全球卫星导航系统的发展概况

发布: 2010-10-20 00:52 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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全球卫星导航系统的发展概况（侯忠诚）
摘要：今天，卫星导航系统已经在大量应用中广泛使用，而且总的发展趋势是为实时应用
提供高精度服务。迄今为止，比较完善的卫星导航系统已经有美国GPS和俄罗斯GLOMSS系
统，它们的定位和定时精度都能满足严格的军用定位和定时要求。面对大量的卫星导航需
求，欧洲计划推出自己的卫星导航系统Galileo。本文对现有的CPS和GLONASS系统进行了
描述和比较，并对Galileo系统的计划方案进行了简要说明。
主题词：全球定位系统  卫星通信  导航
    导航与定位对于许多活动都非常重要。但是，以往的很多导航与定位技术都存在着不
同程度的缺陷。Landmarks仅限于本地使用，还要受到运动与环境因素的影响；Dead Rec
koning的技术非常复杂，其精度依赖于比较原始的测量工具；Celestial技术也很复杂，
且仅适合夜晚和天气良好的情况使用，测量精度也有限；OMEGA基于较少的无线定向信标，
不但精度有限而且易受无线电干扰；LORAN覆盖范围有限（主要为海岸），精度受地理状
况的影响，易于受干扰；SatNav基于低颇多普勒测量，易受接收机移动的影响，卫星数量
少，数据更新不及时。美国的全球导航卫星定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS的发展开
拓了精密定位的新纪元，成为现代导航应用的主导技术。Galileo欧洲卫星导航系统的开
发将为民用用户的定位和定时服务提供了又一选择。
          GPS系统
    1.GPS系统的开发背景
    20世纪70年代，随着美苏军备竞赛的升级，美国的军事领域迫切需要能够在世界范围
精确定位的系统。美国国防部不惜斥资120亿美元研制军用定位系统。1978年，美国成功
发射了第一颗用于GPS系统的卫星，此后GPS逐渐发展成为目前广泛使用的系统。
    2.GPS系统概述
    GPS系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三部分组成。
   （1）空间部分
    GPS系统的空间部分由空间GPS卫星星座组成。GPS卫星星座原计划是将24颗卫星均匀
分布在6个不同的轨道平面上，而发展到今天，在轨道上运行的卫星数量已经达到27颗。
每个轨道平面与赤道平面的倾角大约55度。在地球上任何地点任何时刻都能观测到5－8颗
卫星。每颗卫星都利用两个L载频传送信号，即L1（1575.42MHz）和L2（1227.26 MHz）。
每颗卫星都在完全相同的频率上传送信号，但每颗卫星的信号在到达用户之前都经过了多
普勒颇移。L1承载精密（P）码和粗／捕获（C／A）码，L2仅承载P码。导航的数据报文叠
加在这些码上，两个载频上承载着相同的导航数据报文。P码通常是加密的，只有C／A码
可供民用。
    （2）控制部分
    控制部分包括地球上所有监测与控制卫星的设施。美国的GPS运行控制系统（OCS）包
括监测站、主控站（MCS）以及上行线路天线。主控站设在美国Colorado州的Falcon空军
基地，一天24小时从监测站接收数据，用以确定卫星是否有时钟或者年历变化以及检测设
备功能是否正常。主控站根据监测信号的计算结果，每天向卫星发送1、2次新的导航与位
置推算历信息。监测站设在Colorado Springs、夏威夷、Ascencion Island、Diego Garc
ia和Kwaialein。无源监测站实质上是用以跟踪可视卫星的GPS接收机，可汇集卫星信号的
测距数据。监测站测量来自卫星的信号，并注入每颗卫星的轨道模型。卫星轨道模型可用
以计算精密的轨道数据以及卫星时钟的修正。主控站向卫星传送天文历和时钟数据。然后，
卫星通过无线电信号将轨道的无文历数据子集发送到GPS接收机。
    （3）用户部分
    GPS用户部分包括GPS接收机和用户团体。GPS接收机的体积很小，仅使用几个集成电
路，所以造价也较低，这是它能够广泛应用的基础。GPS系统可提供GPS接收机能够处理的
特殊编码卫星信号，用以计算位置、速度和时间。要想求得一点至卫星的距离，需要测量
无线电信号从卫星到该点的传播时间。假定卫星和接收机可同时生成相同的伪随机码，接
收机本机代码与接收到卫星她随机代码的时间差即是信号的传播时间，该时间乘以光速就
是该点至卫星的距离。根据三角测量法，计算位置（X、Y、Z）和时间需要利用4颗卫星。
三维导航是GPS的基本功能。GPS接收机可提供导航、定位、定时和测量等功能。现在已有
适用于飞机、轮船、地面交通工具和个人手提的导航接收机。
    2．GPS定位服务
    联邦无线电导航计划中规定的GPS定位服务包括精密定位服务（PPS）和标准定位服务
（SPS）。
    （1）PPS
    授权的精密定位系统用户需要密码设备和特殊的接收机，包括美国军队、某些政府机
构以及批准的民用用户。PPS的预测精度水平为22米，垂直为27米，时间精度为100纳秒。
    （2）SPS
    对于普通民用用户，美国政府对于定位精度实施控制，仅提供SPS服务。SPS服务可供
全世界用户免费、无限制地使用，现有的多数接收机都能够接收和使用SPS信号。美国国
防部通过所谓的选择可用性（SA）方法有意将SPS的精度降低。SPS可预测的精度为水平
100米，垂直156米。时间精度为340纳秒。
    3．GPS设备成本
    GPS接收机的价格差异很大，一般取决于接收机的功能。小型民用SPS接收机的价格不
足200美元。具有文件存储与后处理能力的接收机造价较高（2000－5000美元）。DGPS标
准接收机与载波相位跟踪接收机的造价可高达数千至数万美元（5000－40000美元）。军
用PPS接收机包含军队专用的加密模块，设备精度可达3米，价格更昂贵。
    GLONASS系统
    1．GLONASS系统概述
    1982年，俄罗斯卫星导航系统GLONASS的第一颗卫星升空，从此开始应用于测量与导
航领域。GLONASS的定位引起了人们的关注，因为它不实施所谓的SA，因而对于民用来说，
可获得较高的定位精度。GLONASS的另一个优势是卫星轨道倾斜度较高，可适用于较高纬
度的地区。GLDNASS卫星星座原计划发射24颗卫星，1998年12月30发射3颗新的GLONASS卫
星之后卫星轨道上的数量达到了17颗。目前，在这17颗卫星中，有3颗暂时不能提供服务。
    2．GLONASS定位技术
    GLONASS的定位技术与GPS相同，即以精确的定时和卫星量程计算为基准来进行。所
需的精确定时由每颗卫星上的多个原子钟来提供。每个卫星使用两个频率（频段）来传
送。民用代码（仅在较低频率上）和军用代码均调制在这些频率上。此外，每颗卫星都
广播有关每个时刻卫星所处位置的信息。这一点非常必要，否则只知道接收机与未知点
之间的距离，而得不到有关自己位置的信息。
    GLONASS卫星发送两个伪随机噪声代码：一个代码是民用码SPS（标准定位服务，相
当于GPS中的C／A），其码率为511kbit／S；另一个代码是机密的军用码PPS（精密定位
服务，相当于GPS的P），其码率为5.11Mbit/s。码率数值超高，定位精度也越高。GLON
ASS接收机的工作原理与GPS接收机大致相当。接收机生成一份代码（此为已知），并与
从卫星接收的代码比较，得出内部代码的时间差代表卫星信号的传播时间。测量的时间
乘以光速即可求得至卫星的距离。以同样的方法测量至三颗卫星的距离可得出三维位置，
另外还需要通过测量至第四颗卫星的距离来解决接收机中的时钟问题。
    3．GPS与GLONASS系统比较
    GPS和GLONASS系统有很多相似之处，但很明显GLONASS努力采用较少的卫星数量。
对于较高的纬度，GIDNASS由于具有较高的轨道倾角而更受青睐。另外，GLDNASS的码率
大约为GPS的一半，若GPS的精度不受SA的约束，GLONASS则不会有定位精度的优势。
    Galileo系统
    1.Galileo系统的提出
    当前，各种用户需要不同精度的卫星导航、定时等服务：道路交通运输（车队管理、
路边援助与维修等）、水运（港口、雾天海上救援等）、铁路运输（列车管理）等等。
目前，道路交通运输是定位应用最多的用户。卫星导航系统可用于出租汽车的定位，根
据用户的需求调度距离最近的车辆去接用户。越来越多的汽车制造商将卫星导航设备安
装在车辆中。司机可根据当时的交通状况选择最佳行车路线，获悉到达选择的目的地所
需的时间，在发生交通事故或出现故障时系统自动向应急服务机构发送车辆位置的信息，
因而可获得急速救援。当前卫星导航市场的增长非常迅猛，GPS和GLONASS系统发挥的作
用也越来越大。
    面对这种迅猛的市场增长态势，欧洲的公司再也不能无动于衷了。另外，使用他人
的卫星定位系统不可能永远有服务保证，对于目前的免费服务不能天真地认为是理所当
然。从安全性和独立性的角度来考虑，应建立自己的可保持完整性、提供服务连续可用
性和高精度的导航系统。出于经济、战略和政治等方面的考虑，欧洲不愿继续依赖基于
GPS和GIDNASS的第一代系统，开始着手研究第二代欧洲全球导航卫星系统（GNSS2）。
1999年6月召开的欧洲交通运输部长会议通过了拨款3700万欧元完成被称为Galileo的新
一代卫星导航系统。该系统计划于2008年投入运营，将向民用用户提供定位和定时服务，
届时欧洲将可摆脱对GPS和GLONASS的依赖。
    2.Galileo系统的选择与挑战
    如何开发Galileo系统最终将在2000年下半年的欧洲交通运输部长会议上作出决定。
1999年9月，提出了定义阶段的两项招标任务：
    ·定义全球体系结构（服务水平、信号类型、与GPS／GLONASS的兼容性、覆盖区域、
完整性和安全性水平）
    ·空间基础设施的特点。
    3.Galileo系统的性能
    Galileo系统提供3种等级的性能：
    ·全球（提供世界范围的覆盖）；
    ·地区（提供欧洲范围的覆盖）；
    ·局域（提供机场或城区的覆盖）。
    4.Gaiaieo系统的业务类型
    系统还定义了3种类型的业务：
    ·开放接入业务（OAS）：向所有民用用户开放的免费业务。
    ·一类控制接入业务（CAS1）：为商业应用提供的并实施控制接入的有偿服务。
    ·二类控制接入业务（CAS 2）：为安全和军事应用提供的并实施控制接入的有偿服
务。所有这三类服务的精度都优于10米。  CAS 2可实现水平4米、垂直16米的精度。
    5．Galileo系统的体系结构
    Galileo系统的星座可由9颗静止卫星与21颗中轨道（MEO）卫星或者完全由30颗MEO
卫星组成。卫星重量在600公斤左右，功耗为1.7kw系统传递的信号强度（－155dBW／m2）
优于GPS（-158dBW／m2），提高了抗干扰性。在建议的体系结构中，主要的挑战在于定
时问题，即时间同步。Galileo将使用地面上的铯原子钟，而GPS的这些时钟是安装在卫
星上的。卫星上将配备柳钟，可以提供纳秒级的定时精度。轨道的计算在地面上进行。
    6.Galileo系统与GPS和GLONASS的兼容性
    射频兼容性对于实现三个系统的互操作至关重要：系统不能相互干扰或降低接收机
的性能。因此，有必要协调频率和发射功率电平。在计划于2000年5月召开的世界无线
电通信大会（WRC 2000）上，将讨论 Galileo系统下行和上行锻路的频段分配问题。Ga
lileo需要与其他系统处于相同的频段，以便与现有系统实现最大兼容。WRC的议程包括
重新分配1－6GHZ频段的问题。美国很可能使用新的频段 L5（1164一1188 MHz）。Gal
ileo在频段的使用方面需要根据国际合作的形势考虑向GPS或GLONASS靠拢。