[转】GPS 25周年 从军用转向民用

文章来源：http://news.youkuaiyun.com/a/20100622/218871.html

全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)，又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆形轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和计时的需要。

GPS系统包括太空中的24颗GPS卫星，地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

该系统由美国政府于20世纪70年代开始进行研制并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务(SPS，Standard Positioning Service)和军规的精确定位服务(PPS，Precise Positioning Service)两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用信号中人为地加入误差(即SA政策，Selective Availability)以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100m左右;军规的精度在10m以内。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用信号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到10m左右的定位精度。

GPS系统拥有如下多种优点：全天候，不受任何天气的影响;全球覆盖(高达98%);三维定速定时高精度;快速、省时、高效率;应用广泛、多功能;可移动定位;不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。

GPS系统发展历程

自1978年以来已经有超过50颗GPS和NAVSTAR卫星进入轨道。GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit)，1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5~6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13圈，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12~18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4~5颗卫星组成3~4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24小时的倾斜轨道。该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划是能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将两者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120°的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6～9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。 由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60°的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备份星工作在互成30°的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

PS计划的实施共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1978年～1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km，倾角64°，轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年～1984年，又陆续发射了7颗被称为BLOCK Ⅰ的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14m。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为BLOCK Ⅱ 和 BLOCK ⅡA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底使用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

GPS系统的组成

GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。

空间星座部分

GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，一个轨道平面上的卫星比相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。

GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m接受日光面积为7.2m2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15Ah镍镉电池充电，以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30°的两个L波段(19cm和24cm波)的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。

由GPS系统的工作原理可知，星载时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率稳定度为10~11量级/秒。误差为14m。1974年以后，GPS卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到10~12量级/秒，误差8m。1977年，BOKCK Ⅱ型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10~13量级/秒，误差则降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为10 ～ 14量级/秒的氢原子钟使BLOCK ⅡR型卫星误差仅为1m。

地面监控部分

地面监控部分主要由1个主控站、4个注入站和6个监测站组成。

主控站位于美国科罗拉多州的谢里佛尔空军基地，是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。另外还有一个位于马里兰州盖茨堡的备用主控站，在发生紧急情况时启用。

注入站目前有4个，分别位于南太平洋马绍尔群岛的瓜加林环礁，大西洋上英国属地阿森松岛，英属印度洋领地的迪戈加西亚岛和位于美国本土科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。注入站的作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星。

注入站同时也是监测站，另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角两处监测站，故监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。

用户设备部分

用户设备主要是GPS接收机，主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

定位误差来源与分析

GPS定位在过程中出现的各种误差根据来源可分为三类：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差及与接收机有关的误差。这些误差对GPS定位的影响各不相同，且误差的大小还与卫星的位置、待定点的位置、接收机设备、观测时间、大气环境以及地理环境等因素有关。针对不同的误差有不同的处理方法。

为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统(Differential GPS)，简称DGPS。亦即利用附近的已知参考坐标点，来修正 GPS 的误差。再把这个即时误差值加入本身坐标运算的考虑，便可获得更精确的值。

北斗卫星导航系统 自主创新的典范

北斗卫星导航系统，是中国研发的卫星导航系统，包括北斗一号和北斗二号的2代系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。

北斗一号由三颗(两颗工作卫星、一颗备用卫星)北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。北斗卫星导航定位系统可向用户提供全天候、24小时的即时定位服务。定位精度可达数十纳秒的同步精度，其精度与GPS相当。

工作原理

北斗一号卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星Ⅰ和卫星Ⅱ同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟;和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。

由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。

另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

北斗一号与GPS系统比较

覆盖范围

北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°～140°，北纬5°～55°，GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保在地球上任何地点、任何时间能同时观测到6～9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。

卫星数量和轨道特性

北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。GPS导航卫星轨道为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。

定位原理

北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。

定位精度

北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。

用户容量

北斗导航系统由于是主动双向测距的询问——应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。

生存能力

和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号” 系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通信功能就是GPS所不具备的。

北斗二号和未来发展

规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。此前，已成功发射了两颗北斗导航卫星，这一颗卫星为静止轨道卫星。按照建设规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

北斗二号，是中国开发的独立的全球卫星地位系统，不是北斗一号的简单延伸，更类似于GPS全球定位系统和伽利略。

2007年初，北斗二号的第一颗卫星已经成功发射。2009年初，第二颗北斗导航卫星发射。2010年初，第三颗北斗导航卫星成功发射。2010年6月2日，第四颗北斗导航卫星成功发射。

北斗卫星发射时间

北斗一号导航定位卫星的发射时间分别为：

2000年10月31日，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1A。

2000年12月21日，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1B。

2003年5月25日，西昌卫星发射中心成功发射北斗备用卫星北斗-1C。

2007年2月3日，西昌卫星发射中心成功发射北斗导航试验卫星北斗-1D。

北斗二号导航定位卫星的发射时间分别为：

2007年4月14日4时11分，第一颗北斗导航卫星(M1)从西昌卫星发射中心被“长征三号甲”运载火箭送入太空。

2009年4月15日，第二颗北斗导航卫星(G2)由长征三号丙火箭顺利发射，位于地球同步静止轨道。

2010年1月17日，西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭发射第三颗北斗导航卫星(G1)。2010年6月2日夜间，第四颗北斗导航卫星(G3)在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭成功送入太空预定轨道。

格洛纳斯 对抗欧盟和美国的利器

格洛纳斯系统又称GLONASS、全球导航卫星系统(俄语：ГЛОНАСС)是由俄罗斯研发的卫星导航系统，类似于美国的全球定位系统及欧盟的伽利略定位系统。该系统由俄罗斯政府运作。

GLONASS系统由卫星、地面测控站和用户设备三部分组成，系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3 个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度19000公里，运行周期11小时15分。GLONASS系统于20世纪70年代开始研制，1982年发射首颗卫星入轨。但由于航天拨款不足，该系统部分卫星一度老化，最严重时只剩6颗卫星运行。2003年12月，由俄国应用力学科研生产联合公司研制的新一代卫星交付联邦航天局和国防部试用，为2008年全面更新GLONASS系统作准备。在技术方面，GLONASS系统的抗干扰能力比GPS要好，但其单点定位精确度不及GPS系统。2004年，印度和俄罗斯签署了《关于和平利用俄全球导航卫星系统的长期合作协议》，正式加入了GLONASS系统，计划联合发射18颗导航卫星。

2006年12月25日，俄罗斯用质子-K运载火箭发射了3颗格洛纳斯-M卫星，使GLONASS系统的卫星数量达到17颗。

伽利略 欧洲版GPS

伽利略定位系统(Galileo Positioning System)，是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也是继美国现有的“全球定位系统”(GPS) 、俄罗斯的GLONASS系统及中国的北斗卫星导航系统外，第四个可供民用的定位系统，预计会于2014年开始运作。

建造此系统的目的有以下几个：为用户提供更准确的数据;加强对高纬度地区的覆盖，包括挪威、瑞典等地区;减低对现有GPS系统的依赖，尤其是在发生战争时。

2003年5月26日，欧盟及欧洲航天局通过了伽利略计划的第一部分，这部分包括1999年从法国、德国、意大利及英国四国各自提出的不同概念中，经四国的工程师将之整合而成的共同概念设计。该系统主要是供民用，与设计作军事用途的GPS系统不同，因美国保留可限制GPS的信号强度、准确度，以及把整组系统关闭的权力，因此当美国介入某场重大战争，民间有可能无法使用GPS。还有，美国政府是于2000年才开始放宽民间使用GPS系统的限制。理论上，欧洲的伽利略系统是不会把系统资源全部抽起作军事用途，并会提供比GPS更准确的结果，到系统完工开放时，将会开放给全球的军民共同使用。

欧洲委员会在为系统的下一部分作安全注资时遇上了麻烦，当时一些欧洲国家出现经济衰退，在注资时也格外小心。在911事件发生之后，美国政府大力反对欧盟的伽利略计划，扬言当美国采取军事行动时，欧盟的伽利略系统只会“令GPS系统的开关形同虚设”。至2002年1月17日，伽利略计划一名发言人表示在美国的压力下，伽利略计划“接近死亡”。

几个月后，事件出现戏剧性转变，美国政府对“伽利略计划”态度开始软化，而欧盟成员国认为它们也应拥有自己的定位及计时系统，至2002年底，计划获得不少成员国的认同及支持，也因此出现了过度注资，成为了欧洲航天局要面对的新难题，就是如何去减低成员国的注资。

2003年3月20日，美国联同另外三个国家开始进攻伊拉克，使得欧盟加速研发一组不受美国控制的定位系统。

欧盟及欧洲航天局于2002年3月接受了计划的注资，并在2003年5月26日作总结报告，至2005年年底，其资金为11亿欧元。该系统将使用30颗人造卫星，会于2006年至2010年间陆续发射升空，并将于2010年供民间使用。系统的总耗资将达30亿欧元，包括在地球上的控制中心等内部架构。所需资金当中，将有近三分之二来自私营公司及投资者，其余三分一将由欧盟及欧洲航天局拨出。在系统开放使用时，使用伽利略系统的接收装置将可以免费使用，另外的系统需要付费使用，付费服务包括免费服务没有的加密数据、更高的准确度和带宽。

2004年6月，欧盟通过系统使用频率的标准，将采用美国的“二进制偏置载频1.1”标准，使欧美双方军力均可互相拦截对方系统的信号，从而无需把整组系统关掉。

2005年12月28日，格林尼治时间清晨5点19分，“伽利略”系统的首颗实验卫星“GIOVE-A”由俄罗斯“联盟-FG”火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射升空。

附伽利略技术参数：

卫星数量: 38颗

离地面高度: 23222公里(MEO) 三条轨道，56°倾角 (每条轨道将有九颗卫星运作，最后一颗作后备)

卫星寿命: 12年以上

卫星重量: 每颗675kg

卫星长宽高: 2.7m x 1.2m x 1.1m

太阳能集光板阔度: 18.7m

太阳能集光板功率: 1500W

(文章来源：中国计算机报 张楠)