科普 | 卫星导航定位系统

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在我们的日常生活中，几乎每天都会发生这样的场景：当你准备出门去一个不熟悉的地点，这个时候你下意识地拿出手机，打开导航APP，输入目的地后，轻轻松松跟着导航行进……

在这一简单快捷的操作背后，你知道手机是如何获取你的位置并给出正确的导航信息吗？其实是因为你的手机里面安装了一个定位芯片，这个芯片能够接收卫星信号并解算信息。

我们知道，地球外部运行着许多人造卫星，卫星不间断的向地面发送信号，这个信号里包含了卫星的位置信息和信号传播的时间信息。

我们的手机可以接收到卫星信号并解读信息，从而计算出我们与卫星之间的距离。知道卫星的位置和我们与卫星之间的距离后，便可以划出一个位置圆。

但是问题又来了，此时圆上的任意一点都可能是我们的位置，并不能进行准确的定位，这时候该怎么办呢？

幸运的是，地球上空并不只是运行着一颗卫星，我们在地球上的任意一点都可以看到不少于5颗卫星。理论上，只要能同时与3颗卫星分别划出位置圆（即我们的手机同时收到3颗卫星的信号），即可确定我们的唯一位置，从而实现定位。

实际上，因为卫星上的原子钟时间和我们手机上的时间很难完全对准，为了求解这个时间差参数，手机需要收到至少4颗卫星的信号才能解算定位。在卫星定位的过程中，除了时间系统上的误差外，其实还存在许多其他的误差，如大气引起的误差、相对论效应和用户端的误差等，这些误差的存在将使手机定位发生米级以上的偏差。

为了得到更加精确的定位，我们可以引入一种地基增强系统——CORS系统。关于CORS系统的介绍，之后再为大家详细进行说明。由于手机不间断的接收卫星信号并进行高速处理，我们的位置信息可被实时计算并发送给导航APP，从而规划出合理的出行路线。

上述导航定位方式即为卫星导航定位。那么，卫星导航系统具体是如何工作的？可运用于哪些方面？我国的“北斗”卫星导航系统目前进展如何？下面，一一为你解答！

正式科普开始

卫星导航系统的组成包括三个部分：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间星座部分就是那些卫星啦，四大导航系统的卫星占据着不同的轨道，卫星的数量、组成、通信等原理也不尽相同。地面监控中心接收、测量将卫星信号，确定卫星的轨道信息 并将其发射给卫星。用户设备即接收机，可以是专业的多频多系统接收机，也可以是我们手机中的GPS模块，通过信号解算出的卫星轨道信息等来确定用户的位置。

一、目前主要包括：

GNSS：Global Navigation Satellite System

GPS：Global Positioning System(24颗卫星、10m)

BDS：北斗系统、COMPASS(35颗卫星)

GLONASS：俄罗斯（24颗卫星、10m）

Galileo：欧盟（30颗 <1m）

二、基本概念

GNSS

GNSS即全球导航卫星系统（global navigation satellite system），它包括全球性的美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的Galileo。此外还有区域性导航系统，如日本的准天顶（QZSS），印度的IRNSS。增强系统有美国的WAAS，日本的MSAS、欧盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亚的NIG-GOMSAT-1等。

GPS

GPS（Global Position System）作为最早的卫星导航系统，GPS无疑占据了最好的轨道和资源。GPS的空间星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成.

（1）空间星座组成

•24 颗卫星

•6个平面轨道

–相对于赤道的倾角为 55º

–轨道之间的间隔为60º

•距离地区表面20,200 km

•轨道周期11 hr 58 min

•5到11颗卫星可见

而地球自转的周期为23小时56分，这样就保证了对于地球上的观测点，GPS卫星每隔23小时56分就会重复一次。在地面上可见卫星的数量至少4颗，保证了基本的定位要求。

（2）GPS发展历程

1957年10月第一颗人造地球卫星SputnikⅠ发射成功，空基导航定位由此开始

1958年开始设计NNSS-TRANSIT,即子午卫星系统； 

1964年该系统正式运行； 

1967年该系统解密以供民用。

1973年，美国国防部批准研制GPS; 

1991年海湾战争中，GPS首次大规模用于实战； 

1994年，GPS全部建成投入使用； 

2000年，克林顿宣布，GPS取消实施SA(对民用GPS精度的一种人为限制策略)。

（3）GPS系统的构成

GPS系统=空间部分+控制部分+用户部分

1）空间部分

GPS空间部分主要由24颗GPS卫星构成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星运行在6个轨道平面上，运行周期为12个小时。保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。

主要作用：发送用于导航定位的卫星信号。

构成：24颗卫星=21颗工作卫星+3颗备用卫星

2）控制部分

GPS控制部分由1个主控站，5个检测站和3个注入站组成。

组成：GPS控制部分=主控站（1个）+监测站（5个）+注入站（3个）

作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。

主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。

监控站：接收卫星信号，检测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息传送给主控站。

注入站：将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。 

分布情况：

主控站：位于美国科罗拉多州（Calorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。

注入站：阿松森群岛（Ascendion）,大西洋；迭戈加西亚（Diego Garcia）,印度洋；卡瓦加兰（Kwajalein），东太平洋。

监控站：1个与主控站在一起；3个与注入站在一起；另外一个在夏威夷（Hawaii）,西太平洋。

3）用户部分

GPS用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。GPS接收器主要由GPS芯片构成。

如车载、船载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，GPS测绘设备等都属于GPS用户设备。

组成：主要为GPS接收器

作用：接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，GPS系统的消费者。

GPS定位是目前最为精确、应用最为广泛的定位导航技术，以后将会成为每一个移动设备的标配之一。现在的中高端只能手机，有相当一部分已经配备了GPS硬件。那么针对GPS定位的开发技术也将成为一项主流常规技术。

BeiDou

北斗卫星分布在MEO，GEO，IGSO三种轨道上。北斗系统的服务区域，重点区域是在我国和周边地区，实现的是全球覆盖。北斗是一个开放的系统，除了公开的服务，还有授权的服务、广域差分服务和位置报告服务。

目前北斗卫星发射情况如下图：

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。  

——空间段。北斗系统空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成混合导航星座。  

——地面段。北斗系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站。  

——用户段。北斗系统用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。  

北斗系统是一个独立自主的系统。第一是它不依赖于任何别的系统而运行。第二，它所有的核心技术都是自己的知识产权，不依赖于别国的核心技术而运行，这是大国重器的国产化。最后一个创新点是，北斗三号有一个搜救功能。北斗三号加入了海事搜救组织。

以前伽利略系统的搜救过程是，你给伽利略卫星发了一个搜救信号，然后你就开始等待。你不知道你的信号有没有被收到，你也不知道，是不是会有人来救你。

北斗系统在收到你的搜救信号之后，会给你一个反馈，告诉你信号已经收到了，安心等待吧，很快就会有人来救你了。所以这也是北斗三号的一个升级功能。

关于北斗的更多内容可以参考www.beidou.gov.cn/

GLONASS

自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星，于1996年初投入运行使用。空间星座由均匀分布在3个MEO轨道面的24课卫星组成，轨道高度为19100km，在高纬度地区的覆盖度比GPS要好。

Galileo

截止2016年12月，已经发射了18颗工作卫星，具备了早期操作能力（EOC），并计划在2019年具备完全操作能力（FOC）全部30颗卫星（调整为24颗工作卫星，6颗备份卫星）计划于2020年发射完毕，MEO轨道高度为23222km。

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