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          GPS、GLONASS、北斗、Galileo四大衛星導航系統

          發表時間: 2023-11-25 09:23:55

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          目前,除我國的北斗衛星導航系統之外,世界上正在運行的全球衛星導航定位系統主要有兩大系統:一是美國的全球定位系統 (Global Positioning System,G P S ),二是俄羅斯的格洛納斯全球衛星導航系統(Global N a v i g a t i o n S a t e l l i t e S y s t e m ,G L O N A S S )。近年來,歐盟也正在建設有自己特色的伽利略衛星定位系統(Galileo Positioning System,Galileo)。因而,未來密布在太空的全球衛星定位系統將形成GPS、GLONASS、北斗、Galileo四大衛星導航系統“競風流”的局面。

             目前,除我國的北斗衛星導航系統之外,世界上正在運行的全球衛星導航定位系統主要有兩大系統:一是美國的全球定位系統 (Global Positioning System,G P S ),二是俄羅斯的格洛納斯全球衛星導航系統(Global N a v i g a t i o n   S a t e l l i t e   S y s t e m ,G L O N A S S )。近年來,歐盟也正在建設有自己特色的伽利略衛星定位系統(Galileo Positioning System,Galileo)。因而,未來密布在太空的全球衛星定位系統將形成GPS、GLONASS、北斗、Galileo四大衛星導航系統“競風流”的局面。

                 四大衛星導航系統各有千秋: GLONASS的民用精度較高,GPS只能找到街道,而Galileo卻能找到車庫的門,北斗的特長如可通過短信讓他人獲知自己的位置是其它導航系統目前所不具備的。

                 全球定位系統(GPS)

                  GPS的 前 身是美軍研制的一種子午儀衛星定位系統(Transit S a t e l l i t e   N a v i g a t i o n   S y s t e m ,Transit),1958年研制成功,1964年投入使用, 1967年開始進入民用領域。Transit用5顆~6顆衛星組成的星網工作,每天最多繞過地球13次,并且無法給出高度信息,在定位精度方面也不盡如人意。然而,Transit使研發部門對衛星定位取得了初步的經驗,并驗證了由衛星系統進行定位的可行性,為GPS的研制埋下了鋪墊。

                 20世紀70年代,美國陸??杖娐摵涎兄屏诵乱淮l星定位系統,即GPS ,其主要目的是為陸??杖箢I域提供實時、全天候和全球性導航服務,并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一系列軍事目的。經過20余年的研究實驗,耗資300億美元,到1994年,全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

                 GPS主要由空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分組成??臻g星座由24顆衛星組成,其中21顆為工作衛星,3顆為備用衛星。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面上,即每個軌道平面上有4顆衛星,衛星軌道平面相對于地球赤道面的軌道傾角為55°,各軌道平面的升交點的赤經相差60°,1個軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星升交角距超前30°。這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。而最少只需其中3顆衛星,就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度;所能聯接到的衛星數越多,解碼出來的位置就越精確。地面監控部分主要由1個主控站(Master Control Station)、4個地面天線站(Ground Antenna)和6個監測站(Monitor Station)組成。主控站位于美國科羅拉多州的謝里佛爾空軍基地,是整個地面監控系統的管理中心和技術中心;另外還有一個位于馬里蘭州蓋茨堡的備用主控站,在發生緊急情況時啟用。地通天線站又稱注入站,GPS的注入站目前有4個,分別位于南太平洋馬紹爾群島的瓜加林環礁、大西洋上英國屬地阿森松島、英屬印度洋領地的迪戈加西亞島和位于美國本土科羅拉多州的科羅拉多斯普林斯。注入站的作用是把主控站計算得到的衛星星歷、導航電文等信息注入到相應的衛星。注入站同時也是監測站,另外還有位于夏威夷和卡納維拉爾角的2個監測站,故GPS的監測站目前有6個。監測站的主要作用是采集GPS衛星數據和當地的環境數據,然后發送給主控站。用戶設備主要是GPS接收機,主要作用是從GPS衛星接收信號并利用傳來的信息計算用戶的三維位置及時間。 GPS具有以下特點:一是全球 全天候定位,因為GPS衛星的數目較多,且分布均勻,保證了地球上任何地方任何時間至少可以同時觀測到4顆GPS衛星,確保實現全球全天候連續的導航定位服務;二是覆蓋范圍廣,能夠覆蓋全球98%的范圍,可滿足位于全球各地或近地空間的軍事用戶連續精確地確定三維位置、三維運動狀態和時間的需要;三是定位精度高,實踐證明GPS相對定位精度在50km以內可達10-6,100km~500km可達10-7m,1000km可達10-9m;四是觀測時間短,目前20km以內的相對靜態定位僅需15min~20min;快速靜態相對定位測量時,當每個流動站與基準站相距15km以內時,流動站觀測時間只需1min~2min;采取實時動態定位模式時,每站觀測僅需幾秒鐘;五是可提供全球統一的三維地心坐標,可同時精確測定測站平面位置和大地高程;六是測站之間無需通視,只要求測站上空開闊,這既可大大減少測量工作所需的經費和時間(通常造標費用約占總經費的30%~50%),也使選點工作更靈活,可省去經典測量中的傳算點、過渡點等的測量工作。

                 格洛納斯全球衛星導航系統(GLONASS)

                 談到全球衛星導航系統,人們首先想到的就是美國的GPS,而俄羅斯的GLONASS則鮮為人知。GLONASS由前蘇聯在1976年啟動建設,正式組網比GPS還早, 這也是美國加快GPS建設的重要原因之一。前蘇聯解體后,GLONASS由俄羅斯政府負責運營。前蘇聯的解體使GLONASS的建設受到很大影響,正常運行衛星數量大減,甚至無法為俄羅斯本土提供全面導航服務,更不用說與GPS競爭了。

                 1995年,俄羅斯耗資30多億美元,完成了GLONASS導航衛星星座的組網工作。事實上,從1982年12月12日開始,GLONASS的導航衛星就不斷得到補充,到1995年,該系統衛星在數目上基本上得到改善,但隨著俄羅斯經濟不斷走低,該系統也因失修等原因瀕臨崩潰的邊緣。但2001年~2010年10月,俄羅斯政府已經補齊了該系統所需的24顆衛星。2012年,GLONASS衛星的數量將增加到30顆,實現全球定位導航功能,屆時其衛星導航范圍可覆蓋整個地球表面和近地空間,定位精度將達到1m左右。

                 與GPS的構成相同 ,GLONASS也是由空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分3部分組成的。GLONASS的空間星座由27顆工作星和3顆備份星組成,27顆星均勻地分布在3個近圓形的軌道平面上,這3個軌道平面兩兩相隔120°,每個軌道平面有8顆衛星,同平面內的衛星之間相隔45°, 軌道高度2.36萬km,軌道傾角56°。地面監控部分由系統控制中心、中央同步器、遙測遙控站(含激光跟蹤站)和外場導航控制設備組成。系統控制中心和中央同步處理器位于莫斯科,遙測遙控站位于圣彼得堡、捷爾諾波爾、埃尼謝斯克和共青城。GLONASS的用戶設備,即接收機,能接收衛星發射的導航信號,接收機處理器對上述數據進行處理并計算出用戶所在的位置、運動速度和時間信息。

                 GLONASS是俄羅斯第二代軍用衛星導航系統,與美國的GPS相似,該系統也開設了民用窗口。在軍事領域,GLONASS可為海軍艦船、空軍飛機、陸軍坦克、裝甲車、炮車等提供精確導航,也可在精密導彈制導、C3I精密敵我態勢產生、部隊準確的機動和配合、武 器系統的精確瞄準等方面廣泛應用。同時,GLONASS在大地和海洋測繪、郵電通信、地質勘探、石油開發、地震預報、地面交通管理等各個國民經濟領域也獲得了越來越多的應用。

                 但在技術方面,GLONASS與GPS有以下幾點不同之處。一是衛星發射頻率不同。GPS的衛星信號采用碼分多址(CDMA)體制,每顆衛星的信號頻率和調制方式相同,不同衛星的信號靠不同的偽碼區分;而GLONASS采用頻分多址(FDMA)體制,衛星靠頻率不同來區分,每組頻率的偽隨機碼相同,因此GLONASS可以防止整個衛星導航系統同時被敵方干擾,具有更強的抗干擾能力。二是坐標系不同。GPS使用世界大地坐標系(WGS-84),而GLONASS使用前蘇聯地心坐標系(PE-90)。三是時間標準不同。GPS系統時與世界協調時相關聯,而GLONASS則與莫斯科標準時相關聯。

                 為了進一步提高GLONASS的定位能力,俄羅斯目前正在著手進行GLONASS現代化的工作。從2004年起,俄羅斯就開始進行GLONASS-M計劃的飛行試驗,計劃用4年的時間將其更新為GLONASS-M系統,俄羅斯還計劃在將來部署第三代GLONASS-K衛星;同時,俄羅斯還在建設空基和地基增強系統,并升級地面控制站和監測站的軟硬件設施,提高GLONASS的精度。此外,GLONASS還為軍隊和政府提供新的GLONASS/GPS接收機來提高市場占有率。

                 伽利略衛星定位系統(Galileo)

                 Galileo是歐盟正在建設的衛星定位系統,預計于2014年開始運行并在2019年完工。伴隨著歐洲一體化進程的加快,經濟利益成為歐洲發展Galileo的首要動因。2002年3月,當時的歐盟15國交通部長在西班牙巴塞羅納會議上正式決定啟動Galileo導航衛星計劃。

                 按照規劃,Galileo由空間段、地面段、用戶段3部分組成??臻g段由分布在3個軌道平面上的30顆中等高度軌道衛星(MEO)構成,每個軌道平面上有10顆衛星,9顆正常工作,1顆運行備用;軌道平面傾角56°。地面段包括全球地面控制段、全球地面任務段、全球域網、導航管理中心、地面支持設施和地面管理機構。用戶端主要是用戶接收機及其等同產品,Galileo考慮將與GPS、GLONASS的導航信號一起組成復合型衛星導航系統,因此,其用戶接收機將是多用途、兼容性接收機。Galileo的典型功能是信號中繼,即向用戶接收機的數據傳輸可以通過一種特殊的聯系方式或其它系統的中繼來實現,例如通過移動通信網來實現。Galileo的接收機不僅可以接受本系統信號,而且可以接受GPS、GLONASS這兩大系統的信號,同時具有導航功能與移動電話功能相結合、與其它導航系統相結合的優越性能。

                 與其它衛星導航定位系統相比, Galileo具有自己的優勢。首先,它是世界上**個基于民用的全球衛星導航定位系統,投入運行后,全球的用戶將使用多制式的接收機,獲得更多的導航定位衛星的信號,這就在無形中極大地提高了導航定位的精度,這是Galileo計劃給用戶帶來的直接好處。其次,Galileo計劃是歐洲自主、獨立的全球多模式衛星定位導航系統,可提供高精度、高可靠性的定位服務,實現完全非軍方控制、管理,可以實現覆蓋全球的導航和定位功能。Galileo還能夠和GPS、GLONASS實現多系統內的相互合作,任何用戶將來都可以用1個多系統接收機采集各個系統的數據或者各系統數據的組合來實現定位導航的要求。三是Galileo可以發送實時的高精度定位信息,這是現有的衛星導航系統所沒有的,同時其還能夠保證在許多特殊情況下提供服務,如果通信失敗也能在幾秒鐘內通知客戶。與美國的GPS相比,Galileo更先進,也更可靠。例如,GPS向別國提供的衛星信號只能發現地面大約10m長的物體,而Galileo的衛星則能發現1m長的目標。


          GPS、GLONASS、北斗、Galileo四大衛星導航系統
          目前,除我國的北斗衛星導航系統之外,世界上正在運行的全球衛星導航定位系統主要有兩大系統:一是美國的全球定位系統 (Global Positioning System,G P S ),二是俄羅斯的格洛納斯全球衛星導航系統(Global N a v i g a t i o n S a t e l l i t e S y s t e m ,G L O N A S S )。近年來,歐盟也正在建設有自己特色的伽利略衛星定位系統(Galileo Positioning System,Galileo)。因而,未來密布在太空的全球衛星定位系統將形成GPS、GLONASS、北斗、Galileo四大衛星導航系統“競風流”的局面。
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