前言：在编写“计算机网络系统结构分析”第三版书中，对伴随无线移动互联网计算机网络发展的卫星定位导航系统有关间题作了一些分析，在此与大家交流，不当之处欢迎指正！

人造卫星技术推动移动无线计算机网络向更宽广的领域发展，不仅作为高空无线中继通信扩大移动终端无线联网的范围与性能，而且人造卫星可能具有特殊的定位导航功能还可进一步提高联网移动终端的智能性，而人造卫星的导航信息也可能通过计算机网络更快速、高效地在全球范围传递，提高导航系统的性能。

1.卫星定位导航基本原理与方法分析

卫星导航的基本原理与方法仍是在传统航空、航海导航如测距导航、测距差导航与多卜勒导航基础上发展起来的，但由于卫星高度远高于地面飞行器和海上船艇的高度，使卫星导航相对传统导航也有许多重要特点，逐步形成了以测距导航方法为基础的全球卫星定位导航系统—卫星测距定位导航系统。当今世界上已建或正在建的全球卫星定位导航系统，基本上都是采用测距导航的基本方法，因此，我们下面试对目前应用最广泛的卫星测距定位导航系统原理、方法、系统结构等有关问题做进一步具体分析。

（1）卫星测距求解用户三维坐标位置的基本方法

地面测距导航系统利用测量移动用户到地面两个固定导航站的距离来测定用户的位置，由于地面移动用户与地面导航站基本上处于二维平面关系，从几何关系看，测得用户分别到两个导航站的距离R1、R2，以导航站为园心分别以R1与R2为半径划出两园孤的交点即可得到用户位置。用方程式求解，在XY二维平面坐标中，导航站位置    P与用户位置U可分别用P1（Xp1、Yp1）、P2（Xp2、Yp2）与U（Xu、Yu）表示，由此不难列出导航站到用户之间的距离与导航站位置坐标、用户位置坐标的函数关系：

R1=f（P1（Xp1、Yp1），U（Xu、Yu））

R2=f（P2（Xp2、Yp2），U（Xu、Yu））    

由于距离R1、R2与导航站位置P1、P2均为已知，联立两个方程不难求解出用户位置Xu、Yu两个未知数，从而定位用户位置。用户位置信息也可转换为地球经度与纬度表示。

在卫星测距定位导航系统中，地面移动用户利用位于高空上的多个已知位置的卫星作导航站，卫星导航站与地面移动用户不是二维平面关系而是三维立体关系，因此至少需要三颗卫星分别测得与地面用户的距离，通过三个球面园弧相交来定位三维坐标的用户位置。卫星与用户位置可用（x、y、z）三分量表示，测出用户到三个卫星的距离，列出三个距离方程，只要卫星位置准确已知，即可求解出用户位置的三个未知分量（x、y、z）。

在特殊情况下，如果用户能自测高度，也可用双星测距加高度来求解用户三维座标（相当把地球看成第三星）。      

（2）导航卫星与用户之间的测距方法

卫星测距导航系统中如何准确测定用户到卫星之间的距离，自然是实现卫星测距定位导航的关键。在地面测距导航系统中，用户与导航站距离的测量，通常采用询问应答式测距方法，即由用户向导航站发出无线询问信号，导航站收到询问信号后立即向用户发回应答信号，由于用户发射询问信号与接收应答信号用的是同一时钟基准，用户不难测出发射询问信号到收到应答信号的时间，它是无线电波从用户传到导航站时间的一倍，无线电波传播速度等于光速，由此不难求得用户到导航站的距离。卫星测距导航系统原则上也可采用这种应答式测距方法：由用户分别向三个已知位置的卫星发送测距询问信号，根据卫星返回的应答信号，分别测出用户到三个卫星的距离，从而用户可以独立地自己求解得到自己的坐标位置。

卫星测距寻航系统也曾用过一种由地面监控台通过卫星向用户发送测距询问信号来测量用户到卫星距离的方法。这种方法，地面监控台不断定时向服务区内所有卫星发送测距询问信号，卫星收到测距询问信号后随即向服务区中所有用户转发，用户收到测距询问信号后随即向卫星发回一回应信号，卫星又把用户回应信号转发回地面监控站。地面监控站根据发送询问信号到收到回应信号的延时，不难计算出地面站到卫星与卫星到用户的距离和，由于地面监控站到卫星的距离己知，因此地面监控站不难测得卫星到用户的距离，在有多卫星的情况下，地面监控站即可计算出用户的坐标位置。用户可以通过卫星通信链路从地面监控站实时获得目己的座标位置进行定位导航。这种测距导航的好处是地面监控站可以掌握服务区内所有用户的位置信息，便于在一定区域内进行交通管理与调度，但用户自己不能实时知道自己位置，需要从地面监控站获得自己的位置信息，才能实现定位导航。

以上两种询问应答式测距方法，用户都需要向高空卫星发送测距询问信号或应答信号，需要较大的发射功率与相当尺寸的天线，这对移动用户设备是一个不小的负担，尤其是当今亿万手机用户已成为无线移动互联网的重要移动终端的情况，要手机用户直接向卫星发送询问定位信号进行定位，更是很难实现；由此当今卫星测距导航系统趋于采用基于高精度时钟同步体系的非询问式测距方法：即要求系统所有卫星与用户都采用高稳定的原子钟作为时钟，并且通过地面专用的控制台中一个精度更高的时钟对系统所有卫星与用户时钟的频率与相位进行实时同步，保证所有卫星与用户的时钟不仅有相同的频率，而且保持相同的相位。在此条件下，卫星直接用自己的时钟信号作为高频载波的调制信号而构成测距码向服务区内所有用户广播发送，用户收到卫星发来的这一测距码后，解调得到卫星传送来的卫星时钟信号，这一时钟信号是经过从卫星到用户的传播延时的，因此相对卫星上的时钟产生一定的时差，如果用户的时钟与卫星上的时钟能始终保持同步，那么用户以自己本地时钟为基准测出与所收到卫星时钟信号的相位差即可测出信号从卫星传播到用户的时延从而测定卫星到用户之间的距离。这种非询问应答式测距方法，地面移动用户不需发射信号，只需一台接收机即可通过测量到多颗卫星的距离而自主实现定位导航，因此成为当前卫星测距定位导航系统最重要的测距方法。当然这一测距方法的前提是卫星与用户的时钟需精确同步以及卫星位置精确确定。这两个向题我们在下面进一步讨论。

（3）导航卫星轨道与高度的选择

上述用三星测距定位用户三维坐标位置原理的分析中我们已指出：定位的基本条件除了准确测量卫星到用户的距离以外，卫星本身的位置（三维坐标）也应是准确已知的。满足卫星位置准确己知条件的较好选择是使用35900km高度的高轨同步静止卫星，因为它的位置相对地面用户是静止不变的。但高轨静止同步卫星的高度较高，测距信号较弱，精确测距将受一定影响，而且同步静止卫星要布局卫星导航的全球覆盖也有一定困难。因此，目前测距卫星导航系统卫星轨道的选择，多采用二万公里左右的高轨低端，在这个高度上，卫星相对地球是非静止而绕地球运行的，卫星运行轨道平面设计为园心与地球球心相重的园平面，卫星沿这种园轨道运行能保持与地面等高，绕地球一周的时间是固定的，约为10-12小时，这种情况，虽然卫星相对地面是移动而非静止的，但相对速度并不很高，任一时刻都有确定的位置，因此，不难从地面控制台对卫星实时测出它的准确位置以满足卫星测距定位的要求。卫星绕地球低速运行也有利于扩大卫星对地面用户导航定位的覆盖范围。为了适应全球卫星测距定位系统全球覆盖的要求，不仅每个轨道上要安排多颗卫星等速同步运行，而且还应以一定倾角安排多个园轨道以保证全球任何地区都能从地面“看”到三颗以上卫星满足三星测距定位要求。

（4）卫星与用户高精度时钟的同步问题

上述非询问式卫星与用户测距方法要求用户与所有卫星的高精度时钟系统都要实现统一的高精度时钟频率相位同步。这种高精度时钟统一同步方法，原则上可由控制台以高精度时钟调制载波作为同步信号向卫星与用户广播发送，卫星与用户收到同步信号后通过频率、相位自动微调系统微调本地时钟实现同步。这种同步方法对于高空有限数量的卫星来说，应该问题不大，但对于可能遍布全球的亿万手机移动用户而言，可能仍相当困难。由此，在卫星测距导航系统中采取另一思路来解决这一问题：放弃对移动用户时钟进行精确实时同步，这意味着每个移动用户的时钟与卫星时钟之间可能存在一随机的时间偏差Δts，这样在上述用户接收卫星广播测距码进行测距过程中即可能引入与Δts对应的测距误差而影响测距导航与定位精度。但我们注意到，如果所有卫星的时钟已由地面控制台高精度时钟实时同步，那末在多星测距定位系统中，同一用户对不同卫星的测距中引入的Δts测距误差是相同的。前已指出，在卫星与用户时钟都被精确同步条件下，我们采用三星测距定位，用户测定到三个星的不同距离，求解三个距离方程即可得出用户空间位置的三个未知参数（三维空间的x、y、z坐标或纬度、经度与高度）。在用户时钟不被精确同步条件下，测距系统引入第四个未知参数Δts，因此我们可增加一颗卫星，用四星测距获得用户到四颗星的不同距离求解四个距离方程中的四个未知参数：x、y、z与Δts，从而可消除Δts影响而获得准确定位。这种情况下，全球卫星导航定位系统中，无论是卫星轨道数与每个轨道上卫星数目的安排都要保证地面上任何位置的用户都能至少看到四颗卫星以满足四星测距定位的要求。

我们已经指出，上述四星定位有一重要前提条件是四星的时钟是由地面控制台统一精确同步的。实际上要由地面一个控制台对全球移动的所有卫星时钟进行统一精确同步，也是比较困难的。而且由于地面控制台到各卫星的距离也并不相同，由地面控制台对空中多颗卫星进行统一时钟同步，也很难保证各星时钟之间完全同步。由此，当前实际全球测距定位系统中也放弃对所有卫星进行统一时钟自动同步的方法而采用地面控制台实时监测每个卫星时钟与控制台高精度标准时钟的偏差，控制台把每颗卫星时钟偏差也分别发给每个卫星，并由卫星在广播发送测距码同时也发给用户，用户根据所收到四颗卫星发来的时钟与基准时钟的不同偏差，修正这些时钟偏差，即相当于各星的时钟得到了准确同步，从而保证四星测距方程求解中消除用户时钟偏差后获得用户位置的准确三维座标。   

（5）卫星位置监测与校正问题

前已指出，卫星测距定位的距离方程中，卫星的位置是作为已知准确参数来进行计算与求解的，卫星位置精度将直接影响用户定位的精度。实际的卫星测距定位系统，除非使用35900km高度的高轨同步静止卫星，目前常用的2万公里左右的高中轨卫星，卫星相对地面有规律运动。为此，卫星测距导航系统必需由地面控制台系统对所有卫星的位置进行实时监测，并把每颗星的实时位置信息（称为星历）组成导航报文分别发给对应的卫星，卫星收到地面控制台发来的导航报文，把自己的实时准确位置信息与测距码一起广播发送给地面移动用户，用户收到某星测距码同时也收到该星导航报文中实时的准确位置信息，从而在测距同时可直接利用传来卫星准确位置与所测距离一起来求解自己的准确位置。

综上所述，由地面控制台对每个卫星监测的实时时钟偏差信息与位置信息，可以一起放在导航报文发给所测卫星，然后由卫星伴随测距码一起广播发送给用户。这是地面用户得以用四星测距实现准确定位的重要保证。

还应指出：由于全球卫星导航系统卫星不停绕地球环行覆盖全球，实时监测卫星的地面控制台也应在全球合理配置。保证本系统的所有卫星在全球都有自己的地面控制台监测和提供其位置与时钟信息。换句话说，同一卫星在环绕地球运行时，经过地球不同地区可能由不同的地面控制台对它监测并向它提供所测位置与时钟信息。全球卫星测距定位导航系统不仅需在高空合理设计与配置能覆盖全球的卫星系统，而且也要设计与配置与空中卫星配套的地面控制台协同工作，才能保证全系统的正常工作。    

2.卫星测距定位导航系统基本组成结构分析

根据上述卫星测距定位导航系统基本原理的分析，我们可以给出如下的系统组成。

由图可见：卫星测距定位导航系统应由三大部分组成：

（1）提供定位基准的卫星系统。它至少由四颗已知位置的卫星组成。为了实现全球导航的需要，导航卫星目前常采用高度约2万公里的高中轨准同步卫星，它以约10小时绕地球一周的速度按既定轨道绕地球环行。为保证在全球所在地区都能至少“看”到四颗卫星以满足四星测距定位要求，系统应精心设计多个具有不同倾角的卫星环和每个环上的卫星数目与间隔，地面用户同时“看”到的四颗卫星可能是不同环上的卫星。为了保证用户能够同时利用多颗卫星进行测距定位，卫星系统必需采取某种多址技术以便用户区分每颗卫星发射的测距码信号，常用的多址技术有码分多址CDMA和频分多址FDMA。所有卫星都应采取不同地址发送，以便在全球范围所有用户都能利用可能不同的四星定位。各国卫星使用的频段由国际电信联盟ITU统一分配与管理。

（2）地面监控站。是一台联网的大型计算机系统，它从地面实时监测每颗导航卫星的位置与时钟偏差，并把所测位置与时差信息实时反馈给该卫星。由于导航卫星相对地面是不断移动的，所以地面站对卫星位置与时差的监测也应是不间断地实时进行的。每台监控站能够监控的范围有限，为保证卫星导航定位功能全球覆盖，每个卫星导航定位系统的监控站也应在全球范围合理布局，保证每颗卫星运行到全球任何地区都有地面监控站对它进行监控。全球分布的监控站应该联网互通信息，并与发射卫星的卫星地面控制中心互联构成对全球环行的所有导航卫星进行实时监控，这个全球卫星导航的监控系统，不仅要能对全球环行的每一颗卫星进行位置与时差的实时监测，而且在发现卫星位置偏离设计预定轨道时，能够实时调控回来。当然也包括卫星发生故障或寿命到期时，实时调备用卫星或发射新的卫星替换。

（3）地面用户。主要指地面飞机、船舰、火车、汽车及个人智能手机等移动设备需要利用卫星定位导航系统进行定位导航的用户，他们不仅可以在全球范围通过多卫星测距对自己位置进行定位，而且可借助自己的位置与已知的目标位置实现航行的自动导航。由于卫星测距定位导航系统对用户而言是采用非询问式主动定位模式，用户测距不需发送询问信号，只需接收卫星发来的测距码及有关卫星位置与时差信息的星文即可自己求解位置。因此卫星导航定位系统的用户只需配置专用的接收机与定位信息处理软件即可在全球范围利用卫星实现定位，这对移动用户特别是智能手机用户是非常有利的。除了航行中的移动用户，这种卫星导航定位系统在勘探、遥感、遥测等业务中的地面用户定位也提供有效的支持。

根据以上分析，我们可以把卫星测距定位导航系统对用户进行定位导航的基本过程进一步归结如下：

第一步，地面监控站对每一颗导航卫星的位置与时差进行实时监测并把所测信息实时发给所测卫星；

第二步，每个导航卫星不间断地定时向所有地面用户广播发送伴随自己位置与时差信息的测距码；

第三步，地面用户在同时收到四颗卫星广播发来的测距码及相关卫星位置与时差信息后，分别测出到四星的距离即可求解出自己的三维坐标位置；

第四步，用户实时知道自己位置以后即可根据目标位置实现自动导航。

3 世界卫星导航系统发展历程

设计与构造卫星导航系统，尤其是能覆盖全球的导航系统，至少需要具有制造与发射卫星进入预定轨道的能力，不是一般国家都能做到的。目前世界上已经建成运行或正在建设的卫星定位导航系统主要有以下四个：美国全球定位系统GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟伽利略卫星导航系统与中国北斗卫星导航系统。现分述其发展历程及其本性能：

（1）美国全球定位系统GPS

美国研制的全球定位系统GPS（Global Positioning System）是世界最早设计与研制的全球卫星定位系统，1973年就完成了方案设计，1994年已投入使用。GPS首先研制了非询问式测距的四星定位方法，它采用24颗卫星分布在6个园形轨道平面上，每个轨道平面上非均匀地分布4颗卫星，轨道上相邻卫星相隔分别为30o、105o、120o和105o。轨道平面等间隔沿赤道分布，每个轨道平面与地球赤道平面的夹角均为55度左右。GPS卫星位于距地表约20200km的上空，运行周期约为12h。GPS这样的卫星布局，保证地球上绝大部分地区都能观察到6到9颗卫星以保证实现四星测距定位的要求。GPS采用码分多址CDMA来区分不同卫星的不同信号。GPS研制开始主要用于军用，也以减低精度开放为全球民用服务，以垄断全球卫星导航市场。GPS地面监控系统包括一个主控站和六个监测站。六个监测站沿着经度方向依次位于美国夏威夷、科罗拉多、佛罗里达和南大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭戈加西亚、南太平洋的卡瓦加兰。都在赤道附近。

（2）俄罗斯的GLONASS

俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）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。到1996年才第一次实现了由24颗卫星组成的完整星座，使GLONASS具有全面运行的能力。但由于俄罗斯在此期间工业与经济的衰退，加上所发卫星寿命较短，一些寿命到期卫星或故障卫星不能及时更换或补充，星座中正常工作的卫星数目不断下降， 2001年减少到最低点的6颗。2002年以后，俄罗斯政府重新投入资金与力量来恢复该系统， 2007年，GLONASS开始重新运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。GLONASS采用与GPS相似的非询问式测距的四星定位方法，卫星星座系统共由30颗卫星组成。27颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度， 轨道高度2.36万公里，运行周期11小时15分，轨道平面与赤道平面的倾角均为64.8度。GLONASS区分卫星信号原采用FDMA频分多路复用方法，占用频带较宽，目前也在推行CDMA与FDMA相结合的方法。GLONASS的地面监控站原来都建在前苏联境内，现正计划在巴西、印度尼西亚、澳大利亚等海外国家联系建站以满足移动卫星全球实时监控的要求。

（3）欧盟伽利略卫星导航系统

伽利略定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也是继美国现有的“全球定位系统”（GPS）及俄罗斯的GLONASS系统后，第三个可供民用的卫星导航定位系统。伽利略定位系统计划发送30颗卫星，均匀分布在3个中高度圆形地球轨道上，三个轨道平面相互成120°夹角，卫星轨道平面与赤道平面的夹角均为56°，每个轨道面上有9颗工作卫星、1颗备用卫星。轨道高度为23616km，比GPS卫星高度高一些。以获得每颗卫星有更大的覆盖面。卫星运行周期为14h。伽利略定位系统于2013年已发射四颗星运行并开始提供导航服务，计划在2019年完成全部 30颗卫星的发射。其定位精度高于GPS，可达0.5米。伽利略定位系统的地面监控系统包括两个地面控制中心、5个遥控遥测中心与9个向卫星上传星文的发射站，除两个监控中心设在欧洲本土的德国与意大利以外，其余设施遍布全球。

（4）中国北斗卫星导航系统

中国北斗卫星导航系统是中国自主研制的测距卫星导航系统，它分为两个发展阶段：

第一阶段称北斗一代，采用双星测距加自测高度的定位方法，如前所述这是一种由地面监控站通过向卫星与用户发送询问信号进行测距并由地面监控站求得用户坐标位置的卫星定位系统。双星采用35000公里高度的高轨同步静止卫星（80°E和140°E）。2000年建成投入使用，有效的服务于我国及亚洲附近地区的航空、航海导航及地质勘探等服务。高轨同步卫星还可兼作卫星通信中继站，把卫星导航与卫星通信网络有机结合起来。但由于询问式测距系统要求移动用户向卫星发射较大功率的回应信号，不适合全球覆盖的移动智能手机用户。

第二阶段称北斗二代，是在北斗一代基础上向全球卫星导航的方向发展。为此也采用了类似GPS四星非询问式测距定位的方案，计划投放30颗非静止轨道卫星，由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度的三个轨道平面上，轨道高度21500公里。采用“东方红”-3号卫星平台。自2005年发送第一颗导航卫星以来到现在已完成23颗北斗二代非同步导航卫星的发射与运行，逐步构成覆盖全球的北斗卫星导航网络。北斗二代全球卫星定位导航系统建设迸程中，仍然保留了北斗一代的高轨静止双星系统，并使两个系统结合更有利于我国与全球在卫星导航与通信的进一步融合。

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作者：倪鹏云的科学网博客

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