GPSGALILEOBDSGLONASS四大卫星定位系统的论述之欧阳法创编.docx
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GPSGALILEOBDSGLONASS四大卫星定位系统的论述之欧阳法创编
GPS、GALILEO、BDS、GLONASS四大卫星定位系统的论述
一、
时间：
2021.03.09
创作：
欧阳法
二、基本介绍
ØGPS
数量：
由２４颗卫星组成。
轨道：
高度约２０２００公里，分布在６条交点互隔６０度的轨道面上。
精度：
约为１０米。
用途：
军民两用。
进展：
１９９３年全部建成，正在实验第二代卫星系统，计划发射２０颗。
ØGLONASS
数量：
２４颗卫星组成；
精度：
１０米左右；
用途：
军民两用；
进展：
目前已有１７颗卫星在轨运行，计划２００８年全部部署到位。
ØGALILEO
数量：
３０颗中高度圆轨道卫星组成，２７颗为工作卫星，３颗为候补；
轨道：
高度为２４１２６公里，位于３个倾角为５６度的轨道平面内；
精度：
最高精度小于１米；
用途：
主要为民用；
进展：
２００５年１２月２８日首颗实验卫星已成功发射，预计２００８年前可开通定位服务。
ØBDS
数量：
３颗卫星组成，２颗为工作卫星，１颗为备用卫星；
用途：
军民两用；
进展：
前两颗分别于２０００年和２００３年发射成功。
二、系统组成
v空间部分
ØGPS：
GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗）,轨道倾角为55°。
卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低
ØGLONASS：
GLONASS系统采用中高轨道的24颗卫星星座，有21颗工作星和3颗备份星，均匀分布在3个圆形轨道平面上，每轨道面有8颗，轨道高度H=19000km，运行周期T=11h15min，倾角i=64.8°。
ØGALILEO：
如下图所示，30颗中轨道卫星（MEO）组成Galileo的空间卫星星座。
卫星均匀地分布在高度约为23616km的3个轨道面上，每个轨道上有10颗，其中包括一颗备用卫星，轨道倾角为56°，卫星绕地球一周约14h22min，这样的布设可以满足全球无缝隙导航定位。
卫星的设计寿命为20年，每颗卫星都将搭载导航载荷和一台搜救转发器。
卫星发射采用一箭多星的发射方式，每次发射可以把5颗或6颗卫星同时送入轨道。
可以满足发射任务的运载火箭有Ariane-5、Soyue等。
ØBDS：
由3颗地球静止轨道卫星组成，两颗工作卫星定位于东经80°和140°赤道上空，另有一颗位于东经110.5°的备份卫星，可在某工作卫星失效时予以接替。
v地面部分
ØGPS：
地面控制部分由一个主控站,5个全球监测站和3个地面控制站组成。
监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。
监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。
主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3个地面控制站。
地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。
这种注入采取每颗GPS卫星每天一次的方式,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。
如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。
ØGLONASS：
GLONASS星座的运行通过地面基站控制体系（GCS）完成，该体系包括：
一个系统控制中心（Golitsyno-2,莫斯科地区）和几个分布于俄罗斯大部地区的指挥跟踪台站（CTS）。
这些台站主要用来跟踪GLONASS卫星，接收卫星信号和遥测数据。
然后由SCC处理这些信息以确定卫星时钟和轨道姿态，并及时更新每个卫星的导航信息，这些更新信息再通过跟踪台站CTS传到各个卫星。
ØGALILEO：
地面控制部分的两大功能包括导航控制与星座维护以及完好性监控。
地面控制部分的构成如下：
（1）两个控制中心（GCC）。
两个控制中心是地面控制部分的核心，分别位于法国和意大利。
GCC的功能是：
控制星座，保证卫星原子钟的同步，完好性信号的处理，监控卫星及由它们提供的服务，还有内部及外部数据的处理。
GCC由轨道同步与处理设施（OSPF），精确授时设施（PTF），完好性处理设施（IPF），任务控制设施 （MCF），卫星控制设施（SCF），服务产品设施（SPF）设施组成。
（2）GALILEO上行链路站（GUS）。
往返于卫星的数据将通过GALILEO上行链路站的全球网络来传输，其中每个GUS都综合了一个TT&C站和一个任务上行站（MUS）。
TT&C站上行链路通过S波段发射，MUS通过C波段发射。
（3）GALILEO监测站（GSS）网络。
分布在全球范围的GSS网络接收卫星导航信息（SIS），并且检测卫星导航信号的质量，以及气象和其他所要求的环境信息。
这些站收到的信息将通过GALILEO通信网（GCN）中继传输至两个GCC。
完好性信息是GALILEO与其他GNSS系统的主要区别。
（4）GALILEO全球通信网络。
利用地面和VSAT卫星链路，把所有地面站和地面设施连接起来。
ØBDS：
由中心控制系统和标校系统组成。
中心控制系统主要用于卫星轨道的确定、电离层校正、用户位置确定、用户短报文信息交换等。
标校系统可提供距离观测量和校正参数。
v用户部分
ØGPS：
用户设备部分即GPS信号接收机。
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。
当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。
根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。
接收机一般采用机内和机外两种直流电源。
设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。
在用机外电源时机内电池自动充电。
关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。
目前各种类型的接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。
ØGLONASS：
到1995年为止，俄罗斯已研制了两代用户设备（UE）。
第一代接收机只能用GLONASS来工作，与西方的同类GPS接收机相比，它偏大和偏重，有三种基本设计，即1通道、2通道和4通道接收机。
第二代接收机是5通道、6通道和12通道设计，采用了大规模集成电路和数字处理技术，而且民用接受机可用GPS和GLONASS两种系统来工作
ØGALILEO：
用户接收机及终端，其基本功能使在用户段实现Galileo系统所提供的各种卫星无线导航服务，它应具备下列功能：
（1）直接接收Galileo的SIS信号；
（2）拥有与区域和局域设施部分所提供服务的接口；
（3）能与其他定位导航系统（例如GPS）及通信系统（例如UMTS）互操作。
另外，Galileo接收机还具有通过集成标准化微芯片来实现其他功能的技术潜力。
例如，实现下列功能：
（1）将Galileo微型终端集成进入移动电话，使之具备定位导航功能；
（2）集成航空导航功能，使之应用于飞行器试验；
（3）集成进入车载导航平台，向驾驶员提供定位与交通监测服务。
Galileo卫星导航计划目前正处于来发和确认阶段，在2008年Galileo系统正式建成并进入商业运行之前，其体系界都还可能有所更新。
Galileo作为世界上第一个全球民用卫星导航定位系统，将对未来世界科技、经济发展产生重大影响，因而跟踪了解Galileo系统，对于我国将来更好地应用该系统，发展我国的科技与国民经济有着重要的意义。
ØBDS：
用户段端也就是用户的终端，北斗可以同时兼容其他卫星导航系统的接收机。
三、定位原理
ØGPS：
利用GPS进行定位的基本原理是空间后方交会（如图），即以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）的观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标（X，Y，Z）。
GPS定位的关键是测定用户接收机天线至GPS卫星之间的距离，分伪距测量和载波相位测量两种。
ØGLONASS：
GLONASS定位的原理是距离交会。
GLONASS卫星在任一时刻的位置可以通过卫星星历计算出来，理论上，只要知道用户到3颗卫星的距离，便可计算出用户的位置，但这要求卫星与用户以及卫星之间的时间同步精度极高，目前还不能完全满足，只好引入一个时间参数。
由于多了一个未知量，因此，实际定位时要至少接收4颗卫星的信号。
GLONASS卫星同时发射粗码（C/A码）和精码（P码），C/A码用于向民间提供标准定位，而P码用于俄罗斯军方高精度定位或科学研究。
ØGALILEO：
被动式，有源无线电测距定位技术。
ØBDS：
在空间中若已经确定A、B、C三点的空间位置，且第四点D到上述三点的距离皆已知的情况下，即可以确定D的空间位置，原理如下：
因为A点位置和AD间距离已知，可以推算出D点一定位于以A为圆心、AD为半径的圆球表面，按照此方法又可以得到以B、C为圆心的另两个圆球，即D点一定在这三个圆球的交汇点上，即三球交汇定位。
北斗的试验系统和正式系统的定位都依靠此原理。
四、特点
ØGPS：
GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称
ØGLONASS：
GLONASS与GPS有许多不同之处：
一是卫星发射频率不同。
GPS的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。
而GLONASS采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。
由于卫星发射的载波频率不同，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。
二是坐标系不同。
GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PE-90）。
三是时间标准不同。
GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。
ØGALILEO：
1.全天候、全球无缝覆盖
2.独立于美国，受欧洲控制的民用卫星导航定位系统
3.定位精度高于其它导航星座
4.导航定位服务多样性
5.具有地面与卫星通信能力，提供救援和搜索服务
6.系统开放性
7.系统管理民间性
ØBDS：
北斗最大的特点，就是把导航与通信紧密结合起来，这是其他导航系统所不具备的。
比如沙漠、草原等地方，手机无法使用，北斗的这些特点就能发挥重要作用。
2008年汶川地震，重灾区通信中断。
救援部队持北斗终端设备进入，利用其短报文功能突破通信盲点，与外界取得了联系。
同时管理中心则通过位置报告功能，随时掌握着每一个终端所处的位置。
而且北斗首次集纳多种轨道设计于一身，这样的混合轨道能提供更多可见卫星，可支持更长的连续观测时间和更高精度。
五、发展现状
ØGPS：
当前，GPS产业已经成为国际上八大无线产业之一，也是目前世界上发展最快的三大信息产业之一，世界各国都在瞄准这一巨大市场。
从产品结构上看，当前GPS应用市场最红火的是车辆导航、消费产品和跟踪监控，尤其以车辆导航所占份额为最多。
2002年，全球车辆导航产品的产值为近40亿美元，约占GPS产品总值的35.4％左右。
2002年底，在日本装有导航系统的车辆保有量超过了700万台。
2002年日本的车载GPS导航仪产量，达到300万套，年增长率为33．3％。
北美和欧洲的车载导航仪的销量在2002年内达到200万套，基本是每年都以翻一番的速度增长。
为了能使GPS更好地满足军事、民间和商业用户不断增长的应用需求，美国决定用先进技术改进和完善GPS系统。
ØGLONASS：
Glonass-K卫星是完全基于非压力式平台的新型卫星，使用寿命达到十年，该型号卫星完成后，Glonass系统将与GPS不相上下，用户可以使用两套系统。
系统目前使用的卫星为两种型号卫星——Glonass卫星与其升级型号Glonass-M。
Glonass-M卫星使用寿命更长，为七年，装有先进的天线馈电系统，并为民用客户增加了一个额外的导航频率。
Glonass系统为军民两用而设计，可使用户实时标明位置。
在2007联邦预算中共分配给Glonass3.8亿美元，2006年则为1.81亿美元。
GALILEO：
伽利略卫星导航系统是欧盟和欧洲空间局正在建设中的项目，以天文学家伽利略的名字命名，初衷是为欧洲国家提供一个独立于美国GPS和俄罗斯格洛纳斯之外的高精度定位导航系统，使欧盟在卫星导航问题上摆脱对美国和俄罗斯的依赖，实现自主独立。
伽利略系统的技术水平将高于GPS和格洛纳斯。
比如，其精度甚至可以达到一米级别。
伽利略系统分为基本版和高精度版，前者将是免费的，后者则提供给付费的商业用户以及用于军事用途，该系统在极端情况下，会因为军事原因而对某些用户关闭。
2003年5月，欧盟和欧洲空间局正式批准伽利略项目第一阶段，最初预计2012年开始运行，但这一日期已被屡次推迟。
现在的计划是2019年全部建成。
伽利略计划遇到的最大问题是缺钱。
该计划提出之初，欧盟和欧洲空间局的设想是，该项目的三分之二资金由私人投资者提供，其余三分之一由欧盟和欧洲空间局分担。
但私人投资迟迟不到位，而项目预算则从最初的77亿欧元飙升到200多亿欧元。
如果资金问题没有得到彻底解决，伽利略系统的全面建成时间还有可能会继续推迟。
ØBDS：
2000年以来，我国已成功发射了3颗“北斗导航试验卫星”建成北斗导航试验系统。
这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。
2006年,中国政府发表了《中国的航天》白皮书，特别提到了完善“北斗”导航试验卫星系统，启动并实施“北斗”卫星导航系统计划。
发展卫星导航、定位与授时的自主应用技术和产品，建立规范的、与卫星导航定位相关的位置服务支撑系统、大众化应用系列终端，扩展应用领域和市场。
通过“卫星导航应用产业化”等重大工程项目的实施，利用国内外导航定位卫星，在卫星导航定位技术的开发、应用与服务方面取得长足进步。
目前，我国第二代卫星导航系统已开始正式立项建设，并列入国家重点建设项目。
在建的北斗卫星导航系统由空间卫星系统、地面运控系统和用户应用系统三大部分组成。
由5颗静止地球轨道（GEO）卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。
开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，授时精度为50ns，测速精度达到0.2m/s。
授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
地面运控系统由主控站、注入站和监测站等若干个地面站构成；用户端由北斗用户终端和与GPS、GLONASS、伽利略其他导航系统兼容的终端组成。
用户应用系统包括所有服务于陆、海、空、天等不同用户、不同性能的各种谱型用户设备，主要任务是接收卫星发射的导航信号，实现用户的导航定位、定时、测速和报文通信。
时间：
2021.03.09
创作：
欧阳法
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