04-1.2 卫星导航起源与发展

认识卫星导航卫星导航起源与发展主讲教师：程建华
010203
目录
O N T E N T S
C
卫星导航的起源第一代卫星导航系统第二代卫星导航系统
➢卫星导航系统的起源
第一颗人造卫星
1957年10月4日前苏联将第一颗人造地球卫星Sputnik送入了轨道，开启了空间科学技术发展的新时代。

Sputnik-I卫星及其发射
➢卫星导航系统的起源
50年代末：
◆前苏联将第一颗人造地球卫星Sputnik 送入了轨道。

◆美国约翰 霍普金斯大学应用物理实验室的Guier W. H.博士和Weiffenback G. C.博士提出可以利用多普勒频移现象对卫星进行定轨。

◆卫星导航的诞生源于逆向思维的运用：
测站位置
卫星位置
Guier W. H.& Weiffenback G. C.
Frank McClure & Richard Kershner
该实验室的另两位科学家，Frank McClure 和Richard Kershner 博士提出可以利用卫星的多普勒频移现象对用户进行定位。

➢第一代卫星导航系统—多普勒导航系统
◆基于多普勒效应定位原理。

◆1958年~1964年建成，1967年提供民用，1996年底结束使命。

◆6颗低轨卫星运行于圆形极轨道。

子午仪导航星座
➢子午仪卫星导航系统(Transit)－美国
在子午仪卫星导航系统的启发下，前苏联海军于1965年开始建立了与
NNSS 系统相似的CICADA 卫星导航系统，也称为Tsikada 系统。

➢CICADA －前苏联
建立初衷：解决北极星潜艇的全球导航问题。

又名：海军卫星导航系统(Navy Navigation Satellite System, NNSS)。

➢第一代卫星导航系统—多普勒导航系统
➢第一代卫星导航系统的不足
◆卫星数量少(6~12颗)，不能实时定位；
◆卫星轨道高度低（~1000km），卫星定轨精度差；
◆信号频率低(~150MHz和400MHz)，难以有效补偿电离层折射影响，定位精度差；
◆大地测量应用需连续观测3-7天，观测时间长；
◆无三维定位能力（卫星数量少，可见时间少）。

➢第一代卫星导航系统的历史意义
子午仪卫星导航系统的诞生预示着经典的导航定位技术面临着一场重大变革，在导航技术发展中具有划时代的历史意义。

➢第二代卫星导航系统
第二代卫星导航系统设计克服了第一代卫星导航系统的缺点。

主要具有以下特点：
◆信号载波频率提升。

◆卫星数量增加。

◆提升卫星轨道高度。

◆采用测时-测距体制。

正是由于这些改进，使得第二代卫星导航系统具有高精度、连续、实时、全天候和全球三维定位的特性。

➢第二代卫星导航系统
➢GPS（美国）
英文全称：Navigation Satellite Timing And Ranging/Global
Positioning System，NA VSTAR GPS）
➢GLONASS（俄罗斯）
英文全称：Global Navigation Satellite System
➢BDS（中国）
英文全称：Beidou Navigation Satellite System
➢Galileo（欧盟）
英文全称：Galileo Global Navigation Satellite System
➢区域卫星导航系统(RNSS)
英文全称：R egional N avigation S atellite S ystem
➢星基增强系统(SBAS)
英文全称：S atellite B ased A ugmentation S ystems
➢第二代卫星导航系统
GPS
1991年GPS 在海湾战争中大放异彩，海湾战争的胜利被归结为“GPS 的胜利”，自此，卫星导航开始得到全世界的广泛关注。

GPS Block I
GPS BlockⅡ
GPS BlockⅡA
1973年美国国防部（DoD ）批准由十个单位组成联合计划局，充分吸收美国海军提出“Timation”计划和空军提出的“621B”计划的优点提出建设全球定位系统NA VSTAR GPS ，实现全球、全天候、连续实时高精度的授时、导航和定位。

➢建设周期：1978-1995
➢卫星星座：24颗卫星分布在6个轨道上
➢轨道高度：距地球表面20200km ➢运行周期：11小时58分钟
Rockwell
Block I Boeing (Rockwell)
Block II/IIA Lockheed Martin
Block IIR Lockheed Martin
Block IIR-M Boeing
Block IIF Lockheed Martin
Block III
•L1 (C/A) 导航信号
•L1 & L2 (P Code)导航信号•5 年设计寿命
•标准定位服务•单频(L1)•C/A 码导航•精密定位服务•双频(L1 & L2)•P (Y) 码导航•7.5 年设计寿命
Demonstration system Basic GPS
Provides Initial Navigation Capabilities IIA/IIR Capabilities “Plus”•第二民用信号L2 (L2C)•全球覆盖
•M-Code on L1/L2•L5 验证
•灵活的抗干扰机制•7.5 年设计寿命
IIR -M Capabilities “Plus”•第三民用信号L5•可编程导航处理器•提升精度
•10 年设计寿命
IIF Capabilities “Plus”IIIA
•提升精度
•增加地面覆盖信号功率•15 年设计寿命
•
第四民用信号(L1C)
IIIB
•实时通信
IIIC
•导航完好性
•点波束发射抗干扰
1978 -1985
1989 –1997
1997-2004
2005 -2009
2010-2013
2014-2024
11 (10) Satellites
28 Satellites 13 (12) Satellites 8 Satellites
12 Satellites
32 Satellites
Increasing Space System Capabilities –Increasing Military/Civil User Benefits
➢第二代卫星导航系统
GPS 现代化
⚫卫星寿命延长⚫更高的定位精度和抗干扰能力
⚫新的信号体制
⚫先进的原子钟
GPS
➢第二代卫星导航系统◆1985年美国国防部批准的GPS 用户政策指出：GPS 系统将对有适当装备用户提供三维导航定位、测速和授时。

系统同时发射两种导航信息允许进行两种精度等级的定位，从精密定位服务（PPS ）可以获得高精度，从标准定位服务（SPS ）可以获得较低精度。

◆GPS 卫星分别于1991年7月1日和1994年1月1日被全部实施SA （即选择可用性，Selective Availability ）和AS （即反电子诱骗，Anti-Spoofing ）技术，2000年5月2日开始取消了SA 限制。

◆1996年3月，美国总统签署新的GPS 国家政策，目的在于加强和维护美国的国家安全，促进GPS 获得国际接受，拓展GPS 的商用市场，巩固GPS 的世界领先地位。

GPS 的用户政策
GPS
➢第二代卫星导航系统GLONASS
➢建设周期：1982~1996年
➢卫星星座：24颗卫星分布在3个轨道上
➢轨道高度：距地球表面19100km
➢运行周期：11小时15分钟
GLONASS在G1和G2两个频段上发射信号，提供标准定位服务和精密定位服务。

GLONASS卫星GLONASS GLONASS-M GLONASS-K GLONASS-K2GLONASS-KM 有效工作年限 4 year7 year10 year-12 year 电源供电1000W1450W1270W-3000W
导航有效载荷180kg250kg260kg--
导航有效载荷功耗600W580W750W--时钟稳定性5×10-13s1×10-13s1×10-13s5×10-15s-
计划发射时间1982~20052003~20162011~201820192025
➢开始时间：2002年
➢增加卫星数量，开展新型卫星的研制工作➢地面控制部分的改进➢星基增强系统
第一阶段：2007年以前，补充GLONASS 卫星。

第二阶段：星座升级。

开发新一代改进型GLONASS-M 卫星，在2008年以前使在轨卫星总数达到18颗，信号覆盖全球，全面恢复GLONASS 系统的服务，并使垂直定位精度优于30m 。

第三阶段：利用小卫星GLONASS-K ，GLONASS-KM 进行星座升级。

信号体制逐步从频分多址FDMA 过渡到码分多址CDMA 。

➢第二代卫星导航系统
GLONASS
GLONASS 现代化
➢第二代卫星导航系统
◆1983年，卫星导航先驱陈芳允院士提出利用两颗同步定点卫星
进行导航定位的设想；
◆1994年国家批准建设“北斗一号”卫星导航定位系统；
北斗
RDSS
RNSS ①
②
③
北斗卫星导航系统的三步走发展战略：
3 GEO+2
4 MEO+3 IGSO
北斗卫星导航系统的三步走发展战略：
启动北斗一号系统工程建设
发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能
发射2颗地球静止轨道卫星，建成系统并投入使用。

为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信报务
1994年2000年
2003年
①北斗一号试验系统
完成14颗卫星发射组网。

为亚太地区用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务
启动北斗二号系统工程建设
2004年
2012年年底
②北斗二号
启动北斗全球系统工程建设
面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务
完成30颗北斗工作卫星的发射组网，为全球用户提供服务
2009年
2018年2020年前后
③北斗三号
➢第二代卫星导航系统
北斗
GEO IGSO
MEO 5 GEO+5 IGSO+4 MEO
2 GEO 中国
亚太
全球
服务范围：
卫星星座：
➢第二代卫星导航系统Galileo
➢建设周期：2005~2020？
➢卫星星座：30颗卫星分布在3个轨道上
➢轨道高度：23616km
➢运行周期：14小时4分钟
➢2018年在轨卫星数：22
➢星基增强系统--SBAS
ARTEMIS
GPS/GLONASS/
BDS/Galileo
MTSAT
INMARSAT
INMARSAT
EGNOS
MSAS
WAAS
GAGAN
◆技术实质：SBAS 是星基广域差分技术、完好性监测和GEO 卫星测距三种技术的结合。

◆实现方式：通过GEO 卫星向用户广播测距信号、广域差分修正信息和完好性信息。

◆作用：增强全球性系统在某一
区域内的精度、完好性、连续性和可用性。

①美国WAAS(3) ②日本MSAS(2) ③欧盟EGNOS(3)④印度GAGAN(2) ⑤俄罗斯SDCM(3)⑥中国的BDSBAS 。

WAAS(美国)GAGAN(印度)EGNOS(欧盟)MSAS（日本）全称广域增强系统GPS辅助地理增强系统欧洲静地卫星导航重叠服务多功能运输卫星增
强系统
组织机构美国美国联邦航空局印度机场管理局和印度空
间研究组织
欧盟、欧洲空间局和欧洲航
行安全局
日本运输省主持研
制
覆盖范围北美和墨西哥
周边地区整个印度空域欧洲日本
精度水平1.6米，垂直2米原定7.6米，试验时平均
精度水平方向小于1米，
垂直方向略大于1米
定位精度< 3m定位精度< 3m
发展1994年立项，2007年
7月10日初始运行，
为全美11000多个机
场提供导引能力
2006年7月4日
印度政府批准
1994年由ECAC提出。

1998
年11月开始实施，2002年5
月进入研发和验证阶段。

目
前，系统已投入使用
2004年1月开始建
立，2007年初达到
初步操作能力
➢星基增强系统--SBAS
卫星导航的概念
WAAS
GPS
EGNOS
SDCM
GLONASS
BDS
QZSS
MSAS
IRNSS
GAGAN
Galileo
Beidou-I
➢区域卫星导航系统
010203
目录
O N T E N T S
C
卫星导航的起源第一代卫星导航系统第二代卫星导航系统。