第1章绪论
GNSS是全球导航卫星系统（globalnavigation satellite system）的英文缩写，泛指所有的导航卫星系统。随着现代科学技术的发展，导航卫星系统不断成熟，其导航定位的精度及可靠性越来越高，应用领域更加广泛。本章主要介绍几个主要导航卫星系统发展的概况、特点、组成以及GNSS的应用。
1.1卫星定位技术发展概况
1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，标志着空间科学技术的发展跨入了一个崭新的时代。随着人造地球卫星的不断发射，利用卫星进行定位测量及导航已成为现实。
1.1.1初期的卫星定位技术
所谓卫星定位技术，就是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。*初，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也可利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距网。用上述两种观测方法，均可以实现大陆同海岛的联测定位，解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题。
1966～1972年，美国国家大地测量局在英国和联邦德国测绘部门的协作下，用上述方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网，获得了.5m的点位精度。然而，这种观测和成果换算需要耗费大量的时间，同时定位精度较低，并且不能得到点位的地心坐标。因此，这种卫星测量方法很快就被卫星多普勒定位技术所取代。这种取代使卫星定位技术从仅仅把卫星作为空间测量目标的初级阶段，发展到了把卫星作为空间动态已知点来观测的高级阶段。
1.1.2卫星多普勒测量1958年12月，美国海军和约翰斯 霍普金斯（Johns Hopkins）大学物理实验室为了给北极核潜艇提供全球导航，开始研制一种卫星导航系统，称为美国海军导航卫星系统，简称NNSS（navy navigation satellite system）。在该系统中，因为卫星轨道面通过地极，所以被称为“子午（transit）卫星系统”。1959年9月美国发射了第一颗试验性卫星，经过几年试验，于1964年建成该系统并投入使用。1967年美国政府宣布该系统解密并提供民用。在美国子午卫星系统建立的同时，苏联于1965年也建立了一个卫星导航系统，叫作CICADA，该系统有12颗卫星。虽然子午卫星系统对导航定位技术的发展具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目较
少（6颗工作卫星），运行高度较低（平均约1000km），从地面站观测到卫星通过的时间间隔也较短（平均约1.5小时），而且因纬度不同而变化，因而不能进行三维连续导航。加之获得一次导航解所需的时间较长，所以难以满足军事导航的需求。从大地测量学来看，因为它的定位速度慢（测站平均观测时间1～2天），精度较低（单点定位精度3～5m，相对定位精度约为1m），所以，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面受到了极大的限制。
1.2俄罗斯的格洛纳斯系统
俄罗斯全球导航卫星系统格洛纳斯（global orbiting navigation satellite system，GLONASS）由苏联于1982年开始研制，苏联解体后，该系统由俄罗斯继承。该系统的星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀分布在3个轨道，轨道平面倾角64.8°，卫星飞行高度19100km，卫星运行周期11小时15分钟。与美国的GPS系统不同，GLONASS系统使用频分多址（FDMA）的方式，每颗GLONASS卫星广播两种信号——L1和L信号。具体地说，两种信号的频率分别为L.1602.0.5625.k（MHz）和L.1246.0.4375.k（2MHz），其中k（取值范围1～24）为每颗卫星的1频率编号，同一颗卫星满足。按计划，该系统于2007年/开始运营，当时只开放俄罗斯境内的卫星导航定位服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。该系统的服务内容主要包括确定陆地、海上及空中目标的位置及运动速度等信息。俄罗斯GLONASS导航定位卫星如图1-1所示。
俄罗斯航天局于2002年前就启动了新一代的GLONASS-K卫星的研制工作，新的GLONASS-K卫星是全新的设计，卫星平台不密封，卫星设计寿命10年，重量为995kg。星载原子钟精度达到了10.14秒，为提高定位精度提供了更大潜力。另外，为了便于和GPS兼容，GLONASS-K卫星除了使用原来的L1和L2频段频分多址信号外，还增加了码分多址的L1，L2，L3信号。
为了提高授时和定1位精2度，3GLONASS-K不仅在原子钟上做了努力，而且还使用了高性能的温控系统，使原子钟温度波动在0.1°～0.5°，降低了温度变化对原子钟精度的影响。此外GLONASS-K还改进了卫星姿态控制系统，提高了太阳能电池板的指向精度，降低了微重力影响。新的GLONASS-K卫星已经开始地面测试。全新的卫星平台并配合这些改进措施，将GLONASS系统的定位精度提高到了一个新的水平，有望达到和超过现有GPS标准。在技术方面，GLONASS与GPS有以下几点不同之处：
（1）卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。而GLONASS采用频分多址体制，卫星靠不同的频率来区分，每组频率的伪随机码相同。基于这个原因，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而具有更强的抗干扰能力。
（2）坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用地心坐标系（PZ-90）。
（3）时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。目前俄罗斯GLONASS已有31颗GLONASS卫星同时在轨运行。至此，GLONASS开始提供覆盖全球的卫星导航。
1.3欧洲的伽利略系统
1.3.1伽利略系统的构成伽利略定位系统（Galileo positioning system）是一种开放式的以民用为主的卫星系统。Galileo系统由分布于3个轨道平面上的30颗MEO卫星构成核心星座，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为备用卫星，轨道面倾角为56°，卫星高度为24126km，其空间卫星信号等效于GPSBlock-ⅡF卫星上的信号，具有在L频段上和GPS兼容的多频体制，在无增强情况下可以获得10m的定位精度。Galileo卫星系统空间星座如图1-2所示。
Galileo卫星系统信号采用4种位于L波段的频率来发射，其频率分别为：E5a：1176.45MHz；E5b：1207.14MHz（1196.91～1207.14MHz，待定）；Eb：1278.75MHz；E2-L1-El：1575.42MHz。
1.3.2Galileo系统精度指标及其服务领域Galileo系统服务的精度指标及其服务领域：免费公开服务精度15～20m（单频）、5～10m（双频）；商业服务精度5～10m（双频）、局部可达1～10m；公共事业服务精度4～6m（双频）、局部可达1m。Galileo系统的基本服务有导航、定位、授时；特殊服务有搜索、救援；扩展应用服务系统包括在飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、陆地车队运输调度、精准农业等方面。Galileo卫星如图1-3所示。
1.3.3Galileo系统的特点
Galileo系统具有下列特点：
（1）该系统在研制和组建过程中，军方未直接参与，因此该系统是一个具有商业性质的民用卫星导航定位系统，非军方用户在使用该系统时受到政治因素影响较小。
（2）鉴于GPS在可靠性方面存在的缺陷（用户在无任何先兆和预警的情况下，可能面临系统失效、出错的情况），Galileo系统从系统的结构设计方面进行了改进，以*大限度地保证系统的可靠性，并及时向指定用户提供系统的完备性信息。
（3）采取措施进一步提高精度，如在卫星上采用了性能更好的原子钟；地面监测站的数量更多（30个左右），分布位置更合理；在接收机中采用了噪声抑制技术等，因而用户能获得更好的导航定位精度，系统的服务面及应用领域也更为宽广。
（4）该系统与GPS既保持相互独立，又互相兼容，具有互操作性。相互独立可防止或减少两个系统同时出现故障时对用户产生影响，为此，Galileo系统采用了独立的卫星星座、地面控制系统及不同的信号设计方案，并且采用了基本独立的信号频率。兼容性可保证两个系统都不会影响对方的独立工作、干扰对方的正常运行。互操作性是指可用一台接收机同时接收两个导航系统信号，以保障导航定位的精度、可用性和完好性。
Galileo系统建设分为四个阶段。第一阶段（1999～2001）：论证计划的必要性、可行性以及落实具体的实施措施；定义Galileo系统框架，制订发展计划。第二阶段（2001～2005）：系统研制和卫星在轨验证阶段。第三阶段（2006～2007）：实施阶段，进行卫星的研制、发射及地面设施建设。第四阶段（2008～2020）：运行应用阶段，其任务是系统的保养和维护，提供运营服务，按计划更新卫星等。但由于各种原因，伽利略系统并未能按计划实施。
1.4中国的北斗卫星系统
1.4.1北斗卫星系统发展历程北斗导航卫星系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）是中国自主设计、自主研制、独立运行的全球导航卫星系统。该系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航及授时服务，并可对有着更高要求的授权用户提供进一步的服务，其军民两用目的兼具。北斗卫星导航系统的发展经历了以下三个阶段。
1.试验系统
北斗卫星导航试验系统又称为北斗一号，是中国的第一代卫星导航系统，即有源区域卫星定位系统。1994年正式立项，2000年发射2颗卫星后即能够工作，2003年又发射了一颗备份卫星，试验系统完成组建。该系统服务范围为东经70°～140°，北纬5°～55°。
北斗卫星导航试验系统于2000年能够使用后，其定位精度为100m，使用地面参照站校准后为20m，与当时的全球卫星定位系统民用码相当。系统用户能实现自身的定位，也能向外界报告自身位置和发送消息，授时精度20ns，定位响应时间为1s。因为是采用少量卫星实现的有源定位，该系统成本较低，但是系统在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制。另外因为该系统不具备测速功能，所以不能用于精确制导武器的导航。
2.正式系统
正式的北斗卫星导航系统也被称为北斗二号，是中国的第二代卫星导航系统，英文简称BDS，曾用名COMPASS。“北斗卫星导航系统”一词一般用来特指第二代系统。此卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位，与全球定位系统相似。在计划中，整个系统将由35颗卫星组成，其中5颗是静止轨道卫星，并与使用静止轨道卫星的北斗导航卫星试验系统兼容。
北斗卫星导航系统的建设于2004年启动，2011年开始对中国和周边提供测试服务，2012年12月27日起正式提供卫星导航服务，服务范围涵盖亚太大部分地区，南纬55°到北纬55°、东经55°到东经180°为一般服务范围。该导航系统提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。
开放服务是在服务区免费提供定位、测速、授时服务，定位精度为10m，测速精度0.2m/s，授时精度10ns，在服务区的较边缘地区精度稍差。授权服务则是向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时、通信服务以及系统完好性信息。该系统继承了试验系统的一些功能，因此能在亚太地区提供无源定位技术所不能完成的服务，如短报文通信。
3.北斗三号卫星导航系统
2017年11月5日19时45分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第二十四、
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