各类卫星星座系统

一个主控站，5
GPS星座



卫星距地面2万公里（20200km）倾斜圆轨道上的24颗卫星 组成，旋转周期为12小时。 由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成，每个轨道平面 上有4颗卫星，与赤道成55度的相同方向运行，空间间隔为 90度，3颗为活动的备用卫星。 每颗卫星大约5小时在地平线以上，同时位于地平线以上的 最少4颗，最大11颗，一般可观察到6-9颗。 卫星上的核心设备是高精度铯原子钟（稳定度为10-13~1014），具有抗辐射性能，它发射标准频率信号，为GPS定 位提供高精度的时间标准。
差分校正和监测系统（SDCM）

俄罗斯的SDCM增强系统的空间段由三颗 GEO卫星——“射线”（Luch或Loutch）卫星 组成，分别为Luch-5A、Luch-5B和Luch-4。 “射线”卫星是苏联/俄罗斯民用数据中继卫 星系列，第一颗卫星“Luch-5A”，于2011年 发射到西经16°的轨道位置，第二颗卫星 “Luch-5B”，于2012年发射到东经95°的轨 道位置。到了2014年，随着第三颗卫星 “Luch-4”发射到东经167°轨道位置， SDCM的空间段将部署完成。
GLONASS与GPS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。 随着GLONASS与GPS的合作，地理坐标和时间误差以逐步 消失，新的GLONASS也将采用码分多址
CA码


C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz 的伪随机噪声码（PRN码），其码长为1023位（周期为1ms ）。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它 们的PRN号来区分它们。 C/A码是Gold码，码长1023，频率1.023MHz，重复周期1 毫秒，码间距1微秒，相当于300m。

GPS全球卫星定位系统由三部分组成：
空间部分：GPS星座 地面控制部分：地面监控系统
个全球监测站和3 个地面控制站组成。 负责维护每颗GPS卫星的星历（即描述卫星运动及其 轨道的参数）。对于导航定位功能而言，GPS卫星的 星历是唯一的动态已知参数。监控卫星正常工作，以 及保持各颗卫星处于同一时间标准。地面站监测出相 关信号以后，将控制命令通过地面注入站发给卫星。 用户设备部分：GPS 信号接收机。 在GPS中使用单向传输，只有从卫星到用户的链路， 用户不需要发射机，只需要一个GPS接收机即可。




当我们把GPS的天线或者GPS接收机（内置GPS天线）放在一个固定的 位置的时候，GPS的定位输出并不是一层不变的，而是在不断的围绕一 个圆心跳动，如果记录这种跳动数据的时间足够长的话，你可以看到跳 动的轨迹是一个圆，这个圆的圆心才是GPS天线真实的位置，或者说是 GPS天线准确的位置，从距离上看，这个圆的半径在十几米以内，这就 是GPS定位的误差； 为什么会跳动呢？因素非常多，其中最主要的因素就是时间信号的抖动 造成了定位点的跳动，因为GPS系统在核心上是一个时间系统，是通过 不同卫星时间信号到达天线时的时间差，解三角方程组，而得出经纬度 坐标的，时间信号的抖动，必然造成了位置信息的跳动； 如果认为仅仅是在十几米的范围内跳动（换算成相应的时间抖动）还是 可以接受的话，其实你还忽略了GPS定位上的“飞点”现象，所谓的“ 飞点”其实也是定位信息的跳动，跳动的距离特别远，可以达到几百甚 至上千公里，只不过出现的几率很小，而且在GPS显示方面已经用软件 的方式把这些“飞点”过滤掉了而已，这种过滤仅仅是“面子”上的过 滤，实际上的抖动仍然存在； 造成GPS定位“飞点”的时间抖动就非常大了（甚至接近分钟的量级） ，如果系统对时间的敏感性要求较高的话，这样的“飞点”对系统的损 害是相当大的。
GPS的基本原理

wk.baidu.com


GPS的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接 收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知 道接收机的具体位置。 卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星 星历中查出，每一颗卫星都会广播其星历表。 用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户 到达时间（TOA），再将其乘以光速得到。由于大 气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之 间的真实距离，而是伪距（PR）。
首先，接收机通过卫星发射的伪码与本地 伪码的相关运算，可获求得卫星信号的传 输时延。 然后，用户从接收到导航电文中，可以提 取时间标记，该标记标明发送信号什么时 候离开的卫星，再利用导航电文中的卫星 星历数据，可以推算出卫星发射电文时所 处位置，以及卫星与用户的距离，由此进 一步推导用户在大地坐标系中的位置速度 等信息。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断 地发射导航电文和误差校正值。 由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟 不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、 y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之 间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这 4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所 处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。 用户可用4颗卫星确定4个导航参数：纬度、 经度、高度、时间。
10.2 GLONASS


“格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统”的缩 写。 设计有24颗卫星正常工作、3颗维修中、3颗备用、1颗测试 中。分布于3个圆形轨道面上，轨道高度19100千米，倾角 64.8°。这3个轨道平面两两相隔120°，同平面内的卫星之 间相隔45°，轨道周期为11小时15分钟。 每颗格洛纳斯卫星广播两种信号，L1和L2信号。具体地说， 频率分别为L1=1602+0.5625*k(MHz)和 L2=1246+0.4375*k(MHz)，其中 k为1～24为每颗卫星的频 率编号，同一颗卫星满足L1/L2=9/7。民用码仅调制在L1上， 而军用码在（L-1和L2）双频上

2、传输多径：卫星信号由发射面通过不同路 径到达接收机，从而形成干扰 3、电离层闪烁：电离层不规则性引起的信号 衰弱

差分GPS

DGPS(Differential GPS) 。一个在已知测量 位置的GPS接收机，将其GPS测量导出的解 与其测量位置比较，得到改正项，将改正项 发送至用户，使用户改进他自己的位置解。 以获得精确的定位结果。





由于俄罗斯地处高纬度地区，GLONASS卫星的轨道设计上 照顾了这一点。在高纬度地区，如极地，卫星分布和定位表 现会比GPS好一些。 与其他GNSS系统采用CDMA码分多址不同，GLONASS使 用了FDMA频分多址的策略。对接收机带宽要求略高。为了 平衡这个问题，GLONASS 民用信号选择了较低的码速率以 节约带宽，其码速率只有GPS民用信号速率一半，大概 511kHz，导致单点定位精度低于GPS，现在标准差椭圆半 径在5m左右。 GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码 和P码 另外GLONASS系统的数据公开程度非常好，有一个网站叫 分析中心，网址 http://link.zhihu.com/?target=https%3A//glonass-iac.ru/ 点开里面可以选英语，提供GLONASS和GPS卫星的实时参 数和系统状况，以及性能分析。 GLONASS对EGO卫星也直接给出卫星xyz坐标，因EGO卫 星变化小，直接采用差值积分就可以解算
目录
10.1 美国的GPS 10.2 俄国的GLONASS 10.3 欧洲的伽利略系统 10.4 中国的北斗系统 10.5 印度 10.6 日本天顶 10.7卫星系统辅助技术

10.1 GPS

全球定位系统(Global Positioning System, GPS)是美国从20世纪70年代开始研制的， 耗资300亿美元，于1994年全面建成，2018 年开始启动第三代，精度可达0.6米。
10.3 伽利略系统
由27颗卫星加3颗备用星，与赤道相隔120度在三个轨道平 面 2016年11月18日，伽利略卫星数量达到18颗 频率有六种RHCP（右旋圆极化）导航信号 L波段，L1F,L1P(1559-1592 MHZE2-L1-E1) L1F：OS、CS、SOL L1P：RPS E5a:1176.45MHz、OS 导航和授时 E5b:1207.14MHz(1196.91—1207.14MHz）OS、CS、SOL E6C：1278.75MHz 商业服务 E6P：PRS

PVT解算
PVT解算即指用户接收机的位置、速度和时 间解算，可以解算速度，一般需要六颗星。 利用星历来解算 推算星位置的 2h解算一次 利用历书来解算 防止欺骗

卫星信号的主要误差来源


1、射频干扰：不同卫星，不同星座，地面电 磁波发射源和人为干扰
GPS的L2和L5频率没有L1纯净，许多国家准许固定和移动服务器工作在1215M-1240MHz波段上 在高功率发射机中偶尔可能产生非线性效应（如放大器饱和），引起低功率的谐波，形成对GNSS接收 机的带内RF干扰 地中海有些电台发射台产生强的带内谐波，是L1接收机无法工作
保证编号的连续性和可用性。
GPS卫星发射频率




当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成 的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。导航电文包括卫 星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折 射修正等信息。 GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为 1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它 们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，波 束方向图能覆盖约半个地球。在L1和L2上又分别调制着多 种信号，这些信号主要有： 分别是民用的粗/截获码（C/A码）和军用的精密码（P 码），P码加密后构成Y码，因此常将精密码记为P(Y)码。 对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右， 对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

传统PPS用户，初始工作时跟踪L1上C/A码，然后转化为跟踪L1和L2上 的P（Y）码，此操作必须在接收机匹配的保密单元中操作
现在GPS的码



工程师们找到了各种各样的利用L2上码型未知军用信号的 方法，以Z跟踪为代表的一系列技术打开了民用双频测量的 大门。 最新的GPS卫星在L2频率上调制了新的民用信号，使用了 第三个频率L5，并开发新的军用信号M码，GPS依然保持着 业界老大的地位，短期内无人能敌。 16年在开阔地实测GPS椭圆直径径大概两米，及测量精度 大概2米
卫星编号



GPS系统包括SVN（空间飞行器编号）、PRN（伪随机码 编号）、SVID（卫星号）、NAVSTAR（导航星编号）以及 卫星代号在内的五类卫星编号 GPS每颗卫星向下播发的导航信号中调制的伪随机码是唯 一的，并且采用PRN编号的方式来对伪随机码进行标记区分 。 目前在轨运行的GPS卫星向下播发伪随机码的PRN编号 范围为1~32 PRN编号是地面用户进行信号捕获、跟踪的关键参数，必须
P码


P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的 伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进 行模二相加生成保密的Y码，一般和称P（Y）码 P码用4个12位移位寄存器的PN序列产生，重复周期266.4 天，被截断成38个短序列，每个序列码长6.1871012，频率 10.23MHz，重复周期7天，码间距0.1微秒，相当于30m。P 码因频率较高，不易受干扰，定位精度高达3米，因此受美 国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国 军方服务。