第4章卫星定位系统.doc

第4章 卫星定位系统4.1 引言全球卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成的，利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统[1]如今，GPS已经成为世界上最实用，也是应用最广泛的全球卫星定位系统本章以介绍GPS的工作原理为主，同时结合最新的发展，介绍我国的双星定位系统、俄国的GLONASS卫星定位系统、欧洲的伽利略卫星定位系统，使读者对卫星定位系统有一个总体的了解，并且能够具体深入地掌握其相关技术内容全球卫星定位系统具有全天候、高精度、自动化、高效益、性能好、应用广等显著特点，是迄今最好的导航定位系统之一，获得了日益广泛的应用随着多种全球卫星定位系统的不断改进、升级，硬、软件的不断完善，应用范围也正在不断地扩大目前全球卫星定位系统已进入国民经济各部门，应用领域遍及海、陆、空、天，在军民两个市场发挥着越来越大的作用，并开始逐步深入人们的日常生活4.1.1 卫星定位系统的由来和发展1958年，美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务的精确定位问题，开始研制军用导航卫星，命名为“子午仪计划”。

美国“子午仪”卫星导航系统[3]，也称海军卫星导航系统(NN3S)，是世界上最早研制并试验成功的卫星导航系统，该系统由美国海军和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制在1957年应用物理实验室的研究人员对前苏联发射的第一颗人造地球卫星的观测中，发现地面接收站的位置一定时，卫星通过接收站视界的时间内，所接收的无线电信号多普勒频移曲线与卫星的轨道有一一对应关系这意味固定于地面的接收站，只要测得卫星通过其视界期间的多普勒频移曲线，就可确定卫星的轨道若卫星运行轨道是已知的那么根据接收站测得的多普勒频移曲线，便能确定接收站在地面的位置于是提出了研制卫星导航系统的建议1958年12月正式开始研制海军导航卫星系统1964年1月该系统正式投入使用，1967年7月美国政府宣布该系统兼供民用该系统能在全球范围内，全天候提供二维(经度、纬度)定位，定位精度0.1n mile～0.3nmile但它不能连续定位一次定位时间又较长，且不能确定用户的位置高度，因此使用受到限制子午仪”的导航卫星是低轨道导航卫星，它集中了远程无线电导航台全球覆盖和近程无线电导航台定位精度高的优点，仅用4颗卫星组成的太空导航星座，就能提供全天候全球导航覆盖和周期性二维（经纬度）定位能力，使全球用户统一于地心坐标系进行高精度定位，使得导航技术产生了革命性突破。

1960年晚些时候，前苏联军方确认需要一个卫星导航系统用于规划中新一代弹道导弹的精确导引1968～1976年，前苏联经过多部门联合攻坚，终于颁布法令建立GLONASS系统[2]，GLONASS为全球导航卫星系统首字母的简写，因此俄罗斯全球卫星定位系统研究基本上与美国同步展开GLONASS的第一颗卫星于1982年发射入轨，原计划1991年建成完整的工作系统，随着前苏联巨变和“冷战”结束，俄罗斯继承了该系统的继续开发，但由于经济因素，该系统的进展一直不佳现在的GPS卫星导航系统源于1970年美国国防部门的构思，它包含了三大部分，就是GPS卫星，GPS接收机和地面综合控制系统卫星不断地发射经过编码的高频率无限电电波讯号，通过GPS接收机，将含有关于卫星运行轨道信息和卫星上原子钟脉冲时间信息的信号解码后，计算出使用者的地理位置4.1.2 GPS全球卫星定位系统发展1973年美国开始研制导航星系统(NAVSTAR)，也称全球卫星定位系统(GPS)此系统比起子午仪系统有更高的全球定位精度，且能连续提供三维位置(经度、纬度、高度)、三维速度和精确时间，实现连续实时的导航定位GPS系统的研制分为三个阶段，第一阶段(1973年～1978年)是方案论证阶段，第二阶段(1979年～1985年)工程研制和系统试验阶段，测试结果表明系统达到预定设计目标。

第三阶段为改善系统性能，整个系统投入使用阶段1993年12月系统达到初始运行能力，1995年4月系统达到全运行能力该系统建成运行后，成为美国极其重要的无线电导航系统GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代它具有如下特点：定位精度高；观测时间短；执行操作简便；全球、全天候作业；功能多、应用广；抗干扰性能好、保密性强4.1.3 其它国家卫星定位系统的发展概况由于GPS系统由美国军方控制，因此对于国内外用户的应用精度有差别，对于军用和民用的精度也有差别由于全球卫星定位系统涉及到军事应用以及巨大商业利益，因此许多国家都决心打造自己的全球或者局域卫星导航系统，摆脱或者部分摆脱对美国GPS系统的依赖在上世纪90年代，欧盟和欧洲航天局已就全球卫星导航系统进行了长达5年的可行性论证在2002年3月26日的欧洲首脑峰会上，欧盟启动实施“伽利略”计划，进入实质操作阶段伽利略”是现代科学技术，特别是空间技术及其应用技术的综合应用，在开发过程中会实现一系列技术突破和创新随着“伽利略”系统的建设和运作，将带来巨大的经济和社会效益俄罗斯建立的GLONASS全球卫星导航系统，由于国内商业应用方面开发不足、经济力量薄弱以及政治变迁等原因，使得导航星过少而不能独立工作。

俄罗斯在2004年底和印度达成协议，共同完善和提升GLONASS系统，将强大的卫星导航系统充分利用起来，并实现其商业运作据俄罗斯卫星服务开发商称，GLONASS实用卫星星座有望在2007年后实现上世纪80年代初，我国卫星导航的先驱、863计划倡导者之一陈芳允院士提出了利用两颗导航卫星定位的构想，该构想的可行性经过多年论证，并获得肯定1994年国家批准建设第一代卫星导航定位系统2000年，我国成功发射“北斗一号”两颗工作卫星，2003年5月24日发射第三颗“北斗一号”卫星作为备用星由此我国成为世界上继美国、俄罗斯之后，第三个拥有卫星导航系统的国家日本科学与技术厅于1996年提出建立一个区域性导航卫星系统[4]的计划，通过在通信卫星上搭载导航载荷来实现,其星座将由一个地球静止轨道卫星和个或多个低轨道卫星组成日本计划在2008年研制出自己的卫星定位系统，并投入使用，其中一颗常年覆盖日本上空的静止卫星，将成为高精度定位和移动通信的中心4.2 GPS全球卫星定位系统的组成和工作原理GPS系统是美国继“阿波罗登月”和航天飞机之后的又一个复杂、庞大的系统工程，它主要包含三个部分，即空间卫星星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

4.2.1 GPS定位系统组成1. 空间卫星星座部分前期的GPS全球卫星导航定位系统使用的是(18十3)星座，其中3颗是备用星，18颗星布置在6条近圆轨道上，轨道高度20183km，倾角55°，升交点赤经相互间隔60°，每条轨道上均匀分布3颗卫星，运行周期11小时58分钟两条轨道上的卫星相隔40°，每隔一条轨道配置一颗备用星卫星轨道的详细配置情况如图4.1所示图4.1 早期GPS星座 图4.2 改善后的24星星座由于(18十3)星座存在着覆盖不良的情况，90年代中期，美国将(18十3)星座扩展为24星[5]，其中包括3颗备用卫星，其配置如图4.2所示工作卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55度，各轨道平面升交点的赤经相差60度，在相邻轨道上，卫星升交点赤经相互间隔30°轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分因此，同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟同时位于地平线以上的卫星数目视时间和地点而定，最少为6颗，最多可达11颗24星的配置星座情况如改善了GPS性能空间部分的3颗备用卫星，将在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效地工作是极其重要的。

GPS卫星的五种基本功能[5]如下：① 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令② 卫星上设有微处理器，进行部分必要的数据处理工作③ 通过星载的高精度原子钟（铷钟秒稳定度σs=/秒，日稳定度σd=/日,日漂移＝,重量5.44公斤，功耗＝39瓦）提供精密的时间标准④ 向用户发送导航与定位信息；⑤ 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和位置GPS卫星本身从卫星导航系统建设开始，就一直处于不断的更新和完善之中迄今，空间的GPS卫星已包含了两代卫星，请参考图4.3和图4.4 图4.3 前期工作卫星和正常工作卫星 图4.4 新近发射的卫星和将来改进的卫星第一代为11颗实验卫星，用于全球卫星定位系统的实验，第二代为正式工作的GPS导航卫星及其各种改进型卫星2．地面监控部分GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，测站、主控站和信息注入站其分布如图4.5所示图4.5 GPS地面监测站分布主控站一个，设在美国的科罗拉多主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作，此外还完成下面的一些主要任务：l 根据本站与其它监测站的所有观调资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送给注入站。

l 提供全球卫星定位系统的时间基准各监测站内的原子钟均与主控站的原子钟同步或测出其间的时钟差，并把这些钟差信息编入导航电文送到注入站l 调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行l 启用GPS备用卫星工作以代替失的GPS卫星注入站有3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚、南大西洋的阿松森群岛和南太平洋的卡瓦加兰其主要任务是在主控站的控制下，每12h将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等注入到GPS卫星的存储系统注入站还负责监测注入卫星的导航信息是否正确监测站有5个，设在主控站、注入站和夏威夷，它们是在主控站直接控制下的数据自动采集中心在主控站的控制下跟踪接收卫星发射的L波段双频信号，以采集数据和监测卫星的工作状况监测站设有原子钟，与主控站原子钟同步，作为精密时间基准原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据所有观测资料由计算机进行初步处理，然后存储和传送到主控站，用以确定卫星的精密轨道图4.6和图4.7分别为整个GPS导航系统的组成框图和数据流图 图4.6 导航星系统的组成框图 图4.7 导航星系统数据流图3．用户设备用户设备包括天线、接收机、微处理机、数据处理软件、控制显示设备等，有时也通称为GPS接收机。

用户设备的主要任务是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息以及观测量，并经数据处理进行导航和定位工作由于GPS接收机应用领域和方式多种多样，根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异，因此GPS接收机也有多种不同类型下面列出GPS接收机的一些分类方法及类型：l 按载体分类：弹载、机载、车载、手持等；l 按用途分类：导航、测量、授时等；l 按通道分类：单通道、双通道、多通道等；l 按信息码分类：P码、C/A码、无码等；l 按频率分类：单频、双频等；l 按测量方法分类：伪距法，多普勒法，载波相位法l 按保密程度分类：军用、民用等；l 按动态能力分类：高动态、中动态、低动态等下面给出几种类型的GPS接收机图4.8 早期和新式的台式接收机：GARMIN GPS100 SRVY II和NovAtel－DL-4图4.9 手持式接收机和车载导航接收机系统：AgGPS132、GeoExplorer 3/3c和车载系统。