導航衛星系統

導航衛星系統，是“全球衛星導航系統（GNSS）”。又稱天基PNT系統，其關鍵作用是提供時間/空間基準和所有與位置相關的實時動態信息，業已成為國家重大的空間和信息化基礎設施，也成為體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標誌。

隨著通信技術、計算機技術和空間技術的迅猛發展，無線電導航定位技術、導航定位系統及導航定位設備的發展也日新月異。衛星無線電導航定位系統較傳統陸基無線電導航定位系統，在精度、覆蓋面積和回響速度等方面具有無法比擬的優勢，可為地表、近地表和地球空間任意地點用戶提供全天候、實時、高精度的乏維位置、速度和時間信息。事實上，第二代導航衛星系統已成為快速獲取高精度導航定位信息的空間基礎設施，具有極高的軍民利用價值，備受世界各同青睞。

基本介紹

• 中文名：導航衛星系統

組成

導航衛星星座

導航衛星星座是由空間多顆導航衛星組成的空間導航網。通常，這些衛星分布在空間幾個近似圓的軌道平面上，按照軌道高度可以分為低軌道、中高軌道和地球同步軌道導航衛星，也可以由不同高度的衛星組成衛星星座，其中，後兩種軌道居多，而且在同一軌道平面上均勻分布著數顆衛星。衛星上除有接收機和轉發由地面測控網傳送信號的星載測控系統外，還載有專用的導航系統——發射機、導航電文儲存器、高頻穩定頻標等。

導航星座的主要功能為：

(1)接收和轉發地面測控網傳送到跟蹤測量導航衛星的電波信號，以測定衛星空間運行軌道。

(2)接收和存儲由地面測控網傳送的導航信息；接收並執行監控站的控制指令。

(3)通過星載高精度原子鐘產生基準信號並提供精確的時間標準。

(4)向用戶連續不斷地傳送導航定位信號，以測定用戶的位置、速度及姿態。

(5)接收地面主控站通過注入站傳送給衛星的調度命令，以調整衛星姿態、啟用備用時鐘等。

地面測控網

地面測控網由多個跟蹤測量站、遠控站、計算與控制中心、注入站和時統中心等組成，用於跟蹤、測量、計算及預報衛星軌道，並對衛星及其設備的工作進行監視、控制和管理。主要功能為：

(1)各測控站發射機對衛星進行連續觀測並跟蹤測量，同時收集當地的氣象數據。

(2)主控站收集由各測控站所測得的偽距和都卜勒頻率觀測數據、氣象參數、衛星時鐘及工作狀態的數據。

(3)對所收集數據進行處理，計算每顆衛星星曆、鐘差修正、信號電離層延遲修正等參數，並按一定格式編算導航電文，傳送到注入站。

(4)控制中心檢測地面監控系統的工作情況，檢查注入給衛星的導航電文的正確性，監測衛星傳送導航電文給用戶等任務。

(5)注入站將衛星星曆、衛星時鐘鐘差等參數和控制指令注入導航電文給各導航衛星。

(6)調度和控制衛星軌道的改變和修正等。

用戶導航定位設備

機載或彈載用戶導航定位設備主要由衛星信號接收天線、接收機及配套天線饋線等組成，主要完成以下功能：

(1)接收衛星傳送的信號，測定偽距、載波相位和都卜勒頻率觀測值。

(2)提取和解調導航電文中的衛星星曆和軌道參數、衛星鐘差參數。

(3)處理和計算觀測值、衛星軌道參數，解算用戶的位置、速度分量以及其他參數。

工作原理

通常衛星導航定位可以按下述兩種方式分類。根據導航定位的解算方法可以分為絕對定位和相對定位；而按照導航目標的運動狀態又可分為靜態定位和動態定位。由於靜態目標相對地固坐標系是靜止的，其速度為零，因此，利用導航衛星測定目標速度均指動態目標，它的解算方法也可以分為絕對測速和相對測速。

絕對定位和相對定位

1．絕對定位

利用待定目標(用戶)接收機接收四顆以上導航衛星的定位信號，確定目標在某坐標系中位置坐標的方式稱為絕對定位。絕對定位只需一台接收機即可確定目標位置。因此，組織、實施和數據處理都比較簡便。但是受目標接收機鐘差和信號傳播延遲的影響，定位精度較低。

這種定位方式在許多運動載體的導航定位中廣泛使用。

2．相對定位

在兩個或若干個觀測點上，設定導航衛星的接收機，同步接收同一組衛星傳播的定位信號，並測定它們之間相對位置的方式稱為相對定位。在相對定位時，上述觀測點上有一個或幾個點的位置坐標是已知的，這些點稱為基準點。

相對定位利用多個觀測點同步接收同一組衛星信號的特點，可以有效地消除或減弱共源和共性的誤差，有利於定位精度的提高。但是，相對定位需要多點同步觀測同一組衛星，因此組織和實施較複雜，而且要求與基準點的距離不能超過一定的範圍。相對定位廣泛套用於具有高精度要求的目標定位中。

3．差分定位

在兩個或多個觀測點上，設定導航衛星的接收機，利用同步接收同一組衛星星座傳播的定位信號，並進行不同的線性組合構成虛擬觀測量，再由此組成觀測方程並解算目標定位的方法稱為差分定位。差分定位同樣需要在觀測點上有一個或幾個基準點。

差分定位主要利用同步跟蹤同一組衛星所獲取的觀測量，經不同方式的差分，使得到的虛擬觀測量可以消除或減弱共源和共性的誤差，從而精確地解算目標位置。差分定位就是依賴和發揮數學方法的優勢來獲取高精度的位置參數，又稱為求差法。

事實上，差分定位是相對定位的一種特殊實現方式，也是導航定位中精度最高的一種定位方法。關於差分定位的原理，可以推廣成觀測點都不是基準點的定位方式，這使得衛星導航系統具備更廣闊的套用前景。

靜態定位和動態定位

1．靜態定位

若待定點相對於地固坐標系是靜止的，則此待定點位置的確定稱為靜態定位。有時是難以察覺到的運動，或者雖有微小運動，但在一次定位觀測期間(數小時或若干天)無法察覺到，此時待定點的位置確定也稱為靜態定位。

由於靜態待定點的位置是不變的，因此它的速度等於零。此時，在不同時刻(曆元)進行大量重複的觀測和處理，可以有效地提高定位精度。

2．動態定位

若待定點相對於地固坐標系有明顯的運動，這樣的點定位稱為動態定位。此時，點位的速度不等於零，因此還需要確定待定點的速度。

動態定位根據定位的目的和精度要求，又可分為導航動態定位和精密動態定位。前者是實時地確定用戶運動中的位置和速度，並引導用戶沿預定的航線到達目的地；後者是精確地確定用戶在每個時刻的位置速度，通常可以事後處理。

四大導航衛星系統

美圍GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo系統和中國的北斗系統Compass，為全球衛星導航系統國際委員會(ICG)公布的四大全球導航衛星系統。正在建設的印度IRNSS和日本的QZSS主要是服務於本土及相鄰地區的區域性導航衛星系統，在國際導航與定位領域受關注度要遜於全球性導航衛星系統。

GPS

GPS是美國國防部批准陸海空子軍聯合研製、繼子午導航衛星系統之再的第二代全球導航衛星系統，也是第一個具有全能性（陸地、海洋、航空）、全球性、全天候、實時性、高精度的導航定位和時間傳遞系統。空間部分由24顆衛星組成，衛星高度約20200km，分布在傾角為55°的6個軌道平面內，運行周期約為11小時58分，於1991年宣告部署完成；地面監控部分包括1個主控站、3個注入站和5個監測站；用戶部分包括川戶組織系統和根據要求安裝相應的設備，其核心設備是GPS接收機、GPS是日前最完善、套用最廣泛的全球導航衛星系統，但是GPS南美國軍方控制，由於系統沒計和政策等原因，對於民間用戶和他同軍方用戶的安全性無法保障。GPS的這些缺陷已經成為GPS進一步擴展套用領域的障礙，也成為競爭者建沒其他導航衛星定位系統的重要理由。在保護軍方利益的前提下，為讓GPS能夠發揮更大的效益，繼續保持在市場上的領導優勢，原美同副總統戈爾提出了GPS現代化的概念。

GLONASS

GLONASS是俄羅斯國防部(最早開發於原蘇聯時期，獨立研製和控制的第二代全球導航衛星系統，作用類似於美國的GPS．可為全球海陸空及近地空間的各種軍、民用戶全天候、連續地提供高精度的、三維位置、三維速度和時間信息。按照設計，GLONASS星座南中軌道的21顆衛星組成，包括21顆工作星和3顆備份星，軌道高度約19 100 km，分布在傾角為64.8°的3個軌道平面內，運行周期約為11小時15分。南於衛星壽命短，加之從20世紀90年代起俄羅斯經濟不景氣，失效衛星得不到及時補充，以至於到2001年可用衛星數下降到6顆，導致GLONASS研究工作與套用推廣情況遠不及GPS。2003年前後，隨著俄羅斯經濟的蓬勃發展，俄羅斯政府加快了GLONASS升級改造。《GLONASS 2002- 2011年發展汁劃》已經於201 1年12月3 1日終止，俄羅斯於2011年底成功實現GLONASS的滿星座運行，此後《GLONASS 2012-2020年維護、發展及套用計畫》草案已於2012年1月28日遞交俄羅斯政府申請批准。

Galileo

GPS與GLONASS本質上均是一種軍用系統，首要目的是服務於國家安全，其次才服務於民用，而Galileo系統是南歐盟建設的全球第一個完全向民用開放的衛星導航系統。但南於美國的阻撓和歐盟內部分歧等，陔系統計畫進展緩慢，曾幾乎流產。2008年4月，歐盟會議通過了Galileo系統最終部署方案，此後在2010年1月歐盟委員會報告中，又調整了Galileo系統正式運營時間節點。根據該報告安排，2005年至2011年為在軌驗證階段，2011年至2014年為全面部署階段．2014年形成一個具有開放服務功能的初步系統，並於2018年前後建成完備的全球導航衛星系統。然而，由於歐盟內部分歧與資金問題。系統完成及運營時間尚不能確定。Galileo系統採用了空間段、地面段（包括星座監控和完好性監測兩大功能）和用戶段三大組成部分的新模式。其中，空間段由30顆衛星組成(27顆工作衛星和3顆備用衛星)，軌道高度約為23 616 km，分布在傾角為56°的3個軌道平面內，運行周期約為14小時22分鐘。用戶設備為Galileo信號接收機。只有需要全球搜救功能的用戶，設備才應具有收發功能。

Compass

Compass是中國自行研製、獨立運行的全球衛星定位與通信系統，與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統兼容共用。Compass以“先有源、後無源”和“先區域、後全球”為發展思路，按照“子步走”總體規劃穩步推進。第一步，2000年建成了區域有源衛星導航試驗系統（北斗一號）。第二步，2012年建成了區域無源衛星導航系統，2012年12月27日，在繼續保留北斗衛星導航試驗系統有源定位、雙向授時和短報文通信服務基礎上，向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務。第子步，2020年全面建成Compass，形成全球覆蓋能力。系統建成後。空間段由27顆中軌道( middle earth orbit，MEO)地球衛星、5顆地球靜止軌道( geostationary orbit。GEO)衛星和3顆傾斜同步軌道(inclined geosynchronous、satellite orbii，IGSO)衛星組成。MEO衛星軌道高度為21 528 km，分布在軌道傾角力55°的3個軌道平面上；GEO衛星軌道高度35 786 km，分別定點於東經58.75°、80°、110.5°、140°和160°；IGSO衛星軌道高度為35 786 km，分布在軌道傾角為55°的3個軌道平面上。