GPS衛星導航定位原理與方法任課老師：孫希延手機unxiyan1@163.com

衛星導航技術引起人們關注是從1991年海灣戰爭后開始的，美國在海灣戰爭中的一個“撒手锏”就是GPS。隨著GPS向民用開放，它所蘊藏的巨大商機被發掘出來。成為繼通信、互聯網之后的IT第三個新的增長點。衛星導航技術是國家綜合國力的重要組成部分。正因為這樣，美國、俄羅斯、歐盟都不惜投入巨資建設衛星導航系統。

中國的衛星導航應用近年來發展迅速，但是絕大多數應用都是建立在美國的GPS之上。如果一旦發生戰爭，美國關閉我們的應用，后果不堪設想。作為中國這樣的大國，必須有自主的衛星導航系統。1.4北斗衛星導航系統“雙星定位”原理的提出：

作為一個大國，我國同樣也有高精度定位的要求，但是我國底子薄經濟技術實力不足，早期很難投入很多資金建設衛星定位導航系統。1983年我國陳方允院士和美國普林斯頓大學GerardK.Oneil博士同時提出了“雙星定位”原理。與GPS系統相比，基于雙星定位的導航系統可以2顆衛星實現導航能力，所需衛星數量比GPS少得多，雖然在性能上無法和GPS星座相比，但對于無力進行巨額投資的我國卻是不錯的選擇。一北斗一號雙星快速定位系統，突出持點是構成系統的空間衛星數目少、用戶終端設備簡單、一切復雜性均集中于地面中心處理站。工作原理：由兩顆地球靜止衛星(800E和1400E)、一顆在軌備份衛星(110.50E)、中心控制系統、標校系統和各類用戶機等部分組成。定位精度為水平精度100米(1σ)，設立標校站之后為20米(類似差分狀態)。工作頻率：2491.75MHz。系統能容納的最大用戶數為每小時540000戶。標志著我國成為繼美國全球衛星定位系統(GPS)和前蘇聯的全球導航衛星系統(GLONASS)后，在世界上第三個建立了完善的衛星導航系統的國家。

北斗一代定位需要終端主動發出定位信號“北斗一號”與GPS系統比較

區別北斗一號GPS覆蓋范圍我國本土的區域：東經約70°一140°，北緯5°一55°全球衛星數量和軌道特性赤道平面上設置2顆同步星，衛星的赤道角距約60°6個軌道平面上設置24顆衛星，赤道傾角55°定位原理主動式雙向測距二維導航被動式偽碼單向測距三維導航。定位精度三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns。P碼定位精度為6m，C/A碼為12m，授時精度日前約20ns

用戶容量用戶設備容量是有限的

用戶設備容量是無限的生存能力

完全依賴于中心控制系統發展星際橫向數據鏈技術，即使中心控制中心被毀，也可以獨立運行

實時性對于告訴運動體，加大了定位誤差單向測距，定位誤差較小北斗一代的缺陷

1、覆蓋范圍也不過是初步具備了我國周邊地區的定位能力，與GPS的全球定位相差甚遠。2、定位精度低，定位精度最高20米，而GPS可以到10米以內。3、由于采用衛星無線電測定體制(RDSS)，用戶終端機工作時要發送無線電信號，會被敵方無線電偵測設備發現，不適合軍用。4、無法在高速移動平臺上使用，這限制了它在航空和陸地運輸上的應用。當然，北斗一代也有些GPS所沒有的優點。例如，具備簡短的報文通信功能，具備雙向數字報文通信能力，單次最多傳送60個漢字的信息。此外北斗一代導航定位系統從原理上說，多路徑效應存在都不影響定位精度，受地貌影響不明顯等優點，不會有GPS林下無信號的尷尬。但是由于導航系統基本的定位授時性能上的差距，北斗一代作為導航定位系統是無法與GPS在市場上競爭的。

解放軍裝備了一部分北斗手持機(上圖)，相比連手機都可接收信號的GPS(下圖)，兩方差距甚大。2007年2月3日，北斗一代第四顆衛星發射成功，不過此時，北斗一代已經改名為北斗導航試驗系統，原來的北斗二代則稱為北斗衛星導航定位系統，英文名為Compass。第四顆北斗導航試驗衛星不僅作為早期三顆衛星的備份，同時還將進行北斗衛星導航定位系統的相關試驗。以北斗導航試驗系統為基礎，我國開始逐步實施北斗衛星導航系統的建設，首先滿足中國及其周邊地區的導航定位需求，并進行系統的組網和測試，逐步擴展為全球衛星導航定位系統。二第二代北斗定位系統北斗二代需要的衛星數量足足要比GPS多出11顆。北斗二代需要發射35顆衛星

按照規劃，北斗衛星導航定位系統將有5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，采用東方紅3號衛星平臺。30顆非靜止軌道衛星又細分為27顆中軌道(MEO)衛星和3顆傾斜同步(IGSO)衛星組成，27顆MEO衛星平均分布在傾角55度的三個平面上，軌道高度21500公里。北斗衛星導航定位系統將提供開放服務和授權服務。開放服務在服務區免費提供定位，測速和授時服務，定位精度為10米，授時精度為50納秒，測速精度為0.2米/秒。授權服務則是軍事用途的馬甲，將向授權用戶提供更安全與更高精度的定位，測速，授時服務，外加繼承自北斗試驗系統的通信服務功能。

央視曝光北斗衛星上的激光發射器，其技術已達世界先進。BD2特點衛星信號強于現有的GPS

北斗衛星導航定位系統的基本定位是由27顆MEO衛星完成的，通過三個55°傾角的軌道平面個部署9顆衛星，定位精度可以達到10米以內，理論上可以達到水平和垂直方向7.5米精度，北斗系統盡管是GPS系統的仿制品，但根據2007年MEO-1衛星發射后國外技術人員對信號的測定，北斗衛星導航定位系統在B1頻段比GPS高7個dB，充分體現了后發優勢，在新的GPSIII系統部署前，北斗衛星導航定位系統的性能要優秀得多。

中國及周邊地區導航精度提升

5顆靜止軌道衛星不僅提供RNSS服務，還繼承了試驗系統的RDSS信號鏈路，仍保留了短報文通信功能。為了提高定位精度滿足航空I類精密進近(CAT-1)的要求，我國采用GEO衛星進行了精度增強，5顆GEO衛星完全可以滿足我國及其周邊地區的CAT-1精度要求，達到垂直定位4.4~7.7米的性能，在高密度可見星區可以滿足國土資源調查的無基站水平1米實時定位精度要求，在北斗衛星導航系統建成后實現這些性能的話，北斗的性能將超越現有的GPSII系統，甚至超過一些GPS區域增強系統增強后的性能。國產雷石6滑翔炸彈采用GPS制導，急需北斗來進行替換。高緯度地區導航精度提升

為了滿足高緯度地區進行信號增強工作的需求，增設了3顆IGSO軌道衛星。IGSO衛星高度和靜止軌道衛星相同，但是傾角不為0，因此軌道中心在赤道設定的經度上，星下點南北來回運動在地面上劃出很明顯的8字形軌跡。IGSO軌道衛星克服了GEO衛星在高緯度地區仰角過低的問題，可以對高緯度地區進行有效的信號增強。3顆IGSO衛星軌道最北到北緯55°，可對我國領土范圍內進行有效的精度增強。1.5伽利略計劃“伽利略計劃”是指在25000公里高空部署30顆人造衛星，以更加準確地判斷飛機和船舶等交通工具的位置。2008年投入使用后，可以大幅提高預防災難和安全管理的水平。總投資35億歐元的伽利略計劃是歐洲自主的、獨立的民用全球衛星導航系統。目前世界上正在運營的全球定位系統(GPS)由美國研發并控制。伽利略系統30顆導航衛星和相關地面設備將在2008年部署完成，該系統確定地面目標位置的誤差僅為1米，而GPS提供的非軍用信號的誤差達10米。中國是第一個參與伽利略計劃的非歐盟國家，2006年7月28日與伽利略聯合執行體簽署了三個應用項目合同承諾提供2億歐元的研發經費。中方已投入7000萬歐元用于技術開發，其余1．3億歐元用于空間和地面設備的部署。韓國也加入了伽利略計劃，這樣就能擺脫單純依靠美國全球定位系統(GPS)的局面6)據歐盟的預測，伽利略系統在2020年前將會帶來數百億歐元的收入和數萬個就業機會。據國內專家估計，中國衛星導航應用產業的經濟效益到2020年可達2600億元人民幣。一Galileo星座Galileo衛星星座將由27顆工作衛星和3顆備用衛星組成，這30顆衛星將均勻分布在3個軌道平面上，衛星高度為23616km，軌道傾角為56°theGalileosatelliteconstellation

Galileo星座2023年2月4日20“伽利略”系統衛星模擬圖

GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatelliteGalileo試驗衛星GIOVE的主要目標:

頻率信號測試；驗證一些關鍵技術（比如銣原子鐘、氫原子鐘）；軌道環境特征測試；并行2或3通道信號傳輸測試。2023年2月4日22二Galileo信號

每顆Galileo衛星發送6種導航定位信號：L1F，L1P，E6C，E6P，E5A和E5B，可以提供4類服務：（1）公開服務（openservice）。提供定位、導航和定時服務。這種服務面向大眾導航定位應用領域，將與GPS競爭（也是和GPS兼容的），是免費的。這種服務的定位精度水平方向約為4米，垂直方向約為8米，可獲得性為99.5%，但是沒有完備性信息可用。GPS現代化后，GPS和Galileo雙系統的定位垂直精度可以提高到4.5米，在有高遮擋的條件下可見性也大幅度提高。使用的頻段有E5A，E5B，L1。（2）生命安全服務（Safetyoflifeservice,SOL）。依據航空、航海和鐵路運輸的安全要求，為該三大領域的廣大用戶，提供完全可靠的人身安全服務保障。（3）商業服務（Commercialservice）。在公開服務的基礎上提供增值服務，由商業運營公司保證在世界范圍內達到亞米級定位精度。這種服務內容包括分發加密的導航相關數據，為專業應用領域提供測距和定時服務以及導航定位和無線通訊網絡的集成應用。這種服務要收費，但服務質量有保證。使用的頻段有E6。（7）公共管制服務（publicregulatedse