全球卫星导航定位技术的现状与发展

【摘要】随着卫星导航定位系统的发展壮大，全球定位系统进去了与定位、导航、授时、移动通信和因特网等多源信息载体融合的新时期，一直以来我国对全球卫星导航定位系统的探索使得我国成为了拥有自主建设、独立运行卫星导航系统的国家，本次课程论文主要阐述了全球导航定位系统（GNSS）的现状以及发展历程，介绍了GNSS分类、功能、特点以及工作原理等等，并重点阐述了GNSS下全球定位系统（GPS）和北斗导航定位系统在各行各业中的应用和影响，并针对这些应用进行了分析和总结，分析GNSS在实际应用中出现的问题，并找出问题出现的原因以及解决这些问题的方案和办法，最后对全球卫星导航定位系统（GNSS）在我国未来的发展趋势进行了展望。

关键词: 全球卫星导航定位系统（GNSS）；全球定位系统（GPS）；北斗卫星导航系统。

中图分类号：V355,TP311.52 文献标识码： A

Status and development of global satellite navigation and positioning technology

Abstract: With the development of satellite navigation and positioning system, Global Positioning System (GPS), and went in with positioning, navigation, timing, mobile communication and Internet fusion of multi-source information carrier in the new period, has always been our country the search for global satellite navigation and positioning system, makes our country became independent construction, independent satellite navigation system running state, this class paper mainly expounds the Global Navigation and Positioning System ( GNSS ) status quo and the development course , this paper introduces the classification of GNSS, function, characteristic and working principle, and so on, And focusing on the Global Positioning System ( GPS ) of GNSS and beidou navigation positioning system application in all walks of life and influence , and according to these applications are analyzed and summarized, problems arising from the analysis of GNSS in practical application, and find out the cause of the problem and the solutions and measures to solve these problems, finally to the Global Satellite Navigation and Positioning System ( GNSS) in our country, the development trend of the future is prospected.
Key words: Global Satellite Navigation and Positioning System (GNSS), Global Positioning System (GPS), beidou

1前言

全球卫星导航定位系统（global navigation satellite system 简称GNSS）是我国的民经济信息化建设的重要组成部分和推进力量，也是建设国家信息体系的重要基础设施，同时也是直接关系到国家安全、经济发展的关键性系统技术平台，近年来GNSS系统在国民经济中占重要组成部分。而GPS（全球定位系统）作为卫星导航定位系统的重要代表已逐渐成为一个全球性的高新技术企业。国家已将全球卫星导航定位系统作为国家高技术工程12个专项之一，可见国家对卫星导航定位系统的高度重视，全球卫星导航定位系统在国家卫星导航系统工业中的广泛应用使得我国的经济实现迅速发展。

2简介

全球卫星导航定位系(GNSS)是指所有在轨工作的卫星导航系统的总称，它目前可分为全球定位系统（GPS）、中国北斗系统（BDS）、欧盟的伽利略 (GALILEO)和俄罗斯的格洛纳斯 (GLONASS)4 大全球导航系统

2.1全球定位系统（GPS）

2.1.1概念

美国全球定位系统（Global Positioning System 简称GPS）是起始于1958年美国军方的一个项目，它由1973年开始起步，历时20年之久，耗资200亿，于1994年全面建成，其属于一种结合了卫星和通讯发展的技术，由空间部分、控制部分、用户部分三个组成，具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力，因此GPS已成为目前全球使用最为广泛的GNSS系统之一。

2.1.2功能和特点

a.全天候：指这个系统不受时间、气候以及昼夜变化等等条件的影响，无论外界因素的影响多大，都不会造成其观测结果的影响；

b.高精度：高度精度也就是指所测高度的误差值，单频GPS接收机静态测量（处理后）精度可达非常高的值(±5mm+2ppm·D)。双频GPS接收机静态测量精度和实时动态测量（RTK）精度也可以达到非常高的值，可以准确、高效率地测量数据；

c.全方位：指GPS野外作业是不受空间的限制，它形成了全方位覆盖全球的网，无论在哪里都可以接收到GPS卫星的信号；

d.多用途：由于GPS具有全天候、全球覆盖和高精度等的优良性能，全球定位系统不仅可以用于测量定位和导航，还可用于测速和授时、环保、地震、旅游、交通、气象、考古、探险、农业、林业等领域；

e.高效方便快捷：GPS观测系统操作简单方便，操作时间短，大大的提高了观测系统的效率和速率，为人类节省了大量的人力物力。

2.1.3操作原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可以知道接收机的具体位置，要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到，当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

2.2俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）

2.2.1概念

GLONASS是由前苏联从20世纪80年代初开始建设的与美国GPS系统类似的卫星导航定位系统，1993年, 俄罗斯开始独自建立本国的全球卫星导航系统;2007年, 导航系统开始运营, 服务范围在俄罗斯境内;2009年, 服务范围拓展到全球;2011年, 在全球正式运行，现在由俄罗斯空间局管理；

2.2.2功能和特点

GLONASS在定位、测速和精度上有着比其他三个导航系统更具优势，GLONASS定位技术可为全球海陆空以及近地空间的各种军用、民用户全天候、连续不断地提供高精度的三维位置、三维速度和时间等信息，同时，GLONASS还可以和GPS相结合使用，可以大大地增加工作效率；

2.2.3工作原理

GLONASS系统精度水平方向可达到16米, 垂直方向可达到25米，它的系统标准配置为24颗卫星, 在定位、测速及定时精度上优于民用精度的GPS, 又可与GPS结合, 提供更好的精度几何因子GDOP (GDOP是一种定位精度参数, 包括水平模糊度、高度模糊度、三维模糊度及时间模糊度四种因子) 。

2.3北斗卫星导航定位系统（BDS）

2.3.1概念

北斗卫星导航定位系统（BeiDou Navigation Satellite System简称BDS）是一个由中国正式实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，于20世纪80年代开始建成，北斗系统主要包括北斗一号和北斗二号的二代系统；

2.3.2功能和特点

a.快速定位：北斗导航定位系统的逐渐完善，使得人类可以更加准确地定位地理信息，北斗导航定位系统可以更好地为服务区域内的用户提供全天候、高精度、实时快速的定位服务；

b.通信简短：北斗系统用户端具有双向数字报文通信能力，可以高效的传送数字，并且其不受距离限制, 可有效应对远距离通信或无线电盲区通信, 能在航空、航海、抢险救灾等活动发挥重要作用；

c.精密授时：北斗导航系统为用户提供了高效高精度的授时服务，并且其还同时具有单向授时和双向授时两种授时功能，使得授时过程变得准确而又高效率，在军事、通信、金融、电力等对时间同步要求高的行业有非常重要的作用。

2.4欧盟的伽利略 (GALILEO)

2.4.1概念

GALILEO系统是由欧洲研发并建立的自主的、独立的全球多模式卫星导航定位系统，该系统是世界上首个基于民用的全球卫星导航系统。GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗为工作星，3颗为备份星。

2.4.2功能和特点

GALILEO系统为用户提高了高精度、高可靠性的定位服务，也具有覆盖全球的导航和定位服务功能，其中，它有五种常见的服务类型，分别为开放服务（Open Service,OS指向所有公民都开放的免费业务）、商业服务（Commercial Service，CS指为商业提供实施控制接入的有偿服务）、公共管理服务（Public Regulated Service,PRS指为公共管理安全和军事应用提供实施控制接入的有偿服务）、生命安全服务）（Safety-of-Life Service,SOL指确保飞机、车辆运行安全的服务）、搜索和救援服务（Search and Rescue Service,S&R指失踪目标搜索和相应救助的有偿服务）。

3用途

3.1全球卫星导航定位系统在工程建设中的应用:

3.1.1用于各国大地控制网的建设

GPS技术的出现使得一个基于地心建立和维持着长期稳定的、具有高密度的、动态的全球性或区域性坐标参考得以建立和维持，使得大地测量技术在我国很好地展开来；

3.1.2应用于工程施工测量、精密检测

由于精度高、观测时间短、测站间不需要通视和全天候作业等优点，GNSS 系统已经广泛且成熟地应用于高精度大地观测、工程测量等各个领域，其次，GNSS 系统具有自动化与现代化的特点，大大地节省了系统对人力、物力的开支。尤其是在一些山区的测绘以及一些大型建筑（如大坝）的变形监测等方面，GNSS 系统有着突出的作用，具有便捷、精度高、耗费低等优点；

3.1.3应用于通信工程、电力工程

随着经济的发展，人民生活水平的提高，人类对电网自动化要求越来越高，始终要求主站端与远方终端（RTU）的时间同步，利用GPS定时信号可克服通信系统中分辨率小、硬件复杂、变位计算复杂等问题，GPS高精度的定时功能还可以在交流电网的协同供电中发挥作用，使得不同电网中保持几乎协同的相角，节约电力资源，因此全球定位系统的出现和计算机、通信技术的迅速发展，GNSS在电力网的使用为实现全电网运行状态的实时监测提供了坚实和有力的基础;

3.1.4应用于交通、监控等等

卫星导航定位系统在交通尤其高铁中广泛使用，为确保列车高速行驶安全，在牵引机车上安装采用最新通信技术的GPS全球卫星定位系统，无线通信列车调度系统和无线车次号系统，三种通信系统的联合构成GPS安全报警系统，使列车在高速行驶的条件下通信联络畅通，定位准确，大大提高了高速铁路行车的安全性。

3.2全球卫星导航定位系统在林业中的应用

3.2.1用于森林火灾的防护

GNSS被广泛应用在森林防火中，进行对火灾地点的定位和确认，唐小明等人在《世界林业研究》中写到，如果在森林遇到火灾或者疑似火灾的情况出现，卫星会接到信号并自动发生警报，并将信号传入森林监控检测中心，森林监控检测中心的工作人员接收到信息并根据信息找到事发地点进行火灾的确认，如果发生了火灾，可以进行有效的防灾措施，因此GNSS系统在森林防火中是至关重要的，而张雷等研建的基于北斗和GPS的森林防火人员调度指挥系统，该系统中强调说将北斗系统和GPS相结合使用可以有效的达到定位要求，大大地提高了森林防火工作的效率;

3.2.2用于森林资源和物质的调查

GNSS在森林里可以进行对森林的资源、物质的调查。是利用GPS和北斗系统的定位和复位技术，对资源地进行查找和定位来进行对林业资源的研究和调查，也利用定位终端对林区各种境界线实施精确勘界和区划落界等，如林地落界、行政区落界等。在二类资源调查中，利用地形图短距离折线导航，可以准确、高效地进行林班线伐开工作，其也可以应用在研究森林有害物质上；

3.3全球卫星导航定位系统在军事技术中的应用

3.3.1空中轰炸

GPS可以作为接收机安装在飞机上，因为将其安装在飞机上不仅可以有效改善导航的精度，而且由于GPS的导航作用，将轰炸目标看作投放点可以有效地增加投放精度。利用GPS导航和全方位、全天候等特点，战斗机的飞行与投弹不受白天黑夜、不管在何处，都可以避开敌方雷达视距低空穿越飞行，减少损失，重创敌人;

3.3.2搜索救援

主动式搜索救援:始终监视救援范围内的情况，跟踪目标，根据全球定位系统(GPS)在军事上的应用GPS测定的位置，组织救援，提高救援成功率。被动式搜索救援:配备带有GPS接收机的紧急求救无线发信装置(一般放在头盔上)的指战员们主动求救;

3.3.3精确制导和打击效果评估

由于GPS系统有精度高、制导方式灵活等特点，现如今已GPS成为精确制导武器的一种重要的制导原理。在导弹弹头上安装GPS接收机，其可随时测定导弹位置，对导弹进行偏差与修正，使导弹可以准确地命中目标，也GPS系统全方位、全气候的特点使得其命中目标的时候不受导弹射程(即使为数千公里)、风向、地点等外界因素的影响。在近几场高技术局部战争中， GPS也可以对打击目标命中率进行评估。在装有GPS接收终端的弹药击中目标引爆的瞬间，它可以触发用户机进行定位，并将位置信息和时间信息迅速传送到指挥中心，从而进行命中率评估，其评估效果已在伊拉克战争中得到充分检验可以广泛应用在对用户的效果评分之中；

3.3.4地面作战

当部队进行集结调动、穿越陌生区域、战场补给、协同作战、识别敌我阵地、行军路线等的军事活动时，利用GPS接收机可以保证不会发生立场和路线的错误。当指挥员在制定战斗方案时，利用各部队根据GPS确定并连续发送过来的实时位置，再配上主系统便可以在没有实际地图的情况下，更科学合理地对战争情况进行指挥；

3.3.5布雷扫雷

在军事活动中，可以利用GPS对水下进行探测，记录和标记下水雷或地雷的精确位置，有利于军事活动更安全地展开，既避免了误伤自己人，而且战争结束后，清理战场也安全得多。

3.4全球卫星导航定位系统在其他领域的应用

3.4.1在娱乐活动中的应用

通过对GPS的应用使得人们掌握位置信息，可以广泛应用在各种娱乐活动如登山、滑雪、打猎等；

3.4.2应用于海洋业

包括对远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质监测以及海洋平台定位、海平面升降监测等等。

4目前GNSS所存在的问题以及解决方法

4.1存在问题

4.1.1定位精度差

全球卫星导航定位系统虽然具有精度高等的优点但是但是在实际应中，由于在许多地区（如林区）基准站数量少，基准站不能全部覆盖区域，因此实际应用中仍然存在精度差的问题。因此在一些实际应用中，还是采用传统办法，如在三类调查中进行面积计算时，面积在 1 hm2以下的地块应用罗盘仪或测绳求积法，在很多时候一些人为因素也会导致精度差偏离，因此，GNSS系统在实际应用中会存在少许误差；

4.1.2信号弱

GNSS 信号到达接收机天线时的功率低于-142 dBm 的 GNSS 信号[31]。在弱信号环境下，接收机收到的卫星信号非常微弱，不能满足接收机定位的基本信号强度，接收机将无法定位。在许多大区域中，会存在许多自然因素挡住；

4.1.3抗干扰能力低

在GNSS系统工作时总是会受到许多因素的干扰，而抗干扰能力又较低，受许多因素如卫星达到地面后成功率小容易受到干扰、接收机难以区分真假信号等等的问题，因此，全球定位技术还尚未成熟；

4.1.4使用人数少

因为全球定位系统开发和使用时间并不算长久，就中国而言，长久以来对的封建思想在人们心里根深蒂固，所以导致该系统发展叫缓慢，用少许地区还用传统的通讯、交通、制造等方式。

4.2解决方案

4.2.1提高信号发射率

提高信号发射率帮助接收机实现快速捕获和稳定跟踪；降低导航电文的调解率，缩短首要定位时间，提高整个系统的抗干扰能力，将弱信号变为非弱信号被接受，扩大接收机的接收范围；

4.2.2优化星座布局

优化星座布局，不仅可以降低DOP以提高GNSS的可用性与连续性；

4.2.3实现系统间的兼容与互操作

GNSS的兼容和互操作是指通过公用中心频率以及频谱重叠来实现，当然需要使用不同的得信号调制方式和不同的信号结构，这也是系统相互独立性的必然要求，这种方式一方面可以解决卫星导航频率资源的紧缺问题，另一方面也可以减少接收机的负担；

4.2.4大力应用GNSS

将该系统应用在各个方面、各个地区，增加其使用范围和使用程度，使得应用得更广泛更普遍。

4发现展望及总结

总而言之，全球卫星导航技术已经应用广泛，逐渐发展为多领域、多模式、多用途、多机型的高新技术国际性产业，对许多大领域如军事、海洋、航空、林业、通信等而言他已经必不可少了，当然，虽然GPS和北斗系统被广泛应用在各个领域，但任然存在着许多问题，这是全球问题，去因此需要我们全人类共同探索，不断寻求更加适合全球卫星导航定位系统发展的路程，不断完善该系统；同时，我们也要做到创新，不断顺应人类需求而创新GNSS系统，随着时代发展，只有适应时代发展和社会需求，不断更新换代的全球定位系统才能在全球卫星通讯的激烈竞争中不被淘汰，越发展越强。

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