第10章衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng),10.1美國的GPS10.2俄國的GLONASS10.3歐洲的伽利略系統(tǒng)10.4中國的北斗系統(tǒng),10.1GPS,全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,GPS)是美國從20世紀(jì)70年代開始研制的，耗資300億美元，于1994年全面建成，是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS由一組運(yùn)行在高度20200km的傾斜圓軌道上的24顆衛(wèi)星組成。地面通過接收來自至少4顆衛(wèi)星的信號，以精確確定接收點(diǎn)的位置(經(jīng)度、緯度、高度)。,GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成：空間部分：GPS星座地面控制部分：地面監(jiān)控系統(tǒng)一個主控站，5個全球監(jiān)測站和3個地面控制站組成。對衛(wèi)星的運(yùn)行軌道和時(shí)鐘做精確調(diào)整和控制。用戶設(shè)備部分：GPS信號接收機(jī)。在GPS中使用單向傳輸，只有從衛(wèi)星到用戶的鏈路，用戶不需要發(fā)射機(jī)，只需要一個GPS接收機(jī)即可。,GPS的基本原理,GPS的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出，每一顆衛(wèi)星都會廣播其星歷表。用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到。由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）。,當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的粗/截獲碼（C/A碼）和軍用的精密碼（P碼），P碼加密后構(gòu)成Y碼，因此常將精密碼記為P(Y)碼。,C/A碼是Gold碼，碼長1023，頻率1.023MHz，重復(fù)周期1毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m。C/A碼主要開放給民間使用。P碼用4個12位移位寄存器的PN序列產(chǎn)生，重復(fù)周期266.4天，被截?cái)喑?8個短序列，每個序列碼長6.1871012，頻率10.23MHz，重復(fù)周期7天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。P碼因頻率較高，不易受干擾，定位精度高，因此受美國軍方管制，并設(shè)有密碼，一般民間無法解讀，主要為美國軍方服務(wù)。通信中，每顆衛(wèi)星用不同的序列。,首先，用戶通過衛(wèi)星發(fā)射的偽碼與本地偽碼的相關(guān)運(yùn)算，可獲求得衛(wèi)星信號的傳輸時(shí)延。然后，用戶從接收到導(dǎo)航電文中，可以提取時(shí)間標(biāo)記，該標(biāo)記標(biāo)明發(fā)送信號什么時(shí)候離開的衛(wèi)星，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，可以推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，以及衛(wèi)星與用戶的距離，由此進(jìn)一步推導(dǎo)用戶在大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息。,可見GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個t即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。,差分GPS,DGPS(DifferentialGPS)。由于各種原因，GPS直接定位的精度并不太高。差分GPS是伴隨GPS產(chǎn)生而產(chǎn)生的用于局部區(qū)域改進(jìn)導(dǎo)航精度的一種技術(shù)。一個在已知測量位置的GPS接收機(jī)，將其GPS測量導(dǎo)出的解與其測量位置比較，得到改正項(xiàng)，將改正項(xiàng)發(fā)送至用戶，使用戶改進(jìn)他自己的位置解。以獲得精確的定位結(jié)果。,10.2GLONASS,“格洛納斯GLONASS”是俄語中“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”的縮寫。作用類似于美國的GPS定位系統(tǒng)。最早開發(fā)于蘇聯(lián)時(shí)期，后由俄羅斯繼續(xù)該計(jì)劃。俄羅斯1993年開始獨(dú)自建立本國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。初期只開放俄羅斯境內(nèi)衛(wèi)星定位及導(dǎo)航服務(wù)。該系統(tǒng)主要服務(wù)內(nèi)容包括確定陸地、海上及空中目標(biāo)的坐標(biāo)及運(yùn)動速度信息等。,GLONASS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)組成是24顆衛(wèi)星，覆蓋俄國全境至少18顆衛(wèi)星，軍民兩用?！案衤寮{斯”系統(tǒng)目前主要有幾個問題：一是在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量的不足，這主要是由于GLONASS衛(wèi)星的運(yùn)行壽命較短，和經(jīng)費(fèi)不足造成的。2008年2月，激活新衛(wèi)星后，該系統(tǒng)的工作衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到16顆。二是定位精度不夠，設(shè)計(jì)定位精度是高于GPS，但目前實(shí)際定位精度達(dá)不到要求。三是民用進(jìn)展緩慢，主要由于缺乏資金推廣和政策因素。,10.3伽利略系統(tǒng),1999年，歐洲提出“伽利略計(jì)劃”，主要是為了擺脫對美國GPS系統(tǒng)的依賴。該計(jì)劃準(zhǔn)備向高度為2.4萬公里的太空發(fā)射30顆衛(wèi)星，組成“伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng)。與GPS不同，該系統(tǒng)將主要服務(wù)于民用，提供誤差不超過1米的精確定位服務(wù)。伽利略系統(tǒng)考慮將與GPS、GLONASS的導(dǎo)航信號一起組成復(fù)合型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，因此用戶接收機(jī)將是多用途、兼容性接收機(jī)。,該系統(tǒng)是多國合作項(xiàng)目，2004年，中國承諾投入2億歐元參與“伽利略計(jì)劃”，是正式加入“伽利略計(jì)劃”的第一個非歐盟國家。該系統(tǒng)目前進(jìn)度嚴(yán)重滯后，而經(jīng)費(fèi)超支嚴(yán)重。截止2008年4月27，僅發(fā)射了兩顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。伽利略系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)精度比GPS高很多，但由于其進(jìn)度滯后，而美國一直在穩(wěn)步提高GPS系統(tǒng)，導(dǎo)致伽利略系統(tǒng)的商業(yè)前景不容樂觀。,10.4北斗,北斗的全稱是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BeidouNavigationSystem），或者北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BeidouSatelliteNavigationandPositioningSystem）。北斗是中國獨(dú)立開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在大力參與伽利略計(jì)劃的同時(shí)，中國始終沒有放棄開發(fā)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的努力。,自2000年10月至今年2月，中國已成功將4顆“北斗”導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入太空，由其組成的“北斗”導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、狀態(tài)良好，也稱為北斗一代，覆蓋區(qū)域僅包含東亞地區(qū)，重點(diǎn)是中國沿海地域，它還無法覆蓋中國全境。北斗一代使用4顆地球同步軌道衛(wèi)星，采取“主動式定位”。,北斗一代工作流程大致如下：1.北斗一代終端發(fā)送信號。2.每顆地球同步衛(wèi)星都接受到信號。3.每顆衛(wèi)星把其接收到信號的準(zhǔn)確時(shí)間回傳給地面站。4.地面站計(jì)算北斗終端的經(jīng)度和維度，并根據(jù)搜救地圖（reliefmap）確定高度。5.地面站把北斗終端的三維位置發(fā)送給衛(wèi)星。6.衛(wèi)星把計(jì)算好的位置傳輸給終端。,正在開發(fā)中的北斗二代系統(tǒng)是一個真正的全球系統(tǒng)。北斗二代包括35顆衛(wèi)星，其中五顆是地球同步軌道，其余30顆是中地軌道衛(wèi)星，能真正覆蓋全球。2007年4月開始，已開始逐步建設(shè)北斗二代系統(tǒng)。北斗二代系統(tǒng)是按照“被動式導(dǎo)航”設(shè)計(jì)的，即被導(dǎo)航物體不再需要發(fā)射信號，接收機(jī)只接收信號就能完成定位，且定位精度可以精確到厘米、毫米級。,北斗二代將提供兩層服務(wù)：開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測速和授時(shí)服務(wù)，定位精度將達(dá)到10米，時(shí)鐘同步精度達(dá)到50納秒，測速精度達(dá)到0.2米/秒，主要民用。授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測速、授時(shí)和通信服務(wù)，并可以向用戶反饋全系統(tǒng)狀況，主要用于軍事用途。,