浅谈GNSS的现状和发展.doc

浅谈GNSS的现状与发展一GNSS的定义全球导航卫星系统（GNSS）,英文名称“GlobalNavigationSatelliteSystem”，它是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合名词，是利用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天侯无线电导航系统目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS中国的Compass（北斗）、欧盟的Galileo系统，SBAS广域差分系统，DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统，QZSS准天顶卫星系统，GAGANGPS静地卫星增强系统等，可用的卫星数目达到100颗以上二GNSS的由来早在20世纪90年代中期开始，欧盟为了打破美国在卫星定位、导航、授时市场中的垄断地位，获取巨大的市场利益，增加欧洲人的就业机会，一直在致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划，称之为GlobalNavigationSatelliteSystemo该计划分两步实施：第一步是建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全球导航卫星系统（当时称为GNSS-1,即后来建成的EGNOS）；第二步是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统。

由此可见，GNSS从一问世起，就不是一个单一星座系统，而是一个包括GPS、GLONASS、Compass、Galileo等在内的综合星座系统众所周知，卫星是在天空中环绕地球而运行的，其全球性是不言而喻的；而全球导航是相对于陆基区域性导航而言，以此体现卫星导航的优越性下图为欧盟EGNOS广域差分系统网「静地卫星定轨观测网国际卫星元好性监卜航地面地球站HrmAOR-EFOCIORW广域差分观测网就wMissionControlCenter地面监.测J控^巾I」^系＞统:::::::::::三 早期的卫星定位技术卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术当初，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，由地面观测站对它进行摄影测量，测量测站至卫星的方向，建立卫星三角网；也可以用激光技术对卫星进行距离观测，测定测站至卫星的距离，建立卫星测距网这种对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量技术难以实现的远距离陆地海岛联测定位的问题20世纪60-70年代，美国国家大地测量局（NGS）在美国和德国测绘部门的协助下，用卫星三角测量的方法花了几年时间测设了由45个测站组成的全球三角网，点位精度5m但是这种观测方法受卫星可见条件及天气的影响，费时费力，不仅定位精度低，而且不能测得点位的地心坐标。

因此，卫星三角测量很快被卫星多普勒定位所取代，使卫星定位技术从把卫星作为空间观测目标的低级阶段，发展到了卫星动态已知点的高级阶段四 子午卫星导航系统的应用及其缺陷20世纪50年代末期，美国开始研制用多普勒卫星定位技术进行测速，定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统（NNSS）子午卫星导航系统的问世，开创了海空导航的新时代，揭开了卫星大地测量学的新篇章70年代，部分导航电文解密交付民用自此，卫星多普勒定位技术迅速兴起多普勒定位具有经济快速，精度均匀，不受天气和时间限制等优点只要在测点上能收到从子午卫星上发来的无线电信号，便可在地球表面的任何地方进行单点定位或联测定位，获得测站点的三维地心坐标在美国子午卫星导航系统建立的同时，前苏联也于1965年建立了一个卫星导航系统，叫做CICADA，有12颗所谓宇宙卫星NNSS和CICADA卫星导航系统虽然将导航和定位推向了一个新的发展阶段，但是它们仍然存在着一些明显的缺陷，比如卫星少，不能及时定位子午卫星导航系统采用6颗卫星，并能通过地球的南北极运行地面点上空子午卫星通过的间隔时间较长，而且低纬度地区每天的卫星通过次数远低于高纬度地区而对于同一地点两次子午卫星通过的间隔时间为0.8-1.6小时，对于同一子午卫星，每天通过次数最多为13次，间隔时间更长。

由于一台多普勒接收机一般需观测15次合格的卫星通过，才能使单点定位精度达到10米左右，而各个测站观测了公共的17次合格的卫星通过时，联测定位的精度才能达到0.5米左右间隔时间和观测时间长，不能为用户提供实时定位和导航服务，精度较低等限制了它的应用领域子午卫星轨道低（平均高度1070KM）,难以精密定轨，以及子午卫星射电频率低（400MHZ和150MHZ），难以补偿电离层效应的影响，致使卫星多普勒定位精度局限在米级水平（精度极限0.5-1m）五 GPS全球定位系统用子午卫星信号进行多普勒定位时，不仅观测时间长（需要一两天的观测时间），而且既不能进行连续，实时定位，又不能达到厘米级定位精度，因此其应用受到了较大的限制为了实现全天候，全球性和高精度的连续导航与定位，第二代卫星导航系统一一GPS全球定位系统应运而生1973年12月，美国国防部批准它的海陆空三军联合研制新的卫星导航系统：navigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem，其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS系统该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地，海洋，航空和航天），全球性，全天候，连续性和实时性的导航，定位和定时功能，能为用户提供精密的三维坐标，速度和时间。

自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证（1974-1978年），系统论证（1979-1987年），生产实验（1988-1993年）三个阶段总投资超过200亿美元整个系统分为卫星星座，地面控制和监测站，用户设备三大部分论证阶段共发射了11颗叫做BLOCKI的试验卫星，生产实验阶段发射BLOCKIIR型第三代卫星，GPS系统由此基础改建而成GPS卫星，其基本技术参数是：卫星颗数为21+3（截止2007年11月5日在轨的GPS卫星为31颗），卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200KM，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分（恒星时12小时），基准频率10.23MHZ，载波频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任何地方任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达11颗卫星GPS卫星星座示意图GPSGPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m重约774kg（其中包括310kg燃料），两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作的用电，每颗GPS卫星上装有4台高精度的原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。

原子种为GPS定位提供高精度的时间标准卫星的运行周期约为11恒星时58分，每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS用户正是利用这些信号来进行工作的GPS工作卫星对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点星的位置是依据卫星发射的星历一一描述卫星运动及其轨道的参数算得的每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都是由地面设备进行监测和控制地面监控系统另一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准一一GPS时间系统这就需要地面站监测每颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站，三个注入站和五个监测站主控站位于美国克罗拉多Colorado的法尔孔Falcon空军基地它的作用是根据各监控站根据GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星工作；另外主控站也具有监控站的功能监控站有五个除了主控站外其它四个分别位于夏威夷Hawaii、阿松森群岛Ascencion、迭哥伽西亚DiegoGarcia、卡瓦加兰Kwajalein。

监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态注入站有三个它们分别位于阿松森群岛Ascencion、迭哥伽西亚DiegoGarcia、卡瓦加兰Kwajalein注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去GPS卫星地面监控系统LI$阿松森爲Tf0监控站卩△注入站十▲主控站中""GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换，放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间GPS接收机，包括接收机硬件，机内软件以及GPS数据后处理软件包GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分对于测地型接收机来说，两个单元一般分为两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近适当的地方，用电缆线将二者连接成一体随着科学技术的进步，已经将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时安置在测站点上一体式GPS分体式GPS近几年，国内外GPS生产厂家生产出很多种类型的GPS测地型接收机。

各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+lppm*D，用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测GPS和GLOASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世六GLOASS全球卫星导航系统GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成现在由俄罗斯空间局管理GLONASS的起步比GPS晚9年从前苏联于1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星卫星开始，到1996年，历经周折，虽然遭遇了苏联解体，由俄罗斯接替部署，但始终没有终止GLOASS卫星的发射1995年进行三次成功发射，将9颗卫星送入轨道后，完成了24颗卫星加一颗备用卫星的布局经过数据的加载，调整和检验，已于1996年1月18日，整个系统开始正常运行然而，20世界90年代中期以来，由于卫星寿命短、资金短缺等原因，替补卫星不能如期发射、地面控制系统不能正常维修更新，致使系统故障发生的概率明显增加，提供的导航定位服务精度和可靠性变差。

2001年底卫星数量降到最低点（7颗），系统处于半瘫痪状态随着近几年俄罗斯经济的好转、大量民间用户的参与以及国外资金的到位，2002年〜2007年间，经过对空间卫星的几次补网2003年12月10日，第一颗GLONASS-M卫星入轨运行，并于2004年01月29日开始向广大用户发送导航定位信号（GLONASS-M卫星的导航电文增修了GPS与GLONASS之间的系统时间差GPS等8个参数）；这标志着GLONASS现代化迈出了坚实的第一步目前GLONASS在轨工作卫星共17颗，其中10颗为旧卫星，7颗为GLONASS-M新卫星此外，地面测控站设施也进行了一定的改进，系统定位、测速和授时精度都得到了改善，分别为定位精度10〜15m,测速精度0.01m/s,授时精度20〜30ns2007年5月18日俄罗斯总统又颁布最新总统令，主要内容为（1）继续发展完全免费的民用信号（2）确保提升GLONASS系统为政府战略决策服务的性能并建议俄罗斯航空局维持、发展和推广应用GLONASS全球坐标系统，建议政府机构制订GLONASS性能提升、GLONASS与其他GNSS进行兼容和互操作以及2012〜2020年间GLONASS新的发展计划等。