基于星载GPS的CHAMP精密简动力定轨*
秦建1，郭金运1,2,3*，孔巧丽1,2,3，李国伟1
1: 山东科技大学测绘学院，青岛266510
2: 中国科学院动力大地测量学重点实验室，武汉430077
3: 海岛（礁）测绘技术国家测绘局重点实验室，青岛266510
摘要：定轨是地球探测卫星任务顺利执行的关键。星载GPS技术提供了大量、连续的高低卫星跟踪观测，为低轨卫星精密定轨提供了技术支撑。为了确定CHAMP卫星的轨道，利用CHAMP卫星星载GPS数据，运用零差简动力法（zero-difference reduced-dynamic method），给出了精密定轨流程。利用实际数据进行了精密定轨实验，结果与GFZ公布的CHAMP卫星快速轨道（RSO）进行对比，并分析在XYZ方向上的差异，三个方向的均方根值分别为：0.053m、0.054m、0.050m。由此结果来看，求解轨道可以达到厘米量级。
关键词：简化动力学；均方差；CHAMP；星载GPS技术
中图分类号：
Precise Orbit Determination of CHAMP with Reduced-dynamic Method Based
on Satellite-borne GPS Technique
Qin Jian1，Guo Jinyun1,2,3*，Kong Qiaoli1,2,3，Li Guowei1
1: College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao
266510, China
2: Key Laboratory of Dynamical Geodesy of CAS, Wuhan 430077, China
3: Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef of SBSM, Qingdao 266510,
China
Abstract：A great deal of continuous high-low satellite-to-satellite tracking (SST) observations can be collected with the satellite-borne GPS technique, which can be used to precisely determine orbits of
low-earth-orbit satellites. In order to determine the orbit of CHAMP, Bernese5.0 is used in the
zero-difference reduced-dynamic method to compute the day’s orbit。The RMS difference in X, Y, Z directions between the GFZ rapid science orbit are 0.053, 0.054, and 0.050 m, respectively. In general, the accuracy of the computed orbit is at centimeter level. The precision is good.
Key words: Reduced-dynamic method; RMS; CHAMP; Satellite-borne GPS technique
0 引言
卫星定轨是卫星任务顺利完成的关键。CHAMP (Challenging Minisatellite Payload)是用于地球科学、大气研究及其应用的德国小卫星[1]，CHAMP装载有BlackJack型GPS接收机、SLR反射棱镜和STAR加速度计等星载设备，前两个主要用于卫星精密定轨，加速度计用于测量非保守力摄动[1, 2]。CHAMP的主要任务就是确定地球磁场和重力场及其随时间变化，利用掩星技术研究大气[http://www.gfz-potsdam.de/pb1/op/champ/]。因此，卫星精密定轨关系到CHAMP卫星任务的顺利执行。
在20世纪80年代，GPS接收机就安装在卫星上，测试其定轨可行性和定轨能力。LANDSAT5是第一
*项目资助：国家自然科学基金（40974004和40974016），中国科学院动力大地测量学实验室基金（L09-01），海岛（礁）测绘技术国家测绘局重点实验室基金（2009A02）和山东科技大学科研创新团队计划。
*第一作者：秦建（1986-），硕士研究生，主要从事卫星定轨研究。E-mail:qin_jian1@https://www.doczj.com/doc/272647496.html,
*通讯作者：郭金运（1969-），博士，教授，博士生导师，主要从事空间大地测量、海洋测绘和天文地球动力学等研究，E-mail: jinyunguo1@https://www.doczj.com/doc/272647496.html,
个装载有GPS 接收机的卫星，只能接收伪距观测量，定轨精度不高，但证明了星载GPS 的定轨可行性[3]。TOPEX/Poseidon 开辟了星载GPS 进行精密定轨的先河，定轨径向精度达到了4cm [4]。现在星载GPS 已经成为低轨卫星精密定轨的重要技术[5]，CHAMP 、SAC-C 、JASON-1、GRACE 、COSMIC 、ICESat 、Jason-2、GOCE 等测地卫星都安装有星载GPS 接收机。
目前国内外很多学者针对CHAMP 卫星进行了精密定轨研究工作。Svehla 等利用几何法、动力法对CHAMP 卫星进行各种方案的精密定轨研究，使用双差法可以达到4-5个厘米的精度，使用几何法定轨可以达到5-6厘米的精度[6]。刘经南等研究了CHAMP 卫星定轨的精密单点定位方法（PPP ），与美国JPL 定轨结果比较，精度为0.48m [7]。武汉大学开发了PANDA 软件，根据动力学原理，对IGS 跟踪站、CHAMP 和GPS 卫星联合处理，与德国GFZ 定轨结果比较，定轨精度达到0.112m [8]。韩保民基于Bernese 静态处理软件，编制了星载GPS 绝对定轨，伪距相对定轨和载波相位相对定轨软件，并以CHAMP 卫星实测双频观测数据为例，得到绝对定轨精度在几米，相位平滑伪距相对定轨精度在米级左右，载波相位消电离层组合的星载GPS 相对定轨精度在分米级[9]。郭金运根据卫星动力学原理，由星载GPS 数据和IGS 跟踪站的GPS 数据构造星地相位双差观测量，对CHAMP 卫星进行实际定轨，定轨的径向精度为0.2857m ；经过重叠轨道比较和分析，重叠轨道径向精度达到0.0958m ；进行轨道端点比较，端点轨道径向精度达到0.0666m [10]。郑作亚利用GPS 相位观测值非差、历元间差分和基于加权的伪距和相位观测历元间差分联合定轨理论，对CHAMP 卫星进行定轨，得到伪距观测值几何定轨精度在米级，伪距平滑相位几何定轨精度在分米级，相位非差运动学定轨三个坐标方向上的精度为20-30厘米，点位精度在30-40厘米[11]。郭金运等由星载GPS 数据和IGS 跟踪站的GPS 数据构造星地相位双差观测量，利用 EOP 、SGO 、时间等数据，对GPS 数据进行预处理，包括钟差改正、模糊度解算和周跳探测、卫星姿态改正、天线偏差和相位中心改正等，采用 CHAMP 卫星受力摄动模型，根据动力学原理，对CHAMP 卫星进行实际定轨。与德国GFZ 定轨结果PSO 相比，定轨结果径向精度为0. 2857 m 。对于1d 的重叠轨道，径向轨道差异的RMS 为0.0958m 。对于轨道端点比较，径向轨道差异平均为0.0666m [12]。
卫星轨道是测地卫星任务顺利执行的关键，常用的定轨方法有动力学、简化动力学和动态几何法定轨
[13, 14]。简动力法与动力法类似，同样采用轨道力学模式描述卫星运行轨迹，其差异在于使用的力学模式比较少。动能法为直接将接收站的瞬时观测量代入演算法，即可立即求出卫星位置，因其演算法简单，所以可快速得到结果，其优点为方便，求解速度快，并且在概念上不需要引用任何假设。其精度受限于GPS 观测量数量与质量和GPS 卫星群相对于待测定卫星之间的相对几何关系[15]。
本文采用星载零次差分GPS 相位，由简化动力学法进行CHAMP 卫星的精密轨道确定，这对我国发展重力卫星和卫星测高卫星具有重要参考价值。
1 简化动力学定轨原理
低轨卫星绕地球运动，受到多种力的作用，包括地球引力、日月引力、地球非球形摄动、潮汐摄动、大气阻力、太阳辐射压、地球辐射压以及相对论效应影响等[13, 16]。根据Newton 运动定律，低轨卫星运动微分方程为：
()f q q r r t f r r GM r d =+-= ,...,,,1113
（1） 式中，r
r ,为卫星位置及速度向量。初始条件为： ()()()000;,,,,,)(t i e a r t r k k T Ω=ω，1,0=k ，参数00;,,,,,t i e a T Ωω代表0t 时刻的六个轨道元素。d q q ,...1代表未知的扰动力参数，例如：描述作用在卫星上的扰动系数或经验系数。
假设先验轨道()t r 0为已知，动力法定轨可视为是一个改善轨道的程序。已知参数i p 的先验值为0i p ，二者差为()0i i p p -，对()t r 进行Taylor 级数展开，并消去未知扰动力参数部分，则真实轨道()t r 便可以
由先验值0i p 表示：
()()()()0100i i n
i i p p p t r t r t r -???+=∑= （2） 式中，d n +=6表示所有的未知参数个数，六个初始轨道元素与d 个动力参数。如果要得到精密轨道，就需要在（2）式中加入其他扰动力对先验轨道()t r 0的偏微分项。
假设p 为定义初始值参数或者（1）中扰动力参数之一，在先验轨道()t r 0中对p 做偏微分，可写成
()()p
t r t z p ??=0 （3） 将上式代入（1）式，其结果可写成[17]：
p
f z A z A z p p p ??+?+?=110 （4） 式中10A A 、为33?的矩阵，其定义如下所示：
[][]k i ik k i ik r
f A r f A ,01,00, ??=??= （5） 其中i f 代表（1）式中加速度函数f 的第i 项。当{}0,,,,,T w i e a p Ω∈，（5）式为二阶线性齐次常微分方
程，初始值为()()0,000≠≠t z t z p p 。当{}d q q p ,...1∈，（5）式成为以0当做初始值的非齐次方程。
有关于轨道参数i p 的变量方程的解，不是利用数值积分就是利用复杂的线性组合，再以最小二乘同时处理GPS 观测量与其他相关参数，以解得先验轨道参数0i p 的改正量。最后利用（2）来改善轨道。
简动力法求解卫星轨道与动力法类似，采用力学模式与数值积分求解轨道，其差异在于简动力法所使用的力学模式比动力法较少[18]。在以简动力法求解卫星轨道的程序中，利用虚拟的随机参数(pseudo-stochastic orbit modeling)来提高轨道质量。所引入的随机参数，其特点在于给予一个期望值和一个先验的权，由(6)计算权:
220i
i
a a w σσ= (6) 当0σ代表先验的单位权重的均方根(Root Mean Square, RMS)时，给予先验先验变方2
i a σ，来决定权i a w 。此先验的权将制约将要求解的参数，使这些参数值不会与期望值偏离太多[19]。
在欧洲的CODE ，每天解算的GPS 卫星轨道程序中，已使用瞬时速度变化量作为经验参数来提升GPS 轨道质量。每周期估计一次脉冲(pulses)作为一制约因子，确实可以补足太阳辐射压模式的不足[17]。
同样地，简动力法低轨卫星轨道确定程序中，也采用相同的方法。在i t 时，在事先确定的方向()i t e 上，
给予一个脉冲i v ，则(1)式中的i q 在1f 中，可组成()()t e t t v i i ?-?δ，()t δ代表Dirac 分布函数。如果i q 与速度相依性质不明确的话，则对应的变数方程以零为初始值，可写成[19]:
()()t e t t z A z
i v v i i -+?=δ0 (7) 当i v z 为先验轨道偏微分的线性组合，上式可有效地求解，而先验轨道为0t 时，以六轨道元素作为初始状
态的轨道。但这个方法有一个缺陷，就是在i t 时用来改善轨道的()t r
是不连续的。 以分段的常数加速度代入到简动力低轨卫星定轨中，能克服使用脉冲的缺点。在i i t t t <≤-1时，在事先决定的方向()i t e 上设置一个加速度i a ，则(1)中的i q 在1f 中，可在指定的时间间隔组成()t e a i ?。如果i q 与速度相依性质不明确的话，则对应的变数方程以零为初始值，可写成[19]:
()?
??<≤+?=-else t t t t e z A z i i a a i i ;0;10 (8) 此式为非齐性系统，可利用一小部分偏微分项进行数值积分，并组成线性组合，便可有效的求解。
在Bernese5.0中，将轨道元素、动力参数与其他相关系数（接收机时钟改正、相位整数周波未定值等）同时求解。虚拟随机参数则是在径向(radial)、沿轨道方向(along-track)、横向(cross-track)三个方向上，依经验每6-15分钟给予一组解。因此可制约后处理轨道的均方根达到最小化[20]。
2 简化动力学定轨步骤流程
简动力法定轨与动力法相似，不同之处在于所使用的力学模式较少，在本文中，简动力法不采用大气阻力，并且估计轨道的随机参数（pseudo-stochastic parameters ），每6-15分钟一组参数解，分为径向、
沿轨道方向、横向三个方向吸收这些影响[20]。流程如图1。以下叙述为以Bernese5.0为工具进行CHAMP
卫星的零差简化动力学定轨步骤。Bernese 软件中，文件名可由使用者自拟。
步骤一、GPS 观测资料格式转化。用到的程序为RXOBV3。
步骤二、建立GPS 卫星标准轨道。用到的程序为ORBGEN
步骤三、建立低轨卫星先验轨道。利用伪码测距数据求解概略的轨道坐标，并将其转化为精密星历格式，接着再以低轨卫星星历来建立卫星标准轨道。用到的程序依次为：CODSPP —KINPRE —ORBGEN
步骤四、低轨卫星时钟与GPS 时钟同步。以测码伪距观测量将低轨卫星时间与GPS 时钟同步，并估计低轨卫星接收机时钟差，将其存入GPS 观测资料中。用到的程序为CODSPP 。
步骤五、周跳的探测与修复。对GPS 相位观测资料进行预处理，检查相位观测质量并标示粗差，进行周跳的探测与修复。
步骤六、参数估计。由步骤五处理后的GPS 相位观测量进行简动力轨道的解算，并以虚拟随机参数每6-15分钟一组解，求得轨道元素及其速度分量。用到的程序为GPSEST 。
步骤七、求解简动力轨道。将步骤六的轨道成果文件用Bernese 软件中的积分器进行积分，得到标准格式简动力轨道，将标准简动力轨道转化为精密星历格式。再用精密星历格式的简动力轨道建立低轨卫星标准轨道及辐射压参数，作为迭代时的先验轨道。用到的程序为：ORBGEN —STDPRE —ORBGEN 。
步骤八、迭代。由步骤七的轨道成果取代测码伪距解算的先验轨道，进行步骤四至七的迭代，直到简动力轨道成果收敛。
图1 简动力精密定轨流程
3 实例分析
实例所选用的数据为2004年8月29日的CHAMP卫星星载GPS RINEX观测数据、相应的卫星姿态文件及其公布的CHAMP卫星快速轨道文件*.RSO，来源为http://isdc.gfz-potsdam.de。采用CODE的GPS精密星历文件、高取样率GPS时钟差、地球自转参数、IGS站信息文件等，下载地址为ftp://ftp.unibe.ch。定轨中用到的主要的模型及参数见表1，然后利用利用上节介绍的定轨步骤进行精密定轨。
所求的简动力轨道与GFZ公布的CHAMP轨道进行对比。由于GFZ没有公布本人选择的2004年8月29日的CHAMP PSO文件，所以本文采用CHAMP的快速轨道(RSO:CHAMP卫星快速科学轨道的位
置精度在10~20 cm左右,速度精度为0.3~0.5 mm/s[21])作对比。成果对比以XYZ三个方向展示。
表1 简化动力学定轨中用到的模型及其参数
模型参数
重力场模型JGM3 (for GPS)
EIGEN2 (for CHAMP)
行星星历DE200
海潮模型OT_CSRC
极移和UT1IERS2000
章动模型IAU2000
表2 一天简动力轨道与CHAMP RSO差异统计表
MAX(m) MIN(m) MEAN(m) STD(m) RMS(m) X 0.111 -0.128 -0.008 0.052 0.053
Y 0.147 -0.086 0.019 0.051 0.054
Z 0.152 -0.109 0.008 0.049 0.050
图2 简化动力学法解算2004年8月29日CHAMP卫星轨道与RSO在X方向的差异图
图3 简化动力学法解算2004年8月29日CHAMP卫星轨道与RSO在Y方向的差异图
图4 简化动力学法解算2004年8月29日CHAMP卫星轨道与RSO在Z方向的差异图图2、3、4为简动力轨道与RSO轨道在XYZ三个方向上的差异，可以看出，解算的2004年8月29日的简动力轨道与RSO轨道在三个方向上的最大差异为0.111m、0.147m、0.152m。
表2为一天简动力轨道与CHAMP RSO差异统计表，2004年8月29日的结算结果由均方根来看，三个方向分别为：0.053m、0.054m、0.050m。由此结果来看，由简动力法求解的精密轨道可以达到厘米量级。
4 结论
本为以CHAMP卫星星载GPS数据观测资料解算2004年8月29日一天的简动力轨道，与GFZ公布的RSO的差异在XYZ三个方向上展示的最大差异分别为0.111m、0.147m、0.152m。以整体精度看，解算的CHAMP简化动力轨道的均方根在厘米级。
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GEO与IGSO卫星星间差分的精密定轨* 刘吉华1,2,3 欧吉坤1 钟世民1 彭碧波1 (1 中国科学院测量与地球物理研究所，动力大地测量学重点实验室, 武汉 430077; 2 湖北大学, 武汉 430062; 3 中国科学院研究生院, 北京 100049) 摘要：在GEO卫星的局部地区轨道测定中，测站接收机的钟差很难与轨道同时解算，通常需要使用站间时间同步或其他方法消除钟差后才能进行GEO卫星的精密定轨，且所得轨道Z(惯性系)向的精度较差。本文提出了一种基于GEO与IGSO星间单差消去测站钟差的方案，利用IGSO卫星南北方向较大幅度的位置变化，解决局部地区轨道测定的GEO轨道需要站间时间同步以及轨道Z向精度较差的难题。通过仿真，研究基于IGSO与GEO卫星星间求差的单差精密定轨方法，探讨了相关原理，测站分布等关键问题。仿真研究表明：该方法消去测站接收机的钟差，直接解算GEO与IGSO卫星的轨道，可以减轻地面测站同步的负担；在现有条件下，可以同时获得高精度的GEO卫星与IGSO卫星的轨道。 关键词：GEO；IGSO；星间单差；精密定轨 The GEO satellite precise orbit determination based on Inter-satellite single-difference method LIU Jihua1,2,3 OU Jikun1SUN Baoqi13 ZHONG Shiming1 1 Key Laboratories of Dynamical Geodesy ,Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, 340 Xu Dong Road, Wuhan 430077,China 2 Hubei University, 11 Xue Yuan Road, Wuhan 430062, China 3 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, 19 Yu Quan Road, Beijing 100049,China Abstract: In the GEO satellite orbit determination by the region stations, the system error is hard to be calculated correctly. The general method to determinate precise orbit of the GEO satellite is that firstly makes the clock of stations synchronization or acquiring the station clock by using other methods, and the accuracy of z direction is poor. In this paper, a novel scheme of GEO and IGSO orbit determination was proposed, which cancelled out the receiver clock error by single difference (SD) between GEO and IGSO. Since the position of IGSO satellite has large change relatively in the North-South direction, the accuracy of z direction of GEO satellite is improved. The basic theory, station distribution and reference satellite selection, etc. were discussed in detail by simulation cases. The simulated results reveals that the receiver clock error could be cancelled out and the parameters of the satellite orbit could be calculated directly. Also, the scheme reduces the burden of station clock synchronization. Under the present conditions, high precision orbit could be obtained by the proposed scheme. Key words: GEO; IGSO; inter-satellite single-difference; precise orbit determinationon 随着GEO（Geostationary Earth orbit）与IGSO（Inclined Geo Synchronous orbit）卫星在导航定位领域中的应用，对其轨道的精度要求越来越高。我国的北斗一代导航定位授时系统完全采用GEO卫星，正在建设的北斗二代导航定位系统包含一定数量的GEO卫星与IGSO卫星。我国独立设计的CAPS(China Area Positioning System)导航通信系统主要由一定数量的GEO卫星与IGSO卫星构成。印度的IRNSS （Indian Regional Navigation Satellite System）则计划由3颗GEO与4颗IGSO组成[1]。日本的QSZZ （Quasi-Zenith Satellite System）则计划由3颗IGSO构成[2]。因此高精度确定GEO以及IGSO卫星的轨道，是确保新一代导航定位系统的性能及可用性的重要环节。 由于GEO卫星轨道距地面三万六千公里，卫星对整个地球张角很小，不到18度，如果观测站仅在国 *项目来源: 国家高技术研究发展计划（863）（批准号：2007AA12Z305）、国家自然科学基金(批准号:40874009）、总装航天装备总体研究发展中心项目等联合资助资助项目
全球四大卫星定位系统 一．GPS系统（美国） 二．北斗系统（中国） 三．GLONASS系统（俄罗斯） 四．伽利略卫星导航系统（欧盟） GPS系统（美国） GPS系统是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资近200亿美元，于1994年全面建成的新一代卫星导航与定位系统。GPS利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 GPS系统概述GPS系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三部分组成。 （1）空间部分GPS系统的空间部分由空间GPS卫星星座组成。 （2）控制部分控制部分包括地球上所有监测与控制卫星的设施。 （3）用户部分GPS用户部分包括GPS接收机和用户团体。 主要功能： 导航 测量 授时
标准：全球定位系统(GPS)测量规范GB/T 18314-2001 Specifications for global positioning system (GPS) surveys 种类： GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。 北斗卫星导航系统 中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System， 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。 段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户 度0.2米/秒，授时精度10纳秒。 系统构成 北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨 道卫星组成，中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，
国产卫星准实时厘米级精密定轨系统及其重大工程应用 提名者: 中国测绘学会 提名意见: 北斗导航和对地观测卫星系统是国家重要的空间基础设施，卫星精密轨道是其高水平应用的基础。国外星载GNSS接收机及精密定轨系统对我国长期封锁， 制约了我国对地观测与导航领域的发展，研制国产卫星准实时厘米级精密定轨系统，对于构建我国独立自主的卫星应用生态需求迫切，意义重大。 在中国第二代卫星导航系统重大专项、中国高分辨率对地观测系统重大专项、国家863重点项目、国家自然科学基金等支持下，组建关键技术研究和软硬件研发团队进行联合攻关，系统地建立了国产卫星精密定轨理论方法和技术体系，突破了精准、可靠、高时效的国产卫星精密定轨系统核心关键技术，研制了星载北斗/GNSS芯片、板卡、天线、接收机装备等全系列宇航级定轨载荷，建立了国产卫星准实时厘米级精密定轨系统，形成了面向我国高、中、低轨卫星精密定轨服务的能力，实现了国产卫星定轨精度从米级到厘米级的跨越式发展。 项目研究成果已在中国第二代卫星导航系统重大专项，中国高分辨率对地观测系统重大专项、嫦娥工程等国家重大工程中取得成功应用，实现了国产卫星准实时厘米级精密定轨技术、定轨载荷设备和软件系统的自主可控，打破了国外星载GNSS精密定轨系统对我国的封锁，近三年直接经济效益超过3亿元，社会效 益显著，为我国北斗系统高精度应用、对地观测卫星高精度与高分辨率测绘遥感作出了实质性贡献。 同意提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。 项目简介 北斗导航和对地观测卫星系统是国家重要的空间基础设施，卫星精密轨道是其高水平应用的基础。国外星载GNSS接收机及精密定轨系统对我国长期封锁，制约了我国对地观测与导航领域的发展。研制北斗和对地观测等国产卫星准实时厘米级精密定轨系统，对于构建我国独立自主的卫星应用生态需求迫切，意义重大。自2007年开始，在国家863重点项目、中国第二代卫星导航系统重大专项、中国高分辨率对地观测系统重大专项等支持下，项目系统地研究并发展了北斗及对地观测卫星精密定轨理论与方法，建立了国产卫星厘米级精密定轨几何与动力学误差模型，研制了自主可控的星载北斗/GNSS定轨核心载荷及准实时厘米级精
简单对比全球四大卫星导航系统 2011年12月27日，对于中国的高精度测绘定位领域来说是一个不平凡的日子，中国北斗卫星导航系统(CNSS)正式向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务，这是世界上第三个投入运行的卫星导航系统。 在此之前，美国的全球定位系统(GPS)和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)早在上世纪90年代就已经建成并投入运行。与此同时，欧盟也在打造自己的卫星导航系统——“伽利略”计划。 那么，这四大卫星导航系统之间到底有着怎么样的区别和联系呢？下面，就让我们来逐个分析一下，通过四大卫星导航系统的优劣分析，给大家一个较为明显的概念。 四大卫星导航系统各有优势，详情如下： GPS：成熟 GPS，作为大家最为熟悉的定位导航系统，她最大的特点就是技术方面最为成熟。 美国“全球定位系统”（GPS），是目前世界上应用最广泛、也是技术最成熟的导航定位系统。GPS空间部分目前共有30颗、4种型号的导航卫星。1994年3月，由24颗卫
星组成的导航“星座”部署完毕，标志着GPS正式建成。 中国北斗：互动开放 北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。目前市面上定位导航仪器公司如国外的天宝、拓普康，国内的华测导航等都已支持北斗卫星导航定位系统。 欧盟伽利略：精准 伽利略定位系统是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称。伽利略定位系统总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。 俄罗斯格洛纳斯：抗干扰能力强 早在美苏冷战时期，美国和苏联就各项技术特别是空间技术方面争锋相对，在美国GPS技术遍布全国的同时，苏联也没闲着，一直忙于研发自己的全球导航定位系统。俄罗斯的这套格洛纳斯系统便是其不断努力的结果。格洛纳斯由24颗卫星组成，也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定
全球四大卫星导航系统 美国GPS系统 目前世界使用最多的全球卫星导航定位系统是美国的GPS系统。它是世界上第一个成熟、可供全民使用的全球卫星定位导航系统。该系统由28颗中高轨道卫星组成，其中4颗为备用星，均匀分布在距离地面约20000千米的6个倾斜轨道上。 俄罗斯格洛纳斯系统 格洛纳斯是前苏联国防部于20世纪80年代初开始建设的全球卫星导航系统，从某种意义上来说是冷战的产物。该系统耗资30多亿美元，于1995年投入使用，现在由俄罗斯联邦航天局管理。格洛纳斯是继GPS之后第2个军民两用的全球卫星导航系统。 欧洲伽利略系统 伽利略系统是欧空局与欧盟在1999年合作启动的，该系统民用信号精度最高可达1米。 计划中的伽利略系统由30颗卫星组成。2005年12月28日，首颗实验卫星Glove-A发射成功，第2颗实验卫星Glove-B在2007年4月27日由俄罗斯联盟号运载火箭于哈萨克斯坦的拜科努尔基地发射升空。 中国北斗系统 北斗全球卫星定位导航系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供开放服务和授权服务两种模式。根据系统建设总体规划，2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。 2011年4月10日，我国成功发射第八颗北斗导航卫星，标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建设完成，我国自主卫星导航系统建设进入新的发展阶段。从当初的“最高机密”，到今日向民用市场推广，北斗计划已经走过了20多年。曾经的主力科学家已经成了白发苍苍的院士，北斗系统的理论创始人也已经故去。4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星。这颗卫星将与2010年发射的5颗导航卫星共同组成“3+3”基本系统(即3颗GEO卫星加上3颗IGSO卫星)，经一段时间在轨验证和系统联调后，将具备向我国大部分地区提供初始服务条件。今明两年，我国还将陆续发射多颗组网导航卫星，完成北斗区域卫星导航系统建设，满足测绘、渔业、交通运输、气象、电信、水利等行业，以及大众用户的应用需求。 中国卫星导航系统管理办公室负责人冉承其介绍，目前，北斗卫星导航系统正按照“三步走”发展战略稳步推进第一步，2003年建成北斗导航试验系统。系统由三颗地球同步静止轨道卫星和地面系统组成，可为我国及周边地区的中、低动态用户提供定位、短报文通信和授时服务，已应用于水利、渔业、交通、救援等国民经济领域，经济和社会效益显著。第二步，2012年左右，将建成由10余颗卫星组成的北斗区域卫星导航系统，具备覆盖亚太地区的服务能力，采用无源定位体制，具有定位、导航、授时以及短报文通信功能。第三步，2020年左右，建成由30余颗卫星组成，覆盖全球的北斗全球卫星导航系统，系统性能达到同期国际先进水平。 北斗卫星导航系统除了能够提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，还保留了北斗卫星导航试验系统的短报文通信、差分服务和完好性服务特色，是我国经济社会发展不可或缺的重大空间信息基础设施。
全球四大卫星定位系统 目前，世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。当前全球有四大卫星定位系统，分别是美国的全球卫星导航定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯GLONASS系统、欧洲在建的"伽利略"系统、和中国的北斗卫星导航系统。 一、美国GPS长期垄断 美国国防部从1973年开始实施的GPS系统，这是世界上第一个全球卫星导航系统，在相当长的一段时间内垄断了全球军用和民用卫星导航市场。GPS全球定位系统计划自1973年至今，先后共发射了41颗卫星，总共耗资190亿美元。GPS原来是专门用于为洲际导弹导航的秘密军事系统，在1991年的海湾战争中首次得到实战应用。随后，在科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战争中大显身手。从克林顿时代起，该系统开始应用在了民用方面。现运行的GPS系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。美国利用GPS获得了巨大的经济利益，多年来在出售信号接收设备方面赚取了巨额利润。以1986年为例，当时一台一般精度的GPS定位仪价格5万美元，高精度的则达到10万美元。现在价格虽然有所下降，但也可推算出20年来GPS"收获颇丰"。以GPS为代表的卫星导航定位应用产业，已成为八大无线产业之一。据美国国家公共管理研究院进行的调查评估表明，GPS的全球销售额将以每年38%的速度增长，2005年全球GPS市场已达到310亿美元。长期以来，美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号--也就是说，地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人掌握，其他国家只知道个"大概"。在海湾战争时，美国还曾置欧盟各国利益不顾，一度关闭对欧洲GPS服务。 2003年3月20日，伊拉克战争爆发。大批轰炸机、战斗机猛扑向伊拉克首都巴格达，用炸弹准确地将一座建筑彻底摧毁，行动代号："斩首行动"；4月，一架B-1B"枪骑兵"轰炸机临时接到任务，用炸弹摧毁了另一座建筑。他们的目标都是一个人：萨达姆侯赛因，他们所使用的炸弹都是一种：联合攻击炸弹(JDAM)，这些炸弹之所以都能够精确的打击目标，是因为他们都是通过卫星定位来实现定位，提供这种定位服务的正是由24颗美国卫星组成的全球定位系统--GPS。 由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。 二、俄罗斯GLONASS（格洛纳斯）系统 "格洛纳斯GLONASS"是俄语中"全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE"的缩写。作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统。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。1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似，不过，其24颗卫星分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔120°，同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行，轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。俄罗斯自称，多功能的GLONASS系统定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒。如果必要，该
全球四大卫星导航系统简介 一、美国的GPS 系统： 美国的GPS系统，由24 颗(3 颗为备用卫星) 在轨卫星组成。 的信号有两种GPS码。码，P C/A 米。一般的接收机利用29.3m 到2.93 民用：
C/A 码的误差是码计算 C/A 代中期为了自身的安全考虑，在信号上加入了90 定位。美国在 米左右。在 SA(SelectiveAvailability)，令接收机的误差增大，到100 精度应该能在GPS年2000 5 月2 日，SA取
消，所以，咱们现在的米以内。20 码P C/A 0.293 米是码的十分之一。但是2.93 军用：P 码的误差为米到 AS(Anti-Spoofing) 只能美国军方使用，码上加上的干扰信号。P，是在 二、中国的“北斗”卫星导航定位系统：“北斗”卫
星导航定位系统需要发射35 颗卫星，足足要比GPS多出11 颗。按照规划，“北斗”卫星导航定位系统将有 5 颗静止轨道 卫星和30 颗非静止轨道卫星组成，采用“东方红”-3 号卫星平台。30 颗非静止轨道卫 星又细分为27 颗中轨道(MEO)卫星和3 颗倾斜同步(IGSO) 卫星组成，27 颗MEO卫星平均分布在倾
角55 度的三个平面上， 轨道高度21500 公里。“北斗” 卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供 纳秒，测速精度50 定位，测速和授时服务，定位精度为10 米，授时精度为 为0.2 米/ 秒。授权服务则是军事用途的马甲，将向授权用户提供更安全与更
高精度的定位，测速，授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功 能，精度可以达到重点地区水平10 米，高程10 米，其他大部分地区水平20 的水平是差不多的。秒。这和美国GPS 0.2 米/ 米，高程20 米；测速精度优于 另外，“北斗一号”还可以提供用户的双向通讯功能，
全球四大卫星定位系统 说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在，伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：GNSS(Global Navigation Satellite System)。当前，在这一领域最吸引人眼球的要数美国的GPS卫星导航系统；此外，还有俄罗斯的“格洛纳斯”导航卫星系统，欧盟的“伽利略”导航卫星系统，以及我国自主开发的“北斗”导航卫星系统。 一、美国GPS系统 GPS（Global Position System）全球定位系统是目前最成熟的卫星定位导航系统。它是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资近200亿美元，于1994年全面建成的新一代卫星导航与定位系统。GPS利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 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。其空间系统由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成，分布在20200千米高的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。地面控制系统负责卫星的测轨和运行控制。用户系统为各种用途的GPS 接收机，通过接收卫星广播信号来获取位置信息，该系统用户数量可以是无限的。 GPS全球定位系统是美国为军事目的而建立的。1983年一架民用飞机在空中因被误以为是敌军飞机而遭击落后，美国承诺GPS免费开放供民间使用。美国为军用和民用安排了不同的频段，并分别广播了P码和C/A码两种不同精度的位置信息。目前美国军用GPS精度可达1米，而民用GPS理论精度只有10米左右。特别地，美国在90代中期为了自身的安全考虑，在民用卫星信号上加入了SA (Selective Availability)，进行人为扰码，这使得一般民用GPS接收机的精度只有100米左右。2000年5月2日，SA干扰被取消，全球的民用GPS 接收机的定位精度在一夜之间提高了许多，大部分的情况下可以获得10米左右的定位精度。美国之所以停止执行SA政策，是由于美国军方现已开发出新技术，可以随时降低对美国存在威胁地区的民用GPS 精度，所以现在这种高精度的GPS技术才得以向全球免费开放使用。 受应用需求的刺激，民用GPS技术蓬勃发展，出现了DGPS（差分GPS）、WAAS（地面广播站型态的修正技术）等技术，进一步提高民用GPS的应用精度。2005年，美国开始发射新一代GPS卫星，开始提供第二个民用波段。未来还将提供第三，第四民用波段。随着可用波段的增加，新卫星陆续使用，GPS定位系统的精度和稳定性都比
全球四大卫星导航系统概述与比较 【摘要】美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统、欧盟伽利略定位系统和中国北斗卫星导航系统为联合国卫星导航委员会认定的全球卫星导航系统四大核心供应商。本文主要介绍了全球四大卫星导航系统的概况以及与目前应用最广泛的GPS系统的比较。 【关键词】卫星导航系统；功能；区别 0.前言 卫星导航系统是覆盖全球的自主地利空间定位的卫星系统，允许小巧的电子接收器确定它的所在位置（经度、纬度和高度），并且经由卫星广播沿着视线方向传送的时间信号精确到10米的范围内。卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会和经济效益，对民生和国防产生深远的影响。 1.全球卫星导航系统概述 （1）全球定位系统（英语：Global Positioning System，通常简称GPS），又称全球卫星定位系统，是美国国防部研制和维护的中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。全球定位系统可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。 该系统由美国政府于1970年代开始进行研制并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务和军规的精确定位服务两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入选择性误差（即SA政策）以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。 GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性；全球覆盖（高达98%）；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。 （2）GLONASS系统由苏联在1976年组建，现在由俄罗斯政府负责运营。该系统由卫星、地面测控站和用户设备三部分组成，目前的系统由21颗工作星和3颗备份星组成，分布于3个轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度
浅析全球四大定位系统 说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在众多卫星定位导航系统也逐渐兴起。当前，在这一领域最吸引人眼球的要数美国的GPS卫星导航系统；此外，还有俄罗斯的“格洛纳斯” 导航卫星系统，欧盟的“伽利略”导航卫星系统，以及我国自主开发的“北斗”导航卫星系统，它们并称“全球四大定位系统”。 美国GPS系统 GPS（Global Position System）全球定位系统是目前最成熟的卫星定位导航系统。它是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资近200亿美元，于1994年全面建成的新一代卫星导航与定位系统。GPS利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 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。其空间系统由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成，分布在20200千米高的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。地面控制系统负责卫星的测轨和运行控制。用户系统为各种用途的GPS 接收机，通过接收卫星广播信号来获取位置信息，该系统用户数量可以是无限的。 GPS全球定位系统是美国为军事目的而建立的。1983年一架民用飞机在空中因被误以为是敌军飞机而遭击落后，美国承诺GPS免费开放供民间使用。美国为军用和民用安排了不同的频段，并分别广播了P码和C/A码两种不同精度的位置信息。目前美国军用GPS精度可达1米，而民用GPS理论精度只有10米左右。特别地，美国在90代中期为了自身的安全考虑，在民用卫星信号上加入了SA (Selective Availability)，进行人为扰码，这使得一般民用GPS接收机的精度只有100米左右。2000年5月2日，SA干扰被取消，全球的民用GPS接收机的定位精度在一夜之间提高了许多，大部分的情况下可以获得10米左右的定位精度。美国之所以停止执行SA政策，是由于美国军方现已开发出新技术，可以随时降低对美国存在威胁地区的民用GPS精度，所以现在这种高精度的GPS技术才得以向全球免费开放使用。 受应用需求的刺激，民用GPS技术蓬勃发展，出现了DGPS（差分GPS）、WAAS （地面广播站型态的修正技术）等技术，进一步提高民用GPS的应用精度。2005年，美国开始发射新一代GPS卫星，开始提供第二个民用波段。未来还将提供第三，第四
简单对比全球四大卫星导航系统2011年12月27日，对于中国的高精度测绘定位领域来说是一个不平凡的日子，中国北斗卫星导航系统(CNSS)正式向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务，这是世界上第三个投入运行的卫星导航系统。 在此之前，美国的全球定位系统(GPS)和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)早在上世纪90年代就已经建成并投入运行。与此同时，欧盟也在打造自己的卫星导航系统——“伽利略”计划。 那么，这四大卫星导航系统之间到底有着怎么样的区别和联系呢？下面，就让我们来逐个分析一下，通过四大卫星导航系统的优劣分析，给大家一个较为明显的概念。 四大卫星导航系统各有优势，详情如下： GPS： 成熟 GPS，作为大家最为熟悉的定位导航系统，她最大的特点就是技术方面最为成熟。 美国“全球定位系统”（GPS），是目前世界上应用最广泛、也是技术最成熟的导航定位系统。GPS空间部分目前共有30颗、4种型号的导航卫星。 1994年3月，由24颗卫星组成的导航“星座”部署完毕，标志着GPS正式建成。 中国北斗： 互动开放 北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是： 建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。目前市面
上定位导航仪器公司如国外的天宝、拓普康，国内的华测导航等都已支持北斗卫星导航定位系统。 欧盟伽利略： 精准 伽利略定位系统是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称。伽利略定位系统总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。 俄罗斯格洛纳斯： 抗干扰能力强 早在美苏冷战时期，美国和苏联就各项技术特别是空间技术方面争锋相对，在美国GPS技术遍布全国的同时，苏联也没闲着，一直忙于研发自己的全球导航定位系统。俄罗斯的这套格洛纳斯系统便是其不断努力的结果。格洛纳斯由24颗卫星组成，也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定位卫星系统。尽管其定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干扰能力却是最强的。值得一提的是，格洛纳斯项目是苏联在1976年启动的项目，迄今为止，也有了三十年左右的技术经验积累，相较于中国的北斗和欧盟的伽利略系统而言，也算是一款非常成熟的卫星导航定位系统。
四大全球卫星导航系统简介 目前有四大全球卫星导航系统，其中包括: 美国的全球卫星定位系统GPS、俄罗斯GLONASS卫星导航系统、中国的北斗卫星导航系统、欧洲“伽利略”卫星导航系统。 一、美国的全球卫星定位系统GPS 1、简介： GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。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。GPS系统由28颗地球同步卫星组成（4颗为备用星），均匀地分布在距离地球20000公里高空的6个轨道面上。这些卫星与地面支撑系统组成网络，每隔1－3秒向全球用户播报一次其位置（经纬度）、速度、高度和时间信息，能使地球上任何地方的用户在任何时候都能利用GPS接收机同时收到至少4颗卫星的位置信息，应用差分定位原理计算确定自己的位置，精度约为10米。 2、特点： （1）全球、全天候工作。 （2）定位精度高。单机定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。 （3）功能多，应用广。 （4）高效率、操作简便、应用广泛。 二、俄罗斯GLONASS卫星导航系统
1、简介： “格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。GLONASS的正式组网比GPS还早，这也是美国加快GPS建设的重要原因之一。不过苏联的解体让格洛纳斯受到很大影响，正常运行卫星数量大减，甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航服务，更不要说和GPS竞争。到了21世纪初随着俄罗斯经济的好转，格洛纳斯也开始恢复元气。GLONASS的工作卫星有21颗，分布在3个轨道平面上，同时有三颗备份星。这三个轨道平面两两相隔120度，同平面内的卫星之间相隔45度。每颗卫星都在19100千米高、64.8度倾角的轨道上运行。每颗卫星需要11小时15分钟完成一个轨道周期，精度约为10米。 2、特点： （1）抗干扰能力强 （2）GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策 （3）GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星） 三、中国的北斗卫星导航系统 1、简介： 北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。