硬件电路设计之“GNSS简介”

[导读]本文主要介绍GNSS。GNSS的全称是全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球性的、区域性的和增强系统等，全球性的包括美国的GPS、中国的北斗（BDS、COMPASS）、俄罗斯的GLONASS以及欧盟...

本文主要介绍GNSS。

GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球性的、区域性的和增强系统等，全球性的包括美国的GPS、中国的北斗（BDS、COMPASS）、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的Galileo。区域性的导航系统，如日本的准天顶（QZSS），印度的IRNSS。增强系统有美国的WAAS（广域增强系统），日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）、欧盟的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）、印度的GAGAN以及尼日尼亚的NIG-GOMSAT-1等。

全球性的定位系统

下面简单介绍一下几种全球性的GNSS系统。

美国全球定位系统(GPS)：胜在成熟

布局：28颗卫星(其中4颗备用，实际现在是31颗)早已升空，分布在6条交点互隔60度的轨道面上，距离地面约20200千米。已经实现单机导航精度约为10米，综合定位的精度可达厘米级和毫米级。但民用领域开放的精度约为10米。
特性：军民两用。由于GPS定位技术涉及军事用途，美国限制非特许用户利用GPS定位精度。GPS系统除在设计方面采取了许多保密性措施外，还对不同的用户提供不同的服务方式。
进展：1978年首颗GPS卫星升空至今，GPS共发展了三代，第一代为试验卫星；第二代为工作卫星和现代化改进卫星；第三代即为正在发展的GPS Ⅲ系列卫星。GPS是军民两用卫星，能在任何时间对地球任何位置进行精确定位。其中，GPS BlockⅡR 于1997年开始取代旧的BlockⅡ、ⅡA定位卫星，第一颗BLOCKⅡR-M两频道军用星于2004年发射，下一代第三频道BLOCKⅡF星于2006年发射（设计寿命延长，有更快的处理器和新的民用信号）。至2015年10月31日，美国空军完成了BLOCKⅡF星12颗发射任务中的第11颗卫星发射任务，该系列的最后一颗卫星将在2016年上半年完成。2008年5月，美国著名的航空航天制造商洛克希德·马丁公司获得GPS ⅢA卫星合同，就此正式开启了第三代GPS之路。GPSⅢ卫星包括GPSⅢA、GPSⅢB和GPSⅢC等三个型号；其定位精度将由现有的6米（20英尺）提升至0.63米；抗干扰能力提高近8倍；彻底实现民用频段和军用频段的分离等。

俄罗斯“格洛纳斯”系统(GLONASS)：抗干扰能力强

布局：已有28颗卫星(其中4颗备用)，目前达到1~2米左右。与第一批GLONASS-M卫星相比，最新GLONASS-M卫星的星载AFS具有更好的性能。但民用领域开放的精度约为10米。
特性：精度比GPS低，军民两用，采用两种频率信号。工作不稳定，卫星工作寿命短。
进展：苏联国防部于20世纪80年代初开始建设全球卫星导航系统。于1995年投入使用，现在由俄罗斯联邦航天局管理。卫星的设计经历了无数次改进，格洛纳斯K自2011年起服务范围拓展到全球。格洛纳斯是继GPS之后第二个军民两用的全球卫星导航系统。俄联邦宣称格洛纳斯系统军民两用，不带任何限制、不引入SA机制，也不计划对用户收费。

欧洲“伽利略”系统(GALILEO)：纯民用领域

布局：计划30颗卫星(其中3颗备用)，卫星轨道位置比GPS略高，离地面高度23222千米。定位误差不超过1米。目前，只有26颗投入应用，还有4颗在轨验证(IOV)卫星正在生产之中，将于近期发射入轨。伽利略提供的公开服务定位精度通常为15~20米和5~10米两种档次。公开特许服务有局域增强时能达到1米，商用服务有局域增强时为10厘米。
特性：专为民用服务。可为地面用户提供3种类型的信号供选择，其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。
进展：欧空局与欧盟在1999年合作启动，2005年首颗试验卫星成功发射，2008年开通定位服务。

中国“北斗”系统(COMPASS)：互动性和开放性

布局：由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，定位精度10米。目前10颗卫星开始应用，定位精度只达到25米。将在2020年发射完成全部35颗“北斗”卫星，为全球提供导航服务。目前已成功发射17颗“北斗”导航卫星。
特性：民用为主，军事能力有限。能在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度。在定位性能上有所创新，不仅能使用户知道自己所在位置，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于需要导航与移动数据通信场所。此外，中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。北斗卫星导航系统向全世界提供的服务均为免费。
进展：第一步是试验阶段，用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务；第二步是到2012年，计划发射10多颗卫星，建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统；第三步是到2020年，建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统，形成全球覆盖能力。

GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，StandardPositioning Service）和军用的精确定位服务（PPS，PrecisePositioning Service）两类。伽利略系统提供以下四种导航服务：

开放服务(Open Service)：开放服务提供任何人自由使用，开放服务的信号将会广播1164-1214MHz及1563-1591MHz两个频带上。同时接收两个频带的信号水平误差<4公尺，垂直误差<8公尺，如果只接收单一频带仍然有<15公尺的水平誤差及<35公尺的垂直误差。与GPS的C/A码相当。
商业服务(Commercial Service)
公共规范服务(Public Regulated Service)
生命安全服务(Safety of Life Service)

在技术方面，GLONASS系统的抗干扰能力比GPS要好，但其单点定位精确度不及GPS系统。
GLONASS（俄罗斯的全球定位系统）、GPS（美国）、 COMPASS（即北斗，中国）的一部分和Galileo（欧洲）的卫星都运行在地球中轨道(MEO)，高度分别为19100km、20200km、21500km、23222km。别家需要全球覆盖的卫星数目分别为24、24和27。北斗卫星分布在MEO，GEO，IGSO三种轨道上。

区域性的定位系统

区域性的GNSS主要有日本的GZSS和印度的IRNSS。

2000年6月，日本宇宙开发委员会提交了一份题为《改进日本航天开发体制，扩展航天利用新领域》的报告，决定执行空间基础设施(I-SPACE)计划。Quasi-Zenith（“准天顶”卫星导航系统，QZSS）正是“I-SPACE”计划要重点开发的三个系统之一，其是一个兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统，旨在为在日本上空运行的美国GPS卫星提供“辅助增强”功能，提高导航定位信号接收的质量和精度，使民用信号的精度从十米级别提升至一米以内。根据早些时候的系统建设计划，该系统由3颗“准天顶”卫星和1颗静止卫星组成。2008年11月，日本官房长官河村建夫在东京召开的“2008年GPS/GNSS国际会议”上曾表示，“卫星定位系统作为国家的基础设施，已经受到日本政府的高度重视。如果把日本现在开发中的‘准天顶’卫星导航系统的卫星数量从3颗追加到6颗，再加上1颗静止卫星就能构成日本自主的区域卫星导航系统”。2010年9月11日，日本在种子岛宇宙中心使用H-2A火箭发射了首颗本国自主研发的“准天顶”定位卫星“引路号”，设计寿命为10年。2017年发射完成了QZS-2、QZS-3、QZS-4三颗卫星，根据日本政府先前的计划，预计到2020年将建成由6颗“准天顶”卫星和1颗静止卫星组成的区域导航定位系统。

根据印度空间研究组织网2006年7月6日报道，印度空间研究组织(ISRO)2006年7月4日宣布，印度将筹划研发本国卫星导航系统——印度区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)。IRNSS由3颗GEO卫星(分别定位于东经34°、83°和132°)和4颗倾角为29°(近地点250km，远地点24000km)的IGSO卫星组成，卫星的设计寿命将不少于7年，覆盖范围为东经40～140°和纬度±40°之间大约1500公里内的区域，包括南亚次大陆及周边地区，提供的标准服务定位精度优于10m(境外2000公里范围20m)。2016年已全面完成IRNSS星座组网，并开始提供卫星导航定位服务。

增强系统

SBAS系统主要由四部分组成：地面参考基站，主控站，上传站和地球同步卫星等。目前全球发展的SBAS系统有：

欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆；
美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆；
日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆；
印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN）。

四者具有完全兼容的互操作性。

以上就是一些常见的GNSS的介绍。