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关于全球卫星导航定位系统(GNSS)

浏览:3475  来源:通信人在线  日期:2023-05-19

一、GNSS的相关概念

全球卫星导航定位系统简称全球导航卫星系统(GNSSGlobal Navigation Satellite Systems)。依据ITU-R的《无线电规则》,该系统提供的无线电通信业务称为卫星无线电定位业务和卫星无线电导航业务,它们是利用通信卫星提供的无线电定位业务和无线电导航业务,而无线电导航业务是基于无线定位电业务;无线电定位业务时基于无线电测定业务。因此,在《无线电规则》中给出了上述所提到的业务术语的具体定义,详见下表1-1-1

1-1-1:相关无线电定位业务和无线电导航业务的定义

在了解了上述相关无线电业务之后,我们需要进一步了解“测定”(determination)、“定位”(location)和“导航(Navigation)”的汉语词义。根据我国的相关词典及辞典,这三个词语的汉语词义详见下表1-1-2,这有助于我们理解无线电测定业务、无线电定位业务和无线电导航业务的概念。由上述相关术语和词语的含义可知,导航功能的实现是应首先完成定位功能的。

1-1-2:“测定”、“定位”和“导航”的汉语词义

全球导航卫星系统(GNSS)是导航卫星系统(NSS)的一种类型,即根据提供的卫星无线电定位和导航业务的地理范围,将导航卫星系统分为全球导航卫星系统(GNSS)和区域导航卫星系统(RNSSRegional Navigation Satellite System)。目前,在网运行的全球导航卫星系统(GNSS)主要有:美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)、欧洲的伽俐落系统(GALILEO)和中国的北斗卫星导航系统(BDS)。在我国国家标准GB/T 19391-2003《全球定位系统(GPS)术语及定义》中给出这些系统的定义(不包括BDS),详见下表1-1-3。相关区域导航卫星系统(RNSS)有:日本的QZSS系统、印度的IRNSS系统等。

1-1-3GB/T 19391-2003给出的相关全球导航卫星系统(GNSS)的定义

事实上,在2020年我国发布的国家标准GB/T 39267《北斗卫星导航术语》中对相关术语有其专门的定义,包括术语“定位”和“导航”作为一种技术的定义;以及相关卫星导航系统的特定定义,特汇总与下表1-1-4中。

1-1-4GB/T 39267-2020给出的相关导航卫星系统(NSS)的定义

二、GNSS的系统构成

全球导航卫星系统(GNSS)的系统架构,通常是由:空间段(指导航卫星星座)、地面段(指系统运行管理的地面设施)和用户段(指用户设备)三部分所构成。

1、空间段

空间段是指:卫星导航系统中,空间所用卫星及其组成星座的总称。所谓星座是指按一定空间位置分布和排列,为实现定位、导航、授时等目标而协调工作的一组导航卫星的总称。全球导航卫星系统(GNSS)要实现全球导航,单颗或几颗卫星是难以实现的,必须有数十颗或更多颗卫星构成星座,在地球空间不同的平面、不同的轨道进行有计划的分布组合,以实现地球表面的覆盖。空间段星座的设置与GNSS要呈现的定位精度、提供的服务种类和性能有极大的关系。事实上,上述提到的目前国际上在用的GNSS系统采用了不同的星座,下表2-1汇总了不同的GNSS系统采用的星座情况。由表可知,我国的BDS系统分别采用了GEOIGSOMEO三种卫星轨道;而GPSGALILEOGALILEO系统只是采用了MEO一种轨道。因而我国的BDS系统的定位精度及提供的服务种类等明显呈优。

2-1:国际上不同的GNSS系统采用的星座情况

2、地面段

地面段是指:维持卫星导航系统正常运行的地面系统的总称。一个庞大的GNSS系统是需要地面设施及人员进行操控、维护及管理的,包括相关信息数据的采集、计算、传输、注入等,类型包括主控站、监测站、注入站等若干。下表2-2汇总了不同的GNSS系统地面段的设置情况。

2-2:不同的GNSS系统地面段的设置情况

3、用户段

用户段是指:用于接收、处理导航卫星信号并实现定位、测速、和授时等功能的设备的总称。亦即用户用来享受导航系统所提供的各类服务的终端设施。

三、GNSS系统提供的服务

1、服务种类

GNSS系统提供的服务主要是定位服务、导航服务(包括测速)和授时服务(向用户传递标准时间)及搜救服务等。但是,不同的GNSS系统又增加了其各种特色服务,具体汇总于下表3-1中。由表可知,尤其是我国的BDS系统,具有精密单点定位服务、区域短报文通信服务、国际搜救服务、地基增强服务等独有的特色服务。

3-1:不同GNSS系统提供的服务种类

2、关于增强服务

所谓GNSS系统增强,是指用于改进GNSS提供的导航服务性能(精度、完好性、、连续性、可用性等)的技术。也就是说,增强服务是对上述服务种类的在服务性能上的改进与改善。那么GNSS系统增强技术可分为星基增强技术和地基增强技术,具体含义详见下表3-2。如BDS目前提供的地基增强服务,是用户可通过本服务实现实时米级、分米级、厘米级和事后毫米级的高精度定位,其主要性能指标包括定位精度和收敛时间等。

3-2:星基增强技术和地基增强技术的含义

3、关于公开服务与授权服务

对于GNSS系统所提供的服务,相对于服务对象,又可分为公开服务和授权服务。公开服务是指向普通用户提供的服务;授权服务是指向特定用户提供的服务。公开服务一经申请就可使用;授权服务是需要经GNSS系统的管理者的特许方可使用。有时也直接称为民用和军用等。

四、国际在用GNSS介绍

卫星无线电定位业务是地面物体通过无线电和卫星沟通进行测距或测速,计算出自己在地球上的位置,根据位置坐标及其它变化的信息,判断自己的航向。卫星定位系统的出现,解决了地球上乃至天空中大范围、全球性、高精度和快速定位的问题。目前,国际上在用的全球导航卫星系统(GNSS)主要有下述的四套系统:

1、美国的GPS系统

美国的GPS系统是国际上第一套GNSS系统。它始于1960年,美国为海军建立的子午仪(Transit)导航系统,利用单星多普勒频率测量定位原理,定位一次需要的测量为2分钟以上,且定位精度较差,无法满足军用需求。于是在1978年,美国开始实施全球定位系统(GPSGlobe Positioning System),当初也称为导航星系统。它是第一个以人造卫星为基础的全球无线电导航系统,当初主要是军用系统。1984年,美国对GPS采取降低C/A码定位精度的选择可用性(SASelective Availability)技术,故意降低GPS的定位精度开放予民用,以防止未经许可的用户把GPS用于军事目的。20005月开始停止使用SA政策,民用GPS的定位精度达到平均6.2米的实用化水平,从而掀起GPS产业和应用热潮。当初GPS系统在我国也得到了大量的普及与应用。

事实上,GPS系统在199312月达到初始运行能力,提供全星座标准服务定位服务(SPS),到1994年全球覆盖率高达98%24GPS卫星星座部署完成提供服务。其空间段和地面段的设置详见表2-1和表2-2

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2、俄罗斯的格林纳斯导航卫星系统(GLONASS

俄罗斯是在19822月正式向国际电信联盟(ITU)提交通知书,宣称将于同年5月开始部署格林纳斯导航卫星系统(GLONASS。它是在前苏联的低轨卫星导航系统“蝉”的基础上开发的全球导航卫星系统,其宗旨是为全世界范围内的飞机提供无线电导航,也可供国内的船只导航。由于众所周知的俄罗斯国情的原因,GLONASS系统研制、部署建设经历比较坎坷,直到2014年年底开始全功能运作,其空间段和地面段的设置情况详见表2-1和表2-2。虽然也是24颗星的星座,但与GPS在星座构成、信号体制、卫星设计等方面有很大的不同。

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3欧洲的伽俐落系统(GALILEO

由欧盟(UE)和欧洲空间局(ESA)一起创建并开发的导全球航卫星系统称为伽俐落系统(GALILEOGALILEO系统于20023月正式启动,于201612月宣布具备全球初始服务能力,系统的空间段、地面段及提供的服务在上述已有了介绍。

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4、中国的北斗系统(BDS

我国着眼于国家安全、经济社会发展的需要,在上个世纪后期,开始探索适合我国国情的导航卫星系统的发展道路,决定自主开发建设、独立运行的导航卫星系统,并起了一个很有意义的名字,称为北斗导航卫星系统(BDSBeiDou Satellite)。该系统定位为为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时等服务的国家级空间基础设施。为了稳妥的发展建设,我国决定采用北斗一号(试验系统)、北斗二号(RNSS)、北斗三号系统(GNSS)的三步走的发展战略。目前提供全球服务的北斗三号系统已于2020731日被国家宣布正式开通,为用户提供具有中国特色的导航卫星服务,其系统的空间段、地面段及提供的服务在上述已有了介绍。

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附录
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