GPS原理與應(yīng)用第1章 緒論

課程主要內(nèi)容第一章緒論第二章GPS測量的坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)第三章衛(wèi)星運(yùn)動根底及GPS衛(wèi)星星歷第四章GPS衛(wèi)星定位根本原理第五章GPS測量的誤差來源第六章GPS測量的實(shí)施第七章GPS數(shù)據(jù)處理GPS原理與應(yīng)用第一章緒論第一章緒論主要內(nèi)容1.1GPS定位技術(shù)的興起及其特點(diǎn)1.2GPS系統(tǒng)的組成1.3其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)1.4GPS技術(shù)的應(yīng)用GNSS=?現(xiàn)有和在建的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPSGLONASSGALILEOBD增強(qiáng)系統(tǒng)GNSSGNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的英文縮寫，它是所有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)的集合名詞，是利用全球的所有導(dǎo)航衛(wèi)星所建立的覆蓋全球的全天侯無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。目前可供利用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS和俄羅斯的GLONASS以及未來歐洲的Galileo以及中國的北斗。GNSS的特點(diǎn)定位精度高觀測時間短測站間無須通視可提供三維坐標(biāo)操作簡便全天候作業(yè)功能多、應(yīng)用廣免費(fèi)第一章緒論1.1GPS定位技術(shù)的興起及其特點(diǎn)1.1.1GPS由來1957年10月世界上第一顆人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功，是人類致力于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開展的結(jié)晶，它使空間科學(xué)技術(shù)的開展迅速進(jìn)入了一個嶄新的時代。近五十年來，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在軍事、通訊、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感、大地測量、地球動力學(xué)、天文等眾多學(xué)科領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用，從而推動了科學(xué)技術(shù)的迅猛開展，也豐富了人類的科學(xué)文化生活。大家知道，人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室就著手實(shí)施建立為美國軍用艦艇導(dǎo)航效勞的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。(NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS)。該系統(tǒng)中衛(wèi)星的軌道都通過地極，故也稱子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)〞。第一章緒論1964年該系統(tǒng)建成，并開始在美國軍方啟用，1967年美國政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，并提供民用。由于該系統(tǒng)不受氣候條件的影響，自動化程度較高，且具有良好的定位精度，所以它的出現(xiàn)也立即引起了大地測量學(xué)者的極大關(guān)注。尤其是在該系統(tǒng)提供民用之后，在大地測量方面進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究和實(shí)踐，并取得了許多令矚目的成就。這就預(yù)示著經(jīng)典的大地測量技術(shù)面臨著—場重大的變革。缺陷：雖然美國“海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〞在導(dǎo)航技術(shù)的開展中具有劃時代的意義，但是由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少(5～6顆)、運(yùn)行高度較低(平均約1000km)、從地面站觀測到衛(wèi)星的時間間隔較長(平均約1.5小時)，因而它無法提供連續(xù)地實(shí)時三維導(dǎo)航。加之獲得一次導(dǎo)航解所需的時間較長，所以難以充分滿足軍事方面，尤其是高動態(tài)目標(biāo)(如飛機(jī)、導(dǎo)彈)導(dǎo)航的要求。而從大地測量學(xué)方面來看，由于它定位速度較慢(一個測站一般平均觀測1～2天)，精度也較低(單點(diǎn)定位精度3～5m，相對定位精度約為1m)，所以該系統(tǒng)在大地測量學(xué)和地球動力學(xué)研究方面的應(yīng)用，也受到了很大的限制。第一章緒論為了滿足軍事部門和民用部門對連續(xù)實(shí)時和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國國防部正式開始組織海陸空三軍，共同研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的方案。這就是許多文獻(xiàn)中所稱的“授時與測距導(dǎo)航系統(tǒng)／全球定位系統(tǒng)〞(NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem—NAVSTAR／GPS)，而通常簡稱為“全球定位系統(tǒng)〞。GPS系統(tǒng)的開展第一階段〔1973-1979〕方案論證和初步設(shè)計(jì)。4顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、局部地面接收設(shè)備。1973年國防部批準(zhǔn)GPS系統(tǒng)的Navstar衛(wèi)星制造方案;1974年為檢驗(yàn)銣鐘和時間傳播技術(shù),Timation工程的第一顆GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空;1977年第一批攜帶銫鐘的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空,具有后來GPS衛(wèi)星的根本特征;1978年第一顆GPS原型導(dǎo)航衛(wèi)星BlockI衛(wèi)星發(fā)射升空。第二階段〔1979-1985〕全面研制和試驗(yàn)階段。

這一時期共發(fā)射七顆試驗(yàn)衛(wèi)星,GPS試驗(yàn)衛(wèi)星BlockI衛(wèi)星到達(dá)11顆,其它輔助系統(tǒng)建立。證實(shí)了GPS系統(tǒng)卓越的導(dǎo)航定位能力〔實(shí)際偽距單點(diǎn)定位精度:20米,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):100米〕。GPSBlockI第三階段〔1986-1994〕實(shí)際組網(wǎng)階段，24顆工作衛(wèi)星，1995年達(dá)預(yù)定工作能力。從1989年2月14日至1994年，共24顆(21+3)GPS工作衛(wèi)星：BlockⅡ〔9顆〕、BlockⅡA〔15顆〕發(fā)射成功。GPSBlockⅡGPSBlockⅡA

1995年4月27日,美國防部宣布：“GPS系統(tǒng)已具備完全運(yùn)行能力(FullOperationalCapability,FOC)〞投資：120億美元衛(wèi)星:9顆BLOCKⅡ15顆BLOCKⅡA特點(diǎn):全球、全天候、連續(xù)實(shí)時高精度的授時、導(dǎo)航和定位GPS星座現(xiàn)狀

截止到2007年，美國的GPS系統(tǒng)共發(fā)射衛(wèi)星55顆，發(fā)射失敗2次.衛(wèi)星型號發(fā)射總數(shù)(顆)在軌正常工作(顆)BlockI110BlockII90BlockIIA1915BlockIIR1312BlockIIRM33----5530第一章緒論1.1.2GPS的特點(diǎn)

1、GPS相對于其它導(dǎo)航定位系統(tǒng)的特點(diǎn)①全球地面連續(xù)覆蓋。由于GPS衛(wèi)星的數(shù)目較多且分布合理，所以地球上任何地點(diǎn)均可連續(xù)同步地觀測到至少4顆衛(wèi)星。從而保障了全球、全天候連續(xù)地實(shí)時導(dǎo)航與定位。

②功能多，精度高。GPS可為各類用戶連續(xù)地提供動態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度和時間信息。隨著GPS測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的開展，其定位、測速與測時的精度將進(jìn)一步提高。第一章緒論③實(shí)時定位速度快。利用全球定位系統(tǒng)一次定位和測返工作在一秒至數(shù)秒鐘內(nèi)便可完成(NNSS約需8～16分鐘)，這對高動態(tài)用戶來說尤為重要。④抗干擾性能好，保密性強(qiáng)。由于GPS采用數(shù)字通訊的特殊編碼技術(shù)、采用偽隨機(jī)噪聲碼技術(shù)，因此GPS衛(wèi)星所發(fā)送的信號，具有良好的抗干擾性和保密性?？紤]到GPS主要是為滿足軍事部門高精度導(dǎo)航與定位目的而建立的，所以上述優(yōu)點(diǎn)對軍事上動態(tài)目標(biāo)的導(dǎo)航具有十分重要的意義。正因?yàn)槿绱?，美國政府把開展GPS技術(shù)作為導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，并把這—技術(shù)視為20世紀(jì)最重大的科技成就之一。第一章緒論2、GPS相對于經(jīng)典大地測量的特點(diǎn)①選點(diǎn)靈活，無需通視。GPS測量不要求觀測站之間通視，因而不再需要建造覘標(biāo)。這一優(yōu)點(diǎn)即可減少測量工作的經(jīng)費(fèi)(30%～60%〕和時間，同時也使點(diǎn)位的選擇變得甚為靈活。但要求凈空。②定位精度高?，F(xiàn)已完成的大量實(shí)驗(yàn)說明，目前在小于50km的基線上其相對定位精度可達(dá)1～2*10-6，而在100km～500km的基線上可達(dá)10-6～10-７。隨著觀測技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度到達(dá)或優(yōu)于10－８。③觀測時間短。目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)定位方法，完成一條基線的相對定位所需要的觀測時間，根據(jù)要求的精度不同，一般約為1～3小時。為了進(jìn)一步縮短觀測時間，提高作業(yè)速度，近年來開展的短基線〔例如不超過20KM〕快速相對定位法，其觀測時間僅需數(shù)分鐘。第一章緒論

④提供三維坐標(biāo)。GPS測量，在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高。GPS測量的這一特點(diǎn)，不僅為研究大地水準(zhǔn)面的形狀和確定地面點(diǎn)的高程開辟了新途徑，同時也為其在航空物探、航空攝影測量及精密導(dǎo)航中的應(yīng)用，提供了重要的高程數(shù)據(jù)。

⑤操作簡便。GPS測量的自動化程度很高，在觀測中測量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，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。另外，GPS用戶接收機(jī)一般重量較輕、體積較小，例如NovAtelRPK-L1/L2型GPS接收機(jī)，重量約為1.0千克，體積為1085cm3,因此攜帶和搬運(yùn)都很方便。

⑥全天候作業(yè)。GPS觀測工作，可以在任何地點(diǎn)，任何時間連續(xù)地進(jìn)行，一般也不受天氣狀況的影響。第一章緒論所以，GPS定位技術(shù)的開展，對于經(jīng)典的測量技術(shù)是一次重大的突破。一方面，它使經(jīng)典的測量理論與方法產(chǎn)生的深刻的變革，另一方面，也進(jìn)一步加強(qiáng)了測量學(xué)與其它學(xué)科之間的相互滲透，從面促進(jìn)了測繪科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化開展。1.1.３GPS技術(shù)對經(jīng)典大地測量的影響1、經(jīng)典大地測量的現(xiàn)狀自49年以來，我國測繪工作者在全國范圍內(nèi)沿著經(jīng)緯線方向布設(shè)了Ⅰ等三角鎖。在Ⅰ等三角鎖的控制下，全面布設(shè)了Ⅱ等三角網(wǎng)或十字交叉的Ⅱ等三角鎖。隨后，隨著國民經(jīng)濟(jì)開展的需要及測繪根本圖的需要，在Ⅰ、Ⅱ等三角鎖網(wǎng)的控制下，建立了Ⅲ、Ⅳ等三角網(wǎng)。在高程控制方面，全國建立了Ⅰ等水準(zhǔn)網(wǎng)，接著為滿足各部門和各項(xiàng)工作的需要，又建立了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等水準(zhǔn)網(wǎng)。至此，我國已完成了經(jīng)典大地測量的平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)。經(jīng)過近三十年的變化，經(jīng)典大地測量的現(xiàn)狀是：第一章緒論水準(zhǔn)原點(diǎn)國家大地原點(diǎn)第一章緒論第一章緒論第一章緒論〔1〕標(biāo)志破壞嚴(yán)重。平面控制網(wǎng)中的三角點(diǎn)標(biāo)志〔木標(biāo)志、鋼標(biāo)志和標(biāo)石〕破壞相當(dāng)嚴(yán)重，以至到了不能利用的程度?！?〕控制網(wǎng)的精度不高。采用經(jīng)典大地測量方法建立的平面控制網(wǎng)，是以丈量基線和觀測角度向前推進(jìn)的，誤差積累尤甚。從測量基線1/100萬的相對誤差開始，一直推算到應(yīng)用較頻繁的Ⅳ等三角網(wǎng)上，相對誤差降到1/5萬，此已不適應(yīng)于現(xiàn)代精密工程的需要，更無法滿足地學(xué)研究的需要?！?〕平面控制與高程控制相別離。由于建立平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)的要求是截然不同的，因而二者是相互獨(dú)立的，沒有統(tǒng)一的坐標(biāo)系，故使用極不方便?！?〕平面控制點(diǎn)難以到達(dá)。為保證點(diǎn)間的通視和構(gòu)成一定的網(wǎng)形，平面控制點(diǎn)大多項(xiàng)選擇在制高點(diǎn)上。因此多半設(shè)在山峰上，交通不便，難以到達(dá)。在經(jīng)濟(jì)高速開展的今天，經(jīng)典大地測量網(wǎng)面臨著全面改造的問題。GPS的出現(xiàn)，為經(jīng)典大地測量網(wǎng)的改造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。第一章緒論2、GPS技術(shù)與經(jīng)典大地測量的差異GPS技術(shù)與經(jīng)典大地測量各有特點(diǎn)，二者比較，存在以下差異：〔1〕

在結(jié)構(gòu)上經(jīng)典大地測量控制網(wǎng)總是分為平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，相互獨(dú)立，個成系統(tǒng)。平面控制網(wǎng)是利用測距儀測邊和經(jīng)緯儀測角構(gòu)成一定三角形或四邊形來完成的。為了保證點(diǎn)間的通視，三角點(diǎn)必須設(shè)在制高點(diǎn)上；為了保證坐標(biāo)傳遞的精度，三角點(diǎn)間構(gòu)成的網(wǎng)形要求具有較強(qiáng)的幾何圖形。高程網(wǎng)是利用水準(zhǔn)儀逐站測量兩點(diǎn)間的高差來建立的，因而要求水準(zhǔn)點(diǎn)要選在地勢平坦和交通方便的道路兩邊。可見，二者對點(diǎn)位的要求和觀測方法是截然不同的，因此也就無法統(tǒng)一起來，各自在方案、施測、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用上自成體系。而采用GPS定位技術(shù)時，點(diǎn)在GPS衛(wèi)星上，點(diǎn)的位置〔平面位置和高程〕是以接收GPS衛(wèi)星信號的方式來實(shí)現(xiàn)的，它只與衛(wèi)星相聯(lián)系與其它點(diǎn)無關(guān)，因而相鄰點(diǎn)間不要求通視，并可獲得地面點(diǎn)在全球地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。第一章緒論這樣，一方面省去了大量的地面測設(shè)工作，把測繪人員從沉重的地面勞動中解放出來，極大地提高了測量的效益；另一方面，將平面坐標(biāo)系和高程坐標(biāo)系統(tǒng)一到全球坐標(biāo)系中，使二者成為一個整體。〔２〕在層次上經(jīng)典大地測量是指廣闊區(qū)域的測量方法。區(qū)域既廣，如果采取一次布網(wǎng)的密集測量方式，以短邊傳遞，那么由于觀測誤差，邊長和方位角的誤差必然迅速增加，精度迅速降低。因此，經(jīng)典大地測量按照用途、使用儀器、觀測精度和邊長的不同，將控制網(wǎng)由高級由低級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等四個層次，高一級作為下一級的控制基準(zhǔn)，下一級作為高一級的補(bǔ)充，遵循“由大到小、逐級控制〞的原那么，從而使得大地控制網(wǎng)的建立成為曠日持久的工作。GPS定位技術(shù)那么截然不同。GPS定位網(wǎng)不存在誤差積累這一問題，拋棄了“由大到小、逐級控制〞這一布網(wǎng)原那么。它在觀測中所使用的儀器相同，觀測精度也相同。假設(shè)要提高定位精度，只要稍微延長觀測時間，所費(fèi)極微。而經(jīng)典大地測量中，高等點(diǎn)與低等點(diǎn)的代價之比上很大的。第一章緒論〔３〕在數(shù)據(jù)處理上經(jīng)典大地測量的觀測數(shù)據(jù)是在重力空間獲得的，而地面點(diǎn)的平面位置必須用大地坐標(biāo)表示，它們是在一個以橢球面為參考的幾何空間中量。為了由重力空間的觀測量進(jìn)行分級處理。在結(jié)構(gòu)上，將平面控制和高程控制分別處理；在層次上，將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等網(wǎng)分別處理。由于它們的觀測量不等權(quán)，無法進(jìn)行整體平差。相反地，聯(lián)合平差會使成果變壞。采用GPS定位技術(shù)那么截然不同，它可以直截了當(dāng)?shù)氐贸龅孛纥c(diǎn)在WGS—84地心坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，從而防止了復(fù)雜的歸算問題。由于GPS觀測量是等權(quán)的，因而可將高等級點(diǎn)和低等級點(diǎn)統(tǒng)一處理。

GPS的出現(xiàn)，對測繪界產(chǎn)生了深刻的影響，它使得一些經(jīng)典的測量方法成為歷史。雖然GPS可能還不會完全取代經(jīng)典測量方法，但其主導(dǎo)作用是確定無疑的。第一章緒論1.２GPS系統(tǒng)的組成1.２.1GPS衛(wèi)星星座GPS系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星星座〔空間局部〕、地面監(jiān)控系統(tǒng)〔地面控制局部〕和GPS信號接收機(jī)〔用戶設(shè)備局部〕等三局部組成。１、GPS衛(wèi)星星座的構(gòu)成GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，這24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面上。衛(wèi)星軌道平面相對地球赤道平面的傾角約為55o，各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60o，在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交距角相差30o。軌道平均高度約為20210km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時58分。衛(wèi)星軌道近于圓形，其長半軸為26560km，最大偏心率為0.01。

同一觀測站上每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目視時間和地點(diǎn)而定，最少為4顆，最多可達(dá)11顆。這一分布方式，保證了地面上任何時間、任何地點(diǎn)至少可同時觀測到4顆衛(wèi)星。

定位星座：在用ＧＰＳ衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位時，為了求得測站的三維位置，必須觀測４顆ＧＰＳ衛(wèi)星，稱之為定位星座。間隙段：ＧPS衛(wèi)星的上述分布，在個別地區(qū)仍可能在其一短時間內(nèi)(例如數(shù)分鐘)只能觀測到4顆圖形結(jié)構(gòu)較差的衛(wèi)星，而無法到達(dá)必要的定位精度。這種時間段稱為間隙段。間隙段的解決方法：１〕制定作業(yè)方案；〔靜態(tài)〕２〕采用雙系統(tǒng)接收機(jī)〔動態(tài)〕第一章緒論第一章緒論2、GPS衛(wèi)星及其功能GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg〔包括310kg燃料)，兩側(cè)設(shè)有兩塊雙葉太陽能板，能自動對日定向，以保證衛(wèi)星正常工作的用電。每顆衛(wèi)星裝有4臺高精度原子鐘(2臺銣鐘和2臺銫鐘)，這是衛(wèi)星的核心設(shè)備。它將發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，為GPS測量提供高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)。GPS衛(wèi)星的根本功能：1〕向廣闊的用戶連續(xù)不斷地發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號〔簡稱GPS信號〕，并用導(dǎo)航電文報告自己的現(xiàn)勢位置已以及其他在軌衛(wèi)星的概略位置；第一章緒論2〕在飛越注入站上空時，接受由地面注入站發(fā)送到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他有關(guān)信息，并通過GPS信號形成電路，適時的發(fā)送給廣闊的用戶。3〕接受地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令。如適時的改正運(yùn)行的偏差。或者啟用備用時鐘等。4〕通過星載高精度原子鐘，提供精確的時間標(biāo)準(zhǔn)，使各衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)——GPS時。第一章緒論1.２.2地面監(jiān)控系統(tǒng)〔地面控制局部〕對于導(dǎo)航定位而言，GPS衛(wèi)星是一種動態(tài)點(diǎn)，它是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)送的星歷計(jì)算而得的。所謂“衛(wèi)星星歷〞是一系列描述衛(wèi)星運(yùn)動及其軌道的參數(shù)。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。GPS衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命是七年半，當(dāng)它們?nèi)胲夁\(yùn)行以后，衛(wèi)星的“健康〞狀態(tài)如何，亦即衛(wèi)星上各種設(shè)備是否能正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿預(yù)定的軌道運(yùn)行，這都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。此外，地面監(jiān)控系統(tǒng)還有一個重要作用，保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)，即處于GPS時間系統(tǒng)。這就要在地面上設(shè)站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間，并計(jì)算出有關(guān)改正數(shù)，進(jìn)而由導(dǎo)航電文發(fā)射給用戶，以確保處于GPS時間系統(tǒng)。

GPS工作衛(wèi)星的地面系統(tǒng)，目前主要由分布在全球的5個地面站組成，其中包括一個主控站、三個信息注入站和五個衛(wèi)星監(jiān)測站。

第一章緒論主控站一個，設(shè)在美國外鄉(xiāng)科羅拉多.斯平士(ColoradoSprings)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心。注入站現(xiàn)有3個，分別設(shè)在印度洋的狄哥?伽西亞(DiegoGarcia)、南大西洋的阿松森島(Ascension)和南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。五個監(jiān)測站除主控站和注入站外，還在夏威夷設(shè)立了一個監(jiān)測站。地面監(jiān)控系統(tǒng)的分布第一章緒論1、監(jiān)測站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動采集中心，站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)各一臺和假設(shè)干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，以采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況；原子鐘提供時間標(biāo)準(zhǔn)；環(huán)境傳感器收集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。所有觀測資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理〔如計(jì)算對流層、電離層、天線相位中心、相對論效應(yīng)改正數(shù)等〕，并存儲和傳送到主控站，用以確定衛(wèi)星的軌道。第一章緒論

2、主控站

主按站除協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作外，其主要任務(wù)是：

3〕調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行。4〕啟用備用衛(wèi)星以代替失效的工作衛(wèi)星。1〕根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的所有觀測資料推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站。2〕提供全球定位系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘均應(yīng)與主控站的原子鐘同步或測出其間時鐘差，并把這些鐘差信息編入導(dǎo)航電文送到注入站；第一章緒論

3、注入站

注入站的主要設(shè)備包括一臺直徑為3.6m的天線，一臺C波段發(fā)射機(jī)和一臺計(jì)算機(jī)。其主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。整個GPS的地面監(jiān)控局部，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化的通訊系統(tǒng)聯(lián)系起來，在原子鐘、計(jì)算機(jī)的驅(qū)動和精確控制下，各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高度的自動化和標(biāo)準(zhǔn)化。為了提高GPS衛(wèi)星的定軌精度，當(dāng)系統(tǒng)建成后將會適當(dāng)增加監(jiān)測站的數(shù)量并改善其在全球的分布。第一章緒論1.２.3GPS信號接收機(jī)〔用戶設(shè)備局部〕全球定位系統(tǒng)的空間局部和地面監(jiān)控局部，是用戶廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的根底，而用戶只有通過用戶設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)利用GPS導(dǎo)航和定位的目的。GPS信號接收機(jī)：是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS衛(wèi)星信號的接收設(shè)備，稱之為GPS信號接收機(jī)。1、GPS信號接收機(jī)的作用1〕當(dāng)GPS衛(wèi)星在用戶視界升起時，接收機(jī)能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止高度角所選擇的待測衛(wèi)星，并能夠跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)動。2〕對所接收到的GPS信號具有變換、放大和處理的功能，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)射的導(dǎo)航電文，實(shí)時地計(jì)算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位。Trimble5800GPS接收機(jī)

上海華測X90GPS接收機(jī)

小博士手持機(jī)博宇GPS接收機(jī)

中海達(dá)V30GPS接收機(jī)第一章緒論用戶設(shè)備部分第一章緒論2、GPS信號接收機(jī)的結(jié)構(gòu)GPS用戶設(shè)備主要包括有GPS接收機(jī)及其天線，微處理器及其終端設(shè)備以及電源等。而其中接收機(jī)和天線是用戶設(shè)備的核心局部，一般習(xí)慣統(tǒng)稱為GPS接收機(jī)。它的主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號并進(jìn)行處理和量測，以獲取導(dǎo)骯電文及必要的觀測量。1〕天線(前置放大器)；2〕信號處理器，用于信號識別和處理；3〕微處理器，用于接收機(jī)的控制、數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航計(jì)算；4〕用戶信息傳輸，包括操作板、顯示板和數(shù)據(jù)存貯器；5〕精密振蕩器，用以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率；6〕電源，供電。第一章緒論如果把GPS接收機(jī)作為一個用戶測量系統(tǒng)，那么按其構(gòu)成局部的性質(zhì)和功能可分為硬件局部和軟件局部。硬件局部，主要指上述接收機(jī)、天線和電源等硬件設(shè)備，而軟件局部是支持接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)其功能，并完成各種導(dǎo)航與定位任務(wù)的重要條件。軟件局部是構(gòu)成現(xiàn)代GPS測量系統(tǒng)的重要組成局部之一。一個功能齊全、品質(zhì)良好的軟件不僅能方便用戶使用，滿足用戶的多方面要求，而且對于改善定位精度，提高作業(yè)效率和開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義。所以，軟件的質(zhì)量與功能已成為反映現(xiàn)代GPS測量系統(tǒng)先進(jìn)水平的一個重要標(biāo)志。一般來說，軟件包括內(nèi)軟件和外軟件。所謂內(nèi)軟件是指諸如控制接收機(jī)信號通道，按時序?qū)Ω餍l(wèi)星信號進(jìn)行量測的軟件以及內(nèi)存或固化在中央處理器中的自動操作程序等。這類軟件已和接收機(jī)融為一體。而外軟件主要是指觀測數(shù)據(jù)后處理的軟件系統(tǒng)，這種軟件一般以磁盤方式提供。如無特別說明，通常所說接收設(shè)備的軟件均指這種后處理軟件系統(tǒng)。第一章緒論3、GPS信號接收機(jī)的分類1〕按接收機(jī)的載波頻率分類GPS導(dǎo)航與定位技術(shù)的迅速開展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓，使得世界各國對GPS接收機(jī)的研制與生產(chǎn)都極為重視，目前世界上GPS接收機(jī)的生產(chǎn)廠家約有數(shù)十家，而型號超過數(shù)百種。根據(jù)不同的觀點(diǎn)，GPS接收機(jī)可有多種不同的分類，現(xiàn)將其主要分類加以介紹?！魡晤l接收機(jī)：單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線〔<15km〕的精密定位。

◆雙頻接收機(jī)

：雙頻接收機(jī)可以同時接收L1，L2載波信號。利用雙頻可以消除電離層對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長達(dá)幾千公里的精密定位。

◆雙系統(tǒng)接收機(jī)

(GPS+GLONASS)：利用GPS和GLONASS兩套系統(tǒng)的衛(wèi)星信號進(jìn)行導(dǎo)航定位。第一章緒論2〕按接收機(jī)的用途分類◆導(dǎo)航型接收機(jī)：

此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時給出載體的位置和速度。這類接收機(jī)一般采用C/A碼偽距測量，單點(diǎn)實(shí)時定位精度較低，一般為±25mm，但這類接收機(jī)價格廉價，應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)還可以進(jìn)一步分為：車載型〔用于車輛導(dǎo)航定位〕、航海型〔用于船舶導(dǎo)航定位〕、航空型〔用于飛機(jī)導(dǎo)航定位，由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空上用的接收機(jī)要求能適應(yīng)高速運(yùn)動〕、星載型〔用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的速度高達(dá)7km/s以上，因此對接收機(jī)的要求更高?！?/p>

◆測地型接收機(jī)

：主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進(jìn)行相對定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。

◆授時型接收機(jī)

：主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步。

第一章緒論3〕按接收機(jī)的通道數(shù)分類

當(dāng)GPS接收機(jī)的天線同時接收多顆GPS衛(wèi)星的信號，必須首先把這些信號分隔開來，以實(shí)現(xiàn)對各衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機(jī)所具有的通道種類可分為：

◆多通道接收機(jī)：所謂多通道接收機(jī)，即具有多個衛(wèi)星信號通道，而每個通道只連續(xù)跟蹤一個衛(wèi)星信號的接收機(jī)。所以，這種接收機(jī)也稱連續(xù)跟蹤型接收機(jī)?！粜蜇灤┑澜邮諜C(jī)：通常只具有1～2個通道。這時為了跟蹤多個衛(wèi)星信號，它在相應(yīng)軟件的控制下，按時序依次對各個衛(wèi)星信號進(jìn)行跟蹤和量測。由于對所測衛(wèi)星依次量測一個循環(huán)所需時間較長(＞20ms)，所以其對衛(wèi)星信號的跟蹤是不連續(xù)的?！舳嗦窂?fù)用通道接收機(jī)：與序貫穿道接收機(jī)相似，但對所測衛(wèi)星信號量測一個循環(huán)的時間較短(＜20ms)，可以保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤。第一章緒論4〕按接收機(jī)的工作原理分類◆碼相關(guān)型接收機(jī)：其特點(diǎn)是，能夠產(chǎn)生與所測衛(wèi)星的測距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼。工作中通過逐步相移，使接收碼與復(fù)制碼到達(dá)最大相關(guān)，以測定衛(wèi)星信號到達(dá)用戶接收機(jī)天線的傳播時間。碼相關(guān)型接收機(jī)可利用C／A碼也可利用P碼，其工作的根本條件是必須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)。所以這種接收機(jī)也稱為有碼接收機(jī)。

◆平方型接收機(jī)：利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，從而獲得載波相位測量所必需的載波信號。這種接收機(jī)只利用衛(wèi)星的信號無需解碼，因而不必掌握測距碼的結(jié)構(gòu)，所以也稱為無碼接收機(jī)。

◆混合型接收機(jī)：是綜合利用了相關(guān)技術(shù)和平方技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，它可以同時獲得碼相位和精密的載波相位觀測量，目前在測量工作中廣泛使用的接收機(jī)多屬這種類型。第一章緒論4、GPS信號接收機(jī)的天線1〕天線的作用把來自衛(wèi)星信號的能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流量，并經(jīng)過前置放大器送入射頻局部進(jìn)行頻率變換，以便接收機(jī)對信號進(jìn)行跟蹤、處理和量測。2〕對天線的要求

◆天線與前置放大器一般應(yīng)密封為一體，以保障在惡劣的氣象環(huán)境下能正常工作，并減少信號損失；

◆天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)與屏蔽措施(例如加一塊基板)，以盡可能地減弱信號的多路徑效應(yīng)、防止信號的干擾；

◆天線均應(yīng)呈全圓極化。要求天線的作用范圍為整個上半球，在天頂處不產(chǎn)生死角，以保障能同樣地接收來自天空任何方向的衛(wèi)星信號；第一章緒論

◆天線的相位中心與其幾何中心之間的偏差應(yīng)盡量小，且保持穩(wěn)定。由于GPS測量的觀測量，是以天線的相位中心為準(zhǔn)的，而在作業(yè)中，天線的安置卻是以其幾何中心為準(zhǔn)，所以在天線的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能保持兩個中心的一致性和相位中心的穩(wěn)定性。3〕天線的類型

◆單極或偶極天線：屬單頻天線，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小的優(yōu)點(diǎn)。通常需要安裝在一塊基板上，以有助于減弱多路徑的影響。

◆四線螺旋形或螺旋形結(jié)構(gòu)天線：也是一種單頻天線，其結(jié)構(gòu)較上述單極或偶極天線復(fù)雜，且在生產(chǎn)中難于調(diào)整。但其增益性良好，一般也不需要底板。第一章緒論◆微波傳輸帶型天線：常簡稱為微帶天線。這種天線結(jié)構(gòu)最為簡單和鞏固，既可用于單頻也可用于雙頻，天線的高度很低，是安裝在飛機(jī)上的理想天線。這種天線的主要缺點(diǎn)是增益較低。不過這一缺點(diǎn)可采用低噪聲前置放大器加以彌補(bǔ)。

◆錐形天線：也稱為盤旋螺線型天線。這種天線可同時在兩個頻道上工作，其主要優(yōu)點(diǎn)是增益性好。但由于天線較高，而且螺旋線在水平方向上不完全對稱，因此天線的相位中心和幾何中心可能不完全重合，這需要在安置天線時仔細(xì)定向以得到補(bǔ)償。第一章緒論◆帶扼流圈的振子天線：簡稱為扼流圈天線。這種天線的主要特點(diǎn)是，可以有效地抑制多路徑誤差的影響。這種天線的主要缺點(diǎn)是體積較大，重量也較重，主要用于基準(zhǔn)臺站。

天線是接收設(shè)備的重要部件之一，它的品質(zhì)對于減少信號損失、防止信號干擾、提高導(dǎo)航與定位的精度具有重要意義。為此，不斷地完善天線性能，是當(dāng)前天線設(shè)計(jì)中的重要任務(wù)，主要包括4〕天線設(shè)計(jì)的任務(wù)用戶部分主控站USCG空間部分地面天線◆加強(qiáng)抗干擾能力，減弱多路徑的影響；◆提高相位中心的穩(wěn)定性；

◆改善天線對不同GPS測量工作的適應(yīng)性；◆改進(jìn)天線的生產(chǎn)工藝。1.3.1GLONASS定位系統(tǒng)1960年晚些時候，當(dāng)時已有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能到達(dá)導(dǎo)航定位的目的。前蘇聯(lián)軍方確認(rèn)需要一個衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(SRNS)用于規(guī)劃中的新一代彈道導(dǎo)彈的精確導(dǎo)引。1968-1969年，國防部、科學(xué)院和海軍的一些研究所聯(lián)合起來要為海、陸、空、天武裝力量建立一個單一的解決方案。1970年這個系統(tǒng)的需求文件編制完成。進(jìn)一步研究之后，在1976年，前蘇聯(lián)公布法令建立GLONASS。

GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))第一章緒論1.3其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)

GLONASS的起步晚于GPS九年。從前蘇聯(lián)于1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星開始，到1996年，十三年時間內(nèi)經(jīng)歷周折，雖然遭遇了蘇聯(lián)的解體，由俄羅斯接替布署，但始終沒有終止或中斷GLONASS衛(wèi)星的發(fā)射。1995年初只有16顆GLONASS衛(wèi)星在軌工作，1995年進(jìn)行了三次成功發(fā)射，將9顆衛(wèi)星送入軌道，完成了24顆工作工作衛(wèi)星加1顆第一章緒論GLONASS衛(wèi)星星座的軌道為三個等間隔橢圓軌道，軌道面間的夾角為120度，軌道傾角64.8度，軌道的偏心率為0.01，每個軌道上等間隔地分布8顆衛(wèi)星。衛(wèi)星離地面高度19100km。備用衛(wèi)星的布局。經(jīng)過數(shù)據(jù)加載，調(diào)整和檢驗(yàn)，已于1996年1月18日，整個系統(tǒng)正常運(yùn)行。第一章緒論

GLONASS衛(wèi)星星座基本上一直處于降效運(yùn)行狀態(tài)，只有8顆衛(wèi)星是全功能工作的。90年代曾經(jīng)制定過一個GLONASS星座漸進(jìn)增強(qiáng)計(jì)劃，企圖在2001年開始有12顆全功能工作的衛(wèi)星，但根據(jù)最新情報，目前仍然只有8顆全功能工作的衛(wèi)星。

俄羅斯目前正在著手GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)代化的工作。俄羅斯太空部隊(duì)打算開始進(jìn)行新一代GLONASS-M計(jì)劃的飛行試驗(yàn)。新型GLONASS-M衛(wèi)星除了將有更長的設(shè)計(jì)壽命（從現(xiàn)行的3年提高到7-8年）以外，還將具有更好的訊號特性。俄羅斯還計(jì)劃要在將來轉(zhuǎn)變到低質(zhì)量（MASS）第三代GLONASS-K衛(wèi)星，確保衛(wèi)星工作壽命在10年以上。

第一章緒論1.3.2GALILEO定位系統(tǒng)1、GALILEO導(dǎo)航建設(shè)背景◆單獨(dú)的民用系統(tǒng)◆提高衛(wèi)星定位的完好性、可用性和精度◆促進(jìn)歐洲經(jīng)濟(jì)開展◆提高歐洲在航空工業(yè)的國際地位◆對GPS依賴程度分析第一章緒論◆1996年7月23日，歐洲議會和歐盟交通部長會議制定了有關(guān)建設(shè)歐洲聯(lián)運(yùn)交通網(wǎng)的共同綱領(lǐng)，首次提出了建立歐洲自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的問題?！?998年1月29日，歐洲委員會向歐洲議會和歐盟交通部長會議提交了名為?建立一個歐洲聯(lián)運(yùn)定位和導(dǎo)航網(wǎng)：歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔GNSS〕開展戰(zhàn)略?的報告。3月17日，歐盟交通部長會議通過此報告，并委托歐洲委員會研究、擬定歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開展方案。◆1999年12月22日，歐洲議會和歐盟部長級會議批準(zhǔn)了?歐盟在科研、技術(shù)開展和演示領(lǐng)域的第五個框架方案〔1998－2002〕??！百だ苑桨辅暳腥肫渲校朔桨赋蔀椤百だ渊曎Y金的一個來源?！?000年11月22日，歐洲委員會提交了?歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可行性評估報告?。該報告匯總了伽利略論證階段成果。第一章緒論◆2002年3月26日，歐盟交通運(yùn)輸部長會議以全票通過了立即開始伽利略工程的研制階段的動議，標(biāo)志著“伽利略方案〞的全面啟動?！鬔U已成立，方案于2003年9月正式掛牌，GROHE先生被任命為主任?！舳x階段〔1999－2000〕：該階段已在2001年宣告結(jié)束。

◆開發(fā)階段〔2001－2005〕：開發(fā)和在軌驗(yàn)證階段，目前正在進(jìn)行，主要工作有：匯總?cè)蝿?wù)需求；開發(fā)2－4個衛(wèi)星和地面局部；系統(tǒng)在軌驗(yàn)證。

◆部署階段〔2006－2007〕：進(jìn)行衛(wèi)星的發(fā)射布網(wǎng)，地面站的架設(shè)，系統(tǒng)的整體聯(lián)調(diào)

?！暨\(yùn)營階段〔2021－〕：商業(yè)營運(yùn)階段，提供增值效勞。2、GALILEO方案進(jìn)度安排第一章緒論◆伽利略系統(tǒng)的根本效勞：

導(dǎo)航

定位

授時

◆伽利略系統(tǒng)的特殊效勞：

搜索與救援(SAR功能)◆伽利略系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用效勞系統(tǒng)：

在飛機(jī)導(dǎo)航和著陸系統(tǒng)中的應(yīng)用

鐵路平安運(yùn)行調(diào)度

海上運(yùn)輸系統(tǒng)

車隊(duì)運(yùn)輸調(diào)度

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)3、GALILEO系統(tǒng)應(yīng)用和效勞第一章緒論4、中歐伽利略方案的合作◆2000年6月，歐盟副主席德?帕拉西率團(tuán)訪問中國，表達(dá)了希望邀請中國參加歐洲正在方案建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)—伽利略〔GALILEO〕方案的意愿。國務(wù)院總理朱镕基接見并表達(dá)了我國對合作建設(shè)GALILEO系統(tǒng)的興趣和原那么立場?！艨萍疾坑?001年6月21-22日，在京召開了有關(guān)中歐GALILEO方案專家研討會。2001年10月，歐盟和中國建立了聯(lián)合工作組，具體商談在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域合作的有關(guān)事宜?！?002年6月朱镕基總理明確表示“我們愿意在權(quán)力和義務(wù)平衡的前提下全面參加伽利略方案〞?！粲煽萍疾亢蜌W盟委員會、歐洲空間局共同主辦的“中國—?dú)W洲工業(yè)界參加伽利略方案研討會〞于2002年12月17-18日在北京成功舉行。第一章緒論◆中國—?dú)W盟科技合作促進(jìn)辦公室〔CECO〕與歐洲工業(yè)聯(lián)合會〔ERTICO〕于2003年3月3日至5日在上海成功舉辦了“中國—?dú)W盟智能交通研討會〞。會議的主題為：1．“伽利略〞工程合作；2．公共交通管理；3．中歐智能交通培訓(xùn)合作?！魵W洲與中國經(jīng)過近兩年的準(zhǔn)備，于2003年5月16日在布魯塞爾舉行中歐伽利略方案合作第一輪正式談判，科技部秘書長石定環(huán)和歐盟委員會能源交通總司總司長拉莫.赫共同主持了談判。雙方高度評價中歐間在伽利略方案中合作的重要意義，各自表述了合作的目標(biāo)、原那么，并對有關(guān)合作內(nèi)容、方式等展開了討論?！綦p方在2003年9月在北京舉行第二輪談判，18日草簽了合作協(xié)議?！糁袣W雙方已于2003年10月30簽訂正式合作協(xié)議?！糍だ韵到y(tǒng)方案投資34億歐元，中方投資2億歐元。第一章緒論◆東南大學(xué)伽利略系統(tǒng)歐亞〔中國〕教育與應(yīng)用開發(fā)中心6月12日下午，由東南大學(xué)舉辦的伽利略定位系統(tǒng)研討會開幕式在逸夫科技館報告廳舉行。"東南大學(xué)伽利略系統(tǒng)歐亞〔中國〕教育與應(yīng)用開發(fā)中心"也在開幕式上正式揭牌。研討會特邀歐盟專家、意大利ISMB教授、都靈理工大學(xué)教授、西班牙卡塔假設(shè)尼亞理工大學(xué)教授等7位專家到會作學(xué)術(shù)報告。鄒采榮副校長在開幕式上致辭，校長助理沈炯宣讀成立東南大學(xué)伽利略系統(tǒng)歐亞〔中國〕教育與應(yīng)用開發(fā)中心的決定?？萍疾扛咝滤静軐W(xué)軍處長、科技部國家遙感中心景貴飛處長、國土資源部國際合作與科技司高平處長、交通部科技信息處高翔工程師等到會講話。來自香港理工大學(xué)、北京航天航空大學(xué)等兄弟院校以及科研院所的有關(guān)專家、我校國際合作處和儀器科學(xué)與工程系、無線電系、交通學(xué)院等有關(guān)單位的領(lǐng)導(dǎo)及師生出席了開幕式。科技部高新司曹學(xué)軍處長和鄒采榮副校長為東南大學(xué)伽利略系統(tǒng)歐亞〔中國〕教育與應(yīng)用開發(fā)中心揭牌。該中心是我國高校中成立的第一個伽利略系統(tǒng)教育與應(yīng)用開發(fā)中心。第一章緒論5、GALILEO系統(tǒng)的特點(diǎn)◆全天候、全球無縫覆蓋◆獨(dú)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)航定位效勞多樣性◆具有地面與衛(wèi)星通信能力，提供救援和搜索效勞◆系統(tǒng)開放性◆系統(tǒng)管理民間性6〕GALILEO系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)第一章緒論1.3.3我國獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航1定位系統(tǒng)——“北斗一號〞雖然美國ＧＰＳ系統(tǒng)已經(jīng)在全世界廣泛應(yīng)用，但該系統(tǒng)絕非完美無缺。例如，其規(guī)模太大、造價太高，其他國家很難效仿，俄羅斯就是典型的例子；ＧＰＳ只能導(dǎo)航，無法通信，因而不能滿足日益增長的用戶需求；作為一個國家來講，如果完全依賴ＧＰＳ，那么容易受美國控制。那么，有沒有解決這些問題的新方法呢？中國的“北斗〞開辟了一條新途徑。雙星定位：“北斗〞導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是１種全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息的區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)。它是通過雙星定位方式來工作的。該系統(tǒng)由２顆經(jīng)度上相距６０度的地球靜止衛(wèi)星對用戶雙向測距，由１個配有電子高程圖的地面中心站定位，另有幾十個分布于全國的參考標(biāo)校站和大量用戶機(jī)。它的定位原理是：以２顆衛(wèi)星的坐標(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)必然位于這２個球面交線的圓弧上。電子高程地圖提供的是一個以地心為球心、以球心至地球外表高度為半徑的非均勻球面。求解圓弧線與地球外表交點(diǎn)即可獲得用戶位置。第一章緒論歷程：■1983年，開始籌劃衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)■1986年初，正式以雙星快速定位通信系統(tǒng)為名開始進(jìn)行整個方案，并由北京跟蹤與通信技術(shù)研究所負(fù)責(zé)研發(fā)。■1986年底研發(fā)單位就提出了總體技術(shù)方案和試驗(yàn)方案，預(yù)估只要3年時間，就可利用已在軌道的2枚同步衛(wèi)星進(jìn)行整體演練，驗(yàn)證導(dǎo)航定位原理，并檢驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)用性，尋找實(shí)現(xiàn)雙星導(dǎo)航定位的技術(shù)途徑?！?989年9月5日凌晨5點(diǎn)，科研人員以庫爾勒、南寧等4個用戶機(jī)進(jìn)行第一次定位演練，結(jié)果證明，利用雙星定位可實(shí)現(xiàn)定位、定時、簡短通信三大功能，而且比當(dāng)時GPS的民用碼精度高好幾倍。■1994年1月，雙星快速定位通信系統(tǒng)正式命名為“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并列為“九五方案〞要項(xiàng)。雙星快速定位系統(tǒng)演練驗(yàn)證試驗(yàn)的成功，為“北斗〞系統(tǒng)奠定了技術(shù)根底?！鼋酉聛淼?年多里，北京跟蹤與通信技術(shù)研究所又完成地面控制中心等應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，建構(gòu)“北斗〞系統(tǒng)的完整架構(gòu)。第一章緒論■2000年10月31日和12月21日，“北斗一號〞的前兩顆衛(wèi)星發(fā)射升空，運(yùn)行至今導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作穩(wěn)定，狀態(tài)良好，產(chǎn)生了顯著效益?！?003年5月25日零時34分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲〞運(yùn)載火箭，成功地將第三顆“北斗一號〞導(dǎo)航定位衛(wèi)星送入太空。這次發(fā)射的是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備份星。它與前兩顆“北斗一號〞工作星組成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，確保全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息。第一章緒論第一章緒論系統(tǒng)的主要功能：“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有快速定位、簡短通信和精密授時的。1〕快速定位：目的在確定用戶地理位置，為用戶及主管部門提供導(dǎo)航效勞?！氨倍法曅l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)使用的衛(wèi)星，以快速捕捉信號和傳送大量數(shù)據(jù)見長，從用戶發(fā)出定位申請，到收到結(jié)果，只需1秒鐘。而在這1秒鐘內(nèi)，整個系統(tǒng)要完成發(fā)送申請信號、上傳衛(wèi)星、經(jīng)地面控制中心計(jì)算出位置，再從衛(wèi)星將定位信息送返申請用戶等流程，而其中快速捕捉信號只用了幾毫秒。這項(xiàng)20年前設(shè)計(jì)的快捕技術(shù)，在今天仍屬世界最先進(jìn)的技術(shù)。“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)水平定位精度為100米，差分定位精度小于20米。定位響應(yīng)時間：一類用戶5秒、二類用戶2秒、三類用戶1秒。最短定位更新時間小于1秒，一次定位成功率95%。第一章緒論2〕簡短通信：“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數(shù)字簡訊通信能力。運(yùn)作流程為地面控制中心接收到用戶發(fā)送來的響應(yīng)信號中的通信內(nèi)容，進(jìn)行解讀后再傳送給收件人客戶端。一般用戶1次可傳輸36個漢字，經(jīng)核準(zhǔn)的用戶可利用連續(xù)傳送方式最多可傳送120個漢字。這種簡訊通信效勞，GPS無法提供。3〕精密授時：“北斗〞導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向2種授時功能，根據(jù)不同的精度要求，定時傳送最新授時信息給客戶端，供用戶完成與“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)間時間差的修正。第一章緒論“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成：由太空的導(dǎo)航通信衛(wèi)星、地面控制中心和客戶端三局部組成1〕太空局部有2枚地球同步軌道衛(wèi)星，執(zhí)行地面控制中心與客戶端的雙向無線電信號的中繼任務(wù)；地面控制中心包括民用網(wǎng)管中心，主要負(fù)責(zé)無線電信號的發(fā)送接收，及整個系統(tǒng)的監(jiān)控管，其中，民用網(wǎng)管中心負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)民用用戶的標(biāo)記、識別和運(yùn)行管理。3〕地面控制局部包括主控站、測軌站、測高站、校正站和計(jì)算中心。主要用來測量和校正導(dǎo)航定位參數(shù)，以便調(diào)整衛(wèi)星的運(yùn)行軌道、姿態(tài)，并編制星歷，完成用戶定位修正資料和對用戶進(jìn)行定位。2〕客戶端是直接由用戶使用的設(shè)備，即用戶機(jī)，主要用于接收地面控制中心經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的測距信號。第一章緒論“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作步驟〔原理〕1、地面控制中心向2枚衛(wèi)星發(fā)送詢問信號；2、衛(wèi)星接收到詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向效勞區(qū)用戶播送詢問信號；3、用戶響應(yīng)其中1枚衛(wèi)星的詢問信號，并同時向2枚衛(wèi)星發(fā)送回應(yīng)信號；4、衛(wèi)星收到用戶響應(yīng)信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送回地面控制中心；5、地面控制中心收到用戶響應(yīng)信號，解讀出用戶申請的效勞內(nèi)容；6、地面控制中心并利用數(shù)值地圖計(jì)算出用戶的三維坐標(biāo)位置，再將相關(guān)信息或通信內(nèi)容發(fā)送到衛(wèi)星；7、衛(wèi)星在收到控制中心發(fā)來的坐標(biāo)資料或通信內(nèi)容后，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳送給用戶或收件人。第一章緒論“北斗一號〞衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)比較

1、覆蓋范圍：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋我國外鄉(xiāng)的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。覆蓋范圍東經(jīng)約70°一140°，北緯5°一55°。GPS是覆蓋全球的全天候?qū)Ш较到y(tǒng)。能夠確保地球上任何地點(diǎn)、任何時間能同時觀測到6-9顆衛(wèi)星(實(shí)際上最多能觀測到11顆)。

2、衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設(shè)置2顆地球同步衛(wèi)星顆衛(wèi)星的赤道角距約60°。GPS是在6個軌道平面上設(shè)置24顆衛(wèi)星，軌道赤道傾角55°，軌道面赤道角距60°。航衛(wèi)星為準(zhǔn)同步軌道，繞地球一周11小時58分。

3、定位原理：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是主動式雙向測距二維導(dǎo)航。地面中心控制系統(tǒng)解算，供用戶三維定位數(shù)據(jù)。GPS是被動式偽碼單向測距三維導(dǎo)航。由用戶設(shè)備獨(dú)立解算自己三維定位數(shù)據(jù)?！氨倍芬惶枿暤倪@種工作原理帶來兩個方面的問題，一是用戶定位的同時失去了無線電隱蔽性，這在軍事上相當(dāng)不利，另一方面由于設(shè)備必須包含發(fā)射機(jī)，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處于不利的地位。第一章緒論

4、定位精度北斗導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。GPS三維定位精度P碼目前己由16m提高到6m，C/A碼目前己由25-100m提高到12m，授時精度日前約20ns。

5、用戶容量北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由于是主動雙向測距的詢問——應(yīng)答系統(tǒng)，用戶設(shè)備與地球同步衛(wèi)星之間不僅要接收地面中心控制系統(tǒng)的詢問信號，還要求用戶設(shè)備向同步衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號，這樣，系統(tǒng)的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應(yīng)頻率。因此，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶設(shè)備容量是有限的。GPS是單向測距系統(tǒng)，用戶設(shè)備只要接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文即可進(jìn)行測距定位，因此GPS的用戶設(shè)備容量是無限的。第一章緒論

6、生存能力和所有導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)一樣，“北斗一號〞基于中心控制系統(tǒng)和衛(wèi)星的工作，但是“北斗一號〞對中心控制系統(tǒng)的依賴性明顯要大很多，因?yàn)槎ㄎ唤馑阍谀抢锒皇怯捎脩粼O(shè)備完成的。為了彌補(bǔ)這種系統(tǒng)易損性，GPS正在開展星際橫向數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，使萬一主控站被毀后GPS衛(wèi)星可以獨(dú)立運(yùn)行。而“北斗一號〞系統(tǒng)從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統(tǒng)受損，系統(tǒng)就不能繼續(xù)工作了。

7、實(shí)時性“北斗一號〞用戶的定位申請要送回中心控制系統(tǒng)，中心控制系統(tǒng)解算出用戶的三維位置數(shù)據(jù)之后再發(fā)回用戶，其間要經(jīng)過地球靜止衛(wèi)星走一個來回，再加上衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，中心控制系統(tǒng)的處理，時間延遲就更長了，因此對于高速運(yùn)動體，就加大了定位的誤差。此外，“北斗一號〞衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也有一些自身的特點(diǎn)，其具備的短信通訊功能就是GPS所不具備的。第一章緒論“北斗〞系統(tǒng)的軍事用途“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)根本上是以滿足商用效勞為主，雖然目前軍事用途仍有限，不過其仍具有雄厚的軍事應(yīng)用潛力，這也是未來開展重點(diǎn)。理由很簡單，雖然我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用近年來開展迅速，但是絕大多數(shù)的軍民應(yīng)用范疇都是建立在美國GPS之上。一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，美國關(guān)閉GPS或加大民用碼誤差，后果不堪設(shè)想，所以必須開展自主的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其實(shí)“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；彈道導(dǎo)彈機(jī)動發(fā)射車、自行火炮與多管火箭發(fā)射車等武器載具發(fā)射位置的快速定位，以縮短反響時間；人員搜救、水上排雷定位等。不過，因運(yùn)作方式不同，“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)有一些GPS沒有的軍事功能，其中最重要的就是部隊(duì)的指揮管制。第一章緒論由于“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的簡短通信功能可進(jìn)行“群呼〞，如集團(tuán)用戶中心發(fā)出的各種指令經(jīng)“北斗〞指揮型用戶機(jī)上傳至“北斗〞衛(wèi)星接著轉(zhuǎn)給地面控制中心，再經(jīng)出站鏈路傳至“北斗〞衛(wèi)星向目標(biāo)用戶轉(zhuǎn)發(fā)，使得集團(tuán)用戶中心可對其下屬用戶進(jìn)行指揮調(diào)度。另外，當(dāng)用戶提出申請或按預(yù)定間隔時間進(jìn)行定位時，不僅用戶知道自己的測定位置，而調(diào)度指揮的上層單位或其他有關(guān)單位也可得知用戶所在位置。這項(xiàng)功能用在軍事上，意味著可主動進(jìn)行各級部隊(duì)的定位，也就是說各級部隊(duì)一旦配備“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，除了可供自身定位導(dǎo)航外，高層指揮部也可隨時通過“北斗〞系統(tǒng)掌握部隊(duì)位置，并傳遞相關(guān)命令，對任務(wù)的執(zhí)行有相當(dāng)大的助益。換言之，可利用“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)執(zhí)行部隊(duì)指揮與管制及戰(zhàn)場管理。第一章緒論“北斗〞系統(tǒng)的限制與弱點(diǎn)由于“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是雙星系統(tǒng)，因此，用戶接收器只能測得二維(平面)的定位數(shù)據(jù)。用戶假設(shè)位于海平面上，因高度為零，可以直接求得三維(平面和高度)的定位數(shù)據(jù)；但用戶假設(shè)位于陸地或空中，就需要利用地面控制中心的數(shù)值地圖資料厙或用戶自備的測高儀才能求得用戶的高度，并進(jìn)一步確定用戶的三維坐標(biāo)。假設(shè)控制中心的數(shù)值地圖數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，尤其是要拿到非本國的地理精確數(shù)據(jù)并不容易，定位出的位置數(shù)據(jù)就會有問題。“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶的定位申請要送回地面控制中心，經(jīng)由中心控制系統(tǒng)解算出用戶的三維位置資料之后再發(fā)回用戶。無線電信號從地面發(fā)出，經(jīng)衛(wèi)星返回地面的上下行時間約為0.24—0.28秒，從用戶接收器應(yīng)答測距信號到接收定位結(jié)果，信號經(jīng)過兩次上下行鏈路的傳送，時間約需0.56秒，加上中心控制系統(tǒng)的計(jì)算時間，整個定位時間約需1秒鐘，即用戶接收器約可在1秒鐘完成定位。這1秒的定位時間對飛機(jī)、導(dǎo)彈這種高速運(yùn)動的用戶嫌時間長，會加大定位的誤差，因此，假設(shè)要利用“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行精確定位，以車輛、船舶等慢速運(yùn)動的用戶較適合。第一章緒論由于“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的客戶端耍請求定位效勞時，必須發(fā)出應(yīng)答信號，即“有源應(yīng)答〞，如果使用者是軍方單位就會使自身失人隱蔽性，且這個定位效勞要求的信號也可被敵方定位，而遭致攻擊。另外，客戶端除了要和衛(wèi)星一樣接收來自地面控制中心的詢問信號，也要發(fā)出應(yīng)答信號，因此，整個系統(tǒng)的同一時間內(nèi)效勞用戶的數(shù)量便受用戶可使用的通信頻率數(shù)量、詢問信號速率和用戶的響應(yīng)速率等條件的限制，所以“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的用戶設(shè)備容量是有限的，每秒鐘只能容納150個用戶。雖然每個客戶端都有專用識別碼，不過一旦被破解，很容易使整個系統(tǒng)被敵人或有心人士以偽冒信號加以飽和，使系統(tǒng)癱瘓或者是傳送假信息，迷惑友軍。由于“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中地面控制中心扮演著系統(tǒng)關(guān)鍵角色，如：承轉(zhuǎn)衛(wèi)星信息、解算用戶位置等，因此，一旦地而控制中心被毀，整個系統(tǒng)就不能運(yùn)作了，這也是“北斗〞系統(tǒng)的致命傷。“北斗〞衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)使用的衛(wèi)星是同步軌道衛(wèi)星，這意味著落地信號功率很小，因此，用戶機(jī)需要有較大天線(直徑達(dá)20厘米)才能接收信號，而且因“有源應(yīng)答〞運(yùn)