衛星導航系統(衛星通信設備):系統結構,地面控制部分,空間控制部分,用戶裝置部分,

衛星導航系統，即“全球衛星導航系統”。主要採用最新GPS技術在導航通訊領域的最新套用系統。衛星導航全球性大眾化民用，剛剛開始，有百種套用類型。衛星導航的生命期至少還有50年，GPS概念的提出已有三十年，真正套用只有十來年，現在GPS現代化，GPS III新階段，延續到2020年。GPS國際協會已統計出GPS的117種不同類型的套用。蜂窩通信的集成和汽車套用還是當前最大的兩個市場。

衛星導航系統已經在大量套用中廣泛使用，而且總的發展趨勢是為實時套用提供高精度服務。

基本介紹

中文名：衛星導航系統
外文名：Satellite navigation system
全名：全球衛星導航系統技術/GPS技術
生命期：2020年
市場：蜂窩通信的集成和交通運輸套用
位置精確：至少需要4顆衛星

系統結構,地面控制部分,空間控制部分,用戶裝置部分,技術,產生背景,研發目的,原理,特點,用途,常見設備,四大定位系統,發展前景,

系統結構

經過20餘年的實踐證明，GPS系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統。GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。GPS系統由空間部分、地面測控部分和用戶設備三部分組成。

地面控制部分

由主控站（負責管理、協調整個地面控制系統的工作）、地面天線（在主控站的控制下，向衛星注入尋電文）、監測站（數據自動收集中心）和通訊輔助系統（數據傳輸）組成；

空間控制部分

GPS系統的空間部分由空間GPS衛星星座組成。GPS衛星星座原計畫是將24顆衛星均勻分布在6個不同的軌道平面上，而發展到今天，在軌道上運行的衛星數量已經達到27顆。每個軌道平面與赤道平面的傾角大約55度。在地球上任何地點任何時刻都能觀測到5－8顆衛星。每顆衛星都利用兩個L載頻傳送信號，即L1（1 575.42 MHz）和L2（1 227.26 MHz）。每顆衛星都在完全相同的頻率上傳送信號，但每顆衛星的信號在到達用戶之前都經過了都卜勒頗移。L1承載精密（P）碼和粗/捕獲（C/A）碼，L2僅承載P碼。導航的數據報文疊加在這些碼上，兩個載頻上承載著相同的導航數據報文。P碼通常是加密的，只有C/A碼可供民用。

用戶裝置部分

主要由GPS接收機和衛星天線組成，GPS接收機，根據型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、集成型，根據用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式。

技術

產生背景

全球定位系統(GPS）是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研製的新一代空間衛星導航定位系統。

研發目的

其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，並用於情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過20餘年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

原理

24顆GPS衛星在離地面1萬2千公里的高空上，以12小時的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。

由於衛星的位置精確可知，在GPS觀測中，衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組4顆，然後通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

由於衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍採用差分GPS(DGPS）技術，建立基準站（差分台）進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，並對外發布。接收機收到該修正數後，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

定位服務

聯邦無線電導航計畫中規定的GPS定位服務包括精密定位服務（PPS）和標準定位服務（SPS）。

⑴PPS 授權的精密定位系統用戶需要密碼設備和特殊的接收機，包括美國軍隊、某些政府機構以及批准的民用用戶。

⑵SPS 對於普通民用用戶，美國政府對於定位精度實施控制，僅提供SPS服務。SPS服務可供全世界用戶免費、無限制地使用。

特點

（1）全天候；

（2）全球覆蓋；

（3）三維定速定時高精度；

（4）快速省時高效率；

（5）套用廣泛多功能。

用途

大方面來說：

（1）陸地套用，主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、市政規劃控制等；

（2）海洋套用，包括遠洋船最佳航程航線測定、船隻實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平台定位、海平面升降監測等；

（3）航空航天套用，包括飛機導航、航空遙感姿態控制、低軌衛星定軌、飛彈制導、航空救援和載人太空飛行器防護探測等。

從市場分布來說

衛星導航的套用是建立導航衛星系統的根本出發點，也是其最終的歸宿。通常衛星導航的套用市場可以分為三大方面，是專業市場、批量市場和安防市場。全球衛星導航系統，從套用的角度可分成以下10類加以簡述，這就是：航空、航海、通信、人員跟蹤、消費娛樂、測繪、授時、車輛監控管理，和汽車導航與信息服務。

其它具體分類

1. 航空歐洲的Galileo便是新建的全球導航星座，它與GPS配合起來，可以大大提高導航衛星的可用性，使單一的GPS市區可用性從55%提高到GPS/Galileo共用時的95%。GPS技術建立廣域增強系統(WAAS）逐步代替原先的微波著陸/儀表著陸系統，美國的WAAS系統計畫在2003年下半年運營，地面改正數據可以通過靜地衛星轉發給飛機。

2. 航海衛星導航接收機廣泛地用於海上行駛的各類船隻，DGPS則廣泛地用於沿岸與進港，以及內河行駛的船隻，精度可達到2-3m。在衛星導航接收機與無線通信手段集成後，該系統便成為一個位置報告系統和緊急救援系統。許多漁船將GPS與雷達和魚探器結合在一起，產生明顯的經濟效益。

3. 通信與導航的融合衛星導航接收機與無線電通信機的結合是自然發生的，這種融合產生的意義是非常深遠的。實際上，這是移動計算機（PDA）、蜂窩電話和GPS接收機的系統集成和完美整合。

4. 人員跟蹤個人跟蹤的套用需求與E911這類導航手機或稱定位手機思路相似，但其產品類型和主要功能定位則與它們大相逕庭。首先要求其體積和功耗要小，便於隱藏或佩帶，如手錶之類。其套用功能可以由中心加以激活或啟動，以利於獲取佩帶者所在位置。

5. 消費娛樂徒步旅行者、獵人、越野滑雪者，野外工作人員和戶外活動者213年常套用袋式GPS定位器，配上電子地圖，可以在草原、大漠、鄉間、山野或無人區內找到自己的目的地。

6. 測繪 GPS測繪還可用於繪圖、地藉測量、地球板塊測量、火山活動監測、GIS領域、大橋監測、水壩監測、滑坡監測、大型建築物監測等。這種測量技術的實時動態化（RTK）可以用於海洋河道公路測量，以及礦山、大型工程建設工地等作為自動化管理和機械控制。

7. 授時 GPS設備還用於作為時間同步裝置，特別是作為交易處理定時（如在ATM機中）和通信網路中套用。

8. 車輛監控管理

9. 汽車導航與信息服務

10. 其它

常見設備

GLONASS系統

1．GLONASS系統概述 1982年，俄羅斯衛星導航系統GLONASS的第一顆衛星升空，從此開始套用於測量與導航領域。

2．GLONASS定位技術 GLONASS的定位技術與GPS相同，即以精確的定時和衛星量程計算為基準來進行。

3．GPS與GLONASS系統比較 GPS和GLONASS系統有很多相似之處，但很明顯GLONASS努力採用較少的衛星數量。

Galileo系統

1.Galileo系統的提出 1999年6月召開的歐洲交通運輸部長會議通過了撥款3700萬歐元完成被稱為Galileo的新一代衛星導航系統。2008年投入運營。

2.Galileo系統的選擇與挑戰如何開發Galileo系統最終將在2000年下半年的歐洲交通運輸部長會議上作出決定。

3.Galileo系統的性能 Galileo系統提供3種等級的性能：·全球·地區·局域。

4.Gaiaieo系統的業務類型系統還定義了3種類型的業務：·開放接入業務（OAS）。·一類控制接入業務（CAS1）·二類控制接入業務（CAS 2）。

5．Galileo系統的體系結構 Galileo系統的星座可由9顆靜止衛星與21顆中軌道（MEO）衛星或者完全由30顆MEO 衛星組成。

6.Galileo系統與GPS和GLONASS的兼容性射頻兼容性對於實現三個系統的互操作至關重要：系統不能相互干擾或降低接收機的性能。

四大定位系統

美國全球定位系統

GPS由24顆衛星組成，分布在6條交點互隔60度的軌道面上，精度約為10米，軍民兩用，目前正在試驗第二代衛星系統。

俄羅斯格洛納

GLONASS系統。由24顆衛星組成，精度在10米

左右，軍民兩用，設計2009年底服務範圍拓展到全球。

歐洲伽利略

GALILEO系統。由30顆衛星組成，定位誤差不超過1米，主要為民用。2005年首顆試驗衛星已成功發射。已經於2008年開通定位服務。

中國北斗系統

北斗衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，中國計畫2012年左右，“北斗”系統將覆蓋亞太地區，2020年左右覆蓋全球。中國正在實施北斗衛星導航系統建設，已成功發射十六顆北斗導航衛星。根據系統建設總體規劃，2012年左右，系統將首先具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。

發展前景

由於GPS技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點，作為先進的測量手段和新的生產力，已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個套用領域。

隨著冷戰結束和全球經濟的蓬勃發展，美國政府在2000年至2006期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，GPS民用信號精度在全球範圍內得到改善，利用C/A碼進行單點定位的精度由100米提高到20米，這將進一步推動GPS技術的套用，提高生產力、作業效率、科學水平以及人們的生活質量，刺激GPS市場的增長。據有關專家預測，在美國，單單是汽車GPS導航系統，2000年後的市場將達到30億美元，而在中國，汽車導航的市場也將達到50億元人民幣。可見，GPS技術市場的套用前景非常可觀。

中國這個要逐步擴展為全球衛星導航系統的北斗導航系統(COMPASS），將主要用於國家經濟建設，為中國的交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安以及其他特殊行業提供高效的導航定位服務。建設中的中國北斗導航系統(COMPASS）空間段計畫由五顆靜止軌道衛星和三十顆非靜止軌道衛星組成，提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務。北斗衛星將逐步擴展為全球衛星導航系。中國將陸續發射系列北斗導航衛星，逐步擴展為全球衛星導航系統。

已知GPSRTK技術是GPS測量技術發展的一個新突破。

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