星际导航系统研探.doc

星际导航系统研探罗涛中国民航飞行学院洛阳分院471000摘要随着科技的进步，人们的生活日新月异以前作为高科技应用的授时服 务和导航定位服务不但成为普通民众的H常需求，渗透到社会活动和方方面面， 而且因为其重要的战略意义和军事用途，也成为各国角逐的新战场木文介绍了 当今几种主要的GNSS系统，通过分析、探讨其系统组成、实际应用和发展方向， 希望可以使读者对GNSS有一个较为全面的了解关键词星际导航GNSS GPS授时北斗 引言星际导航系统，也就是通常意义上的全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System)简称GNSS,即利用导航卫星发射的无线电信号，求 出载体相对卫星的位置，再根据己知的卫星相对地面的位置，计算并确定载体在 地球上的位置的技术，简而言之就是采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用 户进行导航定位的技术目前投入使用的有美国的全球定位系统GPS (Globle Positioning System)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、中国的北斗(COMPASS)系统 等GNSS的系统组成及星钟 系统组成GNSS全球卫星导航系统由三部分组成：空间系统、地面控制系统、客户终端。

空间系统空间系统就是由多颗卫星按照一定的系统设定所组成的卫星 星座，且每颗卫星都发射包含时间、位置信息的连续的编码卫星的位置、姿态、 时钟、星历等受控于地面的主控系统如GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20 200km 的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾角为55°此外, 还有4颗有源备份卫星在轨运行卫星的分布使得在全球任何地方、任何吋间 都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象这就提供 了在时间上连续的全球导航能力地面监控系统地面监控部分由主控站，监测站和地面数据上传站组成监测站 均配装有精密的原子钟和能够连续测量到所有可见卫星的全星接受机监测站将 取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站主 控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道并与系统的吋间参数叠加，把运 算结果发送到地面数据上传站地面上传站在每颗卫星运行至上空吋，开始上传 这些导航数据及主控站指令到每颗卫星，在卫星离开上传站点的作用范围之前完 成数据注入这种注入数据的操作会定吋进行，卫星中预存的导航信息会一直保 存至下次数据更新，所以，卫星所得信息的更新程度关乎其导航精度。

例如， 在GPS系统中，GPS的地面监控系统包括一个主控站、三个数据上传站和五个监 测站，三个数据上传站能够每天把所有卫星上的信息更新一遍星钟对于整个GNSS系统而言，冇统一、准确的吋间概念是至关重要的， 系统内所有正确计算的基础必须基于一个统一的吋间GNSS系统内负责校吋的 关键部件就是星钟，S前在用的所奋系统内使用的都是原子钟根据采用原子种 类的不同分为：氢(Hactare)原子钟、铯(Seterium)原子钟、蜘(Russium)原子钟各国全球卫星导航系统发展情况 美国GPS最早投入使用的卫星导航系统，前身为1964年建成采用多普勒测速定 位原理的“子午仪”卫星导航系统早期主要为海军服务，1967年幵始民用 通过不断发展、升级、更新，最后进化成为现今使用的GPS系统，采用码分多址 (CDMA)技术，根据调制码来区分不同卫星是占据全球95%市场份额的卫星 导航系统，也是B前系统最完善、稳定的卫星导航系统但因苏军事背景和奋中 断服务、干扰卫星精度的先例出现，是导致苏它国谋求独立发展本国GNSS的主 要原因俄罗斯GLONASS格洛纳斯(GLONASS)项0是苏联在1976年启动的项0，现今由俄罗斯 维护。

格洛纳斯系统将使用24颗卫星实现全球定位服务，可提供高精度的三维 空间和速度信息，也提供授吋服务按照设计，格洛纳斯星座卫星由中轨道的 24颗卫星组成，包括21颗工作星和3颗备份星，分布于3个圆形轨道面上，轨 道高度19100千米，倾角64.8°和GPS系统不同,格洛纳斯系统使用频分 多址(FDMA)的方式格洛纳斯系统设计定位精度为在95%的概率条件下，水平 向为100米，垂直向为150米中国北斗卫星导航系统(COMPASS)北斗卫星导航系统(BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System )是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统空间端包括5颗静 止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫 星和七颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航 系统与苏它系统相比，北斗系统最突出的特点是具有短报文通信功能，一次可 传送多达120个汉字的讯息四、GNSS的应用以及发展趋势1、应用整体来说，只要终端涉及定位、导航和时频领域等信息的使用，就会 有GNSS需求包括精确授吋、工程施工、勘探测绘、精确制导、路径导航、 车辆防盗、电子地图等等，几乎包含现代社会的方方面面。

发展趋势从近年来GNSS系统升级方向和现代社会应用的需求来看，其发展趋 势主要有以下几个方面：A、小型化不但终端越来越小，并且星钟的体积也越来越小，新型的 CPT原子钟有可能投入使用CPT原子钟是利用原子的相干布局闪禁原理而实现 的一种新型原子钟，也是B前从原理上唯一可实现微型化的原子钟，其体积、功 耗比目前体积、功耗最小的铷原子钟相比还要小得多最小的CPT原子钟可成手表尺\T,并用纽扣电池供电一旦投入使用，可有效减少卫星的载重负荷B、多系统兼容每套独立的GNSS其实际投入使用的卫星数量有限， 而终端精度的确定与所获得卫星信息的数量有一定关联，系统可靠程度也取决于 终端捕获的卫星数量通过提升系统能力，接收、运算多套GNSS系统的卫星信 号，就会使得终端用户可得到更加稳定、精确的信息这一趋势是后进国家大多 采用的策略在伽利略系统(Galileo)设计之初，就具备接收、处理、运算GPS、 GLONASS卫星信号的能力苏系统可以采集苏它系统的数据或者通过各个系统数 据的组合来实现定位导航的要求五、结语随着现代社会的发展，GNSS系统重要的战略意义、巨大的经济前景, 愈发引起世界各国的重视日本、以色列、印度等国家都有计划发展本国的GNSS， 但冇限的频率资源和空间资源，为后来者筑起一道高高的门槛。

希望在不久的将 来,通过各方努力，能出现一个没有国界的为世界提供标准服务的GNSS,成为全 人类的福址。