GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

孫娟娟 王永

摘 要：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能為用戶提供定位、測速和授時服務(wù)，在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。近年來，各國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都在飛速建設(shè)和發(fā)展中，其中北斗系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS是目前最成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本文選取GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)，分別對二者在空間星座、空間信號和服務(wù)性能等方面進(jìn)行了介紹，為從事相關(guān)領(lǐng)域的研究工作人員提供一定參考。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 北斗 GPS

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-000-04

在目前所有的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，美國的GPS發(fā)展最早，技術(shù)最為成熟。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡稱北斗系統(tǒng)，是中國自主研發(fā)并實(shí)施的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于1994年起步，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋能力，為亞太地區(qū)提供服務(wù)。GPS和北斗系統(tǒng)二者結(jié)合，可以得到性能更加優(yōu)秀的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，因此兼容GPS和北斗系統(tǒng)的雙模定位終端也越來越成為趨勢。

1 定位原理

目前衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位的原理，普遍基于“四星定位”的原則，即至少通過4顆當(dāng)前可見衛(wèi)星與本地接收機(jī)的距離公式來求得本地接收機(jī)的位置坐標(biāo)。定位功能的實(shí)現(xiàn)需要解決以下兩個問題：（1）當(dāng)前各顆可見衛(wèi)星的空間坐標(biāo)；（2）當(dāng)前各顆可見衛(wèi)星到本地接收機(jī)的距離[1]。問題1的解決方法是對接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行解調(diào)獲得星歷參數(shù)，根據(jù)星歷參數(shù)計算得到每顆衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，問題2的解決方法是利用衛(wèi)星信號在空間中的傳播時間差乘以光速得到衛(wèi)星與本地接收機(jī)的距離。如圖1所示，本地接收機(jī)的位置坐標(biāo)（x，y，z）的求取方法見公式（1），（xi，yi，zi）為衛(wèi)星i的空間三維坐標(biāo)，ti為衛(wèi)星i信號的發(fā)射時間（i=1，2，3，4），這些參數(shù)由于可以從星歷參數(shù)中得到，可視為已知量，tu為衛(wèi)星信號的接收時間，為未知量，因此在公式（1）中有4個未知量x，y，z，tu，這也是至少需要4顆衛(wèi)星才能達(dá)到定位目的的原因。

（1）

2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡稱為GNSS），已成為世界各國重大空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，也標(biāo)志著現(xiàn)代大國地位和綜合國力，各國都在積極建設(shè)和發(fā)展屬于自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前，GNSS主要包括美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou），歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）。其中美國的GPS系統(tǒng)發(fā)展最早，技術(shù)成熟，性能優(yōu)秀，應(yīng)用廣泛。隨著空間技術(shù)的發(fā)展和衛(wèi)星應(yīng)用的不斷增加，太空資源日益緊張，每個擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家都在積極搶占衛(wèi)星頻率和軌道資源，鑒于軍用信號的機(jī)密性，圖2只列舉了目前常用的GNSS民用信號的工作頻段。

3 GPS系統(tǒng)

GPS的空間星座部分如圖3所示，是由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星構(gòu)成。這24顆衛(wèi)星分布在6個軌道上，每個軌道不均勻地分布著4顆衛(wèi)星。每個軌道面與地球赤道面的夾角約為55°，相鄰兩個軌道面的升交點(diǎn)經(jīng)度相差60°，在相鄰軌道上鄰近衛(wèi)星的升交點(diǎn)角距相差約30°。GPS衛(wèi)星屬于地球中軌衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道的平均高度約為20200km，運(yùn)行軌道為接近正圓的橢圓，運(yùn)行周期為11h58min。GPS系統(tǒng)覆蓋全球，可以保證在地球上任何地點(diǎn)、任何時間都至少可以觀測到4顆俯仰角15°以上的衛(wèi)星。

GPS的空間信號分為3個層次，即載波、測距碼和導(dǎo)航電文。GPS衛(wèi)星初始使用的載波頻率有兩個：L1和L2，在2010年時美國發(fā)射了第一顆三頻GPS衛(wèi)星，首次播發(fā)了GPS的第三個載波頻率L5。GPS信號上存在著C/A碼和P（Y）兩種測距碼，民用C/A碼的碼速率為1.023Mcps，碼長為1023。GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航電文速率為50bps。在調(diào)制方式上，GPS系統(tǒng)L1、L2衛(wèi)星信號均采用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK），L5新信號采用正交調(diào)制（QPSK）。圖4為GPS L1 BPSK信號調(diào)制的示意圖。

GPS系統(tǒng)全球覆蓋的24顆衛(wèi)星已布設(shè)完畢，可以提供實(shí)時、全天候和全球性的定位導(dǎo)航服務(wù)。目前，GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）在95%概率內(nèi)的單點(diǎn)定位精度為：水平定位誤差 ，垂直定位誤差 ，授時誤差[2，3]。

4 北斗系統(tǒng)

我國的北斗系統(tǒng)于1994年啟動建設(shè)至今，逐步形成了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略：2000年年底建成北斗一號系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)；2012年年底建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；2020年前后建成北斗三號系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)[4]。目前，前兩步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，北斗三號系統(tǒng)正在高密度組網(wǎng)發(fā)射階段。

4.1 北斗一號

基于陳芳允院士提出的雙星定位的方案，1994年我國啟動了北斗一號系統(tǒng)的建設(shè)。如圖5所示，北斗一號系統(tǒng)由兩顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星、地面中心站和用戶設(shè)備組成，主要定位原理是以2顆在軌衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，以測定的衛(wèi)星至用戶設(shè)備的距離為半徑，形成2個球面，用戶設(shè)備處于2個球面交線上，地面中心站提供用戶設(shè)備高度，并用數(shù)學(xué)方法求解出用戶位置。由于定位時需要用戶設(shè)備向衛(wèi)星發(fā)送定位請求信號，因此北斗一號的定位方式被稱為“有源定位”。有源定位的方式使得用戶與用戶、用戶與中心站之間可以雙向通信，即使是在公共通訊網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下，北斗一號系統(tǒng)依然可以為用戶提供通信服務(wù)，這一特點(diǎn)作為一種應(yīng)急通信手段可以在應(yīng)對重大自然災(zāi)害方面發(fā)揮重要作用，在汶川抗震救災(zāi)中，北斗一號系統(tǒng)就成為災(zāi)區(qū)與外界聯(lián)系的唯一途徑[5]。但是這種定位方式一方面會暴露用戶的位置，另一方面需要發(fā)射設(shè)備，在體積、重量、價格和功耗方面都不易推廣。由于所有的位置解算都在地面中心站中完成，受系統(tǒng)容量限制，用戶定位申請的頻率最高1次/s。

4.2 北斗二號

為了縮短與美國GPS的差距，我國重新規(guī)劃了北斗系統(tǒng)的空間星座。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間星座由5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、27顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成。GEO衛(wèi)星軌道高35786km，分別定點(diǎn)于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°；MEO衛(wèi)星軌道高21528km，軌道傾角55°；IGSO衛(wèi)星軌道高35786km，軌道傾角55°。由于北斗系統(tǒng)采用3種軌道衛(wèi)星混合的方式，與GPS系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力更強(qiáng)[6]。2007年我國正式組網(wǎng)北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如圖6所示，北斗二號系統(tǒng)衛(wèi)星有14顆，覆蓋55°S-55°N，70°E-150°E的大部分區(qū)域，主要用于服務(wù)中國及周邊國家。

北斗二號系統(tǒng)使用的載波頻率有3個：B1、B2、B3。北斗系統(tǒng)是全球第一個提供三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中民用B1和B2信號測距碼碼速率為2.046Mcps，碼長為2046。導(dǎo)航電文根據(jù)信息速率和結(jié)構(gòu)的不同，分為D1導(dǎo)航電文和D2導(dǎo)航電文，D1導(dǎo)航電文速率為50bps，D2導(dǎo)航電文速率為500bps，MEO/IGSO衛(wèi)星播發(fā)D1導(dǎo)航電文，GEO衛(wèi)星播發(fā)D2導(dǎo)航電文。北斗二號系統(tǒng)的B1、B2信號采用正交調(diào)制（QPSK），B3信號采用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）。

北斗二號系統(tǒng)采用了類似GPS的無源定位方式，同時也保留了北斗一號系統(tǒng)的有源通信功能，即短報文通信功能。北斗短報文可以發(fā)布120個字的信息，用戶可以將當(dāng)前位置信息同時發(fā)送給中心控制系統(tǒng)和其他用戶終端，在抗險救災(zāi)、遠(yuǎn)程緊急調(diào)度、單兵對講和野外作業(yè)等應(yīng)用場景中可以發(fā)揮很好的作用。定位的時候采用無源方式，通信的時候采用有源方式，無源和有源相結(jié)合的方式，也成為北斗系統(tǒng)的一大特色。

北斗二號系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)區(qū)域服務(wù)能力，可以連續(xù)提供公開服務(wù)的區(qū)域包括55°S-55°N，70°E-150°E的大部分區(qū)域。在公開服務(wù)區(qū)，北斗系統(tǒng)在95%概率內(nèi)的單點(diǎn)定位精度為：水平定位精度≤10m，垂直定位精度≤10m，測速精度≤0.2m/s，授時精度≤50ns。因此，在中國和周邊地區(qū)，北斗系統(tǒng)的服務(wù)性能與GPS是相當(dāng)?shù)?。離開服務(wù)區(qū)越遠(yuǎn)的用戶，精度越低，可用性也隨之下降。

4.3 北斗三號

2017年11月5日首批北斗三號衛(wèi)星發(fā)射升空，揭開了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)的大幕，將陸續(xù)發(fā)射35顆北斗三號衛(wèi)星，目標(biāo)是為全球提供服務(wù)。與北斗二號系統(tǒng)相比，除了服務(wù)范圍由區(qū)域擴(kuò)大至全球外，北斗三號在精度和可靠性等方面都有了很大提高。北斗三號系統(tǒng)采用新型導(dǎo)航信號體制，在繼承和保留北斗二號B1、B3信號基礎(chǔ)上，新增B1C公開信號，并對B2信號進(jìn)行了升級，采用新設(shè)計的B2a代替原信號，提高了信號利用率、兼容性和互操作性；北斗三號系統(tǒng)還將按照國際標(biāo)準(zhǔn)提供全球搜救和星基增強(qiáng)服務(wù)；此外，北斗三號衛(wèi)星星座首次搭建了星間鏈路，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向精密測距、通信和數(shù)據(jù)傳輸，即使地面站全部失效，30多顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供精準(zhǔn)定位和授時。

5 結(jié)語

本文選取兩個具有代表性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)，從空間星座、空間信號和服務(wù)性能等多個方面對兩個系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，綜合來看，由于中國的北斗系統(tǒng)起步較晚，在空間星座的布設(shè)、服務(wù)范圍和服務(wù)性能等各方面相比于GPS系統(tǒng)還有明顯差距，但是北斗系統(tǒng)也有其后發(fā)優(yōu)勢，獨(dú)具中國特色。相信隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防航天事業(yè)的飛速發(fā)展，北斗系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿油癸@，建設(shè)速度逐漸加快，從而更好地服務(wù)于國家和社會。

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