1第一章绪论2卫星导航定位系统简介解析

1 卫星导航定位系统简介卫星导航定位系统简介王王 坚坚中国矿业大学2013年2uGPSGPS定位系统定位系统uGLONASSGLONASS定位系统定位系统uCOMPASSCOMPASS定位系统定位系统uGALLIEOGALLIEO定位系统定位系统目目 录录GPSGPS定位系统定位系统 全球定位系统（全球定位系统（Global Positioning System，简称，简称GPS），又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫），又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的统包括太空中的24颗颗GPS卫星；地面上卫星；地面上1个主控站、个主控站、3个数据个数据注入站和注入站和5个监测站及作为用户端的个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其接收机。最少只需其中中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。确。GPSGPS系统由系统由GPSGPS卫星星座（空间部分）、地面监控系统卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）和（地面控制部分）和GPSGPS信号接收机（用户设备部分）等三信号接收机（用户设备部分）等三部分组成。详细组成及功能放后介绍。部分组成。详细组成及功能放后介绍。Space SegmentControl SegmentPublic safety&disaster reliefSurvey and MappingRoads&HighwayUser SegmentMaster control5GPS计划的实施共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1978年到1979年，由位于加利福尼亚加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km，倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗称为BLOCK I的试验卫星，研制了各种用途的接收机接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为BLOCK II 和 BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底使用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。6 GPS现代化是美国为了更好地满足军事需要以及扩展GPS的民用市场而对全球定位系统实施的一项计划。GPS现代化最早是于1998年初由美国副总统阿尔戈尔和白宫白宫以公告的形式发表的，尽管公告中只提出了几项民用GPS导航技术的改进和发展，但整个GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持GPS在全球民用导航领域中的霸主地位。新的Block IIR-M卫星将在L1和L2频率中包含新的军用M-code信号，并在L2频率中包含一种新的L2C民用信号。L2C信号将使GPS进一步避免RF干扰并减少因电离层造成的误差，从而提供更为强健的GPS导航服务。下一代的卫星还会提供新的民用频率-L5。L5信号将由Block IIF和后续各代的GPS卫星发送。GPS M-code信号的目标是改善抗干扰能力并增强安全性，而且可以提供未来军队所需的多种战略能力。GPSGPS现代化现代化7GLONASS系统(GLObal NAvigation Satellite System)该系统由苏联在1976年组建，现在由俄罗斯政府负责运营。1991年组建成具备覆盖全球的卫星导航系统，从1982年12月12日开始，该系统的导航卫星不断得到补充，至1995年，该系统卫星在数目上基本上得到完善，但随着俄罗斯经济不断走低，该系统也因此因失修等原因陷入崩溃的边缘。但2001年到2010年10月俄罗斯政府已经补齐了该系统需要的24颗卫星。俄罗斯航天系统公司副总经理斯图帕克11月13日说，在未来2至3年内，GLONASS系统在轨工作的卫星数量将增加到30颗。到2020年GLONASS系统导航精度将达0.6米。8 由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。1.GLONASS星座GLONASS星座由21颗工作星和3颗备份星组成，所以GLONASS星座共由24颗卫星组成。24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1.91万公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8度92 地面控制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。地面支持系统的功能由前苏联境内的许多场地来完成。随着苏联的解体，GLONASS系统由俄罗斯航天局管理，地面支持段已经减少到只有俄罗斯境内的场地了，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。除有一个站在巴西的巴西利亚）。103 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计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS系统提供军用和民用两种服务。GLONASS系统绝对定位精度水平方向为16米，垂直方向为25米。目前，GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域等。President Vladimir Putin with a GLONASS car navigation device 11与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625K(MHZ)和L2=1,246+0.4375K(MHZ)，其中K=124为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHZ和L2=1227.6MHZ。The latest Glonass-K1 satellites to be launched in 20112012 will introduce an additional open CDMA signal for testing purposes,Glonass-K2 satellites,to be launched in 20132015,will relocate the L3 signal to 1207.14 MHz and add an additional open CDMA signal located at 1575.42 MHz in the L1 band.12 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、独立运行的北斗卫星导航系统全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，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，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。发展历程：1970年代，中国开始研究卫星导航系统的技术和方案，但之后这项名为“灯塔”的研究计划被取消。1983年，中国航天专家陈芳允提出使用两颗静止轨道卫星实现区域性的导航功能，1989年，中国使用通信卫星进行试验，验证了其可行性，之后的北斗卫星导航试验系统即基于此方案。1994年，中国正式开始北斗卫星导航试验系统（北斗一号）的研制，并在2000年发射了两颗静止轨道卫星，区域性的导航功能得以实现。2003年又发射了一颗备份卫星，完成了北斗卫星导航试验系统的组建。2004年，中国启动了具有全球导航能力的北斗卫星导航系统的建设（北斗二号），并在2007年发射一颗中地球轨道卫星，进行了大量试验。13 2009年起，后续卫星持续发射，并在2011年开始对中国和周边地区提供测试服务，2012年完成了对亚太大部分地区的覆盖并正式提供卫星导航服务。北斗卫星导航系统将在2020年完成，届时将实现全球的卫星导航功能。开放服务是在服务区免费提供定位、测速、授时服务，定位精度为10米，测速精度0.2米/秒，授时精度50纳秒，在服务区的较边缘地区精度稍差。授权服务则是向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时、通信服务以及系统完好性信息，这类用户为中国军队和政府等。由于该正式系统继承了试验系统的一些功能，能在亚太地区提供无源定位技术所不能完成的服务，如短报文通信。15 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，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统16北斗卫星导航系统发展“三步走”第一步，2000年建成了北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步，建设北斗卫星导航系统，2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。第三步，2020年左右，北斗卫星 导航系统形成全球覆盖能力。北斗卫星导航系统于2012年12月27日开始正式提供区域服务，标志北斗卫星导航系统建设三步走的第二步顺利完成。使用北斗，不仅仅像其他卫星导航系统一样可以知道自己在哪里，同时也可以让别人知道你在哪里，自己也能知道别人在哪里。17北斗系统应用 贵州省为7500辆“两客一危”车辆安装北斗卫星导航终端，为运政执法队伍配备240台北斗手持执法终端，部署7套北斗应用系统。首套基于北斗卫星导航系统的森林防火实战指挥系统。借助车载或手持终端，户外作业人员在获取各类目标对象地理位置信息的同时，还可借助车载的移动前方指挥系统构建火场环境信息、与单兵手持系统实现短报文通信、实时回传火险因子气象数据等。18伽利略定位系统伽利略定位系统（GALLIEO）伽利略定位系统（GALLIEO）是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也是继美国现有的“全球定位系统”(GPS)、俄罗斯的GLONASS系统及中国的北斗卫星导航系统外，第四个可供民用的定位系统，预计会于2014年开始运作并在2019年完工。GALILEO系统卫星星座是由分布在三个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成。每个轨道上有10颗卫星，其中9颗正常工作，1颗运行备用。GALILEO系统计划提供公开服务、生命安全服务、商业服务、公共特许服务和搜索救援服务等服务类型。GALILEOGALILEO定位系统定位系统单独的民用系统单独的民用系统提高卫星定位的完好性、可用性和精度提高卫星定位的完好性、可用性和精度促进欧洲经济发展促进欧洲经济发展提高欧洲在航空工业的国际地位提高欧洲在航空工业的国际地位对对GPSGPS依赖程度分析依赖程度分析The first experimental satellite,GIOVE-A,was launched in 2005 and was followed by a second test satellite,GIOVE-B,launched in 2008 伽利略系统的伽利略系统的基本服务基本服务：导航导航 定位定位 授时授时 伽利略系统的伽利略系统的特殊服务特殊服务：搜索与救援搜索与救援(SAR功能功能)伽利略系统伽利略系统扩展应用服务扩展应用服务：在飞机导航和着陆系统中的应用在飞机导航和着陆系统中的应用 铁路安全运行调度铁路安全运行调度 海上运输系统海上运输系统 车队运输调度车队运输调度 精准农业精准农业 全天候、全球无缝覆盖全天候、全球无缝覆盖独立于美国，受欧洲控独立于美国，受欧洲控制的民用卫星导航定制的民用卫星导航定位系统位系统定位精度高于其它导航定位精度高于其它导航星座星座导航定位服务多样性导航定位服务多样性具有地面与卫星通信能具有地面与卫星通信能力，提供救援和搜索力，提供救援和搜索服务服务系统开放性系统开放性系统管理民间性系统管理民间性