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全球卫星导航系统

全球卫星导航系统,(the Global Navigation Satellite System),也称为全球导航卫星系统,是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。

常见系统有GPS、BDS、GLONASS和GALILEO四大卫星导航系统。最早出现的是美国的GPS(Global Positioning System),现阶段技术最完善的也是GPS系统。随着近年来BDS、GLONASS系统在亚太地区的全面服务开启,尤其是BDS系统在民用领域发展越来越快。卫星导航系统已经在航空、航海、通信、人员跟踪、消费娱乐、测绘、授时、车辆监控管理和汽车导航与信息服务等方面广泛使用,而且总的发展趋势是为实时应用提供高精度服务。

全球导航卫星系统能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。 GPS应用:精细农业、科学研究(野外生物学、气象学、地球科学)、环境监测、突发事件和灾害评估、安全保障、天体与建筑工程和自然资源分析的定位。卫星导航系统为人类带来了巨大的社会和经济效益,迄今,比较完善的卫星导航系统已经有美国GPS和俄罗斯GLONASS系统,欧洲计划推出自己的卫星导航系统Galileo。

估计到2020年前美国GPS、俄 罗 斯GLONASS、欧盟GALILEO和中国北斗卫星导航系统4大GNSS系统将建成或完成现代化改造 。

卫星导航的应用是建立导航卫星系统的根本出发点,也是其最终的归宿。通常卫星导航的应用市场可以分为三大方面,是专业市场、批量市场和安防市场。全球卫星导航系统,从应用的角度可分成以下10类加以简述,这就是:航空、航海、通信、人员跟踪、消费娱乐、测绘、授时、车辆监控管理,和汽车导航与信息服务,以及其它类:

1. 航空 欧盟的Galileo便是新建的全球导航星座,它与GPS配合起来,可以大大提高导航卫星的可用性,使单一的GPS市区可用性从55%提高到GPS/Galileo共用时的95%。GPS技术建立广域增强系统(WAAS)逐步代替原先的微波着陆/仪表着陆系统,美国的WAAS系统计划在2003年下半年运营,地面改正数据可以通过静地卫星转发给飞机。

2. 航海 卫星导航接收机广泛地用于海上行驶的各类船只,DGPS则广泛地用于沿岸与进港,以及内河行驶的船只,精度可达到2-3m。在卫星导航接收机与无线通信手段集成后,该系统便成为一个位置报告系统和紧急救援系统。许多渔船将GPS与雷达和鱼探器结合在一起,产生明显的经济效益。

3. 通信与导航的融合 卫星导航接收机与无线电通信机的结合是自然发生的,这种融合产生的意义是非常深远的。实际上,这是移动计算机(PDA)、蜂窝电话和GPS接收机的系统集成和完美整合。

4. 人员跟踪 个人跟踪的应用需求与E911这类导航手机或称定位手机思路相似,但其产品类型和主要功能定位则与它们大相径庭。首先要求其体积和功耗要小,便于隐藏或佩带,如手表之类。其应用功能可以由中心加以激活或启动,以利于获取佩带者所在位置。

5. 消费娱乐 徒步旅行者、猎人、越野滑雪者,野外工作人员和户外活动者常应用袋式GPS定位器,配上电子地图,可以在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目的地。

6. 测绘 GPS测绘还可用于绘图、地藉测量、地球板块测量、火山活动监测、GIS领域、大桥监测、水坝监测、滑坡监测、大型建筑物监测等。这种测量技术的实时动态化(RTK)可以用于海洋河道公路测量,以及矿山、大型工程建设工地等作为自动化管理和机械控制。

7. 授时 GPS设备还用于作为时间同步装置,特别是作为交易处理定时(如在ATM机中)和通信网络中应用。

8. 车辆监控管理

9. 汽车导航与信息服务10. 其它

GPS系统(美国)

2. 北斗系统(中国)

3.GLONASS系统(俄罗斯)

4.伽利略卫星导航系统(欧盟)

GPS系统是美国从上世纪70年代开始研制,主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

GPS利用导航卫星进行测时和测距,具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今,GPS已经成为当今世界上最实用,也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。
  GPS全球定位系统由空间系统、地面控制系统和用户系统三大部分组成。其空间系统由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成,分布在20200千米高的6个轨道平面上,运行周期12小时。地球上任何地方任一时刻都能同时观测到4颗以上的卫星。地面控制系统负责卫星的测轨和运行控制。用户系统为各种用途的GPS 接收机,通过接收卫星广播信号来获取位置信息,该系统用户数量可以是无限的。

GPS全球定位系统是美国为军事目的而建立的。1983年一架民用飞机在空中因被误以为是敌军飞机而遭击落后,美国承诺GPS免费开放供民间使用。美国为军用和民用安排了不同的频段,并分别广播了P码和C/A码两种不同精度的位置信息。美国军用GPS精度可达1米,而民用GPS理论精度只有10米左右。 特别地,美国在90代中期为了自身的安全考虑,在民用卫星信号上加入了SA (Selective Availability),进行人为扰码,这使得一般民用GPS接收机的精度只有100米左右。2000年5月2日,SA干扰被取消,全球的民用GPS接收机的定位精度在一夜之间提高了许多,大部分的情况下可以获得10米左右的定位精度。美国之所以停止执行SA政策,是由于美国军方现已开发出新技术,可以随时降低对美国存在威胁地区的民用GPS精度,所以这种高精度的GPS技术才得以向全球免费开放使用。
  受应用需求的刺激,民用GPS技术蓬勃发展,出现了DGPS(差分GPS)、WAAS(地面广播站型态的修正技术)等技术,进一步提高民用GPS的应用精度。2005年,美国开始发射新一代GPS卫星,开始提供第二个民用波段。未来还将提供第三,第四民用波段。随着可用波段的增加,新卫星陆续使用,GPS定位系统的精度和稳定性都比过去更理想,这必将大大拓展GPS应用与消费需求。此外新卫星也提供更优秀的军用支持能力,当然这只对美国军方及其盟友有益。

GPS系统的开发背景 20世纪70年代,随着美苏军备竞赛的升级。美国国防部不惜斥资120亿美元研制军用定位系统。

2.GPS系统概述 GPS系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三部分组成。

(1)空间部分

GPS的空间部分是由24颗卫星组成其中21颗工作卫星,3颗备用卫星。它位于距地表ZOZOOkm的上空,运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上,轨澎顷角为55°。卫星的分布使得在全球任何地东任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能在卫星中预存导航信息,GPS的卫星因为大气摩擦等问题,随着时间的推移,导航精度会逐渐降低。

(2)控制部分

地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。

(3)用户部分 GPS用户部分包括GPS接收机和用户团体。

2.GPS定位服务 联邦无线电导航计划中规定的GPS定位服务包括精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。

(1)PPS 授权的精密定位系统用户需要密码设备和特殊的接收机,包括美国军队、某些政府机构以及批准的民用用户。

(2)SPS 对于普通民用用户,美国政府对于定位精度实施控制,仅提供SPS服务。SPS服务可供全世界用户免费、无限制地使用。

3.GPS设备成本 GPS接收机的价格差异很大,一般取决于接收机的功能。小型民用SPS接收机的价格不足200美元。

GPS的发展大约经历了几个阶段:

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准。

第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统,是继美国GPS全球定位系统和俄国GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具有短报文通信能力,已经初步具备区域导航、定位和授时能力,定位精度优于20m。

中国这个要逐步扩展为全球卫星导航系统的北斗导航系统(COMPASS),将主要用于国家经济建设,为中国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。建设中的中国北斗导航系统(COMPASS)空间段计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成,提供两种服务方式,即开放服务和授权服务。北斗卫星将逐步扩展为全球卫星导航系。中国将陆续发射系列北斗导航卫星,逐步扩展为全球卫星导航系统。

2003年5月25日,我国成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空,第三颗发射的是导航定位系统的备份星,它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统,确保全天候、全天时提供卫星导航信息。这标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后,在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家,

我国的“北斗一号”卫星导航系统是一种“双星快速定位系统”。突出特点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。

北斗卫星导航系统的建设与发展,以应用推广和产业发展为根本目标,建设过程中主要遵循以下原则:

1、开放性:北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放,为全球用户提供高质量的免费服务,积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作,促进各卫星导航系统间的兼容与互操作,推动卫星导航技术与产业的发展。

2、自主性:中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统,北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。

3、兼容性:在全球卫星导航系统国际委员会和国际电联框架下,使北斗卫星导航系统与世界各巨星导航系统实现兼容与互操作,使所有用户都能享受到卫星导航发展的成就。

4、渐进性:中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展,不断完善服务质量,并实现各阶段的无缝衔接。

系统的主要功能是:

1、快速定位:快速确定用户所在地的地理位置,向用户及主管部门提供导航信息。
  2、简短通讯:用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向短数字报文通信。
  3、精密授时:中心控制系统定时播发授时信息,为定时用户提供时延修正值。
  “北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°,东经70°一140°之间的心脏地区,上大下小,最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100米,设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率:2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。
  2007年2月3日零时28分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功将北斗导航试验卫星送入太空。这是我国发射的第四颗北斗导航试验卫星,从而拉开了建设“北斗二号”卫星导航系统的序幕。2007年4月14日,我国又将成功将第五颗“北斗”导航卫星送入太空。
  “北斗”导航卫星系统是世界上第一个区域性卫星导航系统,可全天候、全天时提供卫星导航信息。与其它全球性的导航系统相比,它能够在很快的时间内建成,用较少的经费建成并集中服务于核心区域,是十分符合我国国情的一个卫星导航系统。 “北斗”导航定位卫星工程投资少,周期短;将导航定位、双向数据通信、精密授时结合在一起,因而有独特的优越性。 中国正大力建设“北斗”卫星导航系统,计划在2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,并进行系统组网和试验,2010年逐步扩展为全球卫星导航系统。
  “北斗”卫星导航系统除了在我国国家安全领域发挥重大作用外,还将服务于国家经济建设,提供监控救援、信息采集、精确授时和导航通讯等服务。可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业。

北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度高可靠的定位、导航、授时服务,并兼短报文通信能力。

北斗卫星导航系统正按照“三步走”的发展战略稳步推进。第一步,2000年建成北斗卫星导航试验系统,使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。第二步,建设北斗卫星导航系统,2012年左右形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。第三步,2020年左右,北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。

“格洛纳斯”GLONASS是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统,覆盖范围包括全部地球表面和近地空间,也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。虽然“格洛纳斯”系统的第一颗卫星早在1982年就已发射成功,但受苏联解体影响,整个系统发展缓慢。直到1995年,俄罗斯耗资30多亿美元,才完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。此卫星网络由俄罗斯国防部控制。
  GLONASS系统由24颗卫星组成,原理和方案都与GPS类似,不过,其24颗卫星分布在3个轨道平面上,这3个轨道平面两两相隔120°,同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行,轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。俄罗斯自称,多功能的GLONASS系统定位精度可达1米,速度误差仅为15厘米/秒。如果需要,该系统还可用来为精确打击武器制导。
  俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS一开始就没有加SA干扰,所以其民用精度优于加SA的GPS。不过,GLONASS应用普及情况则远不及GPS,这主要是俄罗斯并没有开发民用市场。另外,GLONASS卫星平均在轨寿命较短,由于俄罗斯航天局经费困难,无力补网,导致轨道卫星不能独立组网,只能与GPS联合使用。致使实用精度大大下降。
  2003年的伊拉克战争对俄罗斯产生了相当大的震动,迫使俄罗斯领导层再次对太空的军事用途重视起来。普京总统曾强调,出于国家安全战略的考虑,俄罗斯应该使用本国的“格鲁纳斯”系统,而非美国的GPS或者是欧洲的“伽利略”导航系统。俄罗斯正在着手GLONASS系统的现代化改进工作,新一代“GLONASS-M”型导航卫星已陆续投入发射,开始使用。
  日前俄罗斯官方宣布,从2007年起,俄全球卫星导航系统“格洛纳斯”将全面启动民用商业服务计划,“格洛纳斯”系统为俄罗斯公民提供不限制精度的导航定位服务,将有助于促进民用卫星导航市场的发展。为“格洛纳斯”带来新的生机,军转民计划有望使GLONASS获得新的生机。
  2015年,“格洛纳斯”系统实际在轨卫星达17颗,到2007年底,“格洛纳斯”系统将覆盖整个俄罗斯,届时该系统卫星总数将增加到18颗;而到2009年末,该系统卫星总数将增加到24颗,真正实现全球定位导航。届时,GLONASS系统将具备与美国GPS系统相抗衡的实力。

系统简介

1.GLONASS系统概述 1982年,俄罗斯卫星导航系统GLONASS的第一颗卫星升空,从此开始应用于测量与导航领域。

2.GLONASS定位技术 GLONASS的定位技术与GPS相同,即以精确的定时和卫星量程计算为基准来进行。

3.GPS与GLONASS系统比较 GPS和GLONASS系统有很多相似之处,但很明显GLONASS努力采用较少的卫星数量。

Galileo系统总投资达35亿欧元的伽利略计划是欧洲自主的、独立的民用全球卫星导航系统,提供高精度,高可靠性的定位服务,实现完全非军方控制、管理,可以进行覆盖全球的导航和定位功能。
  欧盟发展“伽利略”卫星定位系统可以减少欧洲对美国军事和技术的依赖,打破美国对卫星导航市场的垄断。法国总统希拉克曾表示,没有“伽利略”计划,欧洲“将不可避免地成为附庸,首先是科学和技术,其次是工业和经济”。它是第一个民用的全球卫星导航定位系统,其配置、频率分布、信号设计、安全保障及其多层次、多方位的导航定位服务特点,使得它的性能比GPS系统更为先进、高效和可靠;它保障了全球完整性的监控、航空和航海的安全以及服务的不间断,特别是提供了公开、生命安全、商业、官方控制和搜救服务,极大地满足了全球各类用户的需求。预计其应用市场和效益十分巨大。

“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成,2008年投入使用,总共发射30颗卫星,其中27颗卫星为工作卫星,3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里,位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外,还有2个地面控制中心。
  欧盟伽利略计划的首颗卫星在2005年12月28日升空,第二颗卫星预计在2015年发射。由于伽利略计划采用欧盟公共机构和联盟内私营企业合营的方式,而各国私营企业迟迟未就权利和利益分配达成妥协。欧盟相关发言人承认,由于上述问题的存在,伽利略系统实现商业运行的时间已经被推迟到了2011年甚至更晚。
  作为一个大型战略性国际合作项目,伽利略计划的实施进展关乎多方利益。到目前为止,欧盟已经与中国、以色列、美国、乌克兰、印度、摩洛哥和韩国分别签署了合作开发协议,并正在与阿根廷、巴西、墨西哥、挪威、智利、马来西亚、加拿大以及澳大利亚等国进行合作谈判。中国是最早与欧盟签订伽利略计划合作协议的非欧盟国家,承诺的投资总额达2亿欧元。可以说,作为欧盟日益重要的全球合作伙伴之一,中国参与伽利略计划是中欧双方共同的经济和战略利益需要。
  与美国的“全球定位系统”(GPS)相比,建成后的伽利略系统将具备至少3方面优势:首先,其覆盖面积将是GPS系统的两倍,可为更广泛的人群提供服务;其次,其地面定位误差不超过1米,精确度要比GPS高5倍以上,用专家的话说,“GPS只能找到街道,而伽利略系统则能找到车库门”;第三,伽利略系统使用多种频段工作,在民用领域比GPS更经济、更透明、更开放。伽利略计划一旦实现,不仅可以极大地方便欧洲人的生活,还将为欧洲的工业和商业带来可观的经济效益。更重要的是,欧洲将从此拥有自己的全球卫星定位系统,这不仅有助于打破美国GPS系统的垄断地位,在全球高科技竞争浪潮中夺取有利位置,更可以为建设梦想已久的欧洲独立防务创造条件。

Galileo系统的提出 1999年6月召开的欧洲交通运输部长会议通过了拨款3700万欧元完成被称为Galileo的新一代卫星导航系统。2008年投入运营。

2.Galileo系统的选择与挑战 如何开发Galileo系统最终将在2000年下半年的欧洲交通运输部长会议上作出决定。

3.Galileo系统的性能 Galileo系统提供3种等级的性能: 全球地区局域。

4.Gaiaieo系统的业务类型 系统还定义了3种类型的业务: 开放接入业务(OAS)。一类控制接入业务(CAS1)二类控制接入业务(CAS 2)。

5.Galileo系统的体系结构 Galileo系统的星座可由9颗静止卫星与21颗中轨道(MEO)卫星或者完全由30颗MEO 卫星组成。

6.Galileo系统与GPS和GLONASS的兼容性 射频兼容性对于实现三个系统的互操作至关重要:系统不能相互干扰或降低接收机的性能。

作为全球卫星导航定位系统,Gialleo的应用范围非常广泛,涉及到大地测量和地球动力学服务,以及运输、铁路、航空、农业、海事、工程建设、能源等领域。

除了上述4大全球系统 外,还包括区域系统和增强系统,其中区域系统有日本的QZSS和印度的IRNSS,增强系统有美国的WASS、日本的MSAS、欧盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亚的NIG-COMSAT-1等。


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