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GPS、GLONASS、北斗、Galileo


目前,除我国的北斗卫星导航系统之外,世界上正在运行的全球卫星导航定位系统主要有两大系统:一是美国的全球定位系统 (Global Positioning System,G P S ),二是俄罗斯的格洛纳斯全球卫星导航系统(Global N a v i g a t i o n  S a t e l l i t e  S y s t e m ,G L O N A S S )。近年来,欧盟也正在建设有自己特色的伽利略卫星定位系统(Galileo Positioning System,Galileo)。因而,未来密布在太空的全球卫星定位系统将形成GPS、GLONASS、北斗、Galileo四大卫星导航系统“竞风流”的局面。      四大卫星导航系统各有千秋: GLONASS的民用精度较高,GPS只能找到街道,而Galileo却能找到车库的门,北斗的特长如可通过短信让他人获知自己的位置是其它导航系统目前所不具备的。  全球定位系统(GPS)       G P S 的 前 身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit S a t e l l i t e  N a v i g a t i o n  S y s t e m ,Transit),1958年研制成功,1964年投入使用, 1967年开始进入民用领域。Transit用5颗~6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球13次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然而,Transit使研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性,为GPS的研制埋下了铺垫。       20世纪70年代,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统,即GPS ,其主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一系列军事目的。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。        G P S 主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。空间星座由24颗卫星组成,其中21颗为工作卫星,3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上,即每个轨道平面上有4颗卫星,卫星轨道平面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°,各轨道平面的升交点的赤经相差60°,1个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。而最少只需其中3颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能联接到的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。地面监控部分主要由1个主控站(Master Control Station)、4个地面天线站(Ground Antenna)和6个监测站(Monitor Station)组成。主控站位于美国科罗拉多州的谢里佛尔空军基地,是整个地面监控系统的管理中心和技术中心;另外还有一个位于马里兰州盖茨堡的备用主控站,在发生紧急情况时启用。地通天线站又称注入站,GPS的注入站目前有4个,分别位于南太平洋马绍尔群岛的瓜加林环礁、大西洋上英国属地阿森松岛、英属印度洋领地的迪戈加西亚岛和位于美国本土科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。注入站的作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星。注入站同时也是监测站,另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角的2个监测站,故GPS的监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据,然后发送给主控站。用户设备主要是GPS接收机,主要作用是从GPS卫星接收信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。 GPS具有以下特点:一是全球 全天候定位,因为GPS卫星的数目较多,且分布均匀,保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星,确保实现全球全天候连续的导航定位服务;二是覆盖范围广,能够覆盖全球98%的范围,可满足位于全球各地或近地空间的军事用户连续精确地确定三维位置、三维运动状态和时间的需 要;三是定位精度高,实践证明GPS相对定位精度在50km以内可达10-6,100km~500km可达10-7m,1000km可达10-9m;四是观测时间短,目前20km以内的相对静态定位仅需15min~20min;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距15km以内时,流动站观测时间只需1min~2min;采取实时动态定位模式时,每站观测仅需几秒钟;五是可提供全球统一的三维地心坐标,可同时精确测定测站平面位置和大地高程;六是测站之间无需通视,只要求测站上空开阔,这既可大大减少测量工作所需的经费和时间(通常造标费用约占总经费的30%~50%),也使选点工作更灵活,可省去经典测量中的传算点、过渡点等的测量工作。 格洛纳斯全球卫星导航系统(GLONASS)      谈到全球卫星导航系统,人们首先想到的就是美国的GPS,而俄罗斯的GLONASS则鲜为人知。GLONASS由前苏联在1976年启动建设,正式组网比GPS还早, 这也是美国加快GPS建设的重要原因之一。前苏联解体后,GLONASS由俄罗斯政府负责运营。前苏联的解体使GLONASS的建设受到很大影响,正常运行卫星数量大减,甚至无法为俄罗斯本土提供全面导航服务,更不用说与GPS竞争了。     1995年,俄罗斯耗资30多亿美元,完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。事实上,从1982年12月12日开始,GLONASS的导航卫星就不断得到补充,到1995年,该系统卫星在数目上基本上得到改善,但随着俄罗斯经济不断走低,该系统也因失修等原因濒临崩溃的边缘。但2001年~2010年10月,俄罗斯政府已经补齐了该系统所需的24颗卫星。2012年,GLONASS卫星的数量将增加到30颗,实现全球定位导航功能,届时其卫星导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间,定位精度将达到1m左右。      与 G P S 的 构 成 相 同 ,GLONASS也是由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分3部分组成的。GLONASS的空间星座由27颗工作星和3颗备份星组成,27颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上,这3个轨道平面两两相隔120°,每个轨道平面有8颗卫星,同平面内的卫星之间相隔45°, 轨道高度2.36万km,轨道倾角56°。地面监控部分由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站(含激光跟踪站)和外场导航控制设备组成。系统控制中心和中央同步处理器位于莫斯科,遥测遥控站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢斯克和共青城。GLONASS的用户设备,即接收机,能接收卫星发射的导航信号,接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、运动速度和时间信息。     GLONASS是俄罗斯第二代军用卫星导航系统,与美国的GPS相似,该系统也开设了民用窗口。在军事领域,GLONASS可为海军舰船、空军飞机、陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导航,也可在精密导弹制导、C3I精密敌我态势产生、部队准确的机动和配合、武 器系统的精确瞄准等方面广泛应用。同时,GLONASS在大地和海洋测绘、邮电通信、地质勘探、石油开发、地震预报、地面交通管理等各个国民经济领域也获得了越来越多的应用。     但在技术方面,GLONASS与GPS有以下几点不同之处。一是卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址(CDMA)体制,每颗卫星的信号频率和调制方式相同,不同卫星的信号靠不同的伪码区分;而GLONASS采用频分多址(FDMA)体制,卫星靠频率不同来区分,每组频率的伪随机码相同,因此GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰,具有更强的抗干扰能力。二是坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系(WGS-84),而GLONASS使用前苏联地心坐标系(PE-90)。三是时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联,而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。     为了进一步提高GLONASS的定位能力,俄罗斯目前正在着手进行GLONASS现代化的工作。从2004年起,俄罗斯就开始进行GLONASS-M计划的飞行试验,计划用4年的时间将其更新为GLONASS-M系统,俄罗斯还计划在将来部署第三代GLONASS-K卫星;同时,俄罗斯还在建设空基和地基增强系统,并升级地面控制站和监测站的软硬件设施,提高GLONASS的精度。此外,GLONASS还为军队和政府提供新的GLONASS/GPS接收机来提高市场占有率。 伽利略卫星定位系统(Galileo)     Galileo是欧盟正在建设的卫星定位系统,预计于2014年开始运行并在2019年完工。伴随着欧洲一体化进程的加快,经济利益成为欧洲发展Galileo的首要动因。2002年3月,当时的欧盟15国交通部长在西班牙巴塞罗纳会议上正式决定启动Galileo导航卫星计划。    按照规划,Galileo由空间段、地面段、用户段3部分组成。空间段由分布在3个轨道平面上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)构成,每个轨道平面上有10颗卫星,9颗正常工作,1颗运行备用;轨道平面倾角56°。地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施和地面管理机构。用户端主要是用户接收机及其等同产品,Galileo考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统,因此,其用户接收机将是多用途、兼容性接收机。Galileo的典型功能是信号中继,即向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其它系统的中继来实现,例如通过移动通信网来实现。Galileo的接收机不仅可以接受本系统信号,而且可以接受GPS、GLONASS这两大系统的信号,同时具有导航功能与移动电话功能相结合、与其它导航系统相结合的优越性能。     与其它卫星导航定位系统相比, Galileo具有自己的优势。首先,它是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统,投入运行后,全球的用户将使用多制式的接收机,获得更多的导航定位卫星的信号,这就在无形中极大地提高了导航定位的精度,这是Galileo计划给用户带来的直接好处。其次,Galileo计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统,可提供高精度、高可靠性的定位服务,实现完全非军方控制、管理,可以实现覆盖全球的导航和定位功能。Galileo还能够和GPS、GLONASS实现多系统内的相互合作,任何用户将来都可以用1个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。三是Galileo可以发送实时的高精度定位信息,这是现有的卫星导航系统所没有的,同时其还能够保证在许多特殊情况下提供服务,如果通信失败也能在几秒钟内通知客户。与美国的GPS相比,Galileo更先进,也更可靠。例如,GPS向别国提供的卫星信号只能发现地面大约10m长的物体,而Galileo的卫星则能发现1m长的目标本文来源国防科技网(www.81tech.com)


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