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
　　
　　
　　中图分类号： U666.134文献标识码：A 文章编号
　　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GALILEO卫星系统（建设中）和中国的北斗卫星导航（建设中）。
　　1.1 GPS卫星导航
　　GPS是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题，全部24颗导航卫星（21颗工作卫星和3颗备用卫 星）系统已经建成。GPS采用码分多址（CDMA），定位精度通常15m左右，主要应用于单点导航定位与相对测地定位，具有全天候、定位迅速、精度高、可连续提供三维位置(纬度、经度和高度)、三维速度和时间信息等一系列优点，是实现全球导航定位的高新技术。通常GPS接收机接收到四颗卫星的信号就能够确定移动载体的方位，是当前移动目标导航定位的主流。1992年GPS正式向全世界开放，1994年在中国市场开始得到应用。GPS以精确位置与定时信息， 已成为支持世界范围各种民用、科研和商业活动的一种资源。
　　1.2 GLONASS卫星导航系统
　　GLONASS是前苏联研制并为俄罗斯继续发展的全球卫星导航系统，其组成和功能与美国的GPS相类似，可用于陆、海、空等各类用户的定位、测速及 精密定时等。目前已完成了24颗工作卫星加一颗备用卫星空间星座布局，每天24小时每时刻各地的用户可见5～8颗卫星。卫星识别采用频分多址（FDMA），24颗卫星各占一个频率，现已向全世界开放。
　　1.3 GALILEO卫星导航系统
　　欧洲为了满足本地区导航定位的需求，计划开发针对GPS和GLONASS的广域星基增强系统（EGNOS），包括地面设施和空间卫星，以提高GPS 和GLONASS系统的精度、完备性和可用性。同时，为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这一领域的垄断，欧洲决定启伽利略计划，建立自主的民用全球卫定位系统（GALILEO）。EGNOS是欧洲GALILEO计划的第一阶段，也是GALILEO计划的基础。GALILEO系统将建成全球性的定位和导航系统，它由星座部分、有效载荷、地面监控系统以及区域控制部分组成。GALILEO系统将成为独立性、全球性、欧洲人控制的，以卫星为基础的民用导航和定位系统。其总的战略意图是：（1）建立一个高效的民用导航及定 位系统；（2）使之具备欧洲乃至世界运输业可以信赖的高度安全性，并确保任何未来系统安全置于欧洲人的控制之下；（3）该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好的机会，使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。
　　1.4 北斗卫星导航系统
　　 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。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美國GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧洲“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。
　　2、全球卫星导航系统定位原理
　　GPS定位的几何原理并不复杂，它是利用测距交会的原理确定测点位置的。如图1所示，GPS卫星任何瞬间的坐标位置都是已知的。一颗GPS卫星（Sn）信号传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机（P）的距离（Dn），但并不能确定接收机相对于卫星的方向，在三维空间中，GPS接收机的可能位置构成一个以Sn为中心以Dn为半径球面（称为定位球）；当测到两颗卫星的距离时，接收机的可能位置被确定于两个球面相交构成的圆上；当得到第三颗卫星的距离后，第三个定位球面与该圆相交得到两个可能的点；第四颗卫星确定的定位球便交出接收机的准确位置。因此，如果接收机能够同时得到四颗GPS卫星的测距信号，就可以进行瞬间定位；当接收到信号的卫星数目多于四颗时，可以优选四颗卫星计算位置，或以信噪比最高的卫星数据作为平差标准与其他多颗卫星数据进行平差计算，以消除公共误差提高定位精度。
　　
　　
　　
　　如果不考虑测量距离的误差修正，整个定位过程是：测量站星几何距离Dn通过导航电文提供的卫星坐标S（Xs，Ys，Zs）利用定位球方程式：
　　求解4个定位球相交的公共点P（Xp，Yp，Zp）。
　　按GPS定位测量的技术手段分类，可分为伪随机码相位测量与载波相位测量两类。由于篇幅限制这里只讨论伪随机码相位测量原理：简而言之伪随机码相位测量时，GPS接收机利用码分多址技术与码相关锁相放大技术，同时对4颗以上卫星的测距信号进行伪距（站星真空距离）测定，再通过对伪距的多项修正后的站星几何距离解算测站坐标。
　　伪码测量的具体步骤为：
　　①接收机将本机产生C/A码与卫星发射C/A码模二和，求自相关系数R(t)；
　　②当自相关系数R(t) = -1/N（有相位差码序不齐）时，延时器将本机码元相位后移，直至R(t)= 1 （码序对齐）时锁定信号，并解读导航电文。
　　③接收机根据本机信号的延时量（Δt）计算GPS卫星到接收机伪距（D’= CΔt）。
　　④再对伪距（D’）经过对流层延时改正、电离层延时改正、钟差钟漂改正等多项修正后，成为近似的几何距离（D），连同导航电文的卫星坐标 S（Xs，Ys，Zs）代入定位球方程解算测点坐标P（Xp，Yp，Zp）。
　　按GPS定位方法分類可分：
　　①绝对定位：在未知点上用GPS定位仪（单机）测定站星距离，从而独立解算测点WGS-84坐标的过程。
　　②相对定位：在一定距离内，用两台以上GPS定位仪同时测定站星距离，通过求差的方法解算测点间基线向量的过程。
　　③静态定位：在定位过程中，GPS定位接收机始终处于静止接收状态的定位方法。
　　④动态定位：在定位过程中，GPS定位接收机始终处于运动接收状态的定位方法。
　　3、全球卫星导航系统的应用
　　3.1 国家大型测绘项目方面。
　　我国先后于1992年、1996年建立了由28个点组成的国家A级卫星定位控制网和由730个点组成的国家B级卫星定位控制网，首次整合和统一平差后形成了2000国家卫星定位大地控制网，并于2004年完成与天文大地网的平差，成为我国现代测绘的基本框架。与此同时，建成了连续运行的卫星定位观测站30多个，其中7个纳入国际IGS网站，从根本上解决了我国使用参考框架的问题。除此之外，卫星导航技术在确定地球重力场方面已发挥了重大作用。在珠穆朗玛峰科学研究的应用方面也取得进展。2005年5月在珠峰北侧使用卫星定位技术并结合传统大地测量技术对珠峰高程进行精确重测，获得珠峰精确高程为8844.43米，并求得了珠峰及其毗邻地区地壳的水平、垂直运动矢量及速率。
　　3.2资源探测方面。
　　在地质调查和找矿工作中，卫星导航定位技术的应用提高了野外地质调查和找矿工作的定位精度和自动化程度。它与GIS(地理信息系统)、RS(遥感)及计算机等高新技术相结合，为基础地质研究、地质找矿提供了地球化学依据。差分卫星导航定位技术已被用于海洋物探定位和海洋石油钻井平台定位，为发现海底储油构造和实时监测平台的安全可靠性发挥关键性作用。在土地资源调查工作中，有关部门成功研制了基于GPS-PDA的被称为“调查之星”的土地资源信息采集与处理技术系统，土地资源调查工作实现了质的飞跃。
　　3.3 大坝、桥梁、高层建筑等变形监测方面。
　　在三峡工程等大坝变形监测中，卫星导航定位监测精度达到了毫米级。在滑坡监测时，卫星导航定位测量比常规的外观测量在精度、监测速度、时效性、效益等方面都有明显的优势。在监测和控制地面沉降方面得到广泛应用，上海市由于在世界上率先建立了包括卫星定位系统在内的健全的地面沉降监测网络，监测和控制地面沉降工作取得了举世瞩目的成绩。
　　3.4自然灾害的监测、预报和防治方面。
　　测绘、地震、中科院等部门基于卫星定位技术应用，于2000年建成了中国地壳运动监测网络工程，通过该工程对地壳位移的监测，可科学地判定地震活动趋势。在抗洪救灾中，用卫星导航定位技术可迅速确定受灾地点,能察觉江堤毫米级的水平位移。1998年长江防汛抗洪期间，武汉市多次采用卫星导航定位技术了解和观察各段的堤防险情。在清江和长江汇合处，长江第七次洪峰来临前，由于用卫星定位技术控制了清江上游隔河沿大坝泄洪临界点，为决策提供了科学依据。洪峰顺利通过，保全了下游数十万人的生命财产安全。
　　3.5交通方面。
　　卫星导航定位等相关集成技术已能够营建智能交通系统和监控系统并得到广泛应用。卫星导航定位技术已普遍应用于公安、银行、医疗、消防等部门的紧急救援或报警，部分地用于汽车、船舶的导航、监控，广泛应用于物流配送体系中，并在车载导航方面取得重大发展。目前已有北京四维图新公司等8家公司获市场准入，正在高质量地制作、提供导航电子地图。
　　3.6城市综合服务方面。
　　北京、上海、深圳、成都、昆明、天津等城市的卫星定位服务系统和香港特别行政区卫星定位参考网已先后建成，可分别满足城市规划、城市建设、城市管理、灾害监测、科学研究等多方面的需求。电力、有线电视、城市地下管道已采用卫星导航定位技术布设线路。
　　3.7电信、网络方面。
　　移动通信、电脑、卫星导航技术结合的各类移动信息终端日益普及，为位置信息相关服务(LBS)方面的应用提供了巨大的发展平台。
　　此外，在气象、遇险搜救等领域，卫星导航定位技术也得到了广泛的应用，取得了很好的效果。
　　参考文献：
　　[1]《GPS测量与数据处理》（武汉大学出版社）.
　　[2]《导航系统理论与应用》.刘建业等（西北工业大学出版社）.
　　[3]《惯性/天文组合导航系统研究》.廖凯.北京航空航天大学.
　　[4]《GLONASS系统研究》.刘晖.北京航空航天大学.
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。