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卫星与网络：导航定位卫星
解放军理工大学 文⊙贺超 李勇 刘跃宣
1 卫星导航定位系统组成及作用
卫星导航定位系统是以卫星为导航台的无线电导航系统，通常由卫星、地面支持网和用户设备3 大部分组成。
(1)卫星：作为空间导航台，它接收和贮存地面站制备的导航信息，再向用户发射。它还接收来自地面站的控制指令并向地面站发射卫星遥测数据，以便地面站了解卫星状况。
(2)地面支持网：由多种地面站和计算中心组成，其功能是收集来自卫星及与系统工作有关的信息数据并进行处理，产生导航信号和控制指令，再由地面注入站发射给卫星。
(3)用户设备：功能是接收和处理卫星发射的导航信号，进行定位计算，为用户提供高精度、连续的三维位置(经度、纬度、高度)、三维速度和时间等信息。
卫星导航定位系统是一个庞大而且复杂的系统。在一定的空间轨道上配置一定数量的卫星，就可实现从地面、近地空间并延至外层空间的全球性连续导航服务，且不受气象条件、昼夜和地形地物的影响。导航定位系统的基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。无论是在民用领域还是在军事应用领域，卫星导航定位技术已基本取代了无线电导航、天文测量和传统大地测量技术，并推动了全新的导航定位领域，成为人类活动中普遍采用的导航定位技术，并在精度、实时性和全天候等方面对这一领域产生了革命性的影响。
2 典型的导航定位卫星系统
2.1 GPS
2.1.1 GPS 系统组成
GPS系统由空间星座部分、地面测控部分和用户设备3 个部分组成。
2.1.1.1 空间星座部分
GPS 系统的空间部分由空间GPS卫星星座组成，如图1 所示。GPS 卫星星座原计划是将24 颗卫星均匀分布在6个不同的轨道平面上(21 颗正式的工作卫星+ 3 颗活动的备用卫星)。而发展到今天，在轨道上运行的卫星数量已经达到28 颗。6 个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 °，周期11h 58min。保证在24h，在高度角15°以上，能够同时观测到4～8 颗卫星。
2.1.1.2 控制部分控制部分包括地球上所有监测与控制卫星的设施。GPS 运行控制系统(OCS)包括5个监测站、3个注入站和1 个主控站，如图2 所示。
主控站设在美国C o l o r a d o 州的Falcon空军基地，一天24h从监测站接收数据，用以确定卫星是否有时钟或者年历变化以及检测设备功能是否正常。主控站根据监测信号的计算结果，每天向卫星发送1、2 次新的导航与位置推算历信息。监测站设在Colorado Springs、夏威夷、Ascencion Island、Diego Garcia和Kwajalein。无源监测站实质上是用以跟踪可视卫星的GPS 接收机，可汇集卫星信号的测距数据。监测站测量来自卫星的信号，并注入每颗卫星的轨道模型。卫星轨道模型可用以计算精密的轨道数据以及卫星时钟的修正。主控站向卫星传送天文历和时钟数据。然后，卫星通过无线电信号将轨道的无文历数据子集发送到GPS 接收机。
注入站(3 个)，作用是将导航电文注入GPS 卫星，地点设在阿松森群岛(大西洋)、迪戈加西亚(印度洋)和卡瓦加兰(太平洋)。
2.1.1.3 用户部分GPS 用户部分包括GPS 接收机和用户团体。GPS接收机的体积很小，仅使用几个集成电路，所以造价也较低，这是它能够广泛应用的基础。GPS系统可提供GPS 接收机能够处理的特殊编码卫星信号，用以计算位置、速度和时间。它有多种分类方法，从功能的角度出发，GPS 接收机可提供导航、定位、定时和测量等功能。按照载波频率也可分为单频接收机、双频接收机；按照接收机通道数，可以分为多通道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机；按照接收机工作原理，又可分为码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机、干涉型接收机。现在已有适用于飞机、轮船、地面交通工具和个人手提的导航接收机。
2.1.2 定位原理
2.1.2.1 单点定位
根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距测量。
伪距是指卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得到的量测距离，如图3 所示。计算公式为：D=c*Δt,其中Δt=t2-t1
如图4 所示，假设用户位于P 点，首先可以得到GPS卫星的位置；其次，我们又能准确测定P 至卫星之间的距离，那么P 点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点P 至另一卫星的距离，则P点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定P 点只能是在3个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。
GPS 系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使之与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。GPS接收机中的时钟，不可能像在卫星上那样，设置昂贵的原子钟，所以就利用测定第4 颗卫星，在计算过程中校准GPS接收机的时钟。单点定位的精度范围在15～30m。
2.1.2.2 差分定位
其中又包括载波相位精密测距和差分技术相对定位。
前者主要针对载波的相位差进行测量，又称为RTK 技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。首先由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS 卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出定位结果。
差分技术相对定位主要是指在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。
2.2 GLONASS
2.2.1 系统组成
全球导航卫星系统(GLONASS，GLObal NAvigation Satellite System)是前苏联从上世纪80年代初开始建设的与美国 GPS 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3 部分组成。
1982 年，GLONASS 的第一颗卫星升空，从此开始应用于测量与导航领域。GLONASS 的卫星星座由24颗卫星组成，与GPS 一样，GLONASS包括21 颗工作卫星和3 颗备用卫星，均匀分布在3 个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8 颗卫星，轨道高度19100km，运行周期11h15min(恒星时)，轨道倾角64.8 °。卫星信号频率为1.6GHz 和1.2GHz。2005 年12 月25 日，俄航天部队与俄航天局在拜科努尔发射场的81 号发射台成功发射了载有3 颗GLONASS 卫星的“质子-K”运载火箭。目前这3颗卫星运转正常，这样GLONASS有17枚在轨卫星。
2.2.2 GLONASS 与GPS 的比较
(1)在定位技术方面，GLONASS与GPS 的原理相同，即以精确的定时和卫星量程计算为基准来进行。所需的精确定时由每颗卫星上的多个原子钟来提供。每个卫星使用两个频率(频段)来传送。民用代码(仅在较低频率上)和军用代码均调制在这些频率上。GLONASS卫星发送两个伪随机噪声代码：一个代码是民用码SPS(标准定位服务，相当于GPS 中的C ／ A)，其码率为511kbit ／ s；另一个代码是机密的军用码PPS(精密定位服务，相当于GPS 的P)，其码率为5.11Mbit/s。码率数值越高，定位精度也越高，GLONASS 的码率大约为GPS 的一半，因此只有当GPS 的精度受S A (选择可用性)的约束时，GLONASS 才会表现出定位精度的优势。另外，GLONASS 采用了较少的卫星数量，而且卫星轨道倾斜度较高，可适用于较高纬度的地区。
(2)GLONASS 接收机的工作原理与GPS接收机大致相当。接收机生成一份代码(已知)，并与从卫星接收的代码比较，得出内部代码的时间差代表卫星信号的传播时间。测量的时间乘以光速即可求得至卫星的距离。以同样的方法测量至3 颗卫星的距离可得出三维位置，另外还需要通过测量至第4颗卫星的距离来解决接收机中的时钟问题。
(3)GLONASS 与GPS 除了采用不同的时间系统和坐标系统以外，二者之间的最大区别是：所有GPS 卫星的信号发射频率是相同的，而不同的GPS卫星发射的伪随机噪声码(PRN)是不同的，用户以此来区分卫星，称为码分多址(CDMA)；而所有GLONASS 卫星发射的伪随机噪声码是相同的，不同卫星的发射频率是不同的，用以区分不同的卫星，称为频分多址(FDMA)。关于GPS 与GLONASS 的更多相同和不同之处如表1 所示。
2.2.3 GLONASS 的未来发展
为进一步提高Glonass 的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划用4 年时间将其更新为Glonass-M 系统。内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统高的定位精度：位置精度提高到10～15m，定时精度提高到20～30ns，速度精度达到0.01m／ s。另外，俄计划将系统发播频率改为GPS的频率，并得到美罗克威尔公司的技术支援。GLONASS 的主要用途是导航定位，当然与GPS 一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。
2.3 Galileo 系统
伽利略计划是由欧盟委员会(EC)和欧洲空间局(ESA)共同发起并组织实施的欧洲民用卫星导航计划,旨在建立欧洲自主、独立的民用全球卫星导航定位系统,总投资约35亿欧元,预计在2008 年部署完成。该系统是一种开放式的以民用为主的卫星系统。中国作为第一个非欧盟成员国参加了伽利略卫星导航计划,并承诺向该计划投入2亿欧元，中方企业还将参与未来伽利略计划特许经营(GOC)，并将投入其余的1.3亿欧元,用于开展部署阶段的工作。2005 年12 月27 日，首颗伽利略试验卫星成功发射升空。原计划于2006 年发射的第二颗卫星，将推迟至2007 年初发射。
计划中的伽利略系统空间部分由30 颗(27 颗工作星＋ 3 颗活动星)中轨道卫星(MEO)组成。30 颗卫星分布在离地23616km 高的3 个圆形轨道上轨道倾角56 度，如图5 所示。每个轨道上的卫星有一个是活动卫星，该卫星可以在同一轨道面内机动移动到任一卫星位置，以替代故障卫星，从而极大的提高了系统的可靠性。卫星重量在650kg，功耗为1.7kw。
在建议的体系结构中，主要的挑战在于定时问题，即时间同步。轨道的计算在地面上进行。其空间信号等效于GPS Block-IIF 卫星上的信号，具有在L频段上和GPS兼容的多频体制，在无增强下可以达到10m 精度。
Galileo系统提供3种等级的性能：全球(提供世界范围的覆盖)、地区(提供欧洲范围的覆盖)、局域(提供机场或城区的覆盖)。Galileo系统还定义了3 种类型的业务： 开放接入业务(OAS)：向所有民用用户开放的免费业务；一类控制接入业务(CAS1)：为商业应用提供的并实施控制接入的有偿服务；二类控制接入业务(CAS2)：为安全和军事应用提供的并实施控制接入的有偿服务。CAS 2 可实现水平4m、垂直16m 的精度。所有这三类服务的精度都优于10m，最高精度比美国GPS 高10 倍，确定物体的误差范围将在1m之内，甚至还能提供即时的定位信息。
2.4 中国第一代CNSS
2003 年5 月25 日零时34分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空，运行至今导航定位系统工作稳定，状态良好。这次发射的是导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。这标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，在世界上第3 个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。
北斗导航定位系统(CNSS)是全天候提供卫星导航定位信息的区域性导航定位系统，该系统同样是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端3部分构成。“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°～55°，东经70°～140°之间的心脏地区，最宽处在北纬3 5°左右。其定位精度为水平精度1 0 0 m，设立标校站(类似差分状态)之后为20m。工作频率为2491.75MHz。系统能容纳的用户数为540000 户/ 小时。
北斗双星定位系统是一种有源定位方式，双星对用户双向测距如图6所示，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。与G P S 和GLONASS 不同的是，在定位过程中，“北斗一号”用户应首先发射需要定位的信号，通过卫星转发至地面控制中心，地面控制中心解算出位置后再通过卫星转发给用户； 而G P S 和GLONASS 只需要接收4 个卫星的位置信息，由自己解算出三维坐标。该系统可实现快速导航定位、双向简短报文通信和定时授时三大功能，其中后两项功能是GPS所不能提供的。由于需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，使该系统用户容量、导航定位维数、隐蔽性方面受到限制，CNSS在体制上不能与国际上的GPS、GLONASS及Galileo系统兼容。因此，在一代导航定位卫星的基础上，我国已经开始开发第二代导航系统，以满足经济、军事的长远需要。
3 发展趋势
3.1 关键技术发展趋势
3.1.1 接收机芯片技术
芯片是导航接收系统中关键的部件之一。为了适应卫星导航发展的需要，导航芯片将逐渐做到小型化、高灵敏度、低功耗和低价位，那么相应的接收机单片化成为了一个必然的发展趋势。同时A-GPS 技术成为GPS 芯片总体设计的重要依据，它能够更好的满足大众化需求，并适应在室内外等恶劣环境下的应用。未来的芯片还会采取16 或更多的信道，以解决不同导航系统的兼容性，也为与无线通信的融合和增强系统形成共用信道奠定基础。
3.1.2 通信链路技术
未来的卫星导航定位系统的星历自主更新能力、抗摧毁能力和星历精度将进一步得到提高。星间链路频谱选择和抗干扰研究将进一步加强，星间链路以高可靠性运行，双向链路将被采用。新的高速上行链路、下行链路和星间链路通信结构将被采用，这将有可能引起导航卫星系统的运行发生变革。自主导航仿真、频率调整、干扰和激光链路仿真等研究工作将得到进一步加强。
3.1.3 星载原子钟
更加成熟的电子技术将使星载原子钟的稳定度得到进一步提高，老化系数更小，质量更轻，体积更小，可批量生产。预计到2007 年左右数字铷钟和激光泵铯钟将在G P S 卫星上使用，2009 年左右空间线性离子阱系统将在GPS 卫星上使用。
3.2 系统的发展趋势
未来若干年内，导航卫星系统完好性监测技术得到进一步完善。通过执行中断监控、检测、确认、告警和纠正来提供导航解决方案的完好性。卫星导航应用也将从单一的GPS 时代转变为多星座(GPS/GLONASS/北斗/伽利略)并存兼容的GNSS 时代；从以车辆应用为主转变为个人消费应用为主；从经销应用产品为主逐步转变为运营服务为主的服务产业化新时期。
军事应用领域，为了适应未来战争发展的需要，卫星导航系统必须要有更好的抗电子干扰能力。同时还应该具备反应迅速，使用灵活，便于和其它武器设备兼容等特点。同时，导航定位系统应能够针对不同级别的用户提供相应的使用范围，限制使用权限，以提高系统的安全性，使其更加适应军事指挥和战略部署的需要。
4 结束语
卫星导航定位系统无论是在促进我国经济发展和科技进步等民用领域，还是在我们的军事斗争准备方面都有着十分重要的作用。要大力发展我国的卫星导航定位系统，首先要确保导航定位的高精确度，在此基础上，大力普及民用接收机，坚持市场导向，全面推进卫星应用产业化发展，使军用和民用相得益彰。其次，既要立足世界各国的导航卫星发展现状，充分考虑目前的区域系统将来发展为全球化的可能性，以长远的眼光大力发展我国的卫星导航事业；同时又要着眼于我国的实际情况，走先区域后全球化的发展道路，确保现有的系统与未来全球系统在体制上可以相互兼容，实现平稳过渡。
参考资料：www.gogle.com