第一章緒論-衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介王王 堅(jiān)堅(jiān)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2013年2uGPSGPS定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)uGLONASSGLONASS定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)uCOMPASSCOMPASS定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)uGALLIEOGALLIEO定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)目目 錄錄GPSGPS定位系統(tǒng)定位系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱GPS），又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)），又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供）提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高

2、精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)防部準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)防部研制和維護(hù)，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用研制和維護(hù)，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的需要。該系戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的需要。該系統(tǒng)包括太空中的統(tǒng)包括太空中的24顆顆GPS衛(wèi)星；地面上衛(wèi)星；地面上1個(gè)主控站、個(gè)主控站、3個(gè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)據(jù)注入站和注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站及作為用戶端的個(gè)監(jiān)測(cè)站及作為用戶端的GPS接收機(jī)。最少只需其接收機(jī)。最少只需其中中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及

3、海拔高度；所能收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精高度；所能收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精確。確。 GPSGPS系統(tǒng)由系統(tǒng)由GPSGPS衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）和（地面控制部分）和GPSGPS信號(hào)接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）等三信號(hào)接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）等三部分組成。詳細(xì)組成及功能放后介紹。部分組成。詳細(xì)組成及功能放后介紹。Space SegmentControl SegmentPublic safety&disaster reliefSurvey and MappingRoads&HighwayUser

4、SegmentMaster control5GPS計(jì)劃的實(shí)施共分三個(gè)階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。 從1978年到1979年，由位于加利福尼亞加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭雙子座火箭發(fā)射4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行軌道長(zhǎng)半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)，結(jié)果令人滿意。第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。 從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱為BLOCK I的試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用粗碼定位，其精度就可達(dá)14米。第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。 1989年2

5、月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)狀態(tài)。1993年底使用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。6 GPS現(xiàn)代化是美國(guó)為了更好地滿足軍事需要以及擴(kuò)展GPS的民用市場(chǎng)而對(duì)全球定位系統(tǒng)實(shí)施的一項(xiàng)計(jì)劃。GPS現(xiàn)代化最早是于1998年初由美國(guó)副總統(tǒng)阿爾戈?duì)柡桶讓m白宮以公告的形式發(fā)表的，盡管公告中只提出了幾項(xiàng)民用GPS導(dǎo)航技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，但整個(gè)GPS現(xiàn)代化實(shí)質(zhì)是要加強(qiáng)GPS對(duì)美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中的支撐和保持GPS在全球民用導(dǎo)航領(lǐng)域中的霸主地位。 新的Block IIR-M衛(wèi)星將在

6、L1和L2頻率中包含新的軍用M-code信號(hào)，并在L2頻率中包含一種新的L2C民用信號(hào)。L2C信號(hào)將使GPS進(jìn)一步避免RF干擾并減少因電離層造成的誤差，從而提供更為強(qiáng)健的GPS導(dǎo)航服務(wù)。下一代的衛(wèi)星還會(huì)提供新的民用頻率 - L5。L5信號(hào)將由Block IIF和后續(xù)各代的GPS衛(wèi)星發(fā)送。GPS M-code信號(hào)的目標(biāo)是改善抗干擾能力并增強(qiáng)安全性，而且可以提供未來(lái)軍隊(duì)所需的多種戰(zhàn)略能力。GPSGPS現(xiàn)代化現(xiàn)代化7GLONASS系統(tǒng) (GLObal NAvigation Satellite System) 該系統(tǒng)由蘇聯(lián)在1976年組建，現(xiàn)在由俄羅斯政府負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。1991年組建成具備覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)

7、航系統(tǒng)，從1982年12月12日開始，該系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星不斷得到補(bǔ)充，至1995年，該系統(tǒng)衛(wèi)星在數(shù)目上基本上得到完善，但隨著俄羅斯經(jīng)濟(jì)不斷走低，該系統(tǒng)也因此因失修等原因陷入崩潰的邊緣。但2001年到2010年10月俄羅斯政府已經(jīng)補(bǔ)齊了該系統(tǒng)需要的24顆衛(wèi)星。俄羅斯航天系統(tǒng)公司副總經(jīng)理斯圖帕克11月13日說(shuō)，在未來(lái)2至3年內(nèi)，GLONASS系統(tǒng)在軌工作的衛(wèi)星數(shù)量將增加到30顆。到2020年GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航精度將達(dá)0.6米。8 由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測(cè)控制站和用戶設(shè)備三部分組成。1.GLONASS星座GLONASS星座由21顆工作星和3顆備份星組成， 所以GLONASS星座共由24顆衛(wèi)星組成。24

8、顆星均勻地分布在3個(gè)近圓形的軌道平面上，這三個(gè)軌道平面兩兩相隔120度，每個(gè)軌道面有8顆衛(wèi)星，同平面內(nèi)的衛(wèi)星之間相隔45度， 軌道高度1.91萬(wàn)公里，運(yùn)行周期11小時(shí)15分，軌道傾角64.8度92 地面控制系統(tǒng)地面支持系統(tǒng)由系統(tǒng)控制中心、中央同步器、遙測(cè)遙控站（含激光跟蹤站）和外場(chǎng)導(dǎo)航控制設(shè)備組成。地面支持系統(tǒng)的功能由前蘇聯(lián)境內(nèi)的許多場(chǎng)地來(lái)完成。隨著蘇聯(lián)的解體，GLONASS系統(tǒng)由俄羅斯航天局管理， 地面支持段已經(jīng)減少到只有俄羅斯境內(nèi)的場(chǎng)地了，系統(tǒng)控制中心和中央同步處理器位于莫斯科， 遙測(cè)遙控站位于圣彼得堡、捷爾諾波爾、埃尼謝斯克和共青城。除有一個(gè)站在巴西的巴西利亞）。103 用戶設(shè)備GLON

9、ASS用戶設(shè)備(即接收機(jī))能接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，并測(cè)量其偽距和偽距變化率，同時(shí)從衛(wèi)星信號(hào)中提取并處理導(dǎo)航電文。接收機(jī)處理器對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計(jì)算出用戶所在的位置、速度和時(shí)間信息。GLONASS系統(tǒng)提供軍用和民用兩種服務(wù)。GLONASS系統(tǒng)絕對(duì)定位精度水平方向?yàn)?6米，垂直方向?yàn)?5米。目前，GLONASS系統(tǒng)的主要用途是導(dǎo)航定位，當(dāng)然與GPS系統(tǒng)一樣，也可以廣泛應(yīng)用于各種等級(jí)和種類的定位、導(dǎo)航和時(shí)頻領(lǐng)域等。President Vladimir Putin with a GLONASS car navigation device 11與美國(guó)的GPS系統(tǒng)不同的是GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址

10、(FDMA)方式，根據(jù)載波頻率來(lái)區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址（CDMA），根據(jù)調(diào)制碼來(lái)區(qū)分衛(wèi)星）。每顆GLONASS衛(wèi)星發(fā)播的兩種載波的頻率分別為L(zhǎng)1=1,602+0.5625K(MHZ)和L2=1,246+0.4375K(MHZ)，其中K=124為每顆衛(wèi)星的頻率編號(hào)。所有GPS衛(wèi)星的載波的頻率是相同，均為L(zhǎng)1=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

11、 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 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是：建成獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的

12、覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。發(fā)展歷程： 1970年代，中國(guó)開始研究衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)和方案，但之后這項(xiàng)名為“燈塔”的研究計(jì)劃被取消。1983年，中國(guó)航天專家陳芳允提出使用兩顆靜止軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的導(dǎo)航功能，1989年，中國(guó)使用通信衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性，之后的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)即基于此方案。 1994年，中國(guó)正式開始北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（北斗一號(hào)）的研制，并在2000年發(fā)射了兩顆靜止軌道衛(wèi)星，區(qū)域性的導(dǎo)航功能得以實(shí)現(xiàn)。2003年又發(fā)射了一顆備份衛(wèi)星，完成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)

13、航試驗(yàn)系統(tǒng)的組建。 2004年，中國(guó)啟動(dòng)了具有全球?qū)Ш侥芰Φ谋倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)（北斗二號(hào)），并在2007年發(fā)射一顆中地球軌道衛(wèi)星，進(jìn)行了大量試驗(yàn)。13 2009年起，后續(xù)衛(wèi)星持續(xù)發(fā)射，并在2011年開始對(duì)中國(guó)和周邊地區(qū)提供測(cè)試服務(wù)，2012年完成了對(duì)亞太大部分地區(qū)的覆蓋并正式提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在2020年完成，屆時(shí)將實(shí)現(xiàn)全球的衛(wèi)星導(dǎo)航功能。 開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速、授時(shí)服務(wù)，定位精度為10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度50納秒，在服務(wù)區(qū)的較邊緣地區(qū)精度稍差。 授權(quán)服務(wù)則是向授權(quán)用戶提供更安全與更高精度的定位、測(cè)速、授時(shí)、通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息，這類用

14、戶為中國(guó)軍隊(duì)和政府等。由于該正式系統(tǒng)繼承了試驗(yàn)系統(tǒng)的一些功能，能在亞太地區(qū)提供無(wú)源定位技術(shù)所不能完成的服務(wù)，如短報(bào)文通信。 15 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)16北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展“三步走” 第一步，2000年建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使中國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。 第二步，建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2012年左右形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力。 第三步，2020年左右，北斗衛(wèi)星

15、導(dǎo)航系統(tǒng)形成全球覆蓋能力。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2012年12月27日開始正式提供區(qū)域服務(wù)，標(biāo)志北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)三步走的第二步順利完成。 使用北斗，不僅僅像其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一樣可以知道自己在哪里，同時(shí)也可以讓別人知道你在哪里，自己也能知道別人在哪里。 17北斗系統(tǒng)應(yīng)用 貴州省為7500輛“兩客一?！避囕v安裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端，為運(yùn)政執(zhí)法隊(duì)伍配備240臺(tái)北斗手持執(zhí)法終端，部署7套北斗應(yīng)用系統(tǒng)。 首套基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的森林防火實(shí)戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。借助車載或手持終端，戶外作業(yè)人員在獲取各類目標(biāo)對(duì)象地理位置信息的同時(shí)，還可借助車載的移動(dòng)前方指揮系統(tǒng)構(gòu)建火場(chǎng)環(huán)境信息、與單兵手持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信、實(shí)時(shí)回傳

16、火險(xiǎn)因子氣象數(shù)據(jù)等。 18伽利略定位系統(tǒng)伽利略定位系統(tǒng)（GALLIEO） 伽利略定位系統(tǒng)（GALLIEO）是歐盟一個(gè)正在建造中的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，有“歐洲版GPS”之稱，也是繼美國(guó)現(xiàn)有的“全球定位系統(tǒng)” (GPS) 、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)及中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)外，第四個(gè)可供民用的定位系統(tǒng)，預(yù)計(jì)會(huì)于2014年開始運(yùn)作并在2019年完工。 GALILEO系統(tǒng)衛(wèi)星星座是由分布在三個(gè)軌道上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星（MEO）構(gòu)成。每個(gè)軌道上有10顆衛(wèi)星，其中9顆正常工作，1顆運(yùn)行備用。GALILEO系統(tǒng)計(jì)劃提供公開服務(wù)、生命安全服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、公共特許服務(wù)和搜索救援服務(wù)等服務(wù)類型。 GALILEOG

17、ALILEO定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)單獨(dú)的民用系統(tǒng)單獨(dú)的民用系統(tǒng)提高衛(wèi)星定位的完好性、可用性和精度提高衛(wèi)星定位的完好性、可用性和精度促進(jìn)歐洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)歐洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展提高歐洲在航空工業(yè)的國(guó)際地位提高歐洲在航空工業(yè)的國(guó)際地位對(duì)對(duì)GPSGPS依賴程度分析依賴程度分析The first experimental satellite, GIOVE-A, was launched in 2005 and was followed by a second test satellite, GIOVE-B, launched in 2008 伽利略系統(tǒng)的伽利略系統(tǒng)的基本服務(wù)基本服務(wù)： 導(dǎo)航導(dǎo)航 定位定位 授時(shí)授時(shí) 伽利略系統(tǒng)的伽利略系統(tǒng)的特殊服務(wù)特殊服務(wù)： 搜索與救援搜索與救援(SAR功能功能)伽利略系統(tǒng)伽利