GNSS卫星导航系统概述

孙娟娟 王永

摘 要：卫星导航系统能为用户提供定位、测速和授时服务，在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。近年来，各国的卫星导航系统都在飞速建设和发展中，其中北斗系统是中国自主研发的卫星导航系统，GPS是目前最成熟的卫星导航系统。本文选取GPS系统和北斗系统，分别对二者在空间星座、空间信号和服务性能等方面进行了介绍，为从事相关领域的研究工作人员提供一定参考。

关键词：卫星导航系统 北斗 GPS

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-000-04

在目前所有的全球卫星导航系统中，美国的GPS发展最早，技术最为成熟。北斗卫星导航系统简称北斗系统，是中国自主研发并实施的全球卫星导航系统，于1994年起步，目前已经实现区域覆盖能力，为亚太地区提供服务。GPS和北斗系统二者结合，可以得到性能更加优秀的组合导航系统，因此兼容GPS和北斗系统的双模定位终端也越来越成为趋势。

1 定位原理

目前卫星系统进行定位的原理，普遍基于“四星定位”的原则，即至少通过4颗当前可见卫星与本地接收机的距离公式来求得本地接收机的位置坐标。定位功能的实现需要解决以下两个问题：（1）当前各颗可见卫星的空间坐标；（2）当前各颗可见卫星到本地接收机的距离[1]。问题1的解决方法是对接收到的卫星信号进行解调获得星历参数，根据星历参数计算得到每颗卫星的空间坐标，问题2的解决方法是利用卫星信号在空间中的传播时间差乘以光速得到卫星与本地接收机的距离。如图1所示，本地接收机的位置坐标（x，y，z）的求取方法见公式（1），（xi，yi，zi）为卫星i的空间三维坐标，ti为卫星i信号的发射时间（i=1，2，3，4），这些参数由于可以从星历参数中得到，可视为已知量，tu为卫星信号的接收时间，为未知量，因此在公式（1）中有4个未知量x，y，z，tu，这也是至少需要4颗卫星才能达到定位目的的原因。

（1）

2 卫星导航系统

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称为GNSS），已成为世界各国重大空间和信息化基础设施，也标志着现代大国地位和综合国力，各国都在积极建设和发展属于自己的卫星导航系统。

目前，GNSS主要包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou），欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo）。其中美國的GPS系统发展最早，技术成熟，性能优秀，应用广泛。随着空间技术的发展和卫星应用的不断增加，太空资源日益紧张，每个拥有卫星导航系统的国家都在积极抢占卫星频率和轨道资源，鉴于军用信号的机密性，图2只列举了目前常用的GNSS民用信号的工作频段。

3 GPS系统

GPS的空间星座部分如图3所示，是由21颗工作卫星和3颗备用卫星构成。这24颗卫星分布在6个轨道上，每个轨道不均匀地分布着4颗卫星。每个轨道面与地球赤道面的夹角约为55°，相邻两个轨道面的升交点经度相差60°，在相邻轨道上邻近卫星的升交点角距相差约30°。GPS卫星属于地球中轨卫星，卫星轨道的平均高度约为20200km，运行轨道为接近正圆的椭圆，运行周期为11h58min。GPS系统覆盖全球，可以保证在地球上任何地点、任何时间都至少可以观测到4颗俯仰角15°以上的卫星。

GPS的空间信号分为3个层次，即载波、测距码和导航电文。GPS卫星初始使用的载波频率有两个：L1和L2，在2010年时美国发射了第一颗三频GPS卫星，首次播发了GPS的第三个载波频率L5。GPS信号上存在着C/A码和P（Y）两种测距码，民用C/A码的码速率为1.023Mcps，码长为1023。GPS系统的导航电文速率为50bps。在调制方式上，GPS系统L1、L2卫星信号均采用二进制相移键控（BPSK），L5新信号采用正交调制（QPSK）。图4为GPS L1 BPSK信号调制的示意图。

GPS系统全球覆盖的24颗卫星已布设完毕，可以提供实时、全天候和全球性的定位导航服务。目前，GPS标准定位服务（SPS）在95%概率内的单点定位精度为：水平定位误差 ，垂直定位误差 ，授时误差[2，3]。

4 北斗系统

我国的北斗系统于1994年启动建设至今，逐步形成了“三步走”的发展战略：2000年年底建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年年底建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年前后建成北斗三号系统，向全球提供服务[4]。目前，前两步已经实现，北斗三号系统正在高密度组网发射阶段。

4.1 北斗一号

基于陈芳允院士提出的双星定位的方案，1994年我国启动了北斗一号系统的建设。如图5所示，北斗一号系统由两颗地球同步静止轨道卫星、地面中心站和用户设备组成，主要定位原理是以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，以测定的卫星至用户设备的距离为半径，形成2个球面，用户设备处于2个球面交线上，地面中心站提供用户设备高度，并用数学方法求解出用户位置。由于定位时需要用户设备向卫星发送定位请求信号，因此北斗一号的定位方式被称为“有源定位”。有源定位的方式使得用户与用户、用户与中心站之间可以双向通信，即使是在公共通讯网络中断的情况下，北斗一号系统依然可以为用户提供通信服务，这一特点作为一种应急通信手段可以在应对重大自然灾害方面发挥重要作用，在汶川抗震救灾中，北斗一号系统就成为灾区与外界联系的唯一途径[5]。但是这种定位方式一方面会暴露用户的位置，另一方面需要发射设备，在体积、重量、价格和功耗方面都不易推广。由于所有的位置解算都在地面中心站中完成，受系统容量限制，用户定位申请的频率最高1次/s。

4.2 北斗二号

为了缩短与美国GPS的差距，我国重新规划了北斗系统的空间星座。北斗卫星导航系统的空间星座由5颗地球静止轨道（GEO）卫星、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。GEO卫星轨道高35786km，分别定点于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°；MEO卫星轨道高21528km，轨道倾角55°；IGSO卫星轨道高35786km，轨道倾角55°。由于北斗系统采用3种轨道卫星混合的方式，与GPS系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力更强[6]。2007年我国正式组网北斗二号卫星导航系统，如图6所示，北斗二号系统卫星有14颗，覆盖55°S-55°N，70°E-150°E的大部分区域，主要用于服务中国及周边国家。

北斗二号系统使用的载波频率有3个：B1、B2、B3。北斗系统是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统。其中民用B1和B2信号测距码码速率为2.046Mcps，码长为2046。导航电文根据信息速率和结构的不同，分为D1导航电文和D2导航电文，D1导航电文速率为50bps，D2导航电文速率为500bps，MEO/IGSO卫星播发D1导航电文，GEO卫星播发D2导航电文。北斗二号系统的B1、B2信号采用正交调制（QPSK），B3信号采用二进制相移键控（BPSK）。

北斗二号系统采用了类似GPS的无源定位方式，同时也保留了北斗一号系统的有源通信功能，即短报文通信功能。北斗短报文可以发布120个字的信息，用户可以将当前位置信息同时发送给中心控制系统和其他用户终端，在抗险救灾、远程紧急调度、单兵对讲和野外作业等应用场景中可以发挥很好的作用。定位的时候采用无源方式，通信的时候采用有源方式，无源和有源相结合的方式，也成为北斗系统的一大特色。

北斗二号系统已实现区域服务能力，可以连续提供公开服务的区域包括55°S-55°N，70°E-150°E的大部分区域。在公开服务区，北斗系统在95%概率内的单点定位精度为：水平定位精度≤10m，垂直定位精度≤10m，测速精度≤0.2m/s，授时精度≤50ns。因此，在中国和周边地区，北斗系统的服务性能与GPS是相当的。离开服务区越远的用户，精度越低，可用性也随之下降。

4.3 北斗三号

2017年11月5日首批北斗三号卫星发射升空，揭开了北斗卫星导航系统全球组网的大幕，将陆续发射35颗北斗三号卫星，目标是为全球提供服务。与北斗二号系统相比，除了服务范围由区域扩大至全球外，北斗三号在精度和可靠性等方面都有了很大提高。北斗三号系统采用新型导航信号体制，在继承和保留北斗二号B1、B3信号基础上，新增B1C公開信号，并对B2信号进行了升级，采用新设计的B2a代替原信号，提高了信号利用率、兼容性和互操作性；北斗三号系统还将按照国际标准提供全球搜救和星基增强服务；此外，北斗三号卫星星座首次搭建了星间链路，可实现卫星之间的双向精密测距、通信和数据传输，即使地面站全部失效，30多颗“北斗”导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时。

5 结语

本文选取两个具有代表性的卫星导航系统：GPS系统和北斗系统，从空间星座、空间信号和服务性能等多个方面对两个系统进行了介绍，综合来看，由于中国的北斗系统起步较晚，在空间星座的布设、服务范围和服务性能等各方面相比于GPS系统还有明显差距，但是北斗系统也有其后发优势，独具中国特色。相信随着我国经济建设和国防航天事业的飞速发展，北斗系统的发展潜力会更加凸显，建设速度逐渐加快，从而更好地服务于国家和社会。

参考文献

[1] Borre K， Akos DM， Bertelsen N， et al. A software-defined GPS and Galileo receiver：A single-frequency approach. With DVD[M]. Applied & Numerical Harmonic Analysis， 2007：1632-1637.

[2] 谢钢.全球导航卫星系统原理——GPS、格洛纳斯和伽利略系统[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3] N. M. Drawil， H. M. Amar， O. A. Basir. GPS Localization Accuracy Classification： A Context-Based Approach[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2013，14（1）：262-273.

[4] 王迪.北斗导航卫星应用前瞻[J].科技资讯，2014，12（9）：6-7.

[5] 付海军.一种基于北斗导航系统的应急系统设计[J].电子技术与软件工程，2014（4）：74-75.

[6] 刘俊伟.移动智能终端北斗导航技术展望[J].信息通信技术，2017，11（5）：29-34.