衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理及各國(guó)發(fā)展的歷史

1、簡(jiǎn)述 : 衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理及各國(guó)發(fā)展的歷史1、子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（NNSS）該系統(tǒng)又稱多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它是58 年底由美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室開始研制,于 64 年建成的“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（ Navy Navigation Satellite System）。這是人類歷史上誕生的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。/1957 年 10 月前蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國(guó)霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的吉爾博士和魏分巴哈博士對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)信號(hào)的多普勒頻移產(chǎn)生了濃厚的興趣。經(jīng)研究他們認(rèn)為：利用衛(wèi)星遙測(cè)信號(hào)的多普勒效應(yīng)可對(duì)衛(wèi)星精確定軌；而該實(shí)驗(yàn)室的克什納博士和麥克盧爾博士則認(rèn)為已知衛(wèi)星軌道，利用衛(wèi)星信號(hào)的多普勒效應(yīng)可確

2、定觀測(cè)點(diǎn)的位置?；羝战鹚勾髮W(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究人員的工作， 為多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而當(dāng)時(shí)美國(guó)海軍正在尋求一種可以對(duì)北極星潛艇中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行間斷精確修正方法，于是美國(guó)軍方便積極資助霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開展進(jìn)一步的深入研究。1958 年 12 月在克什納博士的領(lǐng)導(dǎo)下開展了三項(xiàng)研究工作：研制衛(wèi)星；建立地球重力場(chǎng)模型以便衛(wèi)星的精確定軌和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)衛(wèi)星的空間位置；研制多普勒接收機(jī)。經(jīng)過眾人的努力子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于1964 年 1 月正式建成并投入軍方使用，直至 1967 年 7 月該系統(tǒng)才由軍方解密供民間使用。此后用戶數(shù)量迅速增長(zhǎng)，最多達(dá)9.5萬(wàn)戶，而軍方用戶最多時(shí)只有6

3、50個(gè)，不足總數(shù)的1%，可見因生產(chǎn)的需要民間用戶遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軍方。1.1 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成（ 1）衛(wèi)星星座：子午衛(wèi)星星座，由六顆獨(dú)立軌道的極軌衛(wèi)星組成。在設(shè)計(jì)上要求衛(wèi)星的軌道的偏心率為零，軌道傾角i =90°； 衛(wèi)星運(yùn)行周期為T=107m；衛(wèi)星高度約為H=1075km；按理論上的設(shè)計(jì)，六顆衛(wèi)星應(yīng)當(dāng)均勻分布在相互間隔為30 度軌道平面上。但由于早期衛(wèi)星入軌精度不高，各衛(wèi)星周期、傾角、 偏心率都存在不同程度的誤差，故各衛(wèi)星軌道進(jìn)動(dòng)的大小和方向也都不盡相同， 這樣經(jīng)過一段時(shí)間后各衛(wèi)星軌道間的間距就變得疏密不一。因而地面可觀測(cè)衛(wèi)星的時(shí)間分布就變得更加沒有規(guī)律，中緯度地區(qū)的用戶平均1.5小時(shí)

4、左右可以觀測(cè)到一顆衛(wèi)星，有時(shí)在高緯上空可出現(xiàn)多顆衛(wèi)星造成信號(hào)的互相干擾（此時(shí)必須將信噪比差的衛(wèi)星關(guān)閉避免干擾）；但在低緯度地區(qū)最不利時(shí)要等待10 小時(shí)才能觀測(cè)到衛(wèi)星。（ 2）地面系統(tǒng)：地面設(shè)有4 個(gè)衛(wèi)星跟蹤站；1 個(gè)計(jì)算中心；1 個(gè)控制中心；2 個(gè)注入站；1 個(gè)天文臺(tái)（海軍天文臺(tái)）。地面控制系統(tǒng)中設(shè)立了四個(gè)衛(wèi)星跟蹤站，它們分別位于加利福尼亞州的穆古角、明尼蘇達(dá)州、夏威夷、緬因州。因?yàn)榈孛娓櫿镜木_坐標(biāo)是已知的，當(dāng)子午衛(wèi)星通過跟蹤站上空時(shí)可以觀測(cè)記錄各衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移，并將測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算中心。計(jì)算中心設(shè)在加州的穆古角，計(jì)算中心根據(jù)各跟蹤站最近36 小時(shí)的觀測(cè)資料計(jì)算各衛(wèi)星的軌道，并外

5、推預(yù)報(bào)16 小時(shí)的衛(wèi)星位置，然后按一定的編碼格式寫成導(dǎo)航電文傳送到注入站。地面的 2 個(gè)注入站分別位于穆古角和明尼蘇達(dá)州，注入站接收并存儲(chǔ)由計(jì)算中心送來(lái)的導(dǎo)航電文，每12 小時(shí)左右向衛(wèi)星注入1 次導(dǎo)航電文。在地面系統(tǒng)中美國(guó)海軍天文臺(tái)主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星以及地面計(jì)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間對(duì)比，求出衛(wèi)星鐘差改正數(shù)和鐘頻改正數(shù)。地面控制中心設(shè)在穆古角，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理整個(gè)地面控制系統(tǒng)的工作。1.2 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)（ 1）定軌精度：在衛(wèi)星跟蹤技術(shù)條件一定，使用相同的地球重力場(chǎng)模型且攝動(dòng)修正精度一定的情況下，衛(wèi)星定軌精度主要取決于地面跟蹤站的數(shù)量及其分布，一般來(lái)說(shuō)跟蹤站越多、分布越廣計(jì)算出的衛(wèi)星軌道就越精確。

6、廣播星歷：是由美國(guó)本土的4 個(gè)衛(wèi)星跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算的。因測(cè)站數(shù)量及分布范圍都小，故衛(wèi)星定軌精度不高。廣播星歷所預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置的切向誤差±7m；徑向誤差組6m；法向誤差切m。精密星歷：是由美國(guó)國(guó)防制圖局根據(jù)全球20 個(gè)衛(wèi)星跟蹤站的觀測(cè)資料解算的， 因測(cè)站數(shù)量多且分布范圍廣故衛(wèi)星定軌精度較高。精密星歷所預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置精度為 ± 2m。（ 2）衛(wèi)星性能：限于早期火箭的運(yùn)載能力，子午衛(wèi)星的重量、體積都很小。星體直徑約為50 公分，衛(wèi)星重量為4573 公斤。如此輕巧的衛(wèi)星如何保持姿態(tài)穩(wěn)定， 使衛(wèi)星天線始終指向地面在當(dāng)時(shí)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)（使用衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法解決燃料的長(zhǎng)期供應(yīng)，這顯

7、然是不現(xiàn)實(shí)的）。 美國(guó)科學(xué)家巧妙地利用重力梯度穩(wěn)定，使衛(wèi)星的天線始終指向地面。他們?cè)谛l(wèi)星天線的指向端接了一條30 米長(zhǎng)的穩(wěn)定桿，桿端配有一個(gè)1.4公斤的重錘，在重力的作用下重錘始終把長(zhǎng)桿和天線拉向下方，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定。衛(wèi)星還裝有4 塊太陽(yáng)能電池板，給衛(wèi)星提供所需的電能。（ 3）衛(wèi)星信號(hào)：衛(wèi)星配有一臺(tái)頻率相當(dāng)穩(wěn)定的鐘，由此產(chǎn)生一個(gè)頻率為4.9996MHz 基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過倍頻器分別倍頻30和 80倍后，形成兩個(gè)頻率為149.988MHz和399.968MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供衛(wèi)星使用。（ 4）定位精度：多普勒定位儀利用廣播星歷的單機(jī)定位精度一般為10m 左右 ,若觀測(cè)100次衛(wèi)星通過后的

8、測(cè)量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為35m 地心坐標(biāo)；如果利用精密星歷觀測(cè)40 次衛(wèi)星通過的測(cè)量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為0.51m地心坐標(biāo)；為了消除公共誤差提高定位精度，可利用 2臺(tái)以上的多普勒定位儀進(jìn)行聯(lián)測(cè)，一般聯(lián)測(cè)的定位精度為0.5m 。1.3 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理子午衛(wèi)星的定位原理是通過測(cè)定同一顆衛(wèi)星不同間隔時(shí)段其信號(hào)的多普勒效應(yīng)， 從而確定衛(wèi)星在各時(shí)段相對(duì)觀察者的視向速度和視向位移，再利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給定的t1、t2、t3、t4時(shí)刻的衛(wèi)星空間坐標(biāo)，結(jié)合對(duì)應(yīng)的視向位移則可解算出測(cè)站空間坐標(biāo)P （X, Y, Z）。多普勒定位的幾何原理是：衛(wèi)星在 t1、 t2、t3、t4 點(diǎn)上的坐標(biāo)

9、是已知的，而任意兩個(gè)相鄰已知點(diǎn)到待定點(diǎn)P的距離差（即視向位移）已通過多普勒效應(yīng)測(cè)定。在數(shù)學(xué)上我們知道，一個(gè)動(dòng)點(diǎn)P 到兩個(gè)定點(diǎn)的距離差為一定值時(shí)，該動(dòng)點(diǎn) P 則構(gòu)成一個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，這兩個(gè)定點(diǎn)就是該雙曲面的焦點(diǎn)。于是以衛(wèi)星所在的t1、t2、t3、t4任意兩個(gè)相鄰已知定點(diǎn)作焦點(diǎn)， 未知點(diǎn) P 作動(dòng)點(diǎn)均構(gòu)成對(duì)應(yīng)的特定旋轉(zhuǎn)雙曲面。其中兩個(gè)雙曲面相交為一曲線 （ P 點(diǎn)必在該曲線上）， 曲線與第三個(gè)雙曲面相交于兩點(diǎn)（其中一點(diǎn)必為P 點(diǎn)） ，第四個(gè)雙曲面必與其中一點(diǎn)相交 該點(diǎn)就是待定的P （X、Y、Z）點(diǎn)。因此要 解算 P 點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須對(duì)同一顆衛(wèi)星要有四個(gè)積分間隔時(shí)段的觀測(cè)，得出衛(wèi)星在四段時(shí)間間隔的視

10、向位移。從而獲得四個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，它們的公共交點(diǎn)就是待定點(diǎn)P（ X、 Y、 Z）。1.4 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不足之處（ 1）一次定位所需時(shí)間過長(zhǎng)，無(wú)法滿足高速用戶的需要。這一缺點(diǎn)是由多普勒定位方法的本身決定的。因?yàn)椴捎镁嚯x差交會(huì)的各個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面的焦點(diǎn)是由同一顆衛(wèi)星在飛行的過程中逐步形成的。為了保證觀測(cè)精度，這些焦點(diǎn)的距離不能太小。在一次測(cè)量定位的過程中，要求衛(wèi)星對(duì)于測(cè)點(diǎn)的起、止觀測(cè)角度8必須在 90°左右（參見圖2）。因此一次定位一般需要連續(xù)觀測(cè)一顆衛(wèi)星通過的時(shí)間約為1518分鐘。這樣勢(shì)必帶來(lái)一系列的問題：該系統(tǒng)只能作為船舶等低動(dòng)態(tài)用戶進(jìn)行輔助導(dǎo)航（例如慣性導(dǎo)航間斷修正），無(wú)法用于飛機(jī)

11、、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等高動(dòng)態(tài)用戶的實(shí)時(shí)定位。在一次定位的過程中（1518分鐘）導(dǎo)航載體還在運(yùn)動(dòng)，其間導(dǎo)航載體的空間位置可能變化10 公里左右。于是解算時(shí)必須根據(jù)導(dǎo)航載體的運(yùn)動(dòng)速度將觀測(cè)值歸算至同一時(shí)刻，顯然這會(huì)影響導(dǎo)航定位精度。為了減少一次定位所需時(shí)間，只能采用低軌道的短周期多普勒衛(wèi)星。而低軌衛(wèi)星由于受到地球不規(guī)則重力場(chǎng)的引力攝動(dòng)和大氣阻力攝動(dòng)的影響很大，低軌衛(wèi)星精確定軌的測(cè)算難度很大且精度不高。（ 2）衛(wèi)星出現(xiàn)時(shí)間間隔過長(zhǎng)，無(wú)法滿足連續(xù)導(dǎo)航的需要。由于子午衛(wèi)星系統(tǒng)沒有采用頻分、碼分、 時(shí)分等多路接收技術(shù)，要求在同一時(shí)刻多普勒接收機(jī)只能接收一顆子午衛(wèi)星的信號(hào)。但是接收機(jī)本身無(wú)法識(shí)別和屏蔽不同的子午衛(wèi)星

12、的信號(hào)， 于是在同一天區(qū)如果出現(xiàn)兩顆以上的子午衛(wèi)星，就會(huì)導(dǎo)致定位信號(hào)的相互干擾。 尤其是對(duì)于極軌衛(wèi)星，為了防止在高緯度地區(qū)的視場(chǎng)中同時(shí)出現(xiàn)多顆衛(wèi)星造成信號(hào)干擾的可能性，子午衛(wèi)星的數(shù)量一般不宜超過6 顆。 因衛(wèi)星數(shù)量少導(dǎo)致中低緯度地面出現(xiàn)可觀測(cè)衛(wèi)星的時(shí)間間隔過長(zhǎng)，中緯度地區(qū)的用戶平均1.5小時(shí)左右可以觀測(cè)到一顆衛(wèi)星。而考慮到軌道進(jìn)動(dòng)的不規(guī)則漂移導(dǎo)致軌道間隔分布的不均勻性因素后，在低緯度地區(qū)最不利時(shí)要等待10 小時(shí)才能觀測(cè)到衛(wèi)星，這樣該系統(tǒng)就很難滿足用戶連續(xù)導(dǎo)航的需要。盡管如此，有時(shí)在高緯上空還是可出現(xiàn)多顆衛(wèi)星造成信號(hào)互相干擾的現(xiàn)象，此時(shí)用戶只能通過地面控制中心將信噪比差的衛(wèi)星信號(hào)關(guān)閉以避免信號(hào)的

13、相互干擾。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，子午衛(wèi)星系統(tǒng)沒有采用頻分、碼分、 時(shí)分等多路接收技術(shù)，確定了該系統(tǒng)不能成為連續(xù)導(dǎo)航系統(tǒng)。（ 3）子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度偏低。這是該系統(tǒng)的致命缺陷，究其原因主要有三個(gè)方面：衛(wèi)星軌道低，受到地球不規(guī)則重力場(chǎng)的引力攝動(dòng)和大氣阻力攝動(dòng)的影響很大， 低軌衛(wèi)星精確定軌的測(cè)算難度很大且精度不高。由于衛(wèi)星引力攝動(dòng)和阻力攝動(dòng)計(jì)算不準(zhǔn)導(dǎo)致的定位誤差可達(dá)12米。衛(wèi)星信號(hào)頻率較低受電離層影響大，這是因?yàn)殡婋x層是電磁波的彌散介 質(zhì)，對(duì)不同頻率（f）的信號(hào)傳播速度影響很大。在電離層延時(shí)改正公式中略去 了頻率的高次項(xiàng)（1/f2） 2頻率越低導(dǎo)致的誤差就越大，在地磁赤道附近太陽(yáng)活動(dòng)的中等年份

14、，由此產(chǎn)生的定位誤差大于1 米，在太陽(yáng)活動(dòng)大年誤差就更大。子午衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘頻不夠穩(wěn)定，由于觀測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)而此間鐘頻不穩(wěn)定導(dǎo)致的鐘漂d （ A）引起的定位誤差可達(dá)0.81米。由于上述種種原因，縱使子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)剛服役不久，就迫使美國(guó)國(guó)防部不得不著手研究第二代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng)（GPS）。2、全球定位系統(tǒng)（GPS）該系統(tǒng)的全稱是：衛(wèi)星測(cè)時(shí)測(cè)距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）。1973年 12月，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)陸、海、空三軍聯(lián)合研制第二代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)（GPS

15、）。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全能性（陸地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、 定位和定時(shí)等多種功能。能為各類靜止或高速運(yùn)動(dòng)的用戶迅速提供精密的瞬間三維空間坐標(biāo)、速度矢量和精確授時(shí)等多種服務(wù)。GPS計(jì)劃經(jīng)歷了方案論證（19741978年），系統(tǒng)論證（19791987年）， 試驗(yàn)生產(chǎn)（19881993年）三個(gè)階段，總投資300億美元。整個(gè)系統(tǒng)分為衛(wèi)星 星座、地面監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)和用戶設(shè)備三大部分。論證階段發(fā)射了11顆Block I型GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（設(shè)計(jì)使用壽命為5年）；在試驗(yàn)生產(chǎn)階段發(fā)射了 28顆Block II型和Block H A型GPS工作衛(wèi)星（第二代衛(wèi)

16、星的設(shè)計(jì)使用壽命為 7.5年）；第 三代改善型GPS衛(wèi)星Block HR和BlocklH型GPS工作衛(wèi)星從90年代末開始發(fā) 射計(jì)劃發(fā)射20顆，以逐步取代第二代GPS工作衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。2.1全球定位系統(tǒng)（GPS）的組成（ 1）衛(wèi)星星座：全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由分布在六個(gè)獨(dú)立軌道的24顆GPS衛(wèi)星組成（其中包括3顆備用衛(wèi)星）,平均每個(gè)軌道上分布4顆衛(wèi)星,各軌道升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°。衛(wèi)星軌道傾角i =55°；衛(wèi)星運(yùn)行周期T=11h58m（恒星時(shí)12小時(shí)）；衛(wèi)星高度H=20200km；衛(wèi)星通過天頂附近時(shí)可觀測(cè)時(shí)間為5 小時(shí)，在地球表面任何地方任何時(shí)刻高度角15 度

17、以上的可觀測(cè)衛(wèi)星至少有4顆，平均有6 顆，最多達(dá)11 顆。（ 2）地面系統(tǒng)：地面設(shè)有5 個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)跟蹤站；1 個(gè)主控站；3 個(gè)信息注入站。5 個(gè)監(jiān)測(cè)站分別位于夏威夷、科羅拉多、阿松森、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)、大氣數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星工作狀態(tài)。通過主控站的遙控指令監(jiān)測(cè)站自動(dòng)采集各種數(shù)據(jù)：對(duì)可見 GPS衛(wèi)星每6分鐘進(jìn)行一次偽距測(cè)量和多普勒積分觀測(cè)、采集氣象要素等數(shù)據(jù)，每15 分鐘平滑一次觀測(cè)數(shù)據(jù)。所有觀測(cè)資料經(jīng)計(jì)算機(jī)初處理后儲(chǔ)存和傳送到主控站，用以確定衛(wèi)星的精確軌道。主控站設(shè)在美國(guó)科羅拉多州的一個(gè)軍事基地的山洞里。主控站主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)各監(jiān)測(cè)站資料，推算預(yù)報(bào)各

18、衛(wèi)星的星歷、鐘差和大氣修正參數(shù)編制導(dǎo)航電文；對(duì)監(jiān)測(cè)站的鐘差、偏軌或失效衛(wèi)星實(shí)行調(diào)控和調(diào)配。并將導(dǎo)航電文、指令傳送到注入站。3 個(gè)注入站分別位于阿松森、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭 赤道帶附近的美國(guó)海外空軍基地。注入站主要任務(wù)是：將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文、控制指令注入相應(yīng)的衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè) GPS衛(wèi)星 注入信息的正確性。2.2 全球定位系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)（1）定軌精度：目前的GPS衛(wèi)星的跟蹤技術(shù)條件，以及地球重力場(chǎng)模型的球階函數(shù)的引力攝動(dòng)修正等等精確定軌的推算技術(shù)手段，都比70 年代優(yōu)勝高明得多，因此衛(wèi)星定軌精度也比過去高得多。廣播星歷：是由美國(guó)本土以及海外軍事基地上的5 個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站的

19、觀測(cè)數(shù)據(jù)解算的。 因測(cè)站數(shù)量少，故衛(wèi)星定軌精度不高。廣播星歷所預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置的切向誤差=±5m；徑向誤差書m；法向誤差i3m。精密星歷：是由美國(guó)國(guó)防制圖局根據(jù)全球20 多個(gè)衛(wèi)星跟蹤站的觀測(cè)資料解算的， 因測(cè)站數(shù)量多且分布范圍廣故衛(wèi)星定軌精度較廣播星歷高一個(gè)數(shù)量級(jí)。值得指出的是，由國(guó)際GPS地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)組織（IGS）所測(cè)算預(yù)報(bào)精密星歷比美國(guó)軍方測(cè)定的精密星歷的精度要高得多，衛(wèi)星位置精度可達(dá)± 3 厘米。（2）衛(wèi)星性能：GPS衛(wèi)星直徑1.5米；重量為843.68公斤（包括310公斤 燃料）；GPS衛(wèi)星通過12根螺旋陣列天線發(fā)射張角約為30度的電磁波束垂直指 向地面。GPS衛(wèi)星

20、采用陀螺儀與姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成的三軸穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定， 從而使天線始終指向地面。衛(wèi)星還裝有 8塊太陽(yáng)能電池翼板（7.2 m2）,三組1 5A 的鎳鎘蓄電池為衛(wèi)星提供所需的電能。（ 3）衛(wèi)星信號(hào)：衛(wèi)星配有4 臺(tái)頻率相當(dāng)穩(wěn)定（量時(shí)精度為10-13 秒）的原子鐘 （ 2 臺(tái)銫鐘，2 臺(tái)銣鐘）， 由此產(chǎn)生一個(gè)頻率為: 10.23MHz 的基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過倍頻器降低10 倍的頻率后，成為頻率為1.023MHz 測(cè)距粗碼（C/A碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)的頻率10.23MHz,直接成為測(cè)距精碼（P碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)經(jīng)過倍頻器降低204600倍的頻率后，成為頻率為50MHz 數(shù)據(jù)碼（衛(wèi)星

21、星歷、導(dǎo)航電文的編碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)再經(jīng)過倍頻器倍頻150倍和120倍頻后，分別形成頻率為1575.42MHz （ L1）與1227.60MHz （L2）載波信號(hào)。測(cè)距用的碼頻信號(hào)控制著移位寄存器的觸發(fā)端，從而產(chǎn)生與之頻率一致的偽隨機(jī)碼（測(cè)距碼），測(cè)距碼與數(shù)據(jù)碼模二相加后再調(diào)制到L1 L2 載波信號(hào)上通過衛(wèi)星天線陣列發(fā)送出去。值得指出的是：無(wú)論是測(cè)距碼的波長(zhǎng)還是載波信號(hào)的波長(zhǎng)，都是測(cè)量 GPS衛(wèi)星到觀測(cè)點(diǎn)距離的物理媒體，它們的頻率越高波長(zhǎng)越短所測(cè)量的距離精度就越高，定位精度也就越高。另外C/A碼除了用于測(cè)距外，它還用于識(shí)別鎖定衛(wèi)星和解調(diào)導(dǎo)航電文以及捕獲P 碼。（ 4）定位精度：利用偽

22、隨距碼（測(cè)距碼）的信號(hào)單機(jī)測(cè)量，理論上按照目前測(cè)距碼的對(duì)齊精度約為碼波長(zhǎng)的1/100 計(jì)算，測(cè)距粗碼（ C/A 碼）的測(cè)距精度約為 ± 3m； 而測(cè)距精碼（P 碼）的測(cè)距精度約為± 0.3m 。為了消除公共誤差提高定位精度，可利用2臺(tái)以上的載波相位GPS定位儀實(shí)行聯(lián)測(cè)定位，對(duì)于載波信號(hào)單頻機(jī)的相對(duì)定位精度可達(dá)：±（5mm+2Ppm D）其中D為兩臺(tái)儀器的相對(duì)距離； 對(duì)于載波信號(hào)雙頻機(jī)，它能有效的消除電離層延時(shí)誤差，其相對(duì)定位精度可達(dá)：t1mm+1ppm D）;全球定位技術(shù)不但精度高，而且定位速度快，可以滿 足飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等高速運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航定位的需要。2

23、.3 全球定位系統(tǒng)的定位原理GPS定位的幾何原理并不復(fù)雜，它是利用測(cè)距交會(huì)的原理確定測(cè)點(diǎn)位置的。如圖5所示，GPS衛(wèi)星任何瞬間的坐標(biāo)位置都是已知的。一顆 GPS衛(wèi)星（Sn） 信號(hào)傳播到接收機(jī)的時(shí)間只能決定該衛(wèi)星到接收機(jī)（P）的距離（Dn）,但并不 能確定接收機(jī)相對(duì)于衛(wèi)星的方向，在三維空間中，GPS接收機(jī)的可能位置構(gòu)成一 個(gè)以 Sn 為中心以Dn 為半徑球面（稱為定位球）；當(dāng)測(cè)到兩顆衛(wèi)星的距離時(shí)，接收機(jī)的可能位置被確定于兩個(gè)球面相交構(gòu)成的圓上；當(dāng)?shù)玫降谌w衛(wèi)星的距離后， 第三個(gè)定位球面與該圓相交得到兩個(gè)可能的點(diǎn)；第四顆衛(wèi)星確定的定位球便交出接收機(jī)的準(zhǔn)確位置。因此，如果接收機(jī)能夠同時(shí)得到四顆GPS

24、衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)， 就可以進(jìn)行瞬間定位；當(dāng)接收到信號(hào)的衛(wèi)星數(shù)目多于四顆時(shí)，可以優(yōu)選四顆衛(wèi)星計(jì)算位置，或以信噪比最高的衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為平差標(biāo)準(zhǔn)與其他多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，以消除公共誤差提高定位精度。如果不考慮測(cè)量距離的誤差修正，整個(gè)定位過程是：測(cè)量站星幾何距離Dn 通過導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星坐標(biāo)S（ Xs，Ys, Zs）利用定位球方程式：求解 4 個(gè)定位球相交的公共點(diǎn)P（ Xp， Yp， Zp）。按GPS定位測(cè)量的技術(shù)手段分類，可分為偽隨機(jī)碼相位測(cè)量與載波相位測(cè)量?jī)深悺?由于篇幅限制這里只討論偽隨機(jī)碼相位測(cè)量原理：簡(jiǎn)而言之偽隨機(jī)碼相位測(cè)量時(shí)，GPS接收機(jī)利用碼分多址技術(shù)與碼相關(guān)鎖相放大技術(shù)，同時(shí)對(duì)4顆

25、以上衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)進(jìn)行偽距（站星真空距離）測(cè)定， 再通過對(duì)偽距的多項(xiàng)修正后的站星幾何距離解算測(cè)站坐標(biāo)。偽碼測(cè)量的具體步驟為：接收機(jī)將本機(jī)產(chǎn)生C/A 碼與衛(wèi)星發(fā)射C/A 碼模二和，求自相關(guān)系數(shù)R（t）；當(dāng)自相關(guān)系數(shù)R（t） = -1/N （有相位差碼序不齊）時(shí)，延時(shí)器將本機(jī)碼元相位后移，直至R（t）= 1 （碼序?qū)R）時(shí)鎖定信號(hào)，并解讀導(dǎo)航電文。接收機(jī)根據(jù)本機(jī)信號(hào)的延時(shí)量（計(jì)算GPS衛(wèi)星到接收機(jī)偽距（D'= 卬0再對(duì)偽距（D'）經(jīng)過對(duì)流層延時(shí)改正、電離層延時(shí)改正、鐘差鐘漂改正等 多項(xiàng)修正后，成為近似的幾何距離（D）,連同導(dǎo)航電文的衛(wèi)星坐標(biāo) S （Xs, Y s, Zs）代入定位球

26、方程解算測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) P （Xp, Yp, Zp）。按GPS定位方法分類可分：絕對(duì)定位：在未知點(diǎn)上用 GPS定位儀（單機(jī)）測(cè)定站星距離，從而獨(dú)立解算測(cè)點(diǎn)WGS-84 坐標(biāo)的過程。相對(duì)定位：在一定距離內(nèi)，用兩臺(tái)以上 GPS定位儀同時(shí)測(cè)定站星距離， 通過求差的方法解算測(cè)點(diǎn)間基線向量的過程。靜態(tài)定位：在定位過程中，GPS定位接收機(jī)始終處于靜止接收狀態(tài)的定位 方法。動(dòng)態(tài)定位：在定位過程中，GPS定位接收機(jī)始終處于運(yùn)動(dòng)接收狀態(tài)的定位 方法。2.4美國(guó)對(duì)GPS用戶的限制性政策由于GPS定位技術(shù)與美國(guó)的國(guó)防現(xiàn)代化發(fā)展密切相關(guān)，因而美國(guó)從自身的安 全利益出發(fā)，限制非特許用戶利用GPS定位精度。GPS系統(tǒng)除在設(shè)計(jì)方

27、面采取了 許多保密性措施外，還對(duì) GPS用戶實(shí)施SA與A-S限制性政策，具體做法有：對(duì)不同的GPS用戶提供不同的服務(wù)方式：GPS系統(tǒng)在信號(hào)設(shè)計(jì)方面就區(qū) 分了兩種精度不同的定位服務(wù)方式，即標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)方式（SPS）和精密定位服務(wù)方式（PPS）。標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)方式（ SPS） 它通過美國(guó)軍方已經(jīng)公開的衛(wèi)星識(shí)別碼（ C/A 碼）解調(diào)廣播星歷的導(dǎo)航電文，進(jìn)行定位測(cè)量的，其單點(diǎn)定位精度約為2040mo精密定位服務(wù)方式（PPS）是美國(guó)軍方或者美國(guó)同盟國(guó)的特許用戶使用的， 其單點(diǎn)定位精度約為24m。使用這種服務(wù)方式一定要事先知道加密碼（ W碼） 和精碼（ P 碼）的編碼結(jié)構(gòu)。否則便無(wú)法解調(diào)鎖定P 碼進(jìn)而解讀精

28、密星歷，實(shí)施精密測(cè)距。因此W 碼與 P 碼對(duì)于非特許用戶是絕對(duì)保密的。選擇性可用（SA）政策對(duì)（SPS）服務(wù)實(shí)施干擾：為了進(jìn)一步降低標(biāo) 準(zhǔn)定位服務(wù)方式（SPS）的定位精度，以保障美國(guó)政府的利益與安全，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)定 位服務(wù)的衛(wèi)星信號(hào)實(shí)施 6技術(shù)和e技術(shù)的人為干擾。w 6技術(shù)一一將鐘頻信號(hào)加入高頻抖動(dòng)使 C/A碼波長(zhǎng)不穩(wěn)定。w e技術(shù)一一將廣播星歷的衛(wèi)星軌道參數(shù)加入人為誤差，降低定位精度。在SA政策的影響下，SPS服務(wù)的垂直定位精度降為 ±50m,水平定位精度 降為±00m?？茖W(xué)家利用GPS差分技術(shù)，可以明顯削弱SA政策導(dǎo)致的系統(tǒng)性誤 差的影響。但對(duì)于使用精密定位服務(wù)（PPS）的特

29、許用戶，則可以通過密匙自動(dòng) 消除 SA 影響。SA政策1991年7月1日實(shí)施，因印影響美國(guó)商業(yè)利益，于 2000年5月2SA 政策。反電子欺騙技術(shù)（A-S） 對(duì)P碼實(shí)施加密：盡管P碼的碼長(zhǎng)是一個(gè)非 常驚人的天文數(shù)字（碼長(zhǎng)為2.35漢014比特）至今無(wú)法破譯，但是美國(guó)軍方還是 擔(dān)心一旦P 碼被破譯，在戰(zhàn)時(shí)敵方會(huì)利用P 碼調(diào)制一個(gè)錯(cuò)誤的導(dǎo)航信息，誘騙特許用戶的GPS接收機(jī)錯(cuò)鎖信號(hào)一一導(dǎo)致錯(cuò)誤導(dǎo)航。為了防止這種電子欺騙，美國(guó)軍方將在必要時(shí)引入機(jī)密碼（W 碼），并通過P 碼與 W 碼的模二相加轉(zhuǎn)換為 Y 碼，即對(duì)P 碼實(shí)施加密保護(hù)：P W=Y由于 W 碼對(duì)非特許用戶是嚴(yán)格保密的，所以非特許用戶將無(wú)法應(yīng)

30、用破密的 P 碼進(jìn)行精密定位和實(shí)施上述電子欺騙。3、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GLONASS）該系統(tǒng)是82 年底由前蘇聯(lián)開始承建，期間因蘇聯(lián)解體，幾經(jīng)周折最后由俄羅斯于 96 年建成全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（Global Navigation Satellite System GLONASS） o該系統(tǒng)與美國(guó)的全球定位系統(tǒng)同屬于第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)。3.1 全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的組成（ 1）衛(wèi)星星座：如圖6 所示，全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由分布在三個(gè)獨(dú)立橢圓軌道的24顆（GLONASS）衛(wèi)星組成（另加1顆備用衛(wèi)星），平均每個(gè)軌道上分布8 顆衛(wèi)星，各軌道升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差120°；軌道偏心率e=0.0

31、1;衛(wèi)星軌道傾角i =64.8 °衛(wèi)星運(yùn)行周期T=11h15m （恒星時(shí)11.28小時(shí)）； 衛(wèi)星高度H=19100km；衛(wèi)星設(shè)計(jì)的使用壽命為 4.5年，直至1995年衛(wèi)星星座布 成，經(jīng)過數(shù)據(jù)加載、調(diào)整和檢驗(yàn)，已于1996 年 1 月 18 日整個(gè)系統(tǒng)正式運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）地面系統(tǒng)：地面控制站組（GCS）設(shè)有1個(gè)系統(tǒng)控制中心（在莫斯科 區(qū)的Golitsyno-2） , 1個(gè)指令跟蹤站（CTS）,整個(gè)跟蹤網(wǎng)絡(luò)分布于俄羅斯境內(nèi); CTS 跟蹤遙測(cè)著所有GLONASS 可視衛(wèi)星，對(duì)其進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)的采集和處理，并向各衛(wèi)星發(fā)送控制指令和導(dǎo)航信息。在GCS 內(nèi)裝有激光測(cè)距設(shè)備對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)作周期修正，為此所

32、有的GLONASS 衛(wèi)星上都裝有激光反射鏡。3.2 全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)（ 1）衛(wèi)星信號(hào)：每顆 GLONASS 衛(wèi)星配有銫原子鐘，以便為所有星載設(shè)備提供高穩(wěn)定的時(shí)標(biāo)信號(hào)。GLONASS 衛(wèi)星同樣向地面發(fā)射兩種載波信號(hào)，L1載波信號(hào)的頻率為16021616MHz ； L2 載波信號(hào)的頻率為12461256MHz ； 其中 L1 載波信號(hào)為民用，L2 載波信號(hào)為軍用。GLONASS 衛(wèi)星之間的識(shí)別方法采用頻分復(fù)用制（FDMA）， L1 載波信號(hào)的頻道間隔為0.5625 MHz， L2 載波信號(hào)的頻道間隔為0.4375 MHz 。 GLONASS 衛(wèi)星測(cè)距粗碼（C/A 碼）的碼頻0.511MH

33、z碼長(zhǎng)為511比特，重復(fù)周期為1ms ; GLONASS衛(wèi)星也采用類似GPS信 號(hào)的P碼，盡管前蘇聯(lián)嚴(yán)格保密，英國(guó)立茨大學(xué) G.R.Lennen博士還是成功地 破譯了 P 碼。2）定位精度：w水平精度：i5070m；垂直精度： 立5m；w測(cè)速精度：+5cm/s；授時(shí)精度：± 1仙s（3）定位原理：與GPS相同3.3 俄羅斯聯(lián)邦政府對(duì)GLONASS 系統(tǒng)的使用政策早在 1991 年俄羅斯聯(lián)邦政府就首先宣稱：GLONASS 系統(tǒng)可供國(guó)防和民間使用，不帶任何限制、不引入“選擇可用性（SA） ”機(jī)制，也不計(jì)劃對(duì)用戶收費(fèi)，該系統(tǒng)將在完全布滿星座后遵照以公布的性能運(yùn)行至少15 年。俄羅斯空間部隊(duì)

34、的合作科學(xué)信息中心作為GLONASS 系統(tǒng)狀態(tài)信息的用戶接口，正式向用戶公布 GLONASS 系統(tǒng)咨詢通告。1995年 3月 7日俄羅斯聯(lián)邦政府簽署了一項(xiàng)“有關(guān)GLONASS 面向民用得行動(dòng)指導(dǎo)”的法令，確認(rèn)了由民間用戶早期啟用GLONASS 系統(tǒng)的可能性。俄羅斯聯(lián)邦政府對(duì)GLONASS 系統(tǒng)的使用政策，使得美國(guó)的GPS定位儀的生產(chǎn)商對(duì)美國(guó)政府實(shí)施的 SA政策大為不滿，考慮到美國(guó)的商業(yè)利益美國(guó)政府最后不得不于2000 年 5 月 2 日取消 SA 政策。4、雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號(hào)）1982年7月，美國(guó)L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose三位科學(xué)家提出主動(dòng)式衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng),

35、并于1982年 12月完成了總體設(shè)計(jì),定名為 GEOSTAR 。 該系統(tǒng)是一個(gè)局域?qū)崟r(shí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，據(jù) 1991 年 9 月的報(bào)導(dǎo),由于GEOSTAR 系統(tǒng)缺乏競(jìng)爭(zhēng)能力,擬投資的用戶日漸減少,最后不得不中斷該系統(tǒng)的建設(shè)。而我國(guó)類似GEOSTAR 系統(tǒng)的雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號(hào)），已于2000年底發(fā)射了兩顆同步靜止定位衛(wèi)星，并完成了大量的測(cè)試工作。該系統(tǒng)的第三顆同步靜止定位衛(wèi)星，在 2003 年 5 月 25 日發(fā)射，于6 月 3 日 5 時(shí)順利定點(diǎn)，系統(tǒng)大功告成。4.1 雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成（ 1）衛(wèi)星星座：由3 顆同步靜止衛(wèi)星組成（其中1 顆在軌備用）。軌道傾角 i =0°；公

36、轉(zhuǎn)周期T=24h 恒星時(shí)；軌道高度H=36000km 。（ 2）地面系統(tǒng)：一個(gè)中心站:負(fù)責(zé)系統(tǒng)測(cè)控、定位信號(hào)的發(fā)射與接收、用戶坐標(biāo)的解算與發(fā)布、雙向授時(shí)等。4.2雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)：1）服務(wù)區(qū)域：70° 145° E；5° 55° N2)用戶設(shè)備：定位收發(fā)機(jī)的瞬間發(fā)射功率較大。(3)定位精度：平面精度i20m；垂直精度才0m4.3雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理：雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理如圖7 所示： 地面中心站通過2 顆同步靜止定位衛(wèi)星傳送測(cè)距問詢信號(hào)，如果用戶需要定位則馬上回復(fù)應(yīng)答信號(hào)。地面中心站可根據(jù)用戶的應(yīng)答信號(hào)的時(shí)差計(jì)算出戶星距離，這樣以兩

37、顆定位衛(wèi)星為中心以兩 個(gè)戶星距離為半徑可作出兩個(gè)定位球。而兩個(gè)定位球又和地面交出兩個(gè)定位圓，用戶必定位于兩個(gè)定位圓相交的兩個(gè)點(diǎn)上（這兩個(gè)交點(diǎn)一定是以赤道為對(duì)稱軸南北對(duì)稱的）。 地面中心站求出用戶坐標(biāo)后，再根據(jù)坐標(biāo)在地面數(shù)字高程模型讀出用戶高程 進(jìn)而讓衛(wèi)星轉(zhuǎn)告用戶。雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單投資少，而最大缺點(diǎn)是他只能實(shí)施局域定位，接收發(fā)射機(jī)功率大且笨重還會(huì)暴露用戶目標(biāo)，在戰(zhàn)時(shí)這是兵家最忌諱的事情。5、伽俐略系統(tǒng)（GNSS）從1994年歐盟已開始對(duì)伽利略（GNSS）系統(tǒng)方案實(shí)施論證。2000年歐盟 已向世界無(wú)線電委員會(huì)申請(qǐng)并獲準(zhǔn)建立伽利略（GNSS）系統(tǒng)的L頻段的頻率資 源。2002年3月歐盟15國(guó)交通部長(zhǎng)一致同意伽利略（GNSS）系統(tǒng)的建設(shè)。該 系統(tǒng)由歐盟各政府和私營(yíng)企業(yè)共同投資（36 億歐元），是將來(lái)精度最高的全開放的新一代定位系統(tǒng)。5.1 系統(tǒng)組成：衛(wèi)星星座：由3個(gè)獨(dú)立的圓形軌道，30顆GNSS衛(wèi)星組成（27顆工作衛(wèi)星， 3顆備用衛(wèi)星）。衛(wèi)星的軌道傾角i =56°；衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期T=14h23m14S恒星時(shí)；軌道高度H=23616km 。地面系統(tǒng)：在歐洲建立2個(gè)控制中心；在全球構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)定位原理：與GPS相同定位精度：導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高5.2計(jì)劃實(shí)施：1994年開始進(jìn)入方案論證階段；2003 年開始發(fā)射兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)入