卫星导航定位系统及应用方面的新进展――李征航教授

卫星导航定位系统及应用方面的新进展李征航武汉大学测绘学院2006年03月P1一、卫星导航定位系统方面的新进展（一）国外卫星导航定位系统研制组建过程中的经验教训（二）美国政府的GPS政策（三）利用星间观测值进行导航卫星的自主定轨（四）GLONASS和Galileo系统（五）北斗卫星导航定位系统P21.GPS的成功除了与美国拥有强大的经济实力和先进的科学技术水平有关外，还得益于有一个连贯的发展战略以及促进军民两用的平衡发展的国家政策。2.一个优化方案应尽可能照顾不同用户的需要，经反复权衡比较后而采取一个折衷放案。3.卫星星座设计涉及许多复杂问题，需周全考虑。（一）国外卫星导航定位系统研制组建过程中的经验教训P34.是否重视应用，是组建卫星导航定位系统的关键。5.在和平时期GPS的非军方用户占总数的98%。由于系统受军方控制，系统设计时很容易偏重军事应用而忽视非军方用户的要求。6.专用软件的开发和算法研究关系到整个系统的成败。7.用户终端设备的开发应该和卫星系统的研制开发需同步进行。（一）国外卫星导航定位系统研制组建过程中的经验教训P48．大系统设计是成败的关键。9．信号频率资源极其稀缺。10．关键技术的提前开发非常重要。关键技术的提前研发，对于搞好整个系统的方案设计、技术设计、降低风险具有十分重要的意义，关键技术和关键设备依赖进口就不可能建立独立自主的卫星导航定位系统。例如伽利略系统就列出了13个急待解决的关键技术和重大问题。（一）国外卫星导航定位系统研制组建过程中的经验教训P51.1990年美国军方宣布实施选择可用性SA措施和反欺骗AS措施。上述政策是由军方制定和实施的。（二）美国政府的GPS政策上个世纪70～80年代，世界处于冷战时期，苏美两个超级大国以及北约和华约两大军事集团相互对峙。美国军方是为了满足军事用途而研制组建GPS的，民用只是一种附带功能，以服从军事需要为前提。GPSBlockⅡAP62.1996年美国以“总统指令”PDD的形式发布了新的GPS政策。主要内容如下：⑴将在4~10年内在全球范围内停止实施SA政策。⑵进一步鼓励民间用户为商业、科研等和平用途而广泛使用全球定位系统。⑶支持美国联邦航空管理局（FAA）实施WAAS计划，并争取成为国际标准，在全球推广。（二）美国政府的GPS政策P7按照这个政策，美国还实施了GPS现代化计划，其主要内容为：⑴在BLOCKIIR卫星的L2载波上调制C/A码，在BLOCKIIF卫星中增加f=1176.45MHz的民用载波频率。⑵增强卫星信号强度，增加抗干扰能力。⑶在卫星信号中增设新的军用码（M码），与民用码分开,并具有更好的保密性和抗干扰能力。（二）美国政府的GPS政策P8⑷使用新技术以阻止或干扰敌对方使用GPS。⑸军用接收机具有更好的保护能力，特别是抗干扰能力并具有快速初始化的能力。有人将GPS现代化的内涵总结归纳为⑴保护：更好的保护美国军方及盟国军方使用该系统（增设M码并严格保密）。⑵阻止：阻止、干扰敌对方使用该系统（第4条）⑶保持：保持在有威胁地区以外的民间用户更精确更安全地使用该系统。（二）美国政府的GPS政策P9•2005年9月25日，美国成功地发射了第一颗现代化卫星GPSBlockⅡR-M1。此卫星是第一个可以发送L2C信号的在轨航天器。这标志着美国的GPS现代化计划迈出了重要的一步。GPSBlockⅡR-M1TheDelta2rocketlauncheswithGPS2R-M1.P10BlockIIR现代化后的信号–HigherPower–L2SecondCivil–L1,L2M-CodeBlockIIF现代化后的信号–L2CivilSignal–L1,L2M-Code–L5NewCivilSignal–Anti-jamflexpowerBeginswithIIFsatsFirstlaunch:2007BeginswithIIR-MsatsFirstlaunch:Sep2005P113.2004年12月15日美国公布了“美国星基定位导航和定时政策”2004年美国GPS政策的主要内容为：⑴进一步明确利用GPS为美国及其盟国的军方用户提供高精度、不间断的卫星导航定位服务。通过加发新的军用码（M码）、研制GPSⅢ型卫星和军用GPS接收机等措施来进一步提高军用GPS的保密性和抗干扰能力，以继续扩大由GPS带来的军事优势。⑵美国国防部将与盟国一道，来阻止或减少敌对方对GPS可能造成的威胁。（二）美国政府的GPS政策P12⑶继续公开地、免费地提供民用服务。加强卫星信号强度，增设L5民用频率，建立各种增强系统等方法⑷保护国家要害部门正常使用GPS，使其不易受恐怖分子的扰乱。⑸阻止在某一区域中的恐怖分子利用民用GPS或者其他卫星导航系统来攻击关键目标，而又不至于影响该区域以外的民用用户正常使用GPS。（二）美国政府的GPS政策P13AconceptualdrawingofaGPSIIIsatelliteBlockIIIA:•Increasedanti-jampower•Increasedsecurity•Increasedaccuracy•Navigationsurety•Backwardcompatibility•Assuredavailability•Controlledintegrity•Systemsurvivability•4thcivilsignal(L1C)BeginswithGPSIIIsatsFirstlaunch:~2013P14•增强GPS系统性能•增强GPS在国防/民用中的优势•增强保密性和抗干扰的能力GPS现代化P15（三）利用星间观测值进行导航卫星的自主定轨长期以来，广播星历一直是由地面控制系统来提供的，一旦战争爆发,地面控制系统将首先会被摧毁，因此很难提供广播星历。虽然目前主控站已能提供长时间的预报轨道并注入卫星存储起来，但这些星历的误差将随着预报时间的增加而迅速增大。以全球定位系统中的BlockⅡA卫星为例，当预报时间为10小时时，用户测距误差（URE）为±6m；当预报时间增至14天时，URE将增至±200m；当预报时间增至180天时，URE将增至±5000m。因而一旦地面控制系统被摧毁，整个卫星导航定位系统实际上仍将很快陷于瘫痪，无法正常工作。P16¾为此美国在开始研制组建GPS时，就已着手考虑系统的自主定轨问题。¾20世纪80年代初AndrewCodik等人就对在没有地面控制系统支持的情况下，利用GPS卫星间的观测值进行自主导航的可行性进行了初步探讨。¾1987年当自主导航的算法研究通过后，美国军方即着手对GPS卫星进行改进。由Rockwell等三家美国公司联合对BlockⅡR卫星上的自主导航设备进行了结构设计和模拟试验。¾1990年基本完成了卫星自主导航的理论、模型、算法研究及模拟计算等工作。（三）利用星间观测值进行导航卫星的自主定轨P17目前BlockⅡR卫星已具有用双频伪距观测值来测定卫星间的距离的能力，在卫星间进行相互通信的能力，以及在卫星上计算自身的卫星星历和卫星钟差的能力。在没有地面控制系统支持的情况下，180天的预报星历的URE仍可保持在±6m以内。M.P.Ananda等人的研究结果表面，当BlockⅡR卫星的数量达到6颗时，在它们间就能实现自主定轨了。（三）利用星间观测值进行导航卫星的自主定轨P18MEO-MEO星间距离观测示意图BlockⅡRP19当整个卫星星座完全由BlockⅡR卫星和BlockⅡF卫星组成时，整个系统可按下列三种方式进行工作：•在地面控制系统支持下按常规方式工作；•按自主定轨方式工作，但地面控制部分每月对卫星星历进行一次更新，以控制误差的积累；•不依靠地面控制系统的支持，完全按自主导航方式工作。除GPS系统以外，欧洲在组建GNSS-2时也计划在卫星间建立链路，以协助地面控制系统进行精密定轨工作，研究结果表面，通过星间观测可将定轨精度从原来的2～4m提高至1～2m。（三）利用星间观测值进行导航卫星的自主定轨P20BlockⅡFBlockⅡR可进行星间距离观测的两种GPS卫星P211.GLONASS前苏联研制组建，现由俄罗斯管理和维持的全球导航卫星系统。从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。中途曾组成了由24颗工作卫星和1颗备用卫星组成的卫星星座。地球上任一地方的用户在任一时刻均可观测到5~8颗卫星。这些卫星均匀分布在倾角为的三个轨道平面上，每个轨道面上均匀分布8颗卫星，轨道偏心率≤0.01，倾角为64.8°，平均高度为19390Km,卫星运行周期为11h15m44s(±5s)。（四）GLONASS和Galileo系统P22由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。俄罗斯国防部长2006年1月18日表示，GLONASS卫星定位系统可以由原计划的2012年提前到2009年完成部署。（四）GLONASS和Galileo系统P23GLONASSconstellationGLONASSsatelliteP242.Galileo系统•2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统。•Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616Km，轨道倾角为56°。•Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。（四）GLONASS和Galileo系统P25theGalileosatelliteconstellationaltitude~23616kmSMA29993.707kminclination56degrees•period14hours4min•groundtrackrepeatabout10daysGGALILEOALILEODATADATA27+3satellitesinthreeMediumEarthOrbits(MEO)Walker27/3/1ConstellationP26Navigationpayload:70-80Kg/850WOverallSpacecraft:680Kg/1.6kWclassDimensions:2.7×1.2×1.1m3Lifetime:12yearsP272005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。（四）GLONASS和Galileo系统P28GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatelliteGIOVE的主要目标:•频率信号测试；•验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；•轨道环境特征测试；•并行2或3通道信号传输测试。P29（五）北斗卫星导航定位系统1.BD–1我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星已分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80º和140º的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5º的赤道上空），组成了我国第一代卫星导航定位系统——BD–1的卫星星座。与GPS、GLONASS、G