第2章卫星导航系统原理及其组成部分

2.1全球定位系统（GPS）和全球导航卫星系统（GNSS）

1.什么是GPS？

GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的缩写，几乎已成为卫星导航系统的代名词。实际上，它是一个基于卫星的无线电导航系统，早在20世纪60年代着手开发，此后，一直由美国国防部（DOD）进行运作。直到1996年发布总统指令，后形成“军民两用”的法律条文。GPS的业主地位由DOD转为GPS部际执行局（IGEB），由国防部和运输部（DOT）主要官员负责管理，并满足GPS军民两用的需求。系统最具优势的特点是：全球覆盖、连续工作（全天候）、能服务于高精度和高动态服务平台。

通常，人们认为GPS系统由三部分组成，它们分别被称为空间段、地面段和用户段（见图2.1），实际上是指卫星星座、地面运营控制系统，以及用户设备。严格地说，还有一个环境段，即环境增强段。卫星星座由分置在6个轨道面内的24颗卫星构成，卫星轨道为中高圆轨道（约2万千米），卫星发送测距信号和导航信息数据（导航电文），卫星信号的编码为码分多址（CDMA）方式。地面运营控制系统承担卫星星座的跟踪和维持任务，要求监测卫星的健康情况，信号的完好性，保持卫星的轨道配置。由此可见，地面控制网络尚需不断更新卫星时钟误差修正、卫星星历，以及一系列对确定用户位置、速度和时间（PVT）至关重要的参量。用户设备用于接收来自卫星星座信号，并计算出所需的位置、速度和时间（PVT）信息。GPS提供两种服务：标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。GPS系统使用的多种型谱中的两种卫星如图2.2所示。

2.什么是GNSS？

GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗卫星导航系统（Compass），以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统的组成概念如图2.3所示。

3.2020年前预计GNSS将包括哪四大全球系统？

未来的若干年内，全球卫星导航系统将经历前所未有的重大转变，真正从单一的GPS系统时代转变为多星座并存的GNSS（全球导航卫星系统）时代。具体标志为：GPS现代化进程得以完成（2013年左右），并不失时机地实施GPSⅢ计划；GLONASS正在快速复苏，2007年年底工作卫星达到18颗的基本星座规模，2010年前恢复24颗星的完全工作，并在实施现代化计划；Galileo 也会在2015年前后全面投入运营；Compass系统（“北斗2号”）将成为GNSS的四个大系统之一，这会是个不争的事实，并在2011年至2012年间构建成具有区域服务能力的导航卫星系统，估计在今后10年内中国的全球卫星导航系统能建设完成。总之，GNSS的四大全球系统分别为美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo（伽利略）和中国的Compass（北斗卫星导航系统）。图2.4为全球当前已建和在建的GNSS四大星座。

4.什么是GLONASS？

GLONASS是俄罗斯的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）的简称。GLONASS是前苏联为满足授时、海陆空定位与导航、大地测量与制图、生态监测研究等建立的。它于1978年开始研制，1982年10月开始发射导航卫星。自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星，于1996年年初投入运行使用。在前苏联解体后，GLONASS由俄罗斯接手，鉴于经济和其他原因，10多年来GLONASS一直未走上正常工作轨道，目前已经有10余颗卫星在工作，估计今年内会达到24颗卫星全员工作状态。

GLONASS提供两种导航信号：标准精密导航信号（SP）和高精密导航信号（HP）。SP定位与授时服务适用于所有GLONASS的国内用户。其水平定位精度为57～70m（99.7%置信度），垂直定位精度为70m（99.7%置信度），速度矢量测量精度15 cm/s（99.7%置信度），时间测量精度在1ms（99.7%的置信度）。

GLONASS的组成和功能与美国的GPS相类似，可用于海上、空中、陆地等各类用户的定位、测速及精密定时等。按原设计，GLONASS卫星网由分布在三个轨道上的24颗卫星组成，其卫星群空间结构示意图如图2.5所示。三个轨道面升交点经度相差120°，按地球自旋方向编号为1，2，3，每个轨道面上均匀分布8颗卫星；同一轨道面上相邻卫星纬度幅角相差 45°，相邻轨道面上相邻卫星纬度相差 15°；同一轨道面上的卫星编号按与卫星运动方向相反的方向递增，第一轨道面上卫星编号1～8，第二轨道面上卫星编号9～16，第三轨道面上卫星编号17～24。

5.什么是Galileo系统？

Galileo（伽利略）系统是欧洲自己的全球导航卫星系统，提供民用控制的高精度、有承诺的全球定位服务，并与其他两个全球导航卫星系统实现互操作。用户可以用同样的接收机接收任何组合的任何卫星信号完成定位。当接收两个标准频率时，Galileo系统的实时定位精度达到米级，这是公众应用系统以前不可能实现的。其服务可用性承诺在所有的情况下，包括非常环境下，当任何卫星有故障后几秒钟内将通知到用户，这种服务适合于至关紧要的安全应用，如行进中的火车、导航着的汽车和着陆时的飞机。

Galileo系统第一、二颗试验卫星GIOV-A和GIOV-B，也是所谓Galileo系统测试床（GSTB）的组成部分，已于2005年和2008年发射升空，目的是考证关键技术，其后有四颗工作卫星发射，验证 Galileo系统的空间段和地面段的相关基础。一旦这一在轨验证（IOV）阶段完成，其他卫星则部署，达到完全工作能力（FOC）。

完全部署的Galileo系统由30颗卫星（27颗工作星和3颗活动备份星）组成，这些卫星分置在3个圆形的中地球轨道（MEO）面内，离地高度为23 222km，轨道面相对于参考的赤道面倾角为56°。这样，Galileo系统导航信号能提供纬度高达75°的良好覆盖。大数量的卫星实现了星座的最佳化，并可应用3颗活动备份星，能确保有卫星损坏时不会给用户带来影响和不便。

有两个Galileo系统控制中心（GCC）在欧洲实施对卫星的控制和实现对导航任务的管理。由20～30个Galileo系统传感器站（GSS）组成的全球网观测到的数据，通过有冗余的通信网络发送给Galileo系统控制中心。GCC将利用GSS的数据计算完好性信息，并实现所有卫星时间信号与地面站时钟的同步。控制中心与卫星间的数据交换是通过上行站实现的，为此在全球各地布设了5个S波段和10个C波段上行站。

Galileo系统提供的服务有四种：公开服务（OS）、生命安全服务（SoLS）、商用服务（CS）和公共特许服务（PRS）。值得指出的是，Galileo系统还具备基于工作的国际搜救系统（Cospas-Sarsat System）的全球搜索与救援（SAR）功能，每颗卫星上装有转发器，能将用户发出的求救信号转发到救援合作中心，启动救援工作。在此同时，给用户一个信号，告诉用户已获得其状况，正在对其实施帮助。后面的回馈信息是件新举措，与现有系统相比属重大改进。图2.6显示了Galileo系统的卫星空间示意及其卫星图形。

6.什么是Compass系统？

中国已经开始建设的全球卫星导航系统——北斗卫星导航系统（Compass Satellite Navigation System）。卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会经济效益。中国作为发展中国家，拥有广阔的领土和海域，高度重视卫星导航系统的建设，努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。

2000年以来，中国已成功发射了3颗“北斗1号导航试验卫星”，建成北斗1号导航试验系统。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。

中国目前正在建设的北斗2号卫星导航系统的空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，授时精度为20ns，测速精度为0.2m/s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

中国在2007年4月发射成功Compass系统的第一个北斗中轨道（MEO-1）卫星，2009年4 月和2010年1 月又发射了Compass系统的第一个和第二个北斗静地轨道（GEO-1、GEO-2）卫星，预计2010年年底发射另一个GEO-2卫星。估计在2010年至2012年，Compass系统能够形成环中国地区的区域服务能力，其星座由 5个静地轨道（GEO）卫星、4个中轨道（MEO）卫星和3个倾斜地球同步轨道（IGSO）组成，满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，然后根据发展需要逐步扩展为全球卫星导航系统，至2020年前形成全球服务能力。

在Compass系统的建设和运营过程中，我国坚持开发、独立、兼容、渐进的四大原则，为提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统之间的兼容性和互操作性，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，中国愿意与其他国家合作，共同发展全球卫星导航事业。图2.7为北斗卫星导航系统（Compass）的星座布设。

7.什么是QZSS？

QZSS是准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System）的简称，以高仰角服务和大椭圆非对称“8”字形地球同步轨道为其特征，服务于闹市区和中纬山区的通信与定位，是GPS的区域增强系统，发射L1、L2和L5三种频率。该系统由日本政府四个部门和数十家民营企业联手实施。图 2.8为QZSS卫星的轨道轨迹以及卫星在轨道上的分布。

QZSS由3颗分置于相间120°的三个轨道面上的卫星组成，轨道周期为23小时56分钟，倾角45°，偏心率0.1，轨道高度为31 500～40 000km。

为了实现QZSS计划，日本经济团体联合会决定设立以民间为主导的官民（政府与产业）合作新公司。2002年11月1日正式成立了先进空间商业公司，共有宇航、通信、广播和汽车领域内的43家企业出资，启动资金为1亿日元。三菱电机公司、日立制作所和丰田汽车公司等7家企业持股占77%。按计划，“准天顶”卫星系统的总费用约为2000亿日元，民间企业将负担1500亿日元左右。第一颗卫星和地面设施的研制开发费用约为600亿日元，第一颗卫星计划在2008年发射，已推迟到2010年发射。

8.什么是IRNSS？

印度政府于2006年5月9日正式批准实施“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）的重大工程，该工程预计耗资160亿卢比（约合3.5亿美元）。IRNSS导航系统将由7颗卫星（可能是地球同步 GEO 或椭圆轨道）和一个大型地面控制段组成，按计划要求在未来6年内完成全系统部署。印度的区域导航卫星系统将完全由印度控制，所有空间段、地面段和用户接收机都将在印度研制与生产。这一计划比先前的计划有了进步，原计划是印度与俄罗斯的GLONASS和欧洲的Galileo合作，开发地基增强系统，将其用于航空。图2.9为IRNSS系统所用卫星，图2.10为印度的导航卫星整体结构图。

印度空间研究组织（ISRO）负责新计划的实施，ISRO表示印度区域导航卫星计划将会为印度工商企业带来价值高达80亿卢比（约合1.74亿美元）的商机。印度区域卫星导航系统所提供的导航、定位和授时服务不仅是国家的重要基础设施，而且是航空运输公司、长途货运公司、移动电话公司、电力公司、海上航运公司、信息高速公路系统、铁路、石油天然气公司、精准农业、搜索救援、渔业、科研和娱乐休闲等经济社会的重要基础设施。

该系统可以覆盖全印度及整个南亚。如果这个系统成功建立，印度的军力将大大提升。