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GNSS卫星导航系统概述

作者：孙娟娟王永

来源：《科技资讯》2018年第31期

摘要：卫星导航系统能为用户提供定位、测速和授时服务，在人们的日常生活中扮演着

越来越重要的角色。近年来，各国的卫星导航系统都在飞速建设和发展中，其中北斗系统是中

国自主研发的卫星导航系统，GPS是目前最成熟的卫星导航系统。本文选取GPS系统和北斗

系统，分别对二者在空间星座、空间信号和服务性能等方面进行了介绍，为从事相关领域的研

究工作人员提供一定参考。

关键词：卫星导航系统北斗GPS

中图分类号：P228文献标识码：A文章编号：1672-3791（2018）11（a）-000-04

在目前所有的全球卫星导航系统中，美国的GPS发展最早，技术最为成熟。北斗卫星导

航系统简称北斗系统，是中国自主研发并实施的全球卫星导航系统，于1994年起步，目前已

经实现区域覆盖能力，为亚太地区提供服务。GPS和北斗系统二者结合，可以得到性能更加优

秀的组合导航系统，因此兼容GPS和北斗系统的双模定位终端也越来越成为趋势。

定位1原理

目前卫星系统进行定位的原理，普遍基于“四星定位”的原则，即至少通过4颗当前可见卫

星与本地接收机的距离公式来求得本地接收机的位置坐标。定位功能的实现需要解决以下两个

问题：（1）当前各颗可见卫星的空间坐标；（2）当前各颗可见卫星到本地接收机的距离

[1]。问题1的解决方法是对接收到的卫星信号进行解调获得星历参数，根据星历参数计算得到

每颗卫星的空间坐标，问题2的解决方法是利用卫星信号在空间中的传播时间差乘以光速得到

卫星与本地接收机的距离。如图1所示，本地接收机的位置坐标（x，y，z）的求取方法见公

式（1），（xi，yi，zi）为卫星i的空间三维坐标，ti为卫星i信号的发射时间（i=1，2，3，

4），这些参数由于可以从星历参数中得到，可视为已知量，tu为卫星信号的接收时间，为未

知量，因此在公式（1）中有4个未知量x，y，z，tu，这也是至少需要4颗卫星才能达到定位

目的的原因。

（1）

卫星导航系统2

全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，简称为GNSS），已成为世界各国

重大空间和信息化基础设施，也标志着现代大国地位和综合国力，各国都在积极建设和发展属

于自己的卫星导航系统。

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目前，GNSS主要包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统

（GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou），欧洲的伽利略卫星导航系统

（Galileo）。其中美国的GPS系统发展最早，技术成熟，性能优秀，应用广泛。随着空间技

术的发展和卫星应用的不断增加，太空资源日益紧张，每个拥有卫星导航系统的国家都在积极

抢占卫星频率和轨道资源，鉴于军用信号的机密性，图2只列举了目前常用的GNSS民用信号

的工作频段。

3GPS系统

GPS的空间星座部分如图3所示，是由21颗工作卫星和3颗备用卫星构成。这24颗卫星

分布在6个轨道上，每个轨道不均匀地分布着4颗卫星。每个轨道面与地球赤道面的夹角约为

55°，相邻两个轨道面的升交点经度相差60°，在相邻轨道上邻近卫星的升交点角距相差约

30°。GPS卫星属于地球