全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)原理與應用

2024年1月8日發(fā)(作者：小小一粒沙歌詞)

第六章 全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)原理及應用

第一節(jié) 衛(wèi)星定位技術簡介

一、概述

具有全球導航定位能力的衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)稱為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，英文全稱為Global Navigation Satellite System，簡稱為GNSS。目前已有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)包括美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONASS、正在發(fā)展研究的有歐盟的GALILEO系統(tǒng)、中國北斗衛(wèi)星導航廣域增強系統(tǒng)。

全球定位系統(tǒng)（GPS）是眾多衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一，GPS是英文Navigation Satellite

Timing and Ranging/Global Positioning System的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱。它的含義是：利用導航衛(wèi)星進行測時和測距，以構成全球定位系統(tǒng)。GPS具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的精密三維導航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領域得到了廣泛的應用，在物探測量工作中廣泛普及及應用。對于物理點的放樣已經不再僅僅是采用測角和量距，而是借助GPS導航衛(wèi)星信號來確定地面點的準確位置。

隨著GLONASS系統(tǒng)、GALILEO系統(tǒng)以及中國的北斗系統(tǒng)逐步組網運營，綜合各大導航系統(tǒng)的多星系統(tǒng)接收機逐步替代了先前的GPS定位的單一系統(tǒng)，其作業(yè)效率、定位精度、定位的穩(wěn)定性與可靠性都得到了大幅度的改善。

二、衛(wèi)星定位技術的發(fā)展

1957年10月4日，前蘇聯(lián)成功地發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星后，人們就開始利用衛(wèi)星進行定位和導航的研究，人類的空間科學技術研究和應用跨入了一個嶄新的時代，世界各國爭相利用人造地球衛(wèi)星為軍事、經濟和科學文化服務。同時，衛(wèi)星定位技術在大地測量學的應用也取得了驚人的發(fā)展，迅速跨入了一個嶄新的時代。

（一）早期的衛(wèi)星定位技術

衛(wèi)星定位技術是指人類利用人造地球衛(wèi)星確定測站點位置的技術。衛(wèi)星大地測量就是利用人造地球衛(wèi)星為大地測量服務的一門學科。它的主要內容是在地面上觀測人造地球衛(wèi)星，通過測定衛(wèi)星位置的方法，來解決大地測量任務，例如測定地面點的相對位置，測定地球的形狀和大小等。

早期，人造地球衛(wèi)星僅僅作為一種空間觀測目標，由地面上的觀測站對衛(wèi)星的瞬間位置進行攝影測量，測定測站點至衛(wèi)星的方向，建立衛(wèi)星三角網。同時也可利用激光技術測定觀測站至衛(wèi)星的距離，建立衛(wèi)星測距三角網。通過這兩種觀測方法，均可以實現(xiàn)地面點的定位，也能進行大陸同海島的聯(lián)測定位，解決了常規(guī)大地測量難以實現(xiàn)的遠距離聯(lián)測定位問題，這是常規(guī)定位技術望塵莫及的。

1966至1972年期間，美國國家大地測量局在英國和聯(lián)邦德國測繪部門的協(xié)作下，用衛(wèi)星三角測量方法測設了一個具有45個測站點的全球三角網，獲得了±5m的點位精度。然而，

由于衛(wèi)星三角測量受天氣和可見條件影響，觀測和成果換算需耗費大量的時間，同時定位精度不甚理想，并且不能得到點位的地心坐標。因此，衛(wèi)星三角測量技術成為一種過時的觀測技術，很快就被衛(wèi)星多普勒定位技術所取代。

（二）衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)

1958年12月，美國海軍武器實驗室和詹斯·霍普金斯（Johns Hopkins）大學物理實驗室為了給美國海軍“北極星”核潛艇提供全球性導航，開始研制一種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，稱之為美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System），簡稱NNSS系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星軌道面通過地極，所以又被稱為子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1959年9月美國發(fā)射了第一顆實驗性衛(wèi)星，到1961年11月，先后發(fā)射了9顆試驗性導航衛(wèi)星。經過幾年實驗研究，解決了衛(wèi)星導航的許多技術問題。從1963年12月起，陸續(xù)發(fā)射了由6顆衛(wèi)星組成的子午衛(wèi)星星座，1964年該系統(tǒng)建成并投入使用。該系統(tǒng)軌道接近圓形，衛(wèi)星高度為1100Km，軌道傾角為90°左右，周期約為107min，在地球表面上的任何一個測站上，平均每隔2h便可觀測到其中一顆衛(wèi)星。

衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)即美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)，它由三部份組成：衛(wèi)星星座、地面跟蹤網和用戶接收機。地面跟蹤網由跟蹤站、計算中心、注入站、海軍天文臺和控制中心五部份組成。它們的任務是測定各顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)，并定時將這些軌道參數(shù)和時間信號注入到相應的各顆衛(wèi)星內，以便衛(wèi)星按時向地面播發(fā)。接收機是用來接收衛(wèi)星發(fā)射的信號、測量多普勒頻移、解譯衛(wèi)星的軌道參數(shù)，以測定接收機所在位置的設備。由于接收機都是采用多普勒效應原理進行接收和定位的，所以也稱為多普勒接收機。

1967年7月29日，美國政府宣布解密子午衛(wèi)星的部份導航電文而提供民用，由于衛(wèi)星多普勒定位具有經濟、快速、精度較高、不受天氣和時間限制等優(yōu)點，只要能見到子午衛(wèi)星，便可在地球表面的任何地方進行單點和聯(lián)測定位，從而獲得測站的三維地心坐標。因此，衛(wèi)星多普勒定位迅速從美國傳播到歐亞及美洲的許多國家。70年代中期，我國開始引進衛(wèi)星多普勒接收機。西沙群島的大地測量基準聯(lián)測，是我國應用衛(wèi)星多普勒定位技術的先例。自80年代初期以來，我國開展了幾次較大規(guī)模的衛(wèi)星多普勒定位實踐：國家測繪局和總參測繪局聯(lián)合測設的全國衛(wèi)星多普勒大地網；由原武漢測繪科技大學與青海石油管理局、新疆石油管理局、原石油部地球物理勘探局合作測設西北地區(qū)衛(wèi)星多普勒定位網；即使在遠離我國一萬七千余公里的南極喬治島上，也用衛(wèi)星多普勒定位技術精確測得我國長城站的地理位置為南緯62°12′59.811″±0.015″，西經50°57′52.665秒±0.119″，高程為43.58±0.67m，長城站至北京的距離為17501949.51m。

在美國子午衛(wèi)星系統(tǒng)建立的同時，前蘇聯(lián)于1965年開始也建立了一個衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，叫做CICADA。它與NNSS系統(tǒng)相似，也是第一代衛(wèi)星定導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由12顆衛(wèi)星組成CICADA星座，軌道高度為1000Km，衛(wèi)星的運行周期為105min。

雖然子午衛(wèi)星系統(tǒng)將導航和定位技術推向了一個嶄新的發(fā)展階段，但仍然存在著一些明顯的缺陷。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少（6顆工作衛(wèi)星），運行高度較低（平均約為1000km），從地面站觀測到衛(wèi)星的時間間隔也較長（平均約1.5小時），無法進行全球性的實時連續(xù)導航定位服務。從大地測量學來看，由于它的定位速度慢（測站平均觀測1～2天），精度較低（單點定位精度3～5m，相對定位精度約為1m），因此，該系統(tǒng)在大地測量學和地球動力學研究方面受到了極大的限制。為了滿足軍事及民用部門對連續(xù)實時三維導航和定位的需求，第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)——GPS便應運而生。子午衛(wèi)星系統(tǒng)也于1996年12月31日停止發(fā)射導航及時間信息。

（三）全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)

1973年12月，美國國防部在總結了NNSS系統(tǒng)的優(yōu)劣之后，批準美國海陸空三軍聯(lián)合研制新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)——NAVSTAR GPS，即為目前的“授時與測距導航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”（Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Positioning System）通常稱之為全球定位系統(tǒng)，簡稱為GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)的全部投資為300億美元。自1974年以來，系統(tǒng)的建立經歷了方案論證、系統(tǒng)研制和生產實驗等三個階段，是繼阿波羅計劃、航天飛機計劃之后的又一個龐大的空間計劃。1978年2月22日，第一顆GPS實驗衛(wèi)星發(fā)射成功。1989年2月14日，第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，宣告GPS系統(tǒng)進入了營運階段。1994年3月28日完成第24顆工作衛(wèi)星的發(fā)射工作。GPS共發(fā)射了24顆衛(wèi)星（其中，21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星，目前的衛(wèi)星數(shù)已經超過32顆），均勻地分布在6個相對于赤道傾角為55°的近似圓形軌道上，衛(wèi)星距離地球表面的平均高度為20～200Km，運行速度為3 800m/ s，運行周期11時58分鐘，見圖6-1所示。每顆衛(wèi)星可覆蓋全球約38%的面積。衛(wèi)星的分布可保證在地球上任何地點、任何時刻，同時能觀測到4顆衛(wèi)星。

在GPS設計之初，美國國防部的主要目的是使GPS系統(tǒng)能夠為海陸空三軍提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核暴監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的。但隨著GPS系統(tǒng)的開發(fā)應用，被廣泛地應用于飛機、船舶和各種載運工具的圖6-1 GPS衛(wèi)星工作星座

導航、高精度的大地測量、精密工程測量、地殼形變測量、地球物理測量、航天發(fā)射和衛(wèi)星回收等技術領域。

為了使GPS具有高精度的連續(xù)實時三維導航性能及良好的抗干擾性能，在衛(wèi)星的設計上采取了若干重大改進措施。GPS與NNSS的主要特征比較見表6-1。

表6-1 GPS與NNSS主要特征

系統(tǒng)特征

載波頻率/GHz

衛(wèi)星平均高度/km

衛(wèi)星數(shù)目/顆

衛(wèi)星運行周期/min

衛(wèi)星鐘穩(wěn)定度

GPS

1.23，1.58

約20200

24（3顆備用）

718

10

-12NNSS

0.15，0.40

約1000

5～6

107

10

-11（四）GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)的廣泛應用，引起了世界各國的關注。前蘇聯(lián)在全面總結CICADA第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)優(yōu)劣的基礎上，認真吸收了美國GPS系統(tǒng)的成功經驗，自1982年10月，開始研制發(fā)射第二代導航衛(wèi)星——GLONASS衛(wèi)星，至1996年共發(fā)射24+1顆衛(wèi)星，經數(shù)據(jù)加載，調整和檢驗，于1996年1月18日系統(tǒng)正式運行，主要為軍用。GLONASS衛(wèi)星均勻地分布在3個軌道平面內，軌道傾角為64.8°，每個軌道上等間隔地分布8顆衛(wèi)星。衛(wèi)星距離地面高度為19100Km，衛(wèi)星的運行周期為11時15分鐘。GLONASS系統(tǒng)可進行衛(wèi)星測距。民用無任何限制，不收費。民用的標準精度為：水平精度為50～70m，垂直精度75m，測速精度15cm/s，授時精度為1μs。GLONASS衛(wèi)星的平均工作壽命超過4.5年。1999年底補網發(fā)射了3顆衛(wèi)星，至2000年初，該系統(tǒng)只有7顆衛(wèi)星保持連續(xù)工作。2000年10月補網又發(fā)射了3顆衛(wèi)星。到2001年3月GLONASS系統(tǒng)中有13顆健全的衛(wèi)星。從2004年后，GLONASS系統(tǒng)基本上進入了較好的運營狀態(tài)。

（五）伽利略全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

GPS定位系統(tǒng)和GLONASS定位系統(tǒng)分別受到美國和俄羅斯兩國軍方的嚴密控制，其信號的可靠性無法得到保證，長期以來歐洲只能在美、俄的授權下從事接收機制造、導航服務等從屬性的工作。為了能在衛(wèi)星導航領域占有一席之地，歐洲認識到建立擁有自主知識產權的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要性。同時在歐洲一體化進程中，建立歐洲自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)將會全面加強歐盟諸成員國之間的聯(lián)系和合作。在這種背景下，歐盟啟動一個軍民兩用、并與現(xiàn)有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)相兼容的全球衛(wèi)星導航計劃——“伽利略”（GALILEO）計劃。

歐盟在1992年2月首次提出“伽利略”計劃。計劃分成四個階段：論證階段，時間為2000年；系統(tǒng)研制階段，包括研制衛(wèi)星及地面設施、系統(tǒng)在軌確認，時間為2001～2005年；星座布設階段，包括制造和發(fā)射衛(wèi)星，地面設施建設并投入使用，時間為2006～2007年；運營階段，從2008年開始?！百だ浴庇媱澩顿Y預算約為32.5億歐元，服務范圍覆蓋全球，可以提供導航、定位、時間、通信等項服務。其服務方式包括開放服務、商業(yè)服務和官方服務三個方面。

“伽利略”系統(tǒng)的基本結構包括星座與地面設施、服務中心、用戶接收機等。衛(wèi)星星座將由30個顆衛(wèi)星（27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星）組成，衛(wèi)星采用中等地球軌道，均勻分布在高度約為23616Km的3個中高度圓軌道面上，傾角56°。地面控制設施包括衛(wèi)星控制中心和提供各項服務所必需的地面設施，用于管理衛(wèi)星星座及測定和傳播集成信號。衛(wèi)星的設計壽命為20年，衛(wèi)星信號將采用4種位于L波段的多載頻來發(fā)射，其頻率分別為：

E5a：1176.45MH2

E5b：1207.14MHz

Eb： 1278.75MHz；

E2-L1 -E1：1575.42MHz

“GALILEO”系統(tǒng)的主要特點是，向用戶提供公開服務、安全服務、商業(yè)服務、政府服務等不同模式的多服務。它除具有與GPS系統(tǒng)相同的全球導航定位功能以外，還具有全球搜尋援救(SAR，arch and rescue)功能。為此，每顆“GALILEO”衛(wèi)星還裝備一種援救收發(fā)器，接收來自遇險用戶的求援信號，并將它轉發(fā)給地面援救協(xié)調中心，后者組織對遇險用戶的援救。與此同時，“GALILEO”系統(tǒng)還向遇險用戶發(fā)給援救安排通報，以便遇險用戶等待援救?！癎ALILEO”接收機不僅可以接收本系統(tǒng)信號，而且可以接收GPS和GLONASS這兩大系統(tǒng)的信號，并且實現(xiàn)導航功能和移動電話功能的結合。

我國政府與歐盟在“伽利略”導航定位系統(tǒng)方面進行了深層次的合作。2003年9月18日，我國科技部與歐盟能源交通司草簽了合作協(xié)議。雙方在伽利略計劃的實施過程中將開展廣泛的合作，合作領域包括衛(wèi)星的制造和發(fā)射、無線電傳播環(huán)境實驗、地面系統(tǒng)、接收機標準等。