武器、装备上安装接收机时，要尽可能避开热源和有干扰的地方。天线应设置在最高处。便携式GPS接收机，特别便于小分队实施侦察与穿插。当沿预定路线行进时，先在地形图上顺次量出起点、中间点（如拐点等）和终点的三维坐标并标记在图上；在起点进行首次定位，并与已标注的三维坐标进行核对，若差值在误差限值之内，即开始行进。行进中不断更新定位，检查坐标的变化是否渐趋于计划中下一点的坐标，当到达预定点坐标±100米附近时，应利用地形图作进一步的准确定位。在1：5万图上，100米相应为2毫米。因此尽管误差较大，但仍有利于依图定位。依此，可至终点。利用GPs接收机还可判定方位。即连续更新定位值，能使横坐标值不变，而纵坐标值增加的方向即为坐标北。越野行进时，还可根据计划中的起点、中间点和终点坐标计算出坐标方位角，依纵、横坐标的增量变化比率所标示的方向行进，即能迅速到达终点。第二节其它卫星定位导航系统一、GLONASS全球定位系统俄罗斯的全球导航卫星系统，简称GLONASS，于1995年底正式部署完毕。该系统从原理、功能到应用，大体上与GPS一致。卫星星座亦由24颗星组成，高度约19100公里，分布在3个等间隔的轨道上，轨道对赤道面的夹角为64.8°，运行周期11小时15分，地球上任意点至少能同时看到5颗卫星。其卫星识别采用“频分技术”（GPS为码分技术）。也分为“精”、“粗”两种码信号，分别供军、民使用。其粗码定位精度约60米。二、NAVSAT卫星导航系统NAVSAT是欧洲空间局筹建的一种全球民用卫星导航系统。星座由6颗分布在赤道上空的地球同步卫星（GE0）和12颗分布在6个轨道上的高椭圆轨道卫星（HE0）组成。GEO卫星近地点高度为17961公里，远地点为53632公里。HEO卫星轨道倾角63.45‘，近地点高度为1250公里，远地点高度为39105公里，运行周期12小时。地面上任意点至少能同时看到4颗卫星。该系统实时定位精度可达20~100米。三、双星定位导航系统双星定位导航系统由两颗地球同步卫星、地面中心控制站和用户接收机三部分组成。其单点定位原理如图3·4，地面中心控制站。经卫星I连续给用户播发询问信号，用户接收机接收后发送响应信号，并分别经两颗卫星转发到中心站；中心站提取用户传送的信息，测出由询问信号发出时刻至接收到响应信号的传播时间，再乘以电磁波传播速度c，即得两相应的传播距离s，与s：，它们是可观测量。由图知s1=2（Ro1+Ru1S2=Ro1+Ru1+Ro2+Ru2因地面中心站和卫星I、II的位置已知，故R01、Ro2为已知值，从而由（7·6）式可解得Rul和Ru2。可以设想分别以卫星I、II为球心，以Rul、Ru2为半径作两个定位球个交点，并分别位于南、北半球，显然根据用户所在的概略位置的位置。该系统单点定位需1~5秒钟，精度约30米。它们与地球表面必有两个交点，并分别位于南、北半球，显然根据用户所在的要图位置，即可计算并确定接收机的位置。该系统单点定位需1~5秒钟，精度约30米。目前卫星定位导航系统主要有以上几种，其中已经建成并广泛应用的是GPS和GLONAS~系统。但拥有国从国家安全利益出发，常对国外军事应用和非授权用户加以限制。例如美国的GPS，其精码（P6马）对外不公开，仅提供c/A码供低精度的实时定位，并自1991年；月后，又对c/A码实施“选择性服务（sA）”措施，使c/A码信号随机抖动和降低卫星钟的稳定度，从而使定位精度降至100米以上；同时把P码编译成保密的Y码；在某种情况下还可能局部关闭c/A码。所以非授权用户对GPS的应用承担有一定风险。俄罗斯联邦政府虽对GLONASS的民用用户承担有一定责任，但事物总是依情而变。因此目前世界许多国家正在研究GPS/CLONASS兼容接收机，使之既可分别接收两个系统的卫星信号进行定位；也可同时接收两系统的卫星信号，再选择最