[科普中國]-導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)

組成導(dǎo)航衛(wèi)星星座

導(dǎo)航衛(wèi)星星座是由空間多顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成的空間導(dǎo)航網(wǎng)。通常，這些衛(wèi)星分布在空間幾個近似圓的軌道平面上，按照軌道高度可以分為低軌道、中高軌道和地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星，也可以由不同高度的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座，其中，后兩種軌道居多，而且在同一軌道平面上均勻分布著數(shù)顆衛(wèi)星。衛(wèi)星上除有接收機和轉(zhuǎn)發(fā)由地面測控網(wǎng)發(fā)送信號的星載測控系統(tǒng)外，還載有專用的導(dǎo)航系統(tǒng)——發(fā)射機、導(dǎo)航電文儲存器、高頻穩(wěn)定頻標(biāo)等。

導(dǎo)航星座的主要功能為：

(1)接收和轉(zhuǎn)發(fā)地面測控網(wǎng)發(fā)送到跟蹤測量導(dǎo)航衛(wèi)星的電波信號，以測定衛(wèi)星空間運行軌道。

(2)接收和存儲由地面測控網(wǎng)發(fā)送的導(dǎo)航信息；接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。

(3)通過星載高精度原子鐘產(chǎn)生基準(zhǔn)信號并提供精確的時間標(biāo)準(zhǔn)。

(4)向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號，以測定用戶的位置、速度及姿態(tài)。

(5)接收地面主控站通過注入站發(fā)送給衛(wèi)星的調(diào)度命令，以調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)、啟用備用時鐘等。2

地面測控網(wǎng)地面測控網(wǎng)由多個跟蹤測量站、遠控站、計算與控制中心、注入站和時統(tǒng)中心等組成，用于跟蹤、測量、計算及預(yù)報衛(wèi)星軌道，并對衛(wèi)星及其設(shè)備的工作進行監(jiān)視、控制和管理。主要功能為：

(1)各測控站發(fā)射機對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測并跟蹤測量，同時收集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。

(2)主控站收集由各測控站所測得的偽距和多普勒頻率觀測數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)、衛(wèi)星時鐘及工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

(3)對所收集數(shù)據(jù)進行處理，計算每顆衛(wèi)星星歷、鐘差修正、信號電離層延遲修正等參數(shù)，并按一定格式編算導(dǎo)航電文，傳送到注入站。

(4)控制中心檢測地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作情況，檢查注入給衛(wèi)星的導(dǎo)航電文的正確性，監(jiān)測衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航電文給用戶等任務(wù)。

(5)注入站將衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時鐘鐘差等參數(shù)和控制指令注入導(dǎo)航電文給各導(dǎo)航衛(wèi)星。

(6)調(diào)度和控制衛(wèi)星軌道的改變和修正等。2

用戶導(dǎo)航定位設(shè)備機載或彈載用戶導(dǎo)航定位設(shè)備主要由衛(wèi)星信號接收天線、接收機及配套天線饋線等組成，主要完成以下功能：

(1)接收衛(wèi)星發(fā)送的信號，測定偽距、載波相位和多普勒頻率觀測值。

(2)提取和解調(diào)導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷和軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘差參數(shù)。

(3)處理和計算觀測值、衛(wèi)星軌道參數(shù)，解算用戶的位置、速度分量以及其他參數(shù)。2

工作原理通常衛(wèi)星導(dǎo)航定位可以按下述兩種方式分類。根據(jù)導(dǎo)航定位的解算方法可以分為絕對定位和相對定位；而按照導(dǎo)航目標(biāo)的運動狀態(tài)又可分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。由于靜態(tài)目標(biāo)相對地固坐標(biāo)系是靜止的，其速度為零，因此，利用導(dǎo)航衛(wèi)星測定目標(biāo)速度均指動態(tài)目標(biāo)，它的解算方法也可以分為絕對測速和相對測速。2

絕對定位和相對定位1．絕對定位

利用待定目標(biāo)(用戶)接收機接收四顆以上導(dǎo)航衛(wèi)星的定位信號，確定目標(biāo)在某坐標(biāo)系中位置坐標(biāo)的方式稱為絕對定位。絕對定位只需一臺接收機即可確定目標(biāo)位置。因此，組織、實施和數(shù)據(jù)處理都比較簡便。但是受目標(biāo)接收機鐘差和信號傳播延遲的影響，定位精度較低。

這種定位方式在許多運動載體的導(dǎo)航定位中廣泛使用。

2．相對定位

在兩個或若干個觀測點上，設(shè)置導(dǎo)航衛(wèi)星的接收機，同步接收同一組衛(wèi)星傳播的定位信號，并測定它們之間相對位置的方式稱為相對定位。在相對定位時，上述觀測點上有一個或幾個點的位置坐標(biāo)是已知的，這些點稱為基準(zhǔn)點。

相對定位利用多個觀測點同步接收同一組衛(wèi)星信號的特點，可以有效地消除或減弱共源和共性的誤差，有利于定位精度的提高。但是，相對定位需要多點同步觀測同一組衛(wèi)星，因此組織和實施較復(fù)雜，而且要求與基準(zhǔn)點的距離不能超過一定的范圍。相對定位廣泛應(yīng)用于具有高精度要求的目標(biāo)定位中。

3．差分定位

在兩個或多個觀測點上，設(shè)置導(dǎo)航衛(wèi)星的接收機，利用同步接收同一組衛(wèi)星星座傳播的定位信號，并進行不同的線性組合構(gòu)成虛擬觀測量，再由此組成觀測方程并解算目標(biāo)定位的方法稱為差分定位。差分定位同樣需要在觀測點上有一個或幾個基準(zhǔn)點。

差分定位主要利用同步跟蹤同一組衛(wèi)星所獲取的觀測量，經(jīng)不同方式的差分，使得到的虛擬觀測量可以消除或減弱共源和共性的誤差，從而精確地解算目標(biāo)位置。差分定位就是依賴和發(fā)揮數(shù)學(xué)方法的優(yōu)勢來獲取高精度的位置參數(shù)，又稱為求差法。

事實上，差分定位是相對定位的一種特殊實現(xiàn)方式，也是導(dǎo)航定位中精度最高的一種定位方法。關(guān)于差分定位的原理，可以推廣成觀測點都不是基準(zhǔn)點的定位方式，這使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備更廣闊的應(yīng)用前景。2

靜態(tài)定位和動態(tài)定位1．靜態(tài)定位

若待定點相對于地固坐標(biāo)系是靜止的，則此待定點位置的確定稱為靜態(tài)定位。有時是難以察覺到的運動，或者雖有微小運動，但在一次定位觀測期間(數(shù)小時或若干天)無法察覺到，此時待定點的位置確定也稱為靜態(tài)定位。

由于靜態(tài)待定點的位置是不變的，因此它的速度等于零。此時，在不同時刻(歷元)進行大量重復(fù)的觀測和處理，可以有效地提高定位精度。

2．動態(tài)定位

若待定點相對于地固坐標(biāo)系有明顯的運動，這樣的點定位稱為動態(tài)定位。此時，點位的速度不等于零，因此還需要確定待定點的速度。

動態(tài)定位根據(jù)定位的目的和精度要求，又可分為導(dǎo)航動態(tài)定位和精密動態(tài)定位。前者是實時地確定用戶運動中的位置和速度，并引導(dǎo)用戶沿預(yù)定的航線到達目的地；后者是精確地確定用戶在每個時刻的位置速度，通常可以事后處理。2

四大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)美圍GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo系統(tǒng)和中國的北斗系統(tǒng)Compass，為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會(ICG)公布的四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。正在建設(shè)的印度IRNSS和日本的QZSS主要是服務(wù)于本土及相鄰地區(qū)的區(qū)域性導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，在國際導(dǎo)航與定位領(lǐng)域受關(guān)注度要遜于全球性導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。1

GPSGPS是美國國防部批準(zhǔn)陸?？兆榆娐?lián)合研制、繼子午導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)之再的第二代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，也是第一個具有全能性（陸地、海洋、航空）、全球性、全天候、實時性、高精度的導(dǎo)航定位和時間傳遞系統(tǒng)?？臻g部分由24顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星高度約20200km，分布在傾角為55°的6個軌道平面內(nèi)，運行周期約為11小時58分，于1991年宣告部署完成；地面監(jiān)控部分包括1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站；用戶部分包括川戶組織系統(tǒng)和根據(jù)要求安裝相應(yīng)的設(shè)備，其核心設(shè)備是GPS接收機、GPS是日前最完善、應(yīng)用最廣泛的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，但是GPS南美國軍方控制，由于系統(tǒng)沒計和政策等原因，對于民間用戶和他同軍方用戶的安全性無法保障。GPS的這些缺陷已經(jīng)成為GPS進一步擴展應(yīng)用領(lǐng)域的障礙，也成為競爭者建沒其他導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的重要理由。在保護軍方利益的前提下，為讓GPS能夠發(fā)揮更大的效益，繼續(xù)保持在市場上的領(lǐng)導(dǎo)優(yōu)勢，原美同副總統(tǒng)戈爾提出了GPS現(xiàn)代化的概念。1

GLONASSGLONASS是俄羅斯國防部(最早開發(fā)于原蘇聯(lián)時期，獨立研制和控制的第二代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，作用類似于美國的GPS．可為全球海陸空及近地空間的各種軍、民用戶全天候、連續(xù)地提供高精度的、三維位置、三維速度和時間信息。按照設(shè)計，GLONASS星座南中軌道的21顆衛(wèi)星組成，包括21顆工作星和3顆備份星，軌道高度約19 100 km，分布在傾角為64.8°的3個軌道平面內(nèi)，運行周期約為11小時15分。南于衛(wèi)星壽命短，加之從20世紀90年代起俄羅斯經(jīng)濟不景氣，失效衛(wèi)星得不到及時補充，以至于到2001年可用衛(wèi)星數(shù)下降到6顆，導(dǎo)致GLONASS研究工作與應(yīng)用推廣情況遠不及GPS。2003年前后，隨著俄羅斯經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，俄羅斯政府加快了GLONASS升級改造?！禛LONASS 2002- 2011年發(fā)展汁劃》已經(jīng)于201 1年12月3 1日終止，俄羅斯于2011年底成功實現(xiàn)GLONASS的滿星座運行，此后《GLONASS 2012-2020年維護、發(fā)展及應(yīng)用計劃》草案已于2012年1月28日遞交俄羅斯政府申請批準(zhǔn)。1

GalileoGPS與GLONASS本質(zhì)上均是一種軍用系統(tǒng)，首要目的是服務(wù)于國家安全，其次才服務(wù)于民用，而Galileo系統(tǒng)是南歐盟建設(shè)的全球第一個完全向民用開放的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。但南于美國的阻撓和歐盟內(nèi)部分歧等，陔系統(tǒng)計劃進展緩慢，曾幾乎流產(chǎn)。2008年4月，歐盟會議通過了Galileo系統(tǒng)最終部署方案，此后在2010年1月歐盟委員會報告中，又調(diào)整了Galileo系統(tǒng)正式運營時間節(jié)點。根據(jù)該報告安排，2005年至2011年為在軌驗證階段，2011年至2014年為全面部署階段．2014年形成一個具有開放服務(wù)功能的初步系統(tǒng)，并于2018年前后建成完備的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。然而，由于歐盟內(nèi)部分歧與資金問題。系統(tǒng)完成及運營時間尚不能確定。Galileo系統(tǒng)采用了空間段、地面段（包括星座監(jiān)控和完好性監(jiān)測兩大功能）和用戶段三大組成部分的新模式。其中，空間段由30顆衛(wèi)星組成(27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星)，軌道高度約為23 616 km，分布在傾角為56°的3個軌道平面內(nèi)，運行周期約為14小時22分鐘。用戶設(shè)備為Galileo信號接收機。只有需要全球搜救功能的用戶，設(shè)備才應(yīng)具有收發(fā)功能。1

CompassCompass是中國自行研制、獨立運行的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統(tǒng)兼容共用。Compass以“先有源、后無源”和“先區(qū)域、后全球”為發(fā)展思路，按照“子步走”總體規(guī)劃穩(wěn)步推進。第一步，2000年建成了區(qū)域有源衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)（北斗一號）。第二步，2012年建成了區(qū)域無源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2012年12月27日，在繼續(xù)保留北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)有源定位、雙向授時和短報文通信服務(wù)基礎(chǔ)上，向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時等服務(wù)。第子步，2020年全面建成Compass，形成全球覆蓋能力。系統(tǒng)建成后?？臻g段由27顆中軌道( middle earth orbit，MEO)地球衛(wèi)星、5顆地球靜止軌道( geostationary orbit。GEO)衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道(inclined geosynchronous、satellite orbii，IGSO)衛(wèi)星組成。MEO衛(wèi)星軌道高度為21 528 km，分布在軌道傾角力55°的3個軌道平面上；GEO衛(wèi)星軌道高度35 786 km，分別定點于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°；IGSO衛(wèi)星軌道高度為35 786 km，分布在軌道傾角為55°的3個軌道平面上。1