GPS、GALILEO、BDS、GLONASS四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)的論述

2024年1月8日發(fā)(作者：軍訓游戲)

ＧPS、GALＩLEO、BDＳ、ＧＬONASS四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)得論述

一、基本介紹

? GPS

數(shù)量:由2４顆衛(wèi)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(wèi)星系統(tǒng),計劃發(fā)射2０顆。

? GLONASS

數(shù)量:２４顆衛(wèi)星組成;

精度:1０米左右;

用途:軍民兩用;

進展:目前已有１７顆衛(wèi)星在軌運行,計劃２00８年全部部署到位、

? GAＬILEO

數(shù)量:3０顆中高度圓軌道衛(wèi)星組成,２7顆為工作衛(wèi)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(nèi);

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(wèi)星已成功發(fā)射,預(yù)計2０08年前可開通定位服務(wù)。

? BＤS

數(shù)量:3顆衛(wèi)星組成,２顆為工作衛(wèi)星,１顆為備用衛(wèi)星;

用途:軍民兩用;

進展:前兩顆分別于2００0年與20０３年發(fā)射成功。

二、系統(tǒng)組成

? 空間部分

? GPS:GＰS得空間部分就是由24顆衛(wèi)星組成(21顆工作衛(wèi)星;3顆備用衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星,并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息,GPS得衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題;隨著時間得推移,導(dǎo)航精度會逐漸降低

? GLＯNASS:ＧＬONASS系統(tǒng)采用中高軌道得２4顆衛(wèi)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(wèi)星(MEO)組成Galilｅo得空間衛(wèi)星星座。衛(wèi)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(wèi)星,軌道傾角為5６°,衛(wèi)星繞地球一周約14h22min,這樣得布設(shè)可以滿足全球無縫隙導(dǎo)航定位、衛(wèi)星得設(shè)計壽命為2０年,每顆衛(wèi)星都將搭載導(dǎo)航載荷與一臺搜救轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星發(fā)射采用一箭多星得發(fā)射方式,每次發(fā)射可以把5顆或6顆衛(wèi)星同時送入軌道。可以滿足發(fā)射任務(wù)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(wèi)星組成,兩顆工作衛(wèi)星定位于東經(jīng)80°與14０°赤道上空,另有一顆位于東經(jīng)110.５°得備份衛(wèi)星,可在某工作衛(wèi)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(jiān)測站與3個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密得銫鐘與能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星得接收機、監(jiān)測站將取得得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層與氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星得軌道與時鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到３ 個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時,把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入采取每顆GPＳ 衛(wèi)星每天一次得方式,并在衛(wèi)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(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存得導(dǎo)航信息還可用一段時間,但導(dǎo)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(tǒng)控制中心(Gｏlｉtｓyno—2, 莫斯科地區(qū))與幾個分布于俄羅斯大部地區(qū)得指揮跟蹤臺站(CTS)、這些臺站主要用來跟蹤GLONＡSＳ衛(wèi)星,接收衛(wèi)星信號與遙測數(shù)據(jù)。然后由SＣＣ處理這些信息以確定衛(wèi)星時鐘與軌道姿態(tài),并及時更新每個衛(wèi)星得導(dǎo)航信息,這些更新信息再通過跟蹤臺站CＴS傳到各個衛(wèi)星。

? GAＬＩLＥＯ:地面控制部分得兩大功能包括導(dǎo)航控制與星座維護以及完好性監(jiān)控。地面控制部分得構(gòu)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(wèi)星原子鐘得同步,完好性信號得處理,監(jiān)控衛(wèi)星及由它們提供得服務(wù),還有內(nèi)部及外部數(shù)據(jù)得處理。ＧCC由軌道同步與處理設(shè)施(OＳPF),精確授時設(shè)施(ＰＴF),完好性處理設(shè)施(IPＦ),任務(wù)控制設(shè)施 (MCF),衛(wèi)星控制設(shè)施(SＣF),服務(wù)產(chǎn)品設(shè)施(SPF)設(shè)施組成。

(2)GAＬILEO上行鏈路站(GUS)。往返于衛(wèi)星得數(shù)據(jù)將通過GALＩLEO上行鏈路站得全球網(wǎng)絡(luò)來傳輸,其中每個GＵS都綜合了一個ＴＴ＆C站與一個任務(wù)上行站(MUS)。TT＆Ｃ站上行鏈路通過S波段發(fā)射,ＭUS通過C波段發(fā)射。

(3)GALＩLEＯ監(jiān)測站(GSS)網(wǎng)絡(luò)。分布在全球范圍得GSS網(wǎng)絡(luò)接收衛(wèi)星導(dǎo)航信息(SIS),并且檢測衛(wèi)星導(dǎo)航信號得質(zhì)量,以及氣象與其她所要求得環(huán)境信息。這些站收到得信息將通過GAＬILEＯ通信網(wǎng)(GCＮ)中繼傳輸至兩個GCC。完好性信息就是GALILEＯ與其她GＮSS系統(tǒng)得主要區(qū)別。

(4)ＧALILEO全球通信網(wǎng)絡(luò)。利用地面與VSAT衛(wèi)星鏈路,把所有地面站與地面設(shè)施連接起來。

? BDＳ:由中心控制系統(tǒng)與標校系統(tǒng)組成、中心控制系統(tǒng)主要用于衛(wèi)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(tǒng)可提供距離觀測量與校正參數(shù)。

? 用戶部分

? GＰS:用戶設(shè)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(wèi)星截止角所選擇得待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星得運行、當接收機捕獲到跟蹤得衛(wèi)星信號后,即可測量出接收天線至衛(wèi)星得偽距離與距離得變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù),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(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件與機內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)得后處理軟件包構(gòu)成完整得ＧPＳ 用戶設(shè)備。GPS 接收機得結(jié)構(gòu)分為天線單元與接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)與機外兩種直流電源、設(shè)置機內(nèi)電源得目得在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后,機內(nèi)電池為RAＭ存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)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(shè)計,采用了大規(guī)模集成電路與數(shù)字處理技術(shù),而且民用接受機可用ＧPＳ與ＧＬＯNASS兩種系統(tǒng)來工作

? GALILEO: 用戶接收機及終端,其基本功能使在用戶段實現(xiàn)Gaｌileｏ系統(tǒng)所提供得各種衛(wèi)星無線導(dǎo)航服務(wù),它應(yīng)具備下列功能:

(1)直接接收Galilｅo得SIＳ信號;

(2)擁有與區(qū)域與局域設(shè)施部分所提供服務(wù)得接口;

(3)能與其她定位導(dǎo)航系統(tǒng)(例如ＧPS)及通信系統(tǒng)(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(xiàn)其她功能得技術(shù)潛力、例如,實現(xiàn)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(dǎo)航功能;

(2)集成航空導(dǎo)航功能,使之應(yīng)用于飛行器試驗;

(3)集成進入車載導(dǎo)航平臺,向駕駛員提供定位與交通監(jiān)測服務(wù)、

Gａｌileo衛(wèi)星導(dǎo)航計劃目前正處于來發(fā)與確認階段,在200８年Ｇａｌiｌeo系統(tǒng)正式建成并進入商業(yè)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(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),將對未來世界科技、經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大影響,因而跟蹤了解Galileｏ系統(tǒng),對于我國將來更好地應(yīng)用該系統(tǒng),發(fā)展我國得科技與國民經(jīng)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(wèi)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(chǔ),根據(jù)已知得衛(wèi)星瞬時坐標來確定用戶接收機所對應(yīng)得點位,即待定點得三維坐標(X,Ｙ,Z)。

GPS定位得關(guān)鍵就是測定用戶接收機天線至GPS衛(wèi)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(wèi)星在任一時刻得位置可以通過衛(wèi)星星歷計算出來,理論上,只要知道用戶到3顆衛(wèi)星得距離,便可計算出用戶得位置,但這要求衛(wèi)星與用戶以及衛(wèi)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(shù)、由于多了一個未知量,因此,實際定位時要至少接收4顆衛(wèi)星得信號。GLＯNAＳS衛(wèi)星同時發(fā)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(shù)、

? BDS:在空間中若已經(jīng)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(tǒng)與正式系統(tǒng)得定位都依靠此原理。

四、特點

? ＧＰS:GPS導(dǎo)航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等特點著稱

? GLONＡSS:

GLONASＳ與GPS有許多不同之處:一就是衛(wèi)星發(fā)射頻率不同。GPS得衛(wèi)星信號采用碼分多址體制,每顆衛(wèi)星得信號頻率與調(diào)制方式相同,不同衛(wèi)星得信號靠不同得偽碼區(qū)分、而GＬＯNASＳ采用頻分多址體制,衛(wèi)星靠頻率不同來區(qū)分,每組頻率得偽隨機碼相同。由于衛(wèi)星發(fā)射得載波頻率不同,GＬONASＳ可以防止整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(lián)地心坐標系(ＰE－9０)。三就是時間標準不同、GＰS系統(tǒng)時與世界協(xié)調(diào)時相關(guān)聯(lián),而ＧＬONASS則與莫斯科標準時相關(guān)聯(lián)。

? 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(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

3. 定位精度高于其它導(dǎo)航星座

4. 導(dǎo)航定位服務(wù)多樣性

5. 具有地面與衛(wèi)星通信能力,提供救援與搜索服務(wù)

6. 系統(tǒng)開放性

7. 系統(tǒng)管理民間性

? BDS:北斗最大得特點,就就是把導(dǎo)航與通信緊密結(jié)合起來,這就是其她導(dǎo)航系統(tǒng)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(fā)揮重要作用、2008年汶川地震,重災(zāi)區(qū)通信中斷。救援部隊持北斗終端設(shè)備進入,利用其短報文功能突破通信盲點,與外界取得了聯(lián)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(shè)計于一身,這樣得混合軌道能提供更多可見衛(wèi)星,可支持更長得連續(xù)觀測時間與更高精度。

五、發(fā)展現(xiàn)狀

? GPＳ:

當前,GPＳ產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國際上八大無線產(chǎn)業(yè)之一,也就是目前世界上發(fā)展最快得三大信息產(chǎn)業(yè)之一,世界各國都在瞄準這一巨大市場。 從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上瞧,當前GPS應(yīng)用市場最紅火得就是車輛導(dǎo)航、消費產(chǎn)品與跟蹤監(jiān)控,尤其以車輛導(dǎo)航所占份額為最多。20０2年,全球車輛導(dǎo)航產(chǎn)品得產(chǎn)值為近40億美元,約占ＧPS產(chǎn)品總值得35、４%左右。2002年底,在日本裝有導(dǎo)航系統(tǒng)得車輛保有量超過了70０萬臺。2002年日本得車載GＰS導(dǎo)航儀產(chǎn)量,達到3００萬套,年增長率為３３.3％、北美與歐洲得車載導(dǎo)航儀得銷量在２002年內(nèi)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(yè)用戶不斷增長得應(yīng)用需求,美國決定用先進技術(shù)改進與完善GPＳ系統(tǒng)。

? GLONASS:

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

Glｏnasｓ系統(tǒng)為軍民兩用而設(shè)計,可使用戶實時標明位置、在200７聯(lián)邦預(yù)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是歐盟與歐洲空間局正在建設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng),使歐盟在衛(wèi)星導(dǎo)航問題上擺脫對美國與俄羅斯得依賴,實現(xiàn)自主獨立。

伽利略系統(tǒng)得技術(shù)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(tǒng)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(yè)用戶以及用于軍事用途,該系統(tǒng)在極端情況下,會因為軍事原因而對某些用戶關(guān)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(yù)計2０1２年開始運行,但這一日期已被屢次推遲、現(xiàn)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(shè)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(yù)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(tǒng)得全面建成時間還有可能會繼續(xù)推遲。

? BDＳ:

200０年以來,我國已成功發(fā)射了3顆“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”建成北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)、這個系統(tǒng)具備在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)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(yè)、勘探、森林防火與國家安全等諸多領(lǐng)域逐步發(fā)揮重要作用、

2006年,中國政府發(fā)表了《中國得航天》白皮書,特別提到了完善“北斗”導(dǎo)航試驗衛(wèi)星系統(tǒng),啟動并實施“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計劃。發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航、定位與授時得自主應(yīng)用技術(shù)與產(chǎn)品,建立規(guī)范得、與衛(wèi)星導(dǎo)航定位相關(guān)得位置服務(wù)支撐系統(tǒng)、大眾化應(yīng)用系列終端,擴展應(yīng)用領(lǐng)域與市場。通過“衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化”等重大工程項目得實施,利用國內(nèi)外導(dǎo)航定位衛(wèi)星,在衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)得開發(fā)、應(yīng)用與服務(wù)方面取得長足進步。目前,我國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已開始正式立項建設(shè),并列入國家重點建設(shè)項目。 在建得北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面運控系統(tǒng)與用戶應(yīng)用系統(tǒng)三大部分組成。由５顆靜止地球軌道(GEＯ)衛(wèi)星與30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成,提供兩種服務(wù)方式,即開放服務(wù)與授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)就是在服務(wù)區(qū)免費提供定位、測速與授時服務(wù),定位精度為１0m,授時精度為５０ns,測速精度達到０、2m/s。授權(quán)服務(wù)就是向授權(quán)用戶提供更安全得定位、測速、授時與通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。

地面運控系統(tǒng)由主控站、注入站與監(jiān)測站等若干個地面站構(gòu)成;用戶端由北斗用戶終端與與ＧＰS、GLONASS、伽利略其她導(dǎo)航系統(tǒng)兼容得終端組成。 用戶應(yīng)用系統(tǒng)包括所有服務(wù)于陸、海、空、天等不同用戶、不同性能得各種譜型用戶設(shè)備,主要任務(wù)就是接收衛(wèi)星發(fā)射得導(dǎo)航信號,實現(xiàn)用戶得導(dǎo)航定位、定時、測速與報文通信。