衛(wèi)星定位理論及方法-第18次課-其它導(dǎo)航系統(tǒng)

其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的意義民用角度考慮有其經(jīng)濟(jì)意義科學(xué)研究意義軍事角度考慮作戰(zhàn)指揮數(shù)字化軍事打擊精確化占據(jù)軍事優(yōu)勢(shì)GLONASS系統(tǒng)簡(jiǎn)介1970年前蘇聯(lián)國(guó)防部主持了覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Global’nayaNavigationSatelliteSystem簡(jiǎn)稱GLONASS。蘇聯(lián)解體后俄羅斯政府于1993年將此項(xiàng)目移交俄羅斯空軍部隊(duì)（VKS）；VKS負(fù)責(zé)GLONASS的衛(wèi)星部署、在軌衛(wèi)星的維護(hù)和用戶設(shè)備認(rèn)證等工作，其下屬的管理科學(xué)信息協(xié)調(diào)中心（CSIC）負(fù)責(zé)對(duì)公眾發(fā)布GLONASS信息。前蘇聯(lián)于1982年10月發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星，至1996年1月建成GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)并發(fā)播導(dǎo)航信號(hào)，系統(tǒng)正常投入使用。與GPS不同的是GLONASS采用頻分多址而不是碼分多址，衛(wèi)星的識(shí)別是靠衛(wèi)星發(fā)播的載波頻率差異。1982年在俄羅斯空間部隊(duì)在baikonour空間發(fā)射場(chǎng)將GLONASS衛(wèi)星發(fā)射入空間，一個(gè)質(zhì)子重型火箭每次能攜帶三顆衛(wèi)星發(fā)射升空。早期的GLONASS衛(wèi)星每顆重1400kg，約3m高，太陽(yáng)能帆板展出寬為7m，功率為1600w，設(shè)計(jì)壽命一年。經(jīng)改進(jìn)后平均工作壽命14－17月，1987年以后的12顆GLONASS衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為兩年，其中六顆發(fā)射失敗。1988年以后的43顆衛(wèi)星提高了抗輻射能力，設(shè)計(jì)壽命提高到3年。GLONASS比GPS起步晚9年，全球星座正常運(yùn)行比GPS晚3年。從蘇聯(lián)1982年10月12日發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來(lái)，歷經(jīng)13年，雖政體變化周折，卻始終沒(méi)有終止或中斷GLONASS衛(wèi)星的發(fā)射，仍維持每年3－9顆衛(wèi)星的勢(shì)頭，總共發(fā)射了73顆衛(wèi)星，除兩次發(fā)射的6顆失敗外，曾在軌有效工作的衛(wèi)星先后共67顆，其中包括兩顆測(cè)地衛(wèi)星樣品。但是早期的衛(wèi)星使用壽命較短，先后有40顆衛(wèi)星退出了服務(wù)。到目前為止能夠正常工作的衛(wèi)星7－9顆。GLONASS的衛(wèi)星也在不斷改進(jìn)，早期的衛(wèi)星壽命較短性能也不十分理想，1990年開(kāi)始研制的GLONASS－M型衛(wèi)星重1480kg，改善了星載原子鐘，提高了頻率穩(wěn)定度，設(shè)計(jì)壽命在5年以上。俄羅斯也在考慮下一代新的衛(wèi)星GLONASS－M2，M2衛(wèi)星將發(fā)播民用第二頻率，以提供民用用戶削弱電離層傳播延遲影響，提高導(dǎo)航精度。M2衛(wèi)星還將具有星間數(shù)據(jù)通訊能力，加長(zhǎng)自治運(yùn)行能力；衛(wèi)星的重量也將增加到2000kg。系統(tǒng)簡(jiǎn)介組成空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)部分組成。GLONASS的空間部分由24顆周期約12小時(shí)的衛(wèi)星組成，它們不斷發(fā)播測(cè)距和導(dǎo)航信息。控制部分由一個(gè)系統(tǒng)控制中心以及一系列在俄羅斯境內(nèi)分布的跟蹤站和注入站組成。除對(duì)衛(wèi)星工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并于必要時(shí)并通過(guò)指令調(diào)整其工作狀態(tài)外，還對(duì)各衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量以確定其軌道和衛(wèi)星鐘鐘差，最后以導(dǎo)航電文的形式通過(guò)衛(wèi)星存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。簡(jiǎn)介用戶接收機(jī)也采用偽隨機(jī)碼測(cè)距技術(shù)取得偽距觀測(cè)量，接收并調(diào)解導(dǎo)航電文，最后進(jìn)行導(dǎo)航解算；和GPS不同的是GLONASS采用頻分多址而不是碼分多址，衛(wèi)星的識(shí)別是靠衛(wèi)星發(fā)播的載波頻率差異。GLONASS衛(wèi)星星座GLONASS的空間部分由分布在三個(gè)軌道面的24顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座，衛(wèi)星軌道高度約19100千米，備有三臺(tái)銫原子鐘，衛(wèi)星發(fā)播兩個(gè)頻率載波，并調(diào)制用于測(cè)距的偽隨機(jī)碼和導(dǎo)航電文。每個(gè)軌道面上分布8顆衛(wèi)星，軌道傾角64．8°，軌道面升交點(diǎn)相距120°，同一軌道面衛(wèi)星均勻分布，彼此相距45°，不同軌道面內(nèi)相應(yīng)衛(wèi)星相位相差30°。參數(shù)GLONASSGPS軌道高度19100km20200km半長(zhǎng)軸a25510km26560km周期T11小時(shí)15分44秒11小時(shí)58分軌道傾角I64．8度55度偏心率e<0.01<0.01衛(wèi)星分布軌道面數(shù)36每軌道面衛(wèi)星數(shù)84相鄰軌道面衛(wèi)星相位差15度40度GPS和GLONASS定位精度

水平誤差/m垂直誤差/m

(50%)(95%)(95%)GPS(無(wú)SA)71834GPS(有SA)2772135GLONASS102645GPS(有SA)+

GLONASS92038GLONASS衛(wèi)星星座新的GLONASS－M型衛(wèi)星從1990年開(kāi)始研制，衛(wèi)星重1480kg，它將改善星載原子鐘，提高頻率穩(wěn)定度和時(shí)間精度，設(shè)計(jì)壽命5年以上。俄羅斯考慮到下一代GLONASS－MⅡ型衛(wèi)星，將在其上發(fā)射民用第二頻率，重量將達(dá)到2000kg。GLONASS衛(wèi)星星座GLONASS衛(wèi)星，除了供電的太陽(yáng)能電池及姿態(tài)控制系統(tǒng)外，主要載荷包括：導(dǎo)航電文存儲(chǔ)器、高穩(wěn)原子鐘、激光反射棱鏡、雙頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)及微處理機(jī)。衛(wèi)星上具有自動(dòng)檢測(cè)功能，一旦發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星上發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)有問(wèn)題，在導(dǎo)航電文中就給出衛(wèi)星故障信息。GLONASS衛(wèi)星發(fā)播信號(hào)GLONASS也采用偽隨機(jī)碼測(cè)距技術(shù)作為取得導(dǎo)航觀測(cè)量的手段.每顆GLONASS衛(wèi)星發(fā)播兩個(gè)載波頻率L1和L2，以通過(guò)計(jì)算削弱電離層傳播延遲的影響。其調(diào)制的測(cè)距碼也分為粗捕獲碼（C／A碼）和精密測(cè)距碼（P碼），C／A碼主要供民用和P碼的捕獲，P碼供軍用。GLONASS衛(wèi)星發(fā)播信號(hào)GLONASS采用頻分多址，即各衛(wèi)星所發(fā)播（調(diào)制）的偽隨機(jī)測(cè)距碼都是一樣的，但各衛(wèi)星的載波頻率不同。采用L1波段的頻率產(chǎn)生f1=1602MHZ～1615．5MHZ，L2波段的頻率f2=1246MHZ～1256MHZ。各頻道的頻率按下式取值：

f=1602MHz或1246MHz，n=0～24頻道識(shí)別號(hào)。（n=0是作檢測(cè)用，－頻道間隔，L1的頻道間隔為0．5625MHZ，L2的頻道間隔為0．4375MHz）參數(shù)GLONASSGPS衛(wèi)星鐘銫鐘銫鐘和銣鐘衛(wèi)星鐘基頻5.0MHz10．23MHz制式頻分多址（FDMA）碼分多址（CDMA）L1載波頻率1575．42MHZL2載波頻率1227．6MHZL1調(diào)制信號(hào)C/A碼，P碼，電文碼C/A碼，P碼，電文碼L2調(diào)制信號(hào)P碼，電文碼P碼，電文碼C/A碼碼長(zhǎng)5111023C/A碼碼頻0．511MHZ1．023MHzC/A功率譜帶寬0．511MHZ1．023MHZP碼碼長(zhǎng)P碼碼頻5．11MHZ10.23MHZP碼功率譜帶寬5.11MHZ10.23MHZGLONASS衛(wèi)星發(fā)播信號(hào)和GPS一樣，目前GLONASS的L2頻段也不調(diào)制C／A碼。也就是說(shuō)，民用用戶不能利用雙頻測(cè)距來(lái)削弱電離層傳播延遲的影響。

GLONASS的導(dǎo)航電文、衛(wèi)星位置計(jì)算和導(dǎo)航解導(dǎo)航電文主要包括三部分內(nèi)容，即本衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘鐘差參數(shù)、本衛(wèi)星的衛(wèi)星星歷參數(shù)和全部衛(wèi)星的概略軌道參數(shù)。衛(wèi)星鐘參數(shù)用于計(jì)算所測(cè)衛(wèi)星相對(duì)GLONASS時(shí)間系統(tǒng)的衛(wèi)星鐘鐘差；衛(wèi)星星歷參數(shù)用于計(jì)算所測(cè)衛(wèi)星的位置，這是導(dǎo)航解算所必需的；全部衛(wèi)星的概略軌道參數(shù)用于用戶的衛(wèi)星可見(jiàn)性預(yù)報(bào)。導(dǎo)航電文還包含校正接收機(jī)時(shí)鐘（使之與GLONASS時(shí)概略同步）使用的時(shí)標(biāo)。GLONASS導(dǎo)航電文的頻率為每秒50bit，完整的電文長(zhǎng)7500bit，歷時(shí)2．5分鐘。全部電文分為75個(gè)子幀，每子幀100bit，歷時(shí)2秒。每個(gè)子幀包括數(shù)據(jù)（含校驗(yàn)位）85bit和時(shí)標(biāo)碼15bit。在75個(gè)子幀中1-5子幀為本衛(wèi)星的軌道、時(shí)鐘等參數(shù)，6－75子幀為用于預(yù)報(bào)的全部衛(wèi)星概略星歷和備用子幀。每顆衛(wèi)星的概略星歷占用2個(gè)子幀?，F(xiàn)行時(shí)刻（量綱時(shí)，分，秒）有效性（健康）碼（，無(wú)量綱）星歷參考時(shí)刻（，量綱分）星歷參考時(shí)刻本星時(shí)鐘相對(duì)系統(tǒng)時(shí)的偏差（鐘差0階項(xiàng)）（量綱秒）星歷參考時(shí)刻本星時(shí)鐘相對(duì)系統(tǒng)時(shí)的頻偏（鐘差1階項(xiàng)）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系坐標(biāo)的X分量（X，量綱千米）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系坐標(biāo)的Y分量（Y，量鋼千米）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系坐標(biāo)的Z分量（Z，量鋼千米）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系速度的X分量（Vx，量綱千米／秒）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系速度的Y分量（Vy，量鋼千米／秒）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系速度的Z分量（Vz，量鋼千米／秒）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系加速度的X分量（Ax，量綱千米／秒‘）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系加速度的Y分量（Ay，量綱千米／秒‘）星歷參考時(shí)刻本星在地固坐標(biāo)系加速度的Z分量（Az，量綱千米／秒‘）。GLONASS時(shí)間系統(tǒng)相對(duì)UTC（SU）的差異（，量綱秒）星歷歷齡（AODE，量綱日）相對(duì)上一閏年的積日（Nd，量綱日）

從導(dǎo)航電文所提供的參數(shù)來(lái)看，按所要求的精度，可以有兩種方法計(jì)算衛(wèi)星位置。利用導(dǎo)航電文所提供的參考時(shí)刻的位置、速度和加速度計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻衛(wèi)星的位置；另外一種可能的方法是利用提供的參考時(shí)刻的位置和速度，考慮衛(wèi)星所受全部作用力，以數(shù)值積分進(jìn)行衛(wèi)星位置計(jì)算（解受攝運(yùn)動(dòng)方程）。第一種方法是一種簡(jiǎn)便的方法，所提供的參考時(shí)刻位置參數(shù)屬地固坐標(biāo)系，所求的也屬地固坐標(biāo)系。

為觀測(cè)時(shí)刻

式中t為觀測(cè)時(shí)刻的鐘面時(shí)。用數(shù)值方法遞推觀測(cè)時(shí)刻的位置應(yīng)該可以提供更高的精度和更長(zhǎng)的時(shí)間跨度，但計(jì)算過(guò)程較繁。這涉及衛(wèi)星所受攝動(dòng)力（地球引力、日、月引力、太陽(yáng)光壓等），所幸的是遞推步數(shù)不多（一般步長(zhǎng)可取3－5分鐘），計(jì)算機(jī)時(shí)不多，力學(xué)模型也可適當(dāng)簡(jiǎn)化（截?cái)嗾`差積累不多）。速度的解在導(dǎo)航中占有重要地位，尤其是軍事應(yīng)用，某些飛行器的速度解比位置解更為重要。GLONASS在速度解算提供了更加簡(jiǎn)潔的條件。和GPS一樣，GLONASS接收機(jī)除了可以取得衛(wèi)星相對(duì)接收機(jī)的偽距觀測(cè)量之外，還可以取得衛(wèi)星相對(duì)接收機(jī)的偽距變率觀測(cè)量，即多普勒頗移（也可以是載波的多普勒頻移）。則

GLONASS采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)在1993年以前GLONASS采用蘇聯(lián)1985年大地坐標(biāo)系（1985SovietGeodeticSystem，SGS－85），1993年后采用ParmetryZemli（PZ－90）坐標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心。Z軸指向1900－1905年平均地極。X軸指向位于Z軸定義的赤道面，使XOZ面平行于格林尼治平子午面。Y軸指向使與Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。GPS坐標(biāo)軸定義Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向（CTP）X軸指向BIH1984.0的零子午面和協(xié)議地球極（CTP）赤道的交點(diǎn)。Y軸與Z軸，X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。PZ－90采用的與坐標(biāo)系定義有關(guān)的常數(shù)為：地球自轉(zhuǎn)速率72．92115x10-6rad／s萬(wàn)有引力常數(shù)398600．44x109m3／s2大氣引力常數(shù)0．35x109m3／s2真空光速299792458m／s地球引力場(chǎng)球諧函數(shù)二階帶諧系數(shù)-1082．63x10-6參考橢球半長(zhǎng)長(zhǎng)軸6378136m參考橢球扁率1／298．257赤道引力加速度978032．8mgal大氣引起的海平面重力加速度改正-0.9mgal測(cè)軌跟蹤站采用坐標(biāo)值存在不可避免的誤差，其所定義或使用的坐標(biāo)系統(tǒng)與ITRF系統(tǒng)或WGS－84系統(tǒng)均存在差異。利用歐洲的6個(gè)站以GPS／GLONASS接收機(jī)測(cè)定了PZ－90與ITRF坐標(biāo)系統(tǒng)間的變換關(guān)系，在測(cè)定中假定了ITRF坐標(biāo)系與WGS－84坐標(biāo)系是一致的（等同的）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果為PZ—90與ITRF間不存在平移，坐標(biāo)軸指向僅存在有繞Z軸的旋轉(zhuǎn).麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室采用了不同的方法測(cè)定WGS－84和PZ－90間的變換參數(shù)。他們從GLONASS發(fā)播的廣播星歷獲取衛(wèi)星在PZ－90坐標(biāo)系的位置，同時(shí)采用全球衛(wèi)星跟蹤站和雷達(dá)跟蹤網(wǎng)獲取衛(wèi)星在WGS－84坐標(biāo)系的位置，依此求定坐標(biāo)變換參數(shù)。兩組不同方法所得到的坐標(biāo)變換參數(shù)之間的差異不超過(guò)5米，對(duì)于導(dǎo)航來(lái)講可以認(rèn)為是可用的。隨著時(shí)間的推移，還可能出現(xiàn)精度更高代表性更好的坐標(biāo)變換參數(shù)。GLONASS采用世界時(shí)作為時(shí)間量度基準(zhǔn)，它采用俄羅斯維持的世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC（SU）作為時(shí)間量度基準(zhǔn)。UTC（SU）與UTC（BIMP）相差數(shù)微秒，后者是巴黎經(jīng)度局的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)世界協(xié)調(diào)時(shí)。GLONASS時(shí)間系統(tǒng)保持與UTC（SU）之差小于1微秒。GLONASS計(jì)劃將時(shí)間系統(tǒng)作一些調(diào)整以和UTC（BIMP）的跳秒相一致。

與GPS采用原子時(shí)不同，GLONASS采用世界協(xié)調(diào)時(shí)作為時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn).這出自衛(wèi)星位置計(jì)算的考慮。GLONASS的導(dǎo)航電文給出衛(wèi)星在地固坐標(biāo)系內(nèi)的位置、速度和加速度，在計(jì)算衛(wèi)星位置時(shí)涉及慣性坐標(biāo)系，在兩種坐標(biāo)系進(jìn)行變換時(shí)（這種變換很簡(jiǎn)單）需地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，即UTC。從精度和實(shí)時(shí)性的角度考慮并顧及地面衛(wèi)星星歷計(jì)算和接收機(jī)衛(wèi)星位置計(jì)算采用參數(shù)的一致性，使用俄羅斯自測(cè)的UTC（SU）時(shí)間系統(tǒng)更為有利。這就是GLONASS采用UTC（SU）作為時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)的原因之一。采用世界協(xié)調(diào)時(shí)作為時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)的一個(gè)問(wèn)題是存在跳秒問(wèn)題，這將導(dǎo)致時(shí)間的不連續(xù)。當(dāng)跳秒發(fā)生時(shí)，需有相應(yīng)的技術(shù)措施才可保障在此時(shí)系統(tǒng)的工作正常。發(fā)生跳秒時(shí)主要產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題，一是接收機(jī)屆時(shí)應(yīng)能作相應(yīng)跳秒，一是衛(wèi)星星歷的使用期限不要跨越跳秒瞬間。這些問(wèn)題在采取一定的技術(shù)措施后是可以解決的。GLONASS接收機(jī)和導(dǎo)航精度其第一代GLONASS接收機(jī)通道數(shù)較少（l－4通道），機(jī)型較為笨重（約22千克）；1990年左右開(kāi)始生產(chǎn)第二代接收機(jī)，第二代接收機(jī)具有5－12通道，采用了大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，體積和重量都減少很多，而且還研制了GPS／GLONASS組合接收機(jī)。俄羅斯于1995年10月正式以文件形式在國(guó)際上公布了”GLONASS導(dǎo)航信號(hào)說(shuō)明”和”GLONASS接口控制文件ICD”，這類似于GPS的空間部分和用戶接口ICD—GPS－200。GLONASS的導(dǎo)航精度約為30米。衛(wèi)星導(dǎo)航精度涉及許多因素，盡管GLONASS的碼元長(zhǎng)度較GPS長(zhǎng)一倍，但仍與GPS未加人為降低精度的sA之前精度大體相當(dāng)。目前GLONASS的導(dǎo)航精度高于目前可用的GPS（C／A碼）導(dǎo)航精度。這一情況對(duì)美國(guó)GPS獨(dú)占衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的地位，甚至美國(guó)的GPS政策都有重要影響。俄羅斯的GLONASS政策與組合導(dǎo)航從基本觀測(cè)量來(lái)看，和GPS一樣GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)也分為保密的軍用雙頻P碼測(cè)距和民用的單頻C／A碼測(cè)距，也就是說(shuō)，它對(duì)軍用提供高精度導(dǎo)航，對(duì)民用提供較低精度的導(dǎo)航服務(wù)。與美國(guó)的GPS政策不同的是俄羅斯宣布對(duì)民用C／A碼不加入類似美國(guó)SA的人為降低精度的措施，并且計(jì)劃增發(fā)民用第二頻段。既然目前存在兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，組合應(yīng)用顯然是合乎邏輯的技術(shù)途徑。數(shù)據(jù)一并處理中需考慮兩個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間系統(tǒng)不同，坐標(biāo)系統(tǒng)也不同。一種可行的方案是將其中一種衛(wèi)星星歷利用已有的變換參數(shù)經(jīng)坐標(biāo)變換成為統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，并在導(dǎo)航解算中設(shè)定兩個(gè)接收機(jī)鐘差，分別適用兩類觀測(cè)量。所得導(dǎo)航解屬統(tǒng)一了的坐標(biāo)系統(tǒng)，這種統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)可以是WGS－84，也可以是PZ（90）。如果考慮到兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)差異不大和要求精度不是很高，也可不進(jìn)行坐標(biāo)變換，其導(dǎo)航解是帶有誤差的WGS－84或PZ（90）。b為接收機(jī)鐘相對(duì)GPS系統(tǒng)時(shí)的鐘差，B為接收機(jī)鐘相對(duì)GLONASS系統(tǒng)時(shí)的鐘差。

P為對(duì)GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星觀測(cè)值所賦的權(quán)陣（由于SA，GPS觀測(cè)量的權(quán)小于GLONASS）第二節(jié)地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)至少由兩顆地球同步衛(wèi)星、一個(gè)地面中心組成。地面中心是全系統(tǒng)的控制、操作中心，兩顆同步衛(wèi)星構(gòu)成地面中心與用戶間的無(wú)線電鏈路，共同完成無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)。系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)所需衛(wèi)星數(shù)量少，只要有兩顆同步衛(wèi)星便可構(gòu)成一個(gè)區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，有6顆衛(wèi)星接續(xù)可構(gòu)成基本覆蓋全球（兩極和赤道附近區(qū)域除外）的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。 用戶只接受一顆衛(wèi)星的信號(hào)，經(jīng)響應(yīng)便完成一次定位。用戶位置由地面中心確定，便于用戶管理部門監(jiān)視控制。系統(tǒng)功能較強(qiáng)，可為用戶提供定位、授時(shí)、通信服務(wù)。系統(tǒng)的服務(wù)精度通常是數(shù)十米到數(shù)百米。地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與前述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在原理上是有區(qū)別的，它主要表現(xiàn)為：地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身是兩維導(dǎo)航系統(tǒng)，僅靠衛(wèi)星的觀測(cè)量尚不能定位，它需要高程或高程數(shù)據(jù)庫(kù)的支持?！び^測(cè)量的取得及定位解算均在地面中心站進(jìn)行；衛(wèi)星載荷和用戶機(jī)較為簡(jiǎn)單，僅需具有轉(zhuǎn)發(fā)或收發(fā)信號(hào)功能。完成一次定位，信號(hào)三次往返與地面與同步衛(wèi)星，具有一定的定位延遲（僅傳播延遲約0．72秒）。僅需兩顆衛(wèi)星，投入小，性能投入比高。

用戶定位基本方法與定位精度基本定位原理 采用三球交會(huì)測(cè)量原理進(jìn)行定位，即以兩顆衛(wèi)星（位置已知）為兩球心，兩球心至用戶的距離（本系統(tǒng)要完成的測(cè)量）為半徑可做兩球面；這兩個(gè)球面相交得到一個(gè)為圓的曲線，通常簡(jiǎn)稱交線圓。這個(gè)圓穿過(guò)赤道面，在地球的南半球與北半球的球面上各有一點(diǎn)相交，其中一個(gè)是用戶位置，但是地球不是一個(gè)規(guī)則的球體，通常解算是用球面去與交線圓相交，由于交線圓上的點(diǎn)到兩顆衛(wèi)星的距離相等，對(duì)一個(gè)確定的用戶，這個(gè)球的半徑必須是用戶點(diǎn)到地心的距離。要確定這個(gè)球面的半徑，還需要知道用戶的大地高當(dāng)已知用戶至兩衛(wèi)星的距離量和用戶高程值時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的定位原理可建立如下用戶定位方程：定位計(jì)算時(shí)，用戶高程作為已知值。利用式，可以解算出用戶位置坐標(biāo)。測(cè)站高的確定 定位工作原理可以看出，用戶高程是作為已知量或觀測(cè)量參與定位計(jì)算的。獲取用戶高程的常用手段有兩種：一是數(shù)字化地球表面，制作成DEM數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，定位解算時(shí)度取出用戶高程，再加上用戶離地面的高度即可得到用戶的大地高；第二種常用手段是利用氣壓測(cè)高儀來(lái)測(cè)量用戶高程。氣壓測(cè)高是通過(guò)測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的氣壓值來(lái)推算該點(diǎn)的高程值，其基本公式如下：h為被測(cè)點(diǎn)至已知點(diǎn)（即基準(zhǔn)站）的高差k為氣壓測(cè)高系數(shù)

為基準(zhǔn)站的氣壓值

為用戶站的氣壓值對(duì)于動(dòng)態(tài)用戶，需要將其動(dòng)態(tài)氣壓值轉(zhuǎn)換成靜態(tài)氣壓值。精度制約因素?zé)o論是衛(wèi)星定軌精度還是用戶定位精度都與測(cè)量幾何有關(guān)。GDOP值在某種程度上可反映測(cè)量幾何的優(yōu)劣，因此可通過(guò)GDOP值來(lái)分析觀測(cè)幾何。GDOP（GeometricDilutionofPrecision），直譯為精度的幾何稀釋度，也被稱為誤差的幾何放大系數(shù)。為目標(biāo)定位精度協(xié)方差陣為等效測(cè)量誤差協(xié)方差陣

A為觀測(cè)值對(duì)目標(biāo)位置的偏導(dǎo)數(shù)系數(shù)陣。當(dāng)各等效測(cè)量誤差大小相等，互不相關(guān)，亦即：從而有：矩陣主對(duì)角線元素之和的平方根值即為GDOP值。GDOP值是在假設(shè)了各測(cè)量誤差大小相等且互為獨(dú)立的條件下的誤差傳播系數(shù)。有了定位的GDOP值，又有了測(cè)量的統(tǒng)計(jì)均方根值，則該點(diǎn)的定位精度可這樣估計(jì)因此，GDOP值越小，相對(duì)幾何就越好，目標(biāo)的定位精度也越高。當(dāng)兩顆工作衛(wèi)星位置經(jīng)度跨度越大時(shí)用戶定位幾何越好，過(guò)大的跨度會(huì)使兩顆星共同覆蓋范圍變小，從而使得使用區(qū)域減小，綜合看，兩顆衛(wèi)星的精度相差60°較好，既可保證定位幾何，又有較大的覆蓋范圍。偽距測(cè)量中的設(shè)備誤差設(shè)備的測(cè)量誤差是系統(tǒng)的主要誤差源之一，包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分。前者為測(cè)定設(shè)備固有時(shí)延值時(shí)因受各種因素的限制不能給出準(zhǔn)確值而引起的測(cè)量殘差，以及設(shè)備隨時(shí)間、環(huán)境變化引起的設(shè)備固有時(shí)延值的變化量。后者與接收信號(hào)強(qiáng)度和接收機(jī)的噪聲電平有關(guān)。星歷誤差主要是指衛(wèi)星位置誤差，由于用戶定位時(shí)視衛(wèi)星位置為已知，因而衛(wèi)星位置的精度直接影響用戶定位精度，在單點(diǎn)定位中，此項(xiàng)誤差的影響尤為突出。衛(wèi)星位置誤差可以通過(guò)差分定位方法得到很好的消除，其差分后的殘差遠(yuǎn)小于用戶差分定位精度要求，因此對(duì)于差分定位而言，此項(xiàng)誤差已轉(zhuǎn)化為次要誤差源。傳播誤差傳播時(shí)延誤差包括：電離層折射修正殘差對(duì)流層折射修正殘差多路徑效應(yīng)前兩項(xiàng)誤差是由電波傳播時(shí)延修正模型的不準(zhǔn)確性引起的，第三項(xiàng)誤差與用戶所處環(huán)境和天線仰角有關(guān)。高程誤差由于用戶高程數(shù)據(jù)是作為已知量參與解算的，因此其精度高低直接影響系統(tǒng)的定位精度。高程誤差對(duì)精度的影響大小與兩種因素有關(guān)：一是高程誤差的幾何放大系數(shù)，二是高程誤差本身。高程誤差的幾何放大因子與地理位置的緯度有關(guān)，緯度越高，放大系數(shù)越小，相應(yīng)的定位精度越高。相反，緯度越低，其系數(shù)也越大，定位精度差。一般情況下，若高程誤差lm，在高緯度地區(qū)帶來(lái)的誤差約1～2m；在低緯度地區(qū)，引起的定位誤差可達(dá)3～10m左右。一般用戶可能得到的高程精度為：數(shù)字化地形圖高程誤差：使用的數(shù)字化地形圖的原型DEM（DigitalElevationModel）庫(kù)以1″×1″（經(jīng)度×緯度）的格網(wǎng)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)地面點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，數(shù)字化地形圖的精度與地形有關(guān)，海洋、平原地區(qū)的精度優(yōu)于丘陵、山區(qū)，一般精度可優(yōu)于10m，差的可以做到30m左右。地面用戶氣壓測(cè)高誤差：氣壓測(cè)高精度與諸多因素有關(guān)，為了得到較高精度的氣壓測(cè)高結(jié)果，通常需要在已知高程點(diǎn)上事先校準(zhǔn)氣壓器，下式給出了考慮幾項(xiàng)主要誤差源的氣壓測(cè)高精度估計(jì)：8三星定位

定位原理三點(diǎn)后方交會(huì)：8三星定位

定位原理對(duì)于同步衛(wèi)星定位來(lái)說(shuō)，三個(gè)已知點(diǎn)就是三顆地球同步衛(wèi)星，觀測(cè)邊長(zhǎng)就是測(cè)站至衛(wèi)星的斜距，從而解三個(gè)觀測(cè)邊方程，就可求出測(cè)站的三維坐標(biāo)。

8三星定位

精度分析

同步衛(wèi)星的三星定位是三維定位，它有三條觀測(cè)邊，不需要測(cè)站點(diǎn)的大地高數(shù)據(jù)支持。三星定位的測(cè)站點(diǎn)位精度取決于觀測(cè)邊的精度和衛(wèi)星位置精度，同雙星定位相比，三星定位的精度較差。主要有以下幾個(gè)原因：一，三星定位受三顆衛(wèi)星位置誤差影響，比雙星定位多一個(gè)衛(wèi)星星歷誤差；二，三星定位的第三條觀測(cè)邊誤差應(yīng)當(dāng)相當(dāng)于雙星定位的大地高誤差。如果觀測(cè)邊誤差大于大地高誤差，三星定位精度會(huì)明顯低于雙星定位；目前觀測(cè)邊精度與大地高精度相當(dāng)，約為10米，衛(wèi)星位置精度不會(huì)很高，因此，三星定位精度不如雙星定位精度高。8三星定位

優(yōu)缺點(diǎn)三維定位地面中心站設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要龐大的地形數(shù)據(jù)庫(kù)支持，接收機(jī)造價(jià)低廉，不需要附加測(cè)高器件。要多發(fā)一顆工作衛(wèi)星定位精度差。在中緯度地區(qū)，三星定位要比雙星定位精度低3～5倍，低緯度地區(qū)要低10倍左右。第三節(jié)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展GPS系統(tǒng)關(guān)閉SA2000年5月在土耳其伊斯坦布爾召開(kāi)（（20年世界無(wú)線電通信大會(huì)（WRC）》和在英國(guó)愛(ài)丁堡召開(kāi)《2000年全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）會(huì)議》前夕，美國(guó)總統(tǒng)克林頓突然宣布終止對(duì)GPS信號(hào)的SA干擾措施，并于2000年5月1日關(guān)閉了SA。此事引起了強(qiáng)烈反應(yīng)，終止SA后，民用戶在95％的時(shí)間內(nèi)可獲得12m精度，在50％時(shí)間內(nèi)獲得6m精度?？肆诸D選在2000年世界無(wú)線電通信大會(huì)前夕宣布提前終止對(duì)GPS的SA措施，其主要目的是消除美國(guó)產(chǎn)業(yè)界對(duì)歐洲要研制部署伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的擔(dān)心，并抑制其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，在全球衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的國(guó)際市場(chǎng)上繼續(xù)保持和擴(kuò)大其優(yōu)勢(shì)地位，獲取巨大的經(jīng)濟(jì)利益。美國(guó)在此時(shí)宣布終止SA的另一深層意圖是要對(duì)歐盟15國(guó)施加影響或壓力。歐盟15國(guó)將在2000年12月作出是否研制和部署伽利略全球?qū)Ш叫l(wèi)星的決定，在此之前，需要申請(qǐng)衛(wèi)星導(dǎo)航所需的頻率資源、需要籌措足夠的資金、需要與美國(guó)談判兩個(gè)系統(tǒng)如何兼容等一系列重大問(wèn)題，美國(guó)終止SA會(huì)使歐盟建立自己獨(dú)立的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)變得復(fù)雜化。GPS發(fā)展趨勢(shì)導(dǎo)航戰(zhàn)計(jì)劃由于在GPS的設(shè)計(jì)初始階段，設(shè)計(jì)者沒(méi)有把系統(tǒng)在干擾環(huán)境下工作的能力放到很高的地位去考慮，而是僅僅把它作為戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下的一種輔助導(dǎo)航手段，隨著GPS應(yīng)用不斷深入，特別是在軍事中的作用日益突出，由此對(duì)GPS的過(guò)分依賴使得美國(guó)及其盟友對(duì)GPS的安全越來(lái)越擔(dān)心，所以該系統(tǒng)在軍事應(yīng)用中面臨的安全問(wèn)題也非常突出。由于GPS衛(wèi)星軌道高度達(dá)2萬(wàn)公里，到達(dá)地面接收機(jī)的信號(hào)非常微弱，信號(hào)極易受到環(huán)境和人為的干擾，試驗(yàn)表明，一臺(tái)1W的調(diào)頻噪聲干擾機(jī)，可使直徑22km范圍內(nèi)的GPS接收機(jī)無(wú)法正常工作，而一臺(tái)100W的干擾機(jī)可使1000km范圍內(nèi)信號(hào)電平為－110dBW，將比正常的C／A碼信號(hào)電平（－160dBW）高10萬(wàn)倍，使其不能工作。比P碼信號(hào)電平（－150dBW）高出40dBW，如不加處理，也嚴(yán)重影響GPS接收機(jī)的工作。GPS是被動(dòng)定位方式，在定位過(guò)程中需要知道衛(wèi)星的星歷。無(wú)論是民用的C／A碼傳送的星歷，還是P碼傳送的精密星歷，這些參數(shù)都是由地面站計(jì)算，再經(jīng)上行注人站而注入到衛(wèi)星上的，這些參數(shù)隨著外推時(shí)間的增長(zhǎng)精度迅速降低。為了保持較小的用戶距離誤差URE，地面站不得不每天更新星歷和衛(wèi)星鐘改正，需耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力進(jìn)行GPS衛(wèi)星跟蹤觀測(cè)、導(dǎo)航電文的編算和電文的注入。而一旦地面監(jiān)控系統(tǒng)遭到人為破壞，則GPS系統(tǒng)便難以正常工作。鑒于GPS衛(wèi)星存在的上述不足，以及依據(jù)美國(guó)國(guó)家GPS政策所提出的要求，1995年美國(guó)防部指定ROCKWELL公司牽頭，成立一個(gè)由幾家公司參加的研究小組，開(kāi)始一項(xiàng)為期13個(gè)月的有關(guān)“導(dǎo)航戰(zhàn)”的研究計(jì)劃，研究開(kāi)發(fā)能阻止敵方使用GPS及其增強(qiáng)系統(tǒng)的手段，但不能過(guò)度破壞和降低民用信號(hào)，以確保美軍優(yōu)勢(shì)。并于1997年4月，西方國(guó)家的學(xué)術(shù)界和有關(guān)政府部門在英國(guó)劍橋召開(kāi)的“GPS在軍事及民事方面的應(yīng)用”研究會(huì)上，美軍正式提出了“導(dǎo)航戰(zhàn)”的概念。未來(lái)美國(guó)可能對(duì)GPS采取一系列技術(shù)措施來(lái)達(dá)到此目的．主要內(nèi)容包括：研究開(kāi)發(fā)新一代獨(dú)立的捕獲P碼的軍用GPS接收機(jī)，主要特點(diǎn)是不依賴C／A碼，可直接捕獲P碼；采用抗干擾天線處理算法，具有較強(qiáng)的抗干擾能力；能在L1受到干擾時(shí)，通過(guò)局域電離層改正模型，消除電離層誤差；接收機(jī)地設(shè)計(jì)采用開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于模塊化組合和更新。研究開(kāi)發(fā)具有識(shí)別能力的電子干擾機(jī)美軍在提高軍用GPS接收機(jī)抗干擾能力的同時(shí)，加強(qiáng)具有識(shí)別能力的電子干擾武器的研究。這種干擾武器能對(duì)各種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行干擾，阻止敵方使用任何衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，同時(shí)又可保護(hù)己方使用。提高GPS衛(wèi)星的自主更新及抗毀能力BLOCKⅡR衛(wèi)星進(jìn)行了技術(shù)改造，該衛(wèi)星擴(kuò)展能力主要是能夠?qū)崿F(xiàn)GPS衛(wèi)星間的距離測(cè)量；能夠自主更新和精化GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘改正；GPS衛(wèi)星間能夠通信；無(wú)需地面監(jiān)控系統(tǒng)的干預(yù)，自主運(yùn)行180天，用戶距離誤差URE能控制在7．4m，相對(duì)BLOCKⅡA，性能提高了1350倍軍民隔離和頻譜復(fù)用民用C／A碼處于中心頻帶，軍用Y碼和M碼則位于中心頻帶兩邊的高低頻帶。對(duì)與LI而言，民用C／A碼占中心8MHZ帶寬，而P（Y）碼占有兩邊頻帶。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：在導(dǎo)航戰(zhàn)中，強(qiáng)化GPS系統(tǒng)的抗摧毀能力；可為軍用注入更高精度的星歷和衛(wèi)星鐘參數(shù)；允許提高軍用碼發(fā)射功率，增強(qiáng)軍用GPS接收機(jī)的抗電子干擾能力；現(xiàn)代化計(jì)劃現(xiàn)行GPS系統(tǒng)是25年前設(shè)計(jì)的，根據(jù)國(guó)家GPS政策的要求，1997