2.2　卫星定位技术

全球定位技术或者室外定位技术主要包括美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯全球导航卫星系统（GLONASS）、欧洲伽利略卫星定位系统（GALILEO）、日本区域导航卫星系统和中国自主研发的北斗卫星定位导航系统。

2.2.1　美国GPS

1. GPS发展历程

GPS是美国历时20年，耗资200亿美元，于1994年建成的定位导航体系。由24颗位于高空的卫星提供准确、实时的定位信息。每颗卫星以55°等角均匀地散布在6个轨道面上，并以11小时58分的周期绕地球运转。可保证在地球上任何位置都至少有5颗卫星提供信号，而每一颗卫星上都载有地理位置实时信号。

GPS实施计划共分以下三个阶段。

第一阶段为方案论证和初步设计阶段（1973—1979年）。该阶段共发射了4颗试验卫星并研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段（1979—1984年）。该阶段又陆续发射了7颗试验卫星并研制了多种用途各异的接收机设备。

第三阶段为实用组网阶段。1989年2月第一颗GPS工作卫星发射成功，标志着GPS进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成。

2. GPS基本原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

GPS系统由空间部分、地基监控站部分和用户设备三部分组成。如图2.5所示。

1）空间部分

GPS空间部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。卫星分布在互成60°的6个轨道平面上，轨道平面相对地球赤道面的倾角为55°。这样的卫星配置基本保证在地球任何位置均能同时观测到4颗卫星。

2）地基监控站部分

地基监控站由1个主控站和4个监控站组成。主控站设置在美国大陆，4个监控站分别设在大西洋、太平洋和印度洋诸岛屿上。

3）用户部分

用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备组成，而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。

3. GPS特点及应用

GPS具有很多优点。

（1）可全天候工作。能为用户提供全球的、连续的、实时的三维位置、三维速度和精密时间，不受天气的影响。

（2）定位精度高。单机定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。

（3）功能多，应用广。随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量、导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。

如今的GPS客户端定位准确度越来越高，也越来越普及，已经扩展到一些高端手机、笔记本计算机等电子产品中。通过具有GPS定位功能的手机，用户可以进行路线导航、定位等。同时，GPS在军事领域的应用同样不可忽视。由于美军使用的是GPS军用精码标准，其水平坐标的精度达3～5m，垂直坐标的精度为5m，时间精度为1μs，这些都保证美军的攻击行动能够八九不离十。

2.2.2　俄罗斯GLONASS

1. GLONASS发展历程

格洛纳斯全球导航卫星系统（Global Navigatsion Satelliate System，GLONASS）作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统和中国的北斗卫星导航系统，使用24颗卫星实现全球定位服务，可提供高精度的三维空间和速度信息，也提供授时服务。

GLONASS实施计划共分以下三个阶段。

第一阶段为星座实验时期（1983—1985年）。该阶段为进行系统概念实验，共发射了4～6颗试验卫星。

第二阶段为实验验证阶段（1986—1993年）。完成飞行实验验证，初始系统运行。轨道上有12颗卫星，并展开了广泛的系统实验。当时，俄罗斯进一步认为GLONASS是俄罗斯武器装备的组成部分，也是俄罗斯无线电导航规划的基础。

第三阶段为实用组网阶段（1993—1995年）。完成了24颗星的星座系统，系统投入运行，与此同时，俄罗斯宣布GLONASS具备了完全工作能力。

2. GLONASS基本原理

GLONASS采用距离交会的定位原理。GLONASS卫星在任一时刻的位置可以通过卫星星历计算出来，理论上，只要知道用户到3颗卫星的距离，便可计算出用户的位置，但这要求卫星与用户以及卫星之间的时间同步精度极高，目前还不能完全满足，只好引入一个时间参数。由于多了一个未知量，因此，实际定位时要至少接收4颗卫星的信号。GLONASS卫星同时发射粗码（C/A码）和精码（P码），C/A码用于向民间提供标准定位，而P码用于俄罗斯军方高精度定位和科学研究。

GLONASS由空间部分、地面控制部分和用户设备三部分组成。

1）空间部分

GLONASS系统空间部分采用中高轨道的24颗卫星星座，有21颗工作星和3颗备份星，均匀分布在3个圆形轨道平面上，每轨道面有8颗，轨道高度H=19000km，运行周期T=11.25h，倾角i=64.8°。

2）地面控制部分

GLONASS星座运行通过地面基站控制体系（GCS）完成，该体系包括一个系统控制中心（Golitsyno-2，莫斯科地区）和几个分布于俄罗斯大部分地区的指挥跟踪台站（CTS）。这些台站主要用来跟踪GLONASS卫星，接收卫星信号和遥测数据。然后由GCS处理这些信息以确定卫星时钟和轨道姿态，并及时更新每个卫星的导航信息，这些更新信息再通过跟踪台站CTS传到各个卫星。

3）用户设备

俄罗斯已研制了两代用户设备（UE）。第一代接收机只能用GLONASS来工作，与西方的同类GPS接收机相比，它偏大和偏重，有三种基本设计，即1通道、2通道和4通道接收机。第二代接收机是5通道、6通道和12通道设计，采用了大规模集成电路和数字处理技术，而且民用接收机可用GPS和GLONASS两种系统来工作。

3. GLONASS的特点及应用

GLONASS与GPS有以下几种不同。

（1）卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。而GLONASS采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。由于卫星发射的载波频率不同，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因此，具有更强的抗干扰能力。

（2）坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用苏联地心坐标系（PE-90）。

（3）时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。

GLONASS用户设备（即接收机）能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS提供军用和民用两种服务。GLONASS绝对定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。目前，GLONASS的主要用途是导航定位，当然与GPS一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频等领域。

2.2.3　欧洲GALILEO定位系统

1. GALILEO发展历程

伽利略定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，被称为“欧洲版GPS”，是继美国GPS及俄罗斯GLONASS后，第三个可供民用的全球定位系统。

1996年7月23日，欧洲议会和欧盟交通部长会议首次提出了建立欧洲自主的定位和导航系统的问题。

1999年2月10日，欧洲委员会在其名为《伽利略（Galileo）——欧洲参与新一代卫星导航服务》的报告中首次提出了“伽利略计划”。

2002年3月欧盟及欧洲航天局接受了计划的注资，并在2003年5月26日作总结报告，截至2005年年底，其资金为11亿欧元。该系统原计划使用30颗人造卫星，于2006年至2010年间陆续发射升空，系统的总耗资将达30亿欧元。

2004年6月，欧盟通过系统使用频率的标准，将采用美国的“二进位偏置载频1.1”标准，使欧美双方军力均可互相拦截对方系统的信号，从而无须把整组系统关掉。

2005年12月28日，格林尼治时间清晨5点19分，GALILEO系统的首颗实验卫星“GIOVE-A”由俄罗斯“联盟-FG”火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射升空。2010年1月7日，欧盟委员会称，欧盟的GALILEO卫星导航系统从2014年起投入运营。由于因各成员国存在分歧，计划几经推迟。

2. GALILEO系统组成及原理

GALILEO系统计划将由30颗中高度圆轨道卫星和2个地面控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星位于3个倾角为56°的轨道平面内，高度为24126km，除30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。系统的构成从空间段、地面段和用户端的角度进行划分。

空间段即指卫星星座；地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构；用户端主要就是用户接收机及其同类设备，伽利略系统可以与GPS、GLONASS的导航信号兼容，一起组成复合型卫星导航系统。

3. GALILEO特点及应用

GALILEO计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能。

GALILEO系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或各系统数据的组合来实现定位导航的要求。

GALILEO系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时GALILEO系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒内通知客户。与美国的GPS相比，GALILEO系统更先进，也更可靠。美国GPS向别国提供的卫星信号，只能发现地面大约10m长的物体，而GALILEO系统的卫星则能发现1m长的目标。一位军事专家形象地比喻说，GPS只能找到街道，而GALILEO系统则能找到家门。GALILEO系统不仅可提供基本的导航、定位、授时等服务，而且可辅助搜索与救援工作，甚至可在飞机着陆系统和导航、海上运输系统、铁路安全运行调度、精准农业、陆地车队运输调度等场合中进行应用。

2.2.4　中国北斗卫星导航系统

1. 北斗卫星导航系统发展历程

20世纪后期，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年如期建成北斗全球系统，向全球提供服务。

2. 北斗卫星导航系统组成及原理

北斗卫星导航系统在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频段，上行为L频段（频率1610～1626.5MHz），下行为S频段（频率2483.5～2500MHz）；登记的卫星位置为赤道面东经80°、140°和110.5°（最后一个为备份星星位）。

北斗系统由2颗经度上相距60°的地球静止卫星（GEO）对用户双向测距，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是：以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。

3. 北斗导航系统特点及应用

中国首先利用很少的工程投资实现了RDSS系统这项卫星导航定位创新工程。它将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起，系统自身包含广域差分标校以提高定位精度。当用户提出申请或按预定间隔时间进行定位时，不仅用户知道自己的测定位置，而且其调度指挥或其他有关单位也可得知用户所在位置。系统建成后，可提供北斗精密星历和卫星钟差、参考站精密坐标和速度、地球定向参数、电离层等产品成果，用于地心坐标框架维持及更新、地震监测、地球与地球动力、气象等研究；可提供原始观测数据，实现实时或事后高精度定位，用于控制测量、勘测、地理信息采集、导弹快速机动、武器试验等高精度领域；提供导航卫星运行状态信息，满足高动态、生命安全等高可靠性需求。

伴随北斗终端在小型化、低成本方面取得的进展，北斗导航兼具定位、通信的功能优势，近几年在国民经济应用中逐步开始显现，北斗用户数量开始呈现快速增长的势头，每年以近50%速度增长，目前已经超过7万个，在渔业、水利、危化品运输、安全生产、气象监测等领域得到了较快推广应用。

它的研制成功解决了中国自主卫星导航定位系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初级起步系统。此外，该系统的建设并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反，在该系统的基础上，还将建立中国的GPS广域差分系统，可使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米量级修正至数米级，可以更好地促进GPS在民间的利用。目前，卫星运行一直正常，系统调试与试运行表明该导航定位系统在国内及周边服务区的定位精度是很好的，双向数据很正常，满足系统预定要求。北斗导航系统尤其适合于同时需要导航与移动数据通信的场所，如交通运输、调度指挥、有关地理信息系统的实时查询等。

北斗导航系统需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，从而使系统用户容量、导航定位维数、隐蔽性等方面受到限制，在体制上不能与国际上的GPS、GLONASS及将来的GALILEO兼容。因此，中国在第一代导航卫星系统成就的基础上成功发展了第二代导航卫星系统，以满足今后国家对卫星导航应用和长远经济发展的需求。