浅谈GNSS的现状和发展

浅谈GNSS的现状与开展一GNSS的定义全球导航卫星系统〔GNSS〕，英文名称“GlobalNavigationSatelliteSystem”，它是所有全球导航卫星系统及其增强系统的集合名词，是利用全球的所有导航卫星所建立的覆盖全球的全天侯无线电导航系统。目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧盟的Galileo系统，SBAS广域差分系统，DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统，QZSS准天顶卫星系统，GAGANGPS静地卫星增强系统等，可用的卫星数目到达100颗以上。二GNSS的由来早在20世纪90年代中期开始，欧盟为了打破美国在卫星定位、导航、授时市场中的垄断地位，获取巨大的市场利益，增加欧洲人的就业时机，一直在致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统方案，称之为GlobalNavigationSatelliteSystem。该方案分两步实施：第一步是建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为GNSS-1，即后来建成的EGNOS)；第二步是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统，即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统。由此可见，GNSS从一问世起，就不是一个单一星座系统，而是一个包括GPS、GLONASS、Compass、Galileo等在内的综合星座系统。众所周知，卫星是在天空中环绕地球而运行的，其全球性是不言而喻的；而全球导航是相对于陆基区域性导航而言，以此表达卫星导航的优越性。下列图为欧盟EGNOS广域差分系统三早期的卫星定位技术卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。当初，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，由地面观测站对它进行摄影测量，测量测站至卫星的方向，建立卫星三角网；也可以用激光技术对卫星进行距离观测，测定测站至卫星的距离，建立卫星测距网。这种对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量技术难以实现的远距离陆地海岛联测定位的问题。20世纪60-70年代，美国国家大地测量局〔NGS〕在美国和德国测绘部门的协助下，用卫星三角测量的方法花了几年时间测设了由45个测站组成的全球三角网，点位精度5m。但是这种观测方法受卫星可见条件及天气的影响，费时费力，不仅定位精度低，而且不能测得点位的地心坐标。因此，卫星三角测量很快被卫星多普勒定位所取代，使卫星定位技术从把卫星作为空间观测目标的低级阶段，开展到了卫星动态点的高级阶段。四子午卫星导航系统的应用及其缺陷20世纪50年代末期，美国开始研制用多普勒卫星定位技术进行测速，定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统〔NNSS〕。子午卫星导航系统的问世，开创了海空导航的新时代，揭开了卫星大地测量学的新篇章。70年代，局部导航电文解密交付民用。自此，卫星多普勒定位技术迅速兴起。多普勒定位具有经济快速，精度均匀，不受天气和时间限制等优点。只要在测点上能收到从子午卫星上发来的无线电信号，便可在地球外表的任何地方进行单点定位或联测定位，获得测站点的三维地心坐标。在美国子午卫星导航系统建立的同时，前苏联也于1965年建立了一个卫星导航系统，叫做CICADA，有12颗所谓宇宙卫星。NNSS和CICADA卫星导航系统虽然将导航和定位推向了一个新的开展阶段，但是它们仍然存在着一些明显的缺陷，比方卫星少，不能及时定位。子午卫星导航系统采用6颗卫星，并能通过地球的南北极运行。地面点上空子午卫星通过的间隔时间较长，而且低纬度地区每天的卫星通过次数远低于高纬度地区。而对于同一地点两次子午卫星通过的间隔时间为0.8-1.6小时，对于同一子午卫星，每天通过次数最多为13次，间隔时间更长。由于一台多普勒接收机一般需观测15次合格的卫星通过，才能使单点定位精度到达10米左右，而各个测站观测了公共的17次合格的卫星通过时，联测定位的精度才能到达0.5米左右。间隔时间和观测时间长，不能为用户提供实时定位和导航效劳，精度较低等限制了它的应用领域。子午卫星轨道低〔平均高度1070KM〕，难以精密定轨，以及子午卫星射电频率低〔400MHZ和150MHZ〕，难以补偿电离层效应的影响，致使卫星多普勒定位精度局限在米级水平〔精度极限0.5-1m〕。五GPS全球定位系统用子午卫星信号进行多普勒定位时，不仅观测时间长〔需要一两天的观测时间〕，而且既不能进行连续，实时定位，又不能到达厘米级定位精度，因此其应用受到了较大的限制。为了实现全天候，全球性和高精度的连续导航与定位，第二代卫星导航系统——GPS全球定位系统应运而生。1973年12月，美国国防部批准它的海陆空三军联合研制新的卫星导航系统：navigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem，其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS系统。该系统是以卫星为根底的无线电导航定位系统，具有全能性〔陆地，海洋，航空和航天〕，全球性，全天候，连续性和实时性的导航，定位和定时功能，能为用户提供精密的三维坐标，速度和时间。自1974年以来，GPS方案已经历了方案论证〔1974-1978年〕，系统论证〔1979-1987年〕，生产实验〔1988-1993年〕三个阶段。总投资超过200亿美元。整个系统分为卫星星座，地面控制和监测站，用户设备三大局部。论证阶段共发射了11颗叫做BLOCKI的试验卫星，生产实验阶段发射BLOCKIIR型第三代卫星，GPS系统由此根底改建而成。GPS卫星，其根本技术参数是：卫星颗数为21+3〔截止2007年11月5日在轨的GPS卫星为31颗〕，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200KM，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分〔恒星时12小时〕，基准频率10.23MHZ，载波频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球外表上任何地方任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达11颗卫星。GPS卫星星座示意图GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m重约774kg(其中包括310kg燃料〕，两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作的用电，每颗GPS卫星上装有4台高精度的原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。原子种为GPS定位提供高精度的时间标准。卫星的运行周期约为11恒星时58分，每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。GPS工作卫星对于导航定位来说，GPS卫星是一动态点。星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都是由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站，三个注入站和五个监测站。主控站位于美国克罗拉多Colorado的法尔孔Falcon空军基地。它的作用是根据各监控站根据GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星工作；另外主控站也具有监控站的功能。监控站有五个除了主控站外其它四个分别位于夏威夷Hawaii、阿松森群岛Ascencion、迭哥伽西亚DiegoGarcia、卡瓦加兰Kwajalein。监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。注入站有三个。它们分别位于阿松森群岛Ascencion、迭哥伽西亚DiegoGarcia、卡瓦加兰Kwajalein。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。GPS卫星地面监控系统GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换，放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS接收机，包括接收机硬件，机内软件以及GPS数据后处理软件包。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大局部。对于测地型接收机来说，两个单元一般分为两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近适当的地方，用电缆线将二者连接成一体。随着科学技术的进步，已经将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时安置在测站点上。分体式GPS一体式GPS近几年，国内外GPS生产厂家生产出很多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1ppm*D，用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLOASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。六GLOASS全球卫星导航系统GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三局部组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS的起步比GPS晚9年。从前苏联于1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星卫星开始，到1996年，历经周折，虽然遭遇了苏联解体，由俄罗斯接替部署，但始终没有终止GLOASS卫星的发射。1995年进行三次成功发射，将9颗卫星送入轨道后，完成了24颗卫星加一颗备用卫星的布局。经过数据的加载，调整和检验，已于1996年1月18日，整个系统开始正常运行。然而，20世界90年代中期以来，由于卫星寿命短、资金短缺等原因，替补卫星不能如期发射、地面控制系统不能正常维修更新，致使系统故障发生的概率明显增加，提供的导航定位效劳精度和可靠性变差。2001年底卫星数量降到最低点〔7颗〕，系统处于半瘫痪状态。随着近几年俄罗斯经济的好转、大量民间用户的参与以及国外资金的到位，2002年～2007年间，经过对空间卫星的几次补网。2003年12月10日，第一颗GLONASS-M卫星入轨运行，并于2004年01月29日开始向广阔用户发送导航定位信号(GLONASS-M卫星的导航电文增修了GPS与GLONASS之间的系统时间差GPS等8个参数)；这标志着GLONASS现代化迈出了坚实的第一步。目前GLONASS在轨工作卫星共17颗，其中10颗为旧卫星，7颗为GLONASS-M新卫星。此外，地面测控站设施也进行了一定的改良，系统定位、测速和授时精度都得到了改善，分别为定位精度10～15m，测速精度0.01m/s，授时精度20～30ns。2007年5月18日俄罗斯总统又公布最新总统令，主要内容为〔1〕继续开展完全免费的民用信号〔2〕确保提升GLONASS系统为政府战略决策效劳的性能。并建议俄罗斯航空局维持、开展和推广应用GLONASS全球坐标系统，建议政府机构制订GLONASS性能提升、GLONASS与其他GNSS进行兼容和互操作以及2012～2020年间GLONASS新的开展方案等。GLONASS系统在系统组成和工作原理上与GPS类似，也是由空间卫星星座，地面控制中心和用户设备三大局部组成。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星〔目前在轨17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°。由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS轨道倾角，所以在高纬度地区〔50度以上〕的可视性较好。GLONASS卫星星座示意图每颗GLONASS卫星上装有铯原子钟以产生卫星上高稳定的时标，并向所有星载设备提供同步信号。星载计算机将从地面控制站接收到的专用信息进行处理，生成导航电文向用户播送。导航电文包括：星历参数；星钟相对于GLONASSUTC时〔SU〕的偏移值；时间标记；GLONASS历书。GLONASS卫星向空间发射两种载波信号。L1频率为1.602-1.616MHZ，L2频率为1.246-1.256MHZ，L1为民用，L1和L2为军用。信号格式为伪随机噪声扩频信号，测距码用最长序列码。同步码重复周期2秒，30位，并有100周方波振荡的二进制码信息调制。各卫星之间的识别方法采用频分复用制〔FDMA〕，L1频道间隔0.5625MHZ，L2频道间隔0.4375MHZ。FDMA占用频段较宽，24个卫星的L1频段占用约14MHZ。GLONASS工作卫星GLONASS卫星星座的地面控制组〔GCS〕包括一个系统控制中心〔在莫斯科区的Golitsyno-2〕,一个指令跟踪站〔CTS〕,网络分布在俄罗斯境内。CTS跟踪着GLONASS可视卫星，它遥测所有卫星，进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。在CGS内有激光测距设备对测距数据做周期修正，为此所有GLONASS卫星都装有激光反射镜。GLONASS接收机接收GLONASS卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中选出并处理导航电文。接收机中的计算机对所有输入数据处理并算出位置坐标的三个分量，速度矢量的三个分量和时间。GLONASS系统进展较快，运行正常，但生产用户设备的厂家还较少，生产的接收机多为专用型。国内上海华测导航技术研制出了GPS/GLONASS联合接收机。GPS与GLONASS联合型接收机有很多优点：用户同时可接收的卫星数目约增加一倍，可以明显改善观测卫星的几何分布，提高定位精度；由于可见卫星的增加，在一些遮挡物较多的城市，森林等地区进行测量定位和建立运动目标的监控管理比拟容易开展；利用两个独立的卫星定位系统进行导航和定位测量，可有效削弱美俄两国对各自定位系统的可能控制，提高地位的可靠性和平安性。七伽利略〔Galileo〕GNSS系统从1994年欧盟已开始对伽利略系统方案实施论证。2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资〔36亿欧元〕，是将来精度最高的全开放的新一代定位系统。伽利略系统方案由30颗卫星〔27颗工作卫星和3颗备用卫星〕组成。30颗卫星部署在3个高度圆轨道面上，轨道高度23616km，倾角56度，星座对地面覆盖良好。在欧洲建立两个控制中心。欧洲航天局在2005年12月28日发射了第一颗伽利略演示卫星。Galileo系统最主要的设计思想是：与GPS/GLONASS不同，完全从民用出发，建立一个最高精度的全开放型的新一代GNSS系统；与GPS/GLONASS有机地兼容，增强系统使用的平安性和兼容性；建设资金〔36亿欧元〕由欧洲各国和私营企业共同投资。但是，政治斗争可能会破坏Galileo系统的建设，由欧盟挑选的八家欧洲公司组成的产业联盟，由于职权斗争，严重影响了Galileo系统的建设。据一位技术分析专家称，Galileo有可能在2014或更晚时间才能够建设完成。Galileo卫星示意图八我国北斗导航定位系统北斗卫星导航系统〔BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem〕，是中国研发的卫星导航系统，包括北斗一号和北斗二号的2代系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号那么是一个正在建设中的全球卫星导航系统。北斗一号由三颗北斗定位卫星〔两颗工作卫星、一颗备份卫星〕、地面控制中心为主的地面局部、与北斗用户终端三局部组成。北斗卫星导航定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位效劳。定位精度可达数十纳秒的同步精度，其精度号称GPS相当，唯缺乏原子钟等关键零组件，以现有用户端显示，校准精度为20米，未校准精度100米，较民用GPS精度为低。北斗一号卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向效劳区内的用户播送。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，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请效劳内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，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控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，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控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是的，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一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制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。从而中心控制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。规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。此前，已成功发射了七颗北斗导航卫星。按照建设规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信效劳能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗二号是中国开发的独立的全球卫星地位系统，不是北斗一号的简单延伸，更类似于，GPS全球定位系统和伽利