卫星导航系统的发展

1、 卫星导航系统的发展 姓名：崔凌燕 学号：2802102016 专业：电子信息工程 卫星导航系统的发展 卫星导航定位是利用卫星发射的无线电信号来确定用户的位置。卫星导航定位系统由实现无线电导航定位目标的卫星,地面运行控制系统和应用系统三部分组成.卫星导航系统在各个领域都有着重要作用,特别是在军事方面,如今世界各大经济、军事强国都在积极开发更为先进的卫星导航系统.美国是现在全球唯一的超级大国,各方面都很强大,在卫星导航系统的发展上也处于领先地位.美国的第一代卫星导航系统子午仪（Transit）于1964年研制成功并投入使用。属于低轨道卫星，主要用途是为核潜艇和水面舰艇导航，兼做大地测量功能。它最

2、重要的功能是为北极星核导弹提供精确的定位，以便迅速发动核打击。子午仪的整个系统是由卫星网，地面跟踪点，计算中心，注入站，美国海军天文台，用户接收设备构成。卫星网由46颗卫星组成，卫星运行在高度约1100公里的近圆极轨道，目的是为了避免多普勒效应减弱。它们在轨道面上均匀分布组成围绕地球的空间导航网，六颗卫星在轨道上的配置似鸟笼形状。它可为全球任何地方的水下潜艇、水面船只、地面车辆和空中飞机等用户服务。，子午仪系统用于军事导航的定位精度为6米左右，通过多次定位可达2米以内。整体系统可工作到1996年。子午仪导航系统可以全天候导航，信号覆盖全球；导航精度优于以前任何系统。其缺点在于不能定高度、速度，

3、不能连续实施导航。为了解决子午仪存在的问题，同时是在美苏军备竞赛升级的情况下，美国国防部在70年代投资120亿美元开发新的卫星导航系统，即我们熟悉的GPS（全名是Global Positioning System）. GPS主要是由3部分设备组成：地面控制中心；导航卫星和GPS接收装置。GPS主控制站在美国科罗拉多，负责全权控制，另外的三个地面天线，五个监测站，分布在全球。主要是收集数据、计算导航信息、诊断系统状态、调度卫星等。太空中共有27颗GPS卫星，距离地面20200公里。27颗卫星有24颗运行、3颗备用。工作的24颗卫星分布在3个圆形轨道平面上，每个轨道平面有8颗，倾角63 

4、°，轨道平面等间隔沿赤道分布。每颗卫星发射两个频段的无线电导航信号，L1和L2，L1是1575.42MHZ, L2是1227.60MHZ，卫星上的时钟采用铯原子钟或铷原子钟，计划未来用氢原子钟。GPS的军用P码有加密，加扰码后变为Y码，而后又独立为M码。GPS的军用定位精度是3米，民用信号增加了干扰机制，使精度下降到100米。鉴于GPS在民用中发挥越来越重要的作用，美国政府2005年取消了GPS的干扰机制，使民用信号的精度提高到了5米，大大方便了民用用户的使用，也为现在GPS的普及奠定了基础。不过据称经过改进的GPS军用信号已经达到了1米的精度，但尚未对民用开放。GPS与子午仪相比，

5、有较大的容错性，能提供高度数据，实施导航还有较为精确的移动信息和时间校正功能，使卫星导航真正进入大规模应用领域。GPS于1993年全部建成，此后美国获得了巨大的商业和军事利益，提高了国际竞争力。这种情况对其他国家十分不利，首先是自身的经济利益受到了损失，其次是军方过分依赖GPS会导致作战效能的降低，因为美国虽然在1994年宣布在近年内向全世界免费提供使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号，而一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息服务或仅对自己的军队开放。针对这种情况，主要军事和经济强国，除了研究攻击GPS卫星的方法外，还积极建立自己的导航系统，以和美国对抗。其中比较成熟并且投入使用的有欧

6、洲联合的伽利略系统；前苏联/俄罗斯的GLONASS，以及中国目前正在完善的北斗星系统。前苏联的第一代卫星导航系统于1979年交付使用，命名为“圣卡达”，其导航卫星共有4颗，位于高度1000公里的圆轨道上，倾角83°，轨道平面沿赤道均匀分布，圣卡达卫星上后来还装备了用于发现灾祸目标的测量接收机，组成了“卡司帕司”系统，与美国-法国-加拿大的“萨尔撒特”系统共同形成了发现灾祸的救助系统。但它还是有很多缺点，于是苏联从80年代初开始建设与美国GPS系统相类似的卫星定位系统。在1996年达到使用水平，就是GLONASS（全名是 Global Navigation Satellite Syst

7、em）.也由卫星、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，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19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=124为每颗卫星的频率编号。而所有GPS卫星

8、的载波的频率是相同。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星。截止2001年1月10日为止尚有10颗卫星正在运行。总体来说，GLONASS受限制于俄罗斯拮据的财政，目前只能说达到了“半可用”的状态，远不如美国的GPS和欧洲的伽利略系统，虽然正在不断发展，但其前景并不是很乐观。伽利略是欧洲联合研制的

9、卫星导航系统，原理和GPS基本相同。欧洲1999年初正式推出伽利略导航卫星系统计划。该方案由21颗以上中高度圆轨道核心星座组成，另加3颗覆盖欧洲的地球静止轨道卫星，辅以GPS和本地差分增强系统，首先满足欧洲需求，位置精度达几米。计划在2001年4月5日欧盟交通部长会议上获得批准，确定30颗卫星总投资为35亿欧元。预计系统于2008年投入运行。从设计目标来看，“伽利略”的定位精度优于GPS，军民信号都可以达到1米的精度。“伽利略”为地面用户提供3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使是免费使用的信号精度也达到6米

10、。伽利略系统的另一个优势在于，它能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。伽利略的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。目前，伽利略系统没有完全投入市场，因此很少看到相应的接收装置，但该系统已经发射了部分导航卫星，达到了基本能用的程度。中国也参与了伽利略计划，估计能获得部分卫星发射合同。我国也很重视卫星导航的军事和经济两方面的应用前景，并在20世纪60年代就有过研究，但直到1983年初才开始正式酝酿利用地球静止轨道卫星进行导航定位的技术方案，其中重要的代表人物是陈芳允院士。我国发展的北斗星卫星导航系统与美国的GPS和欧洲的伽利略

11、系统不同，是区域性的导航系统，只能覆盖中国全境和亚洲大部分地区，如日本和韩国，印度部分地区均可涵盖。北斗星系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定位精度可达数十ns的同步精度，其精度与GPS相当。 北斗星的三颗导航定位卫星的发射时间分别为：2000年10月31日； 2000年12月21日； 2003年5月25日，第三颗是备用卫星。北斗卫星导航定位系统的系统构成有：两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。 北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的

12、已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”,而其他几种定位系统都是接收机被动接受信号，成为无源系统。北斗星除了能作导航用途外，还可以进行简单的通讯功能，这是其他系统所不具备的。北斗星显然是应急的产物，系统只有3颗卫星，造价和同类系统相比非常便宜，它的主要作用是确保战争时期和特殊用途时不受GPS的限制，有很强的战备目的。从性能上看，北斗星定位等功能和GPS相比也稍微不及，并且“有源定位”的工作方法很容易暴露用户的位置，保密性差，在军用方面是个不小的缺点。总体来看，北斗星系统还有很多地方不完善的地方。出于战备目的，北斗星的使用者基本只有军队等国家用户。