卫星导航技术专题讲座_一_第1讲卫星导航技术与应用的发展

编者按:卫星导航系统发展至今,因其全球性、连续性、实时性、全天候和高精度的特点,

已经广泛应用于陆地、海洋、天空和太空的各类军事及民用领域中,成为目前最常用的导航定位

技术。因此,受到了世界各国的极大重视,成为继互联网、移动通信之后发展最快的信息产业之

一。作为一种重要的国家信息基础设施,美国、俄罗斯、欧盟都不惜投入巨资建设卫星导航系统。

目前,美国GPS 、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONA SS )和中国的“北斗一号”卫星导航系

统均已投入商业运行。由中国和欧洲15国共同参与的欧洲民用卫星导航“伽利略计划”以及中

国的“北斗二号”也在积极推进中。

作为无线电导航技术之一,卫星导航技术已经广泛应用于现代军事斗争的许多领域,极大地

提高了部队的整体作战能力,是取得现代信息战争主导权的重要手段之一。因此,我们开设关于

卫星导航技术专题讲座,向通信工程技术人员、研究生和高年级本科生介绍卫星导航技术的原理

及有关知识,希以达到拓宽知识面,共同推动卫星导航技术的发展和应用,并加强卫星导航与通

信结合应用研究的目的。本讲座内容涉及卫星导航系统应用现状及发展简史、系统组成、工作原

理,介绍卫星导航中的增强技术、组合导航技术、高灵敏接收技术及A 2GN SS 技术等。

卫星导航技术专题讲座(一)

第1讲　卫星导航技术与应用的发展

Ξ

吕　晶,李广侠,于　永

(解放军理工大学通信工程学院训练部,江苏南京210007)摘　要:文中介绍了卫星导航的发展简史,阐述了卫星导航在民事和军事中的应用,并总结了卫星导航的技术

发展。

关键词:卫星导航;应用;技术发展

中图分类号:TN 967.1文献标识码:A 文章编号:CN 3221289(2009)0320095205

D e ve lopm e nt of GNS S Te chnique s a nd A pp lica tions

L V J ing ,L I Guang 2x ia ,YU Y ong

(T raining D epantm ent I CE ,PLAU ST ,N anjing 210007,Ch ina )

A bs tra c t :T he h isto ry of GN SS w as in troduced firstly .T hen the app licati on s in civil and

m ilitary w ere discu ssed and the developm en t of its techn iques w as summ arized .

Ke y w o rds :GN SS ;app licati on s ;developm en t of techn iques

导航是一种技术与方法的总称,它的最基本的作用是将运载体(飞机、车辆、舰船及人员)从起始点沿着所选定的路线安全、准确、准时地导引到目的地。在这个过程中,确定运载体的几何位置(即定位)是基础。　第30卷第3期

　2009年9月军　事　通　信　技　术Journal of M ilitary Comm unicati ons T echno logy V o l .30N o.3Sep.2009

Ξ收稿日期:2009204229;修回日期:2009206210

作者简介:吕晶(19652),男,教授.

导航的历史久远。利用天体进行导航是最古老、简便、可靠的导航技术。但是,利用任何自然天体进行导航都不可避免受到观测时间、地点、气象等诸多自然因素的影响和限制。千百年来,航海者梦寐以求地期望有朝一日,能在全球范围内,不受天气、时间、地点、自身运动状态等条件限制而获得精确的导航信息。

随着现代科学技术的发展,特别是在宇航技术、电子计算机技术领域里取得重大突破的基础上,人们从利用自然天体定位,逐步发展到设置人造天体来导航,同时,将集成电路、新的电子元器件、电波传播的研究、信息论、自动控制理论、系统工程论等应用于导航中,诞生了卫星导航技术,赋予古老的“天文导航”以新的内容,使人们长久以来的梦想变成了现实。

1　卫星导航系统简史[1]

1957年,苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星。苏联人的成功深深地刺激了美国人的神经。为了尽快在空间技术方面赶上苏联,美国投入了大量的物力和财力,对苏联的卫星进行观测与研究。在观测和研究过程中,根据研究人员的发现提出:如果在位置坐标已知的地面接收点精确地测出卫星电波的多普勒频移,。这一提法给另一位研究人员麦柯卢尔(M eclu re )一个有益的启示。1958年,他提出了一个与上述提法相反的设想:如果卫星轨道是已知的,只要精确测量出卫星电波的多普勒频移,就可以推算出观测者在地球上的位置。这一设想就成了美国海军导航卫星系统NN SS (N avy N avigati on Satellite System )的理论基础。

图1　子午仪导航卫星1958年底,美国海军为了满足为发射北极星导弹的核潜艇提供精确的定位数据

的军事需求,委托霍普金斯大学应用物理实验室对卫星导航进行研究。1964年夏,该

实验室研制的卫星导航系统进行全球性导航试验获得成功,并开始为海军服务。这就

是世界上第一个实用卫星导航系统——海军导航卫星系统,又称“子午仪”

(TRAN S IT )卫星导航系统,如图1所示。

其实,在苏联第一颗人造卫星发射之前,利用人造地球卫星进行导航的科学设想

就诞生了。在1955年至1957年间,列宁格勒马让斯基空军工程科学院在谢布萨维奇

教授的领导下,进行了用无线电天文学方法实现飞机领航的可行性研究。在1958年

至1959年间,低轨道卫星无线电导航系统的科学基础取得了实质性进展,这促使苏

联于1963年转向实现第一个低轨道卫星导航系统,并命名为“奇卡达”(C I CADA )。

“子午仪”和“奇卡达”系统,即是人类第一代卫星导航系统。这一系统可以提供全球、全天候以及高精度的导航定位服务,而且安全、经济、可靠,迅速得到广泛地应用。但是,第一代系统有着很多不足。首先,当时的发射能力不强,卫星轨道低(约1000km ),卫星数量少(4～6颗),对任何一个地方不能提供连续的覆盖和服务;采用单星、双频多点多普勒频移测速定位体制,定位时间长,定位精度不高,且对运载体的动态特性敏感;不能定高度,只能提供二维导航数据

。

图2　GLONA SS 星座

为了弥补第一代卫星导航系统的上述不足,1973年12月,美国国防部整合了海

军和空军分别提出的“时间导航”(T I M A T I ON )研究计划和6212B 研究计划,提出

了一个全天候的新一代卫星导航系统——全球定位系统(GPS ),又称导航星

(NAV STA R )系统。无独有偶,凭借着谢布萨维奇教授的早期研究,苏联在1978年

也开始了替代“奇卡达”系统的全球导航卫星系统(GLONA SS )的计划,其星座如图2所示。GPS 和GLONA SS 分别在1995年和1996年具备了完全运行能力。这两

个系统都提高了卫星轨道高度(约20000km ),采用多星、高频、基于无询问的伪距、伪距变化率测量定位体制,比起第一代的卫星导航系统有更高的全球定位精度,且能连续提供三维(经度、纬度、高度)、三维速度和精确的时间,实现连续实时的导航定位。

中国到1983年初才开始酝酿利用静止轨道卫星进行导航定位的技术方案。陈芳允院士提出了利用两颗

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