GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)講課人：511363642021年2月27日

目錄一、GNSS〔全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)〕1、GNSS的概念2、GNSS包括的四大全球系統(tǒng)GPS、GLONASS、Galileo、Compass二、COMPASS〔北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)〕一、GNSS〔全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)〕1、GNSS的概念GNSS——GNSS是英文GlobalNavigationSatelliteSystem的縮寫。很長時間以來，它有兩個譯名：全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。早在20世紀90年代中期開始，歐盟為了打破美國在衛(wèi)星定位、導航、授時市場中的壟斷地位，獲取巨大的市場利益，增加歐洲人的就業(yè)時機，一直在致力于一個雄心勃勃的民用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)方案，稱之為GlobalNavigationSatelliteSystem。該方案分兩步實施：第一步是建立一個綜合利用美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)的第一代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；第二步是建立一個完全獨立于美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)之外的第二代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，即正在建設中的Galileo衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。由此可見，GNSS從一問世起，就不是一個單一星座系統(tǒng)，而是一個包括GPS、GLONASS等在內(nèi)的綜合星座系統(tǒng)。衛(wèi)星是在天空中環(huán)繞地球而運行的，其全球性是不言而喻的；而全球?qū)Ш绞窍鄬τ陉懟鶇^(qū)域性導航而言，以此表達衛(wèi)星導航的優(yōu)越性。GNSS的中文譯名應為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。2、GNSS包括的四大全球系統(tǒng)未來的假設干年內(nèi)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)〔GNSS〕將經(jīng)歷前所未有的重大轉(zhuǎn)變，從單一的GPS系統(tǒng)時代轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞到y(tǒng)并存的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時代。具體標志為：GPS將于2021年左右完成現(xiàn)代化進程，并不失時機地實施GPSⅢ方案；GLONASS快速復蘇，2007年底到達17顆工作衛(wèi)星的根本星座規(guī)模，2021年實現(xiàn)24顆星完全工作，并在實施現(xiàn)代化方案；Galileo幾經(jīng)曲折，目前也在抓緊部署；中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)方案于2021年形成區(qū)域覆蓋能力，2021年左右實現(xiàn)全球覆蓋。總之，GNSS的四大全球系統(tǒng)分別為美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國的Compass〔北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)〕，GNSS正在步入以這四大系統(tǒng)為主、涵蓋其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的多系統(tǒng)并存時代。以下圖為全球已建和在建的GNSS四大全球星座。GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)美國GPS歐盟伽利略俄羅斯GLONASS中國北斗〔1〕GPSGPS是英文GlobalPositioningSystem的簡寫，中文翻譯為全球定位系統(tǒng)。20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航效勞，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰(zhàn)略的重要組成。經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設完成?！?〕GPS工作原理主要功能：導航、測量、授時組成局部：1、空間局部2、地面控制系統(tǒng)3、用戶設備局部GPS特點：1、定位精度高2、觀測時間短3、全球全天候工作4、高效率多功能操作簡便應用廣泛等GPS應用：1、主要是為船舶，汽車，飛機，行人等運動物體進行定位導航。2、電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡的時間同步。3、各種等級的大地測量，控制測量〔2〕GLONASS“GLONASS〞是俄語中“全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTE〞的縮寫，中文音譯為格洛納斯。格洛納斯工程是蘇聯(lián)在1976年啟動的工程，格洛納斯系統(tǒng)將使用24顆衛(wèi)星實現(xiàn)全球定位效勞，可提供高精度的三維空間和速度信息，也提供授時效勞。按照設計，格洛納斯星座衛(wèi)星由中軌道的24顆衛(wèi)星組成，包括21顆工作星和3顆備份星，分布于3個圓形軌道面上。1982年至1985年間，發(fā)射了3顆模擬星和18顆原型衛(wèi)星用作測試。格洛納斯系統(tǒng)1985年開始正式建設，1985~1986年，6顆真正的格洛納斯衛(wèi)星被發(fā)射升空，此后又發(fā)射了繼續(xù)改進的12顆衛(wèi)星，到了1987年，格洛納斯系統(tǒng)共計發(fā)射了包括早期原型衛(wèi)星在內(nèi)的30顆衛(wèi)星，在軌可用衛(wèi)星9顆。1988年開始發(fā)射的衛(wèi)星是進一步改進的版本，這些衛(wèi)星重量1400千克，設計壽命進一步提高到3年，在1988年到2000年間這個版本的格洛納斯衛(wèi)星發(fā)射了54顆之多?！?〕GLONASS〔3〕伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)二、COMPASS〔北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)〕1、系統(tǒng)介紹2、開展步驟3、北斗一代4、北斗二代5、實際應用6、未來開展7、戰(zhàn)略意義8、與GPS相比1、系統(tǒng)介紹Compass系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的英文名稱，是中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的總稱。從目前來說，可以將Compass建設過程分兩個階段，第一階段是試驗系統(tǒng)，即北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，又稱為雙星定位系統(tǒng)，或者有源定位系統(tǒng)，因為它是通過雙向通信方式來實現(xiàn)中心定位。從2005年開始，我國實施新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，這是與國際上GPS/GLONASS/Galileo系統(tǒng)類似的系統(tǒng)，稱為無源定位系統(tǒng)，接收機接收到是衛(wèi)星播送的導航信號，由接收終端來實現(xiàn)位置結算。該系統(tǒng)有望在2021～2021年間形成12個衛(wèi)星組成的、能夠覆蓋我國和周邊地區(qū)的區(qū)域效勞能力的星座，并且在2021年前，視情況和需要拓展為全球效勞的星座。其全球星座由35個衛(wèi)星構成，其中5個是地球靜止軌道〔GEO〕衛(wèi)星、3個是地球同步傾斜軌道〔IGSO〕衛(wèi)星，還有27個地球中軌道〔MEO〕衛(wèi)星。2000年以來，中國已成功發(fā)射了3顆“北斗1號導航試驗衛(wèi)星〞，建成北斗導航試驗系統(tǒng)。這個系統(tǒng)具備在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時、報文和GPS廣域差分功能，目前正在建設的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的空間段由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星和30顆非地球靜止軌道衛(wèi)星組成，提供兩種效勞方式，即開放效勞和授權效勞。開放效勞是在效勞區(qū)免費提供定位、測速和授時效勞，定位精度為10米，授時精度為20納秒，測速精度為0.2米/秒。授權效勞是向授權用戶提供更平安的定位、測速、授時和通信效勞以及系統(tǒng)完好性信息。然后根據(jù)開展需要逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，至2021年前形成全球效勞能力。2、開展步驟北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)新聞發(fā)言人、中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任冉承其2021年12月27日表示，2021年左右，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)形成全球覆蓋能力。按照“質(zhì)量、平安、應用、效益〞的總要求，堅持“自主、開放、兼容、漸進〞的開展原那么，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)按照“三步走〞的開展戰(zhàn)略穩(wěn)步推進。具體如下：第一步，2000年建成了北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，使中國成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。第二步，建設北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，2021年左右形成覆蓋亞太大局部地區(qū)的效勞能力。第三步，2021年左右，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)形成全球覆蓋能力。3、北斗一代3、北斗一代自身特點1.〕"北斗"具有定位和通信雙重作用,具備的短信通訊功能就是GPS所不具備的。2.〕"北斗"定位精度20米左右。3.〕目前"北斗"終端價格已經(jīng)趨于GPS終端價格。4〕.采用接收終端不需鋪設地面基站。5.〕災難中心的船只一秒鐘就可以發(fā)出信息系統(tǒng)的四大功能1短報文通信：北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息。2精密授時：北斗系統(tǒng)具有精密授時功能，可向用戶提供20ns-100ns時間同步精度。3定位精度：水平精度100米(1σ)，設立標校站之后為20米(類似差分狀態(tài))。工作頻率：2491.75MHz。4系統(tǒng)容納的最大用戶數(shù)：每小時540000戶。2000年分別發(fā)射北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)第一顆、第二顆衛(wèi)星，2003年發(fā)射第三顆衛(wèi)星，建成區(qū)域有源衛(wèi)星導航系統(tǒng)，使我國成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。該系統(tǒng)可為我國及周邊地區(qū)的中低動態(tài)用戶提供快速定位、短報文通信和授時效勞。建成北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)3、北斗一代2000年10月31日140E2000年12月21日80E2003年5月25日110.5E建成北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)3、北斗一代4、北斗二代4、北斗二代在一期工程完成之后〔2021〕：第一，北斗導航系統(tǒng)可以提供導航定位效勞，其精度可以到達重點地區(qū)水平10米，高程10米，其他大局部地區(qū)水平20米，高程20米；測速精度優(yōu)于0.2米/秒。這和美國GPS的水平是差不多的。第二，授時效勞。授時精度可到達單向優(yōu)于50納秒，雙向優(yōu)于10納秒。第三，短報文通信效勞。這一功能能夠保證在我國及周邊地區(qū)具備每次120個漢字的短信息交換能力。“一代系統(tǒng)的用戶不少，用得也很好，我們不能建設了二代系統(tǒng)，一代就廢了。我們要做到二代兼有一代的功能，也有短報文通信能力。〞第四，具備一定的保密、抗干擾和抗摧毀能力；系統(tǒng)的導航定位用戶容量不再受到限制，保證用戶設備的體積小、質(zhì)量輕、功耗低，滿足手持、機載、星載、彈載等各種載體需要。在二期工程完成之后〔2021〕：北斗導航系統(tǒng)效勞范圍將由我國及周邊地區(qū)向全球擴展，導航定位精度將提高，全球區(qū)域到達水平5米，高程8米。此外，系統(tǒng)平安性能將進一步提高，短報文通信性能也將得到進一步改善。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:工程建設系統(tǒng)組成：空間段：由5顆GEO衛(wèi)星和30顆Non-GEO衛(wèi)星組成Non-GEO衛(wèi)星GEO衛(wèi)星星座建成北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程建設系統(tǒng)組成：地面段：由主控站、上行注入站和監(jiān)測站組成北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:工程建設北斗系統(tǒng)地面段系統(tǒng)組成：用戶段：由北斗用戶終端以及與其它GNSS兼容的終端組成北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:工程建設北斗系統(tǒng)的用戶終端

信號特征

工作頻段B1:1559.052~1591.788MHzB2:1166.22~1217.37MHzB3:1250.618~1286.423MHz時間星座信號（實際發(fā)射）2012年5GEO+5IGSO+4MEO區(qū)域服務2020年5GEO+3IGSO+27MEO全球服務北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:工程建設信號特征效勞信號：區(qū)域效勞信號信號中心頻點(MHz)碼速率(cps)帶寬(MHz)調(diào)制方式服務類型B1(I)1561.0982.0464.092QPSK開放B1(Q)2.046授權B2(I)1207.142.04624QPSK開放B2(Q)10.23授權B31268.5210.2324QPSK授權北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:工程建設信號中心頻點(MHz)碼速率(cps)數(shù)據(jù)/符號速率(bps/sps)調(diào)制方式服務類型B1-CD1575.421.02350/100MBOC(6,1,1/11)開放B1-CPNoB1-A2.04650/100BOC（14，2）授權NoB2aD1191.79510.2325/50AltBOC(15,10)開放B2aPNoB2bD50/100B2bPNoB31268.5210.23500bpsQPSK(10)授權B3-AD2.557550/100BOC(15,2.5)授權B3-APNo信號特征效勞信號：全球效勞信號北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:工程建設坐標系統(tǒng)：北斗系統(tǒng)采用中國2000大地坐標系〔CGS2000〕。CGS2000與國際地球參考框架ITRF的一致性約為5個厘米。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:工程建設北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:工程建設效勞和性能：全球效勞開放效勞：定位精度:10m測速精度:0.2m/s授時精度:20ns授權效勞區(qū)域效勞廣域差分效勞定位精度:1m短報文通信效勞北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:應用推廣與產(chǎn)業(yè)化主要任務：促進應用開發(fā)和北斗產(chǎn)業(yè)化，為實現(xiàn)北斗衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)開展提供支撐。2021年，實現(xiàn)衛(wèi)星導航年產(chǎn)值4000億元的目標。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)需完成的任務:5、實際應用5、實際應用〔2〕民用功能1〕個人位置效勞2〕氣象應用3〕道路交通管理4〕鐵路智能交通5〕海運和水運6〕航空運輸7〕應急救援

2003年北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)正式提供效勞以來，在交通、漁業(yè)、水文、氣象、林業(yè)、通信、電力、救援等諸多領域得到廣泛應用，注冊用戶已達6萬，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益?！仓饕呛Ｄ系鹊氐臐O業(yè)和軍事〕〔2〕民用功能交通運輸〔2〕民用功能海洋漁業(yè)基于北斗系統(tǒng)的海洋漁業(yè)綜合信息效勞平臺，實現(xiàn)了向漁業(yè)管理部門提供船位監(jiān)控、緊急救援、信息發(fā)布、漁船出入港管理等效勞?！?〕民用功能基于北斗系統(tǒng)的海洋漁業(yè)綜合信息服務網(wǎng)絡海洋漁業(yè)應用分布

水利基于北斗系統(tǒng)的水文監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了多山地域水文測報信息的實時傳輸，大大提高了災情預報的準確性，為制定防洪抗旱調(diào)度方案提供重要的保障。〔2〕民用功能氣象研制成功了一系列氣象測報型北斗終端設備，提出了實用可行的系統(tǒng)應用解決方案，解決了國家氣象局和各地氣象中心氣象站的數(shù)字報文自動傳輸和可視化問題?！?〕民用功能基于北斗的高原地區(qū)氣象監(jiān)測站基于北斗的珠峰氣象監(jiān)測站林業(yè)〔2〕民用功能通信〔2〕民用功能TD-SCDMA抗干擾螺旋天線北斗/GPS光纖拉遠授時示意圖電力成功開展了基于北斗系統(tǒng)的電力時間同步應用示范，為電力事故分析、電力預警系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等高精度時間應用創(chuàng)造了條件?！?〕民用功能北斗/GPS高精度電力授時效勞器救援基于北斗系統(tǒng)的導航定位、短報文通信以及位置報告功能，提供全國范圍的實時救災指揮調(diào)度、應急通信、災情信息快速上報與共享等效勞，極大地提高了災害應急救援的快速反響能力和決策能力?！?〕民用功能減災中心工作人員在玉樹現(xiàn)場利用北斗用戶機報告災情汶川地震救災現(xiàn)場北斗的儀器6、未來開展6、未來開展〔2〕面臨挑戰(zhàn)第一個挑戰(zhàn)是部署進度的比拼。四大全球系統(tǒng)部署的時間進度是個重大考驗，捷足先登是成功的第一步。GPS在這方面遙遙領先，GLONASS正在恢復建設中，Galileo遭遇資金困境，北斗系統(tǒng)假設要搶占市場，在系統(tǒng)部署方面面臨挑戰(zhàn)。第二個挑戰(zhàn)是衛(wèi)星性能的競爭。導航衛(wèi)星設計和研制水平?jīng)Q定著系統(tǒng)的性能，目前北斗衛(wèi)星設計已經(jīng)到達國外導航衛(wèi)星水平，在未來開展中要不斷自主創(chuàng)新，爭取在國際導航衛(wèi)星研制領域處于領先地位。第三個挑戰(zhàn)是系統(tǒng)開展的博弈。面向未來，衛(wèi)星導航系統(tǒng)需要持續(xù)的開展建設，以滿足用戶更高的使用要求；需要國家持續(xù)的經(jīng)費投入、人才培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)推廣，以確保我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在未來開展與國際競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位。6、未來開展7、戰(zhàn)略意義北斗當年論證的時候，國家地震局地震研究所的一位研究員出了論證報告就談這個問題的，北斗系統(tǒng)將成為一個生命線工程，就和人類生存活動相關的一些工程，比方說大地震，地震后我們所有的有線系統(tǒng)都可能失去功能，而北斗系統(tǒng)作為一個衛(wèi)星監(jiān)視系統(tǒng)既可以有及時的位置報告，又可通信，比方說海嘯，實際上是由地震引起的，北斗去做救援是非常有用的，它可以及時地發(fā)送位置和與位置有關的相關信息，我們可把信息發(fā)送給有關部門。價格問題，隨著用戶業(yè)務的開展，本錢一定會降下來。所以說"北斗"是平民化的。北斗一號"