项目 34 GNSS 的基本知识任务 1 四大卫星导航定位系统简介一、GNSS 是什么很久以来，人们一直因为“我在哪里”这个问题而感到困惑，也想了许多解决的办法，但是没有一个直接、快速和有效的解决方法为全球提供精确定位服务，直到 GPS 系统出现。GNSS 是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)的缩写。它是所有在轨工作的卫星导航定位系统的总称。GNSS 能为我们提供什么？它可为用户提供高精度、全天时、全天候的定位、导航和授时服务。GNSS 包括的定位系统有哪些？目前，GNSS 包含了美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧盟的 Galileo 系统、中国的Compass(北斗)，全部建成后其可用的卫星数目达到 100 颗以上，截止目前欧盟的 Galileo系统、中国的 Compass(北斗) 还未进入有规模的民用阶段。除此之外还有 WAAS 广域增强系统、EGNOS 欧洲静地卫星导航重叠系统、DORIS 星载多普勒无线电定轨定位系统、PRARE 精确距离及其变率测量系统、 QZSS 准天顶卫星系统、GAGAN GPS 静地卫星增强系统和 IRNSS 印度区域导航卫星系统。GNSS 是由谁开发的？目前现行的卫星导航系统有全球卫星导航系统和区域卫星导航系统。开发者也有国家或是部门。具体情况参见表 1-1。表 1-1 卫星导航系统开发表系统 开发国家或部门 研发时间 覆盖区域GPS 美国国防部1973 年开始方案论证（19741978 年）系统论证（19791987 年）生产试验（19881993 年）全球GLONASS 前苏联研发，1996年由俄罗斯接替 1982 年开始 全球Galileo 欧盟1978 年方案认证和初步设计阶段定义阶段开发阶段部署阶段商业运行阶段全球COMPASS 中国 1985 年提出，1994 年 1 月立项 北斗一号：区域研制建设试验阶段2012 年覆盖亚太地区2020 年建成全球卫星导航系统北斗二号：全球QZSS 日本概念研究阶段（2003 年）系统定义和设计阶段（20042005 年）开发阶段（2006 年以后）区域：东亚和大洋洲地区IRSS 印度 2006 年开始 区域：印度境内和周边EGNOS欧盟委员会、欧洲航天局、以及欧洲航空安全组织面向欧盟 27 国免费提供服务MSAS 日本气象局和日本交通部 1996 年开始实施系统覆盖范围为日本所有飞行服务区，也可为亚太地区的机动用户播发气象数据信息GNSS 系统组成？GNSS 系统一般由三部分组成，也即地面部分、空间部分和用户部分。各卫星定位系统的组成参见表 1-2。表 1-2 GNSS 系统组成系统 部分 组件 作用地面监控部分2 个主控站、5 个监测站和 4 个注入站测定卫星轨道、计算卫星钟改正值空间卫星部分213 颗卫星分布在 6 个轨道面上，运行周期 11 小时 58 分，卫星高度为 20200km（见图 1-1）提供卫星星历、高精度原子钟、L1，L2 载波、伪随机码GPS用户部分 GPS 接收机 接收卫星发射的导航信号，测定接收机所在三维位置及时间地面支持系统系统控制中心、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跟踪卫星，以便确定和预报卫星轨道和卫星钟差；卫星时间同步及控制 GLONASS 时间与UTC 之间的时间偏差。控制段还要进行很多非控制操作活动，如组织和发射活动空间卫星部分24（213）颗卫星组成，分布在 3 个轨道面，卫星轨道倾角为 64.8，卫星高度为19100km，卫星运行周期11h15m（见图 1-2）通过载波向外发射导航信号和测距码GLONASS用户部分 GLONASS 接收机 接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文地面控制部分1 个主控站,5 个全球监测站和 3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机跟踪卫星空间部分30（273）颗中低轨卫星，分布在 3 个轨道面上，轨道面倾角56 度，卫星高度为 23000km，卫星的公转周期 14h4m45s（见图 1-3）通过载波发射导航电文与测距码用户部分 Galileo 接收机或与GPS、GLONASS 兼容的接收机 接收卫星信号空间部分两颗经差为 60 度的地球静止卫星、一颗备用卫星，卫星高度为36000km用于地面中心站与用户之间的信号中继。Galileo用户终端 带有定向天线的收发器即能为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告以及短报文通信功能。地面中心控制系统1 个配有电子高程图的地面中心、网管中心，测轨站、测高站和数十个分布在全国的地面参考站监测、调控空间部分5 颗 GEO+5 颗 IGSO+4 颗 MEO3 颗 GEO 位于 84E，140E 和160E；3 颗 IGSO,位于 118E, 倾斜角 55（见图 1-4、1-5 和 1-6）播发测距码和导航电文北斗二号COMPASS用户终端 接收机3D 定位；对 GPS 和 BD 系统自身的增强；短消息通讯。各卫星定位系统的卫星图参见图 1-7、1-8 、1-9 和图 1-10。图 1-1 GPS 卫星星座 图 1-2 GLONASS 卫星星座图 1-3 Galileo 卫星星座 图 1-4 北斗卫星星座 图 1-5 2011 年 6 月北斗卫星运行轨道图 图 1-6 2011 年 9 月北斗卫星运行轨道图图 1-7 GPS 卫星 图 1-8 GLONASS 卫星 图 1-9 伽利略卫星图 1-10 北斗卫星GNSS 卫星发射的是什么信号？不同的导航定位系统发射的信号不尽相同，但基本上有三种，一种是供用户计算卫星位置的导航电文，一个是用来测距的测距码，还有一个是加载信号和测距的载波。具体见表 1-3 所示。GNSS 卫星上配有频率相当稳定的原子钟，由此产生一个频率为 10.23MHz 的基准钟频信号。表 1-3 GNSS 信号表载波信号卫星导航定位系统 载波 频率(MHz) 波长(cm) 测距码 导航电文L1 1575.42 19.03L2 1227.60 24.42GPSL5 1176.42 25.48 C/A 码P 码卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正、由 C/A 码捕获 P 码的信息G1 1602.000 18.7G2 1246.000 24.1GLONASSG3 1204.704 24.9C/A 码P 码 同 GPSE1 1575.420 19.0E6 1278.750 23.4E5 1191.795 25.2E5a 1176.450 25.5GalileoE5b 1207.140 24.8测距码 导航电文COMPASS B1 1561.098 B1 频点 I 支路测距码码速率为2.046 Mcps，码长为 2046 chipsGNSS 坐标系统与时间系统是什么？不同的卫星导航定位系统坐标系统与时间系统不尽相同。具体情况参见表 1-4 和表 1-5。表 1-4 GNSS 坐标系统表卫星导航系统 GPS GLONASS Galileo COMPASS坐标系统名 WGS-84 PZ-90 ITRS CGCS2000长半轴（m） 6378137 6378136 6378136.55 6378137.0短半轴 6356752.3142地球引力常数（m 3 /s2）3986005108 3986004.4108 3.9860044151014 3986004.418108地球自转角速度（rad/s）729211510 11 729211510 11 729211510-11扁率 1/298.257223563 1/289.257839303 1/298.25769 1/298.257222101相关内容的具体信息可参照中华人民共和国国家标准卫星导航定位坐标系统 。表 1-5 GNSS 时间系统表卫星导航系统时间系统名称 说明GPS GPS 时GPS 时的起始历元为 1980 年 1 月 6 日 0h（UTC），此时 TAIUTC=19s。GPS 时不作闰秒调整，在任何时候都在整数秒上与 TAI相差 19 s，即 TAIGPS Time 19 s，它与 UTC 的差为 GPS Time UTC DTAI19 s。GLONASS GLONASS时GLONASS 系统通过一组氢原子钟构成的 GLONASS 中央同步器来维持时间系统。GLONASS 时间系统与 UTC 时间联系紧密，但有一个 3 小时的常数偏移，即莫斯科时间和格林尼治时差。Galileo伽利略系统时间伽利略系统时间（GST）是一个连续的原子时系统，它与国际原子时（TAI）有一个标称常数偏差（也即整数秒）。与协调世界时（UTC）相比，由于跳秒的插入，模除 1s 后小数秒是可变的。COMPASS北斗时（BDT）是一个连续的时间系统，秒长取国际单位制 SI 秒，起始历元为2006 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒协调世界时（UTC）。BDT 与 UTC的偏差保持在 100 纳秒以内（模 1 秒）。