任務(wù)1四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、項(xiàng)目34 GNSS的基本知識(shí)任務(wù)1四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介一、GNSS是什么很久以來，人們一直因?yàn)椤拔以谀睦铩边@個(gè)問題而感到困惑，也想了許多解決的辦法，但是沒有一個(gè)直接、快速和有效的解決方法為全球提供精確定位服務(wù)，直到GPS系統(tǒng)出現(xiàn)。GNSS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System）的縮寫。它是所有在軌工 作的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的總稱。GNSS能為我們提供什么？它可為用戶提供高精度、全天時(shí)、全天候的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。GNSS包括的定位系統(tǒng)有哪些？目前，GNSS包含了美國(guó)的 GPS、俄羅斯的 GLONASS、歐盟的Galileo系統(tǒng)、中國(guó)的 C

2、ompass（北斗），全部建成后其可用的衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到100顆以上，截止目前歐盟的 Galileo系統(tǒng)、中國(guó)的Compass（北斗）還未進(jìn)入有規(guī)模的民用階段。除此之外還有 WAAS廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、EGNOS歐洲靜地衛(wèi)星導(dǎo)航重疊系統(tǒng)、DORIS星載多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)、PRARE精確距離及其變率測(cè)量系統(tǒng)、 QZSS準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)、GAGAN GPS靜地衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)和 IRNSS印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。GNSS是由誰開發(fā)的？目前現(xiàn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。開發(fā)者也有國(guó)家或是部門。具體情況參見表 1-1。表1-1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)表系統(tǒng)開發(fā)國(guó)家或部門研發(fā)時(shí)間覆蓋區(qū)域GPS美國(guó)

3、國(guó)防部1973年開始方案論證（19741978年） 系統(tǒng)論證（19791987年）生產(chǎn)試驗(yàn)（19881993年）全球GLONASS前蘇聯(lián)研發(fā)，1996 年由俄羅斯接替1982年開始全球Galileo歐盟1978年方案認(rèn)證和初步設(shè)計(jì)階 段定義階段開發(fā)階段部署階段商業(yè)運(yùn)行階段全球COMPASS中國(guó)1985年提岀，1994年1月立項(xiàng)研制建設(shè)北斗一號(hào)：區(qū)域北斗二號(hào)：全球試驗(yàn)階段2012年覆蓋亞太地區(qū)2020年建成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)QZSS日本概念研究階段（2003年）系統(tǒng)定義和設(shè)計(jì)階段（20042005 年）開發(fā)階段（2006年以后）區(qū)域：東亞和大洋洲 地區(qū)IRSS印度2006年開始區(qū)域：印度境內(nèi)和周

4、邊EGNOS歐盟委員會(huì)、歐洲 航天局、以及歐洲 航空安全組織面向歐盟27國(guó)免費(fèi)提 供服務(wù)MSAS日本氣象局和日本交通部1996年開始實(shí)施系統(tǒng)覆蓋范圍為日本 所有飛行服務(wù)區(qū)，也 可為亞太地區(qū)的機(jī)動(dòng) 用戶播發(fā)氣象數(shù)據(jù)信 息GNSS系統(tǒng)組成？GNSS系統(tǒng)一般由三部分組成，也即地面部分、空間部分和用戶部分。各衛(wèi)星定位系統(tǒng) 的組成參見表1-2。表1-2 GNSS系統(tǒng)組成系統(tǒng)部分組件作用GPS地面監(jiān)控部 分2個(gè)主控站、5個(gè)監(jiān)測(cè)站和4個(gè)注 入站測(cè)定衛(wèi)星軌道、計(jì)算衛(wèi)星鐘改正 值空間衛(wèi)星部 分21 + 3顆衛(wèi)星分布在 6個(gè)軌道面 上，運(yùn)行周期11小時(shí)58分，衛(wèi)星高度為 20200km （見圖1-1）提供衛(wèi)星星歷

5、、高精度原子鐘、L1，L2載波、偽隨機(jī)碼用戶部分GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，測(cè)定 接收機(jī)所在三維位置及時(shí)間GLONASS地面支持系統(tǒng)系統(tǒng)控制中心、中央同步器、遙 測(cè)遙控站（含激光跟蹤站）和外 場(chǎng)導(dǎo)航控制設(shè)備跟蹤衛(wèi)星，以便確定和預(yù)報(bào)衛(wèi)星 軌道和衛(wèi)星鐘差；衛(wèi)星時(shí)間同步 及控制 GLONASS 時(shí)間與 UTC 之間的時(shí)間偏差?？刂贫芜€要進(jìn) 行很多非控制操作活動(dòng)，如組織 和發(fā)射活動(dòng)空間衛(wèi)星部 分24 （ 21 + 3）顆衛(wèi)星組成，分布在 3個(gè)軌道面，衛(wèi)星軌道傾角為64.8 °衛(wèi)星高度為 19100km，衛(wèi) 星運(yùn)行周期11h15m （見圖1-2）通過載波向外發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)和 測(cè)距碼用戶部

6、分GLONASS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，并測(cè) 量其偽距和偽距變化率，同時(shí)從 衛(wèi)星信號(hào)中提取并處理導(dǎo)航電 文Galileo地面控制部 分1個(gè)主控站,5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面控制站組成。監(jiān)測(cè)站均配 裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量 到所有可見衛(wèi)星的接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星空間部分30（ 27+3）顆中低軌衛(wèi)星，分布 在3個(gè)軌道面上，軌道面傾角56度，衛(wèi)星高度為 23000km，衛(wèi)星 的公轉(zhuǎn)周期14h4m45s（見圖1-3）通過載波發(fā)射導(dǎo)航電文與測(cè)距 碼用戶部分Galileo 接收機(jī)或與 GPS、GLONASS兼容的接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)空間部分兩顆經(jīng)差為 60度的地球靜止衛(wèi) 星、一顆備用衛(wèi)星，衛(wèi)星高度為 36

7、000km用于地面中心站與用戶之間的 信號(hào)中繼。用戶終端帶有定向天線的收發(fā)器即能為用戶提供衛(wèi)星無線電導(dǎo) 航服務(wù)，又具有位置報(bào)告以及短 報(bào)文通信功能。北斗二號(hào)COMPASS地面中心控制系統(tǒng)1個(gè)配有電子咼程圖的地面中心、 網(wǎng)管中心，測(cè)軌站、測(cè)高站和數(shù) 十個(gè)分布在全國(guó)的地面參考站監(jiān)測(cè)、調(diào)控空間部分5 顆 GEO+5 顆 IGSO+4 顆 MEO3 顆 GEO 位于 84oE，140oE 和 160oE;3 顆 IGSO,位于 118oE,傾 斜角55o （見圖1-4、1-5和1-6）播發(fā)測(cè)距碼和導(dǎo)航電文用戶終端接收機(jī)3D定位；對(duì)GPS和BD系統(tǒng)自身的增強(qiáng)； 短消息通訊。各衛(wèi)星定位系統(tǒng)的衛(wèi)星圖參見圖1

8、-7、1-8、1-9和圖1-10。圖1-1 GPS 衛(wèi)星星座圖1-2 GLONASS衛(wèi)星星座圖1-3 Galileo 衛(wèi)星星座圖1-4 北斗衛(wèi)星星座WL120'140'圖1-5 2011年6月北斗衛(wèi)星運(yùn)行軌道圖圖1-6 2011年9月北斗衛(wèi)星運(yùn)行軌道圖10圖1-7 GPS衛(wèi)星圖 1-8 GLONASS 衛(wèi)星圖1-10北斗衛(wèi)星GNSS衛(wèi)星發(fā)射的是什么信號(hào)？不同的導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)不盡相同，但基本上有三種，一種是供用戶計(jì)算衛(wèi)星位置的導(dǎo)航電文，一個(gè)是用來測(cè)距的測(cè)距碼，還有一個(gè)是加載信號(hào)和測(cè)距的載波。具體見表1-3所示。GNSS衛(wèi)星上配有頻率相當(dāng)穩(wěn)定的原子鐘，由此產(chǎn)生一個(gè)頻率為10

9、.23MHz的基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)。表1-3G NSS信號(hào)表衛(wèi)星導(dǎo)航 定位系統(tǒng)載波信號(hào)測(cè)距碼導(dǎo)航電文載波頻率(MHz)波長(zhǎng)（cm）GPSL11575.4219.03C/A碼P碼衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀 態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn) 行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、 大氣折射改正、由 C/A碼 捕獲P碼的信息L21227.6024.42L51176.4225.48GLONASSG11602.00018.7C/A碼P碼同GPSG21246.00024.1G31204.70424.9GalileoE11575.42019.0測(cè)距碼E61278.75023.4E51191.79525.2導(dǎo)航電文E5a1176.45025.5E

10、5b1207.14024.8COMPASSB11561.098B1頻點(diǎn)1支路測(cè) 距碼碼速率為2.046 Mcps,碼長(zhǎng)為 2046 chipsGNSS坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)是什么？不同的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)不盡相同。具體情況參見表1-4和表1-5。表1-4GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)表衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPSGLONASSGalileoCOMPASS坐標(biāo)系統(tǒng)名WGS-84PZ-90ITRSCGCS2000長(zhǎng)半軸（m637813763781366378136.556378137.0短半軸6356752.3142地球引力常數(shù)（m /s2）83986005 X 1083986004.4 X 10143.5

11、X083986004.418 X 10地球自轉(zhuǎn)角速度（rad/s ）117292115 X 10117292115 X10-117292115 X 10扁率1/298.31/289.31/298.257691/298.1相關(guān)內(nèi)容的具體信息可參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位坐標(biāo)系統(tǒng)表1-5GNSS時(shí)間系統(tǒng)表衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng) 名稱說明GPSGPS時(shí)GPS時(shí)的起始?xì)v元為 1980年1月6日0h（ UTC ），此時(shí)TAI -JTC=19s。GPS時(shí)不作閏秒調(diào)整，在任何時(shí)候都在整數(shù)秒上與TAI相差19 s,即 TAI - GPS Time 19 s，它與 UTC 的差為 GPS Time - JTC DTAI -9 S。GLONASSGLONASS 時(shí)GLONASS系統(tǒng)通過一組氫原子鐘構(gòu)成的GLONASS中央同步器來維持時(shí)間系統(tǒng)。GLONAS時(shí)間系統(tǒng)與UTC時(shí)間聯(lián)系緊密，但有一個(gè)3小時(shí) 的常數(shù)偏移，即莫斯科時(shí)間和格林尼治時(shí)差。Galileo伽利略系統(tǒng)時(shí)間伽利略系統(tǒng)時(shí)間（GS