1、 GPS的發展過程及GPS現代化俄羅斯的GLONASS系統伽俐略（Galileo）系統的發展 中國北斗衛星導航系統 偽衛星導航定位技術主要內容GNSS的組成及發展過程1.1 GPS的發展過程及GPS現代化GPS的發展過程及GPS現代化 1958年底美國海軍武器實驗室，就著手建立為美國軍用艦艇導航服務的衛星系統，即“海軍導航衛星系統”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。該系統中，衛星的軌道都通過地極，故也稱“子午（Transit）衛星系統”。1964年該系統建成，并在美國軍方啟用。子午衛星GPS的發展過程及GPS現代化 1973年美國國防部便開始組織海陸

2、空三軍，共同研究建立新一代衛星導航系統的計劃。這就是目前所稱的Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，有時也被稱作NAVSTAR GPS。“授時與測距導航系統/全球定位系統”（NAVSTAR / GPS），簡稱“全球定位系統”（GPS）。GPS的發展過程及GPS現代化 GPS衛星已經研制了三代：第一代(Block I)：11顆實驗衛星，分布在2個軌道平面，已停止工作。第二代(Block II、IIA)：共28顆衛星，設計壽命7.5年，1989-94發射完成。第三代(Block IIR、IIF、III)：已部分

3、發射運行，以實現GPS現代化。GPS的發展過程及GPS現代化 1999年1月25日美國副總統戈爾提出了GPS現代化的計劃。隨后美國軍方和波音公司（始于IIF）闡明了其內涵：保護：更好地保護美方和友好方使用GPS，加強抗干擾能力；阻止：阻擾敵對方使用GPS，施加干擾；保持：保持在有威脅地區以外的民用用戶有更精確、更安全的GPS使用。GPS的發展過程及GPS現代化PRN 01 from Block IIR-M is unhealthyPRN 25 from Block IIA is unhealthyPRN 32 from Block IIA is unhealthyIIF計劃GPS的發展過程及G

4、PS現代化GPS IIA為GPS II的增強衛星GPS Block IIF衛星GPS IIF-1 Launch Vehicle:Delta IVLaunch Site:Cape Canaveral Air Force StationLaunch Date:Thursday, May 27, 2010美國空軍8月27號宣布，第一顆GPSBlock IIF衛星開始正式運行，在當天早上10:10左右衛星發回了健康的導航信號，標志著Block IIF衛星正式投入使用。計劃到2013年發射12顆1.1 GPS的發展過程及GPS現代化(續) 第一階段：發射12顆改進型的BLOCK IIR衛星， 增播第二民

5、用碼和軍碼（M）,增加星間測距和通信鏈路設計。（97-04，lockheed Martin） 第二階段：在2005（延遲到2011）年前發射6顆BLOCK IIF衛星，強化軍碼（M碼）、增發第三民用碼（L5：1176MHz）。到2008年（未確定）至少有18顆IIF型衛星，到2016年全部以IIF型（24+3）運行。 第三階段：研制和發射BLOCK III衛星，2003年完成系統設計、2008年發射GPS III的第一顆試驗衛星、20年后完成GPS III替代GPS II。GPS 頻率表2005，GPS IIR-M-1，加L2C 2010，GPS IIF SV-1 ，加L5 GPS II添加，

6、還用于傳輸導彈預警信息1.2 俄羅斯的GLONASS系統 GLONASS系統由衛星、地面測控站和用戶設備三部分組成，系統由21顆工作星和3顆備份星組成，分布于3 個軌道平面上，每個軌道面有8顆衛星，軌道高度1萬9000公里，運行周期11小時15分。GLONASS系統于20世紀70年代開始研制，1982年發射首顆衛星入軌。但由于航天撥款不足，該系統部分衛星一度老化，最嚴重曾只剩6顆衛星運行。2003年12月，由俄國應用力學科研生產聯合公司研制的新一代衛星交付聯邦航天局和國防部試用，為2008年全面更新Glonass系統作準備。在技術方面，GLONASS系統的抗干擾能力比GPS要好，但其單點定位精

7、確度不及GPS系統。2004年，印度和俄羅斯簽署了關于和平利用俄全球導航衛星系統的長期合作協議，正式加入了GLONASS系統，計劃聯合發射18顆導航衛星。 1.2 俄羅斯的GLONASS系統GLONASS衛星星座GLONASS衛星外型 1.2 俄羅斯的GLONASS系統GLONASS系統新進展GLONASS 升級計劃恢復全球連續導航能力Glonass-K 計劃 (2011)進一步提高GLONASS系統的定位精度地面控制部分的現代化擴展地面控制網絡 提高系統時間的穩定度，軌道精度擴展地面監測網信號現代化GLONASS-K增加G3信號 (CDMA)與GPS、Galileo能進行互操作 信號頻段坐標

8、系統時間系統發射新的衛星，繼續GLONASS現代化進程GLONASS系統新進展2006年12月25日，俄羅斯用質子-K運載火箭發射了3顆格洛納斯-M衛星，使格洛納斯系統的衛星數量達到17顆。2010年12月05日，俄羅斯攜帶有3顆衛星的質子M運載火箭發射后偏離正常軌道，墜落夏威夷附近的太平洋中。2011年2月26日發射了一顆格洛納斯-K衛星共27顆，23顆可用，一顆試運轉，3顆在維護中全球某一時刻PDOP情況目前整體可用情況北斗北斗導航三步走第一步是試驗階段，即用少量衛星利用地球同步靜止軌道來完成試驗任務，為北斗衛星導航系統建設積累技術經驗、培養人才，研制一些地面應用基礎設施設備等；第二步是到

9、2012年，計劃發射10多顆衛星，建成覆蓋亞太區域的北斗衛星導航系統；第三步是到2020年，建成由5顆靜止軌道和30顆非靜止軌道衛星組網而成的全球衛星導航系統。 北斗第一步：北斗衛星導航試驗系統（2003年）有源服務能力第二步（2010年左右）區域無源服務能力（2015年左右）全球服務能力北斗衛星導航系統北斗北斗一代、二代發射基本情況至今一代有2顆在軌運行衛星二代有七顆衛星，一顆僅用于測試，一個不能用，剩下5顆可用。 北斗北斗1-D的發射In February 2007, the fourth and also the last satellite of BeiDou-1 system, th

10、eBeiDou-1D(sometimes calledBeiDou-2A, serving as a backup satellite), was sent up into space.It was reported that the satellite had suffered from a control system malfunction but was then fully restored 北斗北斗一代雙星定位系統組成 采用兩顆位于80E和140E地球靜止軌道衛星雙向測距加數字化高程地圖定位 北斗北斗一代系統組成導航通信衛星：即空間中繼站是兩顆距地 面36000KM與地球同步的靜止

11、衛星 ,兩者升交點赤經相差60地面站組：包括主控站 、計算中心 、測軌站 、測高站以及校準站等 用戶設備：為僅帶有定向天線的收發器 ,用于接收中心站通過衛星轉發來的信號和 向中心站發射通信信息不 含定位解算處理器 ,設備比較簡單。一代定位原理中心站通過測量信號在中心站-衛星-用戶之間往返的時間延遲,從而測定用戶和兩顆衛星之間的距離,再利用用戶的高度測量數據或數字地圖經過解算就可以確定用戶的位置北斗一代性能短報文通信：一次可傳送多達120個漢字的訊息。精密授時：精度達10納秒。定位精度：水平精度100米(1)，設立標校站之后為20米(類似差分狀態)。工作頻率：2491.75MHz。系統容量：每小

12、時540000戶。北斗一代與GPS比較覆蓋范圍北斗導航系統是覆蓋中國本土的區域導航系統。覆蓋范圍東經約70-140，北緯5-55。GPS是覆蓋全球的全天候導航系統，能夠確保地球上任何地點、任何時間能同時觀測到6-9顆衛星(實際上最多能觀測到11顆)。 北斗一代與GPS比較衛星數量和軌道特性 北斗導航系統是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛星，衛星的赤道角距約60。GPS是在6個軌道平面上設置24顆衛星，軌道赤道傾角55，軌道面赤道角距60。GPS導航衛星軌道為準同步軌道，繞地球一周11小時58分。 北斗一代與GPS比較定位原理北斗導航系統是主動式雙向測距二維導航。地面中心控制系統解算，供用戶三

13、維定位數據。GPS是被動式偽碼單向測距三維導航。由用戶設備獨立解算自己三維定位數據。“北斗一號”的這種工作原理帶來兩個方面的問題，一是用戶定位的同時失去了無線電隱蔽性，這在軍事上相當不利，另一方面由于設備必須包含發射機，因此在體積、重量上、價格和功耗方面處于不利的地位。北斗一代與GPS比較用戶容量北斗導航系統由于是主動雙向測距的詢問-應答系統，用戶設備與地球同步衛星之間不僅要接收地面中心控制系統的詢問信號，還要求用戶設備向同步衛星發射應答信號，這樣，系統的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號速率和用戶的響應頻率。因此，北斗導航系統的用戶設備容量是有限的。GPS 是單向測距系統，用戶設備

14、只要接收導航衛星發出的導航電文即可進行測距定位，因此GPS的用戶設備容量是無限的。北斗一代與GPS比較生存能力 和所有導航定位衛星系統一樣，“北斗一號”基于中心控制系統和衛星的工作，但是“北斗一號”對中心控制系統的依賴性明顯要大很多，因為定位解算在那里而不是由用戶設備完成的。為了彌補這種系統易損性，GPS正在發展星際橫向數據鏈技術，使萬一主控站被毀后GPS衛星可以獨立運行。而“北斗一號” 系統從原理上排除了這種可能性，一旦中心控制系統受損，系統就不能繼續工作了。 北斗一代與GPS比較實時性 “北斗一號”用戶的定位申請要送回中心控制系統，中心控制系統解算出用戶的三維位置數據之后再發回用戶，其間要

15、經過地球靜止衛星走一個來回，再加上衛星轉發，中心控制系統的處理，時間延遲就更長了，因此對于高速運動體，就加大了定位的誤差。此外，“北斗一號”衛星導航系統也有一些自身的特點，其具備的短信通訊功能就是GPS所不具備的。2003年介入伽利略蜜月期（2003年-2004年）中歐優勢互補反對單極世界 2003年的歐洲，處處彌漫著反美反戰情緒。美國執意執行單邊主義外交策，不顧國際會反對，悍然發動伊拉克戰爭，歐洲人感受到了“單極世界”引起的潛在危險。時任法國總統希拉克，主張建立“多極化世界”，他的呼聲得到時任德國施羅德的堅決支持。在這樣的背景下，歐盟決定把中國納入歐盟2002年就已啟動的“伽利略”計劃中，中

16、國成為第一個非歐盟的參與國。消息傳開，震驚美國。 介入伽利略一直以來，美國的全球衛星定位系統GPS在用導航領域獨步天下，即便同時代有俄羅斯的“格洛納斯”系統與之競爭，但“格洛納斯”年久失修，導航衛星殘缺不全，早已淡出國際市場，根本不具備與GPS一比高下的能力。歐盟發起的“伽利略”全球衛星導航計劃，被認為是結束美國“獨霸”局面的最有力挑戰。按設計，“伽利略”將一共由30顆“中軌道”和“靜軌道”導航衛星覆蓋全球，其定位精度超過了GPS，在兼容性和精確度等設計方面也優于GPS。為了打破GPS的壟斷地位，“伽利略”的“公共管理服務”系統擬使用的頻率故意選擇了與美國GPS相近的頻率，這樣的安排有可能沖淡

17、GPS的頻道效果，令美國人坐立不安。 介入伽利略當時的“北斗”系統尚屬實驗開發階段，其技術參數落后于GPS，也落后于2002年歐盟決定啟動的“伽利略”系統，而且更重要的一點是，“北斗”一號只屬于區域性，其商用價值并不高。在這樣背景下，歐洲人主動“邀請”中方加入全球衛星導航系統，中方欣然受之，雙方一拍即合。歐洲把中國納入，不僅使歐洲一些國家的賺足了治資本，也使“伽利略”計劃捉襟見肘的財狀況得到極大緩解，更給“伽利略”進入中國誘人的市場打下了基礎。2003年底，在中方實際完成了區域導航系統“北斗”一號之后，中歐草簽合作協議。2004年中歐正式簽署技術合作協議，中方承諾投入2.3億歐元的巨額資金，第

18、一筆7000萬歐元的款項很快就打到歐方賬戶上。 介入伽利略中國與歐盟合作，既有戰略利益也有實際的好處。有人評論，中歐在高端技術上的合作，實質上打破了美國主導的歐洲對華武器禁運，也相當于廢棄了針對中國這樣特定國家的歐美武器貿易條例（ITAR）,為最終從法律層面解除對華武器禁運撕開了一個口子。由于衛星導航在現代戰爭中扮演越來越重大的角色，美國甚至揚言，美國如感覺受到威脅，則有權擊毀“伽利略”衛星。 介入伽利略2005年，“伽利略”首顆“中軌道”實驗衛星“GLOVE-A”搭乘俄羅斯“聯盟”號運載火箭順利升空。雖然這只是一顆實驗性衛星，并非是要最終布置的30顆導航衛星之一，但“GLOVE-A”的發射，

19、標志著歐盟“伽利略”計劃從設計向運轉方向轉變。然而，進入2005年，歐洲治開始轉向，之前“親華”的德國施羅德黯然退隱，由來自右翼的親美治家默克爾擔任德國新，而法國也進入了交替的時代，希拉克的影響力逐漸下降，親美治人物尼古拉薩科齊于2007年開始擔任法國總統。親美治人物紛紛上臺，給歐盟致力于建立“多極世界”的愿望變得暗淡，歐洲迅速向美國靠攏。在這樣的背景下，歐洲航天局與美國“修好”，同意修正之前擬定的與美國GPS相近的發射頻率，以便投入使用后產生信號沖突的可能性降至最低限度。但這樣的技術重新修正，卻花掉了預算之外的一大筆錢。作為回報，美國同意在技術上支持“伽利略”的開發。 介入伽利略恰恰在這個時

20、候開始，歐盟為“伽利略”計劃的財和利益分配吵成一團。也是從這個時候開始，歐盟開始排擠中國。眼看著投入巨額資金，卻得不到與之相稱的對待，甚至待遇還低于沒有投入一分一厘的其他非歐盟國家，如印度等國，令中國大為不滿。中國不但進不到“伽利略”計劃的決策機構，甚至在技術合作開發上也被歐洲航天局故意設置的障礙所阻擋，中方除了掛得一個參與人的“好名聲”之外，其他一無所得，反而要擔負巨額資金投入，這樣的“結局”令中方十分不滿。 介入伽利略在此背景下，中國開始把注意力轉移到沉寂數年的“北斗”系統上。2007年發射的第四顆“北斗”一號導航衛星，替換了退役的衛星，“北斗”系統開始激活。到2007年底，中國成功發射了

21、第一顆“中軌道”導航系統，標志著“北斗”系統在技術和規劃上的重大突破。本來中國誠心與歐盟合作，一開始就定位“北斗”為區域導航系統，給“伽利略”計劃留下了毫無保留的施展空間。但是，事與愿違，歐方“骨子里”并沒有放棄輕視中國、壓制中國的心態，合作不到幾年，短暫的“蜜月期”一過，中歐雙方就合作開發問題常生沖突，中國抽身離去，留下為經費吵成一團的歐盟各國。 介入伽利略競爭期（2008年-2009年）“北斗”橫空出世技壓“歐系”衛星由于實質參與歐洲“伽利略”衛星導航系統受挫，中國決定“單干”。2006年11月，中國對外宣布，將在今后幾年內發射導航衛星，開發自己的全球衛星導航和定位系統，到2007年底，有

22、關覆蓋全球的“北斗”二號系統計劃已經浮出水面。此時，歐盟還在內耗中沒有脫開身。直到2008年4月27日，“伽利略”系統的第二顆實驗衛星才升空，此時距上次發射已經有差不多四年時間，這樣的進度，比最初的計劃推遲了整整五年。 介入伽利略“北斗”二號橫空出世，不僅使歐洲“伽利略”系統準備與美國GPS一爭高下的愿望大打折扣，也沖淡了“伽利略”未來的市場前景。“北斗”二號在技術上比“伽利略”更先進，定位精度甚至達到0.5米級，令歐洲人深受震撼。另一方面，之前“伽利略”計劃的推出，刺激了美國和俄羅斯加快技術更新，新一代GPS和新一代“格洛納斯”的定位精度等技術指標均很快反超“伽利略”，“伽利略”逐漸喪失了技

23、術相對領先的優勢。為轉變被動局面，歐洲人別無他法，只有增加財投入，而此時歐洲航天局為了排擠中國，已經以法律形式規定所有開發資金均來源于歐盟公共資金，這就意味著，要想增大投入，還得在內部無休止地“吵”下去。 歐洲人開始酸溜溜地說，中國“北斗”二號的技術“偷竊”自歐盟“伽利略”計劃，這樣的無聊之辭已經成為歐洲人自大自負又一例證。出于戰略的需要，中國并沒有完全放棄與歐盟“伽利略”計劃的合作，但這已經不能阻擋中國推出自主全球導航系統的步伐。介入伽利略按照國際電信聯盟通用的程序，中國已經向該組織通報了準備使用的衛星發射頻率，這一頻率正好是歐洲“伽利略”系統準備用于“公共管理服務”的頻率。頻道是稀有資源。

24、占得先機的美國和俄羅斯分別擁有最好的使用頻率（80%的黃金頻段），中國所看中的頻率被認為是美國和俄羅斯之后的“次優”頻率。此外，日本、韓國、印尼等亞太國家也在加緊申報并獲取頻率軌道資源。更有甚者，湯加王國早期申報了大量的頻率軌道資源并獲得了優先使用權，此后以經營優先使用權來獲取經濟利益。可以看出，各國為維護自身的軍事或經濟利益，都在抓緊搶占衛星頻率軌道資源。 介入伽利略按照“誰先使用誰先得”的國際法原則，中國和歐盟成了此頻率的競爭者。然而，中國將在2009年發射三顆“北斗”二代衛星，正式啟用該頻率，而歐盟連預定的三顆實驗衛星都沒有射齊，注定要在這場“出乎意料”的競賽中敗下陣來，從而失去對頻率的

25、所有權。中歐圍繞“伽利略”開發的曲折過程生動地證明，中歐只有真誠合作，平等相待，才能給雙方都帶來長遠利益。歐洲如不放棄自負自大的心態，繼續歧視和壓制中國，那么，最后受損失的還是歐洲自己。 北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統簡介 北斗衛星導航系統BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。 北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成，空間端包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，地面端包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站，用戶端由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲GA

26、LILEO等其他衛星導航系統兼容的終端組成。 中國目前已成功發射四顆北斗導航試驗衛星和七顆北斗導航衛星，將在系統組網和試驗基礎上，逐步擴展為全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統2010年11月16日，第八屆中國國際航空航天博覽會在廣東珠海市開幕，代表“北斗導航”工程的天地一體衛星運行沙盤在展會上亮相。 2010年12月17日，第7顆北斗導航衛星發射前的星箭對接。12月18日，第7顆北斗導航衛星成功進入太空。 北斗衛星導航系統空間部分北斗衛星導航系統星座由30多顆GSO和MEO衛星構成，其中MEO衛星是主體，GSO衛星提供增強能力。北斗衛星導航系統2007年發射的MEO衛星裝載4臺國產星載銣原子鐘

27、已連續在軌運行18個月，測試表明星載銣鐘在軌工作正常，各項指標滿足設計要求。當今最先進的鐘是：噴泉原子鐘北斗的信號頻段E5a (L5)E5bL2G2E6L1G11164 MHz1215 MHz1260 MHz1300 MHz1559 MHz1610 MHzE6L1B2E2E1L5B3B1B1-2B1-MBOCGALILEOGPSGLONASS北斗頻率資源北斗北斗衛星導航系統目標 提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務，2006年11月2日，中國官方宣布到2008年定位精度將為10米，授時精度為50納秒，測速精度0.2米/秒；授權服務是向授權用戶提

28、供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。中國計劃2012年左右，“北斗”系統將覆蓋亞太地區，2020年左右覆蓋全球。我國正在實施北斗衛星導航系統建設，已成功發射七顆北斗導航衛星。根據系統建設總體規劃，2012年左右，系統將首先具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力；2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。 北斗北斗衛星導航系統的發射歷程 【第1顆】：2007年4月14日【第2顆】：2009年4月15日【第3顆】：2010年1月17日【第4顆】：2010年6月2日【第5顆】：2010年8月1日【第6顆】：2010年11月1日【第7顆】：2010年12月1

29、8日陳芳允 （1916-2000）電子學家、空間系統工程專家，中國衛星測量、控制技術的奠基人之一，“兩彈一星功勛獎章”獲得者，中國科學院院士，國際宇航科學院院士，曾任國際宇航聯合會（IAF）副主席。1965年擔任衛星測量、控制的總體技術負責人，為中國第一顆人造衛星的準確測量、預報作出了重要貢獻。他還參加了中國回收型遙感衛星的測控系統方案的設計和制定工作，為中國十幾顆遙感衛星成功回收作出了重大貢獻。他相繼提出了微波統一測控系統、“雙星定位系統”、遙感小衛星群對地觀測系統和小衛星移動衛星通信系統等方案。他直接參與指導研制成功的微波統一測控系統，在中國同步通信衛星發射和運行中發揮了很高的效用。1985年獲國家科技進步獎特等獎。 1983年陳芳允和合作者提出利用兩顆同步定點衛星進行定位導航的,設想，這一系統稱為“雙星定位系統”。這個系統由兩顆在經度上相差一定距離（角度）的同步定點衛星，一個運行控制主地面站和若干個地面用戶站組成。主地面站發信號經過兩顆同步定點衛星到用戶站；用戶站接收到主地面站發來的信號后，即作出回答，回答信號經過這兩顆衛星返回到主地面站。主站兩顆衛星用戶站之間的信號往返，可以測定用戶站的位置。然后，主地面站把用戶站的位置信息經過衛星通知用戶站。這就是定位過程。主地面站和用戶站之間還可以互通簡短