本科毕业设计
学生姓名：张保全
专业：电子信息工程（本一）指导教师：袁红林
完成日期：2015年5月29日
原创性声明
本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名：日期：
本论文使用授权说明
本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）
学生签名：指导教师签名：日期：
摘要
时间是个基本物理量，是四维时空中的第四维。随着电子信息时代的到来，各行各业都依赖高精度标准时间，因此获得高精度的时间就显得极为重要。授时是指确定、保持某种时间尺度，并通过有线或者无线的方式将代表这种尺度的标准时间信息发送或者转发给用户的一系列过程。授时的方法有很多，但是在各种授时方法中，卫星授时由于覆盖范围广、精度高、全天候和通用性强等诸多优点而得到广泛应用。
本文对导航卫星授时的原理与实现进行研究。首先简要介绍了国内外导航卫星系统的发展状况和时间参考标准，然后在此基础上研究了导航卫星系统的定位与授时原理，接着分析了授时过程中的主要误差来源，最后采用TD3020T模块等软硬件实现了基于北斗二代卫星的微秒级授时系统。
关键词：卫星授时；导航卫星系统；TD3020T
ABSTRACT
Time is a basic physical quantity, and it is the fourth dimension in four-dimensional space-time. With the arrival of the age of electronic information, all industries dependent on high accuracy standard time, so obtaining high accuracy time is very important. Timing is the process of determining and maintaining a certain time standard, and sending or forwarding it to the user through wired or wireless means which represent the standard time information. There are many ways to timing, but satellite timing is widely used because of having wide coverage, high precision, all-weather versatility and many other advantages in all kinds of timing methods.
The principle of satellite timing and implementation are researched in this paper. Firstly, this paper briefly introduces the current development status of domestic and foreign navigation satellite systems and time reference standard; secondly, with the above base, the principles of positioning and timing of navigation satellite system are researched; thirdly, we analyze the main error sources in the process of satellite timing; finally, a microsecond grade satellite timing system based on Baidou second-generation using TD3020T module and other software and hardware was achieved.
Keywords:Satellite timing, Navigation satellite system, TD3020T
目录
摘要.......................................................................................................................................... I ABSTRACT................................................................................................................................ II 第一章绪论. (1)
1.1 课题背景及研究意义 (1)
1.2 授时技术的发展现状 (1)
1.3 论文结构与内容 (3)
第二章导航卫星系统与时间标准 (4)
2.1 全球导航卫星系统概述 (4)
2.1.1 全球定位系统GPS (4)
2.1.2 北斗导航卫星系统 (5)
2.1.3 其它导航卫星系统 (6)
2.2 时间标准与时间参考系 (7)
2.2.1 时间与频率 (7)
2.2.2 时间参考系 (8)
2.2.3 时间同步技术 (9)
第三章卫星授时原理 (11)
3.1 卫星授时简介 (11)
3.2 伪距测量定位与授时 (11)
3.3 直发式授时 (13)
3.4 转发式授时 (13)
3.5 卫星授时的误差分析 (15)
3.5.1 卫星相关误差 (15)
3.5.2 信号传播延迟 (15)
3.5.3 接收机内部误差 (16)
第四章卫星授时系统的实现 (17)
4.1 TD3020T模块简介 (17)
4.2 基于北斗二代的卫星授时系统实现 (19)
5.1 论文总结 (24)
5.2 课题展望 (24)
参考文献 (25)
致谢 (26)
第一章绪论
1.1 课题背景及研究意义
时间作为基本物理量，其标准和计量精度在全部物理量中是要求最高的。在人们日常生活、科学实验、工程技术、国防安全、金融证券等领域都有着关键性的作用。
时间是四维时空(x, y, z, t)中的第四维(t)，卫星定位是获取空间坐标(x, y, z)信息。而授时是获取时间坐标(t)信息，将时间信息以有线或者无线方式从时间源转发给用户的过程。合格的导航卫星系统应当是个高精度星基四维(x, y, z, t)信息源，必须要既能提供定位服务，又能提供授时服务，才能满足人类对其的需要。授时在通信、航天、导航、金融等方便发挥着非常重要的作用[1]。
时间不仅与人们日常生活密切相关，而且还是科学研究和工程技术中极其重要的基本物理量，为系统定性定量研究提供了不可或缺的基于时间的坐标。当今信息时代，对标准时间的精确度要求是非常之高的。人们把利用无线电波发播标准时间信号的工作称为授时，其目的就是为别的设备或系统提供标准时间信息[2]。从古至今人们在不断地探索获取时间的新方法，随着各国对授时技术的不断研究，授时精度也越来越高，卫星授时技术由于其众多的优点成为研究的热点。
信息社会对高精度标准时间的要求十分迫切，时间精度要求达到纳秒级甚至更小，随着信息技术的快速发展，时间计量的精度也不断提高。而精确定时技术的实现需要授时原理来支撑，所以研究授时技术是刻不容缓的大事。授时技术是科学研究和工程实践中发展起来的新技术，在各领域中的应用越来越广泛。卫星授时技术的出现，使大面积的用户获得高精度标准时间信息成为现实。卫星授时具有覆盖范围广、开放性强还可为移动用户服务等特点[3]，正是由于这些优点，卫星授时成为目前最常用的授时方式之一。
本论文主要对全球导航卫星系统授时原理进行了研究，并以仿真实验来实现。
1.2 授时技术的发展现状
时间一直是个神秘的概念，随着历史的发展和科学技术的进步，人类对时间的认识逐步深入，计时的手段越来越多样，对时间精度的要求越来越苛刻。在历史各个时期，人们利用当时所能达到的最高技术进行授时。古时候的人们“日出而作日落而息”，时间精度只达到“日”这个级别，后来发明了日晷、沙漏等计时设备，使得时间测量精度有所提高。图1.1粗略给出不同历史时期的授时方法及授时精度。
图1.1 授时方法的发展
21世纪是信息时代，人们对时间的精度和实时性要求非常之高。无线电技术的出现，为授时方法的发展带来了划时代的变化，许多信息传播手段都可以用来进行授时。现今授时方式多种多样，授时精度高低不一，总的说来可大致分为陆基和星基两大类，陆基授时系统的发射站位于地面，一般覆盖范围小，精度在1ms～1μs，比如网络授时。星基授时主要是基于导航卫星系统的卫星授时，这种授时方法覆盖范围广，实现精度较高。
目前，主要有这几种授时方法：一是传统授时方式，现在已经很少用了，比如打更报时；二是利用通信通道，比如用于互联网时间同步的网络时间协议(NTP, Network Time Protocol)；三是利用卫星授时，这是一种很优秀的被广泛使用的授时方式，不仅精度高而且可以实现全球范围内的精确授时[4]。目前世界上有几套导航卫星系统可供选择，如美国的全球定位系统GPS，俄罗斯的全球导航系统GLONASS，欧盟的伽利略导航卫星系统Galileo，以及我国自行研制的北斗导航卫星系统[5]。
自1957年首颗人造卫星成功发射以来，人类便想用卫星来授时。20世纪末，随着GPS、“北斗”、GLONASS卫星系统的建成，这些卫星系统不仅实现了导航定位功能，而且迎来了卫星授时的新时代[6]。
卫星授时技术是新型的授时技术，信号能够全方位大面积的覆盖，精确度比其它授时方法高，导航电文信息丰富，经过多年的发展市场应用已经成熟，再加上我国北斗导航系统的加入，应用前景一片明朗。因此，卫星授时技术成为最受欢迎的时间同步手段。
1.3 论文结构与内容
本篇论文对卫星授时进行了初步的研究和实验。课题的设计要求是：研究卫星授时原理，最终通过TD3020T模块等软硬件实现基于北斗二代的卫星授时系统。
本文正文部分分为五章，各章的主要内容如下：
第一章为绪论，首先介绍了论文的课题背景及其研究意义，接着概述了授时技术的发展现状，最后介绍了本文的内容结构安排。
第二章对目前比较常用的导航卫星系统做了简要的介绍，然后对时间参考标准进行了概述。
第三章对卫星授时的原理进行了比较基础的阐述。
第四章采用TD3020T模块等软硬件实现了基于北斗二代的卫星授时系统。
第五章为总结与展望。对所做的研究工作进行了总结，并且对卫星授时的未来发展前景进行了展望。
第二章导航卫星系统与时间标准
2.1 全球导航卫星系统概述
导航卫星系统作为拓展人类实践、促进社会发展的空间基础设施之一，基本作用是向各类用户和平台提供实时、准确、连续的位置、速度和时间信息[7]。卫星导航正在使世界各国政治、经济、军事、科技、文化发生划时代的变革[8]。
当今世界，全球性导航卫星系统主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国自主研发的北斗导航系统等。其中GPS最为成熟并得到广泛应用，“北斗”则具有中国自主知识产权。
2.1.1 全球定位系统GPS
GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS是美国建成的卫星定位系统，可以向全球范围内的海、路、空用户全方位、全时段提供高精度的导航、定位和授时服务。
GPS就像Internet一样，都最初源自于美国军方项目，起初完全军用，后来在这基础上建设发展为军民两用。1994年，全球普遍覆盖的GPS卫星系统竣工，是世界上第一个全球导航卫星系统。
GPS导航卫星系统主要由空间部分、地面控制系统和用户设备共三部分组成。
●空间部分
空间部分由24颗在轨卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，都已布设完成，这24颗卫星分6条轨道围绕在地球上空，每条轨道上有4颗卫星[9]。卫星这样分布的目的是使得在全球范围内，无论何时何地都能观测到4颗及以上的卫星，收到这些卫星的导航电文。GPS是军民两用系统，提供两个等级的服务，即为军事用户提供L1、L2双频P码测距的授时精度的精密定位服务，也为其他用户提供L1单频C/A码测距定位服务。
●地面控制系统
地面控制系统是整个导航系统的控制中心，可以根据实际需要控制系统中所有卫星，由主控制站、监测站和地面控制站所组成。监测站获取视野内的全部卫星的相关数据，计算整理后送至主控站处理。位于美国的主控制站将各监测站收集到的数据计算处理后把结果送到地面控制站。地面控制站收集卫星传回的信息，可以计算出卫星的天文历、时钟漂移和传播时延，最后经过卫星以导航电文的形式发送给终端用户。
●用户设备部分
用户设备部分也就是GPS信号接收机，用于接收GPS卫星发射的导航电文。用户设备能捕获跟踪卫星信号，获取必要的导航和定位信息。当接收机捕获到卫星信号时，测量出伪距等数据，据此进行定位解算，计算出用户的地理坐标和时间信息，完成定位和授时工作。接收机正朝着小型化、轻量化、便携化发展，对卫星授时的发展有着功不可没的作用。
GPS系统具有以下特点：
●全球性、全天候：系统可以为全球范围内的用户提供不间断的实时的导航定位授时服务，而且无论天气情况如何都能照常提供服务。
●定位精度高：定位精度可以达到米，好的情况下甚至可以达到厘米，是目前授时技术中精确度最高的。
●功能多、应用广：GPS在勘测、导航、定位、授时等领域都有用处，而且还在进一步扩大，譬如车辆道路导航，地壳运动监测，海平面升降监测等。
近年来，美国政府逐步放开了对GPS民用的限制，定位精度和授时精度从而得到提高，增强了GPS在导航卫星市场中的竞争力[10]。
2.1.2 北斗导航卫星系统
有着五千年文化历史的中国，是世界上最早使用导航装置——司南的国家，四大发明之一就是指南针，对人类时代的进步意义重大。而如今，国际上风云变幻，国内对“中国的GPS”呼声极高。于是，作为一个泱泱大国，中国应该而且必须建立自己的导航卫星系统，这对中国的发展和世界的和平至关重要，不仅关系到工程建设、科学研究等领域，还关系到国家安全。所以，必须建立中国自己的导航卫星系统，这也是关键的国家基础设施之一，科学研究、工程建设、电信、金融和数字化中国的实现需要它的支持。
2000年，中国建成“北斗”导航卫星试验系统，使中国成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后世界上第三个能够自主研制并布设导航卫星系统的国家。2012年，“北斗”导航卫星系统正式向中国及周边地区提供服务。再过不到十年，“北斗”将向全球范围内的用户提供导航定位授时服务，届时“北斗”导航卫星系统将成为中国对世界的又一伟大贡献。
北斗导航卫星系统是完全由中国自主研发与独立运行的全球性导航卫星系统。北斗导航系统作为国家战略性新兴产业在涉及到中国的国家安全时，其诸多优点可以突显出来。北斗卫星系统可以为中国及周边国家提供导航定位授时以及短报文通信服务，满足一般民用的需求。用户需要定位时，向卫星发送定位请求，经过一系列复杂过程最终得到用户的
北斗导航系统由同步卫星、地面控制中心和用户终端三大部分组成：地球同步卫星负责地面控制中心和用户终端的中继服务；地面控制中心主要负责无线电信号的收发及整个系统的控制；用户终端主要是接收机，用于接收地面控制中心经卫星转发的卫星信号。
北斗卫星系统主要功能：定位功能，授时功能，短报文通信功能。
●定位功能
为用户提供三维坐标信息，确定用户地理位置。目前定位精度比不上应用成熟的GPS，定位精度大约在15米。但是北斗导航系统和GPS系统具有兼容性，两者可以结合使用，这样可以大幅度提高定位精度。
●授时功能
除了定位以外，北斗卫星系统还可以提供授时功能，北斗卫星授时是一种转发式授时，进一步还可分为单向授时和双向授时，其中双向授时精度更高。
●短报文通信功能
北斗导航系统可以提供用户之间，用户和地面控制中心的短报文通信，这一功能是北斗系统独创的，其他导航系统所不具备的。
随着中国的综合国力的增强和科学技术的快速发展，有更多的资金和技术建设和发展北斗导航系统，北斗也将满足科学研究、国民经济、工程建设等方面的需求，除此之外还可以增强综合国力，维护国家安全，和其他导航系统一起共同促进全球导航卫星事业的发展，为全球用户提供高精度、高性能的导航定位授时服务。
2.1.3 其它导航卫星系统
俄罗斯GLONASS导航系统于20世纪90年代中叶完成卫星组网，由空间段、控制段和用户段组成。GLONASS卫星轨道离地面的高度与GPS卫星不同，避免了两个星座相互影响。虽然GLONASS导航精度次于GPS，但是没有SA干扰，故民用精度优于GPS。目前，GLONASS正处于现代化改造和恢复阶段，不能单独组网运行，需要与GPS联合使用。
欧洲的导航系统Galileo是以意大利伟大科学家伽利略命名的导航卫星系统，以纪念这位伟大的科学家。上世纪末由欧洲的一些国家出于某种考虑（主要是政治经济）而正式推出的，2008年投入运行。Galileo是一种区域加强型全球导航系统，首先满足欧洲需求，定位精度可达几米。伽利略卫星系统是世界上首个完全出于民用目的建设的全球性导航卫星系统，这也是Galileo系统的与众不同之处。
上面介绍的导航卫星系统中，GPS建成时间最长，服务最为成熟，信号比较稳定，能够实现全球覆盖，用户产品种类丰富，产业链成熟，是用户数量最多的。单从精确度考虑，
GPS从设计之初就为美国军方所用，万一有一天美国因为军用目的削弱民用，虽然这只是假设，但在一定程度上说明了GPS在民用领域仍然存在诸多问题。
结合现今全球导航系统的发展需求和各国的实际情况，世界上多套全球导航卫星系统将长期共存，既相互补充又相互制约，共同促进导航事业的发展。我国自主建设的北斗导航卫星系统也正在逐步发展与成熟，中国也在全球导航系统中有了话语权。
2.2 时间标准与时间参考系
时间是用来描述物质运动过程或事件持续过程的一个标量，时间是国际标准单位制SI 中的7个基本物理量之一，单位为秒(s)，是四维时空坐标的第四维，是物质存在和运动的基本形式之一。通常意义上我们所说的时间有两种不同的含义：一种是指“时刻”，表示某个事件于何时发生，是时间坐标上的一个点；另一种是指“时间间隔”，表示某个事件持续的时间长短，是时间坐标上的一条线。
2.2.1 时间与频率
无论是日出日落、四季更替，还是天体运动或原子跃迁，都有着相对稳定的周期，如果我们把一个个周期积累起来，这样的话就可以得到“时间间隔”了，假如再规定好一个时间的起始点这样就可以得到时刻了。
时间标准的前提和基础是频率标准，频率标准是时间统一系统的核心，要得到准确的时间标准必须要有稳定可靠的高精度频率标准。频率是周期的倒数，定义为在单位时间（1 秒）周期变化的次数，它的单位是赫兹(Hz)，国际单位制SI中赫兹是时间单位秒的导出单
位，量纲为[T-1]。如果在一段时间T内周期性变化了N次，则频率可以由表达式
N
f
T
计
算得出。由于周期和频率是倒数关系，所以可以对频率测量然后求出周期，也就是时间间隔，这是最常见的计时方法之一。频率标准源是指产生高稳定度、高精度标准频率信号的振荡器及其附属电路，它们对时间统一系统的性能起决定性的作用，决定着一个时间标准能否满足要求。制定时间标准和频率标准的第一步就是寻找频率极其稳定精确的重复的周期现象。
时间标准应当具备两个关键因素：一是稳定性，即时间标准的频率和周期要非常稳定，始终相同，很少受到外界条件变化的影响；二是复现性，即时间标准无论何时无论何地都要可以重复观测和实验，而且其结果还应该保持一致。从古至今人们一直致力于寻找和建立稳定的时间标准，来满足人类生产、生活对精密时间的需求。随着人类对时间本质的不断探索和深入研究，人们建立时间标准的方式在不断演变，精度也越来越高。目前，铯原子钟精度最高，数百万年误差不到一秒，人类根本感觉不到。在此基础上发展起来的原子
时也可以达到如此高的精度，是目前精确度和稳定度最高的时间标准。
目前相对实用的时间频率标准主要有石英晶振和原子频标两大类，原子频标精确度高，但是成本较高，主要用于科学实验等对时间和频率精度要求较高的场合，而石英晶振性价比高，被广泛使用在一般的要求不高的民用领域。时间和频率也可共用一个标准源，在频率标准源基础上加上计数和读出装置等就成为一个时间标准源。
2.2.2 时间参考系
授时技术的发展一方面依赖导航卫星系统，另一方面离不开统一的时间参考系。国际上通用的时间参考系主要有：国际原子时(TAI)、世界时(UT)和协调世界时(UTC)[11]。
●世界时(UT, Universal Time)
地球自转，昼夜更替，这是一个相对稳定的周期性现象，以此为基础可以建立一个很好的时间参考系。于是，人们以一昼夜为一日，并将其平均分成24小时，86400秒来计时，世界时由此得来。后来发现，由于地球自转周期的不均匀性，这导致世界时其实并非固定不变的，精确度不高。尽管如此，世界时是基于地球自转周期得来的，对应于昼夜更替，是我们最熟悉且与日常生活息息相关的时间，对于日常生活以及有关地球的研究仍是必需的。
根据国际相关规定，不经过修正的不精确测量结果得到的世界时定义为UT0；由于地球自转运动的不均匀性，对地球自转轴微小移动效应造成的时间偏差进行修正后得到的世界时定于为UT1；对UT1 进行季节修正后得到UT2[12]。后来又在世界时的基础上引入历书日，历书时是以地球围绕太阳的公转周期为基础建立的时间标准，由于公转周期比自转周期稳定，历书时的稳定性优于世界时。
●国际原子时(IAT, international atomic time)
世界时致命缺点是时间不均匀，稳定精确度不高，不宜作为时间标准。随着粒子物理学的研究进展，人们将建立时间标准的目光投向微观世界。根据量子物理学的基本原理，原子的核外电子从一个轨道跃迁到另一个轨道要吸收或发射出一定频率的电磁波，这种电磁波的特征频率是离散的，即共振频率。共振频率的精确性非常高，高精度的原子钟应运而生，它则恰恰克服了世界时的不均匀性。原子时以原子内部电子跃迁作为时间刻度基准，它以微观原子运动的特征为基础，非常均匀稳定。
原子时计量的基本单位为原子时秒，1967年的国际计量会议通过了秒长的新定义，原子时秒被定义为海平面的铯原子基态两个超精细能级间在零磁场跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一个原子时秒。原子时的起始点规定为1958年1月1日，
用精度足够高的铯原子钟计量出的原子时称为地方原子时，不同地的原子时相互之间可能会存在微小差异。国际计量局综合处理多个国家和地区标准时间实验室铯原子钟的时间数据，建立了国际原子时。
●协调世界时(UTC, Universal Time Coordinated)
虽然原子时在微观上秒长和频率比世界时精确稳定，但在宏观上缺少一个明确的标识尺度。由于地球自转速率的变慢，日积月累时间一长，原子时与世界时的差距肯定会增大。因此，需要建立一种时间标准既可以满足对秒长和频率准确稳定的要求，又要使时刻尽可能的接近于世界时，协调世界时正是为兼顾这两种需要而引入的。
本质上说，协调世界时与世界时、历书时、原子时不同，不是一种独立自主的时间标准，而是一种折衷的时间尺度，是世界时和原子时两种不同时间标准协调后得出的新的时间标准。协调世界时秒长定义与原子时秒长保持一致，起点定义为世界时的起点。在原子时与世界时相差接近一秒时釆取“闰秒”的人为干预来消除误差[13]，从而保证UTC的时刻与UT1相差不超过1秒。
协调世界时综合了世界时与地球自转密切相关的自然规律和原子时时间刻度的高度精确性。现在卫星授时技术所采用的时间标准是协调世界时，UTC采用的是位于英国的格林尼治时间，记为零时区[14]。我国东西跨度大，途径五个时区，新中国成立以后，全国都统一采用首都北京所在的东八时区的区时作为标准时间，称为北京时间。中国使用的北京时间（东八区）比格林尼治时间（零时区）早8个小时整，即：北京时间=格林尼治时间+8小时。
2.2.3 时间同步技术
实际生活中，人类利用时间来表征和计量的时候，首先要找到适合的时间标准和频率标准，建立相应的参考系，并和此标准在时间上保持着某种严格意义的对应关系，即时间同步。
时钟同步也叫“对钟”，顾名思义，就是把分布在不同地方的时钟同步起来，使处于不同地的时钟在相同的时刻下具有一致的时间表征。最明了的解决方案就是“搬钟”，就是用一个标准时钟充当搬钟，校正各地的时钟确保均与搬钟时间对齐。
时间同步包括相对时间同步和绝对时间同步，相对时间同步是指系统内各子系统或各部分时间的相对统一，没有要求各时钟与国家或者国际统一标准时钟同步；绝对时间同步是指系统内的所有时钟在保证自己系统内部同步的基础上还需要与国家时间标准或国际时间标准保持一致，就像在中国范围内各个地方都是以北京时间作为唯一计时标准，各个
方便，特别是在结构复杂、分布式系统等应用上就显得尤为重要。
信息时代的快速发展使得时间同步技术广泛用于各行各业。在导航系统用户设备中，时间同步的常见方式就是利用电磁波传播时间标准信号，然后由用户接收机恢复时钟信息后与本地钟时钟对比，并考虑时延以及其它因素的影响，最终实现时间的同步。总的来说，卫星授时是实现全球范围内时间精确同步的最佳选择，唯独利用卫星，才可在全球范围内实现各地区的时间精确同步，卫星授时也当之无愧成为当今最主要的授时方式。
第三章卫星授时原理
3.1 卫星授时简介
授时是指确定、保持某种时间尺度，并通过有线或者无线的方式将代表这种尺度的标准时间信息发送或者转发给用户的一系列过程。授时技术主要完成两方面的任务：一是精确测定用户时间与标准时间之间的偏差，二是完成多个地点的时间同步。
协调世界时UTC为时间提供了一个统一的标准，事实上，卫星已经成为UTC时间传播的主要途径。
一般来说，要成为一个授时系统必须同时具备两个条件：(1) 授时系统的时间要与国家标准时间保持一致，这是国际电信联盟ITU对授时系统的要求；(2) 要求授时系统采用广播的方式发播授时系统的时间，不限量地供有需要的用户接收使用。终端用户一般使用接收机获取授时台发送的授时信号，接收机根据授时信号精确确定用户时间相对于标准时间的偏差，利用该偏差对用户本地时间进行调整，实现不同用户时间与授时中心标准时间的同步。授时精度可以用用户获得时间与协调世界时UTC之间的偏差来衡量。
卫星授时就是利用卫星作为时间基准源或者转发中介，通过接收卫星信号和进行时延补偿的方法，在本地恢复出原始时间的这一过程。
卫星若载有高精度时间源，用户通过接收多颗卫星信号实现伪距测量及定位解算，从而实现时间同步，这种定位授时方法称为直发式授时(RNSS)。如卫星本身没有高精度时间源，通过接收地面站的信号再进行延时确定的转发，该授时方式称为转发式授时(RDSS)。RDSS授时又可以分成两种：单向授时和双向授时。双向授时中用户需要向卫星发送请求，再接收卫星应答信息。而单向授时中用户仅接收卫星下行信号，并不向卫星发送授时请求。
实际证明，卫星授时是一种新型高效的授时技术，它全覆盖、全天候、高精度、易于实现，在授时精确度、信号覆盖范围、应用场景等诸多方面均优于其它形式的授时技术，已广泛应用在科学研究、工程技术、国家安全和社会发展等诸多领域。随着电子信息时代的高速发展，卫星授时的规模和性能也越来越高。
3.2 伪距测量定位与授时
在介绍卫星的授时原理之前，首先得了解卫星的定位原理，这是导航系统能够精确授时的前提。卫星定位的基本原理是根据卫星的位置和卫星接收机两者之间的距离作为已知数据，采用空间距离后方交会的方法，接收机解算出用户坐标，从而确定待测点的位置[15]。具体的确定方法如图3.1所示。
(x ,z 4)
卫星2卫星34
图3.1 GPS 卫星定位原理图
用户要实现定位和授时功能，也就是得到4个目标数据：用户的空间三维坐标(x, y, z)和用户时间与卫星标准时间两者的时刻误差Δt 。所以需要测量至少
4颗卫星的伪距，解算下列定位方程组即可实现定位授时的目的。
1R c t =
?
(3.1) 2R c t =
?
(3.2) 3R c t =
?
(3.3) 4R c t =? (3.3) 上面方程组中，(x i , y i , z i ) (i=1, 2, 3, 4)分别为4颗卫星的三维坐标值，(x 0,y 0,z 0)为用户接收机的三维坐标值，R 为伪距，c 为光速，Δt 为传播时延。
卫星的坐标值可以通过星历数据计算得到，卫星和接收机之间的几何距离称为伪距，伪距的计算可以利用信号从卫星到用户的传播时间来间接算出，传播时间等于用户接收到信号的时刻减去卫星发送信号的时刻。接收机对收到的卫星信号进行处理和误差校正，通过解算定位方程组，就可以得到用户的三维坐标(x 0,y 0,z 0)，从而完成用户定位工作。
设GPS 系统时间为t 1，用户时间为t u ，则种差为1u u t t t ?=-。
用户用计算到的钟差对本地时钟修正，即可得到GPS 系统时，实现授时的目的。
3.3 直发式授时
前一节阐述了卫星定位的基本原理，直发式授时(RNSS)与卫星定位有着密切的关联。
对于RNSS授时法，用户终端只需要接收卫星发送的RNSS导航电文，获得卫星系统的标准时间信息，然后将本地时间与标准时间比对获得本地时钟时间与UTC时间的偏差。在不知道用户位置的情况下，用户位置的三维坐标是三个未知数，时间是第四个未知数，RNSS接收机需要对4颗或4颗以上卫星进行观测，接收机就能够解算方程组得出自己的三维坐标以及协调世界时，也即实现定位与授时。当然，若用户已知自己的确切位置，那么就只有钟差一个未知参数，那么理论上接收机只需要测量1颗导航卫星的伪距R就可以解算出钟差Δt，实现授时。如下方程所示：
t?=(3.5) 接收机计算处理收到的导航电文，提取时间信息，完成时钟校正，以UTC时间为基准进行计时，这样就得到了高精度的时间信息，从而完成授时过程。
3.4 转发式授时
为了减少对卫星上载有的高精度时钟源的依赖，发展起来了一种利用导航中心地面站高稳定度铯原子钟作为时间标准，通过导航卫星转发标准时间信息实现卫星广播授时的新方法，这种授时方法称为转发式授时(RDSS)。由于导航中心地面站装有高精度铯原子钟，且溯源到协调世界时UTC，所以其时间信号十分准确稳定，只要精确扣除时延误差，一样能够实现高精度授时。
转发式授时又有单向授时和双向授时之分。采用单向授时法时，由地面授时台发播标准时间频率信号经过卫星转发器向覆盖区域内转播，需要定时的用户接收信号，从中提取标准UTC时间，计算出时钟差，进行本地时钟的同步，即可获得高精度的标准时间，如图3.2所示。
t up t down
接收机授时台
图3.2 RDSS 单向授时方法 采用双向授时法时，不像单向授时模式，一方面，用户先要发出授时请求，并将其位置坐标信息以及请求信息发给地面测控中心，当中心站收到该请求之后就会把时间标准信号发送到用户端，紧接着该信号再由用户端返回给中心站，进行了信息交互，从而用户可以获得相当高的授时精度。具体过程如图3.3所示。
北斗卫星
定时用户机
中心站系统t 1
t 2t 3t 4
图3.3 RDSS 双向授时方法 单向授时和双向授时的最大区别在于用户从中心站获取传输时延的方式不同。单向授时由接收机计算传输延迟，不占用导航系统的计算资源，但容易受到各种因素的影响，所以授时精度较低。而双向授时模式，客户端要求和中央站信息交互，将占据一定导航系统资源，但是其授时精度优于单向授时。可见，这两种授时模式各有利弊，在实际应用中，我们需要结合使用，才能提高效率。
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，
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。
全球卫星导航定位行业分析报告 一、全球卫星进展概况 卫星导航定位技术指利用全球卫星导航定位系统所提供的位置、速度及时刻信息对各种目标进行定位、导航及监管的一项新兴技术。与传统的导航定位技术相比，由于卫星导航定位技术具有全时空、全天候、连续实时地提供导航、定位和定时的特点，已成为人类活动中普遍采纳的导航定位技术。因此，全球卫星导航定位系统一经问世，在市场需求的牵动下专门快就深入到各国军事、安全、经济领域的方方面面，使航空、航海、测绘、机械操纵等传统产业的工作方式发生了全然的改变，开拓了移动位置服务等全新的信息服务领域，并迅速进展成为一个新兴的产业——卫星导航定位产业。 以美国GPS为代表的卫星导航定位产业差不多成为当今国际公认的八大无线电产业之一。在人类信息社会中，有80%以上的信息与“位置”和“时刻”有关，在卫星导航定位技术出现以后，它能够迅速将位置、时刻信息数字化，进入互联网和各行各业的信息应用系统，被人们所使用。 目前世界上投入正式运行的卫星导航定位系统有美国的GPS 系统、俄罗斯的Glonass系统和我国的北斗卫星导航定位系统。
其中GPS的应用最为广泛，占到全球应用的95%以上。鉴于民用需求的巨大与旺盛，为了摆脱对美国GPS系统的依靠，打破美国对全球卫星导航产业的垄断，欧盟在2002年提出建设Galileo 系统，俄罗斯则打算在2010年全面恢复Glonass系统，我国在2006年对外公布建设我国新一代北斗卫星导航定位系统，卫星导航定位产业步入了一个多系统并存、多技术融合的进展新时期。 我国的卫星导航定位应用是在全球卫星导航定位系统逐步开放、透明的大环境下，通过学习、引进、消化、汲取再创新的方式进展起来的。美国的GPS系统在20世纪80年代建设初期是一个严加保密的纯军事系统。随着全球政治格局和经济一体化的进展，其已从最初的“军用为主、民用为辅”进展到“强军护民、以民养军”的新时期。美国GPS政策的每一次开放调整，都有力地推动了本国及全球卫星导航定位产业的市场进展。随着卫星导航定位在我国应用领域的不断拓展和深入以及自主的北斗卫星导航定位系统的建设，使我国在卫星导航定位系统技术和导航信号处理技术、卫星导航定位芯片技术和板卡、高精度接收机产品等方面取得重大突破，积存了应用经验，卫星导航定位技术与产品已呈现自主创新，集成创新，引进、消化、汲取再创新的多元
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
第六章全球卫星导航系统原理及应用 第一节卫星定位技术简介 一、概述 具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。目前已有的卫星导航系统包括美国的全球卫星定位系统（GPS）、俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS、正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统、中国北斗卫星导航广域增强系统。 全球定位系统（GPS）是众多卫星导航系统之一，GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是：利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。GPS具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了广泛的应用，在物探测量工作中广泛普及及应用。对于物理点的放样已经不再仅仅是采用测角和量距，而是借助GPS导航卫星信号来确定地面点的准确位置。 随着GLONASS系统、GALILEO系统以及中国的北斗系统逐步组网运营，综合各大导航系统的多星系统接收机逐步替代了先前的GPS定位的单一系统，其作业效率、定位精度、定位的稳定性与可靠性都得到了大幅度的改善。 二、卫星定位技术的发展 1957年10月4日，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星后，人们就开始利用卫星进行定位和导航的研究，人类的空间科学技术研究和应用跨入了一个崭新的时代，世界各国争相利用人造地球卫星为军事、经济和科学文化服务。同时，卫星定位技术在大地测量学的应用也取得了惊人的发展，迅速跨入了一个崭新的时代。 （一）早期的卫星定位技术 卫星定位技术是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。卫星大地测量就是利用人造地球卫星为大地测量服务的一门学科。它的主要内容是在地面上观测人造地球卫星，通过测定卫星位置的方法，来解决大地测量任务，例如测定地面点的相对位置，测定地球的形状和大小等。 早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面上的观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也可利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距三角网。通过这两种观测方法，均可以实现地面点的定位，也能进行大陆同海岛的联测定位，解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题，这是常规定位技术望尘莫及的。 1966至1972年期间，美国国家大地测量局在英国和联邦德国测绘部门的协作下，用卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网，获得了±5m的点位精度。然而，
四大卫星导航系统伪距单点定位性能对比摘要 引言 卫星导航定位系统的成功产生，促进了卫星导航定位市场这一新兴产业的发展。全球卫星导航业务一直被美国的GPS即全球定位系统（Global Positioning System）所垄断。目前，GPS以其技术优势和廉价的使用成本，在全球得到广泛应用，涉及野外勘探、陆路运输、海上作业及航空航天等诸多行业，其相关产品和服务市场的年产值达80亿美元，成为当今国际公认的八大无线产业之一。 然而在海湾战争和阿富汗战争期间，欧洲使用的GPS系统曾经受到限制，而且定位精度也有所下降;尤其在科索沃战争中，美国还曾经单方面关闭过巴尔干地区的民用导航信号源。 GPS是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。在美国全面研制成功并运用到民事和军事领域后，全球各个大国发现了其潜在危机以及机遇。 随后，是俄罗斯的卫星系统“格洛纳斯GLONASS”，是俄语中“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE”的缩写。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。 紧接其后是中国的北斗导航系统，他于1994年启动北斗卫星导航试验系统建设。在之后是欧洲的卫星导航系统。2002年3月26日，欧盟首脑会议批准Galileo卫星导航定位系统的实施计划。这标志着在2008年欧洲将拥有自己的卫星导航定位系统，并结束美国的GPS 独霸天下的局面。 第一章伪距单点定位 根据观测值的不同，卫星导航系统单点定位可以分为伪距单点定位和相位单点定位。其中伪距单点定位因速度快、不存在整周模糊度、接收机价格低等优势，被广泛用于各种车辆、舰船的导航和监控、野外勘测等领域。 伪距单点定位原理 测码伪距是由卫星发射的码到测站的传播时间与光速的乘积所 得的量测距离。设观测历元i、接收机k、卫星j，在建立伪距观测值距离方程时，必须 顾及卫星钟差、接收机钟差及大气折射对流层延迟、电离层延迟讯，方程为: = 解算时将其线性化，略去接收机及观测历元的标号， 得到观测方程式:
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，
0.引言 GPS的投入运行对当今社会经济、军事产生了革命性影响，各个国家对它的依赖性不断加大。同时，为了避免受制于人，各国纷纷研制自己的全球卫星导航系统。紧随美国之后，俄罗斯建成了GLONASS 系统，但由于资金长期短缺以及其他种种原因，导致在轨工作卫星曾大量空缺，不能提供全天候、全球性的定位服务。而欧盟正在开发的伽利略(GALILEO)卫星导航系统是一个独立的，性能优于GPS，与现有全球卫星导航系统具有互用性的民用全球卫星导航系统。争奇斗艳的全球卫星导航定位系统将会给当今的信息社会带来深远的影响。 1.美国GPS的发展现状 1.1GPS导航定位原理GPS是在美国海军导航卫星系统的基础上发展起来的以卫星为基础的无线电导航定位系统。它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能，能为用户提供精密的三维坐标、速度和时间。 GPS系统由空间卫星星座、地面监控系统及用户设备组成。GPS 空间星座部分由24颗GPS卫星（含3颗备用卫星）组成，卫星均匀分布于倾角为55°的6个轨道面上，轨道平均高度约为20200km。每颗GPS卫星发射两个载波(1575.42MHz/L1和1227.60MHz/L2)信号，在其上用相位调制技术加载了测距码和导航电文，供用户接收机使用。地面监控系统由一个主控站、3个注入站和5个监控站组成，其主要功能是采集数据、编算GPS导航电文及系统维护等。用户设备是实现GPS卫星导航定位的终端设备，由GPS接收机硬件和数据处理软件组成，它通过接收并处理GPS卫星信号，可得到用户的时间、位置、速度等参数[1][2]。 1.2GPS自身的缺陷 现行的GPS系统存在如下的缺陷：BlockⅡ（BlockⅡA）GPS卫星信号的强度极其微弱（天顶运行的GPS卫星的信号强度仅有3.5E-16W），几乎淹没于背景噪音之下，并能被建筑物等阻挡物反射，产生多路径效应。 调制于L1载波上的C/A码和P码都位于L1的中心频带，易于受到人为干扰。通常情况下，对P码的捕获和跟踪是通过先捕获C/A码和巧用Z计数的方法实现的。这样，如果人为地干扰C/A码的接收，也就等效于P码受到干扰。 民间用户难以同时获得L1-P码伪距和L2-P码伪距，无法实现GPS双频观测的电离层效应距离偏差改正，限制了GPS单点定位精度的提高。 GPS的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要。例如：在高纬度地区，严重影响导航和定位，在中、低纬度地区，每天总有两次盲区、每次盲区历时20～30分钟，盲区时，PDOP值远大于20，给导航和定位带来很大的误差。 为确保导航定位的精度，GPS的卫星导航电文必须每天更新一次，地面监控系统担负着编算和注入导航电文的重要任务，一旦地面监控系统受到破坏，军用和民用用户都不能得到高精度的GPS导航定位服务。 1.3GPS现代化的举措[3] 针对上述情况，GPS执行委员会(IGEB)、GPS顾问委员会(GIAC)和导航学会(ION)召开多次国际会议，讨论GPS现代化的问题。根据GPS 执行委员会有关资料，GPS现代化的主要措施主要有： 取消了GPS SA政策，给民用用户带来了明显的效益。 发射BlockⅡR卫星更换BlockⅡ/ⅡA卫星。与BlockⅡ/ⅡA卫星相比，BlockⅡR卫星在功能上有如下扩充：在L2载波上增设C/A码（或L2C码）；在L1和L2载波上各增设一个军用伪噪声码（M码）；可根据指令增强L2载波上的P（Y）码、L1载波上的P（Y）码和C/A的功率。BlockⅡR-M卫星的功能更进一步加强：能作卫星之间的距离测量；能在轨自主更新和精化GPS卫星的广播星历和星钟A系数；能进行星间在轨数据通讯，在无地面监控系统干预的情况下，可进行自主导航。 发射BlockⅡF卫星。BlockⅡF卫星除具有BlockⅡR卫星的全部功能外，还在保护波段增加第三民用信号L5（1176.45MHz），并增加了卫星间的数据通道。到2008年6月，GPS在轨卫星共有31颗，其中BlockⅡA卫星13颗，BlockⅡR卫星12颗，BlockⅡR-M卫星6颗。 发射BlockⅢ（GPSⅢ）卫星。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPSⅢ型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险。计划在2009年发射GPSⅢ的第一颗实验卫星，2030年完成整个星座的更新。 地面监控系统现代化的措施主要有：给监测站装备数字式GPS 信号接收机和计算机；用分布式结构计算设备替换现有的主计算机；采用精度改善技术建立卫星控制集成网络，完善BlockⅡR卫星的全运行能力；在美国本土（卡纳维拉尔角）增建一个监控站（使监控站增至6个）；在范登堡空军基地建立一个备用主控站；增强BlockⅡR卫星的指令和控制能力。 2.俄罗斯GLONASS的发展现状 2.1GLONASS简介 为了应对美国的全球卫星定位系统GPS，前苏联从上世纪80年代初开始建设与美国GPS系统相类似的卫星定位系统GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System)，于1995年12月将其发展成为由24颗GLONASS卫星组成的工作星座。该系统也由空间卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。空间卫星星座为21颗卫星分布在夹角为120°的3个倾角为64.8°轨道面上，另外3颗卫星备用。GLONASS通过两个频率发射导航信号，但它的每颗卫星的频率都不相同。 GLONASS可供国防、民间使用，不带任何限制，也不计划对用户收费，并声明不引入选择可用性（SA）。但由于俄罗斯经济困难，卫星的补充和维护得不到保证，GLONASS在轨卫星曾大量空缺（2000年情况最严重时只剩下6颗卫星），破坏了其星座完整程度，致使该系统的可用性大大下降。 2.2GLONASS的恢复和现代化 GLONASS的危机引起了俄方的重视，俄罗斯认识到“出于国家安全战略的考虑，俄罗斯应该使用本国的GLONASS系统，而非美国的GPS或者是欧洲的GALILEO导航系统”。随着经济复苏，俄政府在本世纪初制定了“拯救GLONASS”的补星计划，并决定启动逐步改善和提高GLONASS性能的现代化改造。 补星和现代化计划共分三个阶段：第一阶段为补充新的卫星以满足GLONASS系统正常运行的最低要求。第二阶段为GLONASS－M计划，即研制新的GLONASS－M卫星。新的GLONASS－M卫星搭载了铯钟，增强了信号的稳定性；改善了信号结构，增加了附加信息；安装了滤波器，消除了1601.6MHz~1613.8MHz以及1660.0MHz~ 1670.0MHz频段的信号干扰；与此同时，其寿命也由原来的3年延长至7~8年；该阶段计划达到18颗在轨运行卫星(包括GLONASS卫星 全球卫星导航系统的发展现状 项鑫1刘红旗2李军杰3 （1.中国地质大学<武汉>地空学院湖北武汉430074；2.平顶山煤业集团土建公司河南平顶山467000； 3.河南城建学院河南平顶山467000） 【摘要】GPS现代化计划提出了更新星座和地面系统、增加第三民用信号L5、增加卫星间的数据通道、发射BlockⅢ（GPSⅢ）卫星等措施，GLONASS正在逐步实施补星和现代化计划，GALILEO可望提供六项更优的服务。分析了全球导航定位系统的发展与应用状况，讨论了导航定位信息的融合情况与应用前景。 【关键词】GPS；GLONASS；Galileo；CNSS；信息融合 66
GPS、GALILEO、BDS、GLONASS四大卫星定位系统的论述 一、 令狐文艳 二、基本介绍 ?GPS 数量：由２４颗卫星组成。 轨道：高度约２０２００公里，分布在６条交点互隔６０度的轨道面上。 精度：约为１０米。 用途：军民两用。 进展：１９９３年全部建成，正在实验第二代卫星系统，计划发射２０颗。 ?GLONASS 数量：２４颗卫星组成； 精度：１０米左右； 用途：军民两用； 进展：目前已有１７颗卫星在轨运行，计划２００８年全部部署到位。 ?GALILEO 数量：３０颗中高度圆轨道卫星组成，２７颗为工作卫星，３颗为候补；
轨道：高度为２４１２６公里，位于３个倾角为５６度的轨道平面内； 精度：最高精度小于１米； 用途：主要为民用； 进展：２００５年１２月２８日首颗实验卫星已成功发射，预计２００８年前可开通定位服务。 ?BDS 数量：３颗卫星组成，２颗为工作卫星，１颗为备用卫星； 用途：军民两用； 进展：前两颗分别于２０００年和２００３年发射成功。 二、系统组成 ?空间部分 ?GPS：GPS的空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星； 3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗),轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低?GLONASS：GLONASS系统采用中高轨道的24颗卫星星座，有21颗工作星和3颗备份星，均匀分布在3个圆形轨道平面上，每轨道面有8颗，轨道高度H=19000km，运行周期T=11h15min，倾角i=64.8°。 ?GALILEO：如下图所示，30颗中轨道卫星（MEO）组成
GLONASS 全球卫星导航系统 GLONASS 是“ GLOBAL NA VIGATION SATELLITE SYSTE （全球卫星导航系统）”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。按计划，该系统将于 2007 年年底之前开始运营，届时只开放俄罗斯境 内卫星定位及导航服务。该系统和 GPS 一样，也采用距离交会原理进行工作，可为地球上任何地方及近地空间的用户提供连续的、精确的三维坐标、三维速度及时间信息。 恐怕很少有人知道， 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GLONASS 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，GLONASS 也开始恢复元气，推出 了 GLONASS-M 和更现代化的 GLONASS-K 卫星更新星座。 GLONASS 已经于 2011 年 1 月 1 日在全球正式运行。根据俄罗斯联邦太空署信息中心提供的数据（2012 年 10 月 10
日），目前有 24 颗卫星正常工作、 3 颗维修中、 3 颗备用、 1 颗测试中。 GLONASS 卫星在轨重量为 1.4 吨，圆柱形星体的两侧配备 有太阳能电池帆板，其面积约为7 平方米，功率为 1.6kW 。 卫星体前端安有 12 根 L 波段发射天线，用以向用户发射导航 信号。星载铯原子钟为卫星提供基准频率。 GLONASS 采用频分多址技术，第i 颗卫星的信号频率为： 从 1982 年 10 月 12 日发射第一颗 GLONASS 卫星起至 1995 年 12 月 14 日止，先后共发射了 73 颗 GLONASS 卫星，最终建成了由 24 颗工作卫星组成的卫星星座。这 24 颗卫星均匀分布在三个轨道倾角为 64.8 度的轨道上。相邻轨道面的升交点赤经之差为 120 度。每个轨道面上均匀分布 8 颗卫星。卫星在几乎为圆形的轨道上飞行。卫星的平均高度为19390Km ，运行周期为 11 小时 15 分钟 44 秒。 GLONASS 的地面监控部分均设在前苏联的本土内。其系统 控制中心位于莫斯科， 5 个跟踪站分别位于 Ternopol 、st．Peterbury、 Eniseisk、Balkash、 kom somclsk- cnamur 。
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
全球卫星导航定位技术 摘要：卫星导航定位系统在国民经济建设中占有重要的位置，是国民经济信息化建设的重要组成部分和推进力量，是建设国家信息体系的重要基础设施，是直接关系到国家安全、经济发展的关键性系统技术平台。以GPS为代表的卫星导航定位(GNSS)应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。国家对卫星导航定位产业的发展高度重视，“十五”计划发展纲要确定卫星导航定位为国家高技术工程的12个专项之一，国家发改委在2002年实施了卫星导航产业化专项，以北斗卫星导航试验系统和其他卫星定位导航系统的广泛应用为推动力的我国卫星导航定位产业，正进入高速发展的关键时期。本文介绍了全球卫星导航系统的现状以及分析其原理，并分析了全球卫星导航的发展应用。 关键词：卫星导航定位系统；高新技术 Abstract: the satellite navigation and positioning system in the development of national economy, holds the important position, the informationization of the national economy is the important part of the construction and promote the strength, the construction of national information system is the important infrastructure, is directly related to national security, economic development and the key system technology platform. As a representative of the with GPS satellite navigation and positioning (GNSS) application industry has gradually become a global new high technology industry. National satellite navigation and positioning of the development of the industry, more attention of the tenth five-year plan to determine the program for the development of satellite navigation and positioning for the national high technology project of one of the 12 special, the national development and reform commission in 2002, the industrialization of the satellite navigation special to beidou satellite navigation test system and other positioning satellite navigation system for the wide application of driving force of China’s satellite navigation and positioning industry, entering the critical period of development. This paper introduces the present situation of the global satellite navigation system and analyzes the principle, and analyzed the development and the application of the global satellite navigation. Keywords: satellite navigation and positioning system; High and new technology 按照定位导航的方式可分成：卫星定位导航、自主式导航、组合导航以及无源导航。 1、全球卫星导航系统介绍 世界上现有卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及欧洲
前言 一、全球四大卫星定位系统简介： 1．美国的GPS全球卫星定位系统 GPS的全称是Global Positioning System。美国的GPS系统利用至少24颗中地球轨道卫星来传输微波信号。一个GPS接收机能根据这些微波信号来计算其所处的位置、速度、方向、以及时间。GPS系统由美国国防部开发，其官方名字是NAVSTAR GPS。目前GPS的卫星体系由美国空军50th Space Wing管理，维护该系统的年度预算是七亿五千万美元，包括旧星替换和研发工作。1983年高丽航空公司的007航班（波音747客机）被苏联战斗机击落后，当时的美国总统里根签署法令要求GPS系统开放民用。自那以后，GPS已经在世界范围内广泛应用于导航、地图、搜索、商务以及科学研究。GPS也在许多应用中提供精确时间，比如地震研究和电信网络的同步。 2．俄罗斯的GLONASS全球卫星定位系统 2008年2月14日，俄罗斯激活了其GLONASS卫星系统的最后几颗。政府宣布，目前新卫星激活后，GLONASS已经能覆盖全国95%面积和全球83%的面积。本年底，俄罗斯还要为此系统发射六颗卫星。不过无论从技术层面还是经济角度看GLONASS都不怎么乐观。 俄罗斯政府第一副总理Sergey Ivanov日前承认，GLONASS系统产生的经济效益可能还不能收回成本。原因很多，最主要的包括消费者手持设备太少，信号精确度远不如美国的GPS，匹配GLONASS精确度和细节的数字地图还没有产品，在轨卫星的寿命太短——卫星更新频率甚至令俄罗斯的火箭发射能力捉襟见肘。 这几条原因可谓是招招致命。到2008年2月，俄罗斯GLONASS系统的均方差是水平17.1米和垂直22.18米的，而同样的参数在GPS民用系统已经达到了2.76米和7.51米。定位系统的精度取决于地面站对卫星的定位——这方面俄罗斯就落后于美国和欧洲，而且可能需要十年之功才能追上。俄罗斯GLONASS系统卫星的很多零部件受制于制造业能力，本国无法生产，只能依赖进口。美国在这方面的产品最好，但是却对这种产品有严格的出口限制；而俄罗斯内部对美国产品也有很深的疑虑——天知道美国人会不会在产品中留下后门，这种事美国人没少干。俄罗斯从第三国进口的零部件质量却往往达不到航天的要求。目前GLONASS卫星的设计寿命只有三年。虽然俄罗斯的东西都粗糙耐用，目前卫星也可以在三年基础上使用到四年半，美国GPS卫星的设计寿命却是十年，使用寿命达到了二十年！GLONASS需要同时18颗卫星在轨，而俄罗斯目前的卫星生产能力是每年六颗——全力开工也很难保天上的东西齐全。 此外，俄罗斯政府也没有为GLONASS走向消费市场创造有利的商业体系。政府不公开GLONASS的数据格式，因此民营企业都不愿，也不能，在GLONASS消费
全球衛星定位系統（Global Positioning System, GPS） 與 地理資訊系統（Geographic Information System, GIS） 的結合與應用 研習班講義 蔡博文 國立台灣大學 地理學系 地理資訊研究中心 八十八年七月
前 言 全球衛星定位系統（Global Positioning System，GPS）是美國國防部於1973年開始發展的一套衛星定位計劃，其發射的衛星數目及軌道配置歷經多次修正，最後訂為發射24顆衛星於距地表約2萬公里高的6個軌道面上運行（Hofmann-Wellenhof,etc,1992）。至1993年此計畫已全部成功的執行完畢，目前每天天空出現4顆以上衛星的時間已達24小時，故我們可以全天候隨時使用這些衛星資料。 衛星定位原理乃是以地面衛星接收儀（recriver）同時接收三顆以上的GPS衛星所發射的電磁波，利用幾何原理計算出接收儀所在的位置，其與傳統定位技術最大的不同點在於傳統定位方法都從一個已知點輾轉推導出欲知地點的相對位置，誤差的累積與傳播嚴重，而衛星定位方法所獲得的是絕對位置的數值座標，可以直接與地理資訊系統技術相結合。 地理資訊系統（Geographic Information System，GIS）是以電腦工具來儲存、處理、分析及展現地理資料的科技，其發展已有二十餘年，相關技術已臻成熟，達到應用階段，惟在資料搜集及輸入部分仍因地理資料的空間（圖形）特性，仍然處於瓶頸階段，這使得地理資訊系統在資料庫的建立及維護上仍需投注相當大的時間、金錢與人力。 以全球衛星定位技術來輔助地理資料收集與輸入的優點在於:一、資料調查收集與輸入建檔一次完成，由於衛星資料經由接收儀接收為數值化資料，因此透過優良的GIS-GPS界面可以在野外將調查的資料直接輸入資料庫中;二、資料誤差小，傳統的資料收集都將資料或記錄或繪製於地圖上，然後再人工輸入電腦，每一過程中將隱藏著簡括化（generalization）誤差及人為失誤，而以衛星定位方法從事資料收集自始至終都是數值化過程，除了衛星定位系統的系統誤差外，幾乎無誤差的累積與傳播;三、節省時間及人力，接收儀接收衛星資料後直接進入電腦，以地理資訊系統功能來加以處理及儲存，可以節省大量人力及時間金錢的花費。 全球衛星定位系統與地理資訊系統的結合 以衛星定位技術來從事地理資料的收集雖然有許多優點，但其過程與傳統方法不盡相同，其過程並非那麼直接，仍有許多技術細節必