全球四大卫星定位系统.doc

四大卫星导航定位系统的差异和发展应用莫 江（桂林市测绘研究院 桂林市 541002）【摘要】本文介绍了四种卫星导航定位系统，通过对其差异进行比较进一步分析它们的发展和应用前景。【关键词】GPSGLONASS “北斗一号” “伽利略” 比较分析1 引言卫星导航定位系统的成功产生，促进了卫星导航定位市场这一新兴产业的发展。全球卫星导航业务一直被美国的GPS系统所垄断。该系统是目前最成功的卫星导航系统，在实际应用和产业化上处于国际垄断地位。欧盟国家为避免受制于美国，决心建造自己的卫星导航定位系统“伽利略”系统的进程。该系统如得以顺利实施，将彻底改变目前欧盟国家对美国GPS的依赖状况。目前其他国家也积极建设自己的导航定位系统。我国借鉴全球定位系统的经验，正在开发我国第二代卫星导航定位系统。目前，全球已投入运行的卫星导航定位系统主要有美国的GPS、俄罗斯的GL0NASS以及我国的北斗双星系统，备受瞩目的欧盟“伽利略”卫星导航系统已于2005年底发射了第一颗实验卫星，预计2008年建设完成。2 概述2.1 美国GPS全球定位系统GPS全球卫星定位导航系统（Global Positioning System- GPS）是利用导航卫星进行测时和测距，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成： 一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成；二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面；三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。它具有高精度、全天候、全球覆盖能力。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，GPS的应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。2.2 俄罗斯GLONASS全球卫星导航系统俄罗斯从l978年开始建设自己的卫星导航定位系统GLONASS（Global NAvigation Satellite System）， 该系统计划也由24颗卫星组成，是继美国GPS系统之后又一个全天候、高精度的全球卫星导航定位系统。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS空间部分在1996年完成，俄罗斯宣布GLONASS具备了全面工作能力。俄罗斯及其以外的其他团体研制了各种民用和军用用户设备。但根据美国林肯实验室的研究报告，1998年2月中旬，GLONASS星座上仅有12颗健康的卫星。全部卫星都能工作的情况比较少见，主要原因是经费支撑不足。据报道，俄罗斯目前正在加紧寻求国际合作，共同维持系统运行。2.3 中国“北斗一号”卫星定位系统“北斗一号”卫星定位系统又名双星定位系统，是我国第一代自主研发的卫星导航定位系统。其服务范围包括中国内地、中国台湾、南沙及其他岛屿、中国海、日本海、太平洋部分海域及我国部分周边地区。“北斗”卫星导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端三部分组成：太空部分有2颗地球同步轨道卫星，执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务；地面控制中心包括主控站、测轨站、测高站、校正站和计算中心，主要用来测量和校正导航定位参数，以便调整卫星的运行轨道、姿态，并编制星历，完成用户定位修正资料和对用户进行定位；客户端是直接由用户使用的设备，即用户机，主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。简单的说，“北斗”卫星导航定位系统具有快速定位、简短通信和精密授时的三大主要功能。2.4 欧盟“伽利略”全球卫星导航系统为了摆脱对美国GPS系统的依赖，欧洲航天局计划斥资43亿美元打造自己的“伽利略”卫星导航系统。该系统将由30颗卫星组成。参与“伽利略”卫星导航系统研发的除了欧洲委员会各成员国和欧洲航天局外，还包括6个欧洲之外的国家：中国、印度、以色列、摩洛哥、沙特和乌克兰。目前，吸收其他国家加入“伽利略”系统研发工作的磋商仍在进行中。根据欧盟的设想，“伽利略”原计划分为四个阶段，具体如下：第一阶段：系统的可行性评估。已于2000年底完成；第二阶段（2001-2005年）：系统开发和检测阶段。主要任务是汇总任务需求，开发24颗卫星和地面部分，系统在轨验证。第三阶段（2006-2007年）：系统建设阶段。主要任务是卫星的发射布网，地面站的架设，系统的整体联调。第四阶段（2008年-）：系统商业运行阶段。系统预计到2014年达到收支平衡，实现独立运转。3 卫星导航定位系统的比较分析3.1 GLONASS与GPS系统的比较GLONASS和GPS系统有以下相似之处：（1）两个系统空间部分的卫星数相同，轨道结构类似；（2）GLONASS和GPS系统的频段十分接近，可以用一个公天线和一个宽带前置放大器接受两个信号。（3）GLONASS和GPS系统类似，都提供两个精度等级。高精度服务供军用或特殊用户使用。而低精度服务供民用。同时提供军民两用服务。GLONASS和GPS系统有以下不同之处：（1）GPS卫星都在同一频率上用码分多址（CDMA）格式发射独特的伪随机噪声（PRN）码对（CA码和P码），而GLONASS卫星以不同的频率用频分多址（FDMA）格式发射同样的PRN码对（CA码和P码）。（2）GLONASS系统的信号也是用IJl和L2两个频段发射的。但L2频段的信号采用不供外国用户使用的特殊码调制。（3）各系统采用不同的大地坐标系。GPS使用的是世界大地坐标系（WGS一84），而GLONASS使用的则是苏联地心坐标系（PE一90）。（4）GLONASS和GPS所采用的系统时间标准不同。（5）GLONASS有两种导航电文。CA码导航电文模2加到星上A码上而P码独特的导航电文模2加到P码上。3.2 “北斗”卫星导航定位系统与全球定位系统的比较（1）覆盖范围“北斗”卫星导航系统是覆盖我国本土的区域性导航系统。覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到41l颗卫星。（2）卫星数量和轨道特性“北斗”卫星导航系统在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。（3）定位原理“北斗”卫星导航系统是主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，提供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航，由用户设备独立解算自己三维定位数据。（4）定位精度“北斗”卫星导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约lOOns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，CA码目前已经由25100m提高到12m，授时精度日前约为20ns。（5）用户容量“北斗”卫星导航系统由于是主动双向测距的询问应答系统，用户设备容量是有限的，每秒钟只能容纳150个用户。而GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。（6）生存能力和所有导航定位卫星系统一样，“北斗”卫星导航系统对中心控制系统的依赖性明显要大，因为定位解算在地面控制中心，而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗”卫星导航系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。（7）信息的实时性“北斗”卫星导航定位系统用户的定位申请要送回地面控制中心，经由中心控制系统解算出用户的三维位置资料之后再发回用户，整个定位时间约需1秒钟。这1秒的定位时间对飞机、导弹这种高速运动的用户时间稍长，会加大定位的误差。因此。若要利用“北斗”卫星导航定位系统进行精确定位，以车辆、船舶等慢速运动的用户较适合。而GPS由于是用户自己解算，实时性比较高。（8）数据的共享性由于“北斗”卫星导航定位系统是双星系统，因此，各用户接收器只能测得二维（平面）的定位数据。而GPS采用的是地心坐标系，数据的共享程度比较高。（9）通讯功能“北斗”卫星导航系统具有GPS所不具备的的短讯通讯功能。（10）性能价格比“北斗”卫星导航定位系统使用的卫星是同步轨道卫星，这意味着落地信号功率很小，因此，用户机需要有较大天线才能接收信号。而且因“有源应答”运作方式，所以，用户机还要包含发射机，因此在体积、重量、耗电量，甚至价格都远比GPS接收机来得大、重、耗电与昂贵，这就限制了它的使用范围。3.3 “伽利略”卫星导航定位系统与全球定位系统的比较“伽利略”系统的性能极为先进。按照欧洲目前的设想，“伽利略”系统定位精度可达厘米级。如果说GPS只能找到街道，“伽利略”则可找到车库门。“伽利略”为地面用户提供3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号。其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使是免费使用的信号精度也达到6米。“伽利略”系统的另一个优势在于，它能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。“伽利略”的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。“伽利略”除能提供精确的定位信号外，还可以提供移动电话业务服务，用于救生行动，如接收失事飞机的求救信号后，快速通知附近的救援部门。据称，这些是GPS所无法实现的。毫无疑问，“伽利略”是GPS的强有力的竞争对手，较之与已形成垄断地位的GPS，“伽利略”由于采用了许多新技术而更加灵活、全面、可靠，可以提供完整、准确的数据信号。较高的功率使“伽利略”的信号可以很容易克服干扰和进行接收，还可以在高纬度地区以及中亚和黑海地区提供较好的数据。4 卫星导航定位系统应用和展望4.1 GPS全球卫星定位导航系统4.1.1 专业领域的应用专业应用领域以测绘为主要代表，现已成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。GPS技术的应用正向更深层次发展。4.1.2 民用领域的应用除了专业应用领域以外，随着近代人们生活品质的要求与提升，都市建设与交通运输的快速发展，使得汽车导航技术与各式观光旅游资讯蓬勃发展，也连带GPS迅速发展。比如车载GPS的出现，不仅给驾车者提供了极大地方便，也使城市建立物流控制与管理系统进行智能调度管理成为可能。国外的GPS应用更为广泛，比如整合GPS，GIS与GSM的协寻装置在欧美国家已成为风潮，此类协寻装置可置于家中老人，儿童或宠物身上，若发生协寻事件时，家人透过GSM联系协寻器，协寻器会自动由发射器送出GPS定位讯号，在无GPS定位讯号时，亦可通过GSM定位方式，于手机或网络地图上得知协寻对象位置。世界软件巨头微软也看准GPS的发展，将为其MSN软件配套提供包括交通状况、天气情况和预告、油料价格、电影放映时间、GPS定位等信息，而这些内容都可借助即将上市的Garmin NUvi 680设备提供。微软将会让MSN每间隔两分钟发送一次服务信息数据并通过GPS设备接收，这一项技术将会更有效帮助用户使用GPS更多未开发功能。采用直频发送技术的GPS系统服务联合微软MSN将会覆盖全美大约70%以上的地域，包括主要城市区域，以及重要城镇，几乎是无处不在。GPS目前的应用不过尚为冰山一角，GPS的未来发展，仅仅受想象力的制约，未来的GPS，必将有更多的应用层面及乐趣。4.2 GLONASS卫星导航定位系统俄罗斯计划对GLONASS系统做许多改进，这些改进包括地面控制部分的改进、差分GLONASS改进以及空间部分的改进。（1）地面控制部分改进。俄罗斯正在计划对地面控制部分作几种升级时相位控制系统的改进打算使时问精度达到GLONASS系统时lOOps以内。计划要把相对UTC（sU）的校正值和在GPS与CLONASS系统时之间的偏差插入GLONASS导航电文中，并使用自动测量计算系统以使GLONASS控制中心升级，以减轻控制人员的工作负担。此外。控制部分要增加机动的指挥和跟踪设备，从而增强现有网络。（2）差分GLONASS改进。俄罗斯正在考虑4种不同的差分服务方案以增强GLONASS。第一种方案建议用俄罗斯航天部队现有的军事指挥和控制基地网兼作差分基准基地；第二种方案是用现有海上无线电信标传送差分校正值的计划；第三种方案利用差分GLONASS和差分GPS/GLONASS进行I、II和III类着陆进近；第四种方案建议用现有的地面无线电导航设备Chaika来发送差分GLONASS校正值。（3）空间部分改进。俄罗斯从l996年开始向GLONASS星座引入两代新卫星GLONASSM，它不仅具有较长的使用寿命，而且还将拥有更好的姿态控制系统和更稳定的铯频标，因而会提高星历计算精度。4.3 “伽利略”卫星导航定位系统（1）公开服务。“伽利略”系统的公开服务能够免费提供用户使用的定位、导航和时间信号。此服务对于大众化应用，比如车载导航和移动电话定位，是很适合的。当用户处在一个固定的地方时，此服务也能提供精确时间服务（UTC）。（2）商业服务。商业服务相对于公开服务提供了附加的功能，大部分与以下内容相关联：分发在开放服务中的加密附加数据；非常精确的局部微分应用，使用开放信号覆盖PRS信号E6；支持“伽利略”系统定位应用和无线通信网络的良好性领航信号。（3）生命保险服务。生命保险服务的有效性超过99.9%。“伽利略”系统和当前的GPS系统相结合，将能满足更高的要求。包括船舶进港、机车控制、交通工具控制、机器人技术等等。（4）公众控制服务。公众控制服务将以专用的频率向欧共体提供更广的连续性服务，主要有：用于欧洲国家安全，如一些紧急服务、GMES、其他政府行为和执行法律；一些控制或紧急救援，运输和电讯应用；对欧洲有战略意义的经济和工业活动。（5）局部组件提供的导航服务。局部组件能对单频用户提供微分修正，使其定位精度值小于±1m，利用TCAR技术可使用户定位的偏差在±10cm以下；公开服务提供的导航信号，能增强无线电讯定位网络在恶劣条件下的服务。（6）寻找救援服务。“伽利略”系统寻找救援服务应该和已经存在的COSPAS SARSAT服务对等，和GMDSS以及贯穿欧洲运输网络方针相符。“伽利略”系统将会提高目前的寻找救援工作的定位精度和确定时间。中国加入“伽利略”计划是非常明智的，具有重要意义。首先，中国加入“伽利略”计划，将使中国拥有该系统20%的所有权和全部使用权，拥有一个有自己股权，能进行管理和控制，进而保障相关服务可靠性、稳定性、安全性的民用卫星导航系统。其次，中方的投资不仅仅是购买系统的服务，中方将派团队参与整个计划的决策与管理。中国公司和科研单位将与欧洲合作进行卫星核心技术的研发，这是一种真正意义上的合作，对中国相关技术的发展将会有巨大的促进作用，可以为我国自主开发导航卫星系统提供重要的科研平台。此外，有国内学者估计，我国导航卫星的产业在2020年可达2600亿元，总收入可达4200亿元，而我国与欧盟的政治关系可以为我国卫星导航提供有力的保障。4.4 “北斗一号”卫星定位系统“北斗”导航系统虽然和GPS全球定位系统相比有一定的差距，但是它具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。更重要的是，“北斗”卫星导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统。它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位。解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。此外，该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反，在此基础上还可建立中国的GPS广域差分系统。可以使GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级，可以更好的促进GPS在民间的利用。当然，我们也需要认识到，随着我军高技术武器的不断发展，对导航定位的信息支持要求越来越高。“北斗”卫星导航系统仅是我国近期满足建设需要的自主简易导航系统，因此，我们必须在发展“北斗一号” 的基础上，借鉴国外GPS、GLONASS的成功经验，开发我国二代卫星导航系统，我们有理由相信，在不久的将来，具备先进性、适用性、军民两用、抗干扰性、抗毁灭等特征的，适合我国的国情的“北斗二号”将会展现在大家面前，更加完善的我国卫星导航系统也必将建立。【参考文献】1 李俊锋，“北斗”卫星导航定位系统与全球定位系统之比较分析，北京测绘，2007.12 张显峰、崔伟宏，运用差分GPS动态获取高精度土地资源变化数据的新技术J，地球科学进展，2000.103 柴 霖，GLONASS的最新进展及可用性分析，电视技术，2007.84 过静君，欧洲伽利略导航系统的发展J，测绘通报，2002（2）：51525 赵方泉，基于欧洲“伽利略”系统的研究J，地理空间信息，2004（4）：23256 中国航天科技集团公司，伽利略系统人类卫星导航技术的新飞跃导航定位卫星的应用与发展，2005.7.24