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卫星导航系统原理与应用论文
卫星导航系统原理与应用论文
论文题目：
卫星导航技术原理、发展与应用
时间：
2013.11
目录
前言3
1.卫星导航技术的原理3
1.1.卫星导航技术的工作原理3
1.2.卫星导航技术的系统组成4
2.卫星导航技术的发展4
2.1.美国全球定位系统（GPS）5
2.1.1.GPS技术的布局5
2.1.2.GPS技术的特性5
2.1.3.GPS技术的特点：
5
2.2.俄罗斯“格洛纳斯”系统（GLONASS）7
2.2.1.GLONESS系统的布局8
2.2.2.GLONESS技术的特性8
2.2.3.GLONASS系统的特点：
9
2.3.欧洲“伽利略”系统（GALILEO）9
2.3.1.GALILEO系统的布局10
2.3.2.GALILEO系统的特性10
2.3.3.GALILEO系统的特点：
11
2.4.中国“北斗”系统（COMPASS）12
2.4.1.北斗系统的布局12
2.4.2.北斗系统的特性13
2.4.3.北斗系统的特点13
2.5.四大卫星导航系统的比较14
3.卫星导航系统的应用15
3.1个人位置服务15
3.2.气象应用15
3.3.道路交通管理15
3.4.铁路智能交通15
3.5.海运和水运15
3.6.航空运输16
3.7.应急救援16
4.小结16
前言
卫星导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术，是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，也是武器精确制导的核心技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。
同时随着技术发展，卫星导航技术在民用市场也显示出了巨大的应用价值，成为人们日常生活中重要的辅助工具。
目前全球拥有四大卫星导航系统，美国率先完成的GPS全球定位系统，俄罗斯的GLONESS系统，中国的北斗定位系统以及欧洲的GALILEO系统。
关键字：
卫星导航定位，GPS，GLONESS，GALILEO，北斗
1.卫星导航技术的原理
1.1.卫星导航技术的工作原理
卫星导航分为多普勒测速、时间测距等方法。
多普勒测速定位是用户测量实际接收到的信号频率与卫星发射的频率之间的多普勒频移，并根据卫星的轨道参数，算出用户的位置。
时间测距导航定位是用户测量系统中4颗（或3颗）卫星发来信号的传播时间，然后完成一组包括4个（或3个）方程式的数学模型运算，
1
杨老师：
您好，我是电子信息工程专业1002班刘国华，之前我选修过您的课程《XLINXFPGA及应用》，同时在硬件课程设计中我使用的是XLINXbasys2实验板做的简易电子琴。
我对FPGA比较感兴趣，这方面有一定的基础，希望能在毕业课程设计中也选这方向的课题。
我在很多课程中也都是杨老师带的，所以感觉更亲切，其次也是因为老师严谨的教学态度，所以我想选择您的这个课题。
希望老师批准。
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杨老师：
您好，我是电子信息工程专业1002班李小伟，我对FPGA比较感兴趣，这方面有一定的基础，之前我选修过您的课程《XLINXFPGA及应用》，同时在硬件课程设计用FPGA做过mp3播放器。
希望能在毕业课程设计中也选这方向的课题，希望老师批准。
Pmod系列功能子板实现
.2.卫星导航技术的系统组成
卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成。
导航卫星是卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。
地面台站通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分，用于跟踪、测量、计算及预报卫星轨道并对星上设备的工作进行控制管理。
用户定位设备通常由接收机、定时器、数据预处理机、计算机和显示器等组成。
它接收卫星发来的微弱信号，从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等，同时测出导航参数，再由计算机算出用户的位置坐标和速度矢量分量。
用户定位设备分为单人（如手持GPS接收机）、车载、舰载、机载、弹载和星载等多种类型。
2.卫星导航技术的发展
自从五七年苏联第一颗人造卫星上天，六十年代的人造卫星导航定位技术，七十年代美国军方开始发展gps卫星导航定位系统，直至1995年4月27日美国国防部宣部“gps系统已具备全部运作能力”。
gps计划的实现历时23年，耗资200多亿美元，前后共发射35颗卫星，目前仍在轨道上正常工作的有二25颗卫星，其中1颗为实验卫星，24颗为工作卫星。
它具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力，是美国第二代卫星导航系统，其特点是全天候、高精度、应用广，是迄今最好的导航定位系统。
它广泛的军用和民用应用价值，引起了各国科学家的关注和研究，前苏联和西欧各国的科学家在积极开发利用gps信号资源的同时，还致力于研究开发各自的卫星导航定位系统，如前苏联建成的glonass卫星导航系统，我国也在致力于发展自已的卫星导航定位系统，欧洲的GLONESS系统，全球开始形成四足鼎立的形式，极大地促进了卫星导航技术的技术发展和应用。
2.1.美国全球定位系统（GPS）
1973年美国国防部决定发展各军种都能使用的全球定位系统（GPS Global Positioning System）,并指定由空军牵头研制。
在项目的实施中，参加的单位有美国空军、陆军、海军、海军陆战队、海岸警卫队、运输部、国防地图测绘局、国防预研计划局，以及一些北大西洋公约组织和澳大利亚。
历时20多年，耗资数百亿美元，于1994年3月10日，24颗工作卫星全部进入预定轨道，GPS系统全面投入正常运行，技术性能达到了预期目的，其中粗码（C/A码）的定位精度高达20m，远远超过设计指标。
2.1.1.GPS技术的布局
28颗卫星（其中4颗备用），分布在6条交点互隔60度的轨道面上，距离地面约20000千米。
已经实现单机导航精度约为10米，综合定位的话，精度可达厘米级和毫米级。
但民用领域开放的精度约为10米。
2.1.2.GPS技术的特性
三星定位，军民两用。
由于GPS定位技术涉及军事用途，美国限制非特许用户利用GPS定位精度。
GPS系统除在设计方面采取了许多保密性措施外，还对不同的用户提供不同的服务方式。
2.1.3.GPS技术的特点：
（1）全球全天候定位
GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，确保实现全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外）。
（2）定位精度高
应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6m，100-500km可达10-7m，1000km可达10-9m。
在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测时解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。
实时单点定位（用于导航）：
P码1~2m；C/A码5~10m。
静态相对定位：
50km之内误差为几mm+（1~2ppm*D）；50km以上可达0.1~0.01ppm。
实时伪距差分（RTD）：
精度达分米级。
实时相位差分（RTK）：
精度达1~2cm。
（3）观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟；采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟。
因而使用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。
（4）测站间无需通视
GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标。
这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%～50%），同时也使选点工作变得非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。
（5）仪器操作简便
随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化”。
在观测中测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。
结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。
如果在一个测站上需作长时间的连续观测，还可以通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。
另外，现在的接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻了测量工作者的劳动强度。
（6）可提供全球统一的三维地心坐标
GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。
目前GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。
2.2.俄罗斯“格洛纳斯”系统（GLONASS）
1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星，1996年1月18日完成24颗卫星在轨。
GLONASS的单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m.。
GLONASS与GPS类似，也由星座、地面控制和用户设备三部分组成。
空间星座由24颗GLONASS卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗在轨备用卫星，分布在3个近似为园的轨道面上，每个轨道上均匀分布8颗卫星，卫星运行周期11小时15分，轨道面互成120度夹角，轨道偏心率为0.01，轨道离地高度约19390km，每颗卫星质量为1400kg，这样的分布可以保证地球上任何地方任一时刻都能收到至少4颗卫星的导航信息；GLONASS卫星上装备有高稳定度的铯原子钟，星载设备接收地面站的导航信息和指令，对其进行处理，生成导航电文向用户广播和控制卫星在轨的运行。
地面监控部分包括位于莫斯科的控制中心和分散在俄罗斯整个领土上的跟踪控制站网，负责搜集、处理GLONASS卫星的轨道和信号信息，向每颗卫星发射控制指令和导航信息，实现对GLONASS卫星的整体维护和控制。
用户设备通过接收GLONASS卫星信号，测量其伪距或载波相位，结合卫星星历进行必要的处理，便可得到用户的3维坐标、速度和时间。
2.2.1.GLONESS系统的布局
已有28颗卫星（其中4颗备用），导航精度在5至6米左右，预计2015年可实现导航精度达1米左右。
但民用领域开放的精度约为10米。
特性：
三星定位，精度比GPS低，军民两用，采用两种频率信号。
工作不稳定，卫星工作寿命短。
2.2.2.GLONESS技术的特性
Glonass-K卫星是完全基于非压力式平台的新型卫星，使用寿命达到十年，该型号卫星完成后，Glonass系统将与GPS不相上下，用户可以使用两套系统。
系统目前使用的卫星为两种型号卫星——Glonass卫星与其升级型号Glonass-M。
Glonass-M卫星使用寿命更长，为七年，装有先进的天线馈电系统，并为民用客户增加了一个额外的导航频率。
Glonass系统为军民两用而设计，可使用户实时标明位置。
2.2.3.GLONASS系统的特点：
（1）GLONASS系统采用频分多址（FDMA）方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。
每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,6020.5625K（MHZ）和L2=1,2460.4375K（MHZ），其中K=1～24为每颗卫星的频率编号。
所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHZ和L2=1227.6MHZ。
（2）GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：
S码和P码。
俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。
GLONASS系统单点定位精度水平方向为16M，垂直方向为25M。
GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400KG，设计轨道寿命5年。
所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。
（3）尽管其定位精度比GPS系统、伽利略系统定位精度略低，但其抗干扰能力却是最强的。
由于卫星发射的载波频率不同，“格洛纳斯”可以有效地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
2.3.欧洲“伽利略”系统（GALILEO）
海湾战争和科索沃战争期间，美国限制GPS的使用给欧洲人敲响了警钟，增强了欧盟建立自己的、不受美国控制的卫星导航定位系统的决心。
同时，随着GPS逐步向民间开放，它已逐渐成为一个年产值达千亿美元的大产业。
欧洲发展卫星导航系统，涉及到重大的政治与经济利益，一方面是不“受制于人”，另一方面可为欧盟各国带来巨大的商机，大大提高欧盟的经济竞争力。
所以，从20世纪90年代起，欧盟就开始酝酿建立自己的全球卫星导航系统， 1998年欧盟15国决定制定一个卫星导航系统的建设计划，1999年初名为Galileo （伽利略）的卫星导航系统计划出台。
该系统的星座由均匀分布在3个轨道中的30颗卫星组成，每个轨道上9颗工作卫星和1颗备用卫星，轨道离地高约24000公里，计划总投资35亿欧元，所需资金中近三分之二是来自私营公司及投资者。
Galileo系统是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，多用于民用，但也用于防务，它可提供3种服务信号：
对普通用户的免费基本服务，加密且需注册付费的服务，供友好国家的防务等需要的高精度加密服务，其精度依次提高，用户可根据需要进行选择。
2.3.1.GALILEO系统的布局
计划30颗卫星（其中3颗备用），卫星轨道位置比GPS略高，离地面高度24126千米。
定位误差不超过1米。
目前，只有26颗投入应用，还有4颗在轨验证（IOV）卫星正在生产之中，将于近期发射入轨。
伽利略提供的公开服务定位精度通常为15－20米和5－10米两种档次。
公开特许服务有局域增强时能达到1米，商用服务有局域增强时为10厘米。
2.3.2.GALILEO系统的特性
三星定位，专门为民用。
将来精度最高的全开放的新一代定位系统。
可为地面用户提供3种类型的信号供选择，其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。
2.3.3.GALILEO系统的特点：
Galileo系统的主要特点是多载频、多服务、多用户。
它除具有与GPS系统相同的全球导航定位功能以外，还具有全球搜寻援救功能。
为此，每颗Galileo卫星还装备一种援救收发器，接收来自遇险用户的求援信号，并将它转发给地面援救协调中心，后者组织对遇险用户的援救。
与此同时，Galileo系统还向遇险用户发给援救安排通报，以便遇险用户等待援救。
Galileo系统也采用被动式导航定位原理和扩频技术发送导航定位信号；每颗Galileo卫星发送6种导航定位信号（L1F、L1P、E6C、E6P、E5A、E5B），它将功能分成公开、安全、商务和管制等4种服务模式，每种服务采用不同的信号，其目的如下所述：
（1）公开服务（OS）：
为全球广大用户免费提供定位、导航和定时服务，而且能够达到优于GPS的标准服务水平（SPS）。
（2）人身安全服务（SOL）：
依据航空、航海和铁路运输的安全要求，为该三大领域的广大用户提供完全可靠的人身安全服务保障。
（3）商务服务（CS）：
以发送加密的相关导航数据（0.5Kbps）的方式，为导航和定时的特需用户，提供优于OS的定位、导航和定时服务。
（4）公用管制服务（PRS）：
为欧洲及同盟国家提供国家安全保障服务，它使用一种特定而被管制的导航定位信号，实施PRS服务。
Galileo卫星导航定位系统的设计功能强大，具有GPS系统所没有的技术优势和服务范围。
它的建成将明显改善全球卫星导航定位领域的服务质量。
Galileo系统，不仅每年能够产生近百亿欧元的经济利润，而且能够产生巨大的社会效益。
Galileo卫星导航定位系统，作为未来交通管理和测量系统的核心部分，将是降低有关成本、产生经济效益的关键。
例如，当它用于车辆导航时，每减少1%的旅行时间、交通堵塞、大气污染和交通事故，就能够节约2000亿欧元
2.4.中国“北斗”系统（COMPASS）
“北斗”卫星导航定位系统需要发射35颗卫星，足足要比GPS多出11颗。
按照规划，“北斗”卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，采用“东方红”-3号卫星平台。
30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道（MEO）卫星和3颗倾斜同步（IGSO）卫星组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里。
“北斗“卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。
开放服务在服务区免费提供定位，测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。
授权服务则是军事用途的马甲，将向授权用户提供更安全与更高精度的定位，测速，授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。
地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。
用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧洲“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。
2.4.1.北斗系统的布局
由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，定位精度10米。
目前10颗卫星开始应用，定位精度只达到25米。
2.4.2.北斗系统的特性
双星定位，民用为主，军事能力有限。
能在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。
在定位性能上有所创新，不仅能使用户知道自己所在位置，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于需要导航与移动数据通信场所。
此外，中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。
北斗卫星导航系统向全世界提供的服务均为免费。
2.4.3.北斗系统的特点
（1）北斗导航系统可以提供导航定位服务，其精度可以达到重点地区水平10米，高程10米，其他大部分地区水平20米，高程20米；测速精度优于0.2米/秒。
这和美国GPS的水平是差不多的。
（2）授时服务。
授时精度可达到单向优于50纳秒，双向优于10纳秒。
（3）短报文通信服务。
这一功能能够保证在我国及周边地区具备每次120个汉字的短信息交换能力。
“一代系统的用户不少，用得也很好，我们不能建设了二代系统，一代就废了。
所以，我们要做到二代兼有一代的功能，也有短报文通信能力。
”
（4）具备一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力；系统的导航定位用户容量不再受到限制，并且保证用户设备的体积小、质量轻、功耗低，满足手持、机载、星载、弹载等各种载体需要。
2.5.四大卫星导航系统的比较
3.卫星导航系统的应用
3.1个人位置服务
当你进入不熟悉的地方时，你可以使用装有卫星导航接收芯片的手机或车载卫星导航装置找到你要走的路线。
3.2.气象应用
卫星导航气象应用的开展，可以促进天气分析和数值天气预报、气候变化监测和预测，也可以提高空间天气预警业务水平，提升气象防灾减灾的能力。
除此之外，卫星导航系统的气象应用对推动卫星导航创新应用和产业拓展也具有重要的影响。
3.3.道路交通管理
卫星导航将有利于减缓交通阻塞，提升道路交通管理水平。
通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机，车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。
这些位置信息可用于道路交通管理。
3.4.铁路智能交通
卫星导航将促进传统运输方式实现升级与转型。
例如，在铁路运输领域，通过安装卫星导航终端设备，可极大缩短列车行驶间隔时间，降低运输成本，有效提高运输效率。
未来，卫星导航系统将提供高可靠、高精度的定位、测速、授时服务，促进铁路交通的现代化，实现传统调度向智能交通管理的转型。
3.5.海运和水运
海运和水运是全世界最广泛的运输方式之一，也是卫星导航最早应用的领域之一。
目前在世界各大洋和江河湖泊行驶的各类船舶大多都安装了卫星导航终端设备，使海上和水路运输更为高效和安全。
卫星导航系统将在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障。
3.6.航空运输
当飞机在机场跑道着陆时，最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。
利用卫星导航精确定位与测速的优势，可实时确定飞机的瞬时位置，有效减小飞机之间的安全距离，甚至在大雾天气情况下，可以实现自动盲降，极大提高飞行安全和机场运营效率。
3.7.应急救援
卫星导航已广泛用于沙漠、山区、海洋等人烟稀少地区的搜索救援。
在发生地震、洪灾等重大灾害时，救援成功的关键在于及时了解灾情并迅速到达救援地点。
4.小结
经过本课程的学习，我对卫星导航技术的原理和结构有了更多的认识，对卫星导航技术的结构有了初步的了解，通过与自己专业知识的结合，加深了自己专业知识的了解与应用。
同时，也充分认识到当今四大卫星导航技术系统对卫星导航技术发展的重要作用，意识到作为大国崛起的过程中，拥有自主研发，性能优良的卫星导航系统对于保卫国家，推动社会进步中的重要作用，也意识到自己作为信息技术学科学生的责任。
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