數(shù)字工程前沿技術(shù)報告

《數(shù)字工程前沿技術(shù)》課程報告三大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)今三大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS），俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。一、全球定位系統(tǒng)（GPS）（一）、全球定位系統(tǒng)的介紹及其背景1、全球定位系統(tǒng)的定義利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位（GlobalPositioningSystem）系統(tǒng)，簡稱GPS。全球定位系統(tǒng)是一種可以授時和測距的空間交會定點的導(dǎo)航系統(tǒng),可向全球用戶供應(yīng)連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展[1]——由TRANSIT到GPS1957年10月第一顆人造地球衛(wèi)星上天，天基電子導(dǎo)航應(yīng)運(yùn)而生。利用多普勒頻移原理1964年建成子午衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(TRANSIT)。美國從1973年起先籌建全球定位系統(tǒng)，1994年投入運(yùn)用。經(jīng)驗20年，耗資300億美元，是繼阿波羅登月安排和航天飛機(jī)安排之后的第三項浩大空間安排。全球定位系統(tǒng)的安排最初的GPS安排在聯(lián)合安排局的領(lǐng)導(dǎo)下誕生了，該方案將24顆衛(wèi)星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛(wèi)星，地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛(wèi)星。這樣，粗碼精度可達(dá)100m，精碼精度為10m。由于預(yù)算壓縮，GPS安排不得不削減衛(wèi)星放射數(shù)量，改為將18顆衛(wèi)星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛(wèi)星牢靠性得不到保障。1988年又進(jìn)行了最終一次修改：21顆工作星和3顆備用星工作在互成30度的6條軌道上。這也是現(xiàn)在GPS衛(wèi)星所運(yùn)用的工作方式。4、全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星（如圖1所示）24顆衛(wèi)星(21+3)6個軌道平面圖155o圖120200km軌道高度(地面高度)11小時58分(恒星時)軌道周期5個多小時出現(xiàn)在地平線以上(每顆星)在全球各處能觀測到高度角>15°的衛(wèi)星4顆以上（二）、全球定位系統(tǒng)的特點1、全球全天候定位GPS衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布勻稱，保證了地球上任何地方任何時間至少可以同時觀測到4顆GPS衛(wèi)星，確保實現(xiàn)全球全天候連續(xù)的導(dǎo)航定位服務(wù)（除打雷閃電不宜觀測外）。2、定位精度高應(yīng)用實踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10-6m，100-500km可達(dá)10-7m，1000km可達(dá)10-9m。在300-1500m工程精密定位中，1小時以上觀測時解其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定的邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。實時單點定位(用于導(dǎo)航)：P碼1~2m；C/A碼5~10m。靜態(tài)相對定位：50km之內(nèi)誤差為幾mm+(1~2ppm*D)；50km以上可達(dá)0.1~0.01ppm。實時偽距差分(RTD)：精度達(dá)分米級。實時相位差分(RTK)：精度達(dá)1~2cm。3、觀測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流淌站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時，流淌站觀測時間只需1-2分鐘；實行實時動態(tài)定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘。因而運(yùn)用GPS技術(shù)建立限制網(wǎng)，可以大大提高作業(yè)效率。4、測站間無需通視GPS測量只要求測站上空開闊，不要求測站之間相互通視，因而不再須要建立覘標(biāo)。這一優(yōu)點既可大大削減測量工作的經(jīng)費(fèi)和時間（一般造標(biāo)費(fèi)用約占總經(jīng)費(fèi)的30%～50%），同時也使選點工作變得特別敏捷，也可省去經(jīng)典測量中的傳算點、過渡點的測量工作。5、儀器操作簡便隨著GPS接收機(jī)的不斷改進(jìn)，GPS測量的自動化程度越來越高，有的已趨于“傻瓜化”。在觀測中測量員只需安置儀器，連接電纜線，量取天線高，監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)，而其它觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。結(jié)束測量時，僅需關(guān)閉電源，收好接收機(jī)，便完成了野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)。假如在一個測站上需作長時間的連續(xù)觀測，還可以通過數(shù)據(jù)通訊方式，將所采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)全自動化的數(shù)據(jù)采集與處理。另外，現(xiàn)在的接收機(jī)體積也越來越小，相應(yīng)的重量也越來越輕，極大地減輕了測量工作者的勞動強(qiáng)度。6、可供應(yīng)全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)GPS測量可同時精確測定測站平面位置和大地高程。目前GPS水準(zhǔn)可滿意四等水準(zhǔn)測量的精度，另外，GPS定位是在全球統(tǒng)一的WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中計算的，因此全球不同地點的測量成果是相互關(guān)聯(lián)的。7、應(yīng)用廣泛（三）、全球定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成1、系統(tǒng)組成GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成:空間部分—GPS星座;地面限制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng);用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機(jī)。如圖2所示空間部分：供應(yīng)星歷和時間信息放射偽距和載表信號空間部分：供應(yīng)星歷和時間信息放射偽距和載表信號供應(yīng)其它協(xié)助信息地面限制部分：中心限制系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步地面限制部分：中心限制系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行定軌用戶部分：接收并測衛(wèi)星信號記錄處理數(shù)據(jù)供應(yīng)導(dǎo)航定位信息圖22、地面限制站圖3一個主控站：科羅拉多?斯必靈司三個注入站：阿松森(Ascencion)—大西洋 迭哥?伽西亞(DiegoGarcia)—印度洋 卡瓦加蘭(kwajalein)—太平洋五個監(jiān)測站=1個主控站+3個注入站+夏威夷(Hawaii)（如圖3所示）用戶設(shè)備（如圖4所示）GPS信號接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星放射信號，經(jīng)信號處理獲得用戶位置、速度等信息，再通過數(shù)據(jù)處理完成導(dǎo)航和定位。圖4注：用戶只接收而不必給衛(wèi)星放射任何信號，衛(wèi)星也不必理睬用戶的存在，系統(tǒng)中用戶數(shù)量沒有限制。（四）、全球定位系統(tǒng)的功能1、精確定時：廣泛應(yīng)用在天文臺、通信系統(tǒng)基站、電視臺中2、工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量采納GPS設(shè)備進(jìn)行工程測量3、勘探測繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到4、導(dǎo)航：武器導(dǎo)航：精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈.飛機(jī)導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進(jìn)場著陸限制車輛導(dǎo)航：車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng).星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水.個人導(dǎo)航：個人旅游及野外探險5、定位：車輛防盜系統(tǒng)手機(jī)，PDA，PPC等通信移動設(shè)備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng)兒童及特殊人群的防丟失系統(tǒng)6、農(nóng)業(yè)勘測（五）、全球定位系統(tǒng)的定位原理[2]由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機(jī)時鐘之間的誤差，事實上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而須要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。（如圖5所示）圖5（六）、全球定位系統(tǒng)的信號組成及誤差來源1、全球定位系統(tǒng)的信號來源GPS衛(wèi)星放射兩種頻率的載波信號即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波。它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍。它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號，這些信號主要有：C/A碼：C/A碼又被稱為粗捕獲碼，它被調(diào)制在L1載波上。P碼（Y碼）：P碼又被稱為精碼。它被調(diào)制在L1和L2載波上。導(dǎo)航信息（或稱D碼）：導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號頻率為50Hz，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它一些系統(tǒng)參數(shù)。全球定位系統(tǒng)的誤差來源與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素:SA技術(shù)：人為的降低廣播星歷精度(ε技術(shù)，2000年5月取消),AS技術(shù)：防電子欺瞞技術(shù)；衛(wèi)星星歷誤差；衛(wèi)星鐘差與傳播途徑有關(guān)的因素:電離層延遲；對流層延遲；多路徑效應(yīng)與接收機(jī)有關(guān)的因素:接收機(jī)鐘差；天線相位中心誤差；接收機(jī)軟件和硬件誤差另外有接收機(jī)的對中、整平誤差等（七）、全球定位系統(tǒng)的缺陷GPS衛(wèi)星所處波段的電波入水實力較差，不能用于潛艇導(dǎo)航GPS的完好性監(jiān)測和報警實力不足，對衛(wèi)星的一些軟故障要在很長時間后才能發(fā)覺故障狀態(tài)。整個系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用高，每年需5億美元的維護(hù)費(fèi)用GPS的可利用性及全部地區(qū)的連續(xù)性服務(wù)性能不佳，某些時候在某些地方出現(xiàn)少于4顆衛(wèi)星的狀況，無法實現(xiàn)快速精確的定位。（八）、全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用[3]1、空間位置服務(wù)定位：如汽車防盜、地面車輛跟蹤和緊急救生。導(dǎo)航：如船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水、飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場著陸、智能交通、汽車自主導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)。測量：主要用于測量時間、速度、及大地測繪，如水下地形測量、地殼形變測量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測及浮動車數(shù)據(jù)，利用GPS定期記錄車輛的位置和速度信息。從而計算道路的擁堵狀況。2、時間服務(wù)系統(tǒng)同步：如CDMA通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)授時：精確時間的授入、精確頻率的授入二、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）（一）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的介紹[4]及其背景1、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定義“格洛納斯(GLONASS)”是俄語中“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTE”的縮寫。2、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的背景1960年末，前蘇聯(lián)軍方確認(rèn)須要一個衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)用于新一代彈道導(dǎo)彈的精確導(dǎo)引，而當(dāng)時已有的旋風(fēng)（Tsyklon）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收站須要好幾分鐘的觀測才能確定一個位置，因此不能達(dá)到導(dǎo)航定位的目的。上世紀(jì)70年頭初，美國宣布要研制全球定位系統(tǒng)GPS，于1973年成立GPS聯(lián)合安排辦公室。1977年，美國放射了兩顆導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星NTS-2和NTS-3，后者即是GPS系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星。作為對其回應(yīng)，前蘇聯(lián)國防部設(shè)想了全球?qū)Ш较到y(tǒng)，即為GLONASS。3、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)的兩種導(dǎo)航信號標(biāo)準(zhǔn)精密導(dǎo)航信號（SP）高精密導(dǎo)航信號（HP）（二）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點1、抗干擾實力強(qiáng)2、GLONASS系統(tǒng)采納了軍民合用、不加密的開放政策3、GLONASS系統(tǒng)采納頻分多址(FDMA)方式，依據(jù)載波頻率來區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址（CDMA），依據(jù)調(diào)制碼來區(qū)分衛(wèi)星）（三）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和GPS一樣，GLONASS也由三部分組成（如圖6所示），分別是地面限制設(shè)施（限制區(qū)段）、衛(wèi)星星座（空間區(qū)段）和用戶設(shè)備（用戶區(qū)段）。圖61、地面限制設(shè)施（GBCC）這部分也稱為地基限制設(shè)施（如圖7所示），由系統(tǒng)限制中心和分布在俄羅斯各地的指令跟蹤站網(wǎng)組成。主要包括6個組成單元：系統(tǒng)限制中心（SCC）、中心同步器（SC）、指令和跟蹤站（CTS，即地基跟蹤站）、相位限制系統(tǒng)（PCS）、光量子跟蹤站（QOTS）、導(dǎo)航字組限制設(shè)備（NFCE）。地面支持系統(tǒng)的功能由前蘇聯(lián)境內(nèi)的很多場地來完成。隨著蘇聯(lián)的解體，GLONASS系統(tǒng)由俄羅斯航天局管理，地面支持段已經(jīng)削減到只有俄羅斯境內(nèi)的場地了。其中，系統(tǒng)限制中心是由MSF掌管的軍用設(shè)施，設(shè)在Golitsino，在莫斯科西南70km處，對全部系統(tǒng)功能的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)與調(diào)度，而中心同步器負(fù)責(zé)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)時間信號，并送往相位限制系統(tǒng)。遙測遙控站位于圣彼得堡、捷爾諾波爾、埃尼謝斯克和共青城。地面限制部分負(fù)責(zé)的功能總結(jié)如下：（1）測量和預(yù)料各顆衛(wèi)星的星歷；（2）將預(yù)料的星歷、時鐘校正值和歷書信息上行加載給每顆GLONASS衛(wèi)星，以便以后編入導(dǎo)航電文；（3）使星鐘星鐘星鐘：衛(wèi)星星鐘參數(shù)包含在導(dǎo)航電文中。一顆衛(wèi)星播發(fā)的星鐘數(shù)據(jù)供應(yīng)該衛(wèi)星的星期周數(shù)、測距精度、健康狀態(tài)及星鐘校正參數(shù)等內(nèi)容。2、格洛納斯衛(wèi)星及其星座GLONASS由24衛(wèi)星組成。它們分布在3個軌道上，每個軌道有8顆衛(wèi)星，軌道上衛(wèi)星間距45度（如圖8所示）。軌道平均高度：19100km軌道傾角為64.8衛(wèi)星運(yùn)行周期：11時15分GLONASS上述空間配置，保證地球上任何地點、任何時刻均至少可以同時觀測5顆衛(wèi)星。圖83、用戶設(shè)備到1995年為止，俄羅斯已研制了兩代用戶設(shè)備（UE）。第一代接收機(jī)只能用GLONASS來工作，與西方的同類GPS接收機(jī)相比，它偏大和偏重，有三種基本設(shè)計，即1通道、2通道和4通道接收機(jī)。其次代接收機(jī)是5通道、6通道和12通道設(shè)計，采納了大規(guī)模集成電路和數(shù)字處理技術(shù)，而且民用接受機(jī)可用GPS和GLONASS兩種系統(tǒng)來工作。俄羅斯的用戶設(shè)備的主要設(shè)計單位是圣彼得堡的俄羅斯無線電導(dǎo)航和時間探討所，Kampas設(shè)計局和俄羅斯科學(xué)和航天儀器探討所。（四）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能[5]及其分類1、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能GLONASS系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)全球、全天候的實時導(dǎo)航與定位，另外，還可以用于全球時間傳遞。2、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的分類GPS一般分為軍用PPS和民用SPS兩種,即常說的P碼和C/A碼。GLONASS系統(tǒng)與GPS相同也分為高精度鏈(channelofhighaccuracy-CHA)和標(biāo)準(zhǔn)鏈(channelofstandardaccuracy-CSA)兩種。依據(jù)衛(wèi)星種類可以分為GLONASS、GLONASS-M、GLONASS-K等。按用戶不同可以分為軍用與民用，民用包括陸地交通、航空航海等。（五）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺陷[6]GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，是在前蘇聯(lián)海軍CICADA第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建設(shè)勝利的其次代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GLONASS星座和GPS星座的差異（如表1所示）縱觀GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展歷程，GLONASS系統(tǒng)存在下述不足。表11.頻段寬，被迫變更部分衛(wèi)星的載波頻率。GLONASS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是采納頻分多址的擴(kuò)頻信號，即每顆衛(wèi)星采納不同的兩個載波頻率，而運(yùn)用相同的測距碼;亦即，第j顆GLONASS衛(wèi)星的兩個載波頻率按原設(shè)計為f=1602.5625+0.5625(j一1)(MHz)f=1246.4375+0.4375(j一1)(MHz)式中，j=0,1,2,3,4........24(其中0號衛(wèi)星作試驗之用)。但是，國際無線電詢問委員會對上述頻率提出了異議，認(rèn)為GLONASS衛(wèi)星所用的載波頻率，對航空衛(wèi)星移動通信、射電天文觀測和低軌衛(wèi)星移動通信構(gòu)成威逼和干擾，俄羅斯須要壓縮GLONASS衛(wèi)星所用載波頻段，讓出高端頻率。俄羅斯不得不更改上述載波頻率，而按下述方法變更GLONASS衛(wèi)星的載波頻率:在同一軌道上的升交角距相差180度的兩顆GLONASS衛(wèi)星采納相同的載波頻率;例如，No.1/No.5,No.3/No.7,No.12/No.16,No.15/No.17,No.19/No.23和No.20/No.23等各對GLONASS衛(wèi)星的載波頻率相同;亦即，讓出第13-24頻道，而壓縮成0-12頻道。2.定軌觀測網(wǎng)面積過小，廣播星歷廣播星歷廣播星歷：衛(wèi)星發(fā)播的預(yù)報肯定時間內(nèi)衛(wèi)星軌道信息的電文信息。自1995年12月由24顆衛(wèi)星構(gòu)成的GLONASS星座運(yùn)行以來，GLONASS地面監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測站僅設(shè)置在前蘇聯(lián)境內(nèi)，以致GLONASS衛(wèi)星的廣播星歷精度較低(如表2所示)，而依靠對GLONASS衛(wèi)星的衛(wèi)星激光測距成果精化GLONASS衛(wèi)星的星歷。這對實時導(dǎo)航定位測量是不利的，難以獲得較高的實時導(dǎo)航定位測量精度，無法與僅lm左右的GPS廣播星歷精度相媲美。表23.GLONASS衛(wèi)星的在軌工作壽命過短，影響用戶的導(dǎo)航定位測量。1995年12月，GLONASS系統(tǒng)最終建成了24顆衛(wèi)星構(gòu)成的工作星座。但是，GLONASS衛(wèi)星的在軌作業(yè)壽命過短;兩年半后的1998年6月，僅有12顆GLONASS衛(wèi)星能夠供應(yīng)導(dǎo)航定位服務(wù)。1987年4月至1988年5月放射的12顆GLONASS衛(wèi)星，除去6顆放射失敗的GLONASS衛(wèi)星，其余6顆在軌工作的GLONASS衛(wèi)星，它們的平均作業(yè)壽命僅為22個月。20世紀(jì)末期的GLONASS星座，只有7顆GLONASS衛(wèi)星能夠供應(yīng)導(dǎo)航定位服務(wù)，其它衛(wèi)星均因種種緣由再不能夠用于微波導(dǎo)航定位。然而，GPS衛(wèi)星的在軌作業(yè)壽命卻遠(yuǎn)超過GLONASS衛(wèi)星:GPSBlockI衛(wèi)星的在軌平均工作壽命為8.87年，其中壽命最長者為13.5年;GPSBlockII衛(wèi)星的在軌平均工作壽命為12.02年，其中壽命最長者為16.1年。（六）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航首先是在軍事需求的推動下發(fā)展起來的，GLONASS與GPS一樣可為全球海陸空以及近地空間的各種用戶供應(yīng)全天候、連續(xù)供應(yīng)高精度的各種三維位置、三維速度和時間信息（PVT信息），這樣不僅為海軍艦船、空軍飛機(jī)、陸軍坦克、裝甲車、炮車等供應(yīng)精確導(dǎo)航；也在精密導(dǎo)彈制導(dǎo)、C3I精密敵我態(tài)勢產(chǎn)生、部隊精確的機(jī)動和協(xié)作、武器系統(tǒng)的精確瞄準(zhǔn)等方面廣泛應(yīng)用。另外，衛(wèi)星導(dǎo)航在大地和海洋測繪、郵電通信、地質(zhì)勘探、石油開發(fā)、地震預(yù)報、地面交通管理等各種國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有越來越多的應(yīng)用。GLONASS的出現(xiàn)，打破了美國對衛(wèi)星導(dǎo)航獨(dú)家籠斷的地位，消退了美國利用GPS施以主權(quán)威懾給用戶帶來的后顧之憂，GPS/GLONASS兼容運(yùn)用可以供應(yīng)更好的精度幾何因子，消退GPS的SA影響，從而提高定位精度。三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（一）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的介紹及其背景[7]1、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的定義北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞是中國正在實施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展歷程衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，中國高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，始終在努力探究和發(fā)展擁有自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年，首先建成北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，使我國成為繼美、俄之后的世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。該系統(tǒng)已勝利應(yīng)用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共平安等諸多領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。特殊是在2008年北京奧運(yùn)會、汶川抗震救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。為更好地服務(wù)于國家建設(shè)與發(fā)展，滿意全球應(yīng)用需求，我國啟動實施了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)。（二）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點1、和美國的GPS、俄羅斯的GLONASS相比，增加了通訊功能2、全天候快速定位，與GPS精度相當(dāng)3、屬于有源定位系統(tǒng)，系統(tǒng)容量有限，定位終端比較困難4、屬于區(qū)域定位系統(tǒng)，目前只能為中國以及周邊地區(qū)供應(yīng)定位服務(wù)（三）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)原則北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，以應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展為根本目標(biāo)，不僅要建成系統(tǒng)，更要用好系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)質(zhì)量、平安、應(yīng)用、效益，遵循以下建設(shè)原則：1、開放性北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)、發(fā)展和應(yīng)用將對全世界開放，為全球用戶供應(yīng)高質(zhì)量的免費(fèi)服務(wù)，主動與世界各國開展廣泛而深化的溝通與合作，促進(jìn)各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間的兼容與互操作，推動衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2、自主性中國將自主建設(shè)和運(yùn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可獨(dú)立為全球用戶供應(yīng)服務(wù)。3、兼容性在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會（ICG）和國際電聯(lián)（ITU）框架下，使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與世界各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)兼容與互操作，使全部用戶都能享受到衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展的成果。4、漸進(jìn)性中國將主動穩(wěn)妥地推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，不斷完善服務(wù)質(zhì)量，并實現(xiàn)各階段的無縫連接。（四）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能[8]1、短報文通信北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息?，F(xiàn)在可以達(dá)到一次傳送多達(dá)120個漢字的信息。目前在遠(yuǎn)洋航行中有重要的應(yīng)用價值。2、精密授時北斗系統(tǒng)具有精密授時功能，可向用戶供應(yīng)20ns-100ns時間同步精度。定位精度水平精度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。4、系統(tǒng)容納的最大用戶數(shù)：每小時540000戶。（五）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢與劣勢1、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢同時具備定位與通信功能，無需其他通信系統(tǒng)支持；覆蓋中國及周邊國家和地區(qū)，24小時全天候服務(wù)，無通信盲區(qū)；特殊適合集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；獨(dú)特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機(jī)設(shè)計，可同時解決“我在哪？”和“你在哪？”；自主系統(tǒng)，高強(qiáng)度加密設(shè)計，平安、牢靠、穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用。2、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的劣勢1、北斗系統(tǒng)屬于有源定位系統(tǒng)，系統(tǒng)容量有限，定位終端比較困難。2、北斗系統(tǒng)屬于區(qū)域定位系統(tǒng)，目前只能為中國以及周邊地區(qū)供應(yīng)定位服務(wù)。（六）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。1、空間段（如圖9所示）：由5顆GEO衛(wèi)星和30顆Non-GEO衛(wèi)星組成圖92、地面段（如圖10所示）：由主控站、上行注入站和監(jiān)測站組成圖103、用戶段（如圖11所示）：由北斗用戶終端以及與其它GNSS兼容的終端組成圖114、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間系統(tǒng)北斗時（BDT）溯源到協(xié)調(diào)世界時UTC（NTSC），與UTC的時間偏差小于100納秒。BDT的起算歷元時間是2006年1月1日零時零分零秒（UTC）。BDT與GPS時和Galileo時的互操作在北斗設(shè)計時間系統(tǒng)時已經(jīng)考慮，BDT與GPS時和Galileo時的時差將會被監(jiān)測和發(fā)播。5、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)北斗系統(tǒng)采納中國2000大地坐標(biāo)系（CGS2000）。CGS2000與國際地球參考框架ITRF的一樣性約為5個厘米。、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)與性能1、全球服務(wù)2、開放服務(wù)：定位精度:10m測速精度:0.2m/s授時精度:20ns3、短報文通信服務(wù)授權(quán)服務(wù)區(qū)域服務(wù)6、廣域差分服務(wù)定位精度:1m（八）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理[9]以2顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，各以測定的本星至用戶機(jī)距離為半徑，形成2個球面，用戶機(jī)必定位于這2個球面交線的圓弧上。電子高程地圖供應(yīng)的是一個以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非勻稱球面。求解圓弧線與地球表面交點即可獲得用戶位置。（如圖12所示）圖12（九）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)依據(jù)三步走的總體規(guī)劃分步實施：第一步，1994年啟動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)建設(shè)，2000年形成區(qū)域有源服務(wù)實力；其次步，2004年啟動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，2012年形成區(qū)域無源服務(wù)實力；第三步，2020年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)形成全球無源服務(wù)實力。發(fā)展路途圖如下圖13所示：圖13（十）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用[10]軍事應(yīng)用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的軍事功能與GPS類似，如：飛機(jī)、導(dǎo)彈、水面艦艇和潛艇的定位導(dǎo)航；