导航定位卫星
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中文名: 导航定位卫星 外文名: transit satellite 卫星作用: 提供的精确位置、速度和时间信息 美国研制: 全球定位系统(GPS) 俄罗斯: 全球导航卫星系统(GLONASS) 欧洲研制: 伽利略( GALILEO) 中国研制: “北斗”卫星导航定位系统 |
从20世纪60年代初，美国建成“海军导航卫星系统”(即“子午仪”系统)并交付部队使用以来，卫星导航定位系统的发展一直受到世界各大国的重视。美国的“全球定位系统”(GPS)、俄罗斯的“全球导航卫星系统”(GLONASS)及欧洲正在发展的“伽利略”( GALILEO)卫星导航定位系统是世界上主要的卫星导航定位系统。
2003年5月25日，我国使用“长征-3A”火箭成功发射了第3颗“北斗”导航定位卫星。这颗“北斗”卫星是“北斗”卫星导航定位系统的备份星，与前2颗“北斗”卫星组成了完整的卫星导航定位系统，可确保全天时、全天候提供区域导航信息。此举标志着我国已步 人世界卫星导航强国的行列，拥有了自己独立的卫星导航定位系统。[1]
目录
定义
人类在探索自然的过程中，不断寻求和开发新的导航技术。最初是天文导航，后来出现了惯性导航、无线电信标、测距仪、罗兰C等方法 。直到20世纪50年代航天技术的出现，才开始利用人造卫星进行导航。20世纪60年代美国子午仪卫星(TRANSIT)问世，开创了人类导航技 术的新纪元。70年代初开始的全球导航卫星系统(如GPS， GLONASS)采用无线电测距技术和其他先进的通信编码技术，提高了卫星导航系 统的精度和无线电信号抗干扰性。以GPS为代表的全球导航卫星系统为空间大地精密测量、航天(特别是航天器定轨和导航)、全球精密时 间传递和比对等提供了全新的技术手段。这是人类导航技术的一场划时代革命。2003年5月25日，我国使用“长征-3A”火箭成功发射了第3颗“北斗”导航定位卫星。
由导航定位卫星系统所提供的精确位置、速度和时间信息(简称PV T信息)，对现代战争的成败是至关重要的。它在战前的部队调动与部署中，在战时的指挥控制、机动与联合作战中，在全空间防卫以及综合后勤支持中都发挥着重要的作用。
美国
GPS是应用效率和经济效益最高的一种航天技术成果。它是美国陆海空三军联合研制的第二代军用卫星导航系统，设有一个专门负责实施GPS计划和管理的联合办公室。GPS系统的目的，主要是为美国及其盟国的陆海空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。试验表明，不仅GPS系统能够达到上述目的，而且用GPS卫星发送的导航定位信号(简称为GPS信号)能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态定位，米级甚至亚米级精度的动态定位，亚米级甚至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度 的时间测量。
GPS卫星是1977年6月开始发射的。1978年一1985年间，发射了GPS - 1卫星，1989年2月开始发射GPS一2卫星，GPS - 2卫星订货28颗。后 来又采购了20颗GPS一2R，并于1997年开始发射标准的UPS星座。该星座由21颗卫星加上3颗轨道热备份星组成，这3颗备份卫星，或处于检查试验状态，或处于待开机状态。军事部门于1995年1月提出了招标研制后续系列卫星的计划，即GPS一2F。
GPS的24颗卫星分布在轨道高度为20200km的六个轨道面上，卫星运行周期为11小时58分。信号采用码分多址。卫星靠伪随机码区分。粗码易捕获，定位精度30m。对非授权用户施加有人为干扰(SA)技术，精度下降为100m。精码另行加保密(AS)技术，精度高，且可用双频接收 机测量解算并消除电离层传播误差(约几米)，定位精度达1m。粗码帮助精码捕获，使捕获时间缩短为2s。民用和军用用户比为3：1。到2000年估计可达8：1。在轨的每颗GPS卫星都不断地向地面或空中用户发射一对L波段的伪码扩频信号。载波分别为Ll ：1575. 42MHz， L2 ：1227. 60MHz。它们载有导航信号和导航电文。导航信号分为C/A码和P码两种。C/A码的码速率为1. 023Mbps，每毫秒重复一次，用来快速捕获导航信号，故称捕获码。利用C/A码的实时单点定位精度在100m左右。P码又称精确码，P码的码速率为10. 23Mbps，码长7天，P码 结构复杂不易捕获，但实时单点定位精度可优于lOm。导航电文信号同时以SObps的速率加在P码和C/A码上。电文内容包括GPS卫星星历， 时钟修正及大气传播修正数据，每帧电文播发30秒，共1500bit。有了电文信息，接收机便可通过观测GPS卫星接收导航信息，实现定位。美国在70年代末设计GPS信号格式时，L1携带有两个导航信号：一个是容易被捕获的C/A码和一个高精度的P码，当时认为P码比较安全，不能被敌方破获。但随着计算机微处理器能力的提高，L1P码不再绝对安全，便开发了加密的Y码，加在L2上发射。然而，GPS接收机要捕获Y码，首先必须捕获L1P码。如果美国决定干扰L1信号不让敌军使用，便使自己也无法获得Y码。这促使国防部不得已研究另一种方法，直接获取Y码，或在下一代GPS星(GPS2F)上增加第三个频率，供军事部门使用。第三代GFS卫星由波音公司设计制造(第一代也是由该公司设计 的)。GPS联合计划办公室已要求该公司就增加第二个民用GPS信道提出建议。同时国防部正在深人研究GPS用于军事目的的安全性。具体情况还不得而知，但据猜测现有L2频率将用来传播第二个GPS民用信号，加密的Y码信号将移至同一频段内的另一频率上。加密过程称为“反欺骗”，这样可防止敌方利用伪信号来干扰GPS。
1996年3月29日美国公布了一项总统批准的关于对美国全球定位系统(GPS )和美国政府的相关扩展系统的未来管理和使用的综合政策。其 有关要点如下：
1)制定该项政策目标是在满足保护美国国家安全和对外政策利益的前提下，寻求更多民用用户的支持和提高GPS系统经济竞争能力和利用 效率；
2)确保向一般用户继续免费提供标准定位服务(SPS)，不直接收取用户使用费用；
3)承诺在10年内停止使用GPS选择可用性(SA)干扰措施，但其前提是要使美国国家军事力量有足够的时间和资源完全准备好在没有SA的情 况下完成作战任务；
4)倡导以GPS和美国政府扩展系统作为国际使用的标准；
5)国防部制订防止敌方使用GPS及其扩展系统的措施，以确保美国保持军事优势，保证在非战争状态下，不会不适当地中断GPS信号或降低民用GPS使用精度；
GPS原为军民两用技术，今后的趋向、是军民分离。C/A码专作民用，更大规模地与GLONASS争夺和控制全球市场，以取得最大的经济效益 ；军方对其国内和国际民航组织的广域差分系统力求加以干预和控制，以防止潜在的敌方军用。其军用系统P/Y码将进一步保密和提高抗 干扰性能，开发提高不依赖C/A码独立快速捕获P/Y码的能力。军事上必要时可局部、暂时关闭，干扰民用GPS系统。
同时美国现正在论证下一代导航卫星系统中增加覆盖静止轨道的后向天线和星间通信链路的设想。
1998年3月，美国政府副总统戈尔正式宣告，将在下一代GPS卫星BLOCK IIF的L2频率上加载C/A码的伪距信号。估计到2007年，将有1/2一2/3的GPS卫星带有L2频率上加载C/A码的伪距信号。这样普通民用GPS接收机在伪距定位时，不仅能够大大削弱电离层影响，而且其伪距的 等效距离精度也将得到很大提高。这些措施将对实时定位和导航精度有较大的改善。
近期国外有文献报道，为进一步提高民用精度，美国政府将开发第三民用频率，例如为满足广域(差分)增强GPS定位，相应的一些差分信 号也可以直接加载到GPS卫星射频上去。
在天空中运行的GPS卫星都是n型卫星中的第一代，即B和IIA型卫星。从1997年开始，发射了n型的第二代卫星中的第一颗IIR型卫星。IIR 型卫星较n和BA型卫星的优点是：它备有新的铆原子钟，其频率稳定度要高一个数量级；用户所能收到的信号的功率增益加大；并能够通 过星上UHF天线发送和接收其他GPS卫星的导航数据，以形成GPS卫星间互相定位的能力，进一步提高了系统定位精度。
美国正在开发n型GPS卫星的第三代，即IIF型卫星。IIF型卫星总共计划建造33颗，第一颗IIF卫星将于2002年3月发射。IIF型卫星最主要 的性能改善是增加了卫星的有效负载，增大了太阳能电池板，因而能够支持引进更多的功能和完成更多的任务(4)0
近几年，美国政府对GPS监控系统作了一系列的改进，其名称为“精度改进倡议”计划(AII)。比如增加跟踪站个数，改善WGS一84的常数 以力求与ITRF保持一致，改善了卫星广播星历的精度及更换了卫星运行中心系统的设备，提高监控接收信息系统的处理能力等等。
在GPS接收机的改进方面，GPS接收机应用模块化(GRAM)的新概念，即未来的GPS接收机必须按照这个统一的标准生产能适应多种用途的基 础集成片。GRAM提倡制成一种通用的GPS标准件，把GPS接收机的生产从整机时代，带人到插件时代；把接收机设计从非标准的专用技术型设计阶段带人到非专用技术型的标准化设计阶段。这是一次GPS接收机生产方式的飞跃。美国政府和GPS工业界主要厂家一起，从1995年开始研究制造GRAM，作为新一代GPS接收机研制开发的规范。这些标准的执行和其中包含的信息将使任何人都能设计和制造UPS接收机应用模块，任何人都能组装、集成和试验新的GPS接收机。美国政府保证，除了军用接收机中抗SA和AS模块(SAASM)外，其余GPS接收机技术将是 完全公开化；除上述SAASM模块外，军用和民用的接收机都是通用的。
抗干扰技术已成为接收机研究中必不可少的关键技术。GPS接收机往往要在恶劣的工程环境中，如高电压、强电流、剧烈震动环境和高电 磁干扰环境中正常工作，这都要求GPS接收机必须具有良好的抗干扰的能力。GRAM定义了抗干扰滤波模块的基本功能，规范了相应的硬软 件技术标准等。
俄罗斯
GLONASS的24颗卫星分布在轨道高度为19100km的三个轨道面上，卫星运行周期为11小时15分。卫星信号采用频分多址，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。粗码易捕获，定位精度3Um，没有施加人为干扰(SA)技术。前苏联在全面总结CICADA第一代卫星导航系 统优劣的基础上，认真地吸收了美国GPS系统的成功经验，自1982年10月开始研制第二代导航卫星，以便建成自己的第二代卫星导航系统 —GLONASS全球导航卫星系统。
GLONASS系统从1989年开始发射第一颗卫星，在1991年完成了系统24颗工作星的完整配置。该星座及信号特性在诸多方面都与UPS相似，当然也有一些不同。从用户角度来讲，GLONASS与GPS主要有两个方面的不同。一是导航信息，GPS发送用于电离层延迟模型的确定参数值， 可粗略地将电离层延迟误差降低一半，GLONASS系统无此项技术。这一误差在伪距测量时可能很大，但典型值为几米。不过，当组合使用 时可用GPS的模型来修正GLONASS测量。二是GPS故意将其信号精度降低，这一特征就是众所周知的选择可用性(SA)政策。然而SA的存在并 不意味着精度的降低是连续的或为一个常值。信号精度的降低可能被设置成几个等级。根据1990年夏测量的结果得出：正常的SA等级引人的伪距误差符合GPS对民间用户精度规范，即水平为100 m(二维均方根)，垂直为156m。而GLONASS系统不进行人为降低精度[CS - 6)。但 是，由于俄罗斯经济形势持续恶化，作为世界上两大全球卫星导航系统之一的GLONASS系统，正处于濒临瓦解的危险之中，只有迅速注人 资金方能使其继续保持生存。由于缺乏发射补网卫星的资金，GLONASS星座已减少至15颗工作卫星。
GLONASS卫星设计寿命均为3年。在1997年7月，为进行系统修改，所有GLONASS卫星都停止工作一天，自此后，卫星的性能就越来越不稳定。即使按最乐观的估计，GLONASS星座也可能会在2001年瓦解。因此，俄罗斯人需要立刻进行3一4次发射，每次把3颗卫星送人轨。
出于经济原因，俄罗斯愿意与欧洲人谈判共同享有GLONASS系统的问题，包括联合研制和联合管理卫星的问题。作为回报，俄罗斯希望得到有助于维持GLONASS系统的经费支持。
同美国的GPS系统一样，GLONASS系统一直是由俄罗斯国防当局经营并为国防部门服务的，它受俄罗斯军方的严格控制。但出于经济方面的考虑，一年多来，俄罗斯航天系统官员们(特别是GLONASS系统制造厂的官员)一直在讨论如何使GLONASS系统同欧洲计划中的卫星导航系统进行协调。
欧洲
作为有较强独立意识的欧盟，近年来制定了一项新战略，正奋力争取摆脱对美国GPS的依赖。据说，这项战略兼顾了军、民两用目的。由 于美国已明确表示拒绝民间组织利用GPS的全部功能，同时又反对与任何国家或组织联合开发相似的民用卫星，因此欧盟将转向俄罗斯寻 求合作或自行研制开发。然而，美国却对欧盟的财政表示怀疑，因为那将是耗资巨大的项目。欧盟估计仅民用GPS的卫星网络部分就需40 亿欧元(约42.8亿美元)，而这还未包括用于接收信号的地面站的费用。欧洲将集中发展民用全球导航卫星系统(GLASS— globalnavigation satellite system)计划，首先用少量卫星去增强GPS，考虑利用INMARSAT一3转发器作为临时的解决办法。
有迹象表萌，目。欧洲此项雄心勃勃的计划将分两步实施：第一步是建立一个与美国GPS、俄罗斯的GLONASS系统、以及各种区域增强系统 均能相容的第一代全球导航卫星系统(GLASS一1)；第二步是建立一个完全独立于GPS和GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统(GLASS一2)。
（1） GLASS一1
GLASS一1是欧盟委员会、欧洲空间局和设在布鲁塞尔的欧洲民航管理局三家合作的计划。GNSS - 1系统的目的是要把美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统的信号与以下三种区域性卫星增强网络的重叠信号综合在一起，以便为商业飞机提供精确的定位数据。这三种区域卫星增 强网络是：
①欧洲地球静止卫星导航增强系统(Egnos)o Egnos系统将使地基的区域增强系统与3颗地球静止轨道卫星相结合。这3颗卫星是：2颗Inmarsat一3卫星，它们已部署在大西洋和印度洋上空；；1颗Artemis试验通信卫星，它将于2000年初发射。
②美国联邦航空管理局(FAA)的广域增强系统(WAAS— Wide Area Augmentation System )。这是一个由24个地面基准站组成的网络，地面站与GPS卫星接口，网络由民用机构管理。
③日本的多功能传输卫星(MTSAT Multifunctional Transport Satellites)增强系统。
GNSS - 1系统需要在整个欧洲建立约30座地面站和4个主控制中心，预计，系统将在2002年部署完毕，2004年完成运营试验。
GNSS一1具有三种功能的服务：a.测距服务(把GEO作为附加的导航星)；b.完善性广播(向用户广播完善性电文)；。差分修正服务(向用户广播差分修正数据)。GNSS一1计划在1999年实现初始运行能力(IOC)， 2002年实现全运行能力(FOC)。计划中的GEO卫星首先利用INMARSAT - 3卫星，1996年4月3日发射的首颗 INMARSAT - 3卫星上已载有这种转发器。
( 2 ) CNSS一2
欧洲的长远目标是部署一个全新的、独立于GPS和Glonass系统的全球导航卫星系统GNSS - 2，它将完全由民用机构负责管理。建立此系统有三种途径可供选择：与美国合作；或与俄罗斯合作；或建立纯欧洲的系统。
欧洲认为虽然与美国合作建立GNSS一2的成本效益最高，但在导航这个如此重要的领域，不能永远依赖美国。1998年6月23一24日，在欧空局管理委员会会议上，批准了4100万美元用于GNSS一2系统的初步研究和关键技术开发。对欧洲航天计划历来不太热心的英国成为第二大 投资者。德国、意大利和法国都支持这项计划。法国航天负责人C. Allegre最近称GNSS - 2是“欧洲头号优先航天项目”。广泛的支持是系统获得投资的关键，预计大部分资金将通过欧盟来提供。
应欧盟的要求，一些公司正在提出GNSS一2的实施方案。例如，法国Alcatel公司最近宣布了一个方案，称为“欧洲创新导航系统”(INES)。该系统共有63颗低轨道卫星和地球静止轨道卫星，可提供极精确的星上实时定位和时间同步。其定位精度为5一lOm。除了63颗卫星的星座外，还有9颗在轨备份星。据Alcatel公司称，INES系统的总成本只需7.7亿美元。如果计划和经费获得正式批准，INES系统的卫星可在2003年开始发射，有可能在2005年提供完全的服务。法国宇航公司的卫星分公司提出了一个称为Cheops的方案，此系统将与俄罗斯合作， 是个较昂贵的地球静止轨道卫星方案。
围绕这一计划设想，欧洲将和俄罗斯共同维持CLONASS系统。有了一个稳定维持和发展的GLONASS星座，欧洲可以放心地发展和占有GLONASS用户设备市场。
ESA在发展未来GNSS计划中偏向于首先形成区域性系统和渐进地扩展成全球系统的思想，因而提出了基于模块式结构的“空间模块”概念 。采用局部地区能见性好的大偏心椭圆轨道(HEO)模块或地球同步轨道(IGSO)，后者既用地球静止轨道(GEO)模块，也用倾斜地球同步轨道(GSO)模块。ESA重点考虑欧洲区域性系统的建设，并兼顾全球系统的国际民间要求。对全球区域划分上按地域分成欧非、亚澳、南北美三个区域，在分区建设、分区服务的前提，兼顾其可扩展性和在全球系统中的作用。
2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日，我国分别发射了3颗“北斗”导航卫星，构成了中国自主研制、自行建立的第一代卫星导航定位系统—“北斗”卫星导航系统。
“北斗”系统的工作原理
“北斗”卫星导航系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。该系统由2个经度上相距60。的地球静止卫星对用户双向测距，由1个配有数字，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，以及大量用户机。在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务(RDSS)频段，上行为L频段(1610一1626.5兆赫)，下行为S频段(2483.5一2500兆赫)；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)。该系统主要为公路交通、铁路运输和海上作业等领域提供导航服务，对中国国民经济建设起到了积极的推动作用。
与世界上主流的卫星导航系统不同，“北斗”卫星导航系统采用的是双星定位原理：以2颗卫星的已知坐标为圆心，以自测定的本星至用 户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧七数字高程地图提供的是1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。通俗地说，在三维立体空间需要3个条件才能惟一地确定一个点 ；但如果这个点在已知高程的地球表面，则在空中只再需要2颗定位卫星就够了。
美国的静止星(Geostar)公司和欧洲的定位星(Locstar)公司曾从事RDSS系统的研制工作，但都失败了。中国首先实现了卫星导航定位创新工程RDSS系统。该工程投资很少，并将导航定位、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，不仅用户知道自己所处的位置，而且调度指挥中心和其他有关单位也可得知用户所在位置。
“北斗”是一个初级起步系统
“北斗”卫星导航系统的白主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，还能建立中国的GPS广域差分系统，使受“选择可用性措施”干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正至米级，从而更好地促进GPS在民间的利用。卫星运行正常，系统调试与试运行表明，“北斗”导航定位系统在国内及周边服务区的定位精度是很好的，简短数据的双向传输很正常，满足了对系统的预定要求。“北斗”卫星导航系统尤其适合于同时需要导航定位与移动数据通信的场所，如交通运输、调度指挥以及有关地理信息系统的实时查询等。其正式运行进一步促进了中国导航应用市场的快速发展，刺激了用户机的大量需求。
“北斗”卫星导航系统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，是一个成功、实用、投资很少的初级起步系统。但既然是初级起步系统，自然有它的缺点。该系统需要中心站提供数字高程图数据、需要用户机发上行信号，因而使得系统用户容量、导航定位维数以及用户位置的隐蔽性等受到限制，而且在体制上不能与美国的“全球定位系统”、俄罗斯的“全球导航卫星系统”及欧洲未来的“伽利略”卫星导航定位系统兼容。因此，中国需要在第一代卫星导航系统的基础上发展第二代卫星导航系统，以满足今后国家对卫星导航应用和长远经济发展的需求。
第二代
第二代卫星导航系统的体制
第二代卫星导航系统与第一代系统在体制上的主要差别应该是：第二代系统的用户机可免发上行信号，不再依靠中心站数字高程图处理或由用户提供高程信息，而直接接收卫星单程测距信号自己定位；系统的用户容量不受限制，并可提高用户位置的隐蔽性。其代价是测距精度要由高稳定度的星载原子钟来保证，所有用户机可使用稳定度较低的石英钟，而系统的时钟误差作为未知数和用户的三维未知位置参数一起，由4个以上的卫星测距方程来求解。显然，用户在每一时刻至少要对4颗以上几何位置合适的可见卫星进行测距，这使得星座所需卫 星数量大大增多，系统投资显着增加。建立高精度卫星轨道基准和卫星时间基准是新卫星导航系统技术的核心，需要开展深人的研究工作 。另外，为了获取对中国未来的导航频率的国际保护，还需要加快向国际电联申请和协调。
中国第二代卫星导航系统将非常复杂。我们虽然对卫星的测控已有一定技术基础，但对全系统的设计、研制、运行和管理尚缺少经验。“ 北斗”卫星导航系统和广域差分系统的研发和运行为中国第二代卫星导航系统的研制锻炼了技术队伍、积累了经验，各地面台、站设施等可在第一代卫星导航系统已有设备的基础上进行扩建，卫星平台、运载火箭和双向数据移动通信等均可以继承或采用成熟技术。国内GPS的广泛应用为中国未来的卫星导航提供了应用基础和广阔市场。发展新一代卫星导航系统不仅是必要的，而且在技术、经济上也是可行的。
充分保证民用导航精度
第二代卫星导航系统应能提供双频信号以消除电离层引起的误差，不实施“选择可用性措施”来降低导航精度，民码(C/A)用户可自由使 用并与国际格式兼容；为授权用户提供双频和广域差分信息，以进一步提高导航精度和提供准实时完好性信息。它可参考GPS，广泛开发 民间应用，积累产业经验。由于民用接收机的普及、批量生产和商业竞争，大大提高了民用产品的性能及数字化、小型化程度，价格显着下降。所以根据美国的经验，发展GPS民用市场会反过来促进军事应用，更大程度地满足作战需求。相反，俄罗斯没有开发民用市场，军用接收机只生产了2000部，并且价格昂贵、性能不高。因此，中国在建立第二代卫星导航系统的同时，应发挥其民码情度高、含有亚洲地区加强系统的优势，首先普及国内应用、拓展民用市场，开发出能批量生产的廉价国产导航接收机，逐步取代进口产品、形成产业进而开发兼容中外导航信号、可接受区域加强信息的高精度、高可用性双模式接收机，进一步拓宽高安全性系统在亚洲的应用市场，逐步建立中国卫星导航系统今后持续发展的物质基础，为将来开拓全球性的国际市场做好准备。