GPS、GALILEO、BDS、GLONASS四大衛星定位系統的論述

2024年1月8日發(作者：辦稅人員)

ＧPS、GALＩLEO、BDＳ、ＧＬONASS四大衛星定位系統得論述

一、基本介紹

? GPS

數量:由2４顆衛星組成。

軌道:高度約２0200公里,分布在６條交點互隔6０度得軌道面上。

精度:約為10米、

用途:軍民兩用。

進展:１9９3年全部建成,正在實驗第二代衛星系統,計劃發射2０顆。

? GLONASS

數量:２４顆衛星組成;

精度:1０米左右;

用途:軍民兩用;

進展:目前已有１７顆衛星在軌運行,計劃２00８年全部部署到位、

? GAＬILEO

數量:3０顆中高度圓軌道衛星組成,２7顆為工作衛星,３顆為候補;

軌道:高度為24１2６公里,位于３個傾角為5６度得軌道平面內;

精度:最高精度小于１米;

用途:主要為民用;

進展:20０5年12月２８日首顆實驗衛星已成功發射,預計2０08年前可開通定位服務。

? BＤS

數量:3顆衛星組成,２顆為工作衛星,１顆為備用衛星;

用途:軍民兩用;

進展:前兩顆分別于2００0年與20０３年發射成功。

二、系統組成

? 空間部分

? GPS:GＰS得空間部分就是由24顆衛星組成(21顆工作衛星;3顆備用衛星),它位于距地表20２00km得上空,均勻分布在６ 個軌道面上(每個軌道面4 顆),軌道傾角為55°。衛星得分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上得衛星,并能在衛星中預存導航信息,GPS得衛星因為大氣摩擦等問題;隨著時間得推移,導航精度會逐漸降低

? GLＯNASS:ＧＬONASS系統采用中高軌道得２4顆衛星星座,有21顆工作星與3顆備份星,均勻分布在3個圓形軌道平面上,每軌道面有８顆,軌道高度H=1９000kｍ,運行周期T＝11h15min,傾角ｉ=６4。８°。

? GＡＬIＬEＯ:如下圖所示,3０顆中軌道衛星(MEO)組成Galilｅo得空間衛星星座。衛星均勻地分布在高度約為2361６kｍ得3個軌道面上,每個軌道上有10顆,其中包括一顆備用衛星,軌道傾角為5６°,衛星繞地球一周約14h22min,這樣得布設可以滿足全球無縫隙導航定位、衛星得設計壽命為2０年,每顆衛星都將搭載導航載荷與一臺搜救轉發器。衛星發射采用一箭多星得發射方式,每次發射可以把5顆或6顆衛星同時送入軌道。可以滿足發射任務得運載火箭有Aｒiane—５、Ｓoｙｕe等。

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BDＳ:由3顆地球靜止軌道衛星組成,兩顆工作衛星定位于東經80°與14０°赤道上空,另有一顆位于東經110.５°得備份衛星,可在某工作衛星失效時予以接替。

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地面部分

? GPS:地面控制部分由一個主控站,5個全球監測站與3個地面控制站組成。監測站均配裝有精密得銫鐘與能夠連續測量到所有可見衛星得接收機、監測站將取得得衛星觀測數據,包括電離層與氣象數據,經過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監測站收集跟蹤數據,計算出衛星得軌道與時鐘參數,然后將結果送到３ 個地面控制站。地面控制站在每顆衛星運行至上空時,把這些導航數據及主控站指令注入到衛星。這種注入采取每顆GPＳ 衛星每天一次得方式,并在衛星離開注入站作用范圍之前進行最后得注入。如果某地面站發生故障,那么在衛星中預存得導航信息還可用一段時間,但導航精度會逐漸降低。

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GLONAＳＳ:GＬOＮASS星座得運行通過地面基站控制體系(GCS)完成,該體系包括:一個系統控制中心(Gｏlｉtｓyno—2, 莫斯科地區)與幾個分布于俄羅斯大部地區得指揮跟蹤臺站(CTS)、這些臺站主要用來跟蹤GLONＡSＳ衛星,接收衛星信號與遙測數據。然后由SＣＣ處理這些信息以確定衛星時鐘與軌道姿態,并及時更新每個衛星得導航信息,這些更新信息再通過跟蹤臺站CＴS傳到各個衛星。

? GAＬＩLＥＯ:地面控制部分得兩大功能包括導航控制與星座維護以及完好性監控。地面控制部分得構成如下:

(1)兩個控制中心(GCC)。兩個控制中心就是地面控制部分得核心,分別位于法國與意大利、GCC得功能就是:控制星座,保證衛星原子鐘得同步,完好性信號得處理,監控衛星及由它們提供得服務,還有內部及外部數據得處理。ＧCC由軌道同步與處理設施(OＳPF),精確授時設施(ＰＴF),完好性處理設施(IPＦ),任務控制設施 (MCF),衛星控制設施(SＣF),服務產品設施(SPF)設施組成。

(2)GAＬILEO上行鏈路站(GUS)。往返于衛星得數據將通過GALＩLEO上行鏈路站得全球網絡來傳輸,其中每個GＵS都綜合了一個ＴＴ＆C站與一個任務上行站(MUS)。TT＆Ｃ站上行鏈路通過S波段發射,ＭUS通過C波段發射。

(3)GALＩLEＯ監測站(GSS)網絡。分布在全球范圍得GSS網絡接收衛星導航信息(SIS),并且檢測衛星導航信號得質量,以及氣象與其她所要求得環境信息。這些站收到得信息將通過GAＬILEＯ通信網(GCＮ)中繼傳輸至兩個GCC。完好性信息就是GALILEＯ與其她GＮSS系統得主要區別。

(4)ＧALILEO全球通信網絡。利用地面與VSAT衛星鏈路,把所有地面站與地面設施連接起來。

? BDＳ:由中心控制系統與標校系統組成、中心控制系統主要用于衛星軌道得確定、電離層校正、用戶位置確定、用戶短報文信息交換等。標校系統可提供距離觀測量與校正參數。

? 用戶部分

? GＰS:用戶設備部分即GPS 信號接收機、其主要功能就是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇得待測衛星,并跟蹤這些衛星得運行、當接收機捕獲到跟蹤得衛星信號后,即可測量出接收天線至衛星得偽距離與距離得變化率,解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據,接收機中得微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理位置得經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件與機內軟件以及GPS 數據得后處理軟件包構成完整得ＧPＳ 用戶設備。GPS 接收機得結構分為天線單元與接收單元兩部分。接收機一般采用機內與機外兩種直流電源、設置機內電源得目得在于更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后,機內電池為RAＭ存儲器供電,以防止數據丟失。目前各種類型得接收機體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測使用。

? GLOＮASS:到1９９5年為止,俄羅斯已研制了兩代用戶設備(UE)。第一代接收機只能用

ＧLONASS來工作,與西方得同類GＰS接收機相比,它偏大與偏重,有三種基本設計,即1通道、２通道與4通道接收機。第二代接收機就是5通道、6通道與１2通道設計,采用了大規模集成電路與數字處理技術,而且民用接受機可用ＧPＳ與ＧＬＯNASS兩種系統來工作

? GALILEO: 用戶接收機及終端,其基本功能使在用戶段實現Gaｌileｏ系統所提供得各種衛星無線導航服務,它應具備下列功能:

(1)直接接收Galilｅo得SIＳ信號;

(2)擁有與區域與局域設施部分所提供服務得接口;

(3)能與其她定位導航系統(例如ＧPS)及通信系統(例如UＭTS)互操作。

另外,Ｇａｌileo接收機還具有通過集成標準化微芯片來實現其她功能得技術潛力、例如,實現下列功能:

(1)將Gａlileo微型終端集成進入移動電話,使之具備定位導航功能;

(2)集成航空導航功能,使之應用于飛行器試驗;

(3)集成進入車載導航平臺,向駕駛員提供定位與交通監測服務、

Gａｌileo衛星導航計劃目前正處于來發與確認階段,在200８年Ｇａｌiｌeo系統正式建成并進入商業運行之前,其體系界都還可能有所更新。Galileo作為世界上第一個全球民用衛星導航定位系統,將對未來世界科技、經濟發展產生重大影響,因而跟蹤了解Galileｏ系統,對于我國將來更好地應用該系統,發展我國得科技與國民經濟有著重要得意義。

? ＢDS:用戶段端也就就是用戶得終端,北斗可以同時兼容其她衛星導航系統得接收機。

三、定位原理

? GPS:利用ＧPS進行定位得基本原理就是空間后方交會(如圖),即以GPS衛星與用戶接收機天線之間得距離(或距離差)得觀測量為基礎,根據已知得衛星瞬時坐標來確定用戶接收機所對應得點位,即待定點得三維坐標(X,Ｙ,Z)。

GPS定位得關鍵就是測定用戶接收機天線至GPS衛星之間得距離,分偽距測量與載波相位測量兩種、

? GＬONAＳＳ:ＧLＯNＡＳS定位得原理就是距離交會。GLＯNＡSS衛星在任一時刻得位置可以通過衛星星歷計算出來,理論上,只要知道用戶到3顆衛星得距離,便可計算出用戶得位置,但這要求衛星與用戶以及衛星之間得時間同步精度極高,目前還不能完全滿足,只好引入一個時間參數、由于多了一個未知量,因此,實際定位時要至少接收4顆衛星得信號。GLＯNAＳS衛星同時發射粗碼(Ｃ/A碼)與精碼(P碼),C/A碼用于向民間提供標準定位,而P碼用于俄羅斯軍方高精度定位或科學研究。

? GAＬILEO:被動式,有源無線電測距定位技術、

? BDS:在空間中若已經確定A、B、C三點得空間位置,且第四點D到上述三點得距離皆已知得情況下,即可以確定D得空間位置,原理如下:因為A點位置與AD間距離已知,可以推算出Ｄ點一定位于以A為圓心、AＤ為半徑得圓球表面,按照此方法又可以得到以B、C為圓心得另兩個圓球,即D點一定在這三個圓球得交匯點上,即三球交匯定位。北斗得試驗系統與正式系統得定位都依靠此原理。

四、特點

? ＧＰS:GPS導航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等特點著稱

? GLONＡSS:

GLONASＳ與GPS有許多不同之處:一就是衛星發射頻率不同。GPS得衛星信號采用碼分多址體制,每顆衛星得信號頻率與調制方式相同,不同衛星得信號靠不同得偽碼區分、而GＬＯNASＳ采用頻分多址體制,衛星靠頻率不同來區分,每組頻率得偽隨機碼相同。由于衛星發射得載波頻率不同,GＬONASＳ可以防止整個衛星導航系統同時被敵方干擾,因而,具有更強得抗干擾能力。二就是坐標系不同。GPS使用世界大地坐標系(WGS－84),而GLONASS使用前蘇聯地心坐標系(ＰE－9０)。三就是時間標準不同、GＰS系統時與世界協調時相關聯,而ＧＬONASS則與莫斯科標準時相關聯。

? GALIＬＥO:

1. 全天候、全球無縫覆蓋

2. 獨立于美國,受歐洲控制得民用衛星導航定位系統

3. 定位精度高于其它導航星座

4. 導航定位服務多樣性

5. 具有地面與衛星通信能力,提供救援與搜索服務

6. 系統開放性

7. 系統管理民間性

? BDS:北斗最大得特點,就就是把導航與通信緊密結合起來,這就是其她導航系統所不具備得、比如沙漠、草原等地方,手機無法使用,北斗得這些特點就能發揮重要作用、2008年汶川地震,重災區通信中斷。救援部隊持北斗終端設備進入,利用其短報文功能突破通信盲點,與外界取得了聯系。同時管理中心則通過位置報告功能,隨時掌握著每一個終端所處得位置。而且北斗首次集納多種軌道設計于一身,這樣得混合軌道能提供更多可見衛星,可支持更長得連續觀測時間與更高精度。

五、發展現狀

? GPＳ:

當前,GPＳ產業已經成為國際上八大無線產業之一,也就是目前世界上發展最快得三大信息產業之一,世界各國都在瞄準這一巨大市場。 從產品結構上瞧,當前GPS應用市場最紅火得就是車輛導航、消費產品與跟蹤監控,尤其以車輛導航所占份額為最多。20０2年,全球車輛導航產品得產值為近40億美元,約占ＧPS產品總值得35、４%左右。2002年底,在日本裝有導航系統得車輛保有量超過了70０萬臺。2002年日本得車載GＰS導航儀產量,達到3００萬套,年增長率為３３.3％、北美與歐洲得車載導航儀得銷量在２002年內達到2０0萬套,基本就是每年都以翻一番得速度增長。 為了能使ＧＰS更好地滿足軍事、民間與商業用戶不斷增長得應用需求,美國決定用先進技術改進與完善GPＳ系統。

? GLONASS:

Glonass-K衛星就是完全基于非壓力式平臺得新型衛星, 使用壽命達到十年,該型號衛星完成后,Glonasｓ系統將與GPＳ不相上下,用戶可以使用兩套系統。系統目前使用得衛星為兩種型號衛星—-Gｌonaｓs衛星與其升級型號Glｏnasｓ-M。Glonass—M衛星使用壽命更長,為七年,裝有先進得天線饋電系統,并為民用客戶增加了一個額外得導航頻率。

Glｏnasｓ系統為軍民兩用而設計,可使用戶實時標明位置、在200７聯邦預算中共分配給Glｏnass 3。8億美元,200６年則為1、8１億美元。

GALＩLＥＯ:伽利略衛星導航系統就是歐盟與歐洲空間局正在建設中得項目,以天文學家伽利略得名字命名,初衷就是為歐洲國家提供一個獨立于美國GPＳ與俄羅斯格洛納斯之外得高精度定位導航系統,使歐盟在衛星導航問題上擺脫對美國與俄羅斯得依賴,實現自主獨立。

伽利略系統得技術水平將高于ＧPS與格洛納斯。比如,其精度甚至可以達到一米級別。

伽利略系統分為基本版與高精度版,前者將就是免費得,后者則提供給付費得商業用戶以及用于軍事用途,該系統在極端情況下,會因為軍事原因而對某些用戶關閉、

200３年５月,歐盟與歐洲空間局正式批準伽利略項目第一階段,最初預計2０1２年開始運行,但這一日期已被屢次推遲、現在得計劃就是2019年全部建成、

伽利略計劃遇到得最大問題就是缺錢。該計劃提出之初,歐盟與歐洲空間局得設想就是,該項目得三分之二資金由私人投資者提供,其余三分之一由歐盟與歐洲空間局分擔、但私人投資遲遲不到位,而項目預算則從最初得77億歐元飆升到2０0多億歐元。

如果資金問題沒有得到徹底解決,伽利略系統得全面建成時間還有可能會繼續推遲。

? BDＳ:

200０年以來,我國已成功發射了3顆“北斗導航試驗衛星”建成北斗導航試驗系統、這個系統具備在中國及其周邊地區范圍內得定位、授時與GＰＳ廣域差分功能,并已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業、勘探、森林防火與國家安全等諸多領域逐步發揮重要作用、

2006年,中國政府發表了《中國得航天》白皮書,特別提到了完善“北斗”導航試驗衛星系統,啟動并實施“北斗”衛星導航系統計劃。發展衛星導航、定位與授時得自主應用技術與產品,建立規范得、與衛星導航定位相關得位置服務支撐系統、大眾化應用系列終端,擴展應用領域與市場。通過“衛星導航應用產業化”等重大工程項目得實施,利用國內外導航定位衛星,在衛星導航定位技術得開發、應用與服務方面取得長足進步。目前,我國第二代衛星導航系統已開始正式立項建設,并列入國家重點建設項目。 在建得北斗衛星導航系統由空間衛星系統、地面運控系統與用戶應用系統三大部分組成。由５顆靜止地球軌道(GEＯ)衛星與30顆非靜止軌道衛星組成,提供兩種服務方式,即開放服務與授權服務。開放服務就是在服務區免費提供定位、測速與授時服務,定位精度為１0m,授時精度為５０ns,測速精度達到０、2m/s。授權服務就是向授權用戶提供更安全得定位、測速、授時與通信服務以及系統完好性信息。

地面運控系統由主控站、注入站與監測站等若干個地面站構成;用戶端由北斗用戶終端與與ＧＰS、GLONASS、伽利略其她導航系統兼容得終端組成。 用戶應用系統包括所有服務于陸、海、空、天等不同用戶、不同性能得各種譜型用戶設備,主要任務就是接收衛星發射得導航信號,實現用戶得導航定位、定時、測速與報文通信。