第1章
全球卫星导航系统

1.1　全球卫星导航系统概述

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是用导航卫星发射的信号来确定载体位置从而进行导航的系统。1957年，苏联成功发射的第一颗人造卫星成为GNSS发展的奠基石，人们不再局限于地面，开始放眼于太空，传统的技术也随着空间科学技术的发展焕发了新的活力。美国约翰·霍普金斯大学的两位研究人员通过观测卫星发射的无线电信号，将地面上常见的信号多普勒频移与卫星运动轨迹联系在一起，提出利用已知位置的地面观测站测量卫星播发信号的多普勒频移，获得太空中卫星精确位置的方法。地面观测站对卫星的联合观测试验，验证了这一方法的有效性，完成了卫星轨迹的测定工作。同一所大学的另外两位研究人员依据试验结果，提出了另一种思路，即如果已知卫星的精确位置，通过在地面上测量卫星信号的多普勒频移，便可以确定地面观测站的精确位置，卫星导航定位的基本概念由此产生。

卫星导航系统从20世纪60年代中期开始发展，现在已经被广泛应用于民用和军事的各个领域，带来了巨大的经济效益和社会效益。正是由于卫星导航系统在各个方面都起着至关重要的作用，许多国家都在努力建设自己独立的卫星导航系统。

美国的GPS是目前应用最为广泛的卫星导航系统，其应用范围已经覆盖全球的许多行业；俄罗斯的GLONASS由于受到各种因素的影响，发展速度大大落后于GPS，但是经过十几年的卫星补网，现已完成系统重建；欧盟所规划的Galileo系统也基本完成了组网卫星的发射，开始提供全球服务；中国也在北斗一号和北斗二号的基础上完成了北斗三号基本系统建设，开始提供全球服务，于2020年全面建成北斗全球卫星导航系统。当前，各国正在推进GNSS的兼容性操作，努力实现良性互动合作。

1.1.1　北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（BeiDou Satellite Navigation System，BDS）是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统并称全球四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统于2012年12月27日起启动区域性导航定位与授时的正式服务，由16颗导航卫星组成的北斗二号系统服务于包括中国及周边国家、地区在内的亚太大部分地区。2017年，中国进行了北斗三号系统卫星的密集发射组网，截至2018年年底在轨卫星达到了18颗。

1. 北斗卫星导航系统组成

20世纪80年代，随着GPS系统的建成，中国就提出了建立自主可控时空基准的卫星导航系统的构想，并在2003年完成了北斗卫星试验系统北斗一号的建设。2004年，中国开始准备在北斗试验系统的基础上建设北斗全球卫星导航系统。与全球其他卫星导航系统（如GPS、GLONASS等）相比，北斗卫星导航系统除了具有导航、定位、授时功能，还具有独特的通信功能，即短报文通信。

北斗卫星导航系统是由中国自主建设、维护和运营的新一代卫星导航系统。区别于之前北斗试验系统的主动定位授时方式，北斗卫星导航系统采取被动式无源定位方法，采用广播的方式播发卫星导航信号克服了北斗一号有源定位、区域覆盖、系统生存能力差等诸多缺点。完全建成的北斗卫星导航系统与GPS和GLONASS的原理类似，也是全球性的卫星导航系统。

北斗卫星导航系统的建设发展战略分为三个阶段。

（1）第一阶段，建成北斗一号试验系统。中国从2000年开始，在3年内成功地发射了3颗北斗卫星，建成了双星定位结构的北斗试验系统，包括2颗工作卫星和1颗备份卫星。该系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务，但采取的是有源方式，用户需要向卫星发送定位请求信号，使用不便且生存能力差。

（2）第二阶段，建设北斗二号区域系统。2007年4月，北斗二号区域系统的首颗MEO卫星（COMPASS-M1）成功发射，确保了轨道和频率资源，并完成了大量技术试验。2009年4月15日，北斗二号区域系统的首颗GEO（Geostationary Orbit）卫星（COMPASS-G2）由长征三号丙运载火箭成功发射，验证了GEO导航卫星相关技术的科学性。2012年10月，北斗二号区域系统成功发射了第16颗卫星，完成了卫星组网，2012年12月28日正式运行，并为亚太地区提供导航、无源定位、授时等运行服务。

（3）第三阶段，北斗三号基本系统在2018年要服务于“一带一路”沿线国家和地区，在2020年之前要完成对全球的覆盖，向各类用户提供高精度、高可靠性的授时、定位和导航服务。

北斗卫星导航系统建设的基本原则是开放性、自主性、兼容性、渐进性。开放性，是指对全世界开放，提供免费高质量的服务；自主性，是指北斗卫星导航系统由中国独立自主发展和运行；兼容性，是指实现与其他卫星导航系统的兼容与互操作；渐进性，是指结合中国经济和科技的发展实际，按照循序渐进的模式发展，通过改进系统性能，确保系统建设阶段过渡平稳，最终为用户提供连续的长期全球服务。

北斗卫星导航系统计划为用户提供两种全球服务和两种区域服务。两种全球服务包含定位精度为10m、授时精度为50ns、测速精度为0.2m/s的免费开放服务，以及在更高精度、复杂条件下可靠性更高的授权服务；两种区域服务包含定位精度为1m的广域差分服务，以及短报文通信服务，后者在北斗三号系统中已经被拓展为全球服务。

北斗卫星导航系统可以分为空间星座部分、地面控制部分、用户终端部分。

（1）空间星座部分由3颗地球静止轨道（Geostationary Orbit，GEO）卫星和27颗非地球静止轨道（Non-Geostationary Orbit，Non-GEO）卫星组成，完整的北斗卫星导航系统的具体布局是“GEO+MEO+IGSO”的星座构型。北斗二号区域导航系统的建设，采用了5颗GEO卫星、3颗倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO）卫星和4颗中圆地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星的星座方案。其中5颗GEO卫星分别固定在地球赤道上空相对静止的点上，4颗MEO卫星运行在2.15万千米的轨道半径上，3颗IGSO卫星分别处于3个半径为3.6万千米的不同轨道面上。北斗三号全球导航系统，将按照计划由3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星组成共计30颗卫星的星座。这样的星座设计，保证了在地球上任意一点的任意时刻均能接收到4颗以上导航卫星发射的信号，观测条件良好的地区甚至可以接收到十余颗卫星的信号。

（2）地面控制部分包括监测站、时间同步上行注入站和主控站等系列地面站，以及星间链路运行管理设施。主控站是地面控制部分的核心，也是整个卫星导航系统的核心，它具有监控卫星星座、维持时间基准、更新导航电文等功能。时间同步上行注入站的功能是将从主控站发来的信息和控制指令注入各颗卫星，这些信息和指令包含卫星导航电文、广域差分信息和时间同步信号等重要内容。监测站的功能是对卫星进行监测，并完成数据采集。监测站对卫星星座进行连续观测，形成监测数据，然后汇总卫星、气象等信息后传给主控站处理。

（3）用户终端部分常见的器件有手机内的定位芯片、手持接收机、车载接收机及航海航空航天应用接收机等。用户终端部分就是整个卫星定位系统中完成位置、速度、时间（Position，Velocity，Time，PVT）解算这一功能的设备。根据兼容性的设计原则，北斗卫星导航系统的用户终端将能够很好地与其余全球卫星导航系统如GPS、GLONASS和Galileo实现兼容互操作。目前，北斗卫星导航系统用户终端已经在市场上得到了广泛应用，相关的政策和标准也已经或正在制定。

2. 时间系统和坐标系

1）时间系统

卫星导航系统进行定位的原理为“距离=速度×时间”这一基本公式，即先测时间再转换为距离。例如，GPS系统基于原子时定义了一个专用的时间系统GPST（Global Positioning System Time），它与国际标准协调世界时（UTC）呈整数秒关系，自2006年1月1日起为GPST=UTC+14，并且GPST与UTC之间非整数秒的误差通常被控制在40ns内。

由于卫星信号电磁波的传播速度为光速，因此精准的时间系统至关重要，北斗卫星导航系统为自身定义了另一套时间系统，称为BDT（BeiDou Time）。BDT的起算历元时间为国际标准协调世界时UTC的2006年1月1日零时零分零秒，并且BDT与UTC之间存在小于100ns的偏差。

北斗卫星导航系统本着兼容性的原则，为了实现与其他系统的兼容和互操作，在设计之初就将BDT与GPST和Galileo时之间的互操作也考虑进来，BDT与其他时间系统的时差将会被监测并播发。

2）坐标系

GPS目前使用的坐标系是美国国防制图局（Defense Mapping Agency，DMA）于1984年提出的协议世界大地坐标系（World Geodetic System）（简称WGS-84）。GPS接收机解算出来的卫星速度与位置，都在WGS-84上被直观地表示出来。

北斗卫星导航系统使用的是中国2000大地坐标系（简称CGCS2000）。该坐标系从2008年开始使用，过渡期为8～10年。该坐标系不仅能够兼容北斗系统，更与国际地球参考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）保持很高的一致性，差异约为5cm，所以使用起来非常方便，对于大多数的应用而言，基本不用考虑CGCS2000与ITRF之间的坐标转换。

3. 信号特征

北斗卫星信号包含3部分内容，即导航电文（数据码）、伪随机噪声码（分为授权和开放两种服务）和载波。用户需要将卫星导航电文从卫星信号中解读出来，再通过一系列算法计算卫星当前的实时位置。伪随机噪声码一方面用于完成对数据码的调制，另一方面用于区分接收的卫星信号来源，而提供不同服务的伪随机噪声码还会对卫星信号进行加密，完成不同授权用户使用权限的区分。利用伪随机噪声码和载波，可以测量出卫星到接收机的距离，再利用从导航电文中解算出的卫星位置，即可计算用户的位置和速度信息。

由于卫星运行在距地面数万千米的太空，要使卫星信号穿过大气电离层等介质传播到地面，必须在特高频（Ultra High Frequency，UHF）频段传输，将经过伪随机码调制的数据码再调制到载波上，从而达到信号远距离传输的目的。

北斗二号区域系统申请的载波频段有3个，即信号将以不同的方式在B1、B2、B3三个频段上进行传播。具体的频段范围是B1：1559.052MHz～1591.788MHz；B2：1166.22MHz～1217.37MHz；B3：1250.618MHz～1286.423MHz。

依据北斗卫星导航系统建设的渐进性原则，北斗星座的构成及广播信号发射阶段在不同的建设阶段会有所不同，如表1.1所示。

在中心频点、码传输速率、调制方式、使用权限等诸多方面，北斗二号区域系统和北斗三号系统之间有很大变化。

表1.2为北斗二号区域系统的信号特征，该阶段重点完成区域导航、定位功能，面向亚太地区提供两种不同权限的定位服务。

表1.3为北斗三号系统卫星信号特征，与北斗二号区域系统信号相比，在建成全球卫星导航系统之后，只有B3频段的中心频点及调制方式没有发生变化，其余频段的中心频点和调制方式都发生了变化，调制方式由QPSK改为了BOC。

相较于北斗二号区域系统，北斗三号系统还新增了多种卫星信号，提供了更多调制方式，在两种使用权限中都新增了多个种类的信号。

1.1.2　GPS

GPS（Global Positioning System）是美国国防部为满足军事部门对高精度导航和定位的要求而建立的。GPS能够为陆、海、空三大领域的军队提供实时、全天候和全球性的导航服务，并能够进行情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事活动。该系统真正始建于1973年，经过方案论证、工程研制和发射组网三个阶段，历经二十余年，耗资三百多亿美元，于1994年建成了全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座，并于1995年开始提供全球服务。

GPS作为继美国子午星导航系统后发展起来的新一代卫星导航系统，提供有全球覆盖、全天时、全天候、连续性等优点的三维导航和定位能力，作为先进的测量、定位、导航和授时系统，已融入国家安全、经济建设和民生发展的各个方面。

1. GPS的组成

GPS由三部分构成，即空间卫星部分、地面控制部分和用户接收部分。

1）空间卫星部分

空间卫星部分又称空间段，由21颗GPS工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，构成完整的“21+3”形式的GPS卫星工作星座。GPS共有6个轨道面，分别编号为A、B、C、D、E、F，每个轨道面上均匀分布着4颗卫星。轨道面相对于赤道平面的倾角为55°，各个轨道面之间的夹角为60°。这样的星座构型可以保证在地球上任何地点、任何时刻均能观测到至少4颗且几何关系较好的卫星并用于定位。GPS卫星的平均轨道高度为20200km，每11小时59分（恒星时）沿近圆形轨道运行一周。

2）地面控制部分

地面控制部分又称地面段，GPS的地面控制部分由分布在全球的1个主控站、3个注入站和若干监测站组成。主控站位于美国克罗拉多州斯平士（Colorado Springs）的联合空间执行中心（CSOC），它的作用是接收世界各地监测站对GPS卫星的观测数据，并计算出GPS卫星的星历和卫星时钟的改正参数，将这些数据编辑成导航电文。主控站生成的导航电文通过注入站以S波段的形式发送给GPS卫星，然后由GPS卫星将经过载波和测距调制以后的导航电文实时地播发给用户。主控站还担负着控制GPS卫星的职责，如当工作卫星出现故障时，主控站负责调度备用卫星来替代故障卫星工作。

3）用户接收部分

用户接收部分又称用户段，GPS的空间部分和地面控制部分作为基础设施，向广大军用和民用用户提供导航、定位和授时服务，广泛应用于各个领域。用户通过GPS信号接收机，接收、解算卫星信号，实现导航、定位和授时功能。GPS接收机通过天线接收卫星信号，利用射频前端对信号进行转换，通过基带部分对观测数据进行数据处理，利用导航算法解算得到导航、定位和时间信息。

2. GPS卫星信号

传统的GPS卫星会发射两种频率的载波信号，即L1和L2载波，两种载波的频率分别为1575.42MHz和1227.60MHz，其波长分别为19.03cm和24.42cm，在L1和L2载波上又分别调制了测距码和导航电文。

C/A码：C/A码（Coarse/Acquisition Code）又称粗码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声（Pseudo Random Noise，PRN）码，其码长为1023位，周期为1ms，是普通民用用户用来测量接收设备到卫星距离的主要信号。

P码：P码（Precision Code）又称精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为7天，只有美国的军用用户或特许用户才能够使用。

导航电文：导航电文中包含GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数、卫星历书及一些其他系统参数，它被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz。用户通过导航电文中的星历参数，计算GPS卫星在轨道上的瞬时位置，还可以通过星钟改正数计算时间。

GPS所广播的信号种类较多，因此在实际的导航定位应用中，可以采用一种或几种信号同时进行处理，一般使用L1和L2载波相位观测值、分别调制在L1和L2载波上的C/A码和P码伪距以及L1和L2载波的多普勒频移。对于不同的应用需求，除使用载波和PRN码外，还使用以上观测值的不同组合形式，如载波相位的单差、双差和三差观测值，宽巷（Wide-lane）观测值和窄巷（Narrow-lane）观测值等。

随着GPS现代化计划的不断推进，GPS的民用信号从原来的单一L1C/A码信号增加到4个，即除L1C/A码外，还提供在L2C、L5和L1C载波上所加载的民用码。其中，L2C信号的频点为1227.6MHz，该信号的目的是纠正民用双频接收机的电离层时延。由于L2C信号的有效功率更高，因此能够更快地实现信号捕获，提高导航定位的可靠性。L5信号的频点为1176.45MHz，该信号是为航空安全服务的无线电的保护频段，通过与L1C/A信号组合能够为机载GPS接收机提供双频电离层修正，以提高导航定位的精度和可靠性。L1C信号的频点为1575.42MHz，该信号是为了与欧盟的Galileo系统和其他GNSS实现互操作而设计的，它能够与现有的L1频点上的信号后向兼容。L1C信号可以改进目前民用信号易受遮挡的问题，提高接收机的导航定位效果。

3. GPS的优缺点

1）GPS定位的优点

GPS的基本原理是“测时−测距”，即通过测量信号的传播时间来得到信号的传播距离，从而进行定位和导航。系统以高精度的原子钟为核心，通过广播特定的信号来提供大范围的被动式定位和导航，因此GPS具有以下优点。

（1）全球覆盖。GPS的空间段有24颗卫星，星座设计合理，卫星均匀分布，轨道高达20200km，因此能够保证在地球上和近地空间的任何一点，均可同步观测4颗以上的卫星，从而实现全球、全天候连续导航定位。

（2）高精度三维定位。GPS能连续地为陆、海、空、天各类用户提供三维位置、三维速度和精确的时间信息。通过PRN码可以实现5～10m的单点定位精度，通过伪距差分、载波相位差分等方式可以实现亚米级、厘米级甚至毫米级的定位精度，可以满足不同应用的精度要求。

（3）被动式导航定位。GPS卫星在不断地广播信号，因此用户设备只需被动地接收信号就可进行导航定位，不需要向外界发射任何信号。被动式导航定位不仅隐蔽性好，而且理论上可容纳无限多的用户。

（4）实时导航定位。GPS接收机定位时间短，能够实现数据更新率1～100Hz的实时定位，能够满足某些高动态用户的需求。

（5）抗干扰性能好，保密性强。GPS采用码分多址技术，利用不同的伪随机噪声码区分卫星。尤其是P码采用了较大的功率、较长的码长和较好的保密措施，因此具有良好的抗干扰性和保密性。

2）GPS定位的缺点和改进途径

GPS系统的优点很明显，但是也存在一些问题。

（1）缺少通信链路。GPS是被动式导航定位系统，各个用户间没有通信链路，因此无法满足某些特殊工作的需要，如应急救援、航空管制、位置报告等。在实际应用中，一般采用GPS与卫星通信、GPS与移动通信相结合的方案和技术。

（2）信号易受遮挡。由于受到卫星信号广播功率的限制，GPS卫星信号从太空播发到地面接收机时已经非常微弱，因此容易受到高大建筑物、树木等的遮挡，导致导航定位精度下降。在实际应用中，一般采用GPS和惯性导航系统（INS）组合的方案。另外，美国通过GPS现代化计划研发新型GPS卫星，提升信号功率，改善信号易受遮挡的状况。

（3）信号无入水能力。GPS信号属于L波段，无入水能力。因此，各类潜水器必须浮出水面来使用GPS导航，或向水面释放浮漂天线。为解决此问题，可以采用GPS/INS或GPS/无线电等组合的导航系统。

1.1.3　GLONASS

GLONASS（Global Navigation Satellite System）是苏联建设的全球卫星导航系统，于1982年10月12日发射了第一颗卫星，于1996年1月18日完成全部卫星数（24颗）的设计并开始整体运行。随着苏联的解体，目前GLONASS由俄罗斯空间局负责管理维护。GLONASS与GPS类似，同样能够为陆、海、空、天的民用和军队用户提供全球范围内的实时、全天候三维连续导航、定位和授时服务。

1. GLONASS构成

与GPS类似，GLONASS也由空间段、地面段、用户段三大部分组成，但各部分的具体技术与GPS有较大差别。

1）空间段

GLONASS的星座也是由24颗GLONASS卫星组成的，其中正常工作的卫星有21颗，备份星有3颗。随着俄罗斯对GLONASS不断进行维护，目前组成星座的21颗卫星都为GLONASS-M卫星或GLONASS-K卫星。24颗卫星均匀地分布在3个轨道面上，这3个轨道面互成120°夹角，轨道倾角为64.8°，轨道高度约为19100km，轨道偏心率为0.01，运行周期为11小时15分，每个轨道上均匀分布着8颗卫星。由于GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以GLONASS卫星在50°以上的高纬度地区可见性较好。因为GLONAS在设计建造时主要考虑俄罗斯处于高纬度地区的国土面积较大，为了确保能够全面覆盖，其卫星轨道必须有别于GPS的6个轨道面。GLONASS星座在完整的情况下，可以保证在地球上任何地方、任何时刻都能收到至少4颗卫星的信号，确保用户能够获取可靠的导航定位信息。具体卫星星座的分布如表1.4所示。

每颗GLONASS卫星上都有铯原子钟以生成高稳定的时间和频率标准，并向所有星载计算机提供高稳定的同步信号。星载计算机对地面控制部分上传的信息进行处理，生成导航电文、测距码和载波向用户广播，地面控制部分传给卫星的信息用于控制卫星在太空的运行。导航电文包括卫星的星历参数、卫星时钟相对GLONASS UTC的偏移值、卫星健康状态和GLONASS卫星历书等。与GPS类似，GLONASS卫星可以同时发射民用码和军用码。

2）地面段

GLONASS地面监控部分对GLONASS星座和卫星信号进行整体维护与控制。它包括系统控制中心（位于莫斯科的戈利岑诺）和分散在俄罗斯整个领土上的跟踪控制站网。地面监控部分负责跟踪、处理GLONASS卫星的轨道和信号信息，并向每颗卫星发射控制指令和导航电文。苏联解体之后，GLONASS由俄罗斯空间局管理，地面支持段已经减少到只有俄罗斯境内的场地。地面控制部分包括6个组成单元：系统控制中心（SCC）、遥测跟踪指挥站（TT&C）、上行站（ULS）、监测站（MS）、中央时钟（CC）、激光跟踪站（SLR）。

地面监控部分的作用主要包括以下几个方面：①测量和预测各颗卫星的星历；②进行卫星跟踪、控制与管理；③将预测的星历、时钟校正值和历书信息注入每颗卫星，以便在卫星上生成导航电文；④确保卫星时钟与GLONASS时同步；⑤计算GLONASS时和UTC（SU）之间的偏差；⑥监测GLONASS导航信号。

3）用户段

GLONASS的用户设备（接收机）能接收卫星发射的导航信号，包括伪随机噪声码和载波相位，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。通过对导航电文和伪距信息的处理来计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS提供的单点绝对定位水平方向精度约为16m，垂直方向精度约为25m。

GLONASS用户设备发展比较缓慢，除了历史原因导致的GLONASS星座不完善、系统运行不稳定等因素，还由于GLONASS采用频分多址技术，用户设备比较复杂，并且苏联对其技术保密，致使GLONASS接收机的研制和生产成本较高，结果造成了接收机种类少、功能有限、功耗大、便携性差、可靠性差等结果，市场占有率低。但是作为与GPS同期发展并且功能相当的全球卫星导航系统，其应用潜力随着俄罗斯对GLONASS的不断完善而不断凸显。由于GLONASS与GPS在系统构成、工作频段、定位原理、星历数据结构及信号调试方式等方面相同或类似，所以从原理上可以将GPS与GLONASS接收机进行组合，共同接收卫星信号。目前，GPS/GLONASS组合接收机也得到了广泛应用，多颗卫星带来的冗余提升了之前利用单一卫星导航系统接收机的可靠性。

GPS/GLONASS组合接收机可以同时接收、处理这两个系统的信号，有以下优点：用户同时可接收GPS和GLONASS卫星信号，观测卫星数目增加，将会明显改善观测卫星的几何分布，提高定位精度；由于增加了可接收卫星的数目，在一些容易遮挡信号的地区，如城市、峡谷、森林等，可以更加精确地进行测量、导航和监控；另外，利用两个独立的卫星定位系统进行导航和定位测量，可以相互校验，带来更高的可靠性和安全性。

2. GLONASS时间系统

GLONASS时间是整个导航系统的时间基准，它属于UTC时间系统，但是区别于GPS，GLONASS以俄罗斯维持的世界协调时UTC（SU）作为时间基准。UTC（SU）与国际度量衡标准局维持的国际标准UTC相差在1μs以内。GLONASS时间与UTC（SU）之间存在3h的整数差，在秒数上两者相差在1ms以内。GLONASS卫星播发的导航电文中有GLONASS时与UTC（SU）的相关参数。

UTC是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近世界时的一种时间系统。受到地球极移和其自转不均匀性的影响，两者之间存在差别，并且随着时间差别不断扩大，为了确保两者的差别不至于过大，UTC存在跳秒现象，又称闰秒（Leap Second）。因为GLONASS时间属于UTC，所以也存在闰秒。GLONASS时间根据国际度量衡局（BIPM）的通知进行闰秒改正，由于GPS不存在闰秒，因此在进行GPS和GLONASS组合测量时，需要考虑两者时间的差别。

GLONASS的时间系统中包含有两套时间尺度：GLONASS时和GLONASS卫星时。GLONASS时由GLONASS地面监控系统中的中央同步器时标生成，是整个系统的时间，而GLONASS卫星时由各颗卫星上装备的原子钟产生，是一种原子时。由于闰秒的存在，GLONASS时和GLONASS卫星时并不完全相同，GLONASS卫星时相对于GLONASS时与UTC（SU）的修正在GLONASS地面综合控制站计算，并且每两天向卫星注入一次。

3. GLONASS的坐标系

GLONASS在1993年以前采用苏联的1985年地心坐标系（SGS-85），1993年后使用PZ-90坐标系。PZ-90属于地心地固（ECEF）坐标系。据官方消息，GLONASS的坐标系在2006年年底已由PZ-90更新到PZ-90.02，且与国际地球参考框架（ITRF）的差异保持在分米级。PZ-90.02与ITRF2000两者之间只有原点平移，在X、Y、Z方向分别为−36cm、+8cm、+18cm。

GLONASS公布的接口控制文件（ICD）对PZ-90坐标系的定义如下：①坐标原点位于地球质心；②Z轴：指向IERS推荐的协议地极原点（1900—1905年的平均北极）；③X轴：指向地球赤道与BIH定义的零子午线交点；④Y轴：满足右手坐标系。由于测轨跟踪站站址坐标不可避免地存在坐标误差和测量误差，定义的坐标系与实际使用的坐标系存在一定的差异。PZ-90大地坐标系采用的参考椭球参数和其他参数如表1.5所示。

4. GLONASS卫星信号

与GPS类似，GLONASS卫星同样会发射L波段的L1、L2两种载波信号。GLONASS的L1信号上调制有P码、C/A码和导航电文，L2信号上调制有P码和导航电文。C/A码用于向民间机构提供标准定位，而P码用于俄罗斯军方高精度定位或某些授权用户。2005年之后，应国际电联的要求，俄罗斯已将GLONASS L1载波频率转移到1598.0625MHz～1606.5MHz，L2载波频率转移到1242.9376MHz～1249.6MHz。

GLONASS-M卫星是第二代GLONASS导航卫星，与第一代导航卫星相比，它具有精度高、使用寿命长，增设了L2民用码，能够发送更多导航电文信息等优势。它的使用在很大程度上提高了GLONASS的工作性能。GLONASS-K卫星是第三代GLONASS导航卫星，它的使用寿命将延长至10～12年，并增加了第三个民用L3频段。

GLONASS采用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）方式来识别不同卫星，即每颗卫星播发的导航信号的载波频率是不相同的。但是，相邻卫星之间的频率间隔是一样的，其中L1载波的频率间隔为0.5625MHz，L2载波的频率间隔为0.4735MHz。由于采用FDMA方式会存在多个频点，会占用较宽的频段，24颗GLONASS卫星的L1频道需占用的频宽约为14MHz。由于空间频率资源有限，应国际电联要求，俄罗斯规定在同一个轨道面上，位置对立的两颗GLONASS卫星使用同一个载波频率，从而将卫星载波频率通道数减少到12个，达到了降低带宽、减少频率通道数的要求。

5. GLONASS与GPS的比较

GLONASS和GPS是目前最完善的两个全球性的卫星导航系统，两者在系统组成、信号结构、信号类型、坐标系和时间系统等方面有异同。两个系统的相似之处主要包括以下几个方面。

（1）在系统组成上，两个系统均由空间段、地面段和用户段组成。

（2）在卫星星座上，两个系统的卫星数相同。

（3）在信号频段上，两个系统的频段相差不超过30MHz，因此可共用一个天线和一个带宽前置放大器来接收两个信号。

（4）在定位精度上，GLONASS和GPS都提供两个精度等级，其中高精度供军用和特殊用户使用，低精度供民众使用。

（5）在应用范围上，两者都可以用于陆、海、空、天运载体的导航、定位和授时。

虽然GLONASS和GPS有很多相似之处，但在关键的坐标系、时间系统和调制方式等方面，两个系统却截然不同，主要体现在以下几个方面。

（1）卫星轨道不同。GPS的星座为6个轨道面，GLONASS的星座为3个轨道面，同时两者的卫星轨道高度也不相同。

（2）时间系统不同。两个时间系统虽然都属于原子钟系统，但GPS的时间系统采用的是华盛顿的协调世界时UTC（USNO），是一个没有跳秒的连续计时系统；而GLONASS时间系统采用的是苏联的协调世界时UTC（SU），是一个有同步跳秒的非连续计时系统。GPS时=UTC+跳秒，GLONASS时=UTC+3.00h。因此，GLONASS时与UTC（SU）之间仅相差3h和小于1μs的系统差，而没有跳秒差。

（3）参考坐标系不同。GPS采用的是WGS-84世界大地坐标系，而GLONASS采用的是PZ-90大地坐标系，两者之间存在换算关系。

（4）导航电文的内容不同。GPS以开普勒轨道根数形式播发导航星历，每隔2小时更新一次。GPS依据开普勒轨道方程，并考虑卫星的摄动，计算GPS卫星在WGS-84世界大地坐标系中的瞬时位置。GLONASS直接给出参考历元的卫星位置、速度，以及太阳、月亮对卫星的摄动加速度，每隔30min更新一组星历参数，计算GLONASS卫星在PZ-90坐标系中的瞬时位置。

（5）卫星识别方式不同。GPS采用码分多址（CDMA）方式，每颗卫星使用相同的载波频率发射信号；GLONASS采用频分多址（FDMA）方式，每颗卫星使用不同的频率发射信号。2005年前GLONASS卫星的频段已超越国际电信联合会（International Telecommunication Union，ITU）的规定，俄罗斯在ITU的要求下开始实施GLONASS改频计划，并已于2005年完成转移频率的计划。与GPS发射信号采用双频段一样，GLONASS的信号也是用L1和L2两个频段发射的，并且L2频段的信号也采用特殊码调制，以保证军用和特殊用户的使用。

GLONASS与GPS的差异如表1.6所示。

1.1.4　Galileo卫星导航系统

伽利略（Galileo）卫星导航系统，是一个即将完成建设的全球卫星导航系统，该系统由欧洲航天局（简称欧空局）和欧洲导航卫星系统管理局合作建造，后者的总部设在捷克共和国的布拉格。该系统的目的是为欧盟国家提供一个自主的高精度定位系统，该系统免费提供基本服务，但高精度定位服务仅提供给特定的用户。其功能是在水平和垂直方向提供1m以内精度的定位服务，并在高纬度地区提供比其他系统更好的定位服务。

Galileo的第一颗实验卫星GIOVE-A于2005年12月28日发射，第一颗正式卫星于2011年8月21日发射。截至2016年12月，Galileo的在轨卫星达到18颗，于2016年12月15日投入使用，并免费提供基础的服务。2017年12月13日，Galileo第19～22颗卫星发射成功，计划于2020年完成全部卫星组网，提供覆盖全球的导航服务。

1. Galileo卫星导航系统组成

Galileo卫星导航系统分为空间段、地面段、用户服务三大部分，与其他GNSS相同，采用测时-测距原理进行导航定位。

1）空间段

Galileo卫星导航系统的卫星星座由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，具体参数如表1.7所示。

Galileo卫星导航系统的卫星颗数与卫星的布置和GPS及GLONASS的星座有一定的相似之处。Galileo卫星导航系统的工作寿命为20年，中等高度轨道卫星（MEO）星座的工作寿命设计为15年。Galileo卫星导航系统的卫星时钟有两种类型：被动氢脉塞时钟和铷钟。在正常工作状况下，被动氢脉塞时钟将被用作主要振荡器，铷钟也会同时运行作为备用，并时刻监视被动氢脉塞时钟的运行情况。

2）地面段

地面段由完好性监控系统、轨道测控系统、时间同步系统和系统管理中心组成。该系统有两个地面操控站，分别位于德国慕尼黑附近的奥博珀法芬霍芬（Oberpfaffenhofen）和意大利的富齐诺（Fucino）；地面段有29个分布于全球的伽利略传感器站；另外还有5个S波段上行站和10个C波段上行站，负责控制中心与卫星之间的数据交换。控制中心与传感器站之间通过冗余通信网络连接。

地面站是系统的核心，其主要功能是：控制Galileo卫星星座，保证卫星上原子钟与系统时同步，提供信号的完好性信息、监控卫星状态及卫星提供的服务，处理系统内部与外部的信息等。

3）用户服务部分

Galileo系统能够为用户提供多种服务，主要包括以下内容。

（1）公开服务。Galileo系统的公开服务与GPS类似，提供免费的定位、导航和授时信号。此服务针对大众化应用，比如各类智能手机终端和车载导航终端。

（2）商业服务。商业服务相对于公开服务有附加的功能：分发在开放服务器中的加密附加数据；非常精确的局域差分应用，使用开放信号覆盖PRS信号E6；支持Galileo卫星导航系统定位应用和无线通信网络的良好性领航信号。

（3）生命安全服务。生命安全服务的有效性超过99.9%。Galileo卫星导航系统和当前的GPS相结合，或者与新一代的GPS Ⅲ和EGNOS相结合，将能满足更高的要求。生命安全服务还将应用于船舶进港、机车控制、交通工具控制、机器人技术等。

（4）公共特许服务。公共特许服务将以专用的频率向欧洲共同体提供更广泛的连续性服务，主要包括：保障欧洲国家安全，如一些紧急服务、政府工作和执行公务，紧急救援、运输和电信应用，以及其他对欧洲有战略意义的经济和工业活动。

2. Galileo卫星导航系统信号特征

Galileo卫星导航系统提供的10个信号分布在3个频段上，分别是E5A与E5B（1164MHz～1215MHz）、E6（1215MHz～1300MHz）和L1（1559MHz～1592MHz）。

（1）E5A上调制2个信号，包括低速率的导航信息和辅助导航信息；E5B上也调制2个信号，包括导航信息、完备性信息、SAR数据和辅助导航信息。

（2）E6上调制3个信号，包括加密的导航信号、商用信号、辅助导航信息。

（3）L1上调制3个信号，包括加密的导航信号、导航信息、完备性信息和SAR数据、辅助导航信息。

3. Galileo卫星导航系统特点

（1）卫星发射信号功率大。Galileo卫星导航系统的卫星发射信号功率比GPS的高，可以在一些GPS不能进行定位的区域完成定位，如果某一区域的用户需要附加的服务，Galileo卫星导航系统也可以通过虚拟卫星来提供。当用户接收到的信号不满足定位要求时（4个不同的卫星信号），可以通过虚拟卫星转发卫星信号来补充。

（2）TCAR（Three-Carrier-Phase-Ambiguity Resolution）技术。Galileo卫星导航系统载波相位的测量定位原理与GPS的相同，但是Galileo卫星导航系统至少有3个载波频率，欧洲航天局提出了使用三载波的TCRA方案，可以很好地解决整周模糊度的问题。

（3）系统通信。Galileo卫星导航系统在运行初期配备了通信功能，计划通过地面已有的通信网络来实现其通信功能，主要考虑使用欧洲的全球移动通信系统（UMTS）。对此，专家们提出一项Galileo和S-UMTS协作系统（GAUSS）的计划，GAUSS计划中的接收机可以同时接收、处理通信信号和导航信号，有通信和导航功能。

（4）SAR服务。Galileo卫星导航系统还提供了一种搜索和救援服务（SAR），此服务通过用户接收机和卫星完成，用户向卫星发射救援信号，信号由卫星发给COSPAS/SARSAT地面同步卫星，然后转发到地面救援系统，地面站救援系统接收到救援信号，确认后原路反馈信息给用户，同时展开救援行动。