衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)工作原理

衛(wèi)星導(dǎo)航分為多普勒測(cè)速、時(shí)間測(cè)距等方法。多普勒測(cè)速定位是用戶測(cè)量實(shí)際接收到的信號(hào)頻率與衛(wèi)星發(fā)射的頻率之間的多普勒頻移，并根據(jù)衛(wèi)星的軌道參數(shù)，算出用戶的位置。時(shí)間測(cè)距導(dǎo)航定位是用戶測(cè)量系統(tǒng)中4顆(或3顆)衛(wèi)星發(fā)來信號(hào)的傳播時(shí)間，然后完成一組包括4個(gè)(或3個(gè))方程式的數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，可得出用戶位置。"導(dǎo)航星"全球定位系統(tǒng)(GPS)采用這種方法實(shí)現(xiàn)定位。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面臺(tái)站和用戶定位設(shè)備三個(gè)部分組成。導(dǎo)航衛(wèi)星是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間部分，由多顆導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成空間導(dǎo)航網(wǎng)。地面臺(tái)站通常包括跟蹤站、遙測(cè)站、計(jì)算中心、注入站及時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)等部分，用于跟蹤、測(cè)量、計(jì)算及預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道并對(duì)星上設(shè)備的工作進(jìn)行控制管理。用戶定位設(shè)備通常由接收機(jī)、定時(shí)器、數(shù)據(jù)預(yù)處理機(jī)、計(jì)算機(jī)和顯示器等組成。它接收衛(wèi)星發(fā)來的微弱信號(hào)，從中解調(diào)并譯出衛(wèi)星軌道參數(shù)和定時(shí)信息等，同時(shí)測(cè)出導(dǎo)航參數(shù)，再由計(jì)算機(jī)算出用戶的位置坐標(biāo)和速度矢量分量。用戶定位設(shè)備分為單人(如手持GPS接收機(jī))、車載、艦載、機(jī)載、彈載和星載等多種類型。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從美國的子午儀、全球定位系統(tǒng)及其現(xiàn)代化，最后到第三代全球定位系統(tǒng)，不斷地在演變，還在探索新一代的系統(tǒng)。除了衛(wèi)星及其載荷性能改進(jìn)外，地面運(yùn)控系統(tǒng)也在做現(xiàn)代化改造，以提高定位精度和實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)在恢復(fù)之中，并在實(shí)施現(xiàn)代化計(jì)劃。伽利略系統(tǒng)雖然在建設(shè)中，但歐洲已經(jīng)在策劃第二代伽利略系統(tǒng)。中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從有源雙星定位的北斗一號(hào)試驗(yàn)系統(tǒng)，步入無源定位的北斗二號(hào)先區(qū)域、后全球的新的發(fā)展階段。由于用戶與市場(chǎng)的客觀需求和國際競(jìng)爭(zhēng)的需要，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能和性能在不斷改進(jìn)提高。以精度而言，全球定位系統(tǒng)從100余米提高到10米量級(jí)，導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容與互用后可提高到1米左右。最值得指出的是，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的指標(biāo)體系有了重大變化，以全球定位系統(tǒng)為例，原先指標(biāo)參量主要為精度、可用性、連續(xù)性和完好性，第三代全球定位系統(tǒng)階段除了高精度要求外，還有可確保的可用性、可控的完好性、抗干擾功率增強(qiáng)、導(dǎo)航擔(dān)保、增強(qiáng)安全性、后向兼容、系統(tǒng)自生存性，以及民用信號(hào)從1個(gè)變成4個(gè)。伽利略系統(tǒng)的服務(wù)理念與全球定位系統(tǒng)相比有了進(jìn)一步深化，其信號(hào)編碼體制有明顯創(chuàng)新，得到公認(rèn)，并衍生多個(gè)應(yīng)用品種。

衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步是以接收機(jī)為核心的，20多年來，接收機(jī)技術(shù)、接收機(jī)芯片技術(shù)以摩爾定律在發(fā)展，在進(jìn)步，性能成十上百倍地提高，重量成百上千倍地減輕，價(jià)格成千上萬倍地降低，民用接收機(jī)技術(shù)大大地帶動(dòng)了軍用技術(shù)的快速進(jìn)步。同時(shí)，車輛導(dǎo)航儀、個(gè)人導(dǎo)航儀、手持機(jī)、定位手機(jī)、導(dǎo)航手機(jī)、行駛記錄儀、監(jiān)控終端等等應(yīng)用終端以更加豐富多彩、功能強(qiáng)大而馳名，受到廣大用戶的青睞。此外，各種各樣的應(yīng)用與服務(wù)系統(tǒng)，如移動(dòng)位置服務(wù)系統(tǒng)、車輛信息系統(tǒng)、實(shí)時(shí)智能交通信息系統(tǒng)、不停車收費(fèi)系統(tǒng)、車隊(duì)管理系統(tǒng)、物流運(yùn)輸系統(tǒng)，以及多種多樣的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，日新月異地進(jìn)入市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)，形成明顯的生產(chǎn)力，對(duì)于提高生產(chǎn)效率，提升服務(wù) 水平，改善生活質(zhì)量，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，發(fā)揮著積極作用。技術(shù)發(fā)展的重大傾向是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)已拓展到PNT或PNOT（Position、Navigation、Orientation、Timing，定位、導(dǎo)航、定向、定時(shí)）全領(lǐng)域，并且以它為中心逐步實(shí)現(xiàn)與通信、互聯(lián)網(wǎng)、慣性導(dǎo)航傳感器、時(shí)鐘等等的融合與集成，將多種多樣的信息來源與信息通道實(shí)現(xiàn)一體化整合，真正達(dá)到全球任何時(shí)間、任何地方（海陸空天與地下和水下）的PNT應(yīng)用與服務(wù)，已經(jīng)成為人們未來十年追求的目標(biāo)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力來源正在發(fā)生著微妙的變化。全球定位系統(tǒng)建設(shè)初期主要?jiǎng)恿碜攒娪眯枨螅瑏碜约夹g(shù)牽引，任務(wù)與目標(biāo)相對(duì)集中，隨著系統(tǒng)變成軍民兩用進(jìn)程的發(fā)展，市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)的廣泛需求越來越豐富，越來越多樣化，應(yīng)用與服務(wù)需求逐步上升為主要矛盾，成為矛盾的重要方面。這使得發(fā)展驅(qū)動(dòng)力從主要來自使命牽引轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕獊碜孕枨笸苿?dòng)，也就是更多地來自于產(chǎn)業(yè)、市場(chǎng)和用戶的需求。所以，無論第三代全球定位系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)，多將需求調(diào)研作為一個(gè)重要方面加以研究，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)體系的重大調(diào)整，使之更加切合實(shí)際，更加有用。這種轉(zhuǎn)變是帶有根本性意義的，是科技發(fā)展的方向性問題，會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。這種轉(zhuǎn)變給我們新興國家以機(jī)會(huì)，有更多的發(fā)展余地，有更多的市場(chǎng)開拓空間。這種轉(zhuǎn)變也給我們提出了更高的要求，要緊跟用戶需求，研發(fā)生產(chǎn)出更多更好切合實(shí)際應(yīng)用的高效產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)雙贏和多贏，讓用戶得到看得見摸得著的實(shí)實(shí)在在的好處，實(shí)現(xiàn)增值服務(wù)。

1、系統(tǒng)級(jí)感知。GNSS子系統(tǒng)應(yīng)訪問系統(tǒng)級(jí)狀態(tài)以便根據(jù)這些狀態(tài)采取行動(dòng)。若PND確定用戶并沒主動(dòng)看屏幕，當(dāng)它關(guān)閉顯示器背光時(shí)也還會(huì)“通知”GNSS子系統(tǒng)同時(shí)減少位置處理負(fù)載。當(dāng)用戶接著使用設(shè)備時(shí)，位置會(huì)被刷新。

2、保持GNSS時(shí)鐘。當(dāng)關(guān)斷GNSS接收器系統(tǒng)或?qū)⑵湓O(shè)置為待機(jī)(休眠)模式時(shí)，只關(guān)斷射頻部分但保持GNSS時(shí)鐘。因時(shí)鐘也耗電，所以該技術(shù)實(shí)際需要更大功耗，但當(dāng)系統(tǒng)喚醒時(shí)，因其不必重新獲取時(shí)間，它支持更快的信號(hào)獲取。該技術(shù)可直接與業(yè)已在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的任何降耗功能直接對(duì)接。

3、 儲(chǔ)存關(guān)于最后一次已知位置的足夠信息。任何時(shí)間，該設(shè)備都有關(guān)于其大概位置的數(shù)據(jù)、時(shí)間或參考，因系統(tǒng)了解大致答案，所以信號(hào)獲取被提速。

4、存儲(chǔ)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。導(dǎo)航時(shí)，GNSS接收器需了解其全部跟蹤衛(wèi)星的軌道參數(shù)(年鑒和星歷)。在存儲(chǔ)該軌道數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)有接收器短時(shí)關(guān)閉、而以前使用的相同衛(wèi)星仍可用的場(chǎng)合。在這種情況，該接收器可熱啟動(dòng)、把從潛態(tài)到首次定位所需時(shí)間從30多秒減少至3秒內(nèi)。

5、編程射頻以輸出更少數(shù)據(jù)。當(dāng)試圖在最惡劣工作條件下保持精度時(shí)，將完整GNSS信號(hào)送至主處理器會(huì)有好處，這樣當(dāng)突然有可用資源時(shí)就可利用這些信號(hào)，而若沒有可用資源時(shí)將丟棄這些采樣。但該方法以全速驅(qū)動(dòng)射頻/處理器接口。通過降低來自射頻的信號(hào)速率、當(dāng)有更多資源可用時(shí)，處理器雖失去了處理更多采樣的能力但卻保存了功率。

6、采用智能航位推算。當(dāng)位置更容易估算時(shí)(如行駛在高速公路且半英里內(nèi)沒有出口的場(chǎng)合)，可采用犧牲精度以減小處理負(fù)載的航位推算及其它技術(shù)。通過采用航位推算技術(shù)有效進(jìn)行交叉定位計(jì)算或降低信號(hào)速率，信號(hào)處理負(fù)載可被降低且保持足夠精度?；谲浖椒ǖ撵`活性使實(shí)現(xiàn)諸如此類的降耗特性簡(jiǎn)單可行。