全球卫星导航系统原理与应用

2024年1月8日发(作者：小小一粒沙歌词)

第六章 全球卫星导航系统原理及应用

第一节 卫星定位技术简介

一、概述

具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。目前已有的卫星导航系统包括美国的全球卫星定位系统（GPS）、俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS、正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统、中国北斗卫星导航广域增强系统。

全球定位系统（GPS）是众多卫星导航系统之一，GPS是英文Navigation Satellite

Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是：利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。GPS具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了广泛的应用，在物探测量工作中广泛普及及应用。对于物理点的放样已经不再仅仅是采用测角和量距，而是借助GPS导航卫星信号来确定地面点的准确位置。

随着GLONASS系统、GALILEO系统以及中国的北斗系统逐步组网运营，综合各大导航系统的多星系统接收机逐步替代了先前的GPS定位的单一系统，其作业效率、定位精度、定位的稳定性与可靠性都得到了大幅度的改善。

二、卫星定位技术的发展

1957年10月4日，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星后，人们就开始利用卫星进行定位和导航的研究，人类的空间科学技术研究和应用跨入了一个崭新的时代，世界各国争相利用人造地球卫星为军事、经济和科学文化服务。同时，卫星定位技术在大地测量学的应用也取得了惊人的发展，迅速跨入了一个崭新的时代。

（一）早期的卫星定位技术

卫星定位技术是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。卫星大地测量就是利用人造地球卫星为大地测量服务的一门学科。它的主要内容是在地面上观测人造地球卫星，通过测定卫星位置的方法，来解决大地测量任务，例如测定地面点的相对位置，测定地球的形状和大小等。

早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面上的观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也可利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距三角网。通过这两种观测方法，均可以实现地面点的定位，也能进行大陆同海岛的联测定位，解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题，这是常规定位技术望尘莫及的。

1966至1972年期间，美国国家大地测量局在英国和联邦德国测绘部门的协作下，用卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网，获得了±5m的点位精度。然而，

由于卫星三角测量受天气和可见条件影响，观测和成果换算需耗费大量的时间，同时定位精度不甚理想，并且不能得到点位的地心坐标。因此，卫星三角测量技术成为一种过时的观测技术，很快就被卫星多普勒定位技术所取代。

（二）卫星多普勒定位系统

1958年12月，美国海军武器实验室和詹斯·霍普金斯（Johns Hopkins）大学物理实验室为了给美国海军“北极星”核潜艇提供全球性导航，开始研制一种卫星导航系统，称之为美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System），简称NNSS系统。在这一系统中，由于卫星轨道面通过地极，所以又被称为子午卫星导航系统。1959年9月美国发射了第一颗实验性卫星，到1961年11月，先后发射了9颗试验性导航卫星。经过几年实验研究，解决了卫星导航的许多技术问题。从1963年12月起，陆续发射了由6颗卫星组成的子午卫星星座，1964年该系统建成并投入使用。该系统轨道接近圆形，卫星高度为1100Km，轨道倾角为90°左右，周期约为107min，在地球表面上的任何一个测站上，平均每隔2h便可观测到其中一颗卫星。

卫星多普勒定位系统即美国海军导航卫星系统，它由三部份组成：卫星星座、地面跟踪网和用户接收机。地面跟踪网由跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心五部份组成。它们的任务是测定各颗卫星的轨道参数，并定时将这些轨道参数和时间信号注入到相应的各颗卫星内，以便卫星按时向地面播发。接收机是用来接收卫星发射的信号、测量多普勒频移、解译卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。由于接收机都是采用多普勒效应原理进行接收和定位的，所以也称为多普勒接收机。

1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星的部份导航电文而提供民用，由于卫星多普勒定位具有经济、快速、精度较高、不受天气和时间限制等优点，只要能见到子午卫星，便可在地球表面的任何地方进行单点和联测定位，从而获得测站的三维地心坐标。因此，卫星多普勒定位迅速从美国传播到欧亚及美洲的许多国家。70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机。西沙群岛的大地测量基准联测，是我国应用卫星多普勒定位技术的先例。自80年代初期以来，我国开展了几次较大规模的卫星多普勒定位实践：国家测绘局和总参测绘局联合测设的全国卫星多普勒大地网；由原武汉测绘科技大学与青海石油管理局、新疆石油管理局、原石油部地球物理勘探局合作测设西北地区卫星多普勒定位网；即使在远离我国一万七千余公里的南极乔治岛上，也用卫星多普勒定位技术精确测得我国长城站的地理位置为南纬62°12′59.811″±0.015″，西经50°57′52.665秒±0.119″，高程为43.58±0.67m，长城站至北京的距离为17501949.51m。

在美国子午卫星系统建立的同时，前苏联于1965年开始也建立了一个卫星导航定位系统，叫做CICADA。它与NNSS系统相似，也是第一代卫星定导航系统。该系统由12颗卫星组成CICADA星座，轨道高度为1000Km，卫星的运行周期为105min。

虽然子午卫星系统将导航和定位技术推向了一个崭新的发展阶段，但仍然存在着一些明显的缺陷。由于该系统卫星数目较少（6颗工作卫星），运行高度较低（平均约为1000km），从地面站观测到卫星的时间间隔也较长（平均约1.5小时），无法进行全球性的实时连续导航定位服务。从大地测量学来看，由于它的定位速度慢（测站平均观测1～2天），精度较低（单点定位精度3～5m，相对定位精度约为1m），因此，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面受到了极大的限制。为了满足军事及民用部门对连续实时三维导航和定位的需求，第二代卫星导航系统——GPS便应运而生。子午卫星系统也于1996年12月31日停止发射导航及时间信息。

（三）全球卫星导航系统

卫星定位系统

1973年12月，美国国防部在总结了NNSS系统的优劣之后，批准美国海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统——NAVSTAR GPS，即为目前的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Positioning System）通常称之为全球定位系统，简称为GPS系统。GPS系统的全部投资为300亿美元。自1974年以来，系统的建立经历了方案论证、系统研制和生产实验等三个阶段，是继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一个庞大的空间计划。1978年2月22日，第一颗GPS实验卫星发射成功。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了营运阶段。1994年3月28日完成第24颗工作卫星的发射工作。GPS共发射了24颗卫星（其中，21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，目前的卫星数已经超过32颗），均匀地分布在6个相对于赤道倾角为55°的近似圆形轨道上，卫星距离地球表面的平均高度为20～200Km，运行速度为3 800m/ s，运行周期11时58分钟，见图6-1所示。每颗卫星可覆盖全球约38%的面积。卫星的分布可保证在地球上任何地点、任何时刻，同时能观测到4颗卫星。

在GPS设计之初，美国国防部的主要目的是使GPS系统能够为海陆空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核暴监测和应急通讯等一些军事目的。但随着GPS系统的开发应用，被广泛地应用于飞机、船舶和各种载运工具的图6-1 GPS卫星工作星座

导航、高精度的大地测量、精密工程测量、地壳形变测量、地球物理测量、航天发射和卫星回收等技术领域。

为了使GPS具有高精度的连续实时三维导航性能及良好的抗干扰性能，在卫星的设计上采取了若干重大改进措施。GPS与NNSS的主要特征比较见表6-1。

表6-1 GPS与NNSS主要特征

系统特征

载波频率/GHz

卫星平均高度/km

卫星数目/颗

卫星运行周期/min

卫星钟稳定度

GPS

1.23，1.58

约20200

24（3颗备用）

718

10

-12NNSS

0.15，0.40

约1000

5～6

107

10

-11（四）GLONASS卫星定位系统

GPS系统的广泛应用，引起了世界各国的关注。前苏联在全面总结CICADA第一代卫星导航系统优劣的基础上，认真吸收了美国GPS系统的成功经验，自1982年10月，开始研制发射第二代导航卫星——GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。GLONASS卫星均匀地分布在3个轨道平面内，轨道倾角为64.8°，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星距离地面高度为19100Km，卫星的运行周期为11时15分钟。GLONASS系统可进行卫星测距。民用无任何限制，不收费。民用的标准精度为：水平精度为50～70m，垂直精度75m，测速精度15cm/s，授时精度为1µs。GLONASS卫星的平均工作寿命超过4.5年。1999年底补网发射了3颗卫星，至2000年初，该系统只有7颗卫星保持连续工作。2000年10月补网又发射了3颗卫星。到2001年3月GLONASS系统中有13颗健全的卫星。从2004年后，GLONASS系统基本上进入了较好的运营状态。

（五）伽利略全球卫星导航系统

GPS定位系统和GLONASS定位系统分别受到美国和俄罗斯两国军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证，长期以来欧洲只能在美、俄的授权下从事接收机制造、导航服务等从属性的工作。为了能在卫星导航领域占有一席之地，欧洲认识到建立拥有自主知识产权的卫星导航系统的重要性。同时在欧洲一体化进程中，建立欧洲自主的卫星导航系统将会全面加强欧盟诸成员国之间的联系和合作。在这种背景下，欧盟启动一个军民两用、并与现有的卫星导航系统相兼容的全球卫星导航计划——“伽利略”（GALILEO）计划。

欧盟在1992年2月首次提出“伽利略”计划。计划分成四个阶段：论证阶段，时间为2000年；系统研制阶段，包括研制卫星及地面设施、系统在轨确认，时间为2001～2005年；星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006～2007年；运营阶段，从2008年开始。“伽利略”计划投资预算约为32.5亿欧元，服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。其服务方式包括开放服务、商业服务和官方服务三个方面。

“伽利略”系统的基本结构包括星座与地面设施、服务中心、用户接收机等。卫星星座将由30个颗卫星（27颗工作卫星和3颗备用卫星）组成，卫星采用中等地球轨道，均匀分布在高度约为23616Km的3个中高度圆轨道面上，倾角56°。地面控制设施包括卫星控制中心和提供各项服务所必需的地面设施，用于管理卫星星座及测定和传播集成信号。卫星的设计寿命为20年，卫星信号将采用4种位于L波段的多载频来发射，其频率分别为：

E5a：1176.45MH2

E5b：1207.14MHz

Eb： 1278.75MHz；

E2-L1 -E1：1575.42MHz

“GALILEO”系统的主要特点是，向用户提供公开服务、安全服务、商业服务、政府服务等不同模式的多服务。它除具有与GPS系统相同的全球导航定位功能以外，还具有全球搜寻援救(SAR，arch and rescue)功能。为此，每颗“GALILEO”卫星还装备一种援救收发器，接收来自遇险用户的求援信号，并将它转发给地面援救协调中心，后者组织对遇险用户的援救。与此同时，“GALILEO”系统还向遇险用户发给援救安排通报，以便遇险用户等待援救。“GALILEO”接收机不仅可以接收本系统信号，而且可以接收GPS和GLONASS这两大系统的信号，并且实现导航功能和移动电话功能的结合。

我国政府与欧盟在“伽利略”导航定位系统方面进行了深层次的合作。2003年9月18日，我国科技部与欧盟能源交通司草签了合作协议。双方在伽利略计划的实施过程中将开展广泛的合作，合作领域包括卫星的制造和发射、无线电传播环境实验、地面系统、接收机标准等。