卫星定位

第一章概述王坚•全球卫星导航系统（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）是所有卫星导航系统的总称，包括全球的、区域的和相关的增强系统，以及在建的其他卫星导航系统。目前，GNSS主要包括美国的全球定位系统（globalpositioningsystem,GPS），中国的北斗卫星导航系统（beidounavigationsatellitesystem，BDS），俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global’nayanavigatsionnayasputnikkovayasistema,GLONASS），欧洲的伽利略卫星导航系统（galileosatellitenavigationsystem,Galileo），日本的准天顶系统（quasi-zenithSatelliteSystem,QZSS）以及印度星座导航（navigationwithIndianconstellation,NavIC）系统等。•GNSS技术可为广大用户提供实时、连续、高精度的定位、导航和授时服务，广泛应用于社会公共服务、军事、测绘以及科研等领域。目前，它已成为促进社会发展的重要空间基础设施，是体现国家综合实力的重要标志。•本章主要介绍四大GNSS系统的组成部分。首先介绍了GPS导航定位系统、BDS导航系统、GLONASS导航系统以及Galileo导航系统的发展、组成、现状以及未来的规划，然后简要介绍了QZSS导航系统和NavIC导航系统。本章主要内容1.1GPS全球定位系统1.2BDS卫星导航系统1.3GLONASS卫星导航系统1.4Galileo卫星导航系统1.5QZSS卫星导航系统1.6NavIC卫星导航系统1.1GPS全球定位系统1973年12月，美国国防部批准海陆空三军联合研制第二代卫星导航系统——导航卫星测时测距导航/全球定位系统（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem，NAVSTAR/GPS），简称GPS系统。是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以向全球用户提供连续、实时、高精度的空间位置、三维速度和时间信息。1.1GPS全球定位系统GPS系统特点由21+3颗卫星组成分布在6个轨道平面上轨道高度20200Km运行周期11小时58分定位精度高，民用定位精度为10m左右导航精度10-20m观测时间短性能稳定全球、全天候工作，应用最为广泛逐渐发展及壮大的产业链1.1GPS全球定位系统GPS系统发展基础建设阶段：1973年12月，美国国防部批准实施1973年-1993年分阶段性实施1993年7月，在轨24颗卫星，具备全球连续导航定位能力BlockI试验卫星和BlockII、BlockIIA型工作卫星1995年4月，宣布具备完全作战能力完善阶段：1997年，美国开始发射GPSBlockIIR卫星。2000年5月，美国取消了GPS卫星民用信道限制政策民用GPS的定位精度达到平均6.2米GPS系统发展现代化阶段：（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，目标是改善抗干扰能力并增强安全性。）增加新的GPS信号。2005-2008年发射8颗改进的导航卫星BlockIIR-M，在卫星上播发新的军码和第二民码，同时计划在2006-2010年发射的导航卫星BlockIIF上增设第三民码。研发新一代军用GPS接收机，提高GPS的抗干扰能力。实施GPSⅢ计划。GPSⅢ全部卫星在轨运行将在2018年实现。与现有GPS相比，GPSⅢ的信号发射功率将提高100倍，信号抗干扰能力提高1000倍以上，授时精度将达到1纳秒，定位精度提高到0.63米。1.1GPS全球定位系统1.1GPS全球定位系统GPS系统发展总览1.1GPS全球定位系统1.1GPS全球定位系统GPS系统由空间端（GPS卫星星座）、控制端（地面监控系统）和用户端（GPS信号接收机）等三部分组成。SpaceSegmentControlSegmentPublicsafety&disasterreliefSurveyandMappingRoads&HighwayUserSegment1.1GPS全球定位系统空间端GPS卫星分布图GPS的空间部分由一个向用户发射无线电信号的卫星星座组成。美国计划发射24颗GPS卫星，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的，记作（21+3）GPS星座。确保能够在95%的时间内维持GPS定位服务，GPS卫星星座分布如左图所示。GPS卫星可分为试验卫星（BlockI）和工作卫星两类，其中工作卫星又可分为BlockII、BlockIIA、BlockIIR和BlockIIF等类型。目前，GPS在轨正常运行卫星有31颗（2016年3月16日状态），包括BlockIIR型卫星12颗，BlockIIR-M型卫星7颗，BlockIIF型卫星12颗。1.1GPS全球定位系统•空间端•24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。轨道高度约为20200km，运行周期约为12h（717.88min）。这样对于地面观测者来说，每天将提前4min见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见4颗，最多可见12颗卫星。在利用GPS信号进行导航定位时，为了解算测站的三维坐标，至少需要同时观测4颗GPS卫星。•GPS工作卫星重达1500kg，设计寿命为7.5年，其核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机，每颗卫星都以两个L波段频率发射载波无线电信号（L1=1575042MHz，波长约19cm；L2=1227.60MHz，波长约为24cm）。在L载波上测距用精码（precisecode，P码，码长约为30m）和粗码（coarse/acquisitioncode，C/A码，码长约为300m），P码专供美国军方和特许用户使用，C/A码提供民用的标准定位服务。此外，在载波上还调制了每秒50bit的数据码和导航电文，内容包括：卫星星历、电离层模型系数、状态信息、时间信息和卫星钟偏差以及漂移信息等。发射日期型号PRN发射日期型号PRN发射日期型号PRN1997.07.23IIR132004.11.06IIR22013.05.15IIF271999.10.07IIR112005.09.26IIR-M172014.02.21IIF302000.05.11IIR202006.09.25IIR-M312014.05.17IIF62000.07.16IIR282006.11.17IIR-M122014.08.02IIF92000.11.10IIR142007.10.17IIR-M152014.10.29IIF32001.01.30IIR182007.12.20IIR-M292015.03.25IIF262003.01.29IIR162008.03.15IIR-M72015.07.15IIF82003.03.31IIR212009.08.17IIR-M52015.10.30IIF102003.12.21IIR222010.05.28IIF252016.02.05IIF322004.03.20IIR192011.07.16IIF12004.06.23IIR232012.10.04IIF24当前星座卫星1.1GPS全球定位系统1.1GPS全球定位系统控制端支持整个GPS系统正常运行的地面设施称为地面监控部分，包括1个主控站，一个备用主控站，11个注入站，15个监测站以及通信和辅助系统。主控站：其主要是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。注入站：主要向GPS卫星输入导航电文和发送其他信号。监测站：无人值守的数据自动采集中心。对视场中的各GPS卫星进行伪距测量，对伪距观测值进行改正后再进行编辑、平滑和压缩，然后传送给主控站。GPS地面监控站分布图地面注入站1.1GPS全球定位系统用户端GPS手持机GPS接收机车载GPSGPS系统的用户端是指GPS信号接收机，它是能接收、处理、量测GPS卫星信号以进行导航、定位、定轨、授时等多项工作的仪器设备。GPS接收机由带前置放大器的接收天线、信号处理设备、输入输出设备、电源和微处理器等部件组成。GPS接收机的主要任务是：能够捕捉到按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至是三维速度和时间。根据用途的不同，GPS接收机可分为导航型接收机、测量型接收机、授时型接收机等。按接收的卫星信号频率数可分为单频接收机和双频接收机。1.1GPS全球定位系统GPS系统的现状•卫星导航定位系统在军事民用的各个领域正发挥着越来越大的作用，世界各发达国家都在积极发展自己的卫星导航定位系统，以最大限度的谋取政治、军事、经济利益。•为了与正在筹建中的Galileo系统争夺市场，确保GPS在卫星导航领域的霸主地位，使GPS更好地满足军事、民间和商业用户不断增长的应用需求，美国决定用先进技术改进和完善GPS系统，推出GPS现代化的计划。1.1GPS全球定位系统GPS系统的现状1.研制新一代卫星、构建新型星座布局。•尽管GPSII在导航信号精度、完好性、可监测性、抗干扰性能等方面获得了空前成功，但是其系统结构框架源于七八十年代的规划设计和技术基础，无法满足未来军事、民用和商业用户的更高要求。GPSIII代表着GPS现代化计划的最高水平，将采用全新的设计方案，融合配置各种技术资源，并具有向后技术兼容能力，以满足未来系统技术扩展和用户需求。同时，GPSIII还将提供新任务型服务（点波束）并大大提高现代化的任务型服务及密钥管理。军事用户可以与控制段交互提出特定的GPS服务。•未来33颗GPSII将构成高椭圆轨道卫星（highlyellipticalorbit，HEO）和地球同步轨道（geostationaryearthorbit，GEO）卫星相结合的新型GPS高椭圆轨道混合星座，整个星座计划将用近20年的时间完成。1.1GPS全球定位系统GPS系统的现状2.增加民用信号•现行的GPS导航信号采用码分多址（codedivisionmultipleaccess，CDMA）体制和正交相移键控调制方法，以实现军、民测距码在同一载波频率上复用。虽然该方法具有占用频带较窄，扩频增益高等特点，却给导航站的实施带来相当大的困难。•GPSIIF卫星中新增加了L5（1176.45MHz）民用导航信号，并采用了军码直捕等一系列措施，但至今尚未达到军用信号不影响民用信号的要求。2003年起发射的GPSIIR-M卫星在L2C频点（1227.6MHz）上增加了新的民用导航W信号L2M，但该码至今未向民用用户解密。未来的GPSIII还将提供第4个民用信号L1C。由此可见，美国对于军民信号互扰问题上，在做持续的努力。1.1GPS全球定位系统GPS系统的现状3.改进军码加密技术•GPS初始阶段的P码经过加扰后变为Y码（encryptedP-code），而后又独立为M码（militarycode,L1M和L2M），具有较强的抗干扰能力，以及较强的保密性能。M码信号采用二进制偏移载波调制技术，将信号功率调制到载波频率两侧的旁瓣上，实现频段公用基础上的频谱分离。不仅如此，新的M码信号将在已有二进制偏移载波调制技术的基础上，增设时分数据调制方式，完成对基带信号导航数据电文的扩频处理。•相较于早期的GPSI和GPSII卫星，GPSIIR-M卫星上不