全球卫星导航系统的现状和进展

摘要:

为了进一步研究全球卫星导航系统，对GPS，GLONASS，BDS和Galileo的发展历史和技术现状进行了更全面的概述，并对四种主要系统技术进行了比较分析. 结果表明，全球卫星导航系统正在朝着兼容，统一共享的方向发展. 高精度定位的对比分析表明，GPS和BDS的定位精度相近.

关键字: 全球卫星导航系统；全球定位系统;北斗卫星导航系统； Glonass卫星导航系统；伽利略卫星导航系统

简介

全球导航卫星系统（GNSS）是一种空基定位系统，可以为地球表面或近地空间中任何位置的装备精良的用户提供24小时，三维坐标以及速度和时间信息. 包括一个或多个卫星星座及其支持特定任务所需的增强系统. 一个独立的全球卫星导航系统在提供时空基准，智能手段以及与位置有关的所有实时动态信息等方面发挥了关键作用. 它具有国防，军事，经济发展以及公共安全和服务的作用. 远大的意义是现代化大国地位，国家综合国力及其国际竞争优势的重要标志.

导航系统发展现状

全球导航卫星系统国际委员会（ICG）宣布了全球四大卫星导航系统供应商，包括美国的全球定位系统（GPS）和的Glona全球导航卫星系统（GLONASS），欧盟的伽利略导航卫星系统（Galileo）和中国的北斗导航卫星系统（BDS）. 其中: GPS是世界上第一个建立并用于导航和定位的全球系统. 经过快速恢复，GLONASS已成为世界第二大卫星导航系统. 两者目前都在进行现代化更新；伽利略是第一个完整的系统. 民用卫星导航系统处于测试阶段； BDS已经具备了亚太地区的导航定位和时间服务功能，并从北斗2号过渡到北斗3号，处于全球化的快速发展阶段.

1. GPS卫星导航系统

GPS是1970年代后期在美国建造的第二代卫星导航系统. 它于1994年开始运营并提供服务. 目前，GPS是星座组成最完整，定位精度最稳定，应用最广泛和市场垄断的卫星导航系统.

GPS空间卫星结构由24颗工作卫星和备用卫星组成. GPS导航卫星都是中地轨道（MEO）卫星，它们平均分布在6个轨道平面上. 卫星星座扩展已于2011年7月完成，重新安置了3颗卫星，并调整了3颗卫星的位置，从而实现了理想的24 + 3卫星星座配置，并增加了覆盖范围并提高了卫星可用性. 截至2018年6月21日，该空间部分的新旧卫星数量为32个，其中31颗正在运行而1颗正在维护. 表1列出了卫星的发展历史和特点，包括工作卫星和备用卫星. 多余的卫星不参与星座网络，但可以提高定位精度和可靠性. 从2010年到2016年，总共发射了12枚IIF卫星. 正在开发GPS-III和GPS-IIIF卫星. 2018年2月，发射了GPS IIR卫星.

表1 GPS系统参数

GPS地面部分包括1个主控制站，1个备用主控制站，12个地面天线和16个监视站. 主控制站位于哥伦比亚的什里弗空军基地，备用主控制站位于范登堡基地. 地面天线包括4个GPS地面天线和7个空军卫星控制网络（AFSCN）远程跟踪天线. 这些站包括6个空军监视站和10个国家地理空间情报局（NGA）监视站. 在硬件升级的同时，地面控制系统也已经升级，并且建立了新的地面控制网段架构. 添加了新的导航信号监视，管理和控制GPS-III卫星的新功能.

图1 GPS地面分段分布

2. GLONASS卫星导航系统

GLONASS由苏联于1976年建造，并于1996年1月18日正式竣工. 但是，在1990年代后期经历了经济动荡之后，GLONASS从2003年开始进入全面升级和发展阶段，于2011年推出. 到年底将实现全球覆盖.

GLONASS系统空间卫星由24颗MEO卫星组成，它们均匀分布在3个轨道平面上. 截至2018年6月21日，GLONASS系统有26颗在轨卫星，其中24颗GLONASS-M在运行中，其中1颗退役卫星用于主要开发人员测试，1颗GLONASS-K用于飞行参数测试. 捕获了GLONASS-K卫星广播的码分多址（CDMA）信号，使GLONASS信号编码从频分多址（FDMA）到CDMA有了重大变化. 2013年1月12日，联邦航天局发布了“ 2013-2020年太空活动”文件，宣布到2020年将制造和发射13颗GLONASS-M卫星和22颗GLONASS-K卫星. 预计GLONASS-KM卫星将于2025年发射. 表2列出了每种类型卫星的特性，其中: “ O”是开放信号；“ O”是开放信号. “ S”是模糊的高精度信号； “ F”是FD1A； “ C”为CD1A； t是2014年L3OC之后发射的M卫星； η是频率数.

表2 GLONASS系统参数

GLONASS系统的地面部分包括位于莫斯科的控制中心，位于46，邻国8，南极洲3gps定位系统发展，巴西1的地面监测站和增强站，2014年2月，联邦航天局计划未来将在全球36个国家/地区部署50个地面站系统，并于当年在海内建立地面站将提高GLONASS系统的准确性，并有助于提高其市场竞争力和全球份额. 目前，GLONASS的全球定位精度约为5 m，借助增强型系统，的定位精度为0.5 m. 随着GLONASS的现代化，预计其定位精度将在未来2-3年内等同于GPS.

3. 北斗卫星导航系统

BDS是中国正在实施的独立开发和独立运营的全球卫星导航系统. 系统建设的目标是建立一个独立，开放，兼容，技术先进，稳定可靠的北斗卫星导航系统，覆盖全球，促进卫星导航产业链的形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑，促进和保证系统gps定位系统发展，以及促进卫星导航. 广泛应用于国民经济和社会的各个行业.

在BDS的总体建设计划中，将于2020年建成覆盖全球的北斗卫星导航系统. 该系统由三部分组成: 空间部分，地面部分和用户部分. 目前，北斗2号在轨卫星包括5个地球静止地球轨道（GEO），5个倾斜地球同步轨道（IGSO）和4颗MEO卫星，而北斗3号空间卫星结构是由其设计的，由3个GEO，3个IGSO组成. ，24个MEO和在轨备用卫星. 地面部分包括几个地面站，例如主控站，注入站和监视站. 用户细分包括北斗用户终端和与其他卫星导航系统兼容的终端.

2012年12月27日，在继续保持北斗卫星导航测试系统（即北斗一号）的主动定位，双向定时和短消息通信服务的基础上，北斗二号正式提供了连续无源定位，导航，时间服务等服务. 截至2018年6月21日，轨道上有29颗BDS卫星，包括6颗GEO卫星，9颗IGSO卫星和14颗MEO卫星，包括: 15颗可用的北斗2卫星和1颗未使用的卫星;北斗3号卫星有13颗卫星，每颗卫星有3个频率信号. BDS可以提供​​双向高精度时间服务和短消息通信服务. 其位置精度为平面5，高程10m，速度精度为0.2m / s，时间精度为单向50ns.

4. 伽利略卫星导航系统

伽利略是世界上第一个具有一定商业性质的完全民用卫星导航系统，由欧盟建立. 它于2003年开始实施. 经过短暂的缓慢发展，它正以高速的发展趋势进入国际GNSS领域.

目前有4颗伽利略轨道验证卫星（IOV）. 用户定位于2013年3月12日首次实现，成为伽利略建设中的一个里程碑；现场验证任务已于2014年2月完成. 伽利略可以有效运行，并处于良好的工作状态. 作为国际卫星辅助搜索与救援组织现有卫星的一部分，伽利略可在77％的救援地点提供2000m以内的定位精度，在95％的救援地点提供5000m以内的定位精度. . 目前，伽利略的伪距单点定位精度在水平方向上平均可以达到5，在垂直方向上可以达到10m，平均定时精度可以达到10ns.

在轨测试完成后，伽利略的建造工作继续进行，主要是完成发射卫星的星座部署以及卫星地面站的进一步部署. 2014年，联盟号火箭三次发射六颗卫星，加入了现有的伽利略卫星星座，并于年底开始提供初始服务. 2014年8月22日，发射了两颗伽利略全功能卫星. 2014年8月25日，欧盟官方网站宣布这两颗卫星不在预定轨道上. 它在卫星网络中起着作用，阿丽亚娜航天公司说，在运载火箭的飞行过程中发生了异常，没有进入预定的轨道. 2017年2月2日，四枚伽利略导航卫星（编号为IOV19-22）由阿丽亚娜5号火箭在法属圭亚那空间发射场发射升空. 发射任务给伽利略号26颗卫星，即4颗IOV卫星和18颗FOC卫星. 其中15颗卫星可用于提供服务，其中1颗卫星发生电源故障，另外2颗卫星不在轨道上. 2018年7月25日再次发射了四颗卫星.

技术比较分析

卫星导航系统都包括空间卫星星座，并且卫星星座的结构直接影响地面上可见卫星的数量. 目前，GLONASS，Galileo和BDS都使用3个轨道平面，GPS使用6个轨道，三个轨道卫星的几何分布优于6个轨道，并简化了星座网络的维护和配置. GPS发展研究报告建议在所有GPS-III操作之后，建造由33个MEO和GEO卫星组成的GPS-III星座. BDS系统使用结合了MEO，IGSO和GEO的混合星座结构. 混合星座结构可以更好地提高用户的定位精度，提高系统的稳定性和可用性.

卫星发送的信号决定了导航和定位的方式和准确性. 目前，BDS，GPS和Galileo都使用码分多址. 所有BDS卫星都有3频信号； GPS目前只有12颗具有3频信号的GPS-IIF卫星，其余25颗卫星仅发射双频信号. GLONASS使用频分多址，而未来的GLONASS-K2和更高版本的卫星将具有3个固定频率，并使用码分多址. 使用固定频率可以通过差分技术来减弱大气延迟的影响，简化观测方程的未知参数，降低定位算法的复杂度并提高定位精度，这有利于不同系统之间的互操作和组合定位.

目前，GPS的全球实时单点定位精度在粗代码中为5〜10m，在精代码中为1〜2m. 普通民用接收机在空旷地区的定位精度可达5m以上，加密的导航信号达到分米级； BDS仅在亚太地区具有定位服务能力. 部分地区的能优于10m. 例如在北京，郑州，西安，等地区，定位精度可以达到7m，在低纬度地区的定位精度可以达到5m左右. 精度从35m增加到大约5m. 随着地面站建设中卫星轨道精度的提高，预计全球定位精度将进一步提高.

GPS / BDS高精度定位比较

由于其独特的优势，GNSS已成为测绘行业中最重要的定位方法之一. 它满足了测绘行业对不同精度，操作方法和实时性能的要求，但是当前的测绘应用仍然依赖于GPS. 随着BDS的飞速发展，它具有与GPS相同的固定频率和码分多址功能，因此两者的定位原理是相同的. 表3显示了BDS和GPS测量中高精度定位的比较和分析结果，主要包括伪距微分（DGPS），静态基线，精确点定位（PPP）和实时运动学（RTK）和网络RTK. 从表3可以看出，当前的BDS和GPS定位精度已达到相同的效果. 在表3中: N表示北方向； E表示向东； U表示天空方向.

表3 GPS / BDS定位精度统计

结论

中国的BDS硬件和软件以及行业已进入快速发展阶段. BDS已开始进行全球联网，并具有与亚太地区的GPS相当的定位和定时服务功能. 随着GLONASS的现代化和伽利略的发展，卫星导航和定位系统已进入GNSS时代，定位模式也已从单一系统演变为多个系统. 因此，有必要大力推广与多系统兼容的应用，共同促进全球卫星导航的发展，使其成为高度复杂的新兴产业，并广泛应用于军事，国民经济建设等领域.

参考文献: 省略

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/shumachanpin/article-199402-1.html