第10章 卫星定位与导航系统

第10章卫星定位导航系统10.1美国的GPS10.2俄国的GLONASS10.3欧洲的伽利略系统10.4中国的北斗系统10.1GPS全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)是美国从20世纪70年代开始研制的，耗资300亿美元，于1994年全面建成，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS由一组运行在高度20200km的倾斜圆轨道上的24颗卫星组成。地面通过接收来自至少4颗卫星的信号，以精确确定接收点的位置(经度、纬度、高度)。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一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。对卫星的运行轨道和时钟做精确调整和控制。用户设备部分：GPS信号接收机。在GPS中使用单向传输，只有从卫星到用户的链路，用户不需要发射机，只需要一个GPS接收机即可。GPS的基本原理GPS的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出，每一颗卫星都会广播其星历表。用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）。当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的粗/截获码（C/A码）和军用的精密码（P码），P码加密后构成Y码，因此常将精密码记为P(Y)码。C/A码是Gold码，码长1023，频率1.023MHz，重复周期1毫秒，码间距1微秒，相当于300m。C/A码主要开放给民间使用。P码用4个12位移位寄存器的PN序列产生，重复周期266.4天，被截断成38个短序列，每个序列码长6.1871012，频率10.23MHz，重复周期7天，码间距0.1微秒，相当于30m。P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。通信中，每颗卫星用不同的序列。首先，用户通过卫星发射的伪码与本地伪码的相关运算，可获求得卫星信号的传输时延。然后，用户从接收到导航电文中，可以提取时间标记，该标记标明发送信号什么时候离开的卫星，再利用导航电文中的卫星星历数据，可以推算出卫星发射电文时所处位置，以及卫星与用户的距离，由此进一步推导用户在大地坐标系中的位置速度等信息。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。差分GPSDGPS(DifferentialGPS)。由于各种原因，GPS直接定位的精度并不太高。差分GPS是伴随GPS产生而产生的用于局部区域改进导航精度的一种技术。一个在已知测量位置的GPS接收机，将其GPS测量导出的解与其测量位置比较，得到改正项，将改正项发送至用户，使用户改进他自己的位置解。以获得精确的定位结果。S1S2S3S4基准站观测站10.2GLONASS“格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统”的缩写。作用类似于美国的GPS定位系统。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。初期只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。GLONASS系统标准组成是24颗卫星，覆盖俄国全境至少18颗卫星，军民两用。“格洛纳斯”系统目前主要有几个问题：一是在轨运行卫星数量的不足，这主要是由于GLONASS卫星的运行寿命较短，和经费不足造成的。2008年2月，激活新卫星后，该系统的工作卫星数量达到16颗。二是定位精度不够，设计定位精度是高于GPS，但目前实际定位精度达不到要求。三是民用进展缓慢，主要由于缺乏资金推广和政策因素。10.3伽利略系统1999年，欧洲提出“伽利略计划”，主要是为了摆脱对美国GPS系统的依赖。该计划准备向高度为2.4万公里的太空发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。与GPS不同，该系统将主要服务于民用，提供误差不超过1米的精确定位服务。伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。该系统是多国合作项目，2004年，中国承诺投入2亿欧元参与“伽利略计划”，是正式加入“伽利略计划”的第一个非欧盟国家。该系统目前进度严重滞后，而经费超支严重。截止2008年4月27，仅发射了两颗实验卫星。伽利略系统最初设计精度比GPS高很多，但由于其进度滞后，而美国一直在稳步提高GPS系统，导致伽利略系统的商业前景不容乐观。10.4北斗北斗的全称是北斗导航系统（BeidouNavigationSystem），或者北斗卫星导航定位系统（BeidouSatelliteNavigationandPositioningSystem）。北斗是中国独立开发的卫星导航定位系统。在大力参与伽利略计划的同时，中国始终没有放弃开发自己的卫星导航系统的努力。自2000年10月至今年2月，中国已成功将4颗“北斗”导航实验卫星送入太空，由其组成的“北斗”导航试验系统工作稳定、状态良好，也称为北斗一代，覆盖区域仅包含东亚地区，重点是中国沿海地域，它还无法覆盖中国全境。北斗一代使用4颗地球同步轨道卫星，采取“主动式定位”。北斗一代工作流程大致如下：1.北斗一代终端发送信号。2.每颗地球同步卫星都接受到信号。3.每颗卫星把其接收到信号的准确时间回传给地面站。4.地面站计算北斗终端的经度和维度，并根据搜救地图（reliefmap）确定高度。5.地面站把北斗终端的三维位置发送给卫星。6.卫星把计算好的位置传输给终端。正在开发中的北斗二代系统是一个真正的全球系统。北斗二代包括35颗卫星，其中五颗是地球同步轨道，其余30颗是中地轨道卫星，能真正覆盖全球。2007年4月开始，已开始逐步建设北斗二代系统。北斗二代系统是按照“被动式导航”设计的，即被导航物体不再需要发射信号，接收机只接收信号就能完成定位，且定位精度可以精确到厘米、毫米级。北斗二代将提供两层服务：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，定位精度将达到10米，时钟同步精度达到50纳秒，测速精度达到0.2米/秒，主要民用。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，并可以向用户反馈全系统状况，主要用于军事用途。