GPS、GALILEO、BDS、GLONASS四大卫星定位系统的论述

ＧPS、GALＩLEO、BDＳ、ＧＬONASS四大卫星定位系统得论述
一、基本介绍
➢GPS
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度得轨道面上。

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。

➢GLONASS
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、
➢GAＬILEO
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度得轨道平面内;
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。

➢BＤS
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年与20０３年发射成功。

二、系统组成
❖空间部分
➢GPS:GＰS得空间部分就是由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得上空,均匀分布在６个轨道面上(每个轨道面4 颗),轨道倾角为55°。

卫星得分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上得卫星,并能在卫星中预存导航信息,GPS得卫星因为大气摩擦等问题;随着时间得推移,导航精度会逐渐降低➢GLＯNASS:ＧＬONASS系统采用中高轨道得２4颗卫星星座,有21颗工作星与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°。

➢GＡＬIＬEＯ:如下图所示,3０颗中轨道卫星(MEO)组成Galilｅo得空间卫星星座。

卫星均匀地分布在高度约为2361６kｍ得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,这样得布设可以满足全球无缝隙导航定位、卫星得设计寿命为2０年,每颗卫星都将搭载导航载荷与一台搜救转发器。

卫星发射采用一箭多星得发射方式,每次发射可以把5颗或6颗卫星同时送入轨道。

可以满足发射任务得运载火箭有Aｒiane—５、Ｓoｙｕe等。

➢BDＳ: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°与14０°赤道上空,另有一颗位于东经110.５°得备份卫星,可在某工作卫星失效时予以接替。

❖地面部分
➢GPS:地面控制部分由一个主控站,5个全球监测站与3个地面控制站组成。

监测站均配装有精密得铯钟与能够连续测量到所有可见卫星得接收机、监测站将取得得卫星观测数据,包括电离层与气象数据,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,计算出卫星得轨道与时钟参数,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GP Ｓ卫星每天一次得方式,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后得注入。

如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存得导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

➢GLONAＳＳ:GＬOＮASS星座得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)与几个分布于俄罗斯大部地区得指挥跟踪台站(CTS)、这些台站主要用来跟踪GLONＡSＳ卫星,接收卫星信号与遥测数据。

然后由SＣＣ处理这些信息以确定卫星时钟与轨道姿态,并及时更新每个卫星得导航信息,这些更新信息再通过跟踪台站CＴS传到各个卫星。

➢GAＬＩLＥＯ:地面控制部分得两大功能包括导航控制与星座维护以及完好性监控。

地面控制部分得构成如下:
(1)两个控制中心(GCC)。

两个控制中心就是地面控制部分得核心,分别位于法国与意大利、GCC得功能就是:控制星座,保证卫星原子钟得同步,完好性信号得处理,监控卫星及由它们提供得服务,还有内部及外部数据得处理。

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)。

往返于卫星得数据将通过GALＩLEO上行链路站得全球网络来传输,其中每个GＵS都综合了一个ＴＴ＆C站与一个任务上行站(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。

分布在全球范围得GSS网络接收卫星导航信息(SIS),并且检测卫星导航信号得质量,以及气象与其她所要求得环境信息。

这些站收到得信息将通过GAＬILEＯ通信网(GCＮ)中继传输至两个GCC。

完好性信息就是GALILEＯ与其她GＮSS系统得主要区别。

(4)ＧALILEO全球通信网络。

利用地面与VSAT卫星链路,把所有地面站与地面设施连接起来。

➢BDＳ:由中心控制系统与标校系统组成、中心控制系统主要用于卫星轨道得确定、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与校正参数。

❖用户部分
➢GＰS:用户设备部分即GPS 信号接收机、其主要功能就是能够捕获到按一定卫星截止角所选择得待测卫星,并跟踪这些卫星得运行、当接收机捕获到跟踪得卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星得伪距离与距离得变化率,解调出卫星轨道参数等数据。

根据这些数据,接收机中得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得经纬度、高度、速度、时间等信息。

接收机硬件与机内软件以及GPS数据得后处理软件包构成完整得ＧPＳ用户设备。

GPS 接收机得结构分为天线单元与接收单元两部分。

接收机一般采用机内与机外两种直流电源、设置机内电源得目得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RA Ｍ存储器供电,以防止数据丢失。

目前各种类型得接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。

➢GLOＮASS: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,与西方得同类GＰS接收机相比,它偏大与偏重,有三种基本设计,即1通道、２通道与4通道接收机。

第二代接收机就是5通道、6通道与１2通道设计,采用了大规模集成电路与数字处理技术,而且民用接受机可用ＧPＳ与ＧＬＯNASS两种系统来工作
➢GALILEO: 用户接收机及终端,其基本功能使在用户段实现Gaｌileｏ系统所提供得各种卫星无线导航服务,它应具备下列功能:
(1)直接接收Galilｅo得SIＳ信号;
(2)拥有与区域与局域设施部分所提供服务得接口;
(3)能与其她定位导航系统(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她功能得技术潜力、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与确认阶段,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,发展我国得科技与国民经济有着重要得意义。

➢ＢDS:用户段端也就就是用户得终端,北斗可以同时兼容其她卫星导航系统得接收机。

三、定位原理
➢GPS:利用ＧPS进行定位得基本原理就是空间后方交会(如图),即以GPS卫星与用户接收机天线之间得距离(或距离差)得观测量为基础,根据已知得卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应得点位,即待定点得三维坐标(X,Ｙ,Z)。

GPS定位得关键就是测定用户接收机天线至GPS卫星之间得距离,分伪距测量与载波相位测量两种、
➢GＬONAＳＳ:ＧLＯNＡＳS定位得原理就是距离交会。

GLＯNＡSS卫星在任一时刻得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颗卫星得距离,便可计算出用户得位置,但这要求卫星与用户以及卫星之间得时间同步精度极高,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颗卫星得信号。

GLＯNAＳS卫星同时发射粗码(Ｃ/A码)与精码(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。

➢GAＬILEO:被动式,有源无线电测距定位技术、
➢BDS:在空间中若已经确定A、B、C三点得空间位置,且第四点D到上述三点得距离皆已知得情况下,即可以确定D得空间位置,原理如下:因为A点位置与AD间距离已知,可以推算出Ｄ点一定位于以A为圆心、AＤ为半径得圆球表面,按照此方法又可以得到以
B、C为圆心得另两个圆球,即D点一定在这三个圆球得交汇点上,即三球交汇定位。

北
斗得试验系统与正式系统得定位都依靠此原理。

四、特点
➢ＧＰS: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
➢GLONＡSS:
GLONASＳ与GPS有许多不同之处:一就是卫星发射频率不同。

GPS得卫星信号采用码分多址体制,每颗卫星得信号频率与调制方式相同,不同卫星得信号靠不同得伪码区分、而GＬＯNASＳ采用频分多址体制,卫星靠频率不同来区分,每组频率得伪随机码相同。

由于卫星发射得载波频率不同,GＬONASＳ可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰,因而,具有更强得抗干扰能力。

二就是坐标系不同。

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)。

三就是时间标准不同、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。

➢GALIＬＥO:
1.全天候、全球无缝覆盖
2.独立于美国,受欧洲控制得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,提供救援与搜索服务
6.系统开放性
7.系统管理民间性
➢BDS:北斗最大得特点,就就是把导航与通信紧密结合起来,这就是其她导航系统所不具备得、比如沙漠、草原等地方,手机无法使用,北斗得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得位置。

而且北斗首次集纳多种轨道设计于一身,这样得混合轨道能提供更多可见卫星,可支持更长得连续观测时间与更高精度。

五、发展现状
➢GPＳ:
当前,GPＳ产业已经成为国际上八大无线产业之一,也就是目前世界上发展最快得三大信息产业之一,世界各国都在瞄准这一巨大市场。

从产品结构上瞧,当前GPS应用市场最红火得就是车辆导航、消费产品与跟踪监控,尤其以车辆导航所占份额为最多。

20０2年,全球车辆导航产品得产值为近40亿美元,约占ＧPS产品总值得35、４%左右。

2002年底,在日本装有导航系统得车辆保有量超过了70０万台。

2002年日本得车载GＰS导航仪产量,达到3００万套,年增长率为３３.3％、北美与欧洲得车载导航仪得销量在２002年内达到2０0万套,基本就是每年都以翻一番得速度增长。

为了能使ＧＰS更好地满足军事、民间与商业用户不断增长得应用需求,美国决定用先进技术改进与完善GPＳ系统。

➢GLONASS:
Glonass-K卫星就是完全基于非压力式平台得新型卫星, 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。

系统目前使用得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,装有先进得天线馈电系统,并为民用客户增加了一个额外得导航频率。

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Gl ｏnass 3。

8亿美元,200６年则为1、8１亿美元。

GALＩLＥＯ:伽利略卫星导航系统就是欧盟与欧洲空间局正在建设中得项目,以天文学家伽利略得名字命名,初衷就是为欧洲国家提供一个独立于美国GPＳ与俄罗斯格洛纳斯之外得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与俄罗斯得依赖,实现自主独立。

伽利略系统得技术水平将高于ＧPS与格洛纳斯。

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与高精度版,前者将就是免费得,后者则提供给付费得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,欧盟与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、现在得计划就是2019年全部建成、
伽利略计划遇到得最大问题就是缺钱。

该计划提出之初,欧盟与欧洲空间局得设想就是,该项目得三分之二资金由私人投资者提供,其余三分之一由欧盟与欧洲空间局分担、但私人投资迟迟不到位,而项目预算则从最初得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,伽利略系统得全面建成时间还有可能会继续推迟。

➢BDＳ:
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得定位、授时与GＰＳ广域差分功能,并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火与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《中国得航天》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、定位与授时得自主应用技术与产品,建立规范得、与卫星导航定位相关得位置服务支撑系统、大众化应用系列终端,扩展应用领域与市场。

通过“卫星导航应用产业化”等重大工程项目得实施,利用国内外导航定位卫星,在卫星导航定位技术得开发、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。

在建得北斗卫星导航系统由空间卫星系统、地面运控系统与用户应用系统三大部分组成。

由５颗静止地球轨道(GEＯ)卫星与30颗非静止轨道卫星组成,提供两种服务方式,即开放服务与授权服务。

开放服务就是在服务区免费提供定位、测速与授时服务,定位精度为１0m,授时精度为５０ns,测速精度达到０、2m/s。

授权服务就是向授权用户提供更安全得定位、测速、授时与通信服务以及系统完好性信息。

地面运控系统由主控站、注入站与监测站等若干个地面站构成;用户端由北斗用户终端与与ＧＰS、GLONASS、伽利略其她导航系统兼容得终端组成。

用户应用系统包括所有服务于陆、海、空、天等不同用户、不同性能得各种谱型用户设备,主要任务就是接收卫星发射得导航信号,实现用户得导航定位、定时、测速与报文通信。