GPS、GALILEO、BDS、GLONASS四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)的論述

------------------------------------------------------------------------GPS、GALILEO、BDS、GLONASS四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)的論述GPS、GALILEO、BDS、GLONASS四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)的論述基本介紹GPS數(shù)量：由２４顆衛(wèi)星組成。軌道：高度約２０２００公里，分布在６條交點互隔６０度的軌道面上。精度：約為１０米。用途：軍民兩用。進(jìn)展：１９９３年全部建成，正在實驗第二代衛(wèi)星系統(tǒng)，計劃發(fā)射２０顆。GLONASS數(shù)量：２４顆衛(wèi)星組成；精度：１０米左右；用途：軍民兩用；進(jìn)展：目前已有１７顆衛(wèi)星在軌運行，計劃２００８年全部部署到位。GALILEO數(shù)量：３０顆中高度圓軌道衛(wèi)星組成，２７顆為工作衛(wèi)星，３顆為候補(bǔ)；軌道：高度為２４１２６公里，位于３個傾角為５６度的軌道平面內(nèi)；精度：最高精度小于１米；用途：主要為民用；進(jìn)展：２００５年１２月２８日首顆實驗衛(wèi)星已成功發(fā)射，預(yù)計２００８年前可開通定位服務(wù)。BDS數(shù)量：３顆衛(wèi)星組成，２顆為工作衛(wèi)星，１顆為備用衛(wèi)星；用途：軍民兩用；進(jìn)展：前兩顆分別于２０００年和２００３年發(fā)射成功。二、系統(tǒng)組成空間部分GPS：GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成(21顆工作衛(wèi)星；3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6個軌道面上(每個軌道面4顆),軌道傾角為55°。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題；隨著時間的推移，導(dǎo)航精度會逐漸降低GLONASS：GLONASS系統(tǒng)采用中高軌道的24顆衛(wèi)星星座，有21顆工作星和3顆備份星，均勻分布在3個圓形軌道平面上，每軌道面有8顆，軌道高度H=19000km，運行周期T=11h15min，傾角i=64.8°。GALILEO：如下圖所示，30顆中軌道衛(wèi)星（MEO）組成Galileo的空間衛(wèi)星星座。衛(wèi)星均勻地分布在高度約為23616km的3個軌道面上，每個軌道上有10顆，其中包括一顆備用衛(wèi)星，軌道傾角為56°，衛(wèi)星繞地球一周約14h22min，這樣的布設(shè)可以滿足全球無縫隙導(dǎo)航定位。衛(wèi)星的設(shè)計壽命為20年，每顆衛(wèi)星都將搭載導(dǎo)航載荷和一臺搜救轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星發(fā)射采用一箭多星的發(fā)射方式，每次發(fā)射可以把5顆或6顆衛(wèi)星同時送入軌道?？梢詽M足發(fā)射任務(wù)的運載火箭有Ariane-5、Soyue等。BDS：由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星組成，兩顆工作衛(wèi)星定位于東經(jīng)80°和140°赤道上空，另有一顆位于東經(jīng)110.5°的備份衛(wèi)星，可在某工作衛(wèi)星失效時予以接替。地面部分GPS：地面控制部分由一個主控站,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(jī)。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時,把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入采取每顆GPS衛(wèi)星每天一次的方式,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間,但導(dǎo)航精度會逐漸降低。GLONASS：GLONASS星座的運行通過地面基站控制體系（GCS）完成，該體系包括：一個系統(tǒng)控制中心（Golitsyno-2,莫斯科地區(qū)）和幾個分布于俄羅斯大部地區(qū)的指揮跟蹤臺站（CTS）。這些臺站主要用來跟蹤GLONASS衛(wèi)星，接收衛(wèi)星信號和遙測數(shù)據(jù)。然后由SCC處理這些信息以確定衛(wèi)星時鐘和軌道姿態(tài)，并及時更新每個衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，這些更新信息再通過跟蹤臺站CTS傳到各個衛(wèi)星。GALILEO：地面控制部分的兩大功能包括導(dǎo)航控制與星座維護(hù)以及完好性監(jiān)控。地面控制部分的構(gòu)成如下：（1）兩個控制中心（GCC）。兩個控制中心是地面控制部分的核心，分別位于法國和意大利。GCC的功能是：控制星座，保證衛(wèi)星原子鐘的同步，完好性信號的處理，監(jiān)控衛(wèi)星及由它們提供的服務(wù)，還有內(nèi)部及外部數(shù)據(jù)的處理。GCC由軌道同步與處理設(shè)施（OSPF），精確授時設(shè)施（PTF），完好性處理設(shè)施（IPF），任務(wù)控制設(shè)施（MCF），衛(wèi)星控制設(shè)施（SCF），服務(wù)產(chǎn)品設(shè)施（SPF）設(shè)施組成。（2）GALILEO上行鏈路站（GUS）。往返于衛(wèi)星的數(shù)據(jù)將通過GALILEO上行鏈路站的全球網(wǎng)絡(luò)來傳輸，其中每個GUS都綜合了一個TT&C站和一個任務(wù)上行站（MUS）。TT&C站上行鏈路通過S波段發(fā)射，MUS通過C波段發(fā)射。（3）GALILEO監(jiān)測站（GSS）網(wǎng)絡(luò)。分布在全球范圍的GSS網(wǎng)絡(luò)接收衛(wèi)星導(dǎo)航信息（SIS），并且檢測衛(wèi)星導(dǎo)航信號的質(zhì)量，以及氣象和其他所要求的環(huán)境信息。這些站收到的信息將通過GALILEO通信網(wǎng)（GCN）中繼傳輸至兩個GCC。完好性信息是GALILEO與其他GNSS系統(tǒng)的主要區(qū)別。（4）GALILEO全球通信網(wǎng)絡(luò)。利用地面和VSAT衛(wèi)星鏈路，把所有地面站和地面設(shè)施連接起來。BDS：由中心控制系統(tǒng)和標(biāo)校系統(tǒng)組成。中心控制系統(tǒng)主要用于衛(wèi)星軌道的確定、電離層校正、用戶位置確定、用戶短報文信息交換等。標(biāo)校系統(tǒng)可提供距離觀測量和校正參數(shù)。用戶部分GPS：用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電源時機(jī)內(nèi)電池自動充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接收機(jī)體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。GLONASS：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)。第二代接收機(jī)是5通道、6通道和12通道設(shè)計，采用了大規(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GALILEO：用戶接收機(jī)及終端，其基本功能使在用戶段實現(xiàn)Galileo系統(tǒng)所提供的各種衛(wèi)星無線導(dǎo)航服務(wù)，它應(yīng)具備下列功能：（1）直接接收Galileo的SIS信號；（2）擁有與區(qū)域和局域設(shè)施部分所提供服務(wù)的接口；（3）能與其他定位導(dǎo)航系統(tǒng)（例如GPS）及通信系統(tǒng)（例如UMTS）互操作。另外，Galileo接收機(jī)還具有通過集成標(biāo)準(zhǔn)化微芯片來實現(xiàn)其他功能的技術(shù)潛力。例如，實現(xiàn)下列功能：（1）將Galileo微型終端集成進(jìn)入移動電話，使之具備定位導(dǎo)航功能；（2）集成航空導(dǎo)航功能，使之應(yīng)用于飛行器試驗；（3）集成進(jìn)入車載導(dǎo)航平臺，向駕駛員提供定位與交通監(jiān)測服務(wù)。Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航計劃目前正處于來發(fā)和確認(rèn)階段，在2008年Galileo系統(tǒng)正式建成并進(jìn)入商業(yè)運行之前，其體系界都還可能有所更新。Galileo作為世界上第一個全球民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，將對未來世界科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，因而跟蹤了解Galileo系統(tǒng)，對于我國將來更好地應(yīng)用該系統(tǒng)，發(fā)展我國的科技與國民經(jīng)濟(jì)有著重要的意義。BDS：用戶段端也就是用戶的終端，北斗可以同時兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)。定位原理GPS：利用GPS進(jìn)行定位的基本原理是空間后方交會（如圖），即以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離（或距離差）的觀測量為基礎(chǔ)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時坐標(biāo)來確定用戶接收機(jī)所對應(yīng)的點位，即待定點的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）。GPS定位的關(guān)鍵是測定用戶接收機(jī)天線至GPS衛(wèi)星之間的距離，分偽距測量和載波相位測量兩種。GLONASS：GLONASS定位的原理是距離交會。GLONASS衛(wèi)星在任一時刻的位置可以通過衛(wèi)星星歷計算出來，理論上，只要知道用戶到3顆衛(wèi)星的距離，便可計算出用戶的位置，但這要求衛(wèi)星與用戶以及衛(wèi)星之間的時間同步精度極高，目前還不能完全滿足，只好引入一個時間參數(shù)。由于多了一個未知量，因此，實際定位時要至少接收4顆衛(wèi)星的信號。GLONASS衛(wèi)星同時發(fā)射粗碼（C/A碼）和精碼（P碼），C/A碼用于向民間提供標(biāo)準(zhǔn)定位，而P碼用于俄羅斯軍方高精度定位或科學(xué)研究。GALILEO：被動式，有源無線電測距定位技術(shù)。BDS：在空間中若已經(jīng)確定A、B、C三點的空間位置，且第四點D到上述三點的距離皆已知的情況下，即可以確定D的空間位置，原理如下：因為A點位置和AD間距離已知，可以推算出D點一定位于以A為圓心、AD為半徑的圓球表面，按照此方法又可以得到以B、C為圓心的另兩個圓球，即D點一定在這三個圓球的交匯點上，即三球交匯定位。北斗的試驗系統(tǒng)和正式系統(tǒng)的定位都依靠此原理。特點GPS：GPS導(dǎo)航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等特點著稱GLONASS：GLONASS與GPS有許多不同之處：一是衛(wèi)星發(fā)射頻率不同。GPS的衛(wèi)星信號采用碼分多址體制，每顆衛(wèi)星的信號頻率和調(diào)制方式相同，不同衛(wèi)星的信號靠不同的偽碼區(qū)分。而GLONASS采用頻分多址體制，衛(wèi)星靠頻率不同來區(qū)分，每組頻率的偽隨機(jī)碼相同。由于衛(wèi)星發(fā)射的載波頻率不同，GLONASS可以防止整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時被敵方干擾，因而，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。二是坐標(biāo)系不同。GPS使用世界大地坐標(biāo)系（WGS-84），而GLONASS使用前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PE-90）。三是時間標(biāo)準(zhǔn)不同。GPS系統(tǒng)時與世界協(xié)調(diào)時相關(guān)聯(lián)，而GLONASS則與莫斯科標(biāo)準(zhǔn)時相關(guān)聯(lián)。GALILEO：全天候、全球無縫覆蓋獨立于美國，受歐洲控制的民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位精度高于其它導(dǎo)航星座導(dǎo)航定位服務(wù)多樣性具有地面與衛(wèi)星通信能力，提供救援和搜索服務(wù)系統(tǒng)開放性系統(tǒng)管理民間性BDS：北斗最大的特點，就是把導(dǎo)航與通信緊密結(jié)合起來，這是其他導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的。比如沙漠、草原等地方，手機(jī)無法使用，北斗的這些特點就能發(fā)揮重要作用。2008年汶川地震，重災(zāi)區(qū)通信中斷。救援部隊持北斗終端設(shè)備進(jìn)入，利用其短報文功能突破通信盲點，與外界取得了聯(lián)系。同時管理中心則通過位置報告功能，隨時掌握著每一個終端所處的位置。而且北斗首次集納多種軌道設(shè)計于一身，這樣的混合軌道能提供更多可見衛(wèi)星，可支持更長的連續(xù)觀測時間和更高精度。發(fā)展現(xiàn)狀GPS：當(dāng)前，GPS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國際上八大無線產(chǎn)業(yè)之一，也是目前世界上發(fā)展最快的三大信息產(chǎn)業(yè)之一，世界各國都在瞄準(zhǔn)這一巨大市場。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，當(dāng)前GPS應(yīng)用市場最紅火的是車輛導(dǎo)航、消費產(chǎn)品和跟蹤監(jiān)控，尤其以車輛導(dǎo)航所占份額為最多。2002年，全球車輛導(dǎo)航產(chǎn)品的產(chǎn)值為近40億美元，約占GPS產(chǎn)品總值的35.4％左右。2002年底，在日本裝有導(dǎo)航系統(tǒng)的車輛保有量超過了700萬臺。2002年日本的車載GPS導(dǎo)航儀產(chǎn)量，達(dá)到300萬套，年增長率為33．3％。北美和歐洲的車載導(dǎo)航儀的銷量在2002年內(nèi)達(dá)到200萬套，基本是每年都以翻一番的速度增長。為了能使GPS更好地滿足軍事、民間和商業(yè)用戶不斷增長的應(yīng)用需求，美國決定用先進(jìn)技術(shù)改進(jìn)和完善GPS系統(tǒng)。GLONASS：Glonass-K衛(wèi)星是完全基于非壓力式平臺的新型衛(wèi)星，使用壽命達(dá)到十年，該型號衛(wèi)星完成后，Glonass系統(tǒng)將與GPS不相上下，用戶可以使用兩套系統(tǒng)。系統(tǒng)目前使用的衛(wèi)星為兩種型號衛(wèi)星——Glonass衛(wèi)星與其升級型號Glonass-M。Glonass-M衛(wèi)星使用壽命更長，為七年，裝有先進(jìn)的天線饋電系統(tǒng)，并為民用客戶增加了一個額外的導(dǎo)航頻率。Glonass系統(tǒng)為軍民兩用而設(shè)計，可使用戶實時標(biāo)明位置。在2007聯(lián)邦預(yù)算中共分配給Glonass3.8億美元，2006年則為1.81億美元。GALILEO：伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是歐盟和歐洲空間局正在建設(shè)中的項目，以天文學(xué)家伽利略的名字命名，初衷是為歐洲國家提供一個獨立于美國GPS和俄羅斯格洛納斯之外的高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，使歐盟在衛(wèi)星導(dǎo)航問題上擺脫對美國和俄羅斯的依賴，實現(xiàn)自主獨立。伽利略系統(tǒng)的技術(shù)水平將高于GPS和格洛納斯。比如，其精度甚至可以達(dá)到一米級別。伽利略系統(tǒng)分為基本版和高精度版，前者將是免費的，后者則提供給付費的商業(yè)用戶以及用于軍事用途，該系統(tǒng)在極端情況下，會因為軍事原因而對某些用戶關(guān)閉。2003年5月，歐盟和歐洲空間局正式批準(zhǔn)伽利略項目第一階段，最初預(yù)計2012年開始運行，但這一日期已被屢次推遲?，F(xiàn)在的計劃是2019年全部建成。伽利略計劃遇到的最大問題是缺錢。該計劃提出之初，歐盟和歐洲空間局的設(shè)想是，該項目的三分之二資金由私人投資者提供，其余三分之一由歐盟和歐洲空間局分擔(dān)。但私人投資遲遲不到位，而項目預(yù)算則從最初的77億歐元飆升到200多億歐元。如果資金問題沒有得到徹底解決，伽利略系統(tǒng)的全面建成時間還有可能會繼續(xù)推遲。BDS：2000年以來，我國已成功發(fā)射了3顆“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”建成北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)。這個系統(tǒng)具備在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時和GPS廣域差分功能