综述全球卫星导航系统.docx

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1、综述全球卫星导航系统全球四大卫星导航系统:美国的GPS欧盟的伽利略俄罗斯的格洛纳斯中国的 “北斗”1 .美国的GPS是英文Global Positioning System （全球定位系统）的简称；在机械领域GPS 则有此外一种含义：产品几何技术法律规范（Geometrical Product Specifications）-简称GPS。GPS 是20世纪70年月由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 其主要目的是为陆、 海、空三大领域供应实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等 一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的讨论试验，耗资

2、300亿美元，到 1994年3月，全球掩盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS是目前世界上最先进、 最完善的卫星导航系统与定位系统。GPS具有以下特点：全球、全天候工作，有24颗GPS卫星星座，全球掩盖率高达98%。高 精度定位，单击定位精度优于10m ,采纳差分定位，精度可达厘米级和毫米级。静态定位观测效率 高（快速省时高效率），快速静态相对定位测量时，当每个流淌站与基准站相距在15KM以内时，流 淌站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。应用广泛多功能，主要是为船 舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。同时，还应用于各种等级的大地测量、水下地形测量、地

3、 壳形变测量、大坝和大型建筑物变形监测，工程机械（轮胎吊，推土机等）掌握等。操作越来越简便， 随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达傻瓜化”的程度；接收机的体积越来 越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧急程度和劳动强度；使野外工作变得轻松开心。 定位精度高 应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6 ,100-500KM可达10-7 , 1000KM可达10-9。在300-1500m工程精密定位中,1小时以上观测的解其平面其平面 位置误差 小于1mm。观测时间短;随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静 态定位，仅需15

4、-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流淌站与基准站相距在15KM以内时,流淌站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。测站间无须通视；可供应 三维坐标；经典大地测量将平面与高程采纳不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐 标。目前GPS水准可满意四等水准测量的精度。操作简便；随着GPS接收机不断改进，自动化程 度越来越高，有的已达傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测 量工作者的工作紧急程度和劳动强度。使野外工作变得轻松开心。全天候作业；目前GPS观测可 在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响

5、。功能多、应 用广;GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0。1M/S ,测时的 精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。WGS-84坐标系是目前GPS所采纳的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH 1984.0定义的合同地球极方向,X轴 指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。GPS静态定位在测量中主要用于测定各种用途的掌握点。其中，较为常见的方面是采用GPS建立各 种类型和等级的掌握网，在这些方面，GPS技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段

6、。 较之于常规方法，GPS在布设掌握网方面具有以下一些特点：测量精度高：GPS观测的精度要明显 高于一般的常规测量手段，GPS基线向量的相对精度一般在10-5- 10-9之间，这是一般测量方法 很难达到的。选点敏捷、不需要造标、费用低：GPS测量不要求测站间相互通视，不需要建筑觇标, 作业成本低，大大降低了布网费用。全天侯作业：在任何时间、任何气候条件下，均可以进行GPS观 测，大大便利了测量作业，有利于按时、高效地完成掌握网的布设。观测时间短：采纳GPS布设一 般等级的掌握网时，在每个测站上的观测时间一般在12个小时左右，采纳快速静态定位的方法， 观测时间更短。观测、处理自动化采纳GPS布设

7、掌握网，观测工程和数据处理过程均是高度自动化 的。GPS的应用有：陆地应用；主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划掌握等。海洋应用；包括远洋船最佳航程航线测定、 船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。 航空航天应用；包括飞机导航、航空遥感姿势掌握、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航 天器防护探测等。一般说来，GPS系统主要由三个部分组成：空间部分GPS卫星星座地面掌握部分GPS 地面监控系统用户设施部分GPS信号接收机这三部分对GPS系统的正常工作所起的作用各不相 同,缺一不

8、行。GPS系统的空间星座部分是由(21+3 )颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，此外3颗为备用 卫星；这24颗卫星匀称分布在6个轨道平面内，每个轨道面包含4颗卫星；轨道面相对赤道面倾角 为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度；每个轨道平面内各颗卫 星之间的升交角距相差90度，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超 前30度；卫星轨道为椭圆形，平均高度约20220km ,运行周期大约11小时58分。GPS的地面 掌握部分主要由分布全球的6个地面站构成，其中包括卫星监测站、主控站及备用主控站、信息注入 站，分别位于科罗拉多(Colorado)、盖

9、茨堡(Gaithersbug)夏威夷(Hawaii)、南大西洋的阿松森群岛 (Ascension).印度洋的迭哥伽西严(Diego Garcia)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。GPS系统的 用户设施部分由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设施组成，GPS接收 机硬件包括接收机主机，天线和电源，它的主要功能是接收卫星发播的信号，猎取定位的观测值，提 取导航电文中的广播星历、卫星钟改正等参数，经数据处理而完成导航定位工作；GPS软件是指各种 后处理软件包，它通常由厂家供应，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。中国GPS导航的市场潜力巨大;截至

10、到2005年底，中国拥有车载导航设施的车辆不足10万辆, 相对于3000万辆的汽车总数来说，普及率不到1% ；而日本的汽车车载导航安装率高达59% ,欧美 约占25%。虽然中国的市场还处于起步阶段，但调查认为其增长潜力巨大；中国消费者喜爱把手机看作是时尚的标志，因此更换手机的速度远远超过其他我国的消费者；GPS终端设施在中国消费者中 也越来越受欢迎。有统计表明，2006年中国手持GPS装置的出货量达到了 28.8万，年增长率高达 141.5%，估计这一增长速度在将来五年内会连续；影响GPS导航市场进展的主要障碍包括，消费 者对移动GPS导航了解不够，手机款式少，价格高，但随着机价格下降，以及业

11、界厂商提高他们的 推广力度，这些问题都会尽快得到解决。2 .伽利略（Galileo ）卫星导航系统是由欧盟主导的全球卫星导航系统；耗资30亿欧元，共放 射30颗卫星。包括韩国、中国在内，日本、阿根廷、澳大利亚、俄罗斯等国也在参加该方案；当时 的完成目标是2022年，但由于技术等问题，延长到了 2022年，最新消息推迟到2022年；中国也 向伽利略方案投资了 296万美元。伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的大路、铁路、空中和海洋 运输甚至徒步旅行者有保障地供应精度为1米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航 系统的格局。伽利略卫星导航系统能打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市

12、场份额。权威部门估 计，伽利略方案将为欧盟制造15万个高技术含量的就业岗位。每年经济收益有10 0亿欧元之多。 仅出售航空和航海终端设施一项就可在2022年至2022年将获得1 5 0亿欧元收入。为欧盟现在极 力提倡的欧洲共同平安防备政策服务；欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来很多事务中就 没有主导权。伽利略系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，投入运行后，全球的用户将 使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度，这是 “伽利略”方案给用户带来的直接好处。伽利略”方案是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导 航系统，供应高精度，高牢靠性

13、的定位服务，实现完全非军方掌握、管理，可以进行掩盖全球的导航 和定位功能；伽利略”系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合 作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。伽利略”系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的, 同时伽利略系统能够保证在很多特别状况下供应服务，假如失败也能在几秒钟内通知客户；与美 国的GPS相比，伽利略”系统更先进，也更牢靠；美国GPS向别国供应的卫星信号，只能发觉地 面大约10米长的物体，而伽利略的卫星则能发觉1米长的目标。位军事专家形象地比方说，GPS 系

14、统，只能找到街道，而伽利略则可找到家门。3 .俄罗斯的格洛纳斯是俄语中GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE （全球卫星导航 系统丫的缩写。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯连续该方案我罗斯1993年开头独自建立本国 的全球卫星导航系统；按方案，该系统将于2007年年底之前开头运营，届时只开放俄罗斯境内卫星 定位及导航服务；到2022年年底前，其服务范围将拓展到全球。格洛纳斯由GLONASS星座.地面支持系统.用户设施三个部分组成GLONASS星 座:GLONASS星座由27颗工作星和3颗备份星组成；27颗星匀称地分布在3个近圆形的轨道平面 上,这三个轨道平面两两相隔1

15、20度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度，轨 道高度2.36万公里。地面支持系统：地面支持系统由系统掌握中心、中心同步器、遥测遥控站（含激 光跟踪站）和外场导航掌握设施组成；系统掌握中心和中心同步处理器位于莫斯科，遥测遥控站位 于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢斯克和共青城。用户设施：GLONASS用户设施（即接收机）能接收 卫星放射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文；接收机 处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。格洛纳斯的应用；军事运用：为全球海陆空以及近地空间的各种用户供应全天候、连续供应 高精度的各种三维位置、

16、三维速度和时间信息（PVT信息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军 坦克、装甲车、炮车等供应精确导航；也在精密导弹制导、C3I精密敌我态势产生、部队精确的机动和协作、武器系统的精确瞄准等方面广泛应用。民用：格洛导航导航系统在大地和海洋测绘、 邮电通信、地质勘探、石油开发、地震预报、地面交通管理等各种国民经济领域有越来越多的应用。GLONASS与GPS有很多不同之处：卫星放射频率不同；GPS的卫星信号采纳码分多址体制,每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分；而GLONASS采纳频分多 址体制卫星靠频率不同来区分每组频率的伪随机码相同由于卫星放射的载波频率不同,GLON

17、ASS 可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰力量。坐标系不同；GPS使 用世界大地坐标系（WGS-84 ）,而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PE-90 时间标准不同； GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。北斗卫星系统c BeiDou （ COMPASS） Navigation Satellite System）是中国正在实施的自 主研发、独立运行的缩写为BDS0与美国的的、欧盟的系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称全球 四大导航。北斗卫星导航系统2022年12月27日起供应连续导航定位与授时服务.北斗卫星导航系统 由空间端、地

18、面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面 端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯格 洛纳斯、欧盟伽利略等其他卫星导航系统兼容的终端组成。中国此前已胜利放射四颗北斗导航试验 卫星和十六颗北斗导航卫星（其中，北斗-1A已经结束任务），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。北斗卫星导航建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定牢靠掩 盖全球的导航系统。北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的我国卫星导航应用产 业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国名经济社会各行业的广泛应用。

19、该系统可在全球范围内 全天候、全天时为各类用户供应高精度、高牢靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信力量。 中国以后生产定位服务设施的生产商，都将会供应对GPS和北斗系统的支持，会提高定位的精确度。 而北斗系统特有的短报文服务功能将收费，这个功能的有用性还有待观看。中国的北斗卫星导航系统BeiDou （ COMPASS ） Navigation Satellite System）是中国正在 实施的自主进展、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部 分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测 站等若干个地面站，用户段

20、由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等 其他卫星导航系统兼容的终端组成。2003年我们我国北斗一号建成并开通运行北斗”的指挥机和 终端之间可以双向沟通；去年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队已运 用北斗”进行了上百次沟通；北斗二号系列卫星2022年起将进入组网高峰期，估计在2022年形 成由三十几颗卫星组成的掩盖全球的系统。北斗卫星导航系统的建设、进展和应用将对全世界开放，为全球用户供应高质量的免费服务，乐 观与世界各国开展广泛而深化的沟通与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航 技术与产业的进展。中国将自主建设和运行

21、北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户 供应服务。在全球卫星导航系统国际委员会（ICG ）和国际电联（ITU ）框架下，使北斗卫星导航系 统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使全部用户都能享受到卫星导航进展的成果。中国将乐 观稳妥地推动北斗卫星导航系统的建设与进展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝连接。2007年4月14日，中国胜利放射了第1颗北斗导航卫星。2022年4月15日零时16分，中 国在西昌卫星放射中心用长征三号丙运载火箭，胜利将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。是中 国北斗卫星导航系统建设方案中的其次颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星；这颗卫星的胜利放射, 对于北

22、斗卫星导航系统建设具有非常重要的意义。2022年1月17日0时12分，中国在西昌卫星放 射中心用长征三号丙运载火箭，胜利将第三颗北斗导航卫星送入预定轨道，这标志着北斗卫星导 航系统工程建设又迈出重要一步，卫星组网正按方案稳步推动。北斗卫星导航系统致力于向全球用户供应高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权 服务两种方式；开放服务是向全球免费供应定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2 米/秒，授时精度10纳秒；授权服务是为有高精度、高牢靠卫星导航需求的用户，供应定位、测速、 授时和通信服务以及系统完好性信息。为使北斗卫星导航系统更好地为全球服务，加强北斗卫星导航 系统与其它

23、卫星导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用。中国作为进展中我国，拥有宽阔的领土和海疆，高度重视卫星导航系统的建设，努力探究和进展 拥有自主学问产权的卫星导航定位系统。2000年以来，中国已胜利放射了4颗北斗导航试验卫星， 建成北斗导航试验系统（第一代系统力这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报 文和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和我国平安 等诸多领域逐步发挥着重要作用。中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星组成，供应两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于其次代系统）。

24、开放服务 是在服务区免费供应定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0 . 2 米/秒。授权服务是向授权用户供应更平安的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。中 国方案2022年左右，北斗”系统将掩盖亚太地区，2022年左右掩盖全球。我们我国正在实施北斗卫 星导航系统建设，已胜利放射十六颗北斗导航卫星。依据系统建设总体规划，2022年左右，系统将 首先具备掩盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务力量。2022年左右，建成掩盖全球 的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统工作方式：首先由中心掌握系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发 器向服务区

25、内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，o中心掌握系统接收并解调用户发来的信号，然后依据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心掌握系统测出两个时间延迟：即从中心掌握系统发出询问信号，经某一颗卫星转发 到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心掌握系统的延迟；和从中心掌握发出询 问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心掌握系统的延迟。 由于中心掌握系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星 的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的

26、一个球面，和 以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。此外中心掌握系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻 到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心掌握系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。较北斗一号北斗二号在诸多方面具有优势，可以有效避开患病电磁干扰和攻击，实现无源定位，精确度大大提高，北斗一号精确度在10米之内，而北斗二号可以精确到厘米之 内。随着北斗2号的放射胜利，中国自主研制的北斗卫星导航系统从2022年起进入了组网高峰期，估 计在2022年左右形成掩盖全球的卫星导航定位系统。2022年将有多颗卫星放射升空，3年内完成系

27、 统组网，并具备基本的运行力量。在此基础上将逐步进展到为全球服务。在建的北斗卫星导航系统空 间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，供应即开放服务和授权服务。开放服务是在 服务区免费供应定位、测速和授时服务，定位精度为10米，军事定位达到厘米级，授时精度为50纳 秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户供应更平安的定位、测速、授时和通信服务以及系 统完好性信息。随着北斗一号卫星导航定位系统的推广应用，中国正在着力讨论开发的下一代卫 星导航定位系统（CNSS ）中国将本着开放、独立、兼容、渐进的原则，进展自主的全球卫星导航系统，其三步走进展 路线图为：第一步，从2000年到2003年,我们我国建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统， 成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的我国。其次步，建设北斗卫星导航系统，于2022年前形 成我们我国及周边地区的掩盖力量。第三步，于2022年左右，北斗卫星导航系统将形成全球掩盖力 量。北斗卫星导航系统将是一个由30余颗卫星、地面段和各类用户终端构成的大型航天系统，技术简 单、规模浩大，其建设应用将实现我们我国航天从单星研制向组批生产、从保单星胜利向组网胜利、 从以卫星为核心向以系统为核心、从面对行业用户向大众用户的历史性转型，开启我们我国航天事业 的新征程，并将对维护我们我国我国平安、推动经济社会科技文化全面进展供应重要保障。