衛(wèi)星定位技術COMPASS

COMPASS是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括"北斗一號"和"北斗二號"兩套系統(tǒng)。"北斗一號"衛(wèi)星定位系統(tǒng)方案于1983年提出，突出特點是構成系統(tǒng)的空間衛(wèi)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。"北斗一號"衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位、簡短數字報文通信和授時服務的一種全天候、高精度、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

"北斗一號"衛(wèi)星定位系統(tǒng)由兩顆地球靜止衛(wèi)星、一顆在軌備份衛(wèi)星、中心控制系統(tǒng)、標校系統(tǒng)和各類用戶機等組成。系統(tǒng)的工作過程是:首先由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星I和衛(wèi)星II同時發(fā)送詢問信號，經衛(wèi)星轉發(fā)器向服務區(qū)內的用戶廣播。用戶響應其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應信號，經衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接收并解調用戶發(fā)來的信號，然后根據用戶的申請服務內容進行相應的數據處理。對定位申請，中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲:從中心控制系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，經某一顆衛(wèi)星轉發(fā)到達用戶，用戶發(fā)出定位響應信號，經同一顆衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲;從中心控制發(fā)出詢問信號，經上述同一衛(wèi)星到達用戶，用戶發(fā)出響應信號，經另一顆衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制系統(tǒng)的延遲。由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是已知的，因此，由上面兩個延遲量可以算出用戶到第一顆衛(wèi)星的距離以及用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛(wèi)星為球心的一個球面和以兩顆衛(wèi)星為焦點的橢球面之間的交線上。另外，中心控制系統(tǒng)從存儲在計算機內的數字化地形圖査找到用戶高程值，又可知道用戶處于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而使中心控制系統(tǒng)可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經加密后由出站信號發(fā)送給用戶。

"北斗一號"系統(tǒng)的主要功能包括定位，即快速確定用戶所在地的地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息;通信，即用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間均可實現(xiàn)雙向簡短數字報文通信;授時，即中心控制系統(tǒng)定時播發(fā)授時信息，為定時用戶提供時延修正值。

"北斗一號"的覆蓋范圍是5°~55°N，70°~140°E的核心地區(qū)，最寬處在北緯35°左右。其定位精度為水平精度100 m，設立標校站之后為20 m(類似差分狀態(tài))。

"北斗二號"系統(tǒng)目前正在建設之中，預計于2020年前完成，將構成由30多顆不同軌道類型的衛(wèi)星組成的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

歐洲在1999年正式推出"伽利略(Galileo)"導航衛(wèi)星計劃，該計劃在2004年4月歐盟15國交通部長會議上批準啟動，"伽利略"導航衛(wèi)星系統(tǒng)正按原定研發(fā)計劃分步實施。在2005年完成衛(wèi)星和地面系統(tǒng)的研發(fā)與仿真測試;2006年至2007年進行衛(wèi)星的發(fā)射并進行地面分站的安裝調試。該方案由30顆中高度圓軌道核心星座組成，另外增加3顆覆蓋歐洲的地球靜止軌道衛(wèi)星，輔以GPS和本地差分增強系統(tǒng)，其定位精度按繳納費用而異，最高精度比GPS高10倍，即使免費使用的定位精度也達6 m。

"伽利略"導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星星座是由分布在3個軌道上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星(MEO)構成，每條軌道衛(wèi)星個數為10(9顆工作、1顆備用)，軌道傾斜角為56°;軌道高度為24000 km;運行周期為14小時4分。衛(wèi)星個數與衛(wèi)星布置均和美國GPS系統(tǒng)的星座有一定的相似之處。"伽利略"系統(tǒng)的工作壽命為20年，中等高度軌道衛(wèi)星星座工作壽命設計為15年。這些衛(wèi)星能夠被直接發(fā)送到運行軌道上正常工作。每一個MEO衛(wèi)星在初始升空定位時，其位置都可以稍微偏離正常工作位置。

"伽利略"為地面用戶提供3種信號:免費使用的信號、加密且需交費使用的信號以及加密且需滿足更高要求的信號。"伽利略"系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢在于，它能夠與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)實現(xiàn)多系統(tǒng)內的相互兼容。"伽利略"的接收機可以采集各個系統(tǒng)的數據或者通過各個系統(tǒng)數據的組合來滿足定位導航的要求。

"伽利略"除能提供精確的定位信號外，還可以提供移動電話業(yè)務服務，用于救生行動。例如，接收失事飛機的求救信號后，快速通知附近的救援部門。

前蘇聯(lián)自1978年10月開始，發(fā)射自己的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)格林納斯(GLONASS)試驗衛(wèi)星。GLONASS導航衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，均勻地分布在3個軌道平面上。GLONASS系統(tǒng)在系統(tǒng)組成和工作原理上與GPS類似，也是由衛(wèi)星星座、地面控制系統(tǒng)和用戶設備3部分組成。

1.衛(wèi)星星座

GLONASS系統(tǒng)采用中的24顆衛(wèi)星，均勻分布在3個圓形軌道平面上，每個軌道面有8顆衛(wèi)星，軌道高度為19000km，傾角為64.8°，軌道扁心率為0.01，地跡重復周期為8天，軌道同步周期為17圈，由于GLO NASS衛(wèi)星地軌道傾角大于GPS衛(wèi)星傾角，所以在高緯度(50°以上)地區(qū)的可見性較好。

與美國GPS系統(tǒng)不同的是，GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址方式，根據載波頻率來區(qū)分不同衛(wèi)星。每顆GLONASS衛(wèi)星發(fā)播兩種載波頻率，分別為L1=1602+0.5625K(MHz)和L2=1246+0.4375K(MHz)，其中，K=1~24為每顆衛(wèi)星的頻率偏號。GLONASS衛(wèi)星的載波上也調制了兩種偽隨機噪聲碼:S碼和P碼。俄羅斯對GLONASS系統(tǒng)采用了軍民合用、不加密的開放政策。

2.地面控制系統(tǒng)

GLONASS地面控制部分(Ground Control Segment，GCS)包括位于莫斯科的系統(tǒng)控制中心和分布于全俄羅斯的指令跟蹤站CTS(Command Tracking Station)組成的網絡。CTS站跟蹤GLONASS可見衛(wèi)星，它遙測所有衛(wèi)星，進行測距數據的采集和處理，并向各衛(wèi)星發(fā)送指令和導航信息。在GCS內有激光測距設備對測距數據作周期修正。

3.用戶設備

GLONASS接收機用于接收GLONASS衛(wèi)星信號并測量其偽距和速度，同時從衛(wèi)星信號中提取并處理導航電文。接收機中的計算機對所有輸人數據進行處理并算出坐標位置的3個分量以及速度矢量的3個分量和時間。

GLONASS系統(tǒng)可供國防和民間使用，不帶任何的限制，也不對用戶收費。民用的標準精度為水平方向50~70 m，垂直方向75 m，并聲明不引入選擇可用性。

GPS(Global Positioning System)是由美國國防部授權研制的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。它是一種可以定時和測距的導航系統(tǒng)，可向海軍艦船、空中飛機和陸地車輛提供全球、全天候、連續(xù)、實時服務的高精度三維位置、三維速度和時間信息。其目的是為美國海、陸、空三軍提供精密導航，還可用于情報搜集、核爆炸監(jiān)測、應急通信和衛(wèi)星定位等一些軍事目的。

GPS定位的基本原理是:位于地面的GPS接收機檢測GPS衛(wèi)星發(fā)送的擴頻信號，通過相關運算獲取到達時間信息并由此計算出衛(wèi)星到接收機的距離，再結合衛(wèi)星廣播的星歷信息計算衛(wèi)星的空間位置，完成定位計算。有3顆衛(wèi)星時，若衛(wèi)星與接收機鐘差很小，即可實視二維定位;4顆可見時，衛(wèi)星可實現(xiàn)三維定位，獲取更多的可見衛(wèi)星可提高定位精度。GPS接收機在全球任何地方、任一時刻均能接收到至少4顆衛(wèi)星信號，GPS終端可根據接收到多顆衛(wèi)星的導航信息，計算出自己的三維位置(經緯度與海拔高度)、運動速度與方向以及精確的時間信息。

GPS由空間部分(導航衛(wèi)星星座)、控制部分(地面監(jiān)控系統(tǒng))和用戶部分(GPS接收終端)3大部分組成。

1.空間部分

空間部分由一組GPS衛(wèi)星組成。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。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面上，軌道傾角為55°，各個軌道平面之間相距60°，即軌道的升交點赤經各相差60°。每個軌道平面內各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90°。導航衛(wèi)星設計壽命為7.5年，軌道距地面高度為20128 km，運行周期為12恒星小時。

GPS導航衛(wèi)星重達1500 kg，星上裝備了無線收發(fā)信機、天線、銫原子鐘、計算機、導航電文存儲器、太陽能翼板以及其他設備。每顆衛(wèi)星以兩個L波段頻率發(fā)射無線電載波信號:

L1=1575.42 MHz(波長約為19 cm)

L2=1227.60 MHz(波長約為24 cm)

在L1/L2載波上，載有測距用P碼(Precise精搜索碼，碼長約30m)和C/A碼(Coarse/ Acquisition粗搜索碼，碼長約300 m)。其中，P碼只供美國軍方與授權用戶使用，C/A碼可供民用定位服務。此外，在載波上還調制了50 bit/s的數據導航電文，其內容包括:衛(wèi)星星歷、電離層模型系數、狀態(tài)信息、時間信息和星鐘偏差/漂移等信息。

美國采用兩種限制性政策:選擇性可用性(SA)政策，有意使頻率飄移和降低軌道精度，使C/A碼原有的定位精度從20~40 m降低到100m;反欺騙政 策(AS)，為防止P碼被非授權用戶使用，將P碼改為Y碼，使非授權用戶無法解出P碼。

2.控制部分

控制部分主要是地面監(jiān)控系統(tǒng)，它負責監(jiān)控GPS的工作，是GPS系統(tǒng)的神經中樞，也是保證GPS協(xié)調運行的核心部分，由美國國防部監(jiān)管。對于導航定位來說，GPS衛(wèi)星是一個動態(tài)已知點。衛(wèi)星的位置是依據衛(wèi)星發(fā)射的星歷(描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，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時間系統(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，衛(wèi)星再由導航電文發(fā)給用戶設備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站。

(1)主控站

主控站即衛(wèi)星操作控制中心(CSOC)，位于加州Falcon空軍基地，主要負責接收、處理來自各監(jiān)控站跟蹤數據，完成衛(wèi)星星歷和原子鐘計算，衛(wèi)星軌道和鐘差參數計算，用以產生向空間衛(wèi)星發(fā)送更新的導航數據。這些更新數據送到注入站，利用S頻段(1750~1850MHz)向衛(wèi)星發(fā)射。由于衛(wèi)星上的原子鐘有足夠精度，故導航更新數據約在每天才更新一次。主控站本身還是監(jiān)控站，還可用于完成診斷衛(wèi)星的工作狀態(tài)，進行調度等工作。

(2)監(jiān)控站

GPS有5個監(jiān)控站。除主控站上的監(jiān)控站外，還在美國夏威夷、北太平洋上的Kwajalein島、印度洋上的Diogo Garcia島、大西洋上的Ascension島上設有監(jiān)控站。監(jiān)控站對衛(wèi)星進行跟蹤與測軌，以2200~2300MHz頻率接收衛(wèi)星的遙測數據，進行軌道預報，并收集當地氣象及大氣和對流層對信號的時延數據，連同時鐘修正、軌道預報參數一起傳送給主控站。

(3)注入站

GPS有3個注入站，與三大洋的Kwajalein島、Diogo Garcia島、Ascension島上監(jiān)控站并置。注入站主要功能為將主控站送來的衛(wèi)星星歷、鐘差信息和軌道修正參數，每天一次注入到衛(wèi)星上的導航電文存貯器中。

3.用戶部分

用戶部分主要是GPS信號接收機，其任務是:捕獲按一定衛(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，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。在靜態(tài)定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態(tài)定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。

GPS接收機硬件和軟件以及GPS數據的后處理軟件包，構成了完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說，兩個單元一般被分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元置于測站附近的適當地方，用電纜線將兩者連接成一個整機，也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在測站點上。

4.差分技術

美國政府出于軍事目的，把GPS系統(tǒng)設置為兩種級別的服務，其中C/A碼為全球用戶免費使用，但對C/A碼采取人為降低精度的措施--選擇可用性(SA)政策，這樣使得單機定位只能達到100m(平面，95%置信度)，這種精度為GPS系統(tǒng)精度，而與GPS接收機無關。因此無論何種GPS接收機，只采用C/A碼定位，精度就只能達到100m。這種精度無法滿足日益增多的用戶的要求，為了提高實時定位精度，人們提出了差分GPS技術，經差分校正的GPS接收機定位精度優(yōu)于30m，測速精度優(yōu)于0.1m/s，計時精度優(yōu)于10 ms。

差分GPS系統(tǒng)已經在許多部門得到推廣應用，這些差分GPS系統(tǒng)絕大多數為常規(guī)的差分GPS--位于已知點上的基準站(或稱參考站)把差分GPS修正信息通過數據通信鏈實時傳送到周圍的流動站用戶，從而使得流動站用戶提高定位精度。我們稱這種差分GPS為正向差分，它應用十分普遍，技術上也很成熟。但是在一些特殊應用場合，如特定目標或物體的高精度追蹤監(jiān)測中，常常希望基準站實時精確知道流動站的位置，而流動站自身無需實時知道自己的位置，為此而提出了逆向差分GPS(Inverted Differential GPS，IDGPS)。逆向差分GPS要求移動目標(流動站)把原始偽距觀測信息通過數據鏈實時傳送給基準站，由基準站采用逆向差分算法完成對流動站的精確求解，從而實時監(jiān)測移動目標。

當前，美國正加緊部署研究GPSⅢ計劃。為了滿足到2030年的軍用、民用要求，GPSⅢ將選擇全新的優(yōu)化設計方案，放棄現(xiàn)有的24顆中軌道衛(wèi)星，采用全新的33顆高軌道加靜止軌道衛(wèi)星組網。與現(xiàn)有GPS相比，GPSⅢ的信號發(fā)射功率可提高100倍，定位精度提高到0.2~0.5m，授時精度1ns，這樣可以使GPS制導武器的精度達到1m以內。

衛(wèi)星定位的基本原理是:圍繞地球運轉的人造衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經過編碼調制的連續(xù)波無線電信號，編碼中載有衛(wèi)星信號準確的發(fā)射信號，以及不同時間衛(wèi)星在空間的準確位置(星歷)。載于海陸空各類運載體上的衛(wèi)星導航接收機在接收到衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號后，如果它們有與衛(wèi)星鐘準確同步的時鐘，便能測量出信號的到達時間，從而能算出信號在空間的傳播時間。再用這個傳播時間乘以信號在空間的傳播速度，便能求出接收機與衛(wèi)星之間的距離。

隨著技術水平的進步，無線通信技術和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)技術越來越多地應用于日常生活的方方面面開始。無論是汽車或尋找兒童或老年人智力殘疾喪失安全監(jiān)控和維護，無線通信(GSM)和DGPS技術發(fā)揮了重要作用?；贕SM的無線通信網絡覆蓋一個大范圍的數據已被破壞，很好用的便當，成本低。單獨的GPS系統(tǒng)，GSM系統(tǒng)的車輛和人員通過無線衛(wèi)星定位通信鏈路的移動電話用戶完成車輛和人員的監(jiān)控發(fā)送位置信息。

GPS衛(wèi)星定位儀就是基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的定位儀器，可實現(xiàn)對車輛、船舶等交通工具的定位，廣泛應用于數字物流、數字市政、汽車租賃、長途運輸等相關行業(yè)。另外手機GPS衛(wèi)星定位儀可實現(xiàn)對手機的定位。