组合导航的卫星通信

组合导航的卫星通信（精选7篇）

组合导航的卫星通信 篇1

0 引言

目前, 卫星/惯性组合导航凭借其高精度、低成本和抗干扰的优点, 已经广泛应用于社会的各个方面, 尤其是在航空航天和精确制导武器等领域[1,2]。在对组合导航算法及其系统的研究改进和测试验证上, 需要用到卫星/惯性组合导航信号, 而采用实际的卫星和惯性信号成本代价高, 可控性差, 难以广泛采用。因此, 研究设计卫星/惯性组合导航信号仿真系统具有重大工程意义。

目前, 主要是通过将独立产生的卫星和惯性信号进行一定的同步处理获得组合信号。但这类信号无法从根本上解决信号的同源问题, 难以实现高精度的同步, 因而在信号同步性、参数相关性上难以满足对高精度组合导航系统进行测试验证的需求。

为此, 提出了卫星/惯性组合导航信号仿真器系统化的设计思路, 借鉴目前卫星信号模拟器的设计方案, 融合惯性数据输出模块, 并通过引入天线坐标系研究载体姿态对卫星信号的影响, 弥补组合信号同步性差与卫星信号模拟无姿态信息的不足。

1 信号仿真原理

本系统所研究的组合导航信号仿真器其本质是将模拟产生的卫星信号与惯性信号进行同步处理, 进而为组合导航系统提供所需的高精度同步的组合信号。由于2种信号产生方式不同, 传播途径不同, 因此, 在仿真过程中需要考虑的因素也有一定差别。

1. 1 卫星信号仿真原理

GPS卫星向用户发送的信号为射频信号, 包含载波、测距码和数据码[3]3种信号分量, 其表达式为:

式中, 载波L分别是中心频率fL1= 15 753. 42 MHz的L1载波和fL2= 1 227. 6 MHz的L2载波, 2个频率的间隔为347.82 MHz, 可以利用双频精确地估计电离层延迟。载波主要用于信号的调制, 产生高频信号以改善信噪比, 便于卫星信号的传输。

测距码C/A码和P码是2组伪随机噪声 ( Pseudo-Random Noise, PRN) 序列, 可预先确定又可重复产生, 并具有类似白噪声随机统计特性。GPS系统中采用由m序列产生的方法。其中, C/A码2个10级线性反馈移位寄存器特征多项式分别为:

G1和G2经过模2相加 ( 即波形相乘) 得到乘积码, 亦称Gold序列, 可表示为:

式中, ni= 1, 2, …, ( 210- 1) , i对应于卫星, 因此每颗卫星发射唯一的C/A码。

测距码又称扩频码, 一方面用于信号的扩频, 极大地提高了信号的保密性和抗干扰性; 另一方面, 接收机通过捕获测距码测量信号传播延时, 实现测距和导航定位功能。

数据码D码也就是通常所说的导航电文, 包含卫星星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态和全部卫星的概略星历等信息。用户通过对GPS信号进行解调得到其数据信息。

GPS卫星发射的广播电文就是先将扩频码与数据码模2相加构成复合码PD和C/AD , 再对L波段的载波L1和L2进行双向移相键控调制 ( Binary Phase Shift Keying, BPSK) 得到的[4]。GPS信号合成过程如图1所示。

卫星信号仿真就是在上述信号生成的基础上, 根据模拟的载体空间位置以及电离层误差、多径效应误差和对流层误差等模型计算测距码延迟, 进而仿真得到模拟卫星信号。

1. 2 姿态信息仿真

上述的卫星信号仿真技术将载体及其GPS天线当作一个质点, 仅仅考虑了信号的生成与载体的空间轨迹参数。而在真实情况中, 载体的姿态运动会使得GPS接收机天线对空间的覆盖特性发生变化, 导致部分或全部卫星信号减弱甚至中断[5]。因此, 必须研究并在仿真中考虑载体姿态运动对卫星信号的影响。

本系统通过引入天线坐标系 ( 如图2所示) , 综合考虑载体与卫星相对位置、天线安装方位和天线波束增益等因素, 利用姿态仿真和坐标转换等方法, 导出姿态变化与GPS信号强度的数学模型, 进而通过调节卫星信号增益强度来反映载体的姿态变化。

式中, φ, φ, γ分别表示载体的俯仰角、偏航角和滚动角; x, y, z表示天线至卫星矢量; Ciw, Cbi, Cab分别表示天线坐标系、弹体坐标系、惯性坐标系和WGS-84坐标系之间的转换矩阵。α, β表示天线坐标系中对卫星信号强度影响较大的2个夹角参数。根据卫星信号增益模型得到其增益G关于φ, φ, γ的函数表达式为:

1. 3 惯性信号仿真原理

惯性导航是根据牛顿第二定律测量加速度, 自动推算载体速度和位置数据的自主式导航方法。它是由陀螺通过实体模拟或计算的方法来建立测量加速度的参考坐标系, 用加速度计测量沿参考坐标轴的比力分量, 用计算机将比力分量与引力加速度的分量相加, 得到载体相对惯性坐标系的加速度分量, 再进行运算处理, 得出载体的速度和位置数据。这种导航方法无需外界提供信息, 不受外界的干扰和机动飞行的影响, 但受限于惯性器件的工艺水平, 其误差难以完全消除并随时间积累[6]。陀螺测量值表达式为:

式中, ω为真实角速率; Sz为刻度因数误差系数;Bf为零偏误差; nz为随机漂移误差。在载体运动状态数据已知的情况下, 通过构建并融合上述误差, 即可模拟生成陀螺的测量值。加速度计的输出值与陀螺类似。需要注意的是, 通常的惯性信号多为脉冲信号, 且根据信号接收对象的不同, 其电平幅值的要求也存在差异, 因此必须在信号生成后进行相应的电平转换。

2 系统设计

2. 1 系统总体设计

在一定程度上, 系统的设计方案决定了其整体性能。立足现有技术基础, 合理硬件平台搭建与软件流程设计, 为系统各项功能的实现提供前提条件。

硬件方面, 目前主流的设计方案有“DSP + FPGA”、“ARM + FPGA”和“工控机 + FPGA”3类。综合考虑其各自特性, 本文采用“工控机 + DSP + FPGA”的方案, 如图3所示。

这一方案的优点在于可以充分利用工控机CPU强大的浮点计算能力和FPGA的快速并行处理能力, 且控制简便、扩展灵活。其中, D/A转换器用于卫星信号的数模转换; 电平转换模块用于惯性脉冲信号的电平调整; SDRAM作为外设存储器对由工控机传来的数据进行存储; FLASH主要功能在于系统掉电后保存DSP的运行程序; FPGA是本仿真器的核心部件, 主要用于实现与DSP通信、信号合成和D/A控制的功能; 工控机主要完成仿真器的数字信号处理与数据在PCI接口和DSP间的传递; DSP作为工控机和FPGA之间的通信桥梁, 主要完成2个方面的工作: ①定时接收工控机运算生成的各种控制字和电文, 并按照时序要求, 将各通道的控制字发送给FPGA; ②数据类型校正处理, 由于工控机进行的是双精度浮点计算, 而FPGA中只能对整型数据进行处理, 这样必然会造成两者相位累加值的差异, 随着时间的流逝, 误差会越来越大, 必须加以校正[7,8]。

根据仿真器实现功能及其理论原理, 设计系统程序, 其流程结构如图4所示。从用户参数设置到组合信号输出, 主要包括系统初始化、信号生成和同步处理3个阶段。其中前2个阶段主要通过工控机运算完成, 然后将产生的信号经DSP传输给FPGA处理, 最后由各具体硬件仿真得到组合导航信号[9]。

在上述软硬件基础上, 主要设计了卫星信号仿真模块和惯性信号仿真模块2个模块。下面分别就各个模块具体设计进行阐述说明。

2. 2 卫星信号仿真模块

根据上述卫星信号仿真原理, 设计系统的卫星信号仿真模块, 如图5所示。

首先, 通过飞行导航数据或者对应的运动模型, 生成载体的运动状态。前者数据真实性较好, 但无法自由设置参数, 灵活性较差。因此, 通过运动模型实时产生是发展的主流趋势, 尤其对于弹道导弹等特殊载体, 通过运动模型可灵活配置其参数, 实现测试验证目标, 相关模型的理论技术可以参考文献[10]。同时, 根据设置的仿真时间生成实时星历数据, 计算每颗卫星的空间坐标, 然后分别结合载体运动的轨迹参数、相关误差模型以及姿态变化进行导航电文的生成与信号强度的姿态化处理, 最后经过卫星信号模拟硬件仿真得到卫星信号。

2. 3 惯性信号仿真模块

惯性信号仿真模块如图6所示, 与卫星信号仿真类似。其第一步也是载体运动模型的建立, 由于惯性导航的高度自主性, 不需要考虑其他外部因素, 因此只需将得到的标准轨迹和姿态参数与各类误差模型进行融合, 再根据信号接收对象对信号制式的要求进行对应的电平处理, 最后通过电缆输出对应的数字脉冲信号[11]。

3 信号同步处理

在得到卫星与惯性仿真信号后, 需要对2类信号进行高精度的时间同步处理, 这是研究的重点和难点, 关系到最后得到的信号能否为组合导航系统利用。

影响信号同步的因素主要有2个: 系统时差和启动时差。系统时差是指2个模块之间由于时钟源不同而产生的时差, 这是造成独立的卫星与惯性仿真系统之间信号难以同步的主要原因之一; 启动时差是指2个模块从加电启动到信号生成这一过程中的时差。对于高动态空间飞行器而言, 极小的时差也会导致巨大的导航误差, 影响导航数据的精度和系统的整体性能, 甚至导致整个系统无法正常工作[12], 因此必须尽可能减小卫星与惯性导航信号的时差。

针对二者不同产生机理, 本设计方案采用不同的解决办法。系统时差产生的根本原因在于信号时钟的不同源, 本系统通过合理硬件设计, 优化资源配置, 在确保2个信号模块相互不干扰的前提下, 使二者共用时钟源, 从根本上消除系统时差。实现这一点需要对仿真器硬件设计有较深入的研究, 具备一定的底层开发能力。造成启动时差的原因相对较多: 时间起步不一致、电路延迟不稳定和信号复杂程度不相同等。如果将其分离开解决, 需要考虑的因素多而杂, 实现难度大。本文基于系统化设计思路, 在系统内部进行精确的硬件时差标定, 再通过选取公共时间零点, 设置同步握手协议, 进行时漂实时补偿等多种方法, 软硬件共同作用, 最大程度地提高组合信号的同步性。

4 仿真验证

为了验证信号仿真器设计方案的可行性, 根据上文所述, 构建基础性的软件仿真平台。通过对卫星模拟信号与惯性模拟信号分别进行解算, 比对二者之间的导航误差, 进而对系统性能进行定性分析验证。

实验场景1: 用户位置为北纬60°00'00″、东经110°00'00″、高程200 m, 静止状态。

利用成熟的商业接收机 ( CG24) 对卫星仿真信号进行解算, 得到定位结果: 北纬59°59'58. 748″、东经109°59'57. 748″、高程206.78 m。静态条件下, 惯性仿真信号不产生误差。

实验场景2: 用户在WGS-84坐标系中速度分别为15 m/s、20 m/s和25 m/s。

通过接收机解算卫星信号得到用户速度为34. 97 m /s, 惯性仿真信号输出速度信息35. 21 m /s, 均与设定的用户速度35. 36 m/s较为吻合。

通过静态、动态仿真实验, 验证了卫星与惯性信号仿真的正确性与可行性, 并在一定程度上体现了系统的组合导航验证功能。

5 结束语

根据卫星/惯性信号仿真原理, 提出了针对高动态载体尤其是大姿态变化飞行器的卫星/惯性组合导航信号仿真器设计方案。该方案立足组合导航信号仿真与卫星信号姿态化处理, 适应导航系统发展趋势, 具有广阔的应用前景。经过初步仿真验证, 其结果表明本系统产生的信号对卫星/惯性组合导航系统有一定的测试验证效果。

参考文献

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组合导航的卫星通信 篇2

基于SAR的组合导航系统仿真研究

针对地形辅助导航中心SAR图像匹配高度通道不可观,及传统Kalman滤波器自适应性差的缺陷,提出引入GPS高度信息及自适应联邦Kalman滤波算法,设计基于自适应联邦滤波的.SINS/GPS/TAN/SAR四组合导航系统.该方案能有效地提高系统的自适应性、导航精度和自主性.并且由于方位误差角是直接观测量,使和载体不需机动即可获得良好的惯导空中对准能力.同时,该方案还可以提供SAR系统所需的运动补偿信息,由此构成导航设备与任务设备互补的双向信息融合系统.

作 者：柴霖 袁建平方群 黄良伟 CHAI Lin YUAN Jian-ping Fang Qun HUANG Liang-we  作者单位：西北工业大学航天学院,陕西西安,710072 刊 名：系统仿真学报  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION 年，卷(期)： 17(5) 分类号：V249.32+8 关键词：组合导航   自适应Kalman滤波   合成孔径雷达   地形辅助导航  

监视全球的卫星导航 篇3

卫星导航技术开创新纪元

人造地球卫星的出现，使人们有条件把无线电导航台搬上天空。如今，卫星导航系统能为地球上任何地方的用户，提供全天候、连续、实时的导航数据，指出用户在空间的精确位置（经度、纬度和高度），以及航行的速度等。美国的全球定位系统于1973年开始研制，包括二十四颗卫星，这些卫星都是按照预定的规律分布在轨道上的，分三个轨道平面，每个轨道面上有八颗卫星，轨道高度为两万多公里，二十四颗卫星均匀地绕地球运行。对世界各地的各类用户，如飞机、舰船、地面车辆，甚至导弹和低轨道的卫星等，都能做到有“求”必“应”。例如，迷路的部队，只要按下小型接收机的“定位”按钮，就可以立即知道自己所在位置的精确坐标，以及与目的地之间的距离和方向。

这二十四颗卫星的布置方式，保证了地球上任何地方、任何时刻至少能看到其中的六颗卫星，而实际上用户只要用四颗卫星就可以确定自己位置的精确经度、纬度和高度。

导航卫星定位系统如何定位

导航卫星全球定位系统利用三个双曲面相交确定空间点的位置。形成双曲线的几何原理是：到两个固定点的距离差为常数的动点之轨迹，是以这两个固定点为焦点的一条双曲线。平面上两条双曲线相交就能确定一个点的位置。如在海上航行的船只，同时测量到三个地面导航台站的距离，可以得到两组距离差，因此可以得到两条双曲线位置线，这两条双曲线的交点即是船的位置。同样，如果用户接收机同时测量到四颗卫星的距离，就能得到三个独立的距离差方程，也就可以计算出三个相应的旋转双曲面，三个旋转双曲面的交点即是用户接收机在空间的位置。

二十四颗卫星向地面不断发送经过加密的密码导航信号，密码信号中包含各种数据，如卫星每时每刻轨道上的位置，精确的时间数据等，密码信号是用L波段的两个频率（1227.6兆赫和1575.42兆赫）发送的。全球定位系统用户，不论是在陆地、海洋和空中航行的船只、飞机、车辆、导弹等，只要配备合适的接收机和数据处理设备，就能接收到四颗卫星发送的密码信号。根据计时测距的原理，用无线电测量技术可测得不同的时差，把这些测量数据传输给高速电子计算机计算，就可立即得到用户的确切位置。最好的接收机，获得的位置数据，误差不超过十米。该系统用户数量不受限制，且用户本身不需要发射电磁波，对用户具有较好的保密性，很适合军事用户的保密要求。

二十四颗卫星是全球定位系统的关键。卫星带有精确的原子钟、微处理机和无线电密码信号发射机等关键设备。卫星上原子钟是精确定位所必需的，原子钟偏差十亿分之一秒就会引起测距误差0.4米。目前，卫星上所用的原子钟，每昼夜偏差约为一千万分之一秒，使用这样精确的钟，在定位精准度为十米时，要求对原子钟每3到4小时校正一次，才能达到要求。而目前正在试验的一种性能较好、更为稳定的绝原子钟，每三十万年误差小于一秒，每昼夜只差一亿分之一秒，这种钟在一周内校正2到3次就够了。

地面控制设施相辅助

卫星上除装有上述关键的导航设备外，还得装上保证卫星正常工作的系统。如为卫星供电的太阳电池帆板，蓄电池和卫星姿态控制系统等。

要使二十四颗卫星所发射的密码导航数据准确无误，这就要靠地面控制设施完成。地面控制设施包括一个主控站、四个监控站和一个数据注入站。它们负责跟踪和监视所有的卫星，并把接收到的数据汇集到主控站进行数据处理，准确计算并预报卫星运行的精确轨道和时间，并对卫星上的原子钟进行校正，使整个卫星系统时间同步。数据注入站则会定期把预报的卫星精确轨道星历数据发送给卫星，更新旧轨道星历数据，利用卫星上的微处理机把数据存储起来，编成密码向地面发送。

有了全球定位系统，可以大大提高陆、海、空三军在全球范围内的作战能力，以及武器系统的命中精准度，如洲际弹道导弹、战术导弹等都可安装全球定位系统接收机，在飞行中定位，用于中途制导，修正惯性导航系统累积误差，增加命中精准度。也能使战略轰炸机精确测定投弹点的位置，这就是全球定位系统的战略意义。全球定位系统对石油和矿床的勘探、开发和地形地图的测绘等事业也有促进作用。我国全球定位系统的密码信号已部分公开供民用导航使用，并将于2020年推出自己的全球导航定位系统，为全球客户提供精确的导航和定位。

组合导航的卫星通信 篇4

1 GPS、北斗卫星导航系统定位原理

在基于GPS、北斗卫星导航系统中, 其主要由空间部分、地面控制管理部分与用户终端组成[1]。其中对于空间部分而言, 是由2颗地球静止卫星及1颗在轨备份卫星组成, 主要工作在卫星无线电定位业务频段内, 上行是L频段, 下行是S频段。在系统的地面控制中, 主要由1个中心控制站与若干标校站组成, 中心控制站内可同时与2颗工作卫星施行双向通信, 并有效完成对每个用户的精确定位。在系统的用户终端部分, 用户需根据出站信号中的帧时标发射定位申请, 并通过中心控制站将定位数据发往指定用户, 从而实现有效的卫星定位通信功能。

2 单点定位模型

基于GPS的精密单点定位模型中, 主要包括传统模型、Uof C模型以及无模糊度模型[2]3种, 将其应用于卫星导航系统, 可提高卫星导航的精度、简化用户端系统、提高GPS精密定位操作的灵活性。

单点定位模型中, 对于传统模型而言, 其就是由双频GPS伪距及载波相位观测值中无电离层组合的观测模型。常用于对定轨精度要求较低的系统中, 可有效减弱电离层影响, 其单点定位的函数模型[9]如式 (1) 所示

单点定位模型中的Uof C模型, 与传统模型不同, 其中不仅采用无电离层相位组合外[3], 还采用了L2和L1频率码和相位平均, 也可有效降低电离层的影响, 能应用于实时性要求较高的系统中, 其模型形式如下

单点定位模型中的无模糊度模型, 采用无电离层伪距组合观测值以及历元间差分的载波相位观测值求差[4], 无需考虑估计模糊度, 可应用于实时性要求较高的系统中, 其观测模型形式如下

基于GPS卫星导航系统可将3种模型分别应用与实际系统中, 对流层延迟误差具有较好的改善。所采用的3种模型, 均各有优点与不足[5], 根据具体情况选择合适的模型方法, 不仅能提高卫星导航定位的精度, 还可提升卫星导航系统的应用效率。

3 定位算法验证

在北斗卫星导航定位系统中, 对用户发送连续的导航电文, 采取单点定位的方式, 提高系统精度[6]。在系统中, 其定位过程首先由地面中心对卫星连续发射X波段以及C波段载波, 其中的数据流有测距信号及地址电文等信息, 当这些询问信号经卫星变频及放大、转发到测站内, 之后由测站来接收询问信号, 当地面中心站接收到应答电文后, 就可得到其测站的坐标和交换的电报信息, 再由中心站将系统处理后的信息传输给测站, 而测站最终将收到所需信息。在北斗卫星定位系统的组合单点定位滤波算法实现中, 由于北斗卫星定位系统是有源工作方式, 可采取间断组合模式, 避免暴露用户目标, 在卫星定位接收机中, 在接收到定位信息的同时发送定位申请, 再由卫星导航系统中的接收机接收定位信息, 并将数据进行卡尔曼滤波[7], 将最优滤波值进行校正, 由此可最终获得较为精确的状态。而对新的状态进行估值, 施以逐次迭代, 经若干次迭代逼近[8]后, 便可得到准确定位。在卫星导航系统中的定位算法仿真时, 对每个接收机的伪距测量误差, 当接收机经定位后, 同时在X、Y和Z轴方向上进行误差定位。如图1~图4所示。

对于卫星导航系统中的接收机精确位置进行计算, 利用气压高度测量得到高程和地心距测量, 对估计值、估计误差及在实际定位解算中[6,9], 利用伪距测量量以及使用迭代的方式求解, 并最终得出准确定位。在进行迭代计算中, 若相邻2次假设定位时使用的测量量无误, 然而在仿真结果中却有误差, 则是由计算的截断误差与模型误差所造成的。定位卫星在伪距测量中, 对误差较大的仿真结果, 可得到定位开始或结束时的自位置坐标, 同时会对接收机时钟及本振频率进行校正。

在基于GPS、卫星导航系统中, 采用单点定位方式, 可通过修正精确的误差模型来进行, 或利用天线的相位中心位置偏差及计算误差等方式, 实现对卫星导航系统的高精度定位。定位解算位置参数误差, 对于接收机钟差平均约为68 m。且在接收机的观测误差中, 除观测的分辨率外, 还包括对接收机天线相对测站点位置的误差, 其约为信号波长的1%。此外, 在基于GPS、卫星导航系统在实测数据计算结果方面, 对于北斗卫星定位结果更接近标准值, 卫星定位的精度更高。在北斗卫星导航系统中, 在X、Y、Z方向上的均方差均<15 m, 因此满足了对中高精度的卫星导航定位用户的需求。

4 结束语

综上所述, 基于GPS、北斗双星定位系统, 采用组合单点定位模式, 并设计低阶滤波算法方案, 可在线根据北斗双星位置信息对中低精度的激光陀螺误差进行有效地估计与补偿, 其不仅可提高组合导航系统的精度, 且在工程实现中还具有良好的应用价值。

摘要：北斗卫星定位系统可为用户提供快速定位, 以及简单数字报文通信的高精度卫星定位, 其不仅可满足用户对中高精度的导航定位需求, 且算法设计简单实用, 可为GPS导航系统定位提供有效辅助。文中在对GPS和北斗卫星导航系统组合单点定位原理分析的基础上, 建立了二者组合的定位模型, 并验证了算法的有效性。

关键词：GPS导航系统,北斗定位系统,单点定位模型算法

参考文献

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组合导航的卫星通信 篇5

基于区域划分的GPS/DR组合导航定位研究

建立广域车辆定位导航系统的服务区区域划分,在此基础上实现了GPS定位模式切换、建立分层地图数据库和实现通过路网数据对GPS及推算定位的结果进行匹配的快速匹配算法.对车载导航系统的中心模块进行了相应的改进,实现了基于区域划分和地图分级思想的车辆定位导航系统基础模型,并结合成都中心区和广州市的试验结果进行了分析.分析结果表明,区域划分思想用于车辆定位导航系统,可以提高系统的.总体性能.基于该思想实现的车辆定位导航系统模型不仅能在局域,而且能在广域范围内提供满意的定位导航服务.

作 者：李成钢 龚涛 丁建伟  作者单位：李成钢,龚涛(西南交通大学土木工程学院,四川,成都,610031)

丁建伟(广州城市规划自动化中心,广东,广州,510030)

刊 名：西南交通大学学报  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY 年，卷(期)： 37(4) 分类号：P282.3 关键词：车辆定位导航系统   全球定位系统   地图匹配   推算定位  

用途广泛的卫星导航技术 篇6

目前投入使用的卫星导航系统主要是美国的GPS系统，欧空局正在开发的伽利略全球导航卫星系统也将逐步投入使用，这些卫星导航系统将改变人类的生产和生活方式，渗透到人类活动的每一个领域。它除了军事用途外，可以广泛应用于海、陆、空、天所有需要定位、导航和时间信息的生产和生活活动。

卫星导航技术的军事应用

在军事任务中，卫星导航系统是大幅提升军力的重要手段。以目前应用最广泛的GPS为例：GPS具有的通用数据、通用格栅、通用时间，使它在军事作战的各个方面都起着重要的作用。GPS独一无二的特性是：在地球上任何时间，任何地点，任何光照、气候或在其他资源无法看清目标的条件下，能在目标和瞄准该目标的动态武器系统之间建立起四维空间的唯一相关性。GPS的这一特点增强了精确武器的杀伤力，提高了军事任务策划者指挥军队作战的效率，使执行任务的战士或部队减少风险。其优越性甚至达到这种程度：凡是利用精确的GPS信号确定的目标点和制导的武器，无论在任何环境下其击中目标的概率远高于任何其他目标瞄准和定位相结合的技术。此外，由于GPS的应用不需要发射电子信号，因此，GPS可在要求不会产生无线电波的情况下，实现安全、高效和精确作战。由于GPS的这种性能特点，美国国防部和国会都始终强令军事作战使用GPS。GPS的功能已经或正在被装备、集成到国防部运行的几乎所有重要军事作战系统及其通信、数据等支持系统中。

空中应用

GPS可为所有载人和不载人空中平台的空中作战提供全球精确制导。在整个飞行阶段，包括精密进近和着陆，GPS无需依赖地基导航或地面控制，就能在全球任何地方提供点到点的空中导航。在飞机上，GPS与惯性导航联合使用效果最好。通过联合战术信息分发系统（JTIDS）通信网络转发的GPS位置数据，可为航空指挥官连续提供空中战机部署的三维精确图像。无论是飞机还是机载武器都可使用GPS。

海上应用

GPS能为公海、沿海区域、海港和内陆水道上航行的舰船提供全球无缝海事导航。GPS已经取代了以前公海上的舰船和潜艇导航常用的两种无线电导航系统，取消了飞机从公海返回航空母舰时所需要的高功率无线电通信要求。GPS也改善了在夜间和可视条件很差的情况下极近距离操作的安全性。

陆地应用

GPS使全球陆地作战更有效和更安全。GPS与带有栅格的地图相结合能使地面部队在无特征地形条件下实施协同作战；与激光测距探测仪合用时，可精确确定GPS制导武器的远距离攻击目标。GPS与战术安全通信设备合用，可使指挥官连续掌握部队的位置和行进方向，提高作战效率和减少误伤。至于GPS在森林、高山和城市地区应用的局限性，可以通过增强军用信号和提升卫星遮蔽角的方法予以解决。

太空中的应用

GPS能连续高精度地确定地球同步轨道（GEO，约35400千米）高度以下的卫星轨道，从而使GPS取代了地基雷达。这类地基雷达应用不方便，必须提前预报卫星过顶时间，无法连续跟踪单颗卫星，而且许多地基雷达还必须建在国外。GPS星座运行于中圆轨道（MEO，约20350千米），因此GPS对运行在低于7400千米轨道上的卫星，能像对飞机导航那样提供连续的点定位；对位于MEO或高于MEO轨道运行的卫星则要跟踪来自GPS星座另一半卫星溢出地球边缘的GPS信号，并采用连续采集数据技术确定其轨道位置。

武器投放

利用GPS可以实现从全球任何地方全天候、全天时的精确武器投放任务。GPS已提高了各种炸弹、巡航导弹和火炮的命中率和准确度。GPS能使武器从距目标越来越远的射程外进行远距离投放，从而提高了武器投放机组人员的安全。巡航导弹在缺少地形特征或缺少预知任务计划资料情况下，通常难以执行攻击任务，但是GPS却为巡航导弹完成这类攻击任务提供了多种部署选择。采用GPS精确制导炸弹或GPS锁定目标坐标的火炮对敌攻击，为近距离接近敌方的地面支持部队提供了更高的安全性。

目标瞄准

在使用GPS制导武器攻击固定目标时，目标位置误差（TLE）是系统总误差中的单一最大贡献者。如果能采用GPS来精确测定这些目标的坐标，就可大大增强精确攻击这些目标的能力。地面部队和前线航空管制人员通常把GPS与激光测距探测仪结合起来使用。GPS与机载合成孔径雷达结合使用，也可获得与飞机位置相关联的精确目标瞄准信息。

特种部队行动中的应用

GPS除了对陆、海、空导航定位、目标瞄准和武器投放贡献巨大外，它还在特种部队行动中发挥作用。GPS在任何天气条件下能使特种部队人员实现陆地、海洋和空中的日夜隐蔽、准确会合。特种部队只需利用GPS了解各自的精确位置和时间信息就可实现会合，而不需要发射无线电或其他容易暴露自己的不必要标识。

后勤补给

GPS增强了各种后勤保障和补给工作的安全与效率。它能为军事规划作战行动提供事先在隐蔽地点配置军用补给品的精确位置，即使不能事先确定补给品的位置，GPS也能准确确定所需补给品的投放位置。GPS可在任何天气条件下，精确、隐蔽、全天时地实现对舰船的海上补给和加油交会操作以及飞机在空中加油的交会操作。

扫雷/清除爆炸物

GPS利用差分技术的增强系统，能精确绘制出地下或水下雷区的分布图，为建立安全航线和提高清除爆炸物操作的安全性做出贡献。

搜索与救援

GPS能精确确定被击落飞机逃逸飞行员的位置，从而提高救援的成功率。目前投产的作战遇险脱逃者定位器（CSEL）手机，已将GPS融合到低截获/低探测概率（LPI/LPD）的超视距和直接通信装置中，从而大大提高了搜索与救援能力。

通信系统

GPS为有线、无线通信和数据网络提供时间和频率同步。对于加密的通信和数据传输，特别是保持不同网络之间节点的有效沟通，同步化是必不可少的。

情报、监视和侦察系统

GPS能增强有关情报、监视和侦察（ISR）数据的地理坐标效能，同时提供各类ISR系统所用的精确授时信息。

网络中心战

GPS为网络中心战开展支援或攻击行动，提供所需的授时和同步化，也能为在网络中心战中可能使用的各种无人驾驶飞行器提供短期或长期的精确导航。

卫星导航技术的民用

除了在军事领域的应用外，随着导航信息服务越来越普及，卫星导航接收机芯片的日益微小型化，它已越来越多地被嵌入手机和电脑等个人消费电子产品中，成为人们日常生活中不可或缺的信息源。这里所列举的仅是导航与通信相结合所产生的若干应用领域。

个人手机定位与导航业务

当你进入不熟悉的城市时，你可以使用装入卫星导航接收芯片的手机找到你要走的路线。你可以向当地服务提供商发送文字信息告知你的要求，例如查询最近的停车位、快餐厅、旅馆或其他你想去的任何地方，服务商会立即根据你所在的位置，帮你找到离你最近的停车位、旅馆或餐厅。然后，将一张地图发送到你的手机上，甚至还会为你提前预定住宿房间、餐厅或停车位。

公路

卫星导航将有利于道路交通的管制，减缓交通阻塞。如果每辆车都安装卫星导航接收机和数据发射机，那么这些车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用来调控道路使用的许多方面。例如，指示车辆走畅通的道路，限制进入拥挤的道路，或通告司机前方拥堵的情况，建议走另外车少的路线。如果你的车辆超速行驶而发生交通事故，你撞车时的速度、位置和时间信息均会被记录在车上，作为交警或法院判断你是否违章的依据；如果你的车辆被盗或被抢，卫星导航会很快发现并跟踪它的位置，使盗贼无处藏身。

铁路

卫星导航将在海、陆、空所有运输领域的应用中实现传统产业转型或升级改造与技术创新。而铁路是其中最大受益者。尤其是地方和区域铁路线上的各种潜在应用，将会带来降低成本、提高效率的双重效益。如果所有火车装上自动定位、导航与控制系统，可使列车行驶间隔时间缩短一半，则相当于运输效率提高1倍。但是，火车控制对卫星导航定位系统的可用性、可靠性和完好性提出了很高要求。这些要求只能通过全球导航卫星系统和其他车载传感器相结合，形成集成定位商业系统才能实现。未来的伽利略导航定位商业服务将会比现役GPS提供更高的导航精度、更可信赖的可用性和完好性，从而促进铁路交通加速实现现代化，使这一传统产业向智能交通转型。

海运和水运

海洋和江河湖泊是全世界最广泛的运输方式，也是卫星导航最早应用的领域之一。目前在世界各大洋和江河湖泊上行驶的各种大型轮船或游船大部分都已安装了GPS卫星导航装置，从而使水路和海上运输更为高效、安全和优化。伽利略卫星系统特有的搜索救援服务及其精确导航定位性能和更有保障的商业服务将使卫星导航在许多其他海上作业（如渔业、海洋学和油气开采等）实现更多创新，成为海洋和水上交通现代化的基本工具。未来10年，几乎所有的航运活动都可利用伽利略及其商业服务的新特性，提供更高完好性，更可靠的优质服务。尤其是在港口和码头的进出港交通管理方面。同时也包括在任何天气条件下，为航运各阶段（包括在海上、沿海岸、进港口和出港口）提供导航定位和安全保障服务。

航空

当飞机在繁忙的机场跑道着陆时，最基本的要求是确保飞机相互间的安全距离。目前在飞机降落时，由于不能始终确定飞机的瞬时精确位置，机场为确保乘客安全，不得不留出很大的安全距离。在遇到大雾等恶劣天气时也不得不关闭机场，给乘客带来不便。但是，如果能利用卫星导航精确确定飞机的瞬时位置，你就能减小飞机之间的安全距离，也可以实现自动盲降，从而大大提高效率和安全性。欧洲开发的伽利略卫星导航系统提供的有保障的商业服务及足够的精度，使航空公司和飞行员可靠而精确地了解他们的位置，从而提高运营效率。

特殊货物远程监管与跟踪

卫星导航在海、陆、空运输中对各种贵重货物或危险品实施远程跟踪与监管，将成为未来物流业的新应用。为确保这些特殊货物在航空、公路、海上和铁路等多个环节中的安全，货主或业主非常希望了解这些货物在途中的准确位置或状况。如有偏离预定路径，或发生被盗被抢、交通事故等异常状况，安装在这些货柜或集装箱内的导航定位与安全报警装置将自动报警，物流管理中心可以实时跟踪其所处位置，并采取应急措施，而货主也能实时在网上查询自己的货物在途中的位置或到达的信息。

应急救援管理

卫星导航已广泛用于海上搜索救生或跟踪处于沙漠、高山或人烟稀少地区的旅行者和探险者。

预计在不远的将来，装有GPS/伽利略标准卫星导航接收机芯片的手表或手机将成为老弱病残和儿童外出携带的日常用品。如果这些弱势群体在外出时迷路、遇险或需要帮助，他们可以通过紧急求救电话自动发送他们的精确位置，应急救援中心将会根据其准确位置及时派人赶赴现场实施救援。

卫星导航定位系统 篇7

全球定位系统（GPS）

所属国家：美国

开发历程：20世纪60年代初，美国成功研制潜射弹道导弹，确定发射导弹核潜艇位置成为一个重点项目，于是在上世纪70年代，美国陆海空三军联合研制卫星导航定位系统，该计划的实施分为：方案论证和初步设计阶段、全面研制和试验阶段、实用组网阶段三步。1994年，由24颗卫星组成的导航“星座”部署完毕，GPS建设完成。出于军事目的建成的GPS导航系统是到了2000年以后，美国政府才决定取消对民用信号的干扰，使得民用定位精度得以提高。

覆盖范围：全天候（不易受任何天气影响），全球覆盖（高达98%）

导航卫星数量：24颗工作卫星和4颗备用卫星

精度：定位精度10米（民用）

优势：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。

格洛纳斯系统（GLONASS）

所属国家：俄罗斯

开发历程：该系统由苏联于1976年开始组建，1982年发射首颗卫星入轨，直至1995年，该系统才基本得到完善。在此期间GLONASS系统曾一度由于资金缺乏无法更新，而使得整个系统发展缓慢。

覆盖范围：全球（在建中）

导航卫星数量：目前的系统由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成

精度：建成之后将实现定位精度1米左右

优势：抗干扰能力强，目前已有包括iPhone 4S、iPhone 5、iPad 3、iPad 4、索尼Xperia系列手机、魅族MX2、Lumia 920、华硕Padfone 2等iOS、Android、Windows Phone 8系统的智能手机搭载了GLONASS和GPS双定位系统。

北斗导航系统（BDS）

所属国家：中国

开发历程：从20世纪80年代开始，我国便开始进行以静止轨道卫星实现区域导航功能的探索；1994年，正式开始对北斗卫星导航试验系统进行研究；2004年，正式启动了具有全球导航能力的“北斗二号”系统的建设。

覆盖范围：目前为区域性覆盖，范围为南纬55°到北纬55°、东经55°到东经180°，其中北纬10°到北纬55°、东经75°到东经135°为重点服务区。计划将在2020年形成全球性覆盖能力。

导航卫星颗数：到2012年年底，亚太区域服务正式开通之时，北斗系统已正式发射16颗卫星，计划到2020年对全球完成无源定位时整个系统将总共由35颗卫星组成。

精度：在面向全球免费的开放服务中，定位精度平面10米、高程10米；测速精度0.2米/秒；授时精度单向50纳秒，开放服务不提供双向高精度授时。

优势：强大的北斗导航系统除了具有其他导航系统所拥有的无源导航、定位和授时服务外，还拥有位置报告、短报文服务等“特殊技能”，能够对授权用户提供信息的收和发双向功能。

伽利略系统（GALILEO）

所属国家：欧盟

开发历程：早在20世纪90年代便提出了关于伽利略计划的构想，2003年，欧盟及欧洲航天局通过了伽利略计划的第一部分。之后该计划曾因遭到美国政府反对而几近停止，2011年10月，伽利略定位系统的首批两枚卫星由俄罗斯联盟号运载火箭搭载升空。

覆盖范围：全球（在建中）

导航卫星数量：最终会达到30颗

精度：计划地面定位服务设计误差不超过1米

优势：主要供民用，其精度优于GPS。