第4章

衛(wèi)星導航與定位4.1GPS概述4.2GPS的定位原理4.3GPS信號接收機4.4GPS現(xiàn)代化4.5GLONASS系統(tǒng)4.6Galileo系統(tǒng)4.7北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介小結(jié)

4.1GPS概述4.1.1GPS的基本概念

GPS全球定位系統(tǒng)是美國從20世紀70年代開始研制的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。該系統(tǒng)利用導航衛(wèi)星進行測時和測距，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位的能力。GPS為民用導航、測速、時間比對和大地測量、工程勘測、地殼勘測等眾多領域開辟了廣闊的應用前景，已成為當今世界上最實用也是應用最廣泛的全球精密導航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)。

GPS的應用特點是用途廣泛(可在海空導航、車輛引行、導彈制導、精密定位、動態(tài)觀測、設備安裝、時間傳遞、速度測量等方面得到廣泛應用)、自動化程度高、觀測速度快、定位精度及經(jīng)濟效益高。

GPS定位技術(shù)比常規(guī)手段具有明顯的優(yōu)勢。它是一種被動系統(tǒng)，可為無限多個用戶使用，且信用度和抗干擾能力強，因此必然會取代常規(guī)測量手段。GPS定位技術(shù)的精度已經(jīng)不僅能與另外兩種精密空間定位技術(shù)—衛(wèi)星激光測距(SLR)和甚長基線干涉(VLB)測量系統(tǒng)相媲美，而且由于GPS信號接收機輕巧方便、價格較低、時空密集度高，因此更能顯示出其定位技術(shù)的優(yōu)越性和更廣泛的應用前景。

4.1.2GPS的組成及作用

GPS包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分—GPS信號接收機。

1．GPS工作衛(wèi)星及其星座

由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成的GPS衛(wèi)星星座，記作(21+3)GPS衛(wèi)星。如圖4-1所示，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55°，各個軌道平面之間相距60°，每個軌道平面內(nèi)各衛(wèi)星之間的升交角距相差90°，每個軌道平面上的衛(wèi)星比其西邊相鄰軌道平面上的相應衛(wèi)星超前30°。圖4-1GPS衛(wèi)星星座示意圖

GPS工作衛(wèi)星的作用如下：

(1)用L波段的兩個無線載波(19cm和24cm波)接連不斷地向廣大用戶發(fā)送導航定位信號。每個載波用導航信息D(t)和偽隨機碼(PRN)測距信號來進行雙相調(diào)制。用于捕獲信號及粗略定位的偽隨機碼叫C/A碼(又叫S碼)，精密測距碼(用于精密定位)叫P碼。由導航電文可以知道該衛(wèi)星當前的位置和衛(wèi)星的工作情況。

(2)在衛(wèi)星飛越注入站上空時，接收由地面注入站使用S波段(10cm波段)發(fā)送到衛(wèi)星的導航電文和其他有關信息，并通過GPS信號電路適時地發(fā)送給廣大用戶。

(3)接收地面主控站通過注入站發(fā)送調(diào)度命令到衛(wèi)星，并適時地改正運行偏差或啟用備用時鐘等。

2．地面監(jiān)控系統(tǒng)

對于導航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。其中，星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷(描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù))算得的，而每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷又是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監(jiān)測和控制；地面監(jiān)控系統(tǒng)的另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準—GPS時詢系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間，求出鐘差，然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，再通過導航電文發(fā)給用戶設備。

監(jiān)控站是無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，其位置經(jīng)精密測定。它的主要設備包括1臺雙頻接收機、1臺高精度原子鐘、1臺電子計算機和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站。其分布圖如圖4-2所示。圖4-2GPS地面監(jiān)控站分布

主控站是整個系統(tǒng)的核心，它為系統(tǒng)提供高精度、穩(wěn)定的時空框架，具體作用如下：

(1)采集數(shù)據(jù)、推算編制導航電文。

(2)確定GPS系統(tǒng)時間。

(3)負責協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)測站和注入站系統(tǒng)，并且根據(jù)觀測到的衛(wèi)星軌道參數(shù)以及衛(wèi)星姿態(tài)參數(shù)來管理衛(wèi)星。

3．GPS信號接收機

GPS信號接收機的任務是：捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行；對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，并解譯出GPS所發(fā)送的導航電文和實時地計算出監(jiān)測站的三維位置，甚至計算出三維速度和時間。

接收機硬件、機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成了完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分，如圖4-3所示。對于測地型接收機，兩個單元一般分成兩個獨立的部件。觀測時，將天線單元安置在監(jiān)測站上，接收單元置于監(jiān)測站附近的適當?shù)胤剑儆秒娎|將兩者連接成一個整機。也有的接收機將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在監(jiān)測站點上。

圖4-3接收機的結(jié)構(gòu)

4.1.3GPS的信號

GPS用戶通過接收機接收衛(wèi)星播發(fā)的信號，以確定接收機的位置、時間改正數(shù)以及解算衛(wèi)星到接收機之間的距離。GPS衛(wèi)星所播發(fā)的信號包括載波信號(L1和L2)、測距信號(包括C/A碼和P碼)和導航信號(或稱D碼)。而所有的這些信號分量，都是在同一個基本頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的，如圖4-4所示。圖4-4GPS信號組成

GPS取L波段的兩種不同頻率的電磁波為載波，分別為L1載波和L2載波。在L1載波上，調(diào)制有C/A碼和P碼的數(shù)據(jù)碼，頻率f1=1575.42MHz，波長1=19.03cm；載波L2上只調(diào)制了P碼，頻率f2=1227.60MHz，波長2=24.42cm。

L1載波上的GPS信號為

L2載波上的GPS信號為

式中，AP為P碼的信號幅度；Pi(t)為

±1狀態(tài)時的P碼；Di(t)為

±1狀態(tài)時的數(shù)據(jù)碼；AC為C/A碼的信號幅度；Ci(t)為

±1狀態(tài)時的C/A碼；ω1、ω2分別為載波L1和L2的角頻率；φ1、φ2為載波L1和L2的初始相位。

GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生與構(gòu)成主要考慮了如下因素：

①

適應多用戶系統(tǒng)要求；

②

滿足實時定位要求；

③

滿足高精度定位需要；

④

滿足軍事保密要求。

1．C/A碼

偽隨機序列是一種具有特殊反饋電路的移位寄存器序列，稱為最長線性移位寄存器。GPS使用C/A碼、P碼、Y碼三種偽隨機碼。其中，Y碼是對P碼加密后的偽隨機碼，其數(shù)據(jù)碼是保密的。

GPS的C/A碼屬于偽隨機噪聲碼的一種，稱作果爾德碼(Gold碼)。其序列長度為1023位，頻率為1.023MHz，碼周期為1ms。C/A碼是通過兩個10位的移位寄存器G1和G2產(chǎn)生的，即由G1的直接輸出和G2的延遲輸出異或得到。G1和G2都是由1.023MHz時鐘驅(qū)動的10級最長線性序列產(chǎn)生的周期等于210?-

1=1023bit的M序列，描述G1的多項式為G1=1?+?x3?+?x10；描述G2的多項式為G2=1?+?x2?+?x3?+?x6?+?x8?+?x9?+?x10，其框圖如圖4-5所示。圖4-5G1和G2碼寄存器框圖

2．P碼

P碼產(chǎn)生的原理與C/A碼的相似，但更復雜。GPS發(fā)射的P碼，是用4個12位移位寄存器的偽隨機序列產(chǎn)生的，碼率為10.23Mb/s，長Nu?≈?2.35×1014?bit，碼元寬tu=1/f0=

0.097752s，相應的距離為29.3m，周期為266.41天，約為38個星期。由于P碼的周期很長，因此應用時一般被分為38個部分，每一部分周期為7天，其中1部分閑置，5部分給地面監(jiān)控站使用，32部分分配給不同衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星使用P碼的不同部分，雖然都具有相同的碼長和周期，但結(jié)構(gòu)不同。P碼的捕獲一般是先捕獲C/A碼，再根據(jù)導航電文信息捕獲P碼。由于P碼的碼元寬度為C/A碼的1/10，因此若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，則相應的距離誤差為0.29m，故P碼稱為精碼。

3．導航電文

導航電文是衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組包含衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星空間位置、衛(wèi)星時鐘參數(shù)、系統(tǒng)時間以及衛(wèi)星工作狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)的二進制碼。導航電文是以幀為單位向外發(fā)送的，每一幀數(shù)據(jù)包含1500bit，歷時30s播完，即電文的傳輸速率為50b/s。每幀又分為5個子幀，第一子幀包含時鐘校正參數(shù)及電離層模型改正參數(shù)；第二、三子幀為衛(wèi)星星歷表；第四子幀為由字母和數(shù)字混合編制的電文；第五子幀是全部24顆衛(wèi)星的日程表的一部分。

每個子幀又分為10個字，一個字包含30個二進制碼，這樣每個子幀都包含300個二進制碼，因此導航電文的數(shù)據(jù)每隔20ms就會變化一次。最后6個比特是奇偶校驗位，稱為糾錯碼，用以檢查傳送的信號是否出錯，并能糾正單個錯誤。完整的導航信息由25幀數(shù)據(jù)組成。由于播送速度為50b/s，所以全部播完要12.5min。每幀導航電文的格式如圖4-6所示。圖4-6每幀導航電文格式

4.2GPS的定位原理

GPS定位的基本幾何原理為三球交會原理：如果用戶到衛(wèi)星S1的距離為R1，到衛(wèi)星S2的距離為R2，到衛(wèi)星S3的距離為R3，那么用戶的真實位置必定處在以S1為球心、以R1為半徑的球面C1上，同時也處在以S2為球心、以R2為半徑的球面C2上以及以S3為球心、以R3為半徑的球面C3上，即處在三球面的交點上。用戶接收機與衛(wèi)星之間的距離可表示為

GPS的定位過程：圍繞地球運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過編碼調(diào)制的無線電信號，信號中含有衛(wèi)星信號的準確發(fā)射時間以及不同時間衛(wèi)星在空間的準確位置。衛(wèi)星導航接收機接收衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號，并測量信號的到達時間、計算衛(wèi)星和用戶之間的距離；然后用最小二乘法或濾波估計法等導航算法就可解算出用戶的位置。準確描述衛(wèi)星位置、測量衛(wèi)星與用戶之間的距離和解算用戶的位置是GPS定位導航的關鍵。

4.2.1GPS坐標系統(tǒng)

下面介紹幾種常見的衛(wèi)星定位空間坐標系統(tǒng)。

(1)地心慣性坐標系。地心慣性(Earth-CenteredInertial，ECI)坐標系是準慣性坐標系，也是空間穩(wěn)定力學的基本坐標系，因此牛頓運動定律在慣性坐標系中很適用，衛(wèi)星的運動方程就是在該坐標系中描述的。地心慣性坐標系的原點和地球質(zhì)心重合，X軸指向春分點，X軸和Y軸組成地球赤道面，Z軸和地球自轉(zhuǎn)重合，Y軸和X軸與Z軸一起構(gòu)成右手坐標系。

(2)地心地固坐標系。地心地固(Earth-Centered，Earth-Fixed，ECEF)坐標系是一個固聯(lián)在地球上的坐標系。它的具體定義為：ECEF坐標系是直角坐標系；原點在地球的質(zhì)心；X軸指向穿過格林尼治子午線和赤道的交點；XOY平面與地球赤道平面重合；Z軸與地球極軸重合，并指向地球北極，如圖4-7所示。圖4-7地心地固坐標系

(3)地理坐標系。地理坐標系也稱為大地坐標系。眾所周知，地球形狀和橢球相似，因此赤道所在平面的直徑大于兩極之間的長度。地理坐標系的定義為：地球橢球的中心為地球的地心，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，經(jīng)度L為過地面點的橢球子午面與格林威治大地子午平面之間的夾角，緯度B為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地高程H為地面點沿橢球法線至橢球面的距離，如圖4-8所示。地理坐標系為極坐標系，當它用于顯示時，用戶可以很直觀地判斷出自己在地球上的大概位置。

圖4-8大地坐標系

(4)地平坐標系。地平坐標系又稱為ENU(EastNorthUp)坐標系，其定義為：原點位于當?shù)貐⒖紮E球的球面上，其位置取決于用戶位置，當用戶位置為橢球面上的P點時，原點即為P點位置，當P點移動時，相應的地平坐標系也隨之移動；過P點作地球的切平面，X軸沿參考橢球切面的正東方向，Y軸沿參考橢球切面的正北方向，Z軸沿橢球切面外法線方向指向天頂。

該坐標系對地球表面的用戶來說比較直觀，它給出了東、北、天三個方向的信息，因而適用于導航領域。對于地球表面運動范圍不大的載體來說，其運動區(qū)域接近于一個平面。只要獲得東、北向載體的位移或速度信息，結(jié)合載體的起始位置信息，就可以較準確地知道載體的當前位置。地平坐標系示意圖如圖4-9所示，OXeYeZe是地心地固坐標系，PXLYLZL是地平坐標系。圖4-9地平坐標系

(5)?WGS84大地坐標系。WGS84大地坐標系是GPS衛(wèi)星星歷解算和定位坐標的參考坐標系，它是由美國國防部制圖局建立的。WGS84大地坐標系是現(xiàn)有應用于導航和測量的最好的全球大地坐標系，它理論上是一個以地球質(zhì)心為原點的地固坐標系。其定義為：原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH系統(tǒng)定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面與CTP赤道的交點，Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手坐標系，如圖4-10所示。圖4-10WGS84坐標系

(6)?地球坐標系的法則如下：

①

坐標系的原點在地心，地心定義為包括海洋和大氣的整個地球質(zhì)量的中心；

②

它的長度單位是米(SI)，這一單位與地心局部框架的TCG(地心坐標時)時間坐標一致；

③

它的初始定向由1984.0時國際時間局(BIH)的定向給定；

④

它的定向時間演化不產(chǎn)生相對于地殼殘余的地球性旋轉(zhuǎn)。

與此定義相對應，存在一個直角坐標系XYZ，其原點在地球質(zhì)心；Z軸指向IERS參考極(IRP)方向；X軸為IERS參考子午面(IRM)與原點和同Z軸正交的赤道面的交線；CGS2000的Y軸與X、Z軸構(gòu)成右手直角坐標系，如圖4-11所示。圖4-11CGS2000坐標系

和WGS84一樣，CGS2000也是一個協(xié)議地球坐標系。它包括了CGS2000參考橢球、基本常數(shù)以及由基本常數(shù)導出的一些物理、幾何常數(shù)，如二階帶諧項系數(shù)、橢球半短軸、第一偏心率、參考橢球的正常重力位、赤道上的正常重力等。其基本常數(shù)與WGS84的比較如表4-1所示。

4.2.2GPS時間系統(tǒng)

時間包含了“時刻”和“時間間隔”兩個概念。時刻是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間，在天文學和衛(wèi)星定位中，與所獲取數(shù)據(jù)對應的時刻也稱歷元；時間間隔是指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時間之差。時間間隔的測量稱為相對時間測量，而時刻的測量相應稱為絕對時間測量。衛(wèi)星導航定位中，時間系統(tǒng)的重要意義體現(xiàn)在如下幾方面：

(1)?GPS衛(wèi)星作為高空觀測目標，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運行位置的同時，必須給出相應的瞬間時刻。

(2)?GPS信號傳播時，只有精密地測定信號的傳播時間，才能準確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離。

(3)由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，天球坐標系(又名天文坐標系，是一種以天極和春分點作為天球定向基準的坐標系)中地球上的點的位置是不斷變化的，因此，若要求赤道上一點的位置誤差不超過1cm，則時間測定誤差要小于2×10-5s。

在實踐中，因所選擇的周期運動現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時間系統(tǒng)。現(xiàn)在先介紹GPS定位中具有重要意義的幾類時間系統(tǒng)。

1．世界時系統(tǒng)

地球的自轉(zhuǎn)運動是連續(xù)的，且比較均勻。最早建立的時間系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運動為基準的世界時系統(tǒng)。由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時所選取的空間參考點不同，世界時系統(tǒng)又分為恒星時、平太陽時和世界時。

(1)恒星時。以春分點為參考點，由春分點的周日視運動所確定的時間稱為恒星時。

(2)平太陽時。由于地球公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓，根據(jù)天體運動的開普勒定律可知太陽的視運動速度是不均勻的，即真太陽日為地球相對太陽自轉(zhuǎn)一周的時間，因此，若以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)運動的參考點，則不符合建立時間系統(tǒng)的基本要求。

(3)世界時。世界時即格林尼治平均太陽時，是格林尼治的標準時間，是地球自轉(zhuǎn)速度的一種形式，是基于地球自轉(zhuǎn)換的時間測量系統(tǒng)。

2．原子時

科學技術(shù)對測量精度的要求導致世界時已不能滿足尺度的要求，因此建立了原子時。原子時(InternationalAtomicTime，IAT)是以物質(zhì)的原子內(nèi)部發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準的時間計量系統(tǒng)。

原子時秒的定義為：位于海平面上的銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級在零磁場中躍遷輻射振蕩9?192?631?770周所持續(xù)的時間。

原子時的原點AT=UT2?-?0.0039s，UT2為1958年1月1日0時。

3．力學時

力學時主要用來描述天體在坐標系和引力場作用下的運動。

(1)太陽系質(zhì)心力學時(BarycentricDynamicTime，TDB)是相對于太陽系質(zhì)心的運動方程所采用的時間參數(shù)，在系統(tǒng)中考慮了相對論效應。

(2)地球質(zhì)心力學時(TerrestrialDynamicTime，TDT)是相對于地球質(zhì)心的運動方程所采用的時間參數(shù)，它的前身是歷書時(用來描述近地天體歷書的時間尺度)。TDT的基本單位是國際制秒(SI)，與原子時的尺度一致。在GPS導航系統(tǒng)中，TDT作為一種獨立的變量和均勻的時間尺度，被用于描述衛(wèi)星的運動。

國際天文學聯(lián)合會(InternationalAstronomicalUnion，IAU)決定，1977年1月1日國際原子時(IAT)零時與地球質(zhì)心力學時的嚴格關系為TDT=IAT?+?32.184s。若以?T表示地球質(zhì)心力學時TDT與世界時UT1(格林尼治標準時間)之間的時差，則可得

4．協(xié)調(diào)世界時

世界時是以地球自轉(zhuǎn)為基礎的，因此在進行大地天文測量、天文導航和空間飛行器的跟蹤定位時，都要以世界時作為時間尺度。

協(xié)調(diào)時(UTC)與國際原子時(IAT)的關系定義為

其中，n為調(diào)整參數(shù)，由IERS發(fā)布。

5．GPS時間系統(tǒng)

為滿足精密導航和測量需要，全球定位系統(tǒng)建立了專用的時間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制。GPS時屬于原子時系統(tǒng)，秒長與原子時的相同，但與國際原子時的原點不同，即GPST與IAT在任一瞬間均有一常量偏差，約為IAT?-

GPST=19s。

時間系統(tǒng)及其關系如圖4-12所示。圖4-12時間系統(tǒng)及其關系

4.2.3測量誤差

GPS系統(tǒng)定位過程中包含各種誤差，按照來源不同，可以分為三種，分別是與衛(wèi)星有關的誤差、與信號傳播有關的誤差和與接收設備有關的誤差，如圖4-13所示。圖4-13測量誤差來源

1．衛(wèi)星時鐘誤差

衛(wèi)星鐘的偏差一般可通過對衛(wèi)星運行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測精確地確定，用二階多項式表示為

式中，a0為衛(wèi)星鐘在t0時的鐘差；a1為衛(wèi)星鐘鐘速；a2為鐘速變化率。這些參數(shù)由主控站測定，然后通過衛(wèi)星的導航電文提供給用戶。

2．衛(wèi)星星歷誤差

衛(wèi)星星歷誤差又稱為衛(wèi)星軌道誤差，它是由于衛(wèi)星在運動中受到多種不清楚的攝動力的復雜影響而引起的。衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道和實際的衛(wèi)星軌道有差別，這種差別便是衛(wèi)星星歷誤差。

目前，通過導航電文所得的衛(wèi)星軌道信息的相應位置誤差為20～40?m。隨著攝動力模型和定軌技術(shù)的不斷完善，衛(wèi)星的位置精度將提高到5～10?m。衛(wèi)星的軌道誤差是當前GPS定位的重要誤差來源之一。

在GPS定位中，由于衛(wèi)星軌道的偏差主要是由各種不同的攝動力綜合作用產(chǎn)生的，且攝動力對衛(wèi)星各個軌道參數(shù)的影響不同，因此在對衛(wèi)星軌道攝動力進行修正時，所要求的各攝動力模型精度也不一樣。在用軌道改進法進行數(shù)據(jù)處理時，根據(jù)引入軌道偏差改正數(shù)的不同，可將改進方法分為短弧法和半短弧法。

(1)短弧法：引入全部軌道參數(shù)的偏差改正作為待估參數(shù)，然后在數(shù)據(jù)處理中與其他待估參數(shù)一并求解。這樣可明顯減弱軌道偏差的影響，但計算工作量大。

(2)半短弧法：根據(jù)攝動力對軌道參數(shù)的不同影響，只對其中影響較大的參數(shù)引入相應的改正數(shù)作為待估參數(shù)。

3．電離層延遲誤差

電離層是地面以上高度為50～1000?km之間的大氣層。由于受到太陽的強烈輻射，電離層中的大部分氣體被電離，從而在電離層中存在著大量的自由電子和質(zhì)子，使進入電離層的衛(wèi)星信號的傳播速度和方向發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象便是折射。折射公式為

式中，Ne為電子密度；et為電荷量，值為1.6×10-19；me為電子質(zhì)量，值為9.11×10-31kg；ε0為真空介電常數(shù)，值為8.854?187?817?F/m；f為電磁波的頻率。

4．對流層延遲誤差

對流層折射可分為干分量Nd和濕分量Nw兩大部分。它們對傳播路徑的影響可表示為

式中，?Sd為干分量對傳播路徑的影響；?Sw為濕分量對傳播路徑的影響。

5．多路徑誤差

接收機接收的衛(wèi)星信號，除了直接接收到的衛(wèi)星信號外，還有可能接收到經(jīng)周邊物體反射的信號。這些信號可能經(jīng)過一次反射，也可能經(jīng)過多次反射。它們將會使載波觀測量產(chǎn)生誤差，這種現(xiàn)象稱為多路徑效應。它不僅影響觀測值精度，嚴重時還會使信號失鎖，是短基線測量的主要誤差。

多路徑誤差與反射物距觀測站距離和反射系數(shù)有關，將其模型化很難，即使利用差分也不能減少其影響。通常減少它的措施為：

(1)選擇好的接收環(huán)境，盡量避開反射系數(shù)大的物體；

(2)選擇屏蔽性好的天線；

(3)增加觀測時間，減弱多路徑誤差的周期性影響。

6．接收機鐘差

GPS接收機一般設有高精度的石英鐘，日頻率穩(wěn)定度約為10～11。定位中，接收機鐘和衛(wèi)星鐘不能同步的情況下，如果接收機鐘與衛(wèi)星鐘之間的同步差為1s，那么引起的等效距離誤差為300m。處理接收機鐘差的方法如下：

(1)作為未知數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中求解；

(2)利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響；

(3)定位精度要求較高時，可采用外接頻標，如銣、銫原子鐘來提高接收機時間標準精度。

7．天線相位中心位置偏差

GPS定位中，觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準的。在理論上，天線相位中心與儀器的幾何中心應保持一致。實際上，隨著信號輸入的強度和方向的不同，天線的相位中心與其幾何中心會產(chǎn)生偏差，該偏差稱為天線相位中心偏差，其值可達數(shù)毫米至數(shù)厘米。如何減小相位中心的偏移，是天線設計中一個迫切需要解決的問題。

4.3GPS信號接收機

4.3.1接收機的基本概念

GPS信號接收機主要由天線單元和接收單元兩部分組成，天線單元由前置放大器和頻率變換器兩個部分組成；接收單元主要由信號波道、微處理機、存儲器和電源組成，如圖4-14所示。其中頻率變換器是核心部分，習慣上統(tǒng)稱為GPS接收機，它是GPS衛(wèi)星導航定位的儀器，主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號并進行處理，獲取導航電文和必要的觀測量，實現(xiàn)對導航定位信號的接收、測量和跟蹤。圖4-14接收機結(jié)構(gòu)圖

4.3.2接收機分類

1．根據(jù)工作原理分類

(1)碼相關型接收機：由接收機產(chǎn)生與所測衛(wèi)星測距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復制碼。

(2)平方型接收機：主要是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，以獲得載波相位測量所必需的載波信號。

(3)混合型接收機：綜合利用了碼相關技術(shù)和平方技術(shù)的優(yōu)點，可同時獲得碼相位和精密載波相位觀測量。

2．根據(jù)接收機信號通道類型分類

(1)多通道接收機：具有多個衛(wèi)星信號通道，每個通道只連續(xù)跟蹤一個衛(wèi)星信號，同時可得到衛(wèi)星廣播星歷。它也被稱為連續(xù)跟蹤型接收機。

(2)序貫通道接收機：只有1～2個信號通道，為了跟蹤多個衛(wèi)星，在軟件控制下，按照時間次序依次可實現(xiàn)對不同衛(wèi)星信號進行的跟蹤和量測。

(3)多路復用通道接收機：與序貫通道接收機相似，也只有1～2個信號通道，同樣是采用軟件控制，按一定時序?qū)πl(wèi)星進行量測，但依次量測一個循環(huán)所需時間較短，一般小于20ms，可保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤。

3．根據(jù)所接收的衛(wèi)星信號頻率分類

(1)單頻接收機：顧名思義，只能接收一種信號。通過接收調(diào)制L1信號，測定載波相位觀測值，利用差分技術(shù)進行定位。

(2)雙頻接收機：與單頻接收機相比，可同時接收L1、L2兩種載波信號；利用雙頻技術(shù)，可消除或減弱電離層折射電磁波信號延遲的影響，因此定位精度相比單頻接收機高很多。

4．根據(jù)接收機的用途分類

(1)導航型接收機：主要用于動態(tài)用戶的導航與定位，可給出用戶的實時位置和速度；如用于船舶、車輛、飛機等運動載體的實時導航，可按預定路線航行或選擇最佳路線，使載體到達目的地。

(2)測量型接收機：采用載波相位觀測量進行相對定位。

(3)授時型接收機：主要用于天文臺或地面監(jiān)控站，可進行通信中的時間同步。

4.3.3接收機天線

天線的基本作用是將接收到的GPS衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號的能量轉(zhuǎn)換為相應的電流，并經(jīng)前置放大器進行頻率變換，以便對信號進行攝取和處理。由于接收機天線接收到的信號直接影響接收機的定位結(jié)果，所以對于天線的構(gòu)造都有一些基本要求。

(1)天線與前置放大器要用盒子密封為一體，這就保證了在惡劣氣象環(huán)境下接收機可以不受影響和干擾而正常工作。

(2)天線需要采取一定的屏蔽措施，盡可能地減弱信號的多路徑效應，以達到防止信號干擾的作用。

(3)天線應呈全圓極化，要求天線的作用范圍為整個上半球，天頂處不產(chǎn)生死角，以保證能接收來自天空任何方向的衛(wèi)星信號。

(4)盡量使天線具有輕便的幾何尺寸和重量，使之具有高度穩(wěn)定的機械性能。

4.3.4接收單元

1．信號波道

信號波道是接收單元的核心，主要用于對天線接收到的信號進行識別與處理。信號波道可按照捕獲偽噪聲碼的不同方式分為相關型波道、平方律波道和碼相位波道。

(1)相關型波道。如圖4-15所示，GPS中頻信號輸入后，主要是通過偽噪聲碼的互相關器實現(xiàn)對信號的解擴，最后達到解衛(wèi)星導航電文的目的。圖4-15相關型波道原理

(2)平方律波道。如圖4-16所示，在接收到GPS信號后，將高頻的GPS信號變頻以得到中頻GPS信號，這樣可降低載波的頻率；然后通過乘法器B輸出二倍于原載頻的重建載波，恢復了數(shù)據(jù)碼。圖4-16平方律波道原理

(3)碼相位波道。如圖4-17所示，在接收到GPS信號后，將高頻的GPS信號變頻以得到中頻GPS信號，然后通過GPS時延電路和自乘電路。這樣，最后獲取的信號不是重建載波，而是一種碼率正弦波。圖4-17碼相位波道原理

2．微處理器

微處理器主要用于接收機的控制數(shù)據(jù)采集和導航計算，是接收機工作的主要部件。微處理器的主要作用如下：

(1)對接收機運作前的指令進行各波道自檢，并測定、校正和存儲各波道的時延值；

(2)搜索衛(wèi)星、跟蹤衛(wèi)星，解譯衛(wèi)星星歷，從而計算出觀測站的三維坐標，并更新衛(wèi)星的位置；

(3)提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)及衛(wèi)星的工作狀況，包括衛(wèi)星的方位、高度角等，獲得最佳定位星位，以提高定位精度；

(4)通過定點位置計算導航的參數(shù)、航偏距、航偏角以及速度等。

3．存儲器

為了進行導航定位的計算，接收機的存儲器用來存儲一小時一次的碼相位的偽距觀測量、載波相位測量和人工測量的數(shù)據(jù)以及GPS衛(wèi)星的星歷。接收機的存儲器有盒式磁帶記錄器和內(nèi)裝式半導體存儲器兩種。

4．電源

GPS接收機一般有兩種電源，一種為機內(nèi)電源，一種為機外電源。機內(nèi)電源一般用蓄電池作電源，如鋰電池；另一種機外電源叫外接電源，如可充電的12V直流鎘鎳電池。在接收機內(nèi)設計機內(nèi)電源，主要目的是在更換外接電源或者外接電源不穩(wěn)的情況下，接通機內(nèi)電源，以不影響連續(xù)觀測。

4.3.5GPS衛(wèi)星接收機參數(shù)

接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測。GPS和GLONASS(GLobalOrbitingNAvigationSatelliteSystem，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機已經(jīng)問世。表4-2為幾種雙頻GPS接收機的參數(shù)對比。

4.4GPS現(xiàn)代化

4.4.1概述

GPS的設計方案是20世紀70年代初完成的，最初目的主要是滿足軍方用戶導航定位的需求，但由于民用市場上存在的需求巨大，在20世紀80年代初，美國國防部與交通部決定將這一系統(tǒng)建設成為軍民兩用的定位、導航和授時系統(tǒng)。

GPS現(xiàn)代化主要從軍用和民用兩個方面來考慮：要求GPS在21世紀繼續(xù)作為軍民兩用的系統(tǒng)，既要更好地滿足軍事需要，又要繼續(xù)擴展民用市場應用的需要。GPS現(xiàn)代化主要有三方面的工作：一是提高抗干擾攻擊能力；二是研究新的信號結(jié)構(gòu)與調(diào)制方式，使軍、民碼信號分離，以確保軍用；三是增加頻點和信道，擴大民用，改善精度。

4.4.2GPS民用現(xiàn)代化

民用現(xiàn)代化主要針對民用導航、定位、大氣探測等方面的需求。民用現(xiàn)代化的目的如下：

(1)改善民用導航和定位的精度；

(2)擴大服務的覆蓋面和改善服務的持續(xù)性；

(3)提高導航的安全性，如增強信號功率、增加導航信號和頻道；

(4)保持GPS在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中技術(shù)和銷售的領先地位；

(5)注意保持與現(xiàn)有的以及將來的民用其他空間導航系統(tǒng)的匹配和兼容。

4.4.3GPS軍用現(xiàn)代化

美國創(chuàng)建GPS多年來，GPS除在各類運載器的導航和定位方面發(fā)揮巨大作用外，在戰(zhàn)場上精密武器的時間同步和協(xié)調(diào)、指揮以及在對戰(zhàn)斗人員的支持和救援方面，也發(fā)揮了關鍵性作用。

美國在軍用現(xiàn)代化方面采取的措施有：將軍用碼和民用碼信號完全分開，以阻止敵方利用GPS民用信號；在GPS信號頻道上，增加新的軍用碼—M碼，M信號采用二元偏置載波調(diào)制方案，這樣可提高民用信號的完好性，且增強軍用信號的保密性、安全性和可靠性；研制GPS-IIF衛(wèi)星，增加新的L5頻段用于發(fā)射新的民用信號，以使GPS系統(tǒng)的民用信號達到3個、軍用信號達到4個；軍事用戶的接收設備要比民用的有更好的保護裝置，特別是抗干擾能力和快速初始化功能。

4.4.4GPS現(xiàn)代化的階段

GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化的計劃分為如下三個階段。

(1)第一階段：發(fā)射12顆改進型的GPSBLOCKⅡR型衛(wèi)星，并在L2上加載C/A碼，在L1和L2頻率上加載新的軍用碼M碼。無論在民用通道還是在軍用通道上，BLOCK

ⅡR型衛(wèi)星的發(fā)射功率都有很大的提高。

(2)第二階段：發(fā)射6顆GPSⅡF衛(wèi)星，并增設第三個民用信號L5，其載波頻率為1176.45?MHz，從而形成三種GPS信號，即L1、L2和L5同時進行導航定位的新格局，并于2016年GPS衛(wèi)星系統(tǒng)全部以ⅡR/ⅡF衛(wèi)星運行，共計24?+?3顆。

(3)第三階段：發(fā)射GPSBLOCKⅢ

型衛(wèi)星。目前正在研究未來GPS衛(wèi)星導航的需求，并討論制定GPSⅢ

型衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)安全性、可靠程度和各種可能的風險；計劃用近20年的時間完成GPSⅢ

計劃，并取代目前的GPSⅡ。

4.5GLONASS系統(tǒng)

4.5.1衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與組成

GLONASS星座由24顆衛(wèi)星組成，如圖4-18所示。其中，21顆為工作衛(wèi)星，環(huán)繞地球一圈的時間約為11小時15分；3顆用于后備。24顆衛(wèi)星均勻地分布在三個軌道上面，其中的8顆衛(wèi)星分布在同一軌道上，軌道的傾角為64.8°。在同一個平面上，兩顆相鄰衛(wèi)星之間的升交距角為45°。圖4-18GLONASS衛(wèi)星星座

圖4-19所示為GLONASS的衛(wèi)星外形，它由水平傳感器、激光后向反射器、12單元導航信號天線和各種指揮、控制天線組成。附在增壓圓柱體側(cè)面的有太陽能電池板、軌道校正發(fā)動機、姿態(tài)控制系統(tǒng)和熱控制通氣窗。GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星的在軌重量約為1400kg，星體直徑為2.25m，太陽能電池翼板寬度為7.23?m，面積約為7m2。每顆衛(wèi)星上都有銫原子鐘產(chǎn)生高穩(wěn)定、高精度的時間標準，并向所有星載設備提供穩(wěn)定的同步信號。圖4-19GLONASS衛(wèi)星外形

4.5.2GLONASS發(fā)展歷程

GLONASS經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段。

(1)研發(fā)階段：

·20世紀70年代初，蘇聯(lián)國防部開始研制GLONASS；

·1982年10月，發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星。

(2)試運行階段：

·1982年10月—1985年5月，10顆BlockⅠ型衛(wèi)星投入使用。

(3)正式運行階段：

·1985年5月－1986年9月，6顆BlockⅡA衛(wèi)星發(fā)射；

·1987年4月－1988年5月，12顆BlockⅡB衛(wèi)星發(fā)射；

·1988－1994年，31顆BlockⅡv衛(wèi)星發(fā)射；

·1988年GLONASS提供民用；

·1989－1990年，由于衛(wèi)星故障，暫停發(fā)射一年；

·1994年8月，增發(fā)GLONASS衛(wèi)星；

·1993年，俄羅斯政府正式把GLONASS計劃交付俄羅斯航天部隊(VKS)主管，該部隊不僅負責GLONASS衛(wèi)星部署、在軌維護和用戶設備檢驗，還經(jīng)管科學信息協(xié)調(diào)中心，由此對公眾發(fā)布GLONASS信息；

·1995年7月，俄羅斯聯(lián)邦政府正式宣布GLONASS可以作為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一；

·2005年12月25日發(fā)射了三顆衛(wèi)星。

4.5.3地面支持系統(tǒng)

地面支持系統(tǒng)由系統(tǒng)控制中心、中央同步器、激光跟蹤站以及外場導航控制設備組成，它的功能由前蘇聯(lián)境內(nèi)的許多場地來完成。系統(tǒng)控制中心是由俄羅斯航天部隊操縱的軍事設施；中央同步器用來形成GLONASS系統(tǒng)時間；激光跟蹤站用來對無線電頻率跟蹤測量值進行校準；外場導航控制設備用來檢測GLONASS導航信號。

地面控制設備主要完成的工作為：測量和預測各衛(wèi)星的星歷，使時間接收機的時間系統(tǒng)與GLONASS時間系統(tǒng)同步；并將衛(wèi)星的時間校正值和歷書上的信息加載給每顆GLONASS衛(wèi)星，以對衛(wèi)星實行指揮、控制、維護和跟蹤。隨著前蘇聯(lián)的解體，GLONASS系統(tǒng)由俄羅斯航天局管理，地面支持段已經(jīng)減少到只有俄羅斯境內(nèi)的場地了。系統(tǒng)控制中心和中央同步器位于莫斯科，遙測遙控站位于圣彼得堡、捷爾諾波爾、埃尼謝斯克和共青城，如圖4-20所示。圖4-20系統(tǒng)控制中心分布

4.5.4GLONASS與GPS系統(tǒng)的特征比較

GLONASS的組成和功能與GPS導航系統(tǒng)的相似，可用于海上、空中、陸地等各類用戶定位、測速及精密定時等。GLONASS的技術(shù)參數(shù)與GPS的比較如表4-3所示。

4.5.5GLONASS現(xiàn)代化

GLONASS現(xiàn)代化的內(nèi)容如下：

(1)俄羅斯著手改善GLONASS與其他無線電系統(tǒng)的兼容性。

(2)計劃發(fā)射下一代改進型衛(wèi)星并形成未來的星座。

(3)對地面控制部分也將進行改進。

(4)配置差分子系統(tǒng)。

4.6Galileo系統(tǒng)

4.6.1概述

Galileo系統(tǒng)是歐盟正在建設的新一代民用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

Galileo系統(tǒng)星座由27顆工作衛(wèi)星、3顆在軌備用衛(wèi)星總共30顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星采用中等地球軌道，均勻地分布在高度約為2.3?×?104km的3個軌道面上。Galileo衛(wèi)星的軌道高度是23616km，軌道傾角是56°。Galileo衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星星座的主要參數(shù)對比如表4-4所示。

4.6.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

Galileo系統(tǒng)主要由空間段、地面段和用戶段三個段組成。

(1)空間段。空間段由分布在3個軌道面上的30顆衛(wèi)星組成，每條軌道上均勻分布10顆衛(wèi)星。

(2)地面段。地面段由監(jiān)測站、控制中心和上行站網(wǎng)絡組成。

(3)用戶段。在用戶段，用戶接收機能擁有區(qū)域和局域設施部分所提供服務的接口，并且能與其他定位系統(tǒng)互操作，實現(xiàn)Galileo系統(tǒng)所提供的各種無線電導航服務。

4.6.3系統(tǒng)的開發(fā)計劃

Galileo系統(tǒng)開發(fā)包括兩個階段：

(1)整體開發(fā)和驗證階段。開發(fā)和驗證階段包括設計、開發(fā)和在軌驗證。在軌驗證就是在軌系統(tǒng)配置，這種配置由Galileo衛(wèi)星數(shù)目、關聯(lián)的地面段及初始運動組成。該階段完成之后，將部署附件衛(wèi)星和地面段組件，以完成整個系統(tǒng)配置，如圖4-21所示。圖4-21Galileo系統(tǒng)的在軌系統(tǒng)配置

(2)全面部署和運行階段。全面部署和運行階段包括持續(xù)24個月的全面系統(tǒng)部署、長期運行和補給。在此階段將會發(fā)射剩余的衛(wèi)星和部署全面運行的地面段，包括有要求的冗余配置，以在性能和服務區(qū)域等方面達到全面任務要求。運行階段包括日常運行、地面段的維護以及出現(xiàn)故障時對衛(wèi)星星座的補給。

4.7北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS，以下簡稱北斗系統(tǒng))是中國自主建設運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼GPS、GLONASS之后的第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

4.7.1系統(tǒng)概述

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。

北斗系統(tǒng)提供服務以來，已在諸多領域得到廣泛應用，服務國家重要基礎設施，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。基于北斗系統(tǒng)的導航服務已被諸多廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經(jīng)濟和民生領域，深刻改變著人們的生產(chǎn)和生活方式。

1.發(fā)展目標

建設世界一流的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，滿足中國國家安全與經(jīng)濟社會發(fā)展需求，為全球用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的服務；發(fā)展北斗產(chǎn)業(yè)，服務經(jīng)濟社會發(fā)展和民生改善；深化國際合作，共享衛(wèi)星導航發(fā)展成果，提高全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的綜合應用效益。

2.遠景目標

2035年前將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。

3.基本組成

北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成。其中，北斗系統(tǒng)空間段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星等組成；地面段由運控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、星間鏈路運行管理系統(tǒng)，以及國際搜救、短報文通信、星基增強和地基增強等多種服務平臺組成；用戶段由北斗兼容其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應用系統(tǒng)與應用服務等組成。

4.發(fā)展特色

北斗系統(tǒng)的建設實踐，走出了在區(qū)域快速形成服務能力、逐步擴展為全球服務的中國特色發(fā)展路徑，豐富了世界衛(wèi)星導航事業(yè)的發(fā)展模式。

北斗系統(tǒng)具有以下特點：一是北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯；二是北斗系統(tǒng)提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度；三是北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導航與通信能力，具備定位導航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務能力。

5.增強系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)增強系統(tǒng)包括地基增強系統(tǒng)與星基增強系統(tǒng)。

北斗地基增強系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要組成部分，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、共建共享”的原則，整合國內(nèi)地基增強資源，建立以北斗為主、兼容其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高精度衛(wèi)星導航服務體系。

北斗星基增強系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要組成部分，通過地球靜止軌道衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導航增強信號轉(zhuǎn)發(fā)器，可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等多種修正信息，實現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度的改進。按照國際民航標準，開展北斗星基增強系統(tǒng)設計、試驗與建設。目前，已完成系統(tǒng)實施方案論證，固化了系統(tǒng)在下一代雙頻多星座(DFMC)SBAS標準中的技術(shù)狀態(tài)，進一步鞏固了BDSBAS作為星基增強服務供應商的地位。

4.7.2發(fā)展歷程

1.發(fā)展戰(zhàn)略

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。1994年，中國開始研制發(fā)展獨立自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，至2000年底建成北斗一號系統(tǒng)，采用有源定位體制服務中國。中國成為世界上第三個擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。2012年，建成北斗二號系統(tǒng)，面向亞太地區(qū)提供無源定位服務。2020年，北斗三號系統(tǒng)正式建成開通，面向全球提供衛(wèi)星導航服務，標志著北斗系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略圓滿完成。

2.早期發(fā)展

20世紀70年代，從事“兩彈一星”的科學家們就已經(jīng)認識到衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的重要性，他們曾在衛(wèi)星導航領域進行探索，并在理論探索和研制實踐方面開展了卓有成效的工作。立項于20世紀60年代末的“燈塔計劃”可以說是北斗工程的前身，盡管這個計劃最終因技術(shù)方向轉(zhuǎn)型、財力有限等原因而終止，但卻為后來上馬的北斗工程積累了寶貴的經(jīng)驗。

3.北斗一號系統(tǒng)

1994年，中國啟動北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)建設；2000年10月31日，發(fā)射首顆北斗導航試驗衛(wèi)星；同年12月21日，發(fā)射第2顆北斗導航試驗衛(wèi)星，初步建成北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家；2003年5月25日，發(fā)射第三顆北斗導航試驗衛(wèi)星，進一步增強了北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)性能。

4.北斗二號系統(tǒng)

2002年，歐盟發(fā)起“伽利略”衛(wèi)星計劃，彼時，中方遇技術(shù)瓶頸，歐盟缺研發(fā)基金，雙方?jīng)Q定聯(lián)手開發(fā)。然而蜜月苦短，四年后，中國被排除在項目外，決議不讓表態(tài)，資料不讓瀏覽，技術(shù)不被告知。

5.北斗三號系統(tǒng)

2009年12月，北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)立項；2017年11月5日，北斗三號系統(tǒng)的第一顆和第二顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，北斗衛(wèi)星全球組網(wǎng)正式開始；2018年11月19日，北斗三號基本系統(tǒng)星座部署完成。

6.后續(xù)發(fā)展

2035年，中國將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系，進一步提升時空信息服務能力，提供高彈性、高智能、高精度、高安全的定位導航授時服務，更好地惠及民生福祉、服務人類發(fā)展進步。

4.7.3技術(shù)特點

1.雙星定位

20世紀80年代，國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)紛紛上馬，中國科學家也開始對自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行摸索。然而，對于當時的中國來說，要建立起一套覆蓋全球的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是耗資巨大且非常困難的事情。

2.短報文服務

北斗的短報文通信為用戶提供了一種保底的通信技術(shù)手段。在通信設施損毀或信號覆蓋弱的區(qū)域，人們無法通過移動通信信號傳輸信息，但可以通過北斗衛(wèi)星信號傳遞重要信息；并且用戶通過手機發(fā)送短報文信息后，還能得到系統(tǒng)對發(fā)送信息成功與否的回執(zhí)確認，顯著增強了遇險人員求生信心。

3.高精度原子鐘

星載原子鐘精度要求高，技術(shù)難度大，曾長期為少數(shù)西方發(fā)達國家所壟斷。由于國外技術(shù)封鎖，星載原子鐘成為北斗系統(tǒng)建設的技術(shù)瓶頸。

研制出的第一臺星載原子鐘產(chǎn)品在工作中經(jīng)常信號突跳，精度很差，研制人員經(jīng)過技術(shù)攻關，最終解決了這一問題。北斗二號系統(tǒng)首次采用了國產(chǎn)星載原子鐘。

4.軌道分布

北斗系統(tǒng)空間段采用地球同步靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。這種混合星座布局，既能實現(xiàn)全球覆蓋、全球服務，又可為亞太大部分地區(qū)用戶提供精度更高的服務。

5.衛(wèi)星平臺

北斗三號衛(wèi)星采用導航衛(wèi)星專用平臺化設計，在保證衛(wèi)星總體設計架構(gòu)穩(wěn)定的基礎上，可為系統(tǒng)后續(xù)功能和需求拓展提供更大的適應能力。

6.星間鏈路

北斗三號衛(wèi)星配置了Ka頻段星間鏈路，采用相控陣天線等星間鏈路設備，實現(xiàn)星間雙向精密測距和通信。

7.新型導航信號體制

衛(wèi)星導航信號是衛(wèi)星系統(tǒng)提