卫星导航系统

简介　　卫星导航系统,顾名思义,就是“全球卫星导航系统”。主要采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。卫星导航全球性大众化民用,刚刚开始,有百种应用类型。卫星导航的生命期至少还有50年,GPS概念的提出已有三十年,真正应用只有十来年,现在GPS现代化,GPS III新阶段,延续到2020年。GPS国际协会已统计出GPS的117种不同类型的应用。蜂窝通信的集成和汽车应用还是当前最大的两个市场。 卫星导航系统已经在大量应用中广泛使用,而且总的发展趋势是为实时应用提供高精度服务。
　　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。
　　全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、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,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。构成　　全球定位系统由三部分构成:
　　(1)地面控制部分,由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的 工作)、地面天线(在主控站的控制下,向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成;
　　(2)空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个道平面上;
　　(3)用户装置部分, 主要由GPS接收机和卫星天线组成。
　　全球定位系统的主要特点:
　　(1)全天候;
　　(2) 全球覆盖;
　　(3)三维定速定时高精度;
　　(4)快速省时高效率;
　　(5)应用广泛多功能。
　　全球定位系统的主要用途:
　　(1)陆地应用,主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等;
　　(2)海洋应用,包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等;
　　(3)航空航天应用,包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
　　GPS卫星接收机的种类:
　　根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。
　　经过20余年的实践证明,GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。 GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。原理　　24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
　　由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。
　　事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。
　　由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度,普遍采用差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。前景　　由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
　　随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布2000年至2006期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。据有关专家预测,在美国,单单是汽车GPS导航系统,2000年后的市场将达到30亿美元,而在我国,汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见,GPS技术市场的应用前景非常可观。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GLOMSS系统,欧洲计划推出自己的卫星导航系统Galileo。
　　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。
　　其它类:
　　1. 航空 欧洲的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现在常应用袋式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. 其它系统　　1.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系统的空间部分由空间GPS卫星星座组成。
　　(2)控制部分 控制部分包括地球上所有监测与控制卫星的设施。
　　(3)用户部分 GPS用户部分包括GPS接收机和用户团体。
　　3.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。
　　4.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。GLONASS系统　　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　　1.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。

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