全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展概況

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展概況（侯忠誠）
摘要：今天，衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)在大量應用中廣泛使用，而且總的發(fā)展趨勢是為實時應用
提供高精度服務。迄今為止，比較完善的衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)有美國GPS和俄羅斯GLOMSS系
統(tǒng)，它們的定位和定時精度都能滿足嚴格的軍用定位和定時要求。面對大量的衛(wèi)星導航需
求，歐洲計劃推出自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)Galileo。本文對現(xiàn)有的CPS和GLONASS系統(tǒng)進行了
描述和比較，并對Galileo系統(tǒng)的計劃方案進行了簡要說明。
主題詞：全球定位系統(tǒng)  衛(wèi)星通信  導航
    導航與定位對于許多活動都非常重要。但是，以往的很多導航與定位技術都存在著不
同程度的缺陷。Landmarks僅限于本地使用，還要受到運動與環(huán)境因素的影響；Dead Rec
koning的技術非常復雜，其精度依賴于比較原始的測量工具；Celestial技術也很復雜，
且僅適合夜晚和天氣良好的情況使用，測量精度也有限；OMEGA基于較少的無線定向信標，
不但精度有限而且易受無線電干擾；LORAN覆蓋范圍有限（主要為海岸），精度受地理狀
況的影響，易于受干擾；SatNav基于低頗多普勒測量，易受接收機移動的影響，衛(wèi)星數(shù)量
少，數(shù)據(jù)更新不及時。美國的全球導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS的發(fā)展開
拓了精密定位的新紀元，成為現(xiàn)代導航應用的主導技術。Galileo歐洲衛(wèi)星導航系統(tǒng)的開
發(fā)將為民用用戶的定位和定時服務提供了又一選擇。
          GPS系統(tǒng)
    1.GPS系統(tǒng)的開發(fā)背景
    20世紀70年代，隨著美蘇軍備競賽的升級，美國的軍事領域迫切需要能夠在世界范圍
精確定位的系統(tǒng)。美國國防部不惜斥資120億美元研制軍用定位系統(tǒng)。1978年，美國成功
發(fā)射了第一顆用于GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星，此后GPS逐漸發(fā)展成為目前廣泛使用的系統(tǒng)。
    2.GPS系統(tǒng)概述
    GPS系統(tǒng)由空間部分、地面測控部分和用戶設備三部分組成。
   （1）空間部分
    GPS系統(tǒng)的空間部分由空間GPS衛(wèi)星星座組成。GPS衛(wèi)星星座原計劃是將24顆衛(wèi)星均勻
分布在6個不同的軌道平面上，而發(fā)展到今天，在軌道上運行的衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)達到27顆。
每個軌道平面與赤道平面的傾角大約55度。在地球上任何地點任何時刻都能觀測到5－8顆
衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星都利用兩個L載頻傳送信號，即L1（1575.42MHz）和L2（1227.26 MHz）。
每顆衛(wèi)星都在完全相同的頻率上傳送信號，但每顆衛(wèi)星的信號在到達用戶之前都經(jīng)過了多
普勒頗移。L1承載精密（P）碼和粗／捕獲（C／A）碼，L2僅承載P碼。導航的數(shù)據(jù)報文疊
加在這些碼上，兩個載頻上承載著相同的導航數(shù)據(jù)報文。P碼通常是加密的，只有C／A碼
可供民用。
    （2）控制部分
    控制部分包括地球上所有監(jiān)測與控制衛(wèi)星的設施。美國的GPS運行控制系統(tǒng)（OCS）包
括監(jiān)測站、主控站（MCS）以及上行線路天線。主控站設在美國Colorado州的Falcon空軍
基地，一天24小時從監(jiān)測站接收數(shù)據(jù)，用以確定衛(wèi)星是否有時鐘或者年歷變化以及檢測設
備功能是否正常。主控站根據(jù)監(jiān)測信號的計算結果，每天向衛(wèi)星發(fā)送1、2次新的導航與位
置推算歷信息。監(jiān)測站設在Colorado Springs、夏威夷、Ascencion Island、Diego Garc
ia和Kwaialein。無源監(jiān)測站實質上是用以跟蹤可視衛(wèi)星的GPS接收機，可匯集衛(wèi)星信號的
測距數(shù)據(jù)。監(jiān)測站測量來自衛(wèi)星的信號，并注入每顆衛(wèi)星的軌道模型。衛(wèi)星軌道模型可用
以計算精密的軌道數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星時鐘的修正。主控站向衛(wèi)星傳送天文歷和時鐘數(shù)據(jù)。然后，
衛(wèi)星通過無線電信號將軌道的無文歷數(shù)據(jù)子集發(fā)送到GPS接收機。
    （3）用戶部分
    GPS用戶部分包括GPS接收機和用戶團體。GPS接收機的體積很小，僅使用幾個集成電
路，所以造價也較低，這是它能夠廣泛應用的基礎。GPS系統(tǒng)可提供GPS接收機能夠處理的
特殊編碼衛(wèi)星信號，用以計算位置、速度和時間。要想求得一點至衛(wèi)星的距離，需要測量
無線電信號從衛(wèi)星到該點的傳播時間。假定衛(wèi)星和接收機可同時生成相同的偽隨機碼，接
收機本機代碼與接收到衛(wèi)星她隨機代碼的時間差即是信號的傳播時間，該時間乘以光速就
是該點至衛(wèi)星的距離。根據(jù)三角測量法，計算位置（X、Y、Z）和時間需要利用4顆衛(wèi)星。
三維導航是GPS的基本功能。GPS接收機可提供導航、定位、定時和測量等功能�，F(xiàn)在已有
適用于飛機、輪船、地面交通工具和個人手提的導航接收機。
    2．GPS定位服務
    聯(lián)邦無線電導航計劃中規(guī)定的GPS定位服務包括精密定位服務（PPS）和標準定位服務
（SPS）。
    （1）PPS
    授權的精密定位系統(tǒng)用戶需要密碼設備和特殊的接收機，包括美國軍隊、某些政府機
構以及批準的民用用戶。PPS的預測精度水平為22米，垂直為27米，時間精度為100納秒。
    （2）SPS
    對于普通民用用戶，美國政府對于定位精度實施控制，僅提供SPS服務。SPS服務可供
全世界用戶免費、無限制地使用，現(xiàn)有的多數(shù)接收機都能夠接收和使用SPS信號。美國國
防部通過所謂的選擇可用性（SA）方法有意將SPS的精度降低。SPS可預測的精度為水平
100米，垂直156米。時間精度為340納秒。
    3．GPS設備成本
    GPS接收機的價格差異很大，一般取決于接收機的功能。小型民用SPS接收機的價格不
足200美元。具有文件存儲與后處理能力的接收機造價較高（2000－5000美元）。DGPS標
準接收機與載波相位跟蹤接收機的造價可高達數(shù)千至數(shù)萬美元（5000－40000美元）。軍
用PPS接收機包含軍隊專用的加密模塊，設備精度可達3米，價格更昂貴。
    GLONASS系統(tǒng)
    1．GLONASS系統(tǒng)概述
    1982年，俄羅斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONASS的第一顆衛(wèi)星升空，從此開始應用于測量與導
航領域。GLONASS的定位引起了人們的關注，因為它不實施所謂的SA，因而對于民用來說，
可獲得較高的定位精度。GLONASS的另一個優(yōu)勢是衛(wèi)星軌道傾斜度較高，可適用于較高緯
度的地區(qū)。GLDNASS衛(wèi)星星座原計劃發(fā)射24顆衛(wèi)星，1998年12月30發(fā)射3顆新的GLONASS衛(wèi)
星之后衛(wèi)星軌道上的數(shù)量達到了17顆。目前，在這17顆衛(wèi)星中，有3顆暫時不能提供服務。
    2．GLONASS定位技術
    GLONASS的定位技術與GPS相同，即以精確的定時和衛(wèi)星量程計算為基準來進行。所
需的精確定時由每顆衛(wèi)星上的多個原子鐘來提供。每個衛(wèi)星使用兩個頻率（頻段）來傳
送。民用代碼（僅在較低頻率上）和軍用代碼均調制在這些頻率上。此外，每顆衛(wèi)星都
廣播有關每個時刻衛(wèi)星所處位置的信息。這一點非常必要，否則只知道接收機與未知點
之間的距離，而得不到有關自己位置的信息。
    GLONASS衛(wèi)星發(fā)送兩個偽隨機噪聲代碼：一個代碼是民用碼SPS（標準定位服務，相
當于GPS中的C／A），其碼率為511kbit／S；另一個代碼是機密的軍用碼PPS（精密定位
服務，相當于GPS的P），其碼率為5.11Mbit/s。碼率數(shù)值超高，定位精度也越高。GLON
ASS接收機的工作原理與GPS接收機大致相當。接收機生成一份代碼（此為已知），并與
從衛(wèi)星接收的代碼比較，得出內部代碼的時間差代表衛(wèi)星信號的傳播時間。測量的時間
乘以光速即可求得至衛(wèi)星的距離。以同樣的方法測量至三顆衛(wèi)星的距離可得出三維位置，
另外還需要通過測量至第四顆衛(wèi)星的距離來解決接收機中的時鐘問題。
    3．GPS與GLONASS系統(tǒng)比較
    GPS和GLONASS系統(tǒng)有很多相似之處，但很明顯GLONASS努力采用較少的衛(wèi)星數(shù)量。
對于較高的緯度，GIDNASS由于具有較高的軌道傾角而更受青睞。另外，GLDNASS的碼率
大約為GPS的一半，若GPS的精度不受SA的約束，GLONASS則不會有定位精度的優(yōu)勢。
    Galileo系統(tǒng)
    1.Galileo系統(tǒng)的提出
    當前，各種用戶需要不同精度的衛(wèi)星導航、定時等服務：道路交通運輸（車隊管理、
路邊援助與維修等）、水運（港口、霧天海上救援等）、鐵路運輸（列車管理）等等。
目前，道路交通運輸是定位應用最多的用戶。衛(wèi)星導航系統(tǒng)可用于出租汽車的定位，根
據(jù)用戶的需求調度距離最近的車輛去接用戶。越來越多的汽車制造商將衛(wèi)星導航設備安
裝在車輛中。司機可根據(jù)當時的交通狀況選擇最佳行車路線，獲悉到達選擇的目的地所
需的時間，在發(fā)生交通事故或出現(xiàn)故障時系統(tǒng)自動向應急服務機構發(fā)送車輛位置的信息，
因而可獲得急速救援。當前衛(wèi)星導航市場的增長非常迅猛，GPS和GLONASS系統(tǒng)發(fā)揮的作
用也越來越大。
    面對這種迅猛的市場增長態(tài)勢，歐洲的公司再也不能無動于衷了。另外，使用他人
的衛(wèi)星定位系統(tǒng)不可能永遠有服務保證，對于目前的免費服務不能天真地認為是理所當
然。從安全性和獨立性的角度來考慮，應建立自己的可保持完整性、提供服務連續(xù)可用
性和高精度的導航系統(tǒng)。出于經(jīng)濟、戰(zhàn)略和政治等方面的考慮，歐洲不愿繼續(xù)依賴基于
GPS和GIDNASS的第一代系統(tǒng)，開始著手研究第二代歐洲全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS2）。
1999年6月召開的歐洲交通運輸部長會議通過了撥款3700萬歐元完成被稱為Galileo的新
一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)計劃于2008年投入運營，將向民用用戶提供定位和定時服務，
屆時歐洲將可擺脫對GPS和GLONASS的依賴。
    2.Galileo系統(tǒng)的選擇與挑戰(zhàn)
    如何開發(fā)Galileo系統(tǒng)最終將在2000年下半年的歐洲交通運輸部長會議上作出決定。
1999年9月，提出了定義階段的兩項招標任務：
    ·定義全球體系結構（服務水平、信號類型、與GPS／GLONASS的兼容性、覆蓋區(qū)域、
完整性和安全性水平）
    ·空間基礎設施的特點。
    3.Galileo系統(tǒng)的性能
    Galileo系統(tǒng)提供3種等級的性能：
    ·全球（提供世界范圍的覆蓋）；
    ·地區(qū)（提供歐洲范圍的覆蓋）；
    ·局域（提供機場或城區(qū)的覆蓋）。
    4.Gaiaieo系統(tǒng)的業(yè)務類型
    系統(tǒng)還定義了3種類型的業(yè)務：
    ·開放接入業(yè)務（OAS）：向所有民用用戶開放的免費業(yè)務。
    ·一類控制接入業(yè)務（CAS1）：為商業(yè)應用提供的并實施控制接入的有償服務。
    ·二類控制接入業(yè)務（CAS 2）：為安全和軍事應用提供的并實施控制接入的有償服
務。所有這三類服務的精度都優(yōu)于10米。  CAS 2可實現(xiàn)水平4米、垂直16米的精度。
    5．Galileo系統(tǒng)的體系結構
    Galileo系統(tǒng)的星座可由9顆靜止衛(wèi)星與21顆中軌道（MEO）衛(wèi)星或者完全由30顆MEO
衛(wèi)星組成。衛(wèi)星重量在600公斤左右，功耗為1.7kw系統(tǒng)傳遞的信號強度（－155dBW／m2）
優(yōu)于GPS（-158dBW／m2），提高了抗干擾性。在建議的體系結構中，主要的挑戰(zhàn)在于定
時問題，即時間同步。Galileo將使用地面上的銫原子鐘，而GPS的這些時鐘是安裝在衛(wèi)
星上的。衛(wèi)星上將配備柳鐘，可以提供納秒級的定時精度。軌道的計算在地面上進行。
    6.Galileo系統(tǒng)與GPS和GLONASS的兼容性
    射頻兼容性對于實現(xiàn)三個系統(tǒng)的互操作至關重要：系統(tǒng)不能相互干擾或降低接收機
的性能。因此，有必要協(xié)調頻率和發(fā)射功率電平。在計劃于2000年5月召開的世界無線
電通信大會（WRC 2000）上，將討論 Galileo系統(tǒng)下行和上行鍛路的頻段分配問題。Ga
lileo需要與其他系統(tǒng)處于相同的頻段，以便與現(xiàn)有系統(tǒng)實現(xiàn)最大兼容。WRC的議程包括
重新分配1－6GHZ頻段的問題。美國很可能使用新的頻段 L5（1164一1188 MHz）。Gal
ileo在頻段的使用方面需要根據(jù)國際合作的形勢考慮向GPS或GLONASS靠攏。