4.2 卫星定位导航

纵观定位导航发展史，人类先后应用过多种不同的技术，但就应用的深度与广度而言，卫星定位系统无疑是迄今为止影响最为深远的定位导航技术，而且已经成为一个国家或区域重要的空间信息基础设施。

    全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）是指基子卫星，在全球海、陆、空、天范围内，用于定位、导航和授时的技术系统。

    全球导航卫星系统具有全天候、全球覆盖、高精度三维定位定速定时、快速省时高效率、应用广泛和多功能的特点，应用遍及国防和社会发展诸多领域，并形成了对全球经济有相当影响的巨大产业。

4.2.1卫星定位导航原理

1.基本原理

    卫星定位采用距离交会原理（图4.17）。假设已知用户与某一颗定位卫星A的距离为Ra，则该用户的位置位于以A星为球心、用户到A星的距离凡为半径的球面Ω1上；若同时已知用户与另一颗定位卫星B的距离Ra，则该用户的位置也在以B星为球心、用户到B星的距离Rb为半径构成的球面Ω2上．显然该用户的位置位于Ω1和Ω2相交构成的平面圆周L上；当同时已知用户与第三颗定位卫星C的距离Rc时，这时以C星为球心、用户到C星的距离Rc为半径构成的球面Ω3就会与圆周L相交于两点G1和G2，则用户位置必然在其中一点上。若用户站立于地球表面，显然较低的G2是其真实位置；若用户是距离地面一定高度的飞机或空间飞行器，就需要更多的辅助信息才能确定其具体位置是Gl还是G2。

    用户到定位卫星的距离通过用户接收机接收到的测距信号计算得到。每一颗定位卫星上都有一个具有精确同步的时间基准的时钟，卫星由时钟控制，定时发射一种特殊的带有发射时间和星座位置的无线电测距信号。位于地面的用户接收机也有一个与卫星时钟有着相同时间基准且精确同步的时钟，当用户接收机接收到卫星发出的测距信号后，就可以根据用户接收的时间和该信号发射的时间计算出该信号从卫星传输到用户所耗费的时间T。因为无线电信号是以光速V传输的，所以卫星到用户的距离为：R＝V*T。

用户接收机在接收到多颗卫星的测距信号后，通过数学方法求算出用户的三维位置信息及其他相关数据。从卫星定位原理不难看出，用户接收机至少要捕获到3顺以上卫星的测距信号，才能进行定位。但实际定位应用中，接收机的钟差往往无法准确确定，通常在数据处理中作为一个未知参数进行解算，因而要实现定位，用户接收机至少要同步观测4颗以上卫星。

2.绝对定位与相对定位

    1）绝对定位

    绝对定位也称为单点定位，是直接确定观测点相对子坐标原点绝对坐标的一种定位方法（图4.18）。

    绝对定位的优点是只需一台接收机就可独立定位，观测的组织与实施都很简便，数据处理也相对简单；缺点是受卫星星历误差和卫星信号传播延迟误差的影响较大，定位精度较低，误差一般在十米左右。绝对定位一般用于导航和对定位精度要求不高的应用领域。

    2)相对定位

    相对定位也称差分定位，是指在一个范围不大的区域内，由两个或若干个测站上的GNSS接收机同步观测相同的GNSS卫星，以确定这些同步观测的接收机之间相对位置的一种定位方法。相对定位需要至少已知一点或多点的精确位置，即所谓的基准点，才能计算得到绝对坐标（图4.19）。

相对定位的优点是可以有效消除或削弱一部分相同的误差，如卫星轨道误差、卫星钟差和接收机钟差以及大气延迟误差等，从而获得很高的相对定位精度；缺点是需要多台接收机共同作业，作业过程和数据处理比较复杂，不能直接获取绝对坐标等。相对定位是目前GNSS定位中精度最高的一种方法，广泛应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学研究和精密导航等领域。

4.2.2卫星定位导航系统构成

    卫星定位导航系统主要由地面监控系统、空间卫星星座系统和用户接收应用系统三个基本部分构成（图4.20）。

1.地面监控系统

地面监控系统由主控站、监测站和注人站组成，主要负责对卫星系统的监测和控制，以保证整个系统的正常运行。

    主控站是管理、协调整个地面控制系统的中枢，其任务是收集地面各个监测站的卫星跟踪数据，计算卫星轨道和时钟参数，将计算结果通过地面天线发送给太空中的卫星；编制导航电文，送往注人站将卫星星历注人卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令，维护卫星、处理卫星异常情况等。

    监测站配备有精密的原子时间标准和可连续测定到所有可见卫星伪距的接收机，利用相关参数对测得的伪距进行修正后，生成具有一定时间间隔的数据，并发送到主控站。

    注人站配置有能将命令和数据发送到卫星的设备，根据主控站指令将卫星星历注人定位卫星；同时也接收卫星的遥测数据和测距数据。

2.空间卫星星座系统

空间卫星星座系统由若干颗定位卫星组成，不同的卫星妙导航系统由数量不同的卫星构成星座（图4.21）。如美国的GPS系统，星座由24 颗卫星组成，我国的北斗系统，星座由30颗卫星组成。

卫星星座通常设计有3个或6个轨道，相邻轨道间的夹角相同，每个轨道上分布一定数量的卫星，理论上3个轨道时每个轨道需至少8颗卫星，6个轨道时每个轨道需至少4颗卫星，以保证在全球任何地方能同时观测到4颗以上的卫星。通常还会部署备份卫星，以备工作卫星突发故障时替代使用。

定位卫星一般运行在距离地面20000 km左右的太空轨道，接收地面监控系统的控制命令和其他用于导航的数据信息，按预定格式将导航电文通过天线发送回地面的用户接收应用系统。

3.用户接收应用系统

用户接收应用系统由接收机硬件、机内软件和卫星信号数据的后处理及应用软件等部分组成，其中接收机硬件主要包括天线单元和接收单元两个部分。用户接收应用系统的功能是跟踪并捕获定位卫星信号，测量接收天线到各颗卫星之间的伪距和距离变化率，解调出卫星轨道参数等数据，计算输出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

用户接收应用系统有多种类型，GNSS接收机种类可按不同目的划分（图4.22）。如按用途分类，可分为导航型、测地型和授时型接收机；按载波频率分类，可分为单频和双频接收机。

4.2.3 国际上主要的卫星定位导航系统

1.美国的全球定位系统

美国海陆空三军联合研制的卫星定位导航系统，全称为卫星导航测距授时与全球定位系统（navigation satellite timing and ranging/global positioning system, NAVSTAR/GPS，简称GPS）。1978年2月第一颗GPS卫星发射，至1994年3月由24颗卫星构成的星座完成部署；1996年，美国启动GPS现代化计划，对系统进行全面的升级和更新。目前，美国正加紧部署和研究GPS3计划，将采用33颗高轨道加静止轨道卫星组网设计，定位、导航和授时能力将得到进一步提高。GPS是迄今为止用户最多、全球覆盖范围最广的卫星定位导航系统。

    GPS地面监控系统由1个主控站、3个注人站和5个监测站组成。主控站位于美国科罗拉多斯普林格的联合空间业务中心，3个注人站分设在大西洋阿松森群岛（ Ascension）、印度洋迪戈加西亚（Diego Garcia）和太平洋卡瓦加兰（Kwajalein )美军基地；主控站和注入站均兼有监测站职能，另一个监测站位于夏威夷（Hawaii）。

    GPS卫星星座系统由分布在6个轨道平面上的24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，其余3颗为备份卫星。目前在轨GPS卫星超过24颗。GPS卫星轨道为圆形轨道，倾角550，高度20200 km；每颗卫星携带4台原子钟，采用码分多址（CDMA）技术，使用L1（1575.42MHz）和L2（1227.60MHz）两种频率的导航信号播发测距码和导航数据。

GPS采用世界大地坐标系（world geodetic system, WGS）。在早期曾使用WGS-72坐标系，自1985年10月开始使用WGS-84坐标系。根据授权不同，GPS提供民用的标准定位服务和特许用户的精密定位服务。民用标准定位服务的定位精度为2.93～29.3m，特许用户精密定位服务的单点定位精度可达0.29--2.9m。

2.俄罗斯的格洛纳斯系统

俄罗斯的格洛纳斯系统（global navigation satelite system），是由苏联建设的类似于GPS的全球导航卫星系统，后由俄罗斯继承并管理，简称为格洛纳斯（GLONASS）。自1982年发射第一颗卫星到1987年共发射了27颗试验卫星，到1995年12月，俄罗斯完成了24颗卫星加1颗备用卫星的星座布局，于1996年初投人运行。随着21世纪初俄罗斯经济情况的好转，GLONASS也相继推出GLONASS-M和更现代化的GLONASS-K卫星计划。

    GLONASS卫星星座系统由分布在3个等间隔椭圆轨道面上的24颗卫星组成，每个轨道面上分布有8颗卫星，相隔450。卫星轨道倾角64.80．平均高度19100km，在50度以上的高纬度地区可见性比较好。GLONASS的定位原理和星历数据结构与GPS基本相同，但采用频分多址（FDMA）技术，通过不同的频率区分不同的卫星，使系统具有更强的抗干扰能力。

    GLONASS早期采用苏联1985年建立的地心坐标系（soviet geodetic system, SGS-85），1993年后改用PZ-90坐标系，这是俄罗斯进行地面网与空间网联合平差后建立的坐标系。

    GLONASS提供标准精密导航信号和高精密导航信号，可用于海上、空中、陆地等各类用户的定位、测速及精密定时等。标准精密导航信号主要民用，水平误差60m，垂直误差75m；高精密导航信号主要用于特许用户。

    由于GLONASS缺乏像GPS拥有分布于全球范围内的卫星跟踪站，且也缺少精密星历、数据处理软件、坐标系统转化参数和时间系统转换参数等基础，定位精度和应用受到限制。为此，俄罗斯先后做了不少努力，试图通过建立全球跟踪站、实施全球联测等，改变GLONASS的这些不足。

3.欧盟的伽利略卫星导航系统

伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system）是由欧洲委员会和欧洲空间局共同负责建立的全球定位导航系统，简称伽利略（Galileo）。2005年12月首颗试验卫星发射升空，2011年10月首批两颗工作卫星顺利发射，预计到2020年完成整个星座的建设。

    伽利略地面监控系统由完好性监控系统、轨道测控系统、时间同步系统和系统管理中心组成，主要包括2个位于欧洲的伽利略控制中心和29个分布于全球的伽利略监测站，还有分布于全球的5个S波段注人站和10个C波段注人站，用于控制中心与卫星之间的数据交换。

    伽利略卫星星座由分布在3个圆形轨道上的30颗卫星组成，每个轨道上均匀分布10颗卫星，共27颗工作卫星和3颗备份卫星。轨道倾角560，高度23616 km，相邻轨道的升交点赤经相差1200。与GPS相同，采用CDMA技术。由于借鉴了其他卫星定位系统的经验，伽利略不仅比GPS具有更高的效率和可靠性，而且能够与其他全球定位系统实现多系统相互兼容。

    伽利略提供基本服务、特殊服务和扩展应用服务。基本服务指导航、定位、授时服务；特殊服务是面向搜索与救援的服务；扩展应用服务主要包括飞机导航和着陆系统应用、铁路安全运行调度、海上运输系统应用、陆地车队运输调度、精准农业应用等服务。

4.中国的北斗导航卫星系统

北斗导航卫星系统（BeiDou navigation satellite system, BDS )是我国正在实施的自主研发、独立运行的区域卫星定位导航系统。1983年，我国学者陈允芳等最早提出了北斗双星导航卫星系统的设想。1994年，国家正式批准立项，2000年10月31日和12月21日成功发射了北斗一IA和北斗一1B两颗静止轨道卫星．2003年1月1日该系统正式投人使用，并于2003年5月25日和2007年2月3日先后发射了北斗一1C和北斗一1D，作为该系统的备份卫星，提高了系统的可靠性。

    “北斗一代”系统有明显的试验性质。因此，2004年我国正式启动第二代北斗导航系统计划，至2012年年底，北斗系统正式对亚太地区提供无源定位、导航和授时服务。2017年11月5日，北斗三号首批组网卫星顺利升空，标志着北斗全球导航卫星系统建设正式启动，预计2020年建成。

    “北斗一代”是区域定位系统，采用双星定位，定位解算等信息处理全部由地面控制中心完成，所提供的“短报文”服务是其他卫星定位系统所没有的特殊功能。北斗一IA和北斗一旧位于800 E和1400 E的赤道上空，系统覆盖范围为70° E ^ 145° E, 5°N～55° N,工作频率为1575.42 MH2、1268.52 MH2、1191.795 MHz。系统采用主动有源工作原理，地面控制中心持续地向卫星发送询问信号，这些信号经由卫星转发到服务区范围，当用户需要定位时，响应其中一颗卫星信号，该响应信号通过两颗卫星分别转发回到地面控制中心，地面控制中心利用这两个信号的传输延迟，并参考其他参数计算确定用户位置，再将定位信息经卫星转发给用户。

    北斗全球导航卫星系统的地面控制系统由l个主控站、2个注人站和30个监测站构成。北斗系统的卫星星座与GPS、Galileo和GLONASS有重要区别，它由三种不同轨道性质、总共30颗卫星组成，包括3颗静止轨道卫星（geostationary earth orbit, GEO）、3Wff倾斜同步轨道卫星（inclined geo synchronous orbit, IGSO）和24颗高圆轨道卫星（mediumearth orbit, MEO）。

    北斗全球导航卫星系统既继承了星地双向测时、测距和短报文通信等北斗系统已有的成熟技术，也采用了单向时间测距的被动式导航体制，可实现无源定位，用户容量不受限制。系统采用我国自主建立的北斗坐标系(BeiDou coordinate system, BDCS）。

    北斗系统向用户提供开放服务和授权服务。开放服务向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2m/s，授时精度20ns；授权服务为有高精度、高可靠导航需求的用户提供服务。

4.2.4卫星定位导航系统应用举例

    GNSS应用领域十分广泛。在目前已建和在建的4种卫星导航系统中，因GPS覆盖范围大、应用芯片和软件相对比较成熟，故拥有大量用户，全球市场占有率在90%以上。本小节仅从车船及飞机导航、手机定位导航、导弹制导三个领域介绍GNSS的应用。

1.车、船、飞机导航

车、船、飞机导航是以GNSS导航和地图数据匹配技术为基础发展起来的一门新型民用技术，是目前GNSS应用最大的消费市场。

    GNSS导航应用可分为两大类型：一种是单用户类型，另一种是多用户类型。单用户类型主要满足单个车、船或飞机的导航需要，系统由卫星定位模块、电子地图模块、车（船、机）载嵌人式系统组成，技术和应用相对比较简单。多用户类型主要面向集团用户服务，具有对多个车、船或飞机运行状态进行跟踪和调度的功能，可满足多用户协同、监控和应急救援等任务的需要，如对押运车等特种车辆、出租车、大型客货车辆及物流的跟踪、调度、救援等。多用户类型一般需要建立地面监控中心，在通信系统支持下，由控制中心对所辖车船或飞机进行监控和调度。

    车辆导航系统利用GNSS信号得到车辆的即时位置，通过电子地图系统在显示屏上显示车辆运行轨迹和所在位置。GNSS车辆导航系统都具有车辆高精度定位、输人目的地快速生成最佳行驶路线、路口语音提示行驶方向、导航画面无级缩放和随定位自动漫游、地理信息多种方式查询、导航信息多窗口显示等基本功能。

海洋船舰导航是GNSS最有应用前景的领域之一。在军事方面GNSS可用于各类舰艇导航，协助完成海上巡逻、舰队调动与会合、海上军事演习和协同作战、武器发射、舰载飞机导引等作业。在民用方面，GNSS在船只定位导航、海洋测量、石油勘探、海洋捕鱼、浮标设立、管道铺设、浅滩测量、暗礁定位、海港领航和水上交通管理等众多领域都有很好的应用前景。

在航空领域，GNSS技术也有非常重要的应用价值。利用GNSS导航可不完全依赖地面导航台站，特别适合在海上、荒漠、极地和其他边远地区空域的飞行导航，能增加飞行的灵活性。GNSS差分定位数据能够达到进近着陆的精度要求，可取代仪表着陆系统（ILS )和微波着陆系统（MLS）。利用GNSS对进人机场的飞机和地面车辆统一进行管理，能够有效跟踪、调动所有在场活动的飞机和车辆，提高管理效率，增加机场安全性。

2.手机定位导航

手机定位导航是指在手机平台上实现的GNSS定位导航功能。实现手机定位导航，要求手机上集成有导航芯片和导航软件。智能手机一般都集成有导航芯片，目前越来越多的手机集成了北斗导航芯片。2019年，我国支持北斗的智能手机总体出货量达到3.89亿部。

从技术上，手机定位技术可划分为三种类型。第一种类型是GNSS定位，采用GPS导航芯片时，定位精度一般为3一5m，定位时搜索卫星信号需要较大的功率，定位耗时也较长。第二种类型是无线网络标识号（CELLID）定位，根据手机到最近2或3个移动通信基站的距离，采用交会法计算手机位置，这种技术不需要GNSS导航芯片，可在室内等没有GNSS信号的地方定位，定位速度很快，但定位精度较差，一般误差在100m以上。第三种类型是混合定位，即A-GNSS+CELLID+GNSS定位。这种技术在室内默认采用CELLID定位，在室外先利用A-GNSS快速定位，然后再自动切换到GNSS定位和导航，具有定位速度快、高精度的优点，是目前大部分智能手机定位导航利用的技术。

3.导弹制导

现代战争在对预定军事目标进行摧毁时，不仅追求目标摧毁的有效度，同时也会注意尽量减少平民的伤亡，这就对武器的攻击精确度提出了比较高的要求，其精准度在一些情况下要达到几米的量级。精确制导导弹就是在这种背景下出现的一种智能武器，它是一种装有精确制导装置、能准确命中目标的导弹。

常见的导弹制导技术有寻的制导、遥控制导、匹配制导、惯性制导等，其中惯性制导是导弹制导中采用最为普遍的一种技术。但是，惯性制导存在误差随时间累积的缺点，很难满足全球覆盖、高精度、高可靠性等现代军事理想的要求。GNSS为研发新的制导系统和完善现有的惯导系统提供了重要基础，美军以GPS为制导技术的巡航导弹已应用于实战。