卫星定位和导航的基础知识

        导航是引导交通工具或其他运动物体从一个位置移动到另一个位置的过程。导航分两类:一类是自主式导航，用飞行器或船舶上的设备导航，有惯性导航、多普勒导航和天文导航等;另一类是非自主式导航，用于飞行器、船舶、汽车等交通设备与有关的地面或空中设备相配合导航，有无线电导航、卫星导航。
        卫星导航技术是航天技术和通信技术相结合的产物，它是采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位，能提供全天候的定位、授时、测速功能。卫星导航在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报通信授时、 电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到了广泛应用，在军事上，还要配合完成武器投射、侦察、巡逻、反潜和援救等任务。随着科技的飞速发展与进步，定位导航系统也在不断扩大其应用的广度和深度，可以说其应用已经渗入社会的方方面面，而这一切的扩展应用均说明定位导航系统已在人们日常生活中发挥着越来越重要的作用。
一、卫星导航系统的功能
1.定位导航
         定位导航是卫星导航系统的基本功能。卫星导航系统在民用上可给行驶的汽车、航行的轮船以及步行者导航，还可对重要车辆和货物进行跟踪运输。在军用上可给飞机、导弹水面舰艇和潜艇进行定位导航，还可用于弹道导弹机动发射车、自行火炮与多管火箭发射车等武器载具发射位置的快速定位、水上排雷定位、人员搜救等。
2.授时
         地面主控站装有原子钟，卫星.上也搭载有原子钟，原子钟是目前最高精度的钟，数万年才会出现一秒误差，是理想的时间同步时钟源。在地面监测站的监控下，导航卫星传送的信号含有精确的时间和频率信息，传输给需要时间信息的设备，如计算机、主控器、采样设备、导航仪等，在本地恢复出原始时间，可以达到单个设备的时间校准或者多个系统的时间同步，这个过程称为卫星授时。卫星授时功能广泛应用于电力、金融、网络、移动通信系统等很多方面，可以实现整个系统的“同步”运行。
3.高精度测量
          卫星导航应用给测绘界带来了一场革命，现已广泛应用于大地测量资源勘查、 地壳运动、地籍测量及超大型工程测量等领域。与传统的测量手段相比，卫星导航应用有巨大的优势:测量精度高，最高可以达到毫米级别;操作简便，仪器体积小，便于携带;全天候操作;观测点之间无需通视。
4.短报文通信
           这是北斗导航系统独有的功能。北斗系统具有双向数字报文通信能力，无需其他通讯系统支持，可以一次传递超过100个汉字的信息。北斗用户通过终端可以将自己的位置和情况，以短报文的方式告诉他人。该功能对场景中没有基站或灾害发生导致基站被损坏，如远洋航行、沙漠考察、极地考察、深山求援、大型地震求援等等来说意义非凡。
二、卫星导航系统的组成

          目前在世界上有多种卫星导航系统，不同的导航系统所设计的卫星数量、轨道分布、定位原理不完全相同，但其基本组成是相同的，都是由空间部分、地面控制部分、用户设备部分组成，如图1所示。

1.空间部分
         卫星导航系统的空间部分也叫空间段，由多颗在轨能正常工作的导航卫星组成，这些卫星分布在-定的轨道面上。这种由相似的类型和功能的多颗卫星组成一个卫星网，卫星分布在相似的或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任务，称为卫星星座。不同的卫星导航系统，其星座不相同，即卫星数量、轨道分布不同。美国的GPS系统，其空间部分由24颗卫星组成，这些卫星位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。而中国的“北斗三号”系统，其空间部分则由35颗卫星组成(包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星)，并采用三种轨道搭配的星座:27颗卫星处于距离地面21500km的中圆轨道(即中高度圆轨道)，分布在三个轨道面上，保持550倾角;5颗卫星采取赤道上空35800km高的地球静止轨道;3颗卫星处在地球同步轨道(也接近35800km)，保持550倾角。
         卫星的作用:(1)接收和存储由地面监控站发来的导航信息;(2)接收并执行监控站发来的控制指令;(3)卫星.上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作;(4)通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准;(5)向用户发送定位信息;(6)在地面监控站发来的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。
          导航卫星的核心部件有:微处理器、导航电文存储器、高稳定度的原子钟(铯原子钟、铷原子钟、氢原子钟)、伪噪声码发生器.S波段接收机、L波段双频发射机。
           卫星导航信号包括三种信号分量:载波、测距码和数据码(导航电文)。
2.地面控制部分
          卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面控制设备进行监测和控制。
          地面控制部分另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再通过导航电文发给用户设备。地面控制部分也称为地面监控系统或地面段，它包括一个主控站、多个监测站和多个注入站。主控站功能是:管理、协调地面监控系统各部分工作，收集各监测站的数据，编辑导航电文，送往注入站;监控卫星状态，向卫星发送控制指令;进行卫星维护与异常情况的处理。监测站功能是:接收卫星数据，采集气象信息，实时监测卫星，并将收集到的数据传送给主控站。注入站功能是:将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储系统。
3.用户设备部分
          用户设备部分也称用户段或用户终端，主要就是用户接收机(专用于某种卫星导航系统的信号接收机，也可以是同时兼容其他卫星导航系统的接收机)及其等同产品。用户设备主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行，对信号进行变换、放大和处理，进行测距、解调导航电文和定位计算，达到实时定位、导航的目的。其中的计算功能由接收机内的微处理器(CPU)和部分存储器及相关软件来完成。
         用户设备部分的基本结构:天线单元(接收天线、前置放大器)接收单元(通道单元、计算和显示单元、存储单元、电源)。
三、卫星导航系统的定位原理及技术
         根据对待测定点进行定位所需卫星数量的不同，卫星导航系统有双星定位系统和四星定位系统之分，这两种系统的定位原理不同，所采用的有关技术也不一样。
1.双星定位系统

          中国的“北斗一号”卫星导航系统就属于双星定位系统。该系统是由3颗位于赤道上空36000km的地球静止卫星组成，其中两颗为工作卫星，一颗为备份卫星。

          图2是“北斗一号”系统的定位原理示意图。其工作过程是:地面控制中心向两颗卫星同时发射测距信号，卫星分别接收到信号后进行放大，然后向服务区转播;位于服务区的用户机在接收到卫星转发的测距信号后，立即发出应答信号，经过卫星中转，传送到地面控制中心;地面控制中心在接收到经卫星中转的应答信号后，根据信号的时间延迟，计算出测距信号经过地面控制中心-卫星-用户机-卫星-地面控制中心的传播时间，并由此算出地面控制中心-卫星-用户机的距离，由于地面控制中心与卫星之间的距离已知，那么，就可得到用户机与卫星之间的距离;地面控制中心再根据得到的用户机与两颗卫星的距离数据，在地面控制中心储存的数字地图上进行搜索，寻找符合条件的点，该点坐标即是所求的坐标;地面控制中心将计算出来的坐标数据经过卫星发送到用户机，用户机再经过卫星向地面控制中心站发送一个回执，这样就完成了一次定位工作。
         双星定位系统的定位原理:以两颗在轨卫星的已知坐标为球心，各以测定的卫星至用户机的距离为半径，形成两个球面，用户机将位于这两个球面交线的圆弧上。地面控制中心配有电子高程地图，提供一个以地心为球心，以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数字方法求解圆弧与地球表面的交点，即可获得用户的位置。

           两点说明:

           (1)"北斗一号” 系统是双向测距系统。 测距定位不仅需要用户机接收从地面控制中心发出的，经卫星中转来的测距信号，还需要用户机发出应答信号，经过卫星中转，传送到地面控制中心，由地面控制中心解算，再向用户机提供三维定位数据(用户机不能独立解算自己的三维定位数据)。

          (2)“北斗一号"系统的用户机采用的是“有源方式"(也称为“主动式”)，即用户机不仅要接收卫星信号，而且还必须向卫星发射信号。这种定位方式被称为“有源定位”。“有源定位”既有优势，也有劣势。优势在于，系统在无需增加其他设备的情况下可实现用户与控制中心之间、用户与用户之间(通过控制中心)进行双向短报文通讯功能，而对于采用“无源定位"(用户机不发射信号仅靠接收信号就能定位)的GPS等定位系统，如果管理者要随时知道用户的位置和其他信息，必须在用户端加上全球移动通信系统( GSM)、通用分组无线业务(GPRS)或者专用通讯设备。有源定位的劣势主要有:一是没有无线电隐蔽性，用户容易暴露目标，不适用于军事上;二是终端设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。需注意的是，在“北斗二号”系统和“北斗三号”系统建设中，对整个系统进行了改进，都改成了“四星定位”系统，定位导航也改为了“无源方式"(用户机不发射信号仅靠接收信号就能定位)，但仍然保留了短报文通讯功能(北斗是全世界的卫星导航定位系统当中唯一具有通讯功能的系统)。
2.四星定位系统

          美国的GPS、俄罗斯的“格洛纳斯”、欧洲的“伽利略”以及中国的“北斗二号”和“北斗三号”卫星导航系统都属于四星定位系统。

          图3是四星定位系统原理示意图。在待定点目标上安置卫星定位导航接收机及其等同产品，以各种可能的方式接收卫星发送的信号，卫星不间断地发送自己的星历参数和时间信息，接收机接收后，由接收机中的微处理器(CPU)求出接收机的三维位置，三维方向运动速度和时间信息。首先假定卫星的位置为已知，准确测定某待定点距离卫星的距离，结果该待定点必然位于以卫星为中心的球面上，球的半径等于所测得的距离。”下一步，再测量该待定点距离另一卫星的距离，结果该待定点必然位于这两个球面相交的圆环上。再继续测距离第三颗卫星的距离，最终该待定点必然在三个球面形成的两个相交点上，称为“三球定位”原理。再根据地理知识，去掉那个不合理的点。
           表面上看，使用3颗卫星就可以定位了，但实际上，由于根据这种定位原理的卫星导航系统来用的是单向测距技术，卫星和接收机之间的距离很远，一般的接收机也不能采 用精度很高的原子钟，所以卫星和接收机之间的时钟很难完全同步和准确，而电磁波以光速传播，微小的时间误差将会使得距离信息出现巨大失真，那么接收机和卫星之间的测试距离就含有卫星时间和接收机时间误差的影响，将这种测得的距离称为伪距。卫星时间误差可以通过导航电文有关参数进行确定，而接收机的时间误差只能作为一个未知数。若要实现精确定位，就必须求出用户端的三位坐标(X、Y、Z )和时钟差距t这4个未知数，故需要4颗卫星来列出4个关于距离的方程式，最后才能求往答案，即用户端所在的三维位置，根据此三维位量可以进一步换算为经纬度和海拔高度。
         若空中有足够的卫星，用户终端可以接收多于4颗卫星的信息时，可以将卫星每组4颗分为多个组，列出多组方程，后通过一定的算法挑选误差最小的那组结果，能够提高精度。
         四星定位系统是单向测距系统，用户只要单向使用设备接收卫星发出的导航日文，用户设备独立解算自己的三维定位数据即可测距定位。这种系乡的接收机可以采用“无源方式”(七称为“被动式”)，无需向卫星发射号，这种定位方式被称为“无源定位”。
四、卫星导航系统的时间系统、坐标系统
        在现今全球范围内，已经使用的美国的GPS、俄罗斯的“格洛纳斯”、欧洲的“伽利略”、中国白“北斗”四大定位导航系统，均采用各自的时间系统和坐标系统。
1.时间系统
         时间系统是利用卫星进行定位的重要基准，对定位的精度具有决定性的作用。首先，作为动态已知点的导航卫星的位置是不断变化的，在星历中，除了要给出卫星的空间位置参数以外，还要给出相应的时间参数。其次，卫星导航系统测量是通过接收和处理卫星发射的电磁波信号来确定卫星与待定点之间的距离，进而求得该待定点的坐标。要精确测定卫星与待定点的距离，就必须精确测定信号传播时间。其三，由于地球自转的缘故，地面点在天球坐标系中的位置是不断变化的，为了根据卫星位置确定地面点位置，就必须进行天球坐标系与地球坐标系的转换，为此也必须精确测定时间。所以，在建立卫星定位系统的同时，就必须建立相应的时间系统。
         利用卫星进行精密的导航与测量，应尽可能.获得高精度的时间信息。描述时间的系统有多种，与卫星定位相关的主要是原子时。以地球自转为基础的世界时系统已难以满足卫星定位对时间准确度和稳定度的要求。为此，人们自20世纪50年代起便建立了以原子能级间的跃迁特征为基础的原子时系统(AT)。原子时秒长定义为:位于海平面，上的铯原子基态两个超精细能级间，在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间，为I原子时秒。原子时的起点定义为世界时(以子夜零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时，用UT表示)的1958年1月1日0时0分0秒，即规定在这一-瞬间原子时时刻与世界时时刻重合。但事后发现，在该瞬间原子时比世界时的时刻慢0.0039s，这一差值就作为历史事实而保留下来。原子时出现后，得到了迅速的发展和广泛的应用，许多国家都建立了各自的地方原子时系统，但不同的地方原子时之间存在着差异。为此，国际上大约有100座原子钟，通过相互对比，并经数据处理，推算出统一的原子时系统，称为国际原子时(TAI)。原子时的优点是稳定度极高，缺点是与昼夜交替不一致。为了保持原子时的优点而避免其缺点，从1972年起，采用了以原子时秒长为尺度，时刻上接近于世界时的一种折衷时间系统，称为协调世界时(UTC)。协调时的秒长严格等于原子时的秒长，采用闰秒(或跳秒)的办法使协调世界时与世界时的时刻相接近，当协调时与世界时的时刻差超过0.9s时，便在协调时中引入1闰秒(正或负)，闰秒一般在12月31日或6月30日末加入。具体日期由国际地球自转服务组织(IERS)安排并通告。
       (1)GPS时间系统(GPST)
        GPS时间系统(简称GPST)是美国的GPS卫星导航系统采，用的时间系统。GPST 采用原子时秒长作为时间基准，是基于美国海军天文台华盛顿的协调世界时UTC( USNO)，但时间起算的原点定义在1980年1月6日UTC 0时，启动后不跳秒，保持时间的连续。GPST 的整秒进位时刻和UTC时间同步，虽然存在偏差，但是这个偏差很小，在10ns左右。GPST与国际原子时(TAI)之间在任意瞬间均有一个常量偏差，偏差为19s。GPS时间是GPS系统运作的时间基准，其时间基准来源于GPS系统的中心控制系统主用原子钟提供的时间，可以为全世界的用户提供时间同步能力(守时 与授时)。GPS 卫星星载原子钟有2台铯钟、2台铷钟。
       (2)GLONASS时间系统(GLONASST)
       GLONASS时间系统( 简称GLONASST)是俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)卫星导航系统采用的时间系统，它也采用原子时秒长作为时间基准，是基于莫斯科的协调世界时UTC(SU)，并具有同步跳秒的系统。因此GLONASS时间与UTC(SU)之间仅相差3h和小于1us 的系统差，而没有跳秒差。GALILEO 采用铷钟提供时间基准。
        (3)GALILEO时间系统(GST)
        GALILEO时间系统(简称GST)是欧洲的伽利略( GALILEO )卫星导航系统采用的时间系统，是一个连续的原子时，初始历元为1999年8月22日0时0分0秒，与国际原子时(TAI )保持偏差小于33nso GALILEO采用了铷原子钟和氢原子钟提供时间基准。
       (4)北斗时间系统(BDT)
       北斗时间系统(简称BDT)是中国的北斗卫星导航系统采用的时间系统。BDT采用原子时“秒”为基本单位，连续累计，不闰秒，初始历元为2006年1月1日00h00m00s协调世界时(UTC)，该时刻为BDT的原点。BDT与UTC的偏差保持在100ns以内。BDT是由北斗系统的中心控制系统主用原子钟提供的时间。北斗三号卫星采用更高性能的铷原子钟和氢原子钟。
2.坐标系统
        GPS采用的是美国国防制图局建立的世界大地坐标系WGS-84。
        GLONASS采用的是前苏联军事测绘部建立的大地坐标框架PZ-90。
        GALILEO采用的是基于GALILEO地球参考框架的ITRF-96大地坐标系。
        BDS采用的是中国2000大地坐标系统(CGS2000)。
五、四大卫星导航系统简介
         根据卫星导航系统覆盖范围分类，现有的卫星导航系统有两种，一种是全球导航定位系统，另一种是区域导航定位系统。目前在世界上有四个全球的导航系统，分别是美国的全球卫星导航系统“GPS"、俄罗斯的全球卫星导航系统“格洛纳斯(GLONASS)"、欧洲的全球卫星导航系统“伽利略(GALILEO]"和中国的全球卫星导航系统“北斗系统”。还有两个区域性的导航系统，分别是印度的IRNSS卫星系统和日本的QZSS卫星系统。
1.美国的GPS卫星导航系统
          美国的全球卫星导航系统(GPS )是全球最早出现的卫星导航系统。GPS一开始是为军事目的而建立的，后来慢慢发展到了民用。
          GPS卫星导航系统由空间部分、地面控制部分、用户设备三大部分组成。其空间部分由绕地球运行的24颗卫星( 包括21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星。目前在轨实际运行的卫星数量已经超过32颗)组成，它们分布在互为55交角的6个轨道平面上，每个轨道面上布有4颗卫星;卫星高度约20200km;12小时绕轨道一周。卫 星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息。地面控制部分包括一个主控站、三个注入站、五个监控站cGPS用户设备(GPS接收机)的特点是“只接收、不发射”信号(即采用无源定位技术)，接收机中的微处理器只要选取4颗或4颗以.上卫星发出的信号进行分析，就能确定接收机持有者的坐标及运动速度信息等。
         GPS系统采用四星定位，是一种被动式伪矿单向测距三维导航。GPS 系统识别每颗卫星采用码分多址(cDMA)方式，即不同的GPS卫星的载波使用相同的频率发射信号(均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz)，通过不同的在元来识别每颗卫星。
         GPS系统采用WGS-84(G873)世界大地坐标系统。为了精确导航和测量的需要，GPS建立了专用的时间系统，称为GPS时(即GPST)。
         GPS卫星信号包括三种信号:载波、测距码和数据码(导航电文)。载波信号L1上调制有P码、C/A码及D码;而L2上只调制P码和D码。
         由于GPS最初是出于军事目的研制的，但又要兼顾商业利益，因此它采用两种码播发卫星信号，提供两种定位服务。一种为精密定位服务(即PPS业务)，使用P码，提供的定位精度为18m( 目前已由18m 提高到6m)，它只提供美国军方、盟军和少数特许用户使用。另一种为标准定位服务(即SPS业务)，使用C/A码，提供的定位精度为100m，它可供世界各国民用用户使用。GPS授时精度目前约20ns。

         美国国防部为了利用GPS保证美国及其盟军在导航定位上的优势，GPS还采取了SA技术和AS政策。SA技术称为选择可用性技术，即人为地将误差引入卫星中和卫星数据中，故意降低普通用户的测量精度，把C/A码提供的SPS精度限制在100m，以使非特许用户达不到近于PPS的定位精度。AS政策称为反电子欺骗政策，其目的是保护P码，它将P码与更加保密的W码模相加形成新的Y码，以防止敌方对P码进行精密导航定位的电子干扰。SA技术于2000年5月2日4时终止实施。

2.俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)卫星导航系统
         GLONASS的研制开始于上世纪70年代中期(苏联时期)，历经20多年的曲折历程，虽然曾遭遇了前苏联解体，俄罗斯经济不景气，但始终没有中断过系统的研制和卫星的发射。终于在1996年1月18日实现了空间满星座24颗工作卫星正常地播发导航信号，使系统达到了一个重要的里程碑。
          格洛纳斯星座卫星由中轨道的24颗卫星组成，包括21颗工作星和3颗备份星，分布于3个近圆形的轨道面，上，这三个轨道平面两两相隔120° ，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45°，轨道高度2.36万公里，运行周期11h15min，轨道倾角64.8°。
         GLONASS系统采用频分多址( FDMA)方式，即每颗卫星使用不同频率的载波发射信号，根据载波频率来区分不同卫星。每颗卫星发射的两种载波的频率分别为L1=1.602+0.5625K (MHz )和I2=1.246+0.4375K(MHz)，其中K=1~24为每颗卫星的频率编号。GLONASS卫星的载波上调制了两种伪随机噪声码:S码和P码。GLONASS系统采用了军民合用不加密的开放政策。
         GLONASS系统采用PZ-90大地坐标系统。GLONASS时间系统采用莫斯科时间为标准，是基于前苏联莫斯科的协调世界时UTC(SU)，采用的UTC时并含有跳秒改正。
          目前，GLONASS系统单点定位精度为10~15m，授时精度为20~30ns ，速度精度达到0.01m/s。
3.欧洲的伽利略(GALILEO)卫星导航系统