現(xiàn)代通信系統(tǒng)新技術(shù) (第三版) 課件 第4章 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位

第4章

衛(wèi)星導(dǎo)航與定位4.1GPS概述4.2GPS的定位原理4.3GPS信號(hào)接收機(jī)4.4GPS現(xiàn)代化4.5GLONASS系統(tǒng)4.6Galileo系統(tǒng)4.7北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介小結(jié)

4.1GPS概述4.1.1GPS的基本概念

GPS全球定位系統(tǒng)是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開始研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。該系統(tǒng)利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位的能力。GPS為民用導(dǎo)航、測(cè)速、時(shí)間比對(duì)和大地測(cè)量、工程勘測(cè)、地殼勘測(cè)等眾多領(lǐng)域開辟了廣闊的應(yīng)用前景，已成為當(dāng)今世界上最實(shí)用也是應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)。

GPS的應(yīng)用特點(diǎn)是用途廣泛(可在海空導(dǎo)航、車輛引行、導(dǎo)彈制導(dǎo)、精密定位、動(dòng)態(tài)觀測(cè)、設(shè)備安裝、時(shí)間傳遞、速度測(cè)量等方面得到廣泛應(yīng)用)、自動(dòng)化程度高、觀測(cè)速度快、定位精度及經(jīng)濟(jì)效益高。

GPS定位技術(shù)比常規(guī)手段具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它是一種被動(dòng)系統(tǒng)，可為無(wú)限多個(gè)用戶使用，且信用度和抗干擾能力強(qiáng)，因此必然會(huì)取代常規(guī)測(cè)量手段。GPS定位技術(shù)的精度已經(jīng)不僅能與另外兩種精密空間定位技術(shù)—衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)和甚長(zhǎng)基線干涉(VLB)測(cè)量系統(tǒng)相媲美，而且由于GPS信號(hào)接收機(jī)輕巧方便、價(jià)格較低、時(shí)空密集度高，因此更能顯示出其定位技術(shù)的優(yōu)越性和更廣泛的應(yīng)用前景。

4.1.2GPS的組成及作用

GPS包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī)。

1．GPS工作衛(wèi)星及其星座

由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成的GPS衛(wèi)星星座，記作(21+3)GPS衛(wèi)星。如圖4-1所示，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55°，各個(gè)軌道平面之間相距60°，每個(gè)軌道平面內(nèi)各衛(wèi)星之間的升交角距相差90°，每個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星比其西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30°。圖4-1GPS衛(wèi)星星座示意圖

GPS工作衛(wèi)星的作用如下：

(1)用L波段的兩個(gè)無(wú)線載波(19cm和24cm波)接連不斷地向廣大用戶發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)。每個(gè)載波用導(dǎo)航信息D(t)和偽隨機(jī)碼(PRN)測(cè)距信號(hào)來(lái)進(jìn)行雙相調(diào)制。用于捕獲信號(hào)及粗略定位的偽隨機(jī)碼叫C/A碼(又叫S碼)，精密測(cè)距碼(用于精密定位)叫P碼。由導(dǎo)航電文可以知道該衛(wèi)星當(dāng)前的位置和衛(wèi)星的工作情況。

(2)在衛(wèi)星飛越注入站上空時(shí)，接收由地面注入站使用S波段(10cm波段)發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他有關(guān)信息，并通過(guò)GPS信號(hào)電路適時(shí)地發(fā)送給廣大用戶。

(3)接收地面主控站通過(guò)注入站發(fā)送調(diào)度命令到衛(wèi)星，并適時(shí)地改正運(yùn)行偏差或啟用備用時(shí)鐘等。

2．地面監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。其中，星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷(描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù))算得的，而每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷又是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；地面監(jiān)控系統(tǒng)的另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時(shí)詢系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差，然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，再通過(guò)導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。

監(jiān)控站是無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集中心，其位置經(jīng)精密測(cè)定。它的主要設(shè)備包括1臺(tái)雙頻接收機(jī)、1臺(tái)高精度原子鐘、1臺(tái)電子計(jì)算機(jī)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站。其分布圖如圖4-2所示。圖4-2GPS地面監(jiān)控站分布

主控站是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它為系統(tǒng)提供高精度、穩(wěn)定的時(shí)空框架，具體作用如下：

(1)采集數(shù)據(jù)、推算編制導(dǎo)航電文。

(2)確定GPS系統(tǒng)時(shí)間。

(3)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)測(cè)站和注入站系統(tǒng)，并且根據(jù)觀測(cè)到的衛(wèi)星軌道參數(shù)以及衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)來(lái)管理衛(wèi)星。

3．GPS信號(hào)接收機(jī)

GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行；對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，并解譯出GPS所發(fā)送的導(dǎo)航電文和實(shí)時(shí)地計(jì)算出監(jiān)測(cè)站的三維位置，甚至計(jì)算出三維速度和時(shí)間。

接收機(jī)硬件、機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成了完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分，如圖4-3所示。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件。觀測(cè)時(shí)，將天線單元安置在監(jiān)測(cè)站上，接收單元置于監(jiān)測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤?，再用電纜將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。也有的接收機(jī)將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，觀測(cè)時(shí)將其安置在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)上。

圖4-3接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

4.1.3GPS的信號(hào)

GPS用戶通過(guò)接收機(jī)接收衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，以確定接收機(jī)的位置、時(shí)間改正數(shù)以及解算衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離。GPS衛(wèi)星所播發(fā)的信號(hào)包括載波信號(hào)(L1和L2)、測(cè)距信號(hào)(包括C/A碼和P碼)和導(dǎo)航信號(hào)(或稱D碼)。而所有的這些信號(hào)分量，都是在同一個(gè)基本頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的，如圖4-4所示。圖4-4GPS信號(hào)組成

GPS取L波段的兩種不同頻率的電磁波為載波，分別為L(zhǎng)1載波和L2載波。在L1載波上，調(diào)制有C/A碼和P碼的數(shù)據(jù)碼，頻率f1=1575.42MHz，波長(zhǎng)1=19.03cm；載波L2上只調(diào)制了P碼，頻率f2=1227.60MHz，波長(zhǎng)2=24.42cm。

L1載波上的GPS信號(hào)為

L2載波上的GPS信號(hào)為

式中，AP為P碼的信號(hào)幅度；Pi(t)為

±1狀態(tài)時(shí)的P碼；Di(t)為

±1狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)碼；AC為C/A碼的信號(hào)幅度；Ci(t)為

±1狀態(tài)時(shí)的C/A碼；ω1、ω2分別為載波L1和L2的角頻率；φ1、φ2為載波L1和L2的初始相位。

GPS衛(wèi)星信號(hào)的產(chǎn)生與構(gòu)成主要考慮了如下因素：

①

適應(yīng)多用戶系統(tǒng)要求；

②

滿足實(shí)時(shí)定位要求；

③

滿足高精度定位需要；

④

滿足軍事保密要求。

1．C/A碼

偽隨機(jī)序列是一種具有特殊反饋電路的移位寄存器序列，稱為最長(zhǎng)線性移位寄存器。GPS使用C/A碼、P碼、Y碼三種偽隨機(jī)碼。其中，Y碼是對(duì)P碼加密后的偽隨機(jī)碼，其數(shù)據(jù)碼是保密的。

GPS的C/A碼屬于偽隨機(jī)噪聲碼的一種，稱作果爾德碼(Gold碼)。其序列長(zhǎng)度為1023位，頻率為1.023MHz，碼周期為1ms。C/A碼是通過(guò)兩個(gè)10位的移位寄存器G1和G2產(chǎn)生的，即由G1的直接輸出和G2的延遲輸出異或得到。G1和G2都是由1.023MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的10級(jí)最長(zhǎng)線性序列產(chǎn)生的周期等于210?-

1=1023bit的M序列，描述G1的多項(xiàng)式為G1=1?+?x3?+?x10；描述G2的多項(xiàng)式為G2=1?+?x2?+?x3?+?x6?+?x8?+?x9?+?x10，其框圖如圖4-5所示。圖4-5G1和G2碼寄存器框圖

2．P碼

P碼產(chǎn)生的原理與C/A碼的相似，但更復(fù)雜。GPS發(fā)射的P碼，是用4個(gè)12位移位寄存器的偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的，碼率為10.23Mb/s，長(zhǎng)Nu?≈?2.35×1014?bit，碼元寬tu=1/f0=

0.097752s，相應(yīng)的距離為29.3m，周期為266.41天，約為38個(gè)星期。由于P碼的周期很長(zhǎng)，因此應(yīng)用時(shí)一般被分為38個(gè)部分，每一部分周期為7天，其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星使用P碼的不同部分，雖然都具有相同的碼長(zhǎng)和周期，但結(jié)構(gòu)不同。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文信息捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，因此若取碼元對(duì)齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應(yīng)的距離誤差為0.29m，故P碼稱為精碼。

3．導(dǎo)航電文

導(dǎo)航電文是衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組包含衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星空間位置、衛(wèi)星時(shí)鐘參數(shù)、系統(tǒng)時(shí)間以及衛(wèi)星工作狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)的二進(jìn)制碼。導(dǎo)航電文是以幀為單位向外發(fā)送的，每一幀數(shù)據(jù)包含1500bit，歷時(shí)30s播完，即電文的傳輸速率為50b/s。每幀又分為5個(gè)子幀，第一子幀包含時(shí)鐘校正參數(shù)及電離層模型改正參數(shù)；第二、三子幀為衛(wèi)星星歷表；第四子幀為由字母和數(shù)字混合編制的電文；第五子幀是全部24顆衛(wèi)星的日程表的一部分。

每個(gè)子幀又分為10個(gè)字，一個(gè)字包含30個(gè)二進(jìn)制碼，這樣每個(gè)子幀都包含300個(gè)二進(jìn)制碼，因此導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)每隔20ms就會(huì)變化一次。最后6個(gè)比特是奇偶校驗(yàn)位，稱為糾錯(cuò)碼，用以檢查傳送的信號(hào)是否出錯(cuò)，并能糾正單個(gè)錯(cuò)誤。完整的導(dǎo)航信息由25幀數(shù)據(jù)組成。由于播送速度為50b/s，所以全部播完要12.5min。每幀導(dǎo)航電文的格式如圖4-6所示。圖4-6每幀導(dǎo)航電文格式

4.2GPS的定位原理

GPS定位的基本幾何原理為三球交會(huì)原理：如果用戶到衛(wèi)星S1的距離為R1，到衛(wèi)星S2的距離為R2，到衛(wèi)星S3的距離為R3，那么用戶的真實(shí)位置必定處在以S1為球心、以R1為半徑的球面C1上，同時(shí)也處在以S2為球心、以R2為半徑的球面C2上以及以S3為球心、以R3為半徑的球面C3上，即處在三球面的交點(diǎn)上。用戶接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離可表示為

GPS的定位過(guò)程：圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制的無(wú)線電信號(hào)，信號(hào)中含有衛(wèi)星信號(hào)的準(zhǔn)確發(fā)射時(shí)間以及不同時(shí)間衛(wèi)星在空間的準(zhǔn)確位置。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)，并測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間、計(jì)算衛(wèi)星和用戶之間的距離；然后用最小二乘法或?yàn)V波估計(jì)法等導(dǎo)航算法就可解算出用戶的位置。準(zhǔn)確描述衛(wèi)星位置、測(cè)量衛(wèi)星與用戶之間的距離和解算用戶的位置是GPS定位導(dǎo)航的關(guān)鍵。

4.2.1GPS坐標(biāo)系統(tǒng)

下面介紹幾種常見的衛(wèi)星定位空間坐標(biāo)系統(tǒng)。

(1)地心慣性坐標(biāo)系。地心慣性(Earth-CenteredInertial，ECI)坐標(biāo)系是準(zhǔn)慣性坐標(biāo)系，也是空間穩(wěn)定力學(xué)的基本坐標(biāo)系，因此牛頓運(yùn)動(dòng)定律在慣性坐標(biāo)系中很適用，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方程就是在該坐標(biāo)系中描述的。地心慣性坐標(biāo)系的原點(diǎn)和地球質(zhì)心重合，X軸指向春分點(diǎn)，X軸和Y軸組成地球赤道面，Z軸和地球自轉(zhuǎn)重合，Y軸和X軸與Z軸一起構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

(2)地心地固坐標(biāo)系。地心地固(Earth-Centered，Earth-Fixed，ECEF)坐標(biāo)系是一個(gè)固聯(lián)在地球上的坐標(biāo)系。它的具體定義為：ECEF坐標(biāo)系是直角坐標(biāo)系；原點(diǎn)在地球的質(zhì)心；X軸指向穿過(guò)格林尼治子午線和赤道的交點(diǎn)；XOY平面與地球赤道平面重合；Z軸與地球極軸重合，并指向地球北極，如圖4-7所示。圖4-7地心地固坐標(biāo)系

(3)地理坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系也稱為大地坐標(biāo)系。眾所周知，地球形狀和橢球相似，因此赤道所在平面的直徑大于兩極之間的長(zhǎng)度。地理坐標(biāo)系的定義為：地球橢球的中心為地球的地心，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，經(jīng)度L為過(guò)地面點(diǎn)的橢球子午面與格林威治大地子午平面之間的夾角，緯度B為過(guò)地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地高程H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離，如圖4-8所示。地理坐標(biāo)系為極坐標(biāo)系，當(dāng)它用于顯示時(shí)，用戶可以很直觀地判斷出自己在地球上的大概位置。

圖4-8大地坐標(biāo)系

(4)地平坐標(biāo)系。地平坐標(biāo)系又稱為ENU(EastNorthUp)坐標(biāo)系，其定義為：原點(diǎn)位于當(dāng)?shù)貐⒖紮E球的球面上，其位置取決于用戶位置，當(dāng)用戶位置為橢球面上的P點(diǎn)時(shí)，原點(diǎn)即為P點(diǎn)位置，當(dāng)P點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的地平坐標(biāo)系也隨之移動(dòng)；過(guò)P點(diǎn)作地球的切平面，X軸沿參考橢球切面的正東方向，Y軸沿參考橢球切面的正北方向，Z軸沿橢球切面外法線方向指向天頂。

該坐標(biāo)系對(duì)地球表面的用戶來(lái)說(shuō)比較直觀，它給出了東、北、天三個(gè)方向的信息，因而適用于導(dǎo)航領(lǐng)域。對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)范圍不大的載體來(lái)說(shuō)，其運(yùn)動(dòng)區(qū)域接近于一個(gè)平面。只要獲得東、北向載體的位移或速度信息，結(jié)合載體的起始位置信息，就可以較準(zhǔn)確地知道載體的當(dāng)前位置。地平坐標(biāo)系示意圖如圖4-9所示，OXeYeZe是地心地固坐標(biāo)系，PXLYLZL是地平坐標(biāo)系。圖4-9地平坐標(biāo)系

(5)?WGS84大地坐標(biāo)系。WGS84大地坐標(biāo)系是GPS衛(wèi)星星歷解算和定位坐標(biāo)的參考坐標(biāo)系，它是由美國(guó)國(guó)防部制圖局建立的。WGS84大地坐標(biāo)系是現(xiàn)有應(yīng)用于導(dǎo)航和測(cè)量的最好的全球大地坐標(biāo)系，它理論上是一個(gè)以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的地固坐標(biāo)系。其定義為：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH系統(tǒng)定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面與CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖4-10所示。圖4-10WGS84坐標(biāo)系

(6)?地球坐標(biāo)系的法則如下：

①

坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地心，地心定義為包括海洋和大氣的整個(gè)地球質(zhì)量的中心；

②

它的長(zhǎng)度單位是米(SI)，這一單位與地心局部框架的TCG(地心坐標(biāo)時(shí))時(shí)間坐標(biāo)一致；

③

它的初始定向由1984.0時(shí)國(guó)際時(shí)間局(BIH)的定向給定；

④

它的定向時(shí)間演化不產(chǎn)生相對(duì)于地殼殘余的地球性旋轉(zhuǎn)。

與此定義相對(duì)應(yīng)，存在一個(gè)直角坐標(biāo)系XYZ，其原點(diǎn)在地球質(zhì)心；Z軸指向IERS參考極(IRP)方向；X軸為IERS參考子午面(IRM)與原點(diǎn)和同Z軸正交的赤道面的交線；CGS2000的Y軸與X、Z軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，如圖4-11所示。圖4-11CGS2000坐標(biāo)系

和WGS84一樣，CGS2000也是一個(gè)協(xié)議地球坐標(biāo)系。它包括了CGS2000參考橢球、基本常數(shù)以及由基本常數(shù)導(dǎo)出的一些物理、幾何常數(shù)，如二階帶諧項(xiàng)系數(shù)、橢球半短軸、第一偏心率、參考橢球的正常重力位、赤道上的正常重力等。其基本常數(shù)與WGS84的比較如表4-1所示。

4.2.2GPS時(shí)間系統(tǒng)

時(shí)間包含了“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”兩個(gè)概念。時(shí)刻是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間，在天文學(xué)和衛(wèi)星定位中，與所獲取數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻也稱歷元；時(shí)間間隔是指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過(guò)程，是這一過(guò)程始末的時(shí)間之差。時(shí)間間隔的測(cè)量稱為相對(duì)時(shí)間測(cè)量，而時(shí)刻的測(cè)量相應(yīng)稱為絕對(duì)時(shí)間測(cè)量。衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，時(shí)間系統(tǒng)的重要意義體現(xiàn)在如下幾方面：

(1)?GPS衛(wèi)星作為高空觀測(cè)目標(biāo)，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運(yùn)行位置的同時(shí)，必須給出相應(yīng)的瞬間時(shí)刻。

(2)?GPS信號(hào)傳播時(shí)，只有精密地測(cè)定信號(hào)的傳播時(shí)間，才能準(zhǔn)確地測(cè)定觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離。

(3)由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，天球坐標(biāo)系(又名天文坐標(biāo)系，是一種以天極和春分點(diǎn)作為天球定向基準(zhǔn)的坐標(biāo)系)中地球上的點(diǎn)的位置是不斷變化的，因此，若要求赤道上一點(diǎn)的位置誤差不超過(guò)1cm，則時(shí)間測(cè)定誤差要小于2×10-5s。

在實(shí)踐中，因所選擇的周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時(shí)間系統(tǒng)?，F(xiàn)在先介紹GPS定位中具有重要意義的幾類時(shí)間系統(tǒng)。

1．世界時(shí)系統(tǒng)

地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，且比較均勻。最早建立的時(shí)間系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的世界時(shí)系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所選取的空間參考點(diǎn)不同，世界時(shí)系統(tǒng)又分為恒星時(shí)、平太陽(yáng)時(shí)和世界時(shí)。

(1)恒星時(shí)。以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間稱為恒星時(shí)。

(2)平太陽(yáng)時(shí)。由于地球公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)的開普勒定律可知太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的，即真太陽(yáng)日為地球相對(duì)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，因此，若以真太陽(yáng)作為觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)，則不符合建立時(shí)間系統(tǒng)的基本要求。

(3)世界時(shí)。世界時(shí)即格林尼治平均太陽(yáng)時(shí)，是格林尼治的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，是地球自轉(zhuǎn)速度的一種形式，是基于地球自轉(zhuǎn)換的時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。

2．原子時(shí)

科學(xué)技術(shù)對(duì)測(cè)量精度的要求導(dǎo)致世界時(shí)已不能滿足尺度的要求，因此建立了原子時(shí)。原子時(shí)(InternationalAtomicTime，IAT)是以物質(zhì)的原子內(nèi)部發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。

原子時(shí)秒的定義為：位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9?192?631?770周所持續(xù)的時(shí)間。

原子時(shí)的原點(diǎn)AT=UT2?-?0.0039s，UT2為1958年1月1日0時(shí)。

3．力學(xué)時(shí)

力學(xué)時(shí)主要用來(lái)描述天體在坐標(biāo)系和引力場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)。

(1)太陽(yáng)系質(zhì)心力學(xué)時(shí)(BarycentricDynamicTime，TDB)是相對(duì)于太陽(yáng)系質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù)，在系統(tǒng)中考慮了相對(duì)論效應(yīng)。

(2)地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TerrestrialDynamicTime，TDT)是相對(duì)于地球質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù)，它的前身是歷書時(shí)(用來(lái)描述近地天體歷書的時(shí)間尺度)。TDT的基本單位是國(guó)際制秒(SI)，與原子時(shí)的尺度一致。在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，TDT作為一種獨(dú)立的變量和均勻的時(shí)間尺度，被用于描述衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。

國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(InternationalAstronomicalUnion，IAU)決定，1977年1月1日國(guó)際原子時(shí)(IAT)零時(shí)與地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)的嚴(yán)格關(guān)系為TDT=IAT?+?32.184s。若以?T表示地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDT與世界時(shí)UT1(格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)之間的時(shí)差，則可得

4．協(xié)調(diào)世界時(shí)

世界時(shí)是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的，因此在進(jìn)行大地天文測(cè)量、天文導(dǎo)航和空間飛行器的跟蹤定位時(shí)，都要以世界時(shí)作為時(shí)間尺度。

協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)與國(guó)際原子時(shí)(IAT)的關(guān)系定義為

其中，n為調(diào)整參數(shù)，由IERS發(fā)布。

5．GPS時(shí)間系統(tǒng)

為滿足精密導(dǎo)航和測(cè)量需要，全球定位系統(tǒng)建立了專用的時(shí)間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時(shí)屬于原子時(shí)系統(tǒng)，秒長(zhǎng)與原子時(shí)的相同，但與國(guó)際原子時(shí)的原點(diǎn)不同，即GPST與IAT在任一瞬間均有一常量偏差，約為IAT?-

GPST=19s。

時(shí)間系統(tǒng)及其關(guān)系如圖4-12所示。圖4-12時(shí)間系統(tǒng)及其關(guān)系

4.2.3測(cè)量誤差

GPS系統(tǒng)定位過(guò)程中包含各種誤差，按照來(lái)源不同，可以分為三種，分別是與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差和與接收設(shè)備有關(guān)的誤差，如圖4-13所示。圖4-13測(cè)量誤差來(lái)源

1．衛(wèi)星時(shí)鐘誤差

衛(wèi)星鐘的偏差一般可通過(guò)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)精確地確定，用二階多項(xiàng)式表示為

式中，a0為衛(wèi)星鐘在t0時(shí)的鐘差；a1為衛(wèi)星鐘鐘速；a2為鐘速變化率。這些參數(shù)由主控站測(cè)定，然后通過(guò)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給用戶。

2．衛(wèi)星星歷誤差

衛(wèi)星星歷誤差又稱為衛(wèi)星軌道誤差，它是由于衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)中受到多種不清楚的攝動(dòng)力的復(fù)雜影響而引起的。衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道和實(shí)際的衛(wèi)星軌道有差別，這種差別便是衛(wèi)星星歷誤差。

目前，通過(guò)導(dǎo)航電文所得的衛(wèi)星軌道信息的相應(yīng)位置誤差為20～40?m。隨著攝動(dòng)力模型和定軌技術(shù)的不斷完善，衛(wèi)星的位置精度將提高到5～10?m。衛(wèi)星的軌道誤差是當(dāng)前GPS定位的重要誤差來(lái)源之一。

在GPS定位中，由于衛(wèi)星軌道的偏差主要是由各種不同的攝動(dòng)力綜合作用產(chǎn)生的，且攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星各個(gè)軌道參數(shù)的影響不同，因此在對(duì)衛(wèi)星軌道攝動(dòng)力進(jìn)行修正時(shí)，所要求的各攝動(dòng)力模型精度也不一樣。在用軌道改進(jìn)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，根據(jù)引入軌道偏差改正數(shù)的不同，可將改進(jìn)方法分為短弧法和半短弧法。

(1)短弧法：引入全部軌道參數(shù)的偏差改正作為待估參數(shù)，然后在數(shù)據(jù)處理中與其他待估參數(shù)一并求解。這樣可明顯減弱軌道偏差的影響，但計(jì)算工作量大。

(2)半短弧法：根據(jù)攝動(dòng)力對(duì)軌道參數(shù)的不同影響，只對(duì)其中影響較大的參數(shù)引入相應(yīng)的改正數(shù)作為待估參數(shù)。

3．電離層延遲誤差

電離層是地面以上高度為50～1000?km之間的大氣層。由于受到太陽(yáng)的強(qiáng)烈輻射，電離層中的大部分氣體被電離，從而在電離層中存在著大量的自由電子和質(zhì)子，使進(jìn)入電離層的衛(wèi)星信號(hào)的傳播速度和方向發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象便是折射。折射公式為

式中，Ne為電子密度；et為電荷量，值為1.6×10-19；me為電子質(zhì)量，值為9.11×10-31kg；ε0為真空介電常數(shù)，值為8.854?187?817?F/m；f為電磁波的頻率。

4．對(duì)流層延遲誤差

對(duì)流層折射可分為干分量Nd和濕分量Nw兩大部分。它們對(duì)傳播路徑的影響可表示為

式中，?Sd為干分量對(duì)傳播路徑的影響；?Sw為濕分量對(duì)傳播路徑的影響。

5．多路徑誤差

接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào)，除了直接接收到的衛(wèi)星信號(hào)外，還有可能接收到經(jīng)周邊物體反射的信號(hào)。這些信號(hào)可能經(jīng)過(guò)一次反射，也可能經(jīng)過(guò)多次反射。它們將會(huì)使載波觀測(cè)量產(chǎn)生誤差，這種現(xiàn)象稱為多路徑效應(yīng)。它不僅影響觀測(cè)值精度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使信號(hào)失鎖，是短基線測(cè)量的主要誤差。

多路徑誤差與反射物距觀測(cè)站距離和反射系數(shù)有關(guān)，將其模型化很難，即使利用差分也不能減少其影響。通常減少它的措施為：

(1)選擇好的接收環(huán)境，盡量避開反射系數(shù)大的物體；

(2)選擇屏蔽性好的天線；

(3)增加觀測(cè)時(shí)間，減弱多路徑誤差的周期性影響。

6．接收機(jī)鐘差

GPS接收機(jī)一般設(shè)有高精度的石英鐘，日頻率穩(wěn)定度約為10～11。定位中，接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘不能同步的情況下，如果接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步差為1s，那么引起的等效距離誤差為300m。處理接收機(jī)鐘差的方法如下：

(1)作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解；

(2)利用觀測(cè)值求差方法，減弱接收機(jī)鐘差影響；

(3)定位精度要求較高時(shí)，可采用外接頻標(biāo)，如銣、銫原子鐘來(lái)提高接收機(jī)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)精度。

7．天線相位中心位置偏差

GPS定位中，觀測(cè)值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的。在理論上，天線相位中心與儀器的幾何中心應(yīng)保持一致。實(shí)際上，隨著信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向的不同，天線的相位中心與其幾何中心會(huì)產(chǎn)生偏差，該偏差稱為天線相位中心偏差，其值可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)厘米。如何減小相位中心的偏移，是天線設(shè)計(jì)中一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

4.3GPS信號(hào)接收機(jī)

4.3.1接收機(jī)的基本概念

GPS信號(hào)接收機(jī)主要由天線單元和接收單元兩部分組成，天線單元由前置放大器和頻率變換器兩個(gè)部分組成；接收單元主要由信號(hào)波道、微處理機(jī)、存儲(chǔ)器和電源組成，如圖4-14所示。其中頻率變換器是核心部分，習(xí)慣上統(tǒng)稱為GPS接收機(jī)，它是GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的儀器，主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)并進(jìn)行處理，獲取導(dǎo)航電文和必要的觀測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航定位信號(hào)的接收、測(cè)量和跟蹤。圖4-14接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4.3.2接收機(jī)分類

1．根據(jù)工作原理分類

(1)碼相關(guān)型接收機(jī)：由接收機(jī)產(chǎn)生與所測(cè)衛(wèi)星測(cè)距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼。

(2)平方型接收機(jī)：主要是利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，以獲得載波相位測(cè)量所必需的載波信號(hào)。

(3)混合型接收機(jī)：綜合利用了碼相關(guān)技術(shù)和平方技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)獲得碼相位和精密載波相位觀測(cè)量。

2．根據(jù)接收機(jī)信號(hào)通道類型分類

(1)多通道接收機(jī)：具有多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)通道，每個(gè)通道只連續(xù)跟蹤一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)可得到衛(wèi)星廣播星歷。它也被稱為連續(xù)跟蹤型接收機(jī)。

(2)序貫通道接收機(jī)：只有1～2個(gè)信號(hào)通道，為了跟蹤多個(gè)衛(wèi)星，在軟件控制下，按照時(shí)間次序依次可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行的跟蹤和量測(cè)。

(3)多路復(fù)用通道接收機(jī)：與序貫通道接收機(jī)相似，也只有1～2個(gè)信號(hào)通道，同樣是采用軟件控制，按一定時(shí)序?qū)πl(wèi)星進(jìn)行量測(cè)，但依次量測(cè)一個(gè)循環(huán)所需時(shí)間較短，一般小于20ms，可保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的連續(xù)跟蹤。

3．根據(jù)所接收的衛(wèi)星信號(hào)頻率分類

(1)單頻接收機(jī)：顧名思義，只能接收一種信號(hào)。通過(guò)接收調(diào)制L1信號(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)值，利用差分技術(shù)進(jìn)行定位。

(2)雙頻接收機(jī)：與單頻接收機(jī)相比，可同時(shí)接收L1、L2兩種載波信號(hào)；利用雙頻技術(shù)，可消除或減弱電離層折射電磁波信號(hào)延遲的影響，因此定位精度相比單頻接收機(jī)高很多。

4．根據(jù)接收機(jī)的用途分類

(1)導(dǎo)航型接收機(jī)：主要用于動(dòng)態(tài)用戶的導(dǎo)航與定位，可給出用戶的實(shí)時(shí)位置和速度；如用于船舶、車輛、飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，可按預(yù)定路線航行或選擇最佳路線，使載體到達(dá)目的地。

(2)測(cè)量型接收機(jī)：采用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行相對(duì)定位。

(3)授時(shí)型接收機(jī)：主要用于天文臺(tái)或地面監(jiān)控站，可進(jìn)行通信中的時(shí)間同步。

4.3.3接收機(jī)天線

天線的基本作用是將接收到的GPS衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流，并經(jīng)前置放大器進(jìn)行頻率變換，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行攝取和處理。由于接收機(jī)天線接收到的信號(hào)直接影響接收機(jī)的定位結(jié)果，所以對(duì)于天線的構(gòu)造都有一些基本要求。

(1)天線與前置放大器要用盒子密封為一體，這就保證了在惡劣氣象環(huán)境下接收機(jī)可以不受影響和干擾而正常工作。

(2)天線需要采取一定的屏蔽措施，盡可能地減弱信號(hào)的多路徑效應(yīng)，以達(dá)到防止信號(hào)干擾的作用。

(3)天線應(yīng)呈全圓極化，要求天線的作用范圍為整個(gè)上半球，天頂處不產(chǎn)生死角，以保證能接收來(lái)自天空任何方向的衛(wèi)星信號(hào)。

(4)盡量使天線具有輕便的幾何尺寸和重量，使之具有高度穩(wěn)定的機(jī)械性能。

4.3.4接收單元

1．信號(hào)波道

信號(hào)波道是接收單元的核心，主要用于對(duì)天線接收到的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與處理。信號(hào)波道可按照捕獲偽噪聲碼的不同方式分為相關(guān)型波道、平方律波道和碼相位波道。

(1)相關(guān)型波道。如圖4-15所示，GPS中頻信號(hào)輸入后，主要是通過(guò)偽噪聲碼的互相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的解擴(kuò)，最后達(dá)到解衛(wèi)星導(dǎo)航電文的目的。圖4-15相關(guān)型波道原理

(2)平方律波道。如圖4-16所示，在接收到GPS信號(hào)后，將高頻的GPS信號(hào)變頻以得到中頻GPS信號(hào)，這樣可降低載波的頻率；然后通過(guò)乘法器B輸出二倍于原載頻的重建載波，恢復(fù)了數(shù)據(jù)碼。圖4-16平方律波道原理

(3)碼相位波道。如圖4-17所示，在接收到GPS信號(hào)后，將高頻的GPS信號(hào)變頻以得到中頻GPS信號(hào)，然后通過(guò)GPS時(shí)延電路和自乘電路。這樣，最后獲取的信號(hào)不是重建載波，而是一種碼率正弦波。圖4-17碼相位波道原理

2．微處理器

微處理器主要用于接收機(jī)的控制數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計(jì)算，是接收機(jī)工作的主要部件。微處理器的主要作用如下：

(1)對(duì)接收機(jī)運(yùn)作前的指令進(jìn)行各波道自檢，并測(cè)定、校正和存儲(chǔ)各波道的時(shí)延值；

(2)搜索衛(wèi)星、跟蹤衛(wèi)星，解譯衛(wèi)星星歷，從而計(jì)算出觀測(cè)站的三維坐標(biāo)，并更新衛(wèi)星的位置；

(3)提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)及衛(wèi)星的工作狀況，包括衛(wèi)星的方位、高度角等，獲得最佳定位星位，以提高定位精度；

(4)通過(guò)定點(diǎn)位置計(jì)算導(dǎo)航的參數(shù)、航偏距、航偏角以及速度等。

3．存儲(chǔ)器

為了進(jìn)行導(dǎo)航定位的計(jì)算，接收機(jī)的存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)一小時(shí)一次的碼相位的偽距觀測(cè)量、載波相位測(cè)量和人工測(cè)量的數(shù)據(jù)以及GPS衛(wèi)星的星歷。接收機(jī)的存儲(chǔ)器有盒式磁帶記錄器和內(nèi)裝式半導(dǎo)體存儲(chǔ)器兩種。

4．電源

GPS接收機(jī)一般有兩種電源，一種為機(jī)內(nèi)電源，一種為機(jī)外電源。機(jī)內(nèi)電源一般用蓄電池作電源，如鋰電池；另一種機(jī)外電源叫外接電源，如可充電的12V直流鎘鎳電池。在接收機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)機(jī)內(nèi)電源，主要目的是在更換外接電源或者外接電源不穩(wěn)的情況下，接通機(jī)內(nèi)電源，以不影響連續(xù)觀測(cè)。

4.3.5GPS衛(wèi)星接收機(jī)參數(shù)

接收機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)。GPS和GLONASS(GLobalOrbitingNAvigationSatelliteSystem，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機(jī)已經(jīng)問(wèn)世。表4-2為幾種雙頻GPS接收機(jī)的參數(shù)對(duì)比。

4.4GPS現(xiàn)代化

4.4.1概述

GPS的設(shè)計(jì)方案是20世紀(jì)70年代初完成的，最初目的主要是滿足軍方用戶導(dǎo)航定位的需求，但由于民用市場(chǎng)上存在的需求巨大，在20世紀(jì)80年代初，美國(guó)國(guó)防部與交通部決定將這一系統(tǒng)建設(shè)成為軍民兩用的定位、導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)。

GPS現(xiàn)代化主要從軍用和民用兩個(gè)方面來(lái)考慮：要求GPS在21世紀(jì)繼續(xù)作為軍民兩用的系統(tǒng)，既要更好地滿足軍事需要，又要繼續(xù)擴(kuò)展民用市場(chǎng)應(yīng)用的需要。GPS現(xiàn)代化主要有三方面的工作：一是提高抗干擾攻擊能力；二是研究新的信號(hào)結(jié)構(gòu)與調(diào)制方式，使軍、民碼信號(hào)分離，以確保軍用；三是增加頻點(diǎn)和信道，擴(kuò)大民用，改善精度。

4.4.2GPS民用現(xiàn)代化

民用現(xiàn)代化主要針對(duì)民用導(dǎo)航、定位、大氣探測(cè)等方面的需求。民用現(xiàn)代化的目的如下：

(1)改善民用導(dǎo)航和定位的精度；

(2)擴(kuò)大服務(wù)的覆蓋面和改善服務(wù)的持續(xù)性；

(3)提高導(dǎo)航的安全性，如增強(qiáng)信號(hào)功率、增加導(dǎo)航信號(hào)和頻道；

(4)保持GPS在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中技術(shù)和銷售的領(lǐng)先地位；

(5)注意保持與現(xiàn)有的以及將來(lái)的民用其他空間導(dǎo)航系統(tǒng)的匹配和兼容。

4.4.3GPS軍用現(xiàn)代化

美國(guó)創(chuàng)建GPS多年來(lái)，GPS除在各類運(yùn)載器的導(dǎo)航和定位方面發(fā)揮巨大作用外，在戰(zhàn)場(chǎng)上精密武器的時(shí)間同步和協(xié)調(diào)、指揮以及在對(duì)戰(zhàn)斗人員的支持和救援方面，也發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

美國(guó)在軍用現(xiàn)代化方面采取的措施有：將軍用碼和民用碼信號(hào)完全分開，以阻止敵方利用GPS民用信號(hào)；在GPS信號(hào)頻道上，增加新的軍用碼—M碼，M信號(hào)采用二元偏置載波調(diào)制方案，這樣可提高民用信號(hào)的完好性，且增強(qiáng)軍用信號(hào)的保密性、安全性和可靠性；研制GPS-IIF衛(wèi)星，增加新的L5頻段用于發(fā)射新的民用信號(hào)，以使GPS系統(tǒng)的民用信號(hào)達(dá)到3個(gè)、軍用信號(hào)達(dá)到4個(gè)；軍事用戶的接收設(shè)備要比民用的有更好的保護(hù)裝置，特別是抗干擾能力和快速初始化功能。

4.4.4GPS現(xiàn)代化的階段

GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化的計(jì)劃分為如下三個(gè)階段。

(1)第一階段：發(fā)射12顆改進(jìn)型的GPSBLOCKⅡR型衛(wèi)星，并在L2上加載C/A碼，在L1和L2頻率上加載新的軍用碼M碼。無(wú)論在民用通道還是在軍用通道上，BLOCK

ⅡR型衛(wèi)星的發(fā)射功率都有很大的提高。

(2)第二階段：發(fā)射6顆GPSⅡF衛(wèi)星，并增設(shè)第三個(gè)民用信號(hào)L5，其載波頻率為1176.45?MHz，從而形成三種GPS信號(hào)，即L1、L2和L5同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航定位的新格局，并于2016年GPS衛(wèi)星系統(tǒng)全部以ⅡR/ⅡF衛(wèi)星運(yùn)行，共計(jì)24?+?3顆。

(3)第三階段：發(fā)射GPSBLOCKⅢ

型衛(wèi)星。目前正在研究未來(lái)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的需求，并討論制定GPSⅢ

型衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)安全性、可靠程度和各種可能的風(fēng)險(xiǎn)；計(jì)劃用近20年的時(shí)間完成GPSⅢ

計(jì)劃，并取代目前的GPSⅡ。

4.5GLONASS系統(tǒng)

4.5.1衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與組成

GLONASS星座由24顆衛(wèi)星組成，如圖4-18所示。其中，21顆為工作衛(wèi)星，環(huán)繞地球一圈的時(shí)間約為11小時(shí)15分；3顆用于后備。24顆衛(wèi)星均勻地分布在三個(gè)軌道上面，其中的8顆衛(wèi)星分布在同一軌道上，軌道的傾角為64.8°。在同一個(gè)平面上，兩顆相鄰衛(wèi)星之間的升交距角為45°。圖4-18GLONASS衛(wèi)星星座

圖4-19所示為GLONASS的衛(wèi)星外形，它由水平傳感器、激光后向反射器、12單元導(dǎo)航信號(hào)天線和各種指揮、控制天線組成。附在增壓圓柱體側(cè)面的有太陽(yáng)能電池板、軌道校正發(fā)動(dòng)機(jī)、姿態(tài)控制系統(tǒng)和熱控制通氣窗。GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星的在軌重量約為1400kg，星體直徑為2.25m，太陽(yáng)能電池翼板寬度為7.23?m，面積約為7m2。每顆衛(wèi)星上都有銫原子鐘產(chǎn)生高穩(wěn)定、高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，并向所有星載設(shè)備提供穩(wěn)定的同步信號(hào)。圖4-19GLONASS衛(wèi)星外形

4.5.2GLONASS發(fā)展歷程

GLONASS經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段。

(1)研發(fā)階段：

·20世紀(jì)70年代初，蘇聯(lián)國(guó)防部開始研制GLONASS；

·1982年10月，發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星。

(2)試運(yùn)行階段：

·1982年10月—1985年5月，10顆BlockⅠ型衛(wèi)星投入使用。

(3)正式運(yùn)行階段：

·1985年5月－1986年9月，6顆BlockⅡA衛(wèi)星發(fā)射；

·1987年4月－1988年5月，12顆BlockⅡB衛(wèi)星發(fā)射；

·1988－1994年，31顆BlockⅡv衛(wèi)星發(fā)射；

·1988年GLONASS提供民用；

·1989－1990年，由于衛(wèi)星故障，暫停發(fā)射一年；

·1994年8月，增發(fā)GLONASS衛(wèi)星；

·1993年，俄羅斯政府正式把GLONASS計(jì)劃交付俄羅斯航天部隊(duì)(VKS)主管，該部隊(duì)不僅負(fù)責(zé)GLONASS衛(wèi)星部署、在軌維護(hù)和用戶設(shè)備檢驗(yàn)，還經(jīng)管科學(xué)信息協(xié)調(diào)中心，由此對(duì)公眾發(fā)布GLONASS信息；

·1995年7月，俄羅斯聯(lián)邦政府正式宣布GLONASS可以作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一；

·2005年12月25日發(fā)射了三顆衛(wèi)星。

4.5.3地面支持系統(tǒng)

地面支持系統(tǒng)由系統(tǒng)控制中心、中央同步器、激光跟蹤站以及外場(chǎng)導(dǎo)航控制設(shè)備組成，它的功能由前蘇聯(lián)境內(nèi)的許多場(chǎng)地來(lái)完成。系統(tǒng)控制中心是由俄羅斯航天部隊(duì)操縱的軍事設(shè)施；中央同步器用來(lái)形成GLONASS系統(tǒng)時(shí)間；激光跟蹤站用來(lái)對(duì)無(wú)線電頻率跟蹤測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)；外場(chǎng)導(dǎo)航控制設(shè)備用來(lái)檢測(cè)GLONASS導(dǎo)航信號(hào)。

地面控制設(shè)備主要完成的工作為：測(cè)量和預(yù)測(cè)各衛(wèi)星的星歷，使時(shí)間接收機(jī)的時(shí)間系統(tǒng)與GLONASS時(shí)間系統(tǒng)同步；并將衛(wèi)星的時(shí)間校正值和歷書上的信息加載給每顆GLONASS衛(wèi)星，以對(duì)衛(wèi)星實(shí)行指揮、控制、維護(hù)和跟蹤。隨著前蘇聯(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，如圖4-20所示。圖4-20系統(tǒng)控制中心分布

4.5.4GLONASS與GPS系統(tǒng)的特征比較

GLONASS的組成和功能與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的相似，可用于海上、空中、陸地等各類用戶定位、測(cè)速及精密定時(shí)等。GLONASS的技術(shù)參數(shù)與GPS的比較如表4-3所示。

4.5.5GLONASS現(xiàn)代化

GLONASS現(xiàn)代化的內(nèi)容如下：

(1)俄羅斯著手改善GLONASS與其他無(wú)線電系統(tǒng)的兼容性。

(2)計(jì)劃發(fā)射下一代改進(jìn)型衛(wèi)星并形成未來(lái)的星座。

(3)對(duì)地面控制部分也將進(jìn)行改進(jìn)。

(4)配置差分子系統(tǒng)。

4.6Galileo系統(tǒng)

4.6.1概述

Galileo系統(tǒng)是歐盟正在建設(shè)的新一代民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

Galileo系統(tǒng)星座由27顆工作衛(wèi)星、3顆在軌備用衛(wèi)星總共30顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星采用中等地球軌道，均勻地分布在高度約為2.3?×?104km的3個(gè)軌道面上。Galileo衛(wèi)星的軌道高度是23616km，軌道傾角是56°。Galileo衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星星座的主要參數(shù)對(duì)比如表4-4所示。

4.6.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

Galileo系統(tǒng)主要由空間段、地面段和用戶段三個(gè)段組成。

(1)空間段?？臻g段由分布在3個(gè)軌道面上的30顆衛(wèi)星組成，每條軌道上均勻分布10顆衛(wèi)星。

(2)地面段。地面段由監(jiān)測(cè)站、控制中心和上行站網(wǎng)絡(luò)組成。

(3)用戶段。在用戶段，用戶接收機(jī)能擁有區(qū)域和局域設(shè)施部分所提供服務(wù)的接口，并且能與其他定位系統(tǒng)互操作，實(shí)現(xiàn)Galileo系統(tǒng)所提供的各種無(wú)線電導(dǎo)航服務(wù)。

4.6.3系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃

Galileo系統(tǒng)開發(fā)包括兩個(gè)階段：

(1)整體開發(fā)和驗(yàn)證階段。開發(fā)和驗(yàn)證階段包括設(shè)計(jì)、開發(fā)和在軌驗(yàn)證。在軌驗(yàn)證就是在軌系統(tǒng)配置，這種配置由Galileo衛(wèi)星數(shù)目、關(guān)聯(lián)的地面段及初始運(yùn)動(dòng)組成。該階段完成之后，將部署附件衛(wèi)星和地面段組件，以完成整個(gè)系統(tǒng)配置，如圖4-21所示。圖4-21Galileo系統(tǒng)的在軌系統(tǒng)配置

(2)全面部署和運(yùn)行階段。全面部署和運(yùn)行階段包括持續(xù)24個(gè)月的全面系統(tǒng)部署、長(zhǎng)期運(yùn)行和補(bǔ)給。在此階段將會(huì)發(fā)射剩余的衛(wèi)星和部署全面運(yùn)行的地面段，包括有要求的冗余配置，以在性能和服務(wù)區(qū)域等方面達(dá)到全面任務(wù)要求。運(yùn)行階段包括日常運(yùn)行、地面段的維護(hù)以及出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)衛(wèi)星星座的補(bǔ)給。

4.7北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS，以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng))是中國(guó)自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼GPS、GLONASS之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

4.7.1系統(tǒng)概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施。

北斗系統(tǒng)提供服務(wù)以來(lái)，已在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，服務(wù)國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航服務(wù)已被諸多廠商采用，廣泛進(jìn)入中國(guó)大眾消費(fèi)、共享經(jīng)濟(jì)和民生領(lǐng)域，深刻改變著人們的生產(chǎn)和生活方式。

1.發(fā)展目標(biāo)

建設(shè)世界一流的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，滿足中國(guó)國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，為全球用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的服務(wù)；發(fā)展北斗產(chǎn)業(yè)，服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生改善；深化國(guó)際合作，共享衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展成果，提高全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合應(yīng)用效益。

2.遠(yuǎn)景目標(biāo)

2035年前將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系。

3.基本組成

北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成。其中，北斗系統(tǒng)空間段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星等組成；地面段由運(yùn)控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、星間鏈路運(yùn)行管理系統(tǒng)，以及國(guó)際搜救、短報(bào)文通信、星基增強(qiáng)和地基增強(qiáng)等多種服務(wù)平臺(tái)組成；用戶段由北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等組成。

4.發(fā)展特色

北斗系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐，走出了在區(qū)域快速形成服務(wù)能力、逐步擴(kuò)展為全球服務(wù)的中國(guó)特色發(fā)展路徑，豐富了世界衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展模式。

北斗系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一是北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢(shì)更為明顯；二是北斗系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度；三是北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具備定位導(dǎo)航授時(shí)、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、短報(bào)文通信和國(guó)際搜救等多種服務(wù)能力。

5.增強(qiáng)系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)增強(qiáng)系統(tǒng)包括地基增強(qiáng)系統(tǒng)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)。

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、共建共享”的原則，整合國(guó)內(nèi)地基增強(qiáng)資源，建立以北斗為主、兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)體系。

北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)于原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)。按照國(guó)際民航標(biāo)準(zhǔn)，開展北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與建設(shè)。目前，已完成系統(tǒng)實(shí)施方案論證，固化了系統(tǒng)在下一代雙頻多星座(DFMC)SBAS標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)一步鞏固了BDSBAS作為星基增強(qiáng)服務(wù)供應(yīng)商的地位。

4.7.2發(fā)展歷程

1.發(fā)展戰(zhàn)略

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。1994年，中國(guó)開始研制發(fā)展獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，至2000年底建成北斗一號(hào)系統(tǒng)，采用有源定位體制服務(wù)中國(guó)。中國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。2012年，建成北斗二號(hào)系統(tǒng)，面向亞太地區(qū)提供無(wú)源定位服務(wù)。2020年，北斗三號(hào)系統(tǒng)正式建成開通，面向全球提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，標(biāo)志著北斗系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略圓滿完成。

2.早期發(fā)展

20世紀(jì)70年代，從事“兩彈一星”的科學(xué)家們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要性，他們?cè)谛l(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域進(jìn)行探索，并在理論探索和研制實(shí)踐方面開展了卓有成效的工作。立項(xiàng)于20世紀(jì)60年代末的“燈塔計(jì)劃”可以說(shuō)是北斗工程的前身，盡管這個(gè)計(jì)劃最終因技術(shù)方向轉(zhuǎn)型、財(cái)力有限等原因而終止，但卻為后來(lái)上馬的北斗工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3.北斗一號(hào)系統(tǒng)

1994年，中國(guó)啟動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)；2000年10月31日，發(fā)射首顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星；同年12月21日，發(fā)射第2顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星，初步建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，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；2003年5月25日，發(fā)射第三顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)一步增強(qiáng)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)性能。

4.北斗二號(hào)系統(tǒng)

2002年，歐盟發(fā)起“伽利略”衛(wèi)星計(jì)劃，彼時(shí)，中方遇技術(shù)瓶頸，歐盟缺研發(fā)基金，雙方?jīng)Q定聯(lián)手開發(fā)。然而蜜月苦短，四年后，中國(guó)被排除在項(xiàng)目外，決議不讓表態(tài)，資料不讓瀏覽，技術(shù)不被告知。

5.北斗三號(hào)系統(tǒng)

2009年12月，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)立項(xiàng)；2017年11月5日，北斗三號(hào)系統(tǒng)的第一顆和第二顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，北斗衛(wèi)星全球組網(wǎng)正式開始；2018年11月19日，北斗三號(hào)基本系統(tǒng)星座部署完成。

6.后續(xù)發(fā)展

2035年，中國(guó)將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系，進(jìn)一步提升時(shí)空信息服務(wù)能力，提供高彈性、高智能、高精度、高安全的定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)，更好地惠及民生福祉、服務(wù)人類發(fā)展進(jìn)步。

4.7.3技術(shù)特點(diǎn)

1.雙星定位

20世紀(jì)80年代，國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)紛紛上馬，中國(guó)科學(xué)家也開始對(duì)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行摸索。然而，對(duì)于當(dāng)時(shí)的中國(guó)來(lái)說(shuō)，要建立起一套覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是耗資巨大且非常困難的事情。

2.短報(bào)文服務(wù)

北斗的短報(bào)文通信為用戶提供了一種保底的通信技術(shù)手段。在通信設(shè)施損毀或信號(hào)覆蓋弱的區(qū)域，人們無(wú)法通過(guò)移動(dòng)通信信號(hào)傳輸信息，但可以通過(guò)北斗衛(wèi)星信號(hào)傳遞重要信息；并且用戶通過(guò)手機(jī)發(fā)送短報(bào)文信息后，還能得到系統(tǒng)對(duì)發(fā)送信息成功與否的回執(zhí)確認(rèn)，顯著增強(qiáng)了遇險(xiǎn)人員求生信心。

3.高精度原子鐘

星載原子鐘精度要求高，技術(shù)難度大，曾長(zhǎng)期為少數(shù)西方發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。由于國(guó)外技術(shù)封鎖，星載原子鐘成為北斗系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)瓶頸。

研制出的第一臺(tái)星載原子鐘產(chǎn)品在工作中經(jīng)常信號(hào)突跳，精度很差，研制人員經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，最終解決了這一問(wèn)題。北斗二號(hào)系統(tǒng)首次采用了國(guó)產(chǎn)星載原子鐘。

4.軌道分布

北斗系統(tǒng)空間段采用地球同步靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。這種混合星座布局，既能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、全球服務(wù)，又可為亞太大部分地區(qū)用戶提供精度更高的服務(wù)。

5.衛(wèi)星平臺(tái)

北斗三號(hào)衛(wèi)星采用導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺(tái)化設(shè)計(jì)，在保證衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)架構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可為系統(tǒng)后續(xù)功能和需求拓展提供更大的適應(yīng)能力。

6.星間鏈路

北斗三號(hào)衛(wèi)星配置了Ka頻段星間鏈路，采用相控陣天線等星間鏈路設(shè)備，實(shí)現(xiàn)星間雙向精密測(cè)距和通信。

7.新型導(dǎo)航信號(hào)體制

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)是衛(wèi)星系統(tǒng)提