任務 四大衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)簡介

1、項目34 GNSS的基本知識任務1 四大衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)簡介一、GNSS是什么很久以來，人們一直因為“我在哪里”這個問題而感到困惑，也想了許多解決的辦法，但是沒有一個直接、快速和有效的解決方法為全球提供精確定位服務，直到GPS系統(tǒng)出現(xiàn)。GNSS是全球導航衛(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、全天候的定位、導航和授時服務。GNSS包括的定位系統(tǒng)有哪些？目前，GNSS包含了美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統(tǒng)、中國的Compa

2、ss(北斗)，全部建成后其可用的衛(wèi)星數(shù)目達到100顆以上，截止目前歐盟的Galileo系統(tǒng)、中國的Compass(北斗)還未進入有規(guī)模的民用階段。除此之外還有WAAS廣域增強系統(tǒng)、EGNOS歐洲靜地衛(wèi)星導航重疊系統(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量系統(tǒng)、QZSS準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)、GAGAN GPS靜地衛(wèi)星增強系統(tǒng)和IRNSS印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)。GNSS是由誰開發(fā)的？目前現(xiàn)行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)。開發(fā)者也有國家或是部門。具體情況參見表1-1。表1-1 衛(wèi)星導航系統(tǒng)開發(fā)表系統(tǒng)開發(fā)國家或部門研發(fā)時間覆蓋區(qū)域GPS美國國防部1973年

3、開始方案論證（19741978年）系統(tǒng)論證（19791987年）生產(chǎn)試驗（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年方案認證和初步設計階段定義階段開發(fā)階段部署階段商業(yè)運行階段全球COMPASS中國1985年提出，1994年1月立項研制建設試驗階段2012年覆蓋亞太地區(qū)2020年建成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗一號：區(qū)域北斗二號：全球QZSS日本概念研究階段（2003年）系統(tǒng)定義和設計階段（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)和周邊EGNOS歐盟委員會、歐洲

4、航天局、以及歐洲航空安全組織面向歐盟27國免費提供服務MSAS日本氣象局和日本交通部1996年開始實施系統(tǒng)覆蓋范圍為日本所有飛行服務區(qū)，也可為亞太地區(qū)的機動用戶播發(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個主控站、5個監(jiān)測站和4個注入站測定衛(wèi)星軌道、計算衛(wèi)星鐘改正值空間衛(wèi)星部分213顆衛(wèi)星分布在6個軌道面上，運行周期11小時58分，衛(wèi)星高度為20200km（見圖1-1）提供衛(wèi)星星歷、高精度原子鐘、L1，L2載波、偽隨機碼用戶部分GPS接收機接收衛(wèi)

5、星發(fā)射的導航信號，測定接收機所在三維位置及時間GLONASS地面支持系統(tǒng)系統(tǒng)控制中心、中央同步器、遙測遙控站（含激光跟蹤站）和外場導航控制設備跟蹤衛(wèi)星，以便確定和預報衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差；衛(wèi)星時間同步及控制GLONASS時間與UTC之間的時間偏差。控制段還要進行很多非控制操作活動，如組織和發(fā)射活動空間衛(wèi)星部分24（213）顆衛(wèi)星組成，分布在3個軌道面，衛(wèi)星軌道傾角為64.8°，衛(wèi)星高度為19100km，衛(wèi)星運行周期11h15m（見圖1-2）通過載波向外發(fā)射導航信號和測距碼用戶部分GLONASS接收機接收衛(wèi)星發(fā)射的導航信號，并測量其偽距和偽距變化率，同時從衛(wèi)星信號中提取并處理導航電文Ga

6、lileo地面控制部分1個主控站,5個全球監(jiān)測站和3個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接收機跟蹤衛(wèi)星空間部分30（273）顆中低軌衛(wèi)星，分布在3個軌道面上，軌道面傾角56度，衛(wèi)星高度為23000km，衛(wèi)星的公轉周期14h4m45s（見圖1-3）通過載波發(fā)射導航電文與測距碼用戶部分Galileo接收機或與GPS、GLONASS兼容的接收機接收衛(wèi)星信號空間部分兩顆經(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36000km用于地面中心站與用戶之間的信號中繼。用戶終端帶有定向天線的收發(fā)器即能為用戶提供衛(wèi)星無線電導航服務，又具有位置報告以及短報文通信功能。北

7、斗二號COMPASS地面中心控制系統(tǒng)1個配有電子高程圖的地面中心、網(wǎng)管中心，測軌站、測高站和數(shù)十個分布在全國的地面參考站監(jiān)測、調控空間部分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)測距碼和導航電文用戶終端接收機3D定位；對GPS和BD系統(tǒng)自身的增強；短消息通訊。各衛(wèi)星定位系統(tǒng)的衛(wèi)星圖參見圖1-7、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

8、斗衛(wèi)星星座 圖1-5 2011年6月北斗衛(wèi)星運行軌道圖 圖1-6 2011年9月北斗衛(wèi)星運行軌道圖圖1-7 GPS衛(wèi)星 圖1-8 GLONASS衛(wèi)星 圖1-9 伽利略衛(wèi)星圖1-10 北斗衛(wèi)星GNSS衛(wèi)星發(fā)射的是什么信號？不同的導航定位系統(tǒng)發(fā)射的信號不盡相同，但基本上有三種，一種是供用戶計算衛(wèi)星位置的導航電文，一個是用來測距的測距碼，還有一個是加載信號和測距的載波。具體見表1-3所示。GNSS衛(wèi)星上配有頻率相當穩(wěn)定的原子鐘，由此產(chǎn)生一個頻率為10.23MHz的基準鐘頻信號。表1-3 GNSS信號表衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)載波信號測距碼導航電文載波頻率(MHz)波長(cm)GPSL11575.4219.0

9、3C/A碼P碼衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、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測距碼導航電文E61278.75023.4E51191.79525.2E5a1176.45025.5E5b1207.14024.8COMPASSB11561.098B1 頻點I支路測距碼碼速率為2.046 Mcps，碼長為2046 chipsGNSS坐標系統(tǒng)與時間系

10、統(tǒng)是什么？不同的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)不盡相同。具體情況參見表1-4和表1-5。表1-4 GNSS坐標系統(tǒng)表衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPSGLONASSGalileoCOMPASS坐標系統(tǒng)名WGS-84PZ-90ITRSCGCS2000長半軸（m）637813763781366378136.556378137.0短半軸6356752.3142地球引力常數(shù)（m3 /s2）3986005×1083986004.4×1083.986004415×10143986004.418×108地球自轉角速度（rad/s）7292115×10 117292115

11、×10 117292115×10-11扁率1/298.2572235631/289.2578393031/298.257691/298.257222101相關內(nèi)容的具體信息可參照中華人民共和國國家標準衛(wèi)星導航定位坐標系統(tǒng)。表1-5 GNSS時間系統(tǒng)表衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間系統(tǒng)名稱說明GPSGPS時GPS時的起始歷元為1980年1月6日0h（UTC），此時TAIUTC=19s。GPS時不作閏秒調整，在任何時候都在整數(shù)秒上與TAI相差19 s，即TAIGPS Time 19 s，它與UTC的差為GPS Time UTC DTAI19 s。GLONASSGLONASS時GLONASS系統(tǒng)通過一組氫原子鐘構成的GLONASS中央同步器來維持時間系統(tǒng)。GLONASS時間系統(tǒng)與UTC時間聯(lián)系緊密，但有一個3小時的常數(shù)偏移，即莫斯科時間和格林尼治時差。Galileo伽利略系統(tǒng)時間伽利略系統(tǒng)