全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展概況

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展概況（侯忠誠(chéng)）
摘要：今天，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在大量應(yīng)用中廣泛使用，而且總的發(fā)展趨勢(shì)是為實(shí)時(shí)應(yīng)用
提供高精度服務(wù)。迄今為止，比較完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)有美國(guó)GPS和俄羅斯GLOMSS系
統(tǒng)，它們的定位和定時(shí)精度都能滿(mǎn)足嚴(yán)格的軍用定位和定時(shí)要求。面對(duì)大量的衛(wèi)星導(dǎo)航需
求，歐洲計(jì)劃推出自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Galileo。本文對(duì)現(xiàn)有的CPS和GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行了
描述和比較，并對(duì)Galileo系統(tǒng)的計(jì)劃方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。
主題詞：全球定位系統(tǒng)  衛(wèi)星通信  導(dǎo)航
    導(dǎo)航與定位對(duì)于許多活動(dòng)都非常重要。但是，以往的很多導(dǎo)航與定位技術(shù)都存在著不
同程度的缺陷。Landmarks僅限于本地使用，還要受到運(yùn)動(dòng)與環(huán)境因素的影響；Dead Rec
koning的技術(shù)非常復(fù)雜，其精度依賴(lài)于比較原始的測(cè)量工具；Celestial技術(shù)也很復(fù)雜，
且僅適合夜晚和天氣良好的情況使用，測(cè)量精度也有限；OMEGA基于較少的無(wú)線定向信標(biāo)，
不但精度有限而且易受無(wú)線電干擾；LORAN覆蓋范圍有限（主要為海岸），精度受地理狀
況的影響，易于受干擾；SatNav基于低頗多普勒測(cè)量，易受接收機(jī)移動(dòng)的影響，衛(wèi)星數(shù)量
少，數(shù)據(jù)更新不及時(shí)。美國(guó)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS的發(fā)展開(kāi)
拓了精密定位的新紀(jì)元，成為現(xiàn)代導(dǎo)航應(yīng)用的主導(dǎo)技術(shù)。Galileo歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)
發(fā)將為民用用戶(hù)的定位和定時(shí)服務(wù)提供了又一選擇。
          GPS系統(tǒng)
    1.GPS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)背景
    20世紀(jì)70年代，隨著美蘇軍備競(jìng)賽的升級(jí)，美國(guó)的軍事領(lǐng)域迫切需要能夠在世界范圍
精確定位的系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)防部不惜斥資120億美元研制軍用定位系統(tǒng)。1978年，美國(guó)成功
發(fā)射了第一顆用于GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星，此后GPS逐漸發(fā)展成為目前廣泛使用的系統(tǒng)。
    2.GPS系統(tǒng)概述
    GPS系統(tǒng)由空間部分、地面測(cè)控部分和用戶(hù)設(shè)備三部分組成。
   （1）空間部分
    GPS系統(tǒng)的空間部分由空間GPS衛(wèi)星星座組成。GPS衛(wèi)星星座原計(jì)劃是將24顆衛(wèi)星均勻
分布在6個(gè)不同的軌道平面上，而發(fā)展到今天，在軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達(dá)到27顆。
每個(gè)軌道平面與赤道平面的傾角大約55度。在地球上任何地點(diǎn)任何時(shí)刻都能觀測(cè)到5－8顆
衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星都利用兩個(gè)L載頻傳送信號(hào)，即L1（1575.42MHz）和L2（1227.26 MHz）。
每顆衛(wèi)星都在完全相同的頻率上傳送信號(hào)，但每顆衛(wèi)星的信號(hào)在到達(dá)用戶(hù)之前都經(jīng)過(guò)了多
普勒頗移。L1承載精密（P）碼和粗／捕獲（C／A）碼，L2僅承載P碼。導(dǎo)航的數(shù)據(jù)報(bào)文疊
加在這些碼上，兩個(gè)載頻上承載著相同的導(dǎo)航數(shù)據(jù)報(bào)文。P碼通常是加密的，只有C／A碼
可供民用。
    （2）控制部分
    控制部分包括地球上所有監(jiān)測(cè)與控制衛(wèi)星的設(shè)施。美國(guó)的GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)（OCS）包
括監(jiān)測(cè)站、主控站（MCS）以及上行線路天線。主控站設(shè)在美國(guó)Colorado州的Falcon空軍
基地，一天24小時(shí)從監(jiān)測(cè)站接收數(shù)據(jù)，用以確定衛(wèi)星是否有時(shí)鐘或者年歷變化以及檢測(cè)設(shè)
備功能是否正常。主控站根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)的計(jì)算結(jié)果，每天向衛(wèi)星發(fā)送1、2次新的導(dǎo)航與位
置推算歷信息。監(jiān)測(cè)站設(shè)在Colorado Springs、夏威夷、Ascencion Island、Diego Garc
ia和Kwaialein。無(wú)源監(jiān)測(cè)站實(shí)質(zhì)上是用以跟蹤可視衛(wèi)星的GPS接收機(jī)，可匯集衛(wèi)星信號(hào)的
測(cè)距數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站測(cè)量來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，并注入每顆衛(wèi)星的軌道模型。衛(wèi)星軌道模型可用
以計(jì)算精密的軌道數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星時(shí)鐘的修正。主控站向衛(wèi)星傳送天文歷和時(shí)鐘數(shù)據(jù)。然后，
衛(wèi)星通過(guò)無(wú)線電信號(hào)將軌道的無(wú)文歷數(shù)據(jù)子集發(fā)送到GPS接收機(jī)。
    （3）用戶(hù)部分
    GPS用戶(hù)部分包括GPS接收機(jī)和用戶(hù)團(tuán)體。GPS接收機(jī)的體積很小，僅使用幾個(gè)集成電
路，所以造價(jià)也較低，這是它能夠廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。GPS系統(tǒng)可提供GPS接收機(jī)能夠處理的
特殊編碼衛(wèi)星信號(hào)，用以計(jì)算位置、速度和時(shí)間。要想求得一點(diǎn)至衛(wèi)星的距離，需要測(cè)量
無(wú)線電信號(hào)從衛(wèi)星到該點(diǎn)的傳播時(shí)間。假定衛(wèi)星和接收機(jī)可同時(shí)生成相同的偽隨機(jī)碼，接
收機(jī)本機(jī)代碼與接收到衛(wèi)星她隨機(jī)代碼的時(shí)間差即是信號(hào)的傳播時(shí)間，該時(shí)間乘以光速就
是該點(diǎn)至衛(wèi)星的距離。根據(jù)三角測(cè)量法，計(jì)算位置（X、Y、Z）和時(shí)間需要利用4顆衛(wèi)星。
三維導(dǎo)航是GPS的基本功能。GPS接收機(jī)可提供導(dǎo)航、定位、定時(shí)和測(cè)量等功能�，F(xiàn)在已有
適用于飛機(jī)、輪船、地面交通工具和個(gè)人手提的導(dǎo)航接收機(jī)。
    2．GPS定位服務(wù)
    聯(lián)邦無(wú)線電導(dǎo)航計(jì)劃中規(guī)定的GPS定位服務(wù)包括精密定位服務(wù)（PPS）和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)
（SPS）。
    （1）PPS
    授權(quán)的精密定位系統(tǒng)用戶(hù)需要密碼設(shè)備和特殊的接收機(jī)，包括美國(guó)軍隊(duì)、某些政府機(jī)
構(gòu)以及批準(zhǔn)的民用用戶(hù)。PPS的預(yù)測(cè)精度水平為22米，垂直為27米，時(shí)間精度為100納秒。
    （2）SPS
    對(duì)于普通民用用戶(hù)，美國(guó)政府對(duì)于定位精度實(shí)施控制，僅提供SPS服務(wù)。SPS服務(wù)可供
全世界用戶(hù)免費(fèi)、無(wú)限制地使用，現(xiàn)有的多數(shù)接收機(jī)都能夠接收和使用SPS信號(hào)。美國(guó)國(guó)
防部通過(guò)所謂的選擇可用性（SA）方法有意將SPS的精度降低。SPS可預(yù)測(cè)的精度為水平
100米，垂直156米。時(shí)間精度為340納秒。
    3．GPS設(shè)備成本
    GPS接收機(jī)的價(jià)格差異很大，一般取決于接收機(jī)的功能。小型民用SPS接收機(jī)的價(jià)格不
足200美元。具有文件存儲(chǔ)與后處理能力的接收機(jī)造價(jià)較高（2000－5000美元）。DGPS標(biāo)
準(zhǔn)接收機(jī)與載波相位跟蹤接收機(jī)的造價(jià)可高達(dá)數(shù)千至數(shù)萬(wàn)美元（5000－40000美元）。軍
用PPS接收機(jī)包含軍隊(duì)專(zhuān)用的加密模塊，設(shè)備精度可達(dá)3米，價(jià)格更昂貴。
    GLONASS系統(tǒng)
    1．GLONASS系統(tǒng)概述
    1982年，俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS的第一顆衛(wèi)星升空，從此開(kāi)始應(yīng)用于測(cè)量與導(dǎo)
航領(lǐng)域。GLONASS的定位引起了人們的關(guān)注，因?yàn)樗�不�?shí)施所謂的SA，因而對(duì)于民用來(lái)說(shuō)，
可獲得較高的定位精度。GLONASS的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是衛(wèi)星軌道傾斜度較高，可適用于較高緯
度的地區(qū)。GLDNASS衛(wèi)星星座原計(jì)劃發(fā)射24顆衛(wèi)星，1998年12月30發(fā)射3顆新的GLONASS衛(wèi)
星之后衛(wèi)星軌道上的數(shù)量達(dá)到了17顆。目前，在這17顆衛(wèi)星中，有3顆暫時(shí)不能提供服務(wù)。
    2．GLONASS定位技術(shù)
    GLONASS的定位技術(shù)與GPS相同，即以精確的定時(shí)和衛(wèi)星量程計(jì)算為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行。所
需的精確定時(shí)由每顆衛(wèi)星上的多個(gè)原子鐘來(lái)提供。每個(gè)衛(wèi)星使用兩個(gè)頻率（頻段）來(lái)傳
送。民用代碼（僅在較低頻率上）和軍用代碼均調(diào)制在這些頻率上。此外，每顆衛(wèi)星都
廣播有關(guān)每個(gè)時(shí)刻衛(wèi)星所處位置的信息。這一點(diǎn)非常必要，否則只知道接收機(jī)與未知點(diǎn)
之間的距離，而得不到有關(guān)自己位置的信息。
    GLONASS衛(wèi)星發(fā)送兩個(gè)偽隨機(jī)噪聲代碼：一個(gè)代碼是民用碼SPS（標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，相
當(dāng)于GPS中的C／A），其碼率為511kbit／S；另一個(gè)代碼是機(jī)密的軍用碼PPS（精密定位
服務(wù)，相當(dāng)于GPS的P），其碼率為5.11Mbit/s。碼率數(shù)值超高，定位精度也越高。GLON
ASS接收機(jī)的工作原理與GPS接收機(jī)大致相當(dāng)。接收機(jī)生成一份代碼（此為已知），并與
從衛(wèi)星接收的代碼比較，得出內(nèi)部代碼的時(shí)間差代表衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間。測(cè)量的時(shí)間
乘以光速即可求得至衛(wèi)星的距離。以同樣的方法測(cè)量至三顆衛(wèi)星的距離可得出三維位置，
另外還需要通過(guò)測(cè)量至第四顆衛(wèi)星的距離來(lái)解決接收機(jī)中的時(shí)鐘問(wèn)題。
    3．GPS與GLONASS系統(tǒng)比較
    GPS和GLONASS系統(tǒng)有很多相似之處，但很明顯GLONASS努力采用較少的衛(wèi)星數(shù)量。
對(duì)于較高的緯度，GIDNASS由于具有較高的軌道傾角而更受青睞。另外，GLDNASS的碼率
大約為GPS的一半，若GPS的精度不受SA的約束，GLONASS則不會(huì)有定位精度的優(yōu)勢(shì)。
    Galileo系統(tǒng)
    1.Galileo系統(tǒng)的提出
    當(dāng)前，各種用戶(hù)需要不同精度的衛(wèi)星導(dǎo)航、定時(shí)等服務(wù)：道路交通運(yùn)輸（車(chē)隊(duì)管理、
路邊援助與維修等）、水運(yùn)（港口、霧天海上救援等）、鐵路運(yùn)輸（列車(chē)管理）等等。
目前，道路交通運(yùn)輸是定位應(yīng)用最多的用戶(hù)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用于出租汽車(chē)的定位，根
據(jù)用戶(hù)的需求調(diào)度距離最近的車(chē)輛去接用戶(hù)。越來(lái)越多的汽車(chē)制造商將衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備安
裝在車(chē)輛中。司機(jī)可根據(jù)當(dāng)時(shí)的交通狀況選擇最佳行車(chē)路線，獲悉到達(dá)選擇的目的地所
需的時(shí)間，在發(fā)生交通事故或出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)向應(yīng)急服務(wù)機(jī)構(gòu)發(fā)送車(chē)輛位置的信息，
因而可獲得急速救援。當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的增長(zhǎng)非常迅猛，GPS和GLONASS系統(tǒng)發(fā)揮的作
用也越來(lái)越大。
    面對(duì)這種迅猛的市場(chǎng)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，歐洲的公司再也不能無(wú)動(dòng)于衷了。另外，使用他人
的衛(wèi)星定位系統(tǒng)不可能永遠(yuǎn)有服務(wù)保證，對(duì)于目前的免費(fèi)服務(wù)不能天真地認(rèn)為是理所當(dāng)
然。從安全性和獨(dú)立性的角度來(lái)考慮，應(yīng)建立自己的可保持完整性、提供服務(wù)連續(xù)可用
性和高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)。出于經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略和政治等方面的考慮，歐洲不愿繼續(xù)依賴(lài)基于
GPS和GIDNASS的第一代系統(tǒng)，開(kāi)始著手研究第二代歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS2）。
1999年6月召開(kāi)的歐洲交通運(yùn)輸部長(zhǎng)會(huì)議通過(guò)了撥款3700萬(wàn)歐元完成被稱(chēng)為Galileo的新
一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)計(jì)劃于2008年投入運(yùn)營(yíng)，將向民用用戶(hù)提供定位和定時(shí)服務(wù)，
屆時(shí)歐洲將可擺脫對(duì)GPS和GLONASS的依賴(lài)。
    2.Galileo系統(tǒng)的選擇與挑戰(zhàn)
    如何開(kāi)發(fā)Galileo系統(tǒng)最終將在2000年下半年的歐洲交通運(yùn)輸部長(zhǎng)會(huì)議上作出決定。
1999年9月，提出了定義階段的兩項(xiàng)招標(biāo)任務(wù)：
    ·定義全球體系結(jié)構(gòu)（服務(wù)水平、信號(hào)類(lèi)型、與GPS／GLONASS的兼容性、覆蓋區(qū)域、
完整性和安全性水平）
    ·空間基礎(chǔ)設(shè)施的特點(diǎn)。
    3.Galileo系統(tǒng)的性能
    Galileo系統(tǒng)提供3種等級(jí)的性能：
    ·全球（提供世界范圍的覆蓋）；
    ·地區(qū)（提供歐洲范圍的覆蓋）；
    ·局域（提供機(jī)場(chǎng)或城區(qū)的覆蓋）。
    4.Gaiaieo系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類(lèi)型
    系統(tǒng)還定義了3種類(lèi)型的業(yè)務(wù)：
    ·開(kāi)放接入業(yè)務(wù)（OAS）：向所有民用用戶(hù)開(kāi)放的免費(fèi)業(yè)務(wù)。
    ·一類(lèi)控制接入業(yè)務(wù)（CAS1）：為商業(yè)應(yīng)用提供的并實(shí)施控制接入的有償服務(wù)。
    ·二類(lèi)控制接入業(yè)務(wù)（CAS 2）：為安全和軍事應(yīng)用提供的并實(shí)施控制接入的有償服
務(wù)。所有這三類(lèi)服務(wù)的精度都優(yōu)于10米。  CAS 2可實(shí)現(xiàn)水平4米、垂直16米的精度。
    5．Galileo系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
    Galileo系統(tǒng)的星座可由9顆靜止衛(wèi)星與21顆中軌道（MEO）衛(wèi)星或者完全由30顆MEO
衛(wèi)星組成。衛(wèi)星重量在600公斤左右，功耗為1.7kw系統(tǒng)傳遞的信號(hào)強(qiáng)度（－155dBW／m2）
優(yōu)于GPS（-158dBW／m2），提高了抗干擾性。在建議的體系結(jié)構(gòu)中，主要的挑戰(zhàn)在于定
時(shí)問(wèn)題，即時(shí)間同步。Galileo將使用地面上的銫原子鐘，而GPS的這些時(shí)鐘是安裝在衛(wèi)
星上的。衛(wèi)星上將配備柳鐘，可以提供納秒級(jí)的定時(shí)精度。軌道的計(jì)算在地面上進(jìn)行。
    6.Galileo系統(tǒng)與GPS和GLONASS的兼容性
    射頻兼容性對(duì)于實(shí)現(xiàn)三個(gè)系統(tǒng)的互操作至關(guān)重要：系統(tǒng)不能相互干擾或降低接收機(jī)
的性能。因此，有必要協(xié)調(diào)頻率和發(fā)射功率電平。在計(jì)劃于2000年5月召開(kāi)的世界無(wú)線
電通信大會(huì)（WRC 2000）上，將討論 Galileo系統(tǒng)下行和上行鍛路的頻段分配問(wèn)題。Ga
lileo需要與其他系統(tǒng)處于相同的頻段，以便與現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大兼容。WRC的議程包括
重新分配1－6GHZ頻段的問(wèn)題。美國(guó)很可能使用新的頻段 L5（1164一1188 MHz）。Gal
ileo在頻段的使用方面需要根據(jù)國(guó)際合作的形勢(shì)考慮向GPS或GLONASS靠攏。