最新卫星导航(4-7)第4章精品课件.ppt

子午仪于1964年投入运行后，主要用于静点定位及船舰等低动态用户。子午仪不适合高动态作战用户的缺陷，使得: 约翰霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员对子午仪系统的改进建议。 海军研究实验室星载高稳定时钟的试验 空军621B系统的概念研究,星座布局和伪距技术， 霍夫曼空军基地和白沙导弹试验场利用地面伪卫星试验。 1969年，国防部长办公室(OSD)建立了国防导航卫星系统(DNSS)计划。1973最终由GPS联合计划办公室(JPO)制订了NAVSTARGPS计划，简称为GPS。 1主控站 主控站早期位于加州范登堡空军基地，现迁到位于科罗拉多州斯普林斯福尔肯(Falcon)空军基地的空间联合工作中心(CSOC)。 CSOC从各监测站收集跟踪数据， 计算卫星的轨道和钟参数， 并将这些结果送到3个地面控制站中，以便向卫星加载数据, 卫星控制和系统工作也是主控站的责任。 2监测站 5个监测站分别设在：夏威夷、科罗拉多斯普林斯、阿森松岛(南大西洋)、迭戈加西亚岛(印度洋)和夸贾林环礁(北太平洋马绍尔)群岛。 监测站均配有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星伪距的接收机。 所测伪距每1.5s更新一次，利用电离层和气象数据，每15min进行一次数据平滑，然后发送给主控站。 3地面控制站 地面控制站有时也称作地面天线(GA)，它们分别与设在阿森松、迭戈加西亚和夸贾林的监测站。 由主控站传来的卫星星历和钟参数以S波段射频链上行注入到各个卫星。 以前，上行注入是每天3次，现在则每天一次或两次。 如果某地面站发生故障，各卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度却会逐渐降低。4.4.2 4.4.2 信号结构与导航电文信号结构与导航电文 一、卫星信号一、卫星信号 用于导航的卫星星历等参数都是以调制信息的的形式广播给用户的。 卫星上有日稳定度约为10-13的铯原子钟，产生f0=10.23MHz的基准频率。 卫星载波信号工作在L波段，为了校正电离层折射引入的附加传播时延，系统采用双频体制，分别为L1和L2，它们与基准频率f0关系为： L1=154*f0=1575.42MHz L2=120*f0=1227.60MHz 卫星向用户广播的导航信号主要包括： 卫星星历及星钟校正参数； 测距时间标记； 大气附加延迟校正参数（主要是电离层）； 其他与导航有关的信息。 采用不归零二进制编码形式。数据符号位速率为50Hz。 GPS系统采用了直序扩频通信，主要是为了 实现高抗干扰能力的保密通信, 进行卫星识别（CDMA技术）， 完成精密的单程码测距。 信息经二进制编码后与伪码(CA码和P码)通过模2和进行扩频，再将扩频后的码对载频进行二进制相移键控(BPSK)后发射给用户。 卫星扩频码采用两种伪随机码：CA码和P码。 CA码率为f010=1.023M；P码码率为f0=10.23M； 在反电子欺骗AS接通时，密钥码W（码率为0.5115M）主要用来将P码加密成Y码(W+P=Y)。 导航信号(数据)或导航电文的编码需1500bit(位)，以50Hz的速率在30s内传输完毕。 L1和L2载波均被P码调制信息，CA码只调制在载波L1上，其相位与P码正交(即移相90。)。 如设P码、CA码和导航电文的二进制状态序列分别用P(t)、CA(t)和D(t)表示，则调制载波表示为：)*cos()(*)(*)()*sin()(*)(/*)*cos(*)(*)(*)(22211111ttDtPEtLttDtACEttDtPEtL二、导航电文二、导航电文 卫星广播给用户的导航电文包括： 卫星时钟信息、卫星轨道信息、卫星健康状况及各种校正数据 主要用来计算卫星位置和时间。 总电文由1500位组成，分为5个子帧,每个子帧10个字，每个字30bit(位),发射时间为0.6s。 导航电文的结构如表所示： 遥测字TLM的头8位是同步头，其余是向地面站发送的遥测信息、奇偶校验等。 同步头为子帧中的编码脉冲的解调提供一个时间起点，编码脉冲以此为起点，顺序按位拼装，即可译出正确的导航信息。 同步头的起点也是一个时间标记点，带有传播时延的信息。 同步起点对应的时间包含在前一子帧的转换字(HOW)的Z计数中。 HOW字的前17位是Z计数，实质是子帧计数，记录的是子帧的数目。 每周六的午夜零时作为第1个子帧的起点。经过此点，子帧(Z)计数加1。 一个星期共有100800个子帧，计满这个数时，便重新开始。 因为每个子帧的时间是6s，所以，子帧计数实际上计的是时间，只要将子帧计数器的内容乘以6，这样得到的时间就是下一子帧的起始时间。 子帧识别指明该子帧是五个子帧中的那一个子帧。 同步标志指明导航信号中的子帧是否与伪码同步，若不同步，就不能进行CA码到P码的转换。 HOW字之所以叫转换字，是因为它的主要作用是在测距时实现由粗测距码(CA码)到精测距码(P码)的转换。 数据块I包含有卫星时钟校正参量a1,a2,a3，时钟基准时间toe，时钟校正参量的老化度ADOC。 数据I块还含有大气校正参量(4),(4)和两个载频在卫星发射设备中的群延时差。 前两个数据是为单频用户准备的，因单频用户不能用双频法修正电离层附加延迟，只能靠模型来修正，供单频用户在修正测距数据时用。 数据块中含有卫星星历(ephemeris)或轨道参数。 星历中各参数的符号和意义列于下表。 数据块中含有24颗卫星的信息，有历书(almanac)的基准时间，粗略的星历和卫星钟修正量，卫星识别和卫星健康状态等。 由于每颗卫星的数据需占用一个子帧，所以24颗星需24个子帧才能把数据送完， 全部24颗卫星的历书以25帧为一周期，第二十五帧标注工作卫星的健康状况，共计需12.5min。 由于第4、5子帧的各页可以通过每颗卫星广播，所以用户只需收到一颗卫星的信号，就可以粗略地知道其他卫星的情况。 卫星健康状态字告诉用户该星是否正常，而卫星识别则是指明用户跟踪的卫星的伪随机码编号。 4.4.3 4.4.3 美国的美国的GPSGPS政策政策 GPS系统最初主要是为军方设计的，同时兼顾民用和商用。 国防部研制GPS的最初目的如下： 用于武器的精密投放。 防止军用导航系统种类大量增加。 美国军方明确宣布： P码只供美国及其盟国军事和特殊用户使用 CA码无差别地供世界民用用户使用。 GPS的最初试验结果表明，P码接收机的水平定位精度为10m(50)， 但出人意料的是，CA码接收机的定位精度也达到了20m(50)。因此，美国军方十分担心敌方利用CA码对美国国家的安全构成威胁。 为此，美军方决定在GPS卫星上(从BLOCK-开始)增加选择可用性措施，简称SA，人为降低CA码定位精度。 SA是一种通过抖动星钟(-过程)和扰动星历数据(-过程)达到降低CA码标准定位服务精度的人为措施。 卫星钟影响测距精度，星历数据影响卫星位置精度，两者都是用户获得高精度定位的决定性因素。 美国国防部(DOD)规定的在SA情况下的SPS精度为： 水平位置精度100m(2DRMS)，垂直位置精度156m(2) 测速精度0.3ms(2)，定时精度340ns(2)。 过程：人为地在GPS卫星的基准信号（10.23M）上引入一个抖动的变化 由于基准信号是所有卫星信号（载波、伪码、电文码）的振荡源，所以对测距精度有直接的影响。 -过程：人为地降低卫星广播星历的精度，导致卫星位置坐标计算不出精确的结果。 卫星位置误差会直接影响用户机定位误差。下图给出了有SA和没有SA时的径向轨道误差。 由图可见，在有SA时，卫星轨道的径向偏差的幅度在50150m之间。 然而，实施SA并不能阻止民用用户逐渐掌握和使用P码，因此美国军方又出台了所谓A-S（anti-spoofing）措施，即反欺骗措施。 将P码通过W码加密为Y码， 避免了敌方用复制或用发射类似于P码的信号的方法，对美国的P码GPS接收机进行欺骗干扰的可能性， 同时又使敌方设计的P码接收机再不能直接定位。1994年1月31日，A-S已经永久性的接通 限制政策损害了民用用户的利益，降低了对GPS的信任，妨碍了GPS应用的推广，这和美国的经济利益是不相符合的。 同时，卫星导航技术在国际范围内取得了明显的进展，使美国的政策受到了巨大的挑战。 民用和国际组织开发了各种差分系统 不但可以完全消除SA措施的影响 获得比PPS更高的精度 改善卫星导航服务的完善性 1995年底，俄罗斯的卫星导航系统GLONASS的卫星星座布署完备。 虽然它本质上是一种军事系统，然而民用服务中没有类似于SA的措施，精度比GPSSPS高， 打破了美国垄断卫星导航的局面，迫使GPS处于竞争状态。 与此同时，西欧考虑到自己的利益，已决定建设民用的卫星导航系统GNSS2，给美国想垄断卫星导航的政策当头一棒。 由于上述种种原因，美国不得不改变其GPS政策。 1998年3月30日，美国副总统宣布：在计划发射的GPSBlockF卫星上加发第二个民用信号，从而使民用用户可以对电离层延迟进行双频校正，改善导航定位精度和可靠性。 2000年5月1日宣布取消SA措施。 进入二十一世纪之后，美国开始实施GPS现代化计划，即“导航战”计划和“GPSIII卫星计划”。 主要是增加民用频率，增加信号强度、改进导航电文，改善导航定位精度，提高可靠性和强化抗干扰能力等4.5 GLONASS卫导系统 苏联是最早发射人造卫星的国家。 随着美国GPS计划的开展，原苏联看到了卫星导航的存在的巨大潜力和对其构成的军事威胁。 20世纪70年代中期由应用力学科学生产公司启动了苏联建立其独立卫导系统的计划。 1982年10月12日发射第一颗导航卫星。 最初，GLONASS的研制主要也是为满足军事需要，同时兼顾民用。 在1988召开的国际民航组织(ICAO)未来空中航行系统(FANS)专门委员会会议和国际海事组织(IMO)导航安全小组委员会第35次全体会议上，前苏联向世界承诺可以无偿使用GLONASS导航信号。 1991年俄罗斯再次宣布GLONASS不带任何限制供民间使用。 1994年到1995年，俄罗斯共进行了7次发射。1995年底当24颗卫星星座布满时，俄罗斯宣布其具备了完全工作能力。 GLONASS在技术性能方面与GPS大体持平。俄罗斯早期卫星的使用寿命较短，先后有40颗卫星退出了服务。 到2001年11月只剩下6颗在轨工作卫星，因此于12月1日补发了3颗新型卫星。 为进一步提高Glonass系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划近几年内将其更新为Glonass-M系统。 另外，俄罗斯计划将系统发播频率改为GPS的频率，此项计划得到了美国罗克威尔公司的技术支持。 4.5.1 系统组成 一、空中部分一、空中部分GLONASS星座现由21颗处于工作状态的卫星和3颗处于工作状态的在轨热备份卫星组成，星座如图。24颗卫星均匀地分布在升交点赤经相隔120。的3个轨道平面上。每颗GLONASS卫星都处在离地面19 100km的圆轨道上，倾角为64.8。轨道周期为11小时15分。21颗卫星星座为地球表面上97区域提供4颗卫星的连续可见性，而24颗卫星星座使地球表面99以上的地区同时连续观测到的卫星不少于5颗。 俄罗斯认为21颗卫星已经足够满足全球导航的需要，所以GLONASS的控制机构定期的对24颗卫星进行评估，并启动“最佳的”21颗卫星进行工作，其余3颗留作备份。 目前的Blockc卫星载有三个铯束频标，每台频标的频率稳定度(即阿伦方差)是：1秒时为5e-11，100秒时为1e-11，1小时时为2.5e-12，1天时为5e-13。 导航设备(OBNC)是卫星的核心。OBNC由信息逻辑复合(ILC)单元、一组三台的卫星原子钟、存储单元、跟踪、遥测和指挥(TT&C)链路接收机及导航发射机组成。 在正常情况下，导航数据每转一圈上行注入一次。 工作于发射模式时，OBNC在两个载频（12461257MHz和16021616MHz）上产生导航信号，如卫星星历数据、原子钟校正值和历书数据等。二、地面测控部分二、地面测控部分 地面控制设施(GBCC)有如下功能： (1)测量和预测各颗卫星的星历； (2)将预测的星历、时钟校正值和历书信息上行加载给每颗GLONASS卫星； (3)使星钟与GLONASS系统时同步； (4)计算系统时和UTC(SU)之间的偏差； (5)卫星的指挥、控制、内务和跟踪。4.5.2 4.5.2 信号结构与导航电文信号结构与导航电文 GPS卫星在同一频率上采用码分多址(CDMA)格式发射扩频信号。 所有的GLONASS卫星却都发射同样的伪随机码。那么如何防止卫星发射信号之间的互相干扰呢？ GLONASS卫星采用不同的频率发射，即频分多址(FDMA)。 FDMA的缺陷是接收机的体积大且造价昂贵，而CDMA信号却可用同一组前端部件来处理。 FDMA具有某些抗干扰的可取特性。 只能干扰一个FDMA信号的窄带干扰源会同时干扰所有的CDMA信号。 此外，FDMA无需考虑多个信号码之间的干扰效应(互相关)。 因此，GLONASS基于频率的抗干扰可选方案要比GPS多，而且它还具有更简单的选码判据。 GLONASS卫星以两个分立的L频段载频发射信号。每颗GLONASS卫星的载频可由下式求得：K为-74之间的整数值；Z=9（L1）或7(L2)；L1上相邻频率间的间隔为0.5625MHzL2上相邻频率间的间隔则为0.4375MHz。)(*)16/178(MHzZKf GLONASS的S码具有下列特征： 码型：最大长度9位移位寄存器； 码率：0.511兆基码s： 码长：511基码； 重复速率：1ms。 高时钟速率的短码会产生一些不希望的频率分量，这些频率分量可能在干扰源间产生互相关，从而削弱了扩频的抗干扰好处。 另一方面，GLONASS信号的FDMA性质由于频率是分离开的，会显著地降低卫星信号之间的互相关。 采用短码的原因是能够快速截获，而快的码速率可以有高的距离分辨。 P码的特性是： 码型：最大长度25位移位寄存器； 码率：5.11兆基码s； 码长：33554432码元 重复速率：实际上是6.57s的时间段，但基码序列截短后得每隔1s重复一次。二、导航电文二、导航电文 与GPS不同，GLONASS有两种导航电文。S码电文和P码电文，其中P码电文是保密的。 两种电文的速率都是50bps。主要用途是提供卫星星历和频道分配方面的信息。 S码导航电文的内容可分为可操作信息及非操作信息两类。 可操作信息包括： 卫星时间信息； 卫星时间相对GLONASS系统时间的偏差； 发送导航信息的载频与其标称值之相对差； 精密星历信息。 非操作信息包括： 系统全部卫星的状态数据(状态预报星历)； 各卫星时间相对GLONASS系统时间之差(相位预报星历)； 系统全部卫星轨道参数(轨道预报星历)； GLONASS系统时间标度的改正值。 GLONASS导航电文中所给出的时间值是在GLONASS时间系统中量度的，该值在经过各种修正后与UTC(SU)之差小于1us；所给的空间值在PZ-90中度量。 完整的导航电文长2.5min，可分为相等的5帧，每帧长30s；每帧又可分为15个子帧，各子帧长2s；每一子帧又分为信息与校验位(1.7s)及时标码(0.3s)。 每帧的14子帧给出该星的星历，第5子帧给出该星星号及系统时间修正值，615子帧每2个子帧给出1颗卫星的历书数据 每帧可给出5颗卫星的历书数据；整个电文的结构如图所示。 4.6 伽利略卫星导航系统 由于美国的SA政策以及GPS系统的某些不足,使得卫星导航的民用,特别是在民用航空导航中的应用受到制约。 欧洲等主要国家认为： 卫星导航系统是欧洲安全的重要保障，应确保欧洲用户在导航定位方面不会陷入被他人独占和垄断的被动局面和困境。 鉴于政治、经济、军事等多方面利益上的考虑，欧洲提出了伽利略卫星导航系统。 1999年2月10日欧盟委员会宣布要发展下一代GNSS。 欧盟发展伽利略系统的目的是以期和其他任何GNSS系统一起在实现全球无隙导航定位。 1997年7月至2000年底完成了伽利略系统的定义工作，包括系统的任务需求、空间段和地面段各种设备的技术性能指标。 伽利略计划按如下三个阶段实现 20012005年为研究开发与在轨验证阶段； 20062007年为星座部署阶段； 2008年后为投入使用阶段。4.6.14.6.1 系统组成系统组成 伽利略系统也分为三大部分: 空间卫星星座部分 地面控制部分 用户接收机部分 与GPS、Glonass类似，采用时间测距原理进行导航定位。 1、空间部分 伽利略星座包括30颗MEO卫星,其中的27颗呈现对称的Walker结构,剩下的3颗提供在轨冗余以便对卫星的故障进行快速恢复。 卫星分布在三个轨道平面上,每个轨道平面上有9颗工作卫星和1颗备份卫星, 每颗卫星的发射重量是625 kg,功耗1.5kw,寿命15年, 轨道高度23616km,倾角56度；有9条地面轨迹,每天旋转1+2/3圈。 单星围绕地球运动的卫星的重复周期是3天 如果将由围绕地球运动的27颗卫星组成的星座看作一个几何整体,其重复的周期是24小时。 形成这种特性的原因是由于Walker星座的对称性,轨道相位的选择和地面轨迹的数目。 伽利略卫星上配备有导航载荷和搜索营救载荷。 导航有效载荷在卫星上担负着生成时间与导航信号的重任。 星上的铷钟(原子频率标准)和热备份的无源氢钟并排组装,生成10.23MHZ高稳定度的标准频率。 导航信号与来自地面站的数据信息调制在一起,并在星上储存,格式化和编码。 导航天线采用双波束成型网络 固态放大器产生每信号载波大约50W输出功率。 搜索营救的有效载荷通过一幅独立的天线接收求救者发出的标准406MHZ遇险信标信号。 经放大和变频后,用1544MHZ频率转发到搜索营救控制中心。 中心收到呼救信号后，实时将这些信息集成到伽利略的导航数据流中,并中继返回给紧急救援无线电指向标。 2、地面控制部分 地面控制部分包括一对导航系统控制中心(NSCC),一组轨迹图谱和时间同步站(OSS)组成的全球网络，一系列遥控跟踪，遥测和指令(TT&C)站。 OSS采集单路伪距测量原始数据。 一个专用的全球通信网将上述所有站网和设施互相连接在一起。 所有的导航控制与星座管理任务均在导航系统控制中心的监控下执行。 各种业务的完好性监控由一个完好性全球监控网(IMS),完好性监控中心(ICC)和完好性上行站(IULS)完成。 完好性监控站负责接收单路伪距测量结果,并与本地气象和其他数据一起送往完好性信息处理站处理成完好性信息 然后经由上行链路站发给在轨的MEO卫星,卫星再将完好性信息融合到导航数据信息流中,并向用户广播。 伽利略系统为了减少开发成本和技术风险，同时顾及到与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之间的兼容和互用性 欧盟委员会(EC)的伽利略信号工组组(STF)于2001年9月公布了选用频率及频谱利用方案。 按国际电信联盟指派安排在无线电导航卫星服务的相应频段中选择了E1,E2,E5a,E5b,E6频率。 卫星导航电文的具体格式还未确定 数据信息内容不仅包括星钟,星历表,识别码和状态标识,以及星座历书,而且还包括能使用户预测星钟和星历精度的”空间精度信息”。 空间精度信息允许接收机权衡选择每颗星的测量结果,从而达到改善导航精度的目的。 伽利略系统提供含有测距码和数据信息的导航信号。 测距码将由每颗卫星上的高稳定度星钟产生 数据信息将由地面上行注入站向卫星发送。这些信息在星上存储和处理,并采用数据包结构连续发送。 伽利略卫星将设计成能支持在L频段发射多达4个载波信号。 伽利略计划的重要创新概念是能够不断产生收益的增值业务机制,因此数据广播将是该系统的重要组成部分。 数据信息传输速率从250bit/s到1500bit/s。 低数据速率对导航信号产生的干扰最小, 高数据速率对气象预报,事故报警,交通流量信息和地图更新等领域提供增值业务的潜力最大。4.6.34.6.3 发展前景展望发展前景展望 根据不同业务需求以及相关的业务和安全要求,可将伽利略系统提供的服务归纳为: 一般目的服务，商用业务，公共事业业务 1、一般目的业务 向全球免费提供优于GPS现行民用精度的导航,定位和授时业务。 广泛应用于一般的航空,航海,道路交通运输,工业界和个人。 任何用户只要拥有伽利略卫星导航接收机就可以免费获得服务。 2、商用业务 需要付费的增值业务。 虽然用户收到导航信号中含有加密的增值数据。只有在接收机上使用密钥才能使用该服务。主要包括: 业务保证 伽利略和GPS完好性报警 精确授时业务 极为准确的电离层延时改正模型 本地差分改正信号等。 3、公共事业业务 这是一种高度安全,高度完好性和有保障的业务,适用于与生命安全息息相关及其他国民经济关键领域。 虽然这些与生命安全相关的公共事业已经被事先确定,但要进入也必须由密码控制。 该业务将被应用于民航,海上运输,铁路和道路交通,海关监控,跟踪危险货物和支援人道慈善事业。 搜索营救业务将允许遇难用户瞬时确立自己所处的精确地理位置 伽利略系统与GPS系统相比主要有以下一些优点: 1、伽利略系统具有更高的定位精度,精度比GPS高一个量级。即使是免费使用的信号精度也达到6米。其原因主要是伽利略系统将采用多项关键技术: 无源氢钟, 先进的导航信号生成装置, 先进的天线等 2、卫星数量多,轨道位置高,轨道面少； 3、伽利略系统按等级提供导航服务,通过不同的频段组合和加密手段为不同等级的用户提供不同的服务。从而避免了GPS军用系统限制民用的问题。 4、伽利略系统是非军用系统,但像GPS那样所发生的安全相关问题也被充分考虑 欧盟的设想 伽利略系统只是未来GNSS(全球导航卫星系统)的一部分,伽利略系统形成后,除提供本系统的导航定位服务外,还将与其他卫星导航系统,包括其他星基增强系统共同组成全球导航卫星系统。 它将是全球无缝隙的,高精度的导航定位系统。其应用也将深入到科学研究,交通,通信,甚至日常生活的各个方面。 另外，伽利略系统与其他卫导系统的组合导航将会大大提高卫导系统的导航精度和可靠性。4.7 双静止卫星通信导航系统 目前正在运行的GPS、GLONASS以及欧洲正在建设的GAILLEO卫星导航系统均属于全球性的无源定位导航系统。这些系统的突出优点是： 用户不需要发射信号，仅利用接收到的卫星信号就可实现导航定位。因而用户可以保持无线电静寂（对于军事用户特别重要，不会暴露目标） 用户的定位导航仪也可以有较小的功耗和体积。 没有用户上限，可以满足无限多个用户的导航定位的需要。 上述的系统也存在不足： 在某些特殊的场合用户之间或者用户与管理中心之间的通信往往是需要的，如野外搜索、营救、战术指挥等。 为了弥补无源卫导系统在该方面的不足，美国在继GPS计划之后于七、八十年代研制成功了如JTIDS（联合战术信息分发系统）和PLRS（陆军定位报告系统）。 由于这些系统是军用系统，无法满足商、民用途。另外，GPS和GLONASS都是军事卫星导航系统，这就决定了其在特殊情况下可以不择手段的军事本质。 于是社会团体和国际组织等等就产生了建造民用卫星导航系统的想法。 20世纪70年代，美国科学家提出了利用地球同步卫星的通信和导航定位系统。 另外，80年代中期，人们对美国的GPS系统能否研制成功还持有怀疑态度。 因此，由美国的公司独自操控建立了Geostar卫星通信导航系统，主要覆盖北美洲；欧洲的一些公司也建立了类似的系统Localstar，主要覆盖东欧和地中海地区。 这种双静止卫星通信导航系统在性能上固然不如GPS和GLONASS，但是由于它可以以低廉的成本获得高精度定位效果，因此比较适合社会团体和发展中国家用于建立自己的民用或者是军用局域性导航系统。 GPS在经济和军事方面的成功应用，为人们描述了卫星导航的诱人前景。 卫星导航不仅可以为国民经济的发展带来巨大的经济效益，而且也为国家安全提供了强有力的保障。 拥有卫星导航将会增强国家的制空权，因此世界各军事强国或国际联盟纷纷建立自己的卫星导航系统。 限于国力，中国不可能像美国那样在短时期内发展GPS卫星导航系统，我国在八十年代中期提出了“双静止卫星快速通信定位系统”的发展计划。 2000年10月和12月，系统两个工作卫星发射成功，2003年夏天第三颗备份星的发射成功标志着北斗一号已经开始正常工作。 北斗一号系统地研制成功为我国军事和民用部门利用卫星导航定位提供了新的途径，也使我国成为继美、俄之后，第三个拥有自主卫星导航系统的国家。4.7.1 4.7.1 系统组成及特点系统组成及特点 1、空间部分：也叫做卫星中继站，系统的正常工作需要两颗距地面36,000km与地球同步的静止卫星，通常需要有一颗备份卫星。 为了得到较好的覆盖和定位几何因子，正常工作卫星通常升交点赤经相差60度左右，备份卫星介于两颗正常卫星中间。 卫星上带有与地面原子钟组相同步的原子钟。卫星没有存储功能，仅仅即时转发来自地面中心的信号。 每颗卫星带有两套信号转发装置 一套构成用户和地面中心之间的通信链； 另一套构成由地面中心到用户的通信链。 另外，卫星的发射波束通常不是采用全球波束，而是采用区域波束（可控制和调整）。 由于系统采用的是有源体制，所以一个信号在地面中心和用户之间要经由卫星中继的四段通信。 地面中心向卫星发射C波段（5.155.216GHz）线性极化信号，卫星收到后通过其转发器向地面用户转发S波段（2.4832.5GHz）右旋圆极化信号。 用户收到该信号后，需要回复地面中心，因此向卫星发射L波段（1.611.6265GHz）左旋圆极化信号，卫星收到后，将信号以C波段（5.155.216GHz）线性极化信号向地面中心转发。 Geostar采用直序扩频，扩频码速率为8MHz，码长217-1的戈德码，数据信息为15.6KHz。 由上述对信号的传播过程的描述，可以将其划分为两个过程： 一、信号经由卫星，从地面中心站到用户的信号，称为出站信号； 二、信号经由卫星转发，由用户向地面中心的回复信号，称为入站信号。 系统的通信链路如下所示： 2、地面站组：包括主控站、计算中心、测轨站、测高站以及校准站等。主要： 对卫星定位、测轨和制备星历， 调整卫星轨道、姿态，控制卫星的工作， 测量和收集校正导航定位参量，以形成用户定位修正数据并对用户进行精确定位。 Geostar的地面中心设在美国华盛顿，而Localstar的地面中心设在法国的图卢兹（Touluose）。 其中，主控站和计算中心控制整个系统的工作，主要任务包括： 1、接收卫星发射的遥测信号，向卫星发射遥控指令，控制卫星的运行、姿态和工作； 2、控制各测轨站，收集其测量数据，对卫星进行测轨、定位，结合卫星的动力学和运动学模型制备卫星星历； 3、实现地面中心与用户间的双向通信，并测量电波载中心-卫星-用户间的传播时间； 4、收集来自测高站的海拔高度数据和标校站的系统误差校正数据； 5、计算中心利用所测量的数据结合数字地图进行用户的精密定位； 6、实现对覆盖区内用户的识别、监视和控制。 测轨站设置在高精度的地标点上，作为系统的空间基准点，并以有源或无源的方式对卫星进行测量，其数据送到计算中心进行卫星定轨。 测高站设置在系统覆盖区内，利用气压高度表测量该点的海拔高度。通常其测量值粗略代表了其周围100km200km的海拔高度。 标校站的位置坐标也是已知的。标校站的设备及其工作方式和用户设备的工作方式完全相同。由地面中心对其进行定位，定位结果与标校站的真实位置进行差分形成用户定位的修正量。 3、用户设备：为仅带有定向天线的收/发器，用于接收中心站通过卫星转发来的S波段信号，从中提取时间标记点。 以时间标记点为基准，延长一段确定的时间后向卫星发射回传信号，信号中包含用户向中心或请中心向其他用户传送的数字信息。 用户无定位解算功能，其位置是在中心解算后由卫星转发给用户的，因此用户设备比较简单。 由上面的介绍，我们不难看出该系统的特点： 1、仅用两颗卫星就可以进行导航通讯，资金投入少；同时由于采用静止卫星，可以对大覆盖区内的用户进行连续实时定位； 2、用户设备比较简单，导航定位数据完全由中心站计算完成； 3、具有通信功能，信息高度集中，便于集中指挥控制和管理； 4、由于采用数字地图，用户数据修正等措施，使系统具有较高的定位精度。 同时该系统也有其局限性： 1、由于系统采用集中式处理，从而导致了该系统为节点系统。一旦中心被毁坏，将导致整个系统瘫痪，这对于军事用户尤其重要；同时由于所有用户的定位都是在中心站完成，这就导致了对中心站设备的处理能力要求极高，导致用户数量受限； 2、系统采用的是静止轨道卫星，卫星轨道高，而且是双程测距方式的有源工作方式。一方面用户需要回复中心站信号导致军用用户隐蔽性差；另一方面电波传播延时较长，导致定位数据有较大的滞后滞后误差，特别不适合像飞机这样的高机动用户；地面机动用户滞后误差可达几十米，空中用户可达百米量级； 3、不能进行全球覆盖，同时由于两颗卫星均在赤道上空，对于较低纬度的几何定位误差系数较大。 4、抗干扰能力差，在卫星信号受遮挡或受干扰时，将丧失导航定位能力。4.7.24.7.2 系统工作原理系统工作原理 双静止卫星定位系统是一种有源工作方式，主要有两种定位方式，一种是单点定位，一种是差分定位。后者通常用在精度要求较高的场合。 单点定位：就是中心站通过测量信号在中心站-卫星-用户之间往返的时间延迟，从而测定用户和两颗卫星之间的距离，再利用用户的高度测量数据（或数字地图）经过解算就可以确定用户的位置。 由于卫星、的位置坐标均为已知量，通过测量电波在中心、卫星、用户之间往返传播的时间，然后扣除掉卫星和地面中心之间的传播延迟，就可以得到用户和二颗卫星之间的距离r1 ,r2。 从而得到两个以两颗卫星为球心的圆球位置面，用户若处在地球面上，则以地球面为第三位置面，否则可由气压高度计或数字地图得到。三个位置面相交则可确定用户的位置。定位方程：),( 1)()()()()()()()(22222222222221212112121HHHbZHaYXZsZYsYXsXrZsZYsYXsXr或 差分定位： 是指利用用户机和定位标校机在同一时刻获得的伪距进行差分处理，从而得到高精度的定位结果。 差分处理的方法也有两种，一种是位置差分，另一种是伪距差分，差分原理我们将在下一节里介绍。