月球全球导航卫星系统星座分布的优化设计

本文讨论了类地行星全球导航定位星座空间构型设计的原则,初步对月球全球导航卫星系统星座的分布构型进行了分析设计。讨论了月球导航星座空间分布的卫星覆盖特性与导航定位性能,评估了最佳星座设计,本研究可以为将来建立月球导航卫星系统提供星座设计参考。     

全球定位系统（GPS）简介

一、GPS系统及构成全球定位系统即Global Positioning System,简称为GPS,是美国国防部为军事目的而研制的导航定位授时系统,旨在彻底解决陆地、海上和空中运载工具的导航和定位问题。该系统从1973年开始设计研制,在经过了方案论证、系统试验后,于1989年开始发射工作卫星,1994年全部建成并投入使用。GPS系统的组成可分为：(1)空间卫星星座部分(2)地面监控部分(3)用户设备部分前两部分是用GPS进行定位的基础,用户只有借助于用户设备才可达到定位的目的。空间卫星星座 由均匀分布在6个轨道面内的24颗卫星组成(其中有3颗是备用卫星),每个轨道上分布有4颗卫星,轨道的平均高度约为20200km,偏心率为0.01,轨道相对地球赤道倾角约为55度,卫星运行周期为11小时58分。GPS卫星的这种空间分布使得同一观测点上每天出现的卫星分布图相同,只不过每天的时间提前约4分钟;并且每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上,同时出现于地平线以上的卫星数目最少为4颗,多达11颗,随时间和地理位置而异;因卫星信号的传播和接收不受天气影响,故GPS是一种全球性全天侯的连续实时定位系统。从1979年开始至今已有三代GPS卫星,分别为BlockⅠ,BlockⅡ和BlockⅢ。第一代(BlockI)为GPS实验卫星,现已停用;第二代(BlockⅡ,ⅡA)为GPS工作卫星,至1994年已发射完毕;第三代(BlockⅢ,ⅡR)正在设计中。GPS卫星的主体呈圆柱形,直径为1.5m,重约774kg(包括310kg燃料),两侧设有两块双叶太阳能电磁板,它能自动对日定向,以保证卫星工作供电。每颗卫星装有4台高精度原子钟,为GPS定位提供高精度的时间标准。GPS卫星的基本功能为：(1)接收和储存由地面监控站发来的导航信息,接收并执行监控站的控制指令;(2)卫星上设有微处理机,进行部分必要的数据处理工作;(3)通过星载的高精度铷钟和铯钟提供精密的时间标准;(4)向用户发送定位信息;(5)在地面监控站的指令下,通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。地面监控部分 包括卫星监测站,主控站和信息注入站,主要由分布于全球的5个地面站构成。卫星监测站设有双频GPS接收机,高精度原子钟,计算机和环境(气象)数据传感器。该站在主控站直接控制下自动采集数据,对GPS卫星连续观测,并监控卫星工作状况。观测资料经初步处理后存储并传送给主控站,以便确定卫星的轨道。主控站设在美国的Colorado springs,除协调和管理所有地面监控系统外,其主要任务是：(1)由本站及其他监控站的所有观测资料,推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等,并把这些数据传送到注入站;(2)提供全球定位系统的时间基准;(3)调整偏离轨道的卫星并使之沿预定轨道运行;(4)启用备用卫星以代替失效的工作卫星。注入站由分设在印度洋的Diego Garcia,南大西洋的Ascencion和南太平洋的Kwajalein三个站组成。其主要设备包括天线(直径3.6m),C波段发射机和计算机。注入站的作用是在主控站的控制下,将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统中,并监测所注入信息的正确性。用户设备部分 用来接收GPS卫星发射的无线电信号,以获得必须的卫星轨道信息及观测量,经数据处理而得到定位结果。随着GPS应用领域的日益扩大,用户设备依用途不同而异,主要由GPS接收机硬件,数据处理软件,微处理机及其终端设备组成;硬件又分为主机、天线和电源。二、GPS定位的基本原理及系统运作方式1.GPS卫星星历及坐标系统GPS定位处理中,卫星轨道通常是已知的。卫星轨道信息用卫星星历描述,具体形式可以是卫星位置(和速度)的时间列表,也可为一组以时间为引数的轨道参数。按提供方式又可分为预报星历(广播星历)和后处理星历(精密星历)。卫星的位置(和速度),及用户定位计算的点位(未经坐标转换时)都是在协议地球坐标系(或叫地固系(ECEF))中表示的,其原点在地球质心,正z轴指向协议平均地极(CTP),正x轴指向赤道上的经度零点(格林尼治平均天文台)y轴与z轴和x轴构成右手坐标系。GPS定位中的WGS-84坐标系和ITRF坐标系均属地固系。另外GPS系统主控站维持有专门的时间系统,称为GPS时,这是一种连续且均匀的时间系统,原点为1980年1月6日0时UTC,单位同国际单位制(SI)时间的秒定义,其后GPS时不受跳秒影响。2.GPS定位的基本观测量及基本定位原理GPS卫星中采用了现代数字通讯技术,运用多级反馈移位寄存器产生伪随机噪声码(Pseudo Random Noise,PRN),这种伪随机码形成各GPS卫星的两种测距码,即C/A码和P码(或Y码);此外GPS卫星所播发的信号中还包括载波信号和数据码(或称D码)。这三种信号分量都是在10.23MHZ的基本频率控制下产生的。其中数据码包含有关卫星星历、卫星工作状态、时间、卫星钟运行状况、轨道摄动改正等导航信息。GPS卫星以L波段中的两种不同频率的电磁波为载波：L1载波频率为10.23×154MHZ=1575.42MHZ;L2载波频率为10.23×120MHZ=1227.6MHZ;P码频率为10.23MHZ;C/A码频率为10.23/10=1.023MHZ;数据码频率为10.23/10/1023/20=50HZ。GPS定位中的基本观测量包括伪距和载波相位。接收机在跟踪卫星信号时,机内同时产生被跟踪卫星的码信号的复制码。为将该复制码和进入到接收机内的卫星信号对齐(相关),码跟踪环路产生时移和多普勒频移;至两信号对齐时所需的时移乘以光速,即为所谓的伪距。其中包含了卫星和接收机时间系统的偏差,以及卫星信号在电离层和对流层中传播引起的时延,因而伪距的基本观测方程为：P=[(X_R－X_S)²＋(Y_R－Y_S)²＋(Z_R－Z_S)²]^1/2+(V_S－V_T)·C其中卫星X_S、Y_S、Z_S、V_S分别为观测时刻的卫星坐标和卫星钟差,均可由观测时间和卫星历星求出;V_T为接收机钟差。由于P中已作了电离层和对流层的延迟改正,因而上式中只包含X_R、Y_R、Z_R和V_T等4个未知数。欲通过GPS定位观测求得X_R、Y_R、Z_R,必须同时有4颗卫星的观测量P₁…P₄;由GPS定位系统中卫星的布设可知,任何时刻于任何地点均可获得至少4颗卫星的观测量,因而通过该系统的伪距观测量随时可获得空间定位结果。这种定位称为单点定位或绝对定位,其实质是测量学中的空间距离后方交会,由此可说明GPS定位的基本原理。载波相位是指接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。由于无法直接测定载波信号在传播路线上的相位变化的整周数,故存在整周不定性问题。另外由于观测环境等影响因素,其中还会产生整周跳变,因而与伪距观测定位相比,数据处理变得复杂,往往难以实现单次观测定位,不过由于相位观测量的精度比伪距观测值的精度高得多,它被用作相对定位,即精确地求定一点相对于另外一点的位置和精度。相对定位是指给定至少一个已知点坐标,用两台或多台GPS接收机的观测数据推求其余未知点坐标参数的定位方法。它与绝对定位一起构成了GPS定位的两种基本模式。由于绝对定位可直接实时地获取观测点的地理坐标,因而该方法被广泛地应用于飞机、船舶及车辆等运动载体的导航和调度,以及在GIS(地理信息系统)中用作点位数据的采集等。相对定位由于其精度高,因而在大地测量、地球动力学和许多其它应用场合中需要采用这种定位模式。三、 美国政府的GPS政策及用户的措施鉴于GPS定位技术在军事上的重要性,美国政府在该系统的设计及运行中均采取了一些措施来限制非经美国特许的用户利用GPS定位的精度,因此将定位服务分为精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。前一种针对美国军事部门及其特许用户,其实时单点定位精度可达510m;后一种则针对非特许用户,实时单点定位精度则降为100m(水平)和150m(垂直),这是因为其中采取了SA技术(Selective Availability)和AS技术(AntiSpoofing)。AS包括人为降低广播星历精度和在卫星钟频信号中加入钟频抖动;AS技术则将p码与保密的W码相加形成Y码,这种码严格保密,以防敌方干扰和电子诱骗。有鉴于此,目前普通用户普遍采用差分GPS技术来消除SA技术和AS技术对GPS定位的影响。经实施差分改正后的实时定位精度可达25m或更好(水平)。使用载波相位观测时,采用RTK差分技术可得到厘米级的实时定位精度。为从根本上消除这类影响,可建立地区GPS卫星跟踪网,采用广域差分GPS(WADGPS)技术自行确定GPS卫星精密轨道和差分改正数,以达到精确定位和导航的目的。四、GPS应用概况GPS是现代空间技术,计算机技术与现代通信技术发展的结晶。这种空间定位与导航系统成为20世纪后期人类科技进步的里程碑。同时它将更广泛地渗透到地球物理学、海洋学、天文学、航空航天与遥感、交通及通信、气象科学等领域,并不断推动科学技术的发展与进步。GPS的典型应用包括：(1)大地测量,工程测量,城市规划及资源管理中的定位。(2)地壳板块运动监测,地表沉降,建筑物形变及灾害的监测和预报。(3)飞机着陆,公路、铁路车辆运行监控与管理。(4)大气电离层变化分析,大气水汽含量及变化,遥感,天气预报。(5)旅游,渔业和探险中的定位和定向。(6)授时,通信网络与电力网络等时间同步服务。(7)飞行器的轨迹及空间姿态的测定和预报。* 杜道生教授是地理信息名词审定委员会委员。     

北斗全球组网将如何影响我们的生活

正基于北斗的导航服务已广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域,深刻改变着人们的生产生活方式。6月23日,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。这一由我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统,将为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。据统计,2019年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到3450亿元。随着北斗卫星的全球组网,北斗将如何推动生产方式变革和商业模式创新?又会为人们的生活带来哪些便利?     

车辆监控调度系统解决方案

本文对高档导航型技术方案——城市出租车卫星定位监控防盗调度系统做系统介绍。车载终端可以提供安全防范、定位信息、行驶信息、车辆导航、电子地图显示和影视娱乐等服务，终端防盗设备，可自动或手动方式触发报警。     

大规模GNSS基准站网数据处理与服务关键技术

全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）具有全球、全天候、高精度连续导航和定位功能，已经在导航定位及相关领域产生了深远的影响。许多国家、政府部门、行业、城市，开始建立满足自身需求的连续运行的大规模的GNSS基准站网。因此，大规模基准站网数据处理与服务技术已成为大地测量学及相关学科研究所关注的热点。     

北斗卫星综合信息应用服务

北京北斗星通导航技术股份有限公司是在2000年伴随着我国北斗导航定位卫星成功发射，立志以推动中国卫星导航定位产业化发展为己任，创建而成的从事卫星导航定位业务的专业化公司。公司主要业务是卫星导航定位产品供应、基于位置的信息系统业务以及基于位置的信息服务，集研发、生产、销售为一体，服务于导航定位、指挥控制、精密测量、目标监控等专业应用领域。     

高性能实时GNSS软件接收机

随着各个国家积极开展卫星导航系统的建设,多系统和高性能导航接收技术和设备的需求逐渐提升,兼容性问题不断出现。本课题开展高性能实时GNSS软件接收机研究,突破多系统兼容、高性能和多平台软件接收机的关键技术,并研制基于通用平台的相关样机。课题研究成果对于我国卫星导航技术的应用和发展具有重要参考意义。     

长距离单历元网络RTK关键技术研究

1课题背景 连续运行参考站（Cominuously Operating Reference Stations简称CORS）系统可为用户提供实时高精度定位服务，以及在定位基础上衍生出的导航、授时测速、测向、大气探测与预报等服务，可满足测绘、交通、能源、气象、农林业、旅游、环境等部门和行业的需求。     

多模卫星导航系统完备性监测技术

1 课题简介 随着GPS导航系统的技术升级以及GLONASS/GALILEO/BD导航系统全面开展建设,卫星导航用户定位精度显著提高,特别是一些新技术的出现,如精密单点定位PPP技术、网络RTK技术,达到了厘米量级甚至优于1厘米的精度,已基本满足绝大部分用户对精度的需求,与之相比,决定用户安全性能的导航系统完备性问题变得更加突出.目前,民航系统将卫星导航作为飞机导航的辅助手段而不是单一的主控手段,从用户安全的角度考虑,导航系统的完备性要有着比精度更加重要的地位.     

管窥美太空武器

军事卫星推陈出新在可预见的将来,卫星肯定是空间作战系统中的主力。目前,太空中共有约700颗人造卫星,而美国占了几乎一半。在美国的三百多颗卫星中,用于侦察、通信、导航、预警等目的的各种军用卫星达110多颗。即使具备如此优势,美国人还认为这些传统卫星难以满足未来太空战争的要求,各种新概念军用卫星的开发迫在眉睫。     

基于卫星双向时间传递技术的星座自主时间同步与测定轨

1课题意义 随着卫星导航、飞行器编队等航天活动的深入开展,对星座自主时间同步和自主定轨产生了重大需求。在这种需求背景下,本课题开展星问双向时间同步方法的研究,并开展星座自主时间同步和定轨的仿真计算和分析。本课题研究成果对于发展我国卫星导航系统具有重要参考意义。     

GNSS反射信号接收处理公共平台

随着GPS（全球定位系统）现代化进程的加快,欧洲伽利略项目的不断发展和我国北斗卫星导航系统的日益完善,基于GNSS（全球导航卫星系统）的各种应用所取得的成就在现代社会中已达到不可替代的层面。目前,针对导航卫星反射信号的研究及其在遥感探测领域的应用正日益兴起,其关键技术在于如何实现反射信号的接收、数据处理和实际目标的物理状态反演。     

基于CBERS-02的风成地貌信息提取研究

中巴资源地球卫星（简称CBERS）是以我国为主研制的第一代传输型地球资源卫星，其主要任务是用先进的空间遥感技术，为调查、开发、利用和管理国土资源服务，其成果可广泛应用于农、林、牧、水利、地矿、测绘、海洋、环境监测、灾害监测、气象、交通选线等国民经济众多领域。     

自持式剖面探测漂流浮标

在"十一五"期间,国家海洋技术中心承担的"自持式剖面探测漂流浮标"课题,突破了浮标高可靠性、浅海环境适应性、重量精确调整及我国自主北斗导航定位系统的应用等多项关键技术,成功研制了采用argos卫星系统定位和传输数据工作深度为2000m的深海自持式剖面探测漂流浮标工程样机及采用我国自主北斗卫星系统定位和传输数据的工作深度为400m的浅海型自持式剖面探测漂流浮标工程样机.多台工程样机取得了理想的海上试验效果,最大工作深度和完成的剖面测量次数均达到合同指标要求,测量数据与现场数据吻合.     

宽带信息网运营支撑环境及接入系统

国家863计划“宽带信息网运营支撑环境及接入系统”课题（2003AA103710、2005AA103320）是基于高性能宽带示范网3TNet，面向宽带网络多媒体应用的实际系统。系统贯彻创新性、先进性、开放性和示范性的原则，从网络电视和多媒体互动业务入手，攻克多项关键技术，研制了宽带网络运营支撑（BOSS）系统、用于边缘的流媒体服务器系统、用户集成管理系统、多种宽带网络接入设备——宽带智能网关和终端、软交换接入系统以及所需要的业务路由设备。作为整套系统能够在宽带网上进行网络运营，开展网络电视、内容点播、VOIP电话和网络浏览等应用。该成果在通过宽带信息网实际环境实验和试运营之后，成为基于3TNet的下一代宽带信息网的可管理、可运营、可赢利的运营支撑系统和用户接入终端得到了推广和使用。     

农田作业机械智能导航控制技术与产品研发

近年来,随着全球定位系统（GPS）、北斗等卫星导航定位技术、电子技术、现代传感技术、计算机技术和自动控制技术在农业机械装备上的广泛应用,基于GPS的农业机械导航技术与装备发展迅速,成为现代智能农业机械与装备的重要组成部分,对现代农业建设提供了良好的技术支持。农业机械智能导航技术在欧美日等发达国际已经实现产业化,产生了良好的经济效益和社会效益。基于GPS的农业机械智能导航技术可有效减轻驾驶员的工作负担,避免叠行或者漏行作业,提高作业质量和土地利用率,显著提升了农业机械的自动化水平,对我国现代农业的发展将起到有力的推动作用。     

与世界共享

正说到北斗,不少人或许会问,北斗到底在哪儿?6月23日9时43分,北斗三号系统"收官之星"发射成功,标志着我国提前半年全面完成北斗三号全球卫星导航系统星座部署目标。实现全球组网后,北斗将可以为全球用户提供基本导航、全球短报文通信、国际搜救等服务。那么,我们如何能感受到北斗系统的存在?     

对地观测卫星地面数据处理系统发展趋势

对地观测卫星从研制、升空、在轨运行到数据的接收、处理和应用是一个复杂的卫星系统工程，是一个长期的过程。在我国，通常将整个卫星系统工程分为六大部分：卫星、火箭、发射场、卫星测控、地面部分和应用部分。在轨运行的卫星、地面数据接收系统、地面数据处理系统和应用系统构成了卫星遥感数据的一个完整的流程。地面数据处理系统位于整个数据流程的中间环节，既是卫星遥感数据的归宿，也是应用系统卫星遥感数据的源泉。     

飞速发展中的遥感空间信息产业

遥感空间信息产业是伴随着全球范围内的空间信息技术发展而兴起的高新技术产业，是信息产业的重要组成部分，主要包括地理信息系统业、导航定位业、空间数据加工业、遥感数据服务业四大部分。     

基于克立格算法的区域四维电离层电子密度并行反演

1 项目概述 电离层电子密度分布是无线电测量技术进行电离层介质改正和研究电离层、太阳活动以及与其它各圈层活动关系（如地球磁层、大气层、地壳剧烈运动等）的关键。最近十年来,全球导航卫星系统（GNSS）特别是星载和地基全球定位系统（GPS）的发展使得GNSS成为快速监测电离层的有效手段,为此我们提出了一种新方法,以国际参考电离层IRI为背景和初值,利用多种GNSS测量,根据电离层电子密度分布的空间相关特性,应用地学统计学内插算法中的克立格算法,进行了电离层总电子含量TEC的反演和基于三次样条基函数的四维电离层电子密度反演,并针对GNSS数据量庞大的特点,采用OpenMP并行计算模型来精确快速解算电离层总电子含量和电离层电子密度分布。