衛星定位技術

衛星定位的基本原理是：圍繞地球運轉的人造衛星連續向地球表面發射經過編碼調製的連續波無線電信號，編碼中載有衛星信號準確的發射信號，以及不同時間衛星在空間的準確位置（星曆）。載於海陸空各類運載體上的衛星導航接收機在接收到衛星發出的無線電信號后，如果它們有與衛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星之間的距離。

GPS（Global Positioning System）是由美國國防部授權研製的衛星導航定位系統。它是一種可以定時和測距的導航系統，可向海軍艦船、空中飛機和陸地車輛提供全球、全天候、連續、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，還可用於情報搜集、核爆炸監測、應急通信和衛星定位等一些軍事目的。

GPS定位的基本原理是：位於地面的GPS接收機檢測GPS衛星發送的擴頻信號，通過相關運算獲取到達時間信息並由此計算出衛星到接收機的距離，再結合衛星廣播的星曆信息計算衛星的空間位置，完成定位計算。有3顆衛星時，若衛星與接收機鐘差很小，即可實視二維定位；4顆可見時，衛星可實現三維定位，獲取更多的可見衛星可提高定位精度。GPS接收機在全球任何地方、任一時刻均能接收到至少4顆衛星信號，GPS終端可根據接收到多顆衛星的導航信息，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（導航衛星星座）、控制部分（地面監控系統）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衛星組成。GPS工作衛星及其星座由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。24顆衛星均勻分佈在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星之間的升交角距相差90°。導航衛星設計壽命為7.5年，軌道距地面高度為20128 km，運行周期為12恆星小時。

GPS導航衛星重達1500 kg，星上裝備了無線收發信機、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。每顆衛星以兩個L波段頻率發射無線電載波信號：

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，在載波上還調製了50 bit/s的數據導航電文，其內容包括：衛星星曆、電離層模型係數、狀態信息、時間信息和星鍾偏差/漂移等信息。

美國採用兩種限制性政策：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控系統，它負責監控GPS的工作，是GPS系統的神經中樞，也是保證GPS協調運行的核心部分，由美國國防部監管。對於導航定位來說，GPS衛星是一個動態已知點。衛星的位置是依據衛星發射的星曆（描述衛星運動及其軌道的參數）算得的。每顆GPS衛星所播發的星曆，是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作，以及衛星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監測和控制。地面監控系統的另一重要作用是保持各顆衛星處於同一時間標準——GPS時間系統。這就需要地面站監測各顆衛星的時間，求出鐘差，然後由地面注入站發給衛星，衛星再由導航電文發給用戶設備。GPS工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、3個注入站和5個監測站。

（1）主控站

主控站即衛星操作控制中心（CSOC），位於加州Falcon空軍基地，主要負責接收、處理來自各監控站跟蹤數據，完成衛星星曆和原子鐘計算，衛星軌道和鐘差參數計算，用以產生向空間衛星發送更新的導航數據。這些更新數據送到注入站，利用S頻段（1750～1850MHz）向衛星發射。由於衛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。主控站本身還是監控站，還可用於完成診斷衛星的工作狀態，進行調度等工作。

（2）監控站

GPS有5個監控站。除主控站上的監控站外，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島上設有監控站。監控站對衛星進行跟蹤與測軌，以2200～2300MHz頻率接收衛星的遙測數據，進行軌道預報，並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島上監控站並置。注入站主要功能為將主控站送來的衛星星曆、鐘差信息和軌道修正參數，每天一次注入到衛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：捕獲按一定衛星髙度截止角所選擇的待測衛星的信號，並跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。在靜態定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛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接收機硬體和軟體以及GPS數據的后處理軟體包，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。對於測地型接收機來說，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，接收單元置於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製作成一個整體，觀測時將其安置在測站點上。

4．差分技術

美國政府出於軍事目的，把GPS系統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碼採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系統精度，而與GPS接收機無關。因此無論何種GPS接收機，只採用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接收機定位精度優於30m，測速精度優於0.1m/s，計時精度優於10 ms。

差分GPS系統已經在許多部門得到推廣應用，這些差分GPS系統絕大多數為常規的差分GPS——位於已知點上的基準站（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，由基準站採用逆向差分演演算法完成對流動站的精確求解，從而實時監測移動目標。

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將選擇全新的優化設計方案，放棄現有的24顆中軌道衛星，採用全新的33顆高軌道加靜止軌道衛星組網。與現有GPS相比，GPSⅢ的信號發射功率可提高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。

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

1．衛星星座

GLONASS系統採用中的24顆衛星，均勻分佈在3個圓形軌道平面上，每個軌道面有8顆衛星，軌道高度為19000km，傾角為64.8°，軌道扁心率為0.01，地跡重複周期為8天，軌道同步周期為17圈，由於GLO NASS衛星地軌道傾角大於GPS衛星傾角，所以在高緯度（50°以上）地區的可見性較好。

與美國GPS系統不同的是，GLONASS系統採用頻分多址方式，根據載波頻率來區分不同衛星。每顆GLONASS衛星發播兩種載波頻率，分別為L1=1602+0.5625 K（MHz）和L2=1246+0.4375 K（MHz），其中， K=1～24為每顆衛星的頻率偏號。GLONASS衛星的載波上也調製了兩種偽隨機雜訊碼：S碼和P碼。俄羅斯對GLONASS系統採用了軍民合用、不加密的開放政策。

2．地面控制系統

GLONASS地面控制部分（Ground Control Segment，GCS）包括位於莫斯科的系統控制中心和分佈於全俄羅斯的指令跟蹤站CTS（Command Tracking Station）組成的網路。CTS站跟蹤GLONASS可見衛星，它遙測所有衛星，進行測距數據的採集和處理，並向各衛星發送指令和導航信息。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接收機用於接收GLONASS衛星信號並測量其偽距和速度，同時從衛星信號中提取並處理導航電文。接收機中的計算機對所有輸人數據進行處理並算出坐標位置的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，並聲明不引入選擇可用性。

歐洲在1999年正式推出“伽利略（Galileo）”導航衛星計劃，該計劃在2004年4月歐盟15國交通部長會議上批准啟動，“伽利略”導航衛星系統正按原定研發計劃分步實施。在2005年完成衛星和地面系統的研發與模擬測試；2006年至2007年進行衛星的發射並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星，輔以GPS和本地差分增強系統，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”導航衛星系統的衛星星座是由分佈在3個軌道上的30顆中等高度軌道衛星（MEO）構成，每條軌道衛星個數為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。衛星個數與衛星布置均和美國GPS系統的星座有一定的相似之處。“伽利略”系統的工作壽命為20年，中等高度軌道衛星星座工作壽命設計為15年。這些衛星能夠被直接發送到運行軌道上正常工作。每一個MEO衛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”系統的另一個優勢在於，它能夠與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS系統實現多系統內的相互兼容。“伽利略”的接收機可以採集各個系統的數據或者通過各個系統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，還可以提供行動電話業務服務，用於救生行動。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。

COMPASS是我國自主研發的全球衛星導航系統，包括“北斗一號”和“北斗二號”兩套系統。“北斗一號”衛星定位系統方案於1983年提出，突出特點是構成系統的空間衛星數目少、用戶終端設備簡單、一切複雜性均集中於地面中心處理站。“北斗一號”衛星定位系統是利用地球同步衛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、區域性的衛星定位系統。

“北斗一號”衛星定位系統由兩顆地球靜止衛星、一顆在軌備份衛星、中心控制系統、標校系統和各類用戶機等組成。系統的工作過程是：首先由中心控制系統向衛星I和衛星II同時發送詢問信號，經衛星轉發器向服務區內的用戶廣播。用戶響應其中一顆衛星的詢問信號，並同時向兩顆衛星發送響應信號，經衛星轉發回中心控制系統。中心控制系統接收並解調用戶發來的信號，然後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，中心控制系統測出兩個時間延遲：從中心控制系統發出詢問信號，經某一顆衛星轉發到達用戶，用戶發出定位響應信號，經同一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲；從中心控制發出詢問信號，經上述同一衛星到達用戶，用戶發出響應信號，經另一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲。由於中心控制系統和兩顆衛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星的距離以及用戶到兩顆衛星距離之和，從而知道用戶處於一個以第一顆衛星為球心的一個球面和以兩顆衛星為焦點的橢球面之間的交線上。另外，中心控制系統從存儲在計算機內的數字化地形圖査找到用戶高程值，又可知道用戶處於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可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經加密後由出站信號發送給用戶。

“北斗一號”系統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間均可實現雙向簡短數字報文通信；授時，即中心控制系統定時播發授時信息，為定時用戶提供時延修正值。

“北斗一號”的覆蓋範圍是5°～55°N，70°～140°E的核心地區，最寬處在北緯35°左右。其定位精度為水平精度100 m，設立標校站之後為20 m（類似差分狀態）。

“北斗二號”系統目前正在建設之中，預計於2020年前完成，將構成由30多顆不同軌道類型的衛星組成的全球衛星導航系統。