导航系统介绍：GPS、GLONASS、伽利略

何为导航？导航是一个技术门类的总称，是引导飞机、船舶、车辆以及个人（及运载体）沿着选定的路线，到达目的地的一种手段。因此导航的基本功能就是引导我们去目的地。

导航是一门古老的学问。纵观整个导航发展史，最古老、最简单的导航方法是星历导航，即人类通过观察星座的位置变化来确定自己的方位。经考古发现，人类的祖先早在 17 000 年前的古石器时代就发明了利用天上的恒星进行导航的手段，特别是利用北极星来确定方向，这就是最早的导航方法。

1761年，英国人John Harrison经过47年的艰苦工作发明了最早的航海表。在其随后的两世纪，人类通过综合地利用星历知识、指南针（罗盘，图 3-1-1）和航海表来进行导航和定位。

1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，标志着空间科学技术的发展进入到了一个崭新的时代。随着人造地球卫星的不断入轨运行，利用人造地球卫星进行定位测量已成为现实。

图3-1-1 罗盘

3.1.1 导航分类

导航是利用电学、磁学、声学、光学、力学等方法，通过测量与运载位置有关的参数来实现对运载体的定位，并从出发点预定的线路，安全、准确、经济地引导运载体到达目的地的一门技术。

能完成一定导航任务的完整设备，称为导航系统。目前导航系统有无线电导航系统、惯性导航系统、卫星导航系统、天文导航系统、组合导航系统、综合导航系统、地形辅助导航系统等。这里只卫星导航系统。

卫星导航是利用卫星播发的无线电信号进行导航定位的技术。卫星导航以卫星为空间基准点，向用户终端播发无线电信号，从而确定用户的位置、速度和时间。它不受气象条件、航行距离的限制，且导航精确高。目前，全球主要的有四大卫星导航系统：

（1）全球定位系统（GPS）：这是一个由覆盖全球的24 颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。全球定位系统（GPS）是20世纪70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆炸监测和应急通信等一些军事目的。如图3-1-2所示。

图3-1-2 GPS卫星定位系统

（2）俄罗斯GLONASS卫星导航系统：该系统最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯 1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。该系统于 2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到 2009 年，其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。

（3）欧洲伽利略卫星导航定位系统：伽利略卫星导航系统（Galileo Satellite Navigation System），是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统，该计划于1999年2月由欧洲委员会公布，欧洲委员会和欧空局共同负责。系统由轨道高度为23 616 km的30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星轨道高度约 2.4万千米，位于 3个倾角为56°的轨道平面内。2014年8月，伽利略全球卫星导航系统第二批一颗卫星成功发射升空，太空中已有的6 颗正式的伽利略系统卫星，可以组成网络，初步发挥地面精确定位的功能。

（4）中国的北斗卫星导航系统：中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

在这四个主要的导航系统中，我们将以全球定位系统（GPS）为主，为读者介绍导航系统的大概组成以及原理。

3.1.2 全球定位系统（GPS）

自1995年实现全面运行能力以来，GPS系统通过提供全球覆盖的定位、导航与授时服务，为人们的生活带来了巨大便利。从飞机的导航与精密进场着陆，到汽车的路线指示，再到各种五花八门的个人定位服务，可以说GPS的应用无处不在。

GPS是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点同时观测到4颗卫星，该观测点可以通过接收到的信号计算出经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。

3.1.3 导航系统的组成

GPS全球定位系统由空间系统、地面控制系统和用户系统三大部分组成（图 3-1-3）。其空间系统由 21颗工作卫星和3颗备份卫星组成，分布在20 200 km高的6个轨道平面上，运行周期 12 小时。地球上任何地方任一时刻都能同时观测到4颗以上的卫星。

图3-1-3 GPS系统的组成

1. GPS卫星星座

21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星，6个轨道面，平均轨道高度 20 200 km，轨道倾角 55°，周期 11 h 58 min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4 min重复一次）保证在24小时、在高度角15°以上，能够同时观测到4至8颗卫星。

1）GPS卫星作用(www.xing528.com)

① 发送用于导航定位的信号。

② 其他特殊用途，如通信、监测核暴等。

③ 主要设备：原子钟（2 台铯钟、2 台铷钟）、信号生成与发射装置。

2）GPS卫生的类型

试验卫星：Block Ⅰ。

工作卫星：Block Ⅱ。

GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部研制的。卫星质量774 kg（包括310 kg燃料），采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为 1.5 m。星体两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33 m，接受日光面积7.2 m2。对日定向系统控制两翼帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15 AH的镉镍蓄电池充电，以保证卫星在地影区能正常工作。在星体底部装有多波束定向天线，这是一种由 12 个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。工作卫星的设计寿命为7年。从试验卫星的工作情况看，一般都能超过或远远超过设计寿命。

第一代卫星现已停止工作。

第二代卫星用于组成 GPS 工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。Block ⅡA的功能比Block Ⅱ大大增强，表现在军事功能和数据存储容量上。Block Ⅱ只能存储供45天用的导航电文，而Block ⅡA则能够存储供180天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPS卫星。

第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。据报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作6个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。

2. 地面控制部分

地面控制部分由1个主控站、5个监测站和3个注入站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个注入站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入卫星。如图3-1-4所示。

图3-1-4 地面控制部分

1）主控站（1个）

作用：收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；通过注入站将卫星星历注入卫星，完成卫星维护与异常情况的处理。

2）检测站（5个）

作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。

3）注入站（3个）

作用：将导航电文注入GPS卫星。

3. 用户设备部分

用户设备部分即GPS 信号接收机（图3-1-5）。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。

图3-1-5 GPS信号接收机