GNSS系统综述Word文档格式.docx

1、 刘俊1503053 张定鹏 宋晓羽 高永胜完成日期： 2016年4月7日 第一章GNSS系统组建与发展GNSS系统：GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写。中文译名应为全球导航卫星系统。目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯）、欧盟的Galileo（伽利略）系统、中国的Compass（北斗），全部建成后其可用的卫星数目达到100颗以上。GPS 已有完整的星座, 是目前应用最广、最主要的系统。随着科技飞速进步, GNSS 观测系统与数据处理技术的发展日新月异, 不断取得新的重大进展。1.1 GNSS的前身GPS的前身是美

2、国军方研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于19

3、67年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道，该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所

4、以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。 最初的GPS计划在美国联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作

5、星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。这也是GPS卫星所使用的工作方式。GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达10米内。1.2 GNSS系统的演变说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在，伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：GNSS。当前，在这一领域最吸引人眼球的除

6、了GPS外，就是欧盟和我国合作的“伽利略”导航卫星系统。“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成，2008年投入使用，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。“伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为1米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。按计划，首批两枚实验卫星将于2005年末和2006年发射升空。1.3 GNSS系统

7、发展的背景2003年的欧洲，处处弥漫着反美反战情绪。美国执意执行单边主义外交政策，不顾国际社会反对，悍然发动伊拉克战争，欧洲人感受到了“单极世界”引起的潜在危险。时任法国总统希拉克，主张建立“多极化世界”，他的呼声得到时任德国总理施罗德的坚决支持。在这样的背景下，欧盟决定把中国纳入欧盟2002年就已启动的“伽利略”计划中，中国成为第一个非欧盟的参与国。消息传开，震惊美国。 一直以来，美国的全球卫星定位系统GPS在民用导航领域独步天下，即便同时代有俄罗斯的“格洛纳斯”系统与之竞争，但“格洛纳斯”年久失修，导航卫星残缺不全，早已淡出国际市场，根本不具备与GPS一比高下的能力。欧盟发起的“伽利略”全

8、球卫星导航计划，被认为是结束美国“独霸”局面的最有力挑战。按设计，“伽利略”将一共由30颗“中轨道”和“静轨道”导航卫星覆盖全球，其定位精度超过了GPS，在兼容性和精确度等设计方面也优于GPS。为了打破GPS的垄断地位，“伽利略”的“公共管理服务”系统拟使用的频率故意选择了与美国GPS相近的频率，这样的安排有可能冲淡GPS的频道效果，令美国人坐立不安。早在几年前，中国在区域卫星导航和定位系统上已有长足发展，2000年相继发射了两颗静地轨道的导航实验卫星，2003年4月又发射了第三颗“静轨道”卫星，基本形成了覆盖全中国的区域导航和定位系统，这一系统被称为“北斗”一号。 当时的“北斗”系统尚属实验

9、开发阶段，其技术参数落后于GPS，也落后于2002年欧盟决定启动的“伽利略”系统，而且更重要的一点是，“北斗”一号只属于区域性，其商用价值并不高。在这样背景下，欧洲人主动“邀请”中方加入全球卫星导航系统，中方欣然受之，双方一拍即合。 欧洲把中国纳入，不仅使欧洲一些国家的领导人赚足了政治资本，也使“伽利略”计划捉襟见肘的财政状况得到极大缓解，更给“伽利略”进入中国诱人的市场打下了基础。2003年底，在中方实际完成了区域导航系统“北斗”一号之后，中欧草签合作协议。2004年中欧正式签署技术合作协议，中方承诺投入2.3亿欧元的巨额资金，第一笔7000万欧元的款项很快就打到欧方账户上。 中国与欧盟合作

10、，既有战略利益也有实际的好处。有人评论，中欧在高端技术上的合作，实质上打破了美国主导的欧洲对华武器禁运，也相当于废弃了针对中国这样特定国家的欧美武器贸易条例（ITAR），为最终从法律层面解除对华武器禁运撕开了一个口子。由于卫星导航在现代战争中扮演越来越重大的角色，美国甚至扬言，美国如感觉受到威胁，则有权击毁“伽利略”卫星。 2005年，“伽利略”首颗“中轨道”实验卫星“GLOVE-A”搭乘俄罗斯“联盟”号运载火箭顺利升空。虽然这只是一颗实验性卫星，并非是要最终布置的30颗导航卫星之一，但“GLOVE-A”的发射，标志着欧盟“伽利略”计划从设计向运转方向转变。 然而，进入2005年，欧洲政治开始

11、转向，之前“亲华”的德国总理施罗德黯然退隐，由来自右翼政党的亲美政治家默克尔担任德国新总理，而法国也进入了领导人交替的时代，希拉克的影响力逐渐下降，亲美政治人物尼古拉萨科齐于2007年开始担任法国总统。 亲美政治人物纷纷上台，给欧盟致力于建立“多极世界”的愿望变得暗淡，欧洲迅速向美国靠拢。在这样的背景下，欧洲航天局与美国“修好”，同意修正之前拟定的与美国GPS相近的发射频率，以便投入使用后产生信号冲突的可能性降至最低限度。但这样的技术重新修正，却花掉了预算之外的一大笔钱。作为回报，美国同意在技术上支持“伽利略”的开发。 恰恰在这个时候开始，欧盟为“伽利略”计划的财政和利益分配吵成一团。也是从这

12、个时候开始，欧盟开始排挤中国。 眼看着投入巨额资金，却得不到与之相称的对待，甚至待遇还低于没有投入一分一厘的其他非欧盟国家，如印度等国，令中国大为不满。中国不但进不到“伽利略”计划的决策机构，甚至在技术合作开发上也被欧洲航天局故意设置的障碍所阻挡，中方除了挂得一个参与人的“好名声”之外，其他一无所得，反而要担负巨额资金投入，这样的“结局”令中方十分不满。 在此背景下，中国开始把注意力转移到沉寂数年的“北斗”系统上。2007年发射的第四颗“北斗”一号导航卫星，替换了退役的卫星，“北斗”系统开始激活。到2007年底，中国成功发射了第一颗“中轨道”导航系统，标志着“北斗”系统在技术和规划上的重大突破

13、。 本来中国诚心与欧盟合作，一开始就定位“北斗”为区域导航系统，给“伽利略”计划留下了毫无保留的施展空间。但是，事与愿违，欧方“骨子里”并没有放弃轻视中国、压制中国的心态，合作不到几年，短暂的“蜜月期”一过，中欧双方就合作开发问题常生冲突，中国抽身离去，留下为经费吵成一团的欧盟各国。由于实质参与欧洲“伽利略”卫星导航系统受挫，中国决定“单干”。2006年11月，中国对外宣布，将在今后几年内发射导航卫星，开发自己的全球卫星导航和定位系统，到2007年底，有关覆盖全球的“北斗”二号系统计划已经浮出水面。 此时，欧盟还在内耗中没有脱开身。直到2008年4月27日，“伽利略”系统的第二颗实验卫星才升空

14、，此时距上次发射已经有差不多四年时间，这样的进度，比最初的计划推迟了整整五年。 “北斗”二号横空出世，不仅使欧洲“伽利略”系统准备与美国GPS一争高下的愿望大打折扣，也冲淡了“伽利略”未来的市场前景。“北斗”二号在技术上比“伽利略”更先进，定位精度甚至达到0.5米级，令欧洲人深受震撼。另一方面，之前“伽利略”计划的推出，刺激了美国和俄罗斯加快技术更新，新一代GPS和新一代“格洛纳斯”的定位精度等技术指标均很快反超“伽利略”，“伽利略”逐渐丧失了技术相对领先的优势。为转变被动局面，欧洲人别无他法，只有增加财政投入，而此时欧洲航天局为了排挤中国，已经以法律形式规定所有开发资金均来源于欧盟公共资金，

15、这就意味着，要想增大投入，还得在内部无休止地“吵”下去。 欧洲人开始酸溜溜地说，中国“北斗”二号的技术“偷窃”自欧盟“伽利略”计划，这样的无聊之辞已经成为欧洲人自大自负又一例证。出于战略的需要，中国并没有完全放弃与欧盟“伽利略”计划的合作，但这已经不能阻挡中国推出自主全球导航系统的步伐。 按照国际电信联盟通用的程序，中国已经向该组织通报了准备使用的卫星发射频率，这一频率正好是欧洲“伽利略”系统准备用于“公共管理服务”的频率。频道是稀有资源。占得先机的美国和俄罗斯分别拥有最好的使用频率，中国所看中的频率被认为是美国和俄罗斯之后的“次优”频率。按照“谁先使用谁先得”的国际法原则，中国和欧盟成了此频

16、率的竞争者。然而，中国将在2009年发射三颗“北斗”二代卫星，正式启用该频率，而欧盟连预定的三颗实验卫星都没有射齐，注定要在这场“出乎意料”的竞赛中败下阵来，从而失去对频率的所有权。第二章GNSS系统优势分析第2章 2.1 GNSS系统功能分析GNSS代表了导航系统的未来发展趋势，已经作为标准导航设备被纳入到民用航空的范畴。对GNSS的导航性能要求，在航空电信（ICAO ANNEX10）中有明确规定。国际民航组织规定的GNSS作为PBN运行的一种重要导航系统，主要包括美国的GPS和俄罗斯的GLONASS的核心和增强系统。正在建设当中的欧洲的Galileo和中国“北斗（COMPASS）”，国际民航组织计划加入到GNSS系统