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卫星定位系统原理(三）
3、全球导航定位系统（GLONASS）
该系统是82年底由前苏联开始承建，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于96年建成全球导航定位系统（Global Navigation Satellite System——GLONASS）。该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定位系统。
3.1全球导航定位系统的组成
（1）卫星星座：如图6所示，全球导航定位系统的空间卫星星座，由分布在三个独立椭圆轨道的24颗（GLONASS）卫星组成（另加1颗备用卫星），平均每个轨道上分布8颗卫星，各轨道升交点的赤经相差120°；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i =64.8°；卫星运行周期T=11h15m（恒星时11.28小时）；卫星高度H=19100km；卫星设计的使用寿命为4.5年，直至1995年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于1996年1月18日整个系统正式运转。
（2）地面系统：地面控制站组（GCS）设有1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内；CTS跟踪遥测着所有GLONASS可视卫星，对其进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。在GCS内装有激光测距设备对测距数据作周期修正，为此所有的GLONASS卫星上都装有激光反射镜。
3.2 全球导航定位系统的技术特点
（1）卫星信号： 每颗GLONASS卫星配有铯原子钟，以便为所有星载设备提供高稳定的时标信号。GLONASS卫星同样向地面发射两种载波信号，L1载波信号的频率为1602~1616MHz ；L2载波信号的频率为1246~1256MHz ；其中L1载波信号为民用，L2载波信号为军用。GLONASS卫星之间的识别方法采用频分复用制（FDMA），L1载波信号的频道间隔为0.5625 MHz，L2载波信号的频道间隔为0.4375 MHz 。GLONASS卫星测距粗码（C/A码）的码频0.511MHz 码长为511比特，重复周期为1ms ；GLONASS卫星也采用类似GPS信号的P码， 尽管前苏联严格保密，英国立茨大学G..R.Lennen博士还是成功地破译了P码。
（2）定位精度：
w 水平精度：±50~70m；垂直精度：±75m；
w 测速精度：±15cm/s； 授时精度：±1μs
（3）定位原理：与GPS相同。
3.3 俄罗斯联邦政府对GLONASS系统的使用政策
早在1991年俄罗斯联邦政府就首先宣称：GLONASS系统可供国防和民间使用，不带任何限制、不引入“选择可用性（SA）”机制，也不计划对用户收费，该系统将在完全布满星座后遵照以公布的性能运行至少15年。俄罗斯空间部队的合作科学信息中心作为GLONASS系统状态信息的用户接口，正式向用户公布GLONASS系统咨询通告。1995年3月7日俄罗斯联邦政府签署了一项“有关GLONASS面向民用得行动指导”的法令，确认了由民间用户早期启用GLONASS系统的可能性。俄罗斯联邦政府对GLONASS系统的使用政策，使得美国的GPS定位仪的生产商对美国政府实施的SA政策大为不满，考虑到美国的商业利益美国政府最后不得不于2000年5月2日取消SA政策。
4、双星导航定位系统（北斗一号）
1982年7月，美国L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose三位科学家提出主动式卫星导航通信系统,并于1982年12月完成了总体设计,定名为GEOSTAR 。该系统是一个局域实时导航定位系统，据1991年9月的报导,由于GEOSTAR系统缺乏竞争能力,拟投资的用户日渐减少,最后不得不中断该系统的建设。而我国类似GEOSTAR系统的双星导航定位系统（北斗一号），已于2000年底发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在2003年5月25日发射，于6月3日5时顺利定点，系统大功告成。
4.1双星导航定位系统的组成:
（1）卫星星座：由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）。轨道倾角i =0°；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km 。
（2）地面系统：一个中心站:负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。
4.2双星导航定位系统的技术特点：
（1）服务区域：70°~145°E； 5°~55°N
（2）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。
（3）定位精度：平面精度±20m；垂直精度±10m 。
4.3双星导航定位系统的定位原理：
双星导航定位系统的定位原理如图7所示：地面中心站通过2颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程——进而让卫星转告用户 。
双星导航定位系统的最大优点是系统简单投资少，而最大缺点是他只能实施局域定位，接收发射机功率大且笨重还会暴露用户目标，在战时这是兵家最忌讳的事情。
5、伽俐略系统（GNSS）
从1994年欧盟已开始对伽利略（GNSS）系统方案实施论证。2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略（GNSS）系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略（GNSS）系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代定位系统。
5.1系统组成：
①卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星） 。卫星的轨道倾角i =56°；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km 。
②地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。
③定位原理：与GPS相同。
④定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。
5.2计划实施：
① 1994年开始进入方案论证阶段；
② 2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；
③ 2008年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入使用；
6、第二代卫星定位系统的应用特点与前景
6.1第二代卫星定位系统的应用特点
第二代卫星定位系统是以其高精度、全天候、高效率、多功能、易操作、应用广等特点而著称的。
（1）定位精度高：应用实践表明，GPS静态相对定位精度在50km以内可达10-6，100～500km可达 10-7，1000km以上可达 10-9。在3000～1500m工程精密定位中，1小时以上观测解算的平面位置误差小于1mm 。
（2）观测时间短：随着GPS系统的不断完善，解算软件的不断更新，目前20km以内，静态相对定位时间只需15～20分钟；15km以内快速静态相对定位时间仅需1～2分钟；动态相对定位，当模糊度确定后，流动站仅需几秒钟可确定一个厘米级的定位数据。
（3）测站间无需通视：GPS测量不要求测站之间相互通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，测量控制点位置可根据需要可稀可密，使选点工作十分灵活，也可省去经典大地网中传算点、过渡点的测量工作。
（4）一次测量即获三维坐标：在经典大地测量中平面位置与高程是采用两种不同方法分别测量的，工作量大测量过程繁琐。而GPS测量则可同时精确测定站位的三维直角坐标或三维大地坐标，这种高效率是传统测量不可比拟的。目前GPS水准测量可达到4等精度水平，当然这与解算软件选用的大地水准面模型（重力场模型）和当地水准面拟合精度有密切关系。
（5）易操作全天候作业：随着GPS接收机的不断改进，接收机的智能化、自动化程度越来越高，接收机的体积越来越小，重量越来越轻，大大减轻测量外业工作的劳动强度。另外GPS测量不受阴天黑夜、刮风下雨、下雪雾障等恶劣天气的影响，可以在一天24小时随时进行测量。
6.2第二代卫星定位系统的应用前景
美国发展第二代卫星导航系统其初衷是用于导航、收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅可以达到上述目的，而且经载波信号相位测量的开发利用，GPS系统还可以进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，分米级至亚分米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫秒级精度的时间测量。因此GPS系统展现了极其广阔的应用前景。在军事上，用GPS信号可以进行海、陆、空全天候精确导航，战术战略导弹的精确制导；在大地测量工程测量中可以进行静态、动态的精确定位，对于测绘领域，GPS定位技术已经用于建立高精度的全国性大地测量控制网。建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测和海洋测绘；用于测定全球性的地球动态参数，监测地球板块运动状态和地壳变形；在公安、公交、物流等方面可利用车载GPS进行长距离的交通管制和调度；在科学研究方面可利用GPS系统进行高精度守时，或气象要素的监测；在航空航天遥感方面可利用机载、星载GPS进行摄影瞬间的照相光心定位，实现地面无控制点的快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的划时代技术革命。
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