GPS第一章緒論補充

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法任課老師：孫希延手機unxiyan1@163.com

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)引起人們關(guān)注是從1991年海灣戰(zhàn)爭后開始的，美國在海灣戰(zhàn)爭中的一個“撒手锏”就是GPS。隨著GPS向民用開放，它所蘊藏的巨大商機被發(fā)掘出來。成為繼通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的IT第三個新的增長點。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是國家綜合國力的重要組成部分。正因為這樣，美國、俄羅斯、歐盟都不惜投入巨資建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

中國的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用近年來發(fā)展迅速，但是絕大多數(shù)應(yīng)用都是建立在美國的GPS之上。如果一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，美國關(guān)閉我們的應(yīng)用，后果不堪設(shè)想。作為中國這樣的大國，必須有自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1.4北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“雙星定位”原理的提出：

作為一個大國，我國同樣也有高精度定位的要求，但是我國底子薄經(jīng)濟技術(shù)實力不足，早期很難投入很多資金建設(shè)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。1983年我國陳方允院士和美國普林斯頓大學(xué)GerardK.Oneil博士同時提出了“雙星定位”原理。與GPS系統(tǒng)相比，基于雙星定位的導(dǎo)航系統(tǒng)可以2顆衛(wèi)星實現(xiàn)導(dǎo)航能力，所需衛(wèi)星數(shù)量比GPS少得多，雖然在性能上無法和GPS星座相比，但對于無力進行巨額投資的我國卻是不錯的選擇。一北斗一號雙星快速定位系統(tǒng)，突出持點是構(gòu)成系統(tǒng)的空間衛(wèi)星數(shù)目少、用戶終端設(shè)備簡單、一切復(fù)雜性均集中于地面中心處理站。工作原理：由兩顆地球靜止衛(wèi)星(800E和1400E)、一顆在軌備份衛(wèi)星(110.50E)、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機等部分組成。定位精度為水平精度100米(1σ)，設(shè)立標(biāo)校站之后為20米(類似差分狀態(tài))。工作頻率：2491.75MHz。系統(tǒng)能容納的最大用戶數(shù)為每小時540000戶。標(biāo)志著我國成為繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和前蘇聯(lián)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)后，在世界上第三個建立了完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。

北斗一代定位需要終端主動發(fā)出定位信號“北斗一號”與GPS系統(tǒng)比較

區(qū)別北斗一號GPS覆蓋范圍我國本土的區(qū)域：東經(jīng)約70°一140°，北緯5°一55°全球衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性赤道平面上設(shè)置2顆同步星，衛(wèi)星的赤道角距約60°6個軌道平面上設(shè)置24顆衛(wèi)星，赤道傾角55°定位原理主動式雙向測距二維導(dǎo)航被動式偽碼單向測距三維導(dǎo)航。定位精度三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。P碼定位精度為6m，C/A碼為12m，授時精度日前約20ns

用戶容量用戶設(shè)備容量是有限的

用戶設(shè)備容量是無限的生存能力

完全依賴于中心控制系統(tǒng)發(fā)展星際橫向數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，即使中心控制中心被毀，也可以獨立運行

實時性對于告訴運動體，加大了定位誤差單向測距，定位誤差較小北斗一代的缺陷

1、覆蓋范圍也不過是初步具備了我國周邊地區(qū)的定位能力，與GPS的全球定位相差甚遠(yuǎn)。2、定位精度低，定位精度最高20米，而GPS可以到10米以內(nèi)。3、由于采用衛(wèi)星無線電測定體制(RDSS)，用戶終端機工作時要發(fā)送無線電信號，會被敵方無線電偵測設(shè)備發(fā)現(xiàn)，不適合軍用。4、無法在高速移動平臺上使用，這限制了它在航空和陸地運輸上的應(yīng)用。當(dāng)然，北斗一代也有些GPS所沒有的優(yōu)點。例如，具備簡短的報文通信功能，具備雙向數(shù)字報文通信能力，單次最多傳送60個漢字的信息。此外北斗一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)從原理上說，多路徑效應(yīng)存在都不影響定位精度，受地貌影響不明顯等優(yōu)點，不會有GPS林下無信號的尷尬。但是由于導(dǎo)航系統(tǒng)基本的定位授時性能上的差距，北斗一代作為導(dǎo)航定位系統(tǒng)是無法與GPS在市場上競爭的。

解放軍裝備了一部分北斗手持機(上圖)，相比連手機都可接收信號的GPS(下圖)，兩方差距甚大。2007年2月3日，北斗一代第四顆衛(wèi)星發(fā)射成功，不過此時，北斗一代已經(jīng)改名為北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，原來的北斗二代則稱為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，英文名為Compass。第四顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星不僅作為早期三顆衛(wèi)星的備份，同時還將進行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的相關(guān)試驗。以北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我國開始逐步實施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，首先滿足中國及其周邊地區(qū)的導(dǎo)航定位需求，并進行系統(tǒng)的組網(wǎng)和測試，逐步擴展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。二第二代北斗定位系統(tǒng)北斗二代需要的衛(wèi)星數(shù)量足足要比GPS多出11顆。北斗二代需要發(fā)射35顆衛(wèi)星

按照規(guī)劃，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將有5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，采用東方紅3號衛(wèi)星平臺。30顆非靜止軌道衛(wèi)星又細(xì)分為27顆中軌道(MEO)衛(wèi)星和3顆傾斜同步(IGSO)衛(wèi)星組成，27顆MEO衛(wèi)星平均分布在傾角55度的三個平面上，軌道高度21500公里。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)在服務(wù)區(qū)免費提供定位，測速和授時服務(wù)，定位精度為10米，授時精度為50納秒，測速精度為0.2米/秒。授權(quán)服務(wù)則是軍事用途的馬甲，將向授權(quán)用戶提供更安全與更高精度的定位，測速，授時服務(wù)，外加繼承自北斗試驗系統(tǒng)的通信服務(wù)功能。

央視曝光北斗衛(wèi)星上的激光發(fā)射器，其技術(shù)已達世界先進。BD2特點衛(wèi)星信號強于現(xiàn)有的GPS

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本定位是由27顆MEO衛(wèi)星完成的，通過三個55°傾角的軌道平面?zhèn)€部署9顆衛(wèi)星，定位精度可以達到10米以內(nèi)，理論上可以達到水平和垂直方向7.5米精度，北斗系統(tǒng)盡管是GPS系統(tǒng)的仿制品，但根據(jù)2007年MEO-1衛(wèi)星發(fā)射后國外技術(shù)人員對信號的測定，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在B1頻段比GPS高7個dB，充分體現(xiàn)了后發(fā)優(yōu)勢，在新的GPSIII系統(tǒng)部署前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能要優(yōu)秀得多。

中國及周邊地區(qū)導(dǎo)航精度提升

5顆靜止軌道衛(wèi)星不僅提供RNSS服務(wù)，還繼承了試驗系統(tǒng)的RDSS信號鏈路，仍保留了短報文通信功能。為了提高定位精度滿足航空I類精密進近(CAT-1)的要求，我國采用GEO衛(wèi)星進行了精度增強，5顆GEO衛(wèi)星完全可以滿足我國及其周邊地區(qū)的CAT-1精度要求，達到垂直定位4.4~7.7米的性能，在高密度可見星區(qū)可以滿足國土資源調(diào)查的無基站水平1米實時定位精度要求，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后實現(xiàn)這些性能的話，北斗的性能將超越現(xiàn)有的GPSII系統(tǒng)，甚至超過一些GPS區(qū)域增強系統(tǒng)增強后的性能。國產(chǎn)雷石6滑翔炸彈采用GPS制導(dǎo)，急需北斗來進行替換。高緯度地區(qū)導(dǎo)航精度提升

為了滿足高緯度地區(qū)進行信號增強工作的需求，增設(shè)了3顆IGSO軌道衛(wèi)星。IGSO衛(wèi)星高度和靜止軌道衛(wèi)星相同，但是傾角不為0，因此軌道中心在赤道設(shè)定的經(jīng)度上，星下點南北來回運動在地面上劃出很明顯的8字形軌跡。IGSO軌道衛(wèi)星克服了GEO衛(wèi)星在高緯度地區(qū)仰角過低的問題，可以對高緯度地區(qū)進行有效的信號增強。3顆IGSO衛(wèi)星軌道最北到北緯55°，可對我國領(lǐng)土范圍內(nèi)進行有效的精度增強。1.5伽利略計劃“伽利略計劃”是指在25000公里高空部署30顆人造衛(wèi)星，以更加準(zhǔn)確地判斷飛機和船舶等交通工具的位置。2008年投入使用后，可以大幅提高預(yù)防災(zāi)難和安全管理的水平。總投資35億歐元的伽利略計劃是歐洲自主的、獨立的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前世界上正在運營的全球定位系統(tǒng)(GPS)由美國研發(fā)并控制。伽利略系統(tǒng)30顆導(dǎo)航衛(wèi)星和相關(guān)地面設(shè)備將在2008年部署完成，該系統(tǒng)確定地面目標(biāo)位置的誤差僅為1米，而GPS提供的非軍用信號的誤差達10米。中國是第一個參與伽利略計劃的非歐盟國家，2006年7月28日與伽利略聯(lián)合執(zhí)行體簽署了三個應(yīng)用項目合同承諾提供2億歐元的研發(fā)經(jīng)費。中方已投入7000萬歐元用于技術(shù)開發(fā)，其余1．3億歐元用于空間和地面設(shè)備的部署。韓國也加入了伽利略計劃，這樣就能擺脫單純依靠美國全球定位系統(tǒng)(GPS)的局面6)據(jù)歐盟的預(yù)測，伽利略系統(tǒng)在2020年前將會帶來數(shù)百億歐元的收入和數(shù)萬個就業(yè)機會。據(jù)國內(nèi)專家估計，中國衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益到2020年可達2600億元人民幣。一Galileo星座Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為56°theGalileosatelliteconstellation

Galileo星座2023年2月4日20“伽利略”系統(tǒng)衛(wèi)星模擬圖

GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatelliteGalileo試驗衛(wèi)星GIOVE的主要目標(biāo):

頻率信號測試；驗證一些關(guān)鍵技術(shù)（比如銣原子鐘、氫原子鐘）；軌道環(huán)境特征測試；并行2或3通道信號傳輸測試。2023年2月4日22二Galileo信號

每顆Galileo衛(wèi)星發(fā)送6種導(dǎo)航定位信號：L1F，L1P，E6C，E6P，E5A和E5B，可以提供4類服務(wù)：（1）公開服務(wù)（openservice）。提供定位、導(dǎo)航和定時服務(wù)。這種服務(wù)面向大眾導(dǎo)航定位應(yīng)用領(lǐng)域，將與GPS競爭（也是和GPS兼容的），是免費的。這種服務(wù)的定位精度水平方向約為4米，垂直方向約為8米，可獲得性為99.5%，但是沒有完備性信息可用。GPS現(xiàn)代化后，GPS和Galileo雙系統(tǒng)的定位垂直精度可以提高到4.5米，在有高遮擋的條件下可見性也大幅度提高。使用的頻段有E5A，E5B，L1。（2）生命安全服務(wù)（Safetyoflifeservice,SOL）。依據(jù)航空、航海和鐵路運輸?shù)陌踩螅瑸樵撊箢I(lǐng)域的廣大用戶，提供完全可靠的人身安全服務(wù)保障。（3）商業(yè)服務(wù)（Commercialservice）。在公開服務(wù)的基礎(chǔ)上提供增值服務(wù)，由商業(yè)運營公司保證在世界范圍內(nèi)達到亞米級定位精度。這種服務(wù)內(nèi)容包括分發(fā)加密的導(dǎo)航相關(guān)數(shù)據(jù)，為專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域提供測距和定時服務(wù)以及導(dǎo)航定位和無線通訊網(wǎng)絡(luò)的集成應(yīng)用。這種服務(wù)要收費，但服務(wù)質(zhì)量有保證。使用的頻段有E6。（7）公共管制服務(wù)（publicregulatedse