1.5卫星导航的发展简史

1.第一颗人造卫星是怎样引出一段卫星导航的佳话的？

1957年10月4日前苏联发射了人类史上第一颗人造地球卫星SputnikI，远在美国的霍普斯金大学应用物理实验室的科学家和工程技术人员，在接收人造卫星信号时，发现频率出现偏移，研究结果是相对运动引起的多普勒频移效应，由于卫星相对于接收机的运动速度是在变化的，而且会因靠近和远离出现由正至负的变化，经此启发，该实验室的科技人员提出了卫星导航的概念，后来的子午仪导航卫星系统就是根据多普勒定位原理提出并实施的。

2.子午仪导航卫星系统有什么样的发展过程？

子午仪起源于上面所说的辉煌的发现，紧跟着是一种等量齐观的辉煌的推论。首先是发现：从位置已知的单个地面站测量到的SputnikI的信号，其多普勒频移图形足以确定卫星轨道。其后是推论：如果卫星轨道已知，则测量多普勒频移的接收机能确定其在地球上的位置。美国海军对导航系统有重大需求，以便引导新型潜艇完成极区使命，于是诞生了第一个卫星导航计划。系统名为海军导航卫星系统，人们知道得更多的是子午仪。

子午仪是Johns Hopkian大学应用物理实验室的先行性成果。他们负责整个计划，从1958年原始概念出发到1961年至1962年实验卫星发射，最终系统在1964年开始运行。当然，荣誉必须和美国海军事业领导层分享，他们支持革命性的理念，并迅速在六年间将其转变为工作系统。图1.24至图1.26显示了子午仪导航卫星及SputnikI。

子午仪系统也称导航卫星（NAVSAT），即海军导航卫星系统（NNSS），它是第一个正式工作的卫星导航系统。美国海军主要利用该系统为携带洲际导弹的潜艇提供精确的定位信息，还用于美国海军普通的导航系统，以及水文地理和大地测量。

子午仪是用4～7颗极轨卫星来实现的，卫星在近圆（1100km）极轨道上。每个卫星广播150～400MHz频率的信号，总的辐射功率为1W。每次只能见到一颗卫星，用户为了确定位置要等上百分钟才能有后续卫星通过。在一颗卫星进入视野后，接收机连续记录信号的多普勒频移并获得给出卫星位置的导航电文，每一次卫星经过观测者上空的时间持续 10～20分钟。实际上，在多普勒计数测量中，接收机通过接收机时钟产生的正弦信号复制的接收信号与额定频率求差，有效地形成拍频信号。拍频信号的周数为许多整周数加上周数零头，从而得到多普勒计数。因此，多普勒计数是直接测量到的在某个时间间隔内接收机与卫星间距离的变化。当卫星每向接收机前进一个波长，多普勒计数上升一个，反之亦然。

卫星过境的测量随后处理，计算出静止或慢运动中的用户位置。双频测量用于改正电离层传播延迟。用户速度如果已知，则应包括在定位的数学模型中。速度估算的任何误差会导致定位精度的恶化。多普勒频移曲线的形状提供了用户至卫星地面轨迹距离的度量，结合接收机时钟和卫星星历就可确定沿地面轨迹的位置。多普勒频移的轮廓线对应于卫星地面轨迹对称的两个点是不一样的，因为地球在旋转。

美国海军潜艇舰队利用子午仪更新船只位置，并重置惯性导航系统。对于静止用户，子午仪2-D定位精度约为250m，时间同步精度为50ms。在1967年开始阶段，系统限制在海事业和大地测量中的民用领域。在一个固定位置上，子午仪接收机连续数天跟踪并记录许多次卫星过境的测量，能达到5m的3-D精度。这种应用模式叫做绝对定位，或固定站测量。另外一种是相对定位：估算一个点相对于另一个点的位置。在相距几百千米的两个点上，同样跟踪多次卫星过境，所得到的3-D定位精度为1m。

作为苏联对冷战的回应，形成了实际上与子午仪一样的两个系统，一个是Paras，用于苏联海军，另一个是Tsikada，用于商船。随着GPS投入运营，1996年子午仪停止工作，在2005年Paras仍在工作，Tsikada则早已停止。

基于多普勒的系统用于海上船只很适合，因为要求定位更新不频繁，在10～20分钟卫星过境期间能连续跟踪信号。这种技术不适合要求频繁的或连续定位的飞机或移动用户。

3.GPS（全球定位系统）的提出面临哪些总体性框架问题？

子午仪成功开辟了后续天基导航系统计划。在20世纪60年代后期美国海军和空军有各自的开发计划，两者最后组合成GPS。从子午仪概念被接受的10多年后，关于空间飞行体设计，将其发射升空和在轨跟踪与维护日趋成熟。为了重新说明GPS设计者的考虑，应引入系统总体架构相关的思路，并介绍某些新的概念。

● 有源或无源系统：无源系统广播信号，用户确定其位置，只是简单地“收听”信号。有源系统与每个用户进行互动（即用户可能要求询问系统）。有源系统能控制一批固定的数量有限的并行用户；无源用户可以为数量无限的用户服务。

此外，军事用户不想通过辐射信号分发它的位置。

●定位方法：多普勒、双曲线或三角学测量法。1970年时钟技术改进到时间同步信号可以用卫星方式发射的阶段。三角学测量法是个合乎逻辑的选择。因此，GPS描述为无源测距系统。

● 脉冲与连续波（CW）信号：脉冲信号是采用时分多制方式，所以每个卫星均有独立的传输时间。但是，码分扩频信号允许在一个无线频率上同时辐射多个信号。GPS是第一个广泛应用这种信号概念的，它称为码分多址（CDMA）。

● 载频：L频段（1～2GHz）是最佳选择。GPS需要20MHz的频谱，在20世纪70年代早期L频段相对不拥挤（并非总是如此）。在较高的频段上，电离层折射引起的测距误差会减少，但空间损耗（即由于传播距离造成信号功率的衰减）和大气衰减会增加。

●卫星星座和轨道：每个用户需要在视野内有四颗或更多的卫星，以确定其位置。提供这样的全球覆盖甚为经济。轨道的选择决定设计、卫星数量和发射与维护成本。

——低地球轨道（LEO）：高度低于2000km的低轨卫星每次过境只见到10～20分钟，接收机经常会捕获新的卫星。多普勒频率变化高，由于大气拖曳效应引起的轨道摄动也高。提供全球导航覆盖要求星座有100～200颗卫星。另外，发射费用较低，卫星信号只要低功率发射。

——中地球轨道（MEO）：高度在5000～20 000km，每天轨道圈数为2～4圈，每次过境通常见到卫星若干小时，发射费用高于LEO，但组成星座的卫星数量要少（为24～36颗）。

——静地轨道（GEO）：卫星位于赤道上空36 000km轨道上，对于地球上的观测者而言，似乎是固定不动的。用数量较少的卫星即可实现全球覆盖。另外，GEO 星对高纬度覆盖能力要差，具有较高的发射费用。

面对以上考虑，GPS选择24颗卫星的中轨道星座。美国国防部在1973年批准了其总体基本结构，1978年发射了第一颗卫星。系统在1995年宣布投入正式运行。据报道，GPS开发费用约为100亿美元，每年的运行和维护费约为5亿美元。应该指出，GPS的全名为NAVSTA，the Global Positioning System（全球定位系统）。NAVSTA有时可表示为“时间和测距的导航系统”（Navigation System with Time and Ranging）的简写。有点巧合，美国国防部（DOD）不是刻意地简写为NAV-STAR（导航星）。

4.GPS的成功必须解决哪四项关键技术？

在20世纪后期，有四种关键技术可以视为引人入胜的开发，它们将古老的三角测量学概念引入了GPS，它们是：

● 轨道可预测的稳定的空间平台；

● 超稳定原子时钟；

● 扩频信号；

● 集成电路。

所谓三角学测量法，要求测量至三个位置参照点的距离（即已知位置）。在GPS中，位置参照点是卫星，卫星实际上是以4km/s左右的速度在空中运动。在任何一个瞬间的位置是可以估算的，基于提高 24～48小时的预报误差不大于米级。用户与卫星间的距离是通过测量从卫星至用户的信号传输时间得到的。传输时间会在信号上留下印记，它近乎完美地与星载原子钟同步。通过传输扩频信号，进行到达时间的精密测量是可能的，扩频信号具有宽的频带，在共用的频率上每颗卫星发射其独特的信号。最终叹为观止的微电子技术开发使接收机变得又轻巧、又简便，价格上与1980年所想象的有几个数量级的降低。

显然，为了真正测量从卫星到接收机的信号传输时间，卫星钟和接收机钟必须保持同步。幸亏这种费力的要求是可以回避的，接收机中只需要价格不贵的石英振荡器。在测量瞬时的接收机钟偏对于所有观测到的卫星的传输时间影响都是一样的。由于所观测到的传输时间并不仅仅含有空间传播的实际时间，因此对应的测量距离，无论有多短还是多长，均称为伪距。这样，除了三个位置坐标外，接收机钟偏成为待估算的第四个未知数。因此，用户在视野内至少有四颗卫星才能估算其四维位置，即空间位置的三个坐标和时间。

5.何谓GNSS（全球导航卫星系统）？

GPS是新一代导航卫星系统中第一个投入运行的。类似的系统和星基增强系统由政府、国际组织和商贸团体进行开发与部署，其通用名称为全球导航卫星系统（GNSS）。

在GPS开发的同时，苏联也在开发类似的系统，叫做GLONASS。GLONASS如同GPS一样主要是为军用设计的，其信号的一子集提供给民用，从苏联开始解体后转而由俄罗斯联邦负责GLONASS。当1996年GLONASS建成24颗原型卫星的完全星座时，民用用户群对能有两个独立的系统可供应用激动不已。不幸的是，这种情况未持续多久。这样颇具声望的系统在当时的政治和经济气候下因缺乏资源，成为在献身于GLONASS的一些骨干支撑下的空架子。在2000年至2005年期间，俄国的管理只是每年发射一次，每次安置3颗新卫星入轨。20世纪90年代中期，GPS+GLONASS组合型接收机见诸市场，用户群体和接收机生产商对GLONASS存在担忧，但在2005年，GLONASS的观测者开始表现出新的乐观情绪，因为在2008年年底恢复到18颗工作卫星，并在2010年复原到24颗全星座工作。

现在正在开发中的另一个有希望的GNSS是欧洲的Galileo系统，规划为“开放，全球系统，与GPS兼容，但又是独立于GPS”。在成员之间数年激烈讨论和认真争辩之后，欧盟（EU）终于在2003年打开了继续进行系统研发的绿灯。EU 这一行动有两个迫切的理由：第一，考虑到主权和安全的需要，欧洲必须控制其关乎安全的系统，而EU没有对GPS的控制权；第二，这一步骤有助于EU国家成为与卫星导航有关的技术和商业的表演角色。正如预料的那样，美国主要兴趣是保持其GPS的领先优势，不热衷于竞争的概念，现在美欧因Galileo萌生的争论已经烟消云散，似乎言归于好了。

Galileo最初设想为实施在民用控制下的公私联合伙伴关系，由欧洲委员会（EC）、欧空局（ESA）和产业共同出资并管理。系统的开发与部署估计费用为32亿欧元。产业对计划早期阶段承担基金的行动很缓慢，所以EC和ESA在2002年系统开发阶段之前负担了11亿欧元。部署阶段在2006年开始，当时预计系统可能在2008年投入运行，现在看来到2015年左右更为现实。

Galileo是第二代GNSS，循着GPS的发展轨迹，从20世纪70年代中期GPS设计以来的技术进步使其获益匪浅。当然，GPS也并非在守株待兔，正在推进其GPS现代化和GPSⅢ计划。Galileo和GPS均同意实现相互间的兼容和互操作。

中国也开发了叫做“北斗”的卫星导航系统，在2000年下半年发射了两颗GEO卫星，另一颗卫星是2003年5月发射，完成了系统在整个中国和邻近区域提供定位能力。北斗一号是个有源系统，与GPS、GLONASS和Galileo不一样，它的卫星与用户之间必须是双向互动的，由任务控制中心确定位置估算，并发给每个用户。其系统精度为十米量级。

日本政府与产业社团联合开发准天顶卫星系统（QZSS），它是个区域系统，从大椭圆轨道卫星向整个日本发射测距信号，并发射GPS和其他GNSS卫星的差分信号。第一颗卫星计划在2010年发射，后两颗随后发射。在12年期间，系统的开发部署和维护费用预测达1700亿日元（合15.7亿美元）。

卫星导航的概念并不仅限于地球，在最近两个高度关注的水星（Mar）计划失败后，NASA在考虑一个环绕水星的低轨卫星导航系统，提供类GPS导航信号，并与控制中心有很好的通信链路。

6.为什么利用GPS能全球全天候地实现定位与导航？

GPS卫星星座由24颗卫星近乎均匀地配置在地球的上空，这样设计的目的是为了保证在任何时间（一天24小时内）地面上任何地方都能接收到四颗及四颗以上卫星的信号，从而实现三维定位与导航。同时，由于用的是无线电导航方法，一般不受天气条件的影响，故能实现全天候工作。应该指出的是，由于卫星信号是以无线电方式又工作在L波段上，且要穿越大气层，所以会受到太阳与地磁活动，以及电离层扰动的影响，严格地说在个别条件下会难以甚至于无法实现正常的定位与导航，也就是说全天候工作会打一点点折扣。

7.为什么卫星导航系统能同时为无限多个用户提供服务？

由于导航卫星连续不断地向外广播信号，所以只要在用户设备的“无线电视野”内有足够数量的卫星，便可实现定位导航。这种无线电广播方式决定了卫星导航能同时为无限多个用户提供服务。这跟我们收听广播一样，只要有收音机，在广播覆盖的范围内，用户数量不受任何限制。

8.为什么说卫星导航接收机能成为大众化的应用产品？

卫星导航能实现大众化应用应具备三大条件：一是它所提供的位置和时间信息确实有用，为用户带来实际的好处或增益服务；二是随着技术的进步和应用的普及，其价位越来越低，性能越来越好，智能化程度越来越高，真正用得起，用得好；三是卫星导航接收机能方便地与通信等其他电子信息产品实现良好的结合，组合成为个人消费产品，进入人们的日常生活，正在市场上兴起的定位手机便是卫星导航和移动电话融合的结果。

9.真的能在全球任何地方都可以利用GPS实现定位导航吗？

确切地说，并非如此。因为其保证条件是要收到卫星信号，通常在室外，在空间开阔的地方，不受建筑物和其他物体遮挡的地方，在海、陆、空、天任何地方均可以实现定位、导航和授时。但是在目前情况下，单独应用卫星导航接收机尚不能实现室内和户外的无缝连续定位和导航。当然，随着技术的进步，以及有其他手段的配合和辅助，实现室内外全空间定位也是可能的。

10.GPS的现状如何？GPS星座中现在有多少卫星在工作？

在1995年4月27日，GPS达到了完全工作能力（FOC），即24颗在轨卫星播发空间信号，从那时起至今GPS一直保持在正常工作状态，性能不断在改善。按照美国的政策和法律，GPS的标准定位服务是供民用的，为全世界运输、科研的和平利用，不直接收取其他的费用（免费）。实际上，在某个选定时刻，工作卫星的精确数量是有变化的，这取决于卫星的老化和在轨的备份情况。目前工作卫星约有30颗左右，截止2010年3月，GPS工作卫星有31个，其中BLOCK ⅡA卫星1个，ⅡR卫星12个，ⅡR-M卫星7个，还有其他4个卫星处在待命状态。