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1、第八章 现代全球导航定位系统发展 （The Development of Global Positioning System ）,GPS的现代化及其实质 美国提出的GPS现代化的基本目的是满足和适应21世纪美国国防现代化发展的需要，这是GPS现代化中第一位的，根本的。具体地说，GPS现代化是为了更好地支持和保障军事行动。,GPS实现现代化的相应措施是：（1）增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力；（2）在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），要与民用分开。M码要有更好的抗破译的保密和安全性能；(3)军事用户的接收设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能；
2、（4）创造新的技术，以阻止和阻抗敌方使用GPS。当然，为了拥有众多的民用用户，GPS现代化中也考虑了如何改善民用中的精度、覆盖范围、完善性等内容。,GPS现代化计划的进程安排 GPS现代化第一阶段 发射12颗改进型的GPS BLOCK R型卫星，它们具有一些新的功能。既能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；R型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。 GPS现代化第二阶段 发射6颗GPS BLOCK F（“FLite” ）。GPS BLOCK F型卫星除了有上面提到的GPS BLOCK R
3、型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。GPS F型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗 F型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以F卫星运行，共计24+3颗。 GPS现代化计划的第三阶段 发射的GPS BLOCK 型卫星，在2003年前完成代号为GPS 的 GPS完全现代化计划设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPS 型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPS 的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPS 计划，取代
4、目前的GPS 。,GLONASS系统的发展与结构 前苏联海军从1965年开始第一代卫星导航系统CICADA，该系统类似于美国的TRANSIT系统，也是一种基于多普勒频移测量的低轨卫星导航系统，其轨道高度仅1000km，只能实现二维位置定位，且定位精度为500m左右，因此，不能满足现代高精度导航的需要。,从1982年10月开始，前苏联在全面总结研究CICADA卫星导航优劣以及吸取美国GPS系统的成功经验的基础上，研制发展第二代导航卫星系统GLONASS全球导航卫星系统,英文全称为Global Orbiting Navigation Satellite System，缩写为GLONASS），历经1
5、3年，于1996年1月建成了满星座24颗卫星的GLONASS系统，可以实现全球、全天候、连续实时地为用户提供三维位置、三维速度和时间信息。,与美国的GPS系统相同前苏联（现归属俄罗斯）的GLONASS系统也是由24颗卫星星座组成，但是，这24颗卫星是均匀分布在3个轨道平面上，每个轨道上布设着8颗GLONASS卫星。3个轨道平面间按升交点经度计算互为120，平均轨道高度为19100km，轨道倾角为64.8，卫星的运行周期为11h15min。GLONASS卫星星座如下图所示。,GLONASS星座,GLONASS卫星在轨重量为1400kg，卫星体直径为2.25m，其外形结构如图右所示，卫星圆标形的星
6、体为仪表舱；两侧安设太阳电池翼板，为星载电子设备提供电能；星体尾部装备312根L波段的发射天线，用以向全球用户发送GLONASS卫星的导航定位信号。,GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS系统时与莫斯科标准时相关联。GLONASS系统的卫星广播星历是以卫星在空间直角坐标、速度分量和加速度分量9个参数为星历参数；另外GLONASS卫星系统的参考坐标系是以与俄罗斯地区的地球表面拟合较好的地球模型建立的PZ-90坐标系。,GLONASS导航电文所含数据可分为实时数据和非实时数据两类。实时数据是与发射该导航电文的GLONASS卫星相关的数据。包括：卫星钟面时、卫星钟钟面时与GLONASS系统
7、时的差值、卫星信号载波频率实际值与设计值的相对偏差、卫星星历。非实时数据为卫星导航系统的历书数据，包括：所有卫星的状态数据（状态历书）、每颗卫星的钟面时相对于GLONASS系统时的近似改正数（相应历书）、所有卫星的轨道参数（轨道历书）、GLONASS系统时间相对于UTC（SU）的改正数等。,现阶段GLONASS系统存在的问题与发展方向 由于GOLNASS卫星在轨作业寿命过短，部分卫星在轨作业时间不足2年，因此，维持这样一个系统的基本功能每年需数千万美元，而目前GLONASS与GPS卫星系统相比所占市场份额太小，特别是俄罗斯经济相对不景气，难以有效维持GLONASS的正常运行，也没有足够资金支持
8、补充发射新的卫星。截止2002年底，GLONASS在轨卫星仅为11颗。为了挽救困难重重的GLONASS卫星系统，1999年2月18日俄罗斯总统叶利钦决定同意军民共同分享控制GLONASS，授权建立一个军民联合组织来控制、维护和使用该系统，并希望使GLONASS成为GNSS系统的基础，以扩大GLONASS的应用领域，提高GLONASS与GPS的竞争能力。,欧洲卫星导航系统GALILEO系统 欧洲空间局早于1982年就提出建议，希望通过国际合作，建立一套以民用为主要目的全球导航卫星系统。90年代后，随着美国GPS系统的建成完善，卫星导航系统在定位、导航、大地测量以及精密授时等许多领域得到广泛的应用
9、。为了打破GPS和GLONASS一统全球卫星导航天下的局面，更为了能在未来的太空舞台上承担重要角色，经过多年的协商讨论，欧盟首脑终于2002年初正式签署协议开始建设欧洲自己的全球导航系统（Galileo）。,Galileo系统的结构和组成 未来的Galileo系统是一个独立的，又与GPS兼容的全球导航系统，要求系统结构应尽量满足： 适应用户及市场需要； 开发和运行成本最小； 系统本身固有风险最小； 与其它系统（主要是GPS）具有可互操作性。,Galileo系统主要由4部分组成： 全球设施部分； 区域设施部分； 当地设施部分； 用户接收机及终端 。,全球设施部分 该部分是Galileo系统基础设
10、施的核心，包括空间星座部分与地面监控部分。Galileo卫星星座，由30颗（27颗在轨工作，3颗备用）卫星构成，平均分布在3个等间距的地球轨道上，轨道高度23616km，轨道倾角56。卫星设计工作寿命为20年。卫星绕地球一周时间约14h04m。每颗卫星的星量为625kg，其中导航载荷为113kg，装有两对铷钟和氢脉冲钟以及直径1.5m的全球波束天线；搜救载荷为15kg，采用螺旋天线。,分布于全球的地面监控设备负责维持Galileo导航卫星的星座，控制导航系统的核心功能（如定轨、时钟同步），以及通过MEO卫星向全球发布Galileo系统完好性信息，地面段监控设备包括：,（1）控制中心（GCC）：
11、座落在欧洲的两个Galileo控制中心是系统地面监控的核心，其主地功能是控制星座、保证卫星原子钟的同步、完好性信号的处理、监控卫星及由它们提供的服务、数据处理； （2）上行链路站（GVS）：分布于全球的上行链路站主要是用来传输往返于卫星的数据，每个上行链路站（GVS）包含一个进行卫星管理的TTC站和一个任务上行站（MVS）。TTC上行链路通过S波段发射，MVS通过C波段发射； （3）监测站（GSS）网络：分布在全球范围的GSS网络接收卫星导航信息（SIS），并且检测卫星导航信号的质量，以及气象和其它所要求的环境信息。这些站将收到的信息通过通讯网（GCN）中继传输给控制中心GCC； （4）全球通
12、讯网络（GCN）：利用地面和VSAT卫星链路，把所有地面站和地面设施联接起来。,区域设施部分 区域部分是Galileo系统有机的组成部分，主要由对系统完好性实施监测的监测站（IMS）网络和数个进行完好性监测的控制中心（ICC），以及完好性信息注入站（IVCS）组成。Galileo系统区域性完好性数据可以直接由该区的地面站上传至对应的Galileo卫星；另外，该部分还可以通过地球同步卫星为GPS和GLONASS系统提供相应的差分信息。,当地设施部分 根据当地的特殊需要提供特别的精确性和完好性信息，以及当地差分信息。当地设施部分主要包括： 提供本地差分修正信号的本地精确导航设备，用户可用这些信号修
13、正星历和钟差，以及补偿对流层、电离层延迟误差； 提供本地差分信号的本地高精度导航设备，使用户可利用载波模糊度解修正每颗卫星的有效距离，用于修正星历和钟差、补偿对流层、电离层延迟误差； 使用单向或双向通讯方式来协助用户确定在复杂环境下的位置的本地辅助设备； 提供本地辅助的“伪卫星”的本地增强可用性导航设备。,用户接收机及终端 Galileo用户接收机及终端，其基本功能是在用户段实现Galileo系统所提供的各种卫星无线导航服务，包括直接接收Galileo的SIS信号；拥有与区域和当地设施部分提供服务的接口；与其它定位导航系统（如GPS）及通讯系统互操作等功能 。,我国为了满足国民经济和国防建设的
14、需要，特别是为了克服对美国GPS导航定位系统的过度依赖，根据我国的国情，陈芳允院士于1983年提出了建设自己的双静止卫星导航定位系统的设想，经过十几年的论证与研制，于2000年10月和12月分别成功发射了两颗“北斗”导航定位卫星，并于2003年5月发射了第三颗“北斗”导航备份卫星，标志着我国已拥有了自主完善的第一代卫星导航这位系统，该系统就是一个有源导航定位与通讯系统。,北斗二代导航卫星导航系统 中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为5
15、0纳秒，测速精度02米秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。,鉴于GPS现代化的目的及相关的措施，其他的卫星导航系统将受到如下影响： （1）要想获得广泛的民用导航市场，尤其是在目前GPS已经获得了相当的市场的情况下，就必须在服务的各项性能，如精度、覆盖范围、完善性等方面超越GPS； （2）相应的卫星接收机要具有接收GPS卫星信号的功能，一者处理好与GPS导航系统的兼容性问题，二者利用GPS作为本卫星导航系统的增强系统；,（3）要想在军事导航中，尤其是在敌我双方的作战中，首先要防止敌方的软硬对抗，提高作战性能。 （4）要考虑作战中的生存问题，如象我国当
16、前的北斗一代双星导航系统，是一种有源导航方式，战争中一旦地面中心被催坏，整个导航系统就瘫痪了。因此，我国正在研制北斗二代导航系统。 总之，其他卫星导航系统与GPS的关系将是对抗与合作并存的关系。,空间大地测量新技术简介 1.甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry， VLBI） 利用电磁波干涉测量在多个测站上同步接收河外射电源（类星体）发射的无线电信号进行测站时间延迟干涉处理以测定测站间相对位置以及从测站到射电源的技术与方法。 射电天文学 天体物理 卫星定轨 大地测量-提供高精度基线基准,2.卫星激光测距（Satellite Laser Ranging，SLR） 利用激光测距仪在地面上跟踪观测装有激光反射棱镜的卫星，测定测站到卫星距离的技术和方法。 （1）测定测站的地心坐标，地球参考系的建立和维持； （2）精确测定地球引力场、大地测量常数及其时间变化； （3）精确测定卫星轨道。,3.卫星测高（Satellite Altimetry） 4. 合成
