4種全球定位系統(tǒng)的現(xiàn)代化及其坐標(biāo)轉(zhuǎn)化

鮑建寬，范興旺，高成發(fā)

（1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程系，黑龍江 哈爾濱150050；2.東南大學(xué) 測繪工程系，江蘇 南京210096）

自20世紀(jì)20年代第一個(gè)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)誕生以來，利用現(xiàn)代化技術(shù)開展導(dǎo)航研究進(jìn)入一個(gè)新的階段。1957年第1顆人造地球衛(wèi)星的發(fā)射升空促進(jìn)陸基導(dǎo)航系統(tǒng)向太空拓展，開啟從太空這一全新視角俯視地球的新時(shí)代。1958年，美國開發(fā)海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，隨后在1965年，前蘇聯(lián)研制了CICADA系統(tǒng)；這兩種導(dǎo)航系統(tǒng)后來發(fā)展升級為現(xiàn)存的兩大導(dǎo)航系統(tǒng)——GPS和 GLONASS。如今GPS已形成在導(dǎo)航定位服務(wù)中的壟斷地位，GPS不僅為軍方提供精確的戰(zhàn)略情報(bào)和信息支持，同時(shí)在民用方面創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。正是由于GPS廣闊的應(yīng)用前景，GLONASS系統(tǒng)正在不斷完善和升級，以期達(dá)到現(xiàn)代化定位的精度要求。此外，歐洲的Galileo系統(tǒng)以及中國的COMPASS－2全球定位系統(tǒng)正處在密集組網(wǎng)階段。

1 4種GNSS概況及發(fā)展前景

1.1 GPS

1973年，美國國防部批準(zhǔn)研制一種新的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，命名為NAVSTAR GPS，即當(dāng)今GPS的前身。1978－02－22 發(fā)射第 1 顆 GPS 試用衛(wèi)星，自1989－02－14到1994年歷時(shí)5a建成了覆蓋全球98%的全新導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS建成之初，工作衛(wèi)星主要有9顆BLOCKII型衛(wèi)星和15顆BLOCKIIA型衛(wèi)星。時(shí)至今日，GPS已經(jīng)經(jīng)歷了兩代更替，是目前運(yùn)營最為成熟的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，共有30顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行，其中4顆為備用星。在軌衛(wèi)星主要由13顆GPSIIA衛(wèi)星、12顆GPSIIR衛(wèi)星和6顆GPSIIR－M衛(wèi)星組成。此外，GPS星座更新計(jì)劃還包括計(jì)劃發(fā)射12顆GPSIIF衛(wèi)星來代替已有的衛(wèi)星星座。GPSIIF衛(wèi)星與之前的衛(wèi)星系列相比，在1 176.45MHz的頻段上增加了第3個(gè)民用信號(hào)L5，這也是GPS二代向GPS三代過渡的最后型號(hào)。但是，由于合同商在GPS IIF衛(wèi)星的建造過程中缺少專業(yè)技術(shù)，缺乏項(xiàng)目監(jiān)管，還存在技術(shù)問題。首顆 GPS IIF衛(wèi)星已經(jīng)于2010－05－20由 Delta－5火箭發(fā)射，比原計(jì)劃推遲三年半，第2顆在2010年底發(fā)射。

GPS正在計(jì)劃由二代向三代過渡，目前已完成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與需求定義，計(jì)劃于2014年～2022年間布署，以滿足未來30a的定位需求。第三代GPS擬將現(xiàn)有的6個(gè)軌道減少為3個(gè)軌道，采用30顆衛(wèi)星組網(wǎng)，其中包括8顆GPS－3A衛(wèi)星、8顆GPS－3B衛(wèi)星和16顆GPS－3C衛(wèi)星。在衛(wèi)星地面站部分，GPS三代增加了一個(gè)新的主控站，監(jiān)測站增加到6個(gè)，將美國國家地理情報(bào)局（NGA）的11個(gè)監(jiān)測站納入到空軍監(jiān)測網(wǎng)。此外，GPS正在發(fā)展星際橫向數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，萬一主控站被毀后，GPS衛(wèi)星可以獨(dú)立運(yùn)行。

1.2 GLONASS

GLONASS的前身可追溯到前蘇聯(lián)1965年建成的第一代導(dǎo)航系統(tǒng)——CICADA系統(tǒng)，隨后前蘇聯(lián)于1982－10著手建立其第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即GLONASS。直到1995－12－14，隨著第23、24、25顆衛(wèi)星發(fā)射升空，GLONASS 24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座宣告建成。但隨著俄羅斯經(jīng)濟(jì)不斷走低，該系統(tǒng)也因失修、大部分GLONASS衛(wèi)星超出設(shè)計(jì)使用年限等原因陷入崩潰的邊緣，從而導(dǎo)致GLONASS發(fā)揮的作用有限。進(jìn)入新世紀(jì)以來，2001～2010－10俄羅斯政府補(bǔ)齊了該系統(tǒng)需要的24顆衛(wèi)星，其中幾顆衛(wèi)星還采用了改進(jìn)型衛(wèi)星GLONASS－M。2011－02－26，俄羅斯發(fā)射了1顆GLONASS－K衛(wèi)星。以后，俄羅斯主要利用先進(jìn)的GLONASS－K衛(wèi)星更新年久失修的在軌GLONASS衛(wèi)星星座。GLONASS－K與GLONASS－M相比在L頻段引入了第三個(gè)民用導(dǎo)航信號(hào)，此外，俄羅斯正在考慮在新增信號(hào)上將頻分多址改為碼分多址，以實(shí)現(xiàn)與GPS／Galileo的互操作。

1.3 Galileo

Galileo系統(tǒng)于1999年由歐空局與歐盟聯(lián)合啟動(dòng)，一度由于歐盟各方的意見不一導(dǎo)致進(jìn)程受阻。2007－11－30，歐盟27 國交通部長達(dá)成協(xié)議，預(yù)計(jì)2013年Galileo系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)營，但這一時(shí)間再次延遲到2014年。作為該系統(tǒng)的投資方，中國于2006－11撤出，轉(zhuǎn)而研制自主的全球?qū)Ш较到y(tǒng)——北斗二代。

計(jì)劃中的Galileo系統(tǒng)地面站包括1對導(dǎo)航系統(tǒng)控制中心（SCC）、1對軌跡圖譜和時(shí)間同步站（OSS）、一系列遙控跟蹤、遙測和指令（TT＆C）站。2005－12－28，在軌驗(yàn)證元素 GIOVE－A （Galileo In－Orbit Validation Element）發(fā)射成功，2008－04－27，GIOVE－B發(fā)射成功。歐盟還計(jì)劃于2011年發(fā)射4顆在軌驗(yàn)證衛(wèi)星IOV （In－Orbit Validation）。Galileo的首批16顆工作衛(wèi)星——FOC衛(wèi)星 （Full Operational Capability satellites）已授權(quán)OHB System Surrey Satellite Technology Limited（SSTL）制造，首批2顆衛(wèi)星預(yù)計(jì)2012年完成。

1.4 COMPASS－2

北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（CNSS），該系統(tǒng)具備在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時(shí)、報(bào)文和GPS廣域差分功能。北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在原理上區(qū)別于北斗一代，計(jì)劃于2012年左右覆蓋亞太地區(qū)，2020年左右覆蓋全球。

新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃發(fā)射5顆地球靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。提供兩種服務(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10m，授時(shí)精度為50ns，測速精度0.2m／s。授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。

衛(wèi)星星座的組成包括5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、3顆GEO（Geostationary Earth Orbit），GEO 衛(wèi)星位于赤道上空，相鄰衛(wèi)星之間相隔60°，分別位于東經(jīng)80°，東經(jīng)140°，其中1顆備用衛(wèi)星位于東經(jīng)110.5°的赤道上空。衛(wèi)星星座還包括3顆傾斜地球同步觀測衛(wèi)星——IGSO（Inclined Geosynchronous Orbit），IGSO衛(wèi)星充分利用GEO衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)，克服GEO衛(wèi)星在高緯度地區(qū)低仰角的問題。此外，利用IGSO衛(wèi)星可以在亞太地區(qū)率先形成導(dǎo)航定位能力。衛(wèi)星定位的主體部分包括24顆中軌道衛(wèi)星——MEO（Medium Earth Orbit），24顆衛(wèi)星平均分布于3個(gè)軌道面，軌道高度為21 150km，軌道傾角為55.5°，衛(wèi)星平均每12.6h繞地球運(yùn)行1周。表1列舉4種GNSS衛(wèi)星的一些基本參數(shù)。

COMPASS所采用的頻段為國際電信聯(lián)盟（ICU）分配的E1、E2、E5B和E6頻段。該頻段與Galileo衛(wèi)星所申請的頻段有沖突，根據(jù)ICU的規(guī)定，中國的北斗衛(wèi)星先于Galileo衛(wèi)星發(fā)射，中國毫無爭議地?fù)碛性擃l段的使用權(quán)。圖1為3種GNSS所占據(jù)的載波頻率示意圖。

表1 GNSS基本參數(shù)[1]

圖1 GPS、Galileo及北斗系統(tǒng)載波頻率區(qū)間

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星所使用的4個(gè)頻率為1 561.10MHz、1 589.74MHz、1 268.52MHz和1 207.14MHz，分別位于 E1、E2、E5b和E6波段。第1顆測試 MEO衛(wèi)星COMPASS－M1于2007－04－13發(fā)射成功，隨后法國空間局和斯坦福大學(xué)宣布破獲該衛(wèi)星的編碼方式。法國空間局跟蹤探測了COMPASS－M1信號(hào)，推算出E2、E5b和E6波段的頻率 分 別 為 1 589.74MHz、1 268.52MHz 和1 207.14MHz，但E1波段的頻率無法截獲。圖2為歐空局推算E2～E6波段頻率值的示意圖。

圖2 歐空局推算COMPASS－M1星波段頻率值

資料顯示，M1每個(gè)頻段的信號(hào)由兩個(gè)相位偏移90°的正交信號(hào)組成，分別為I和Q信號(hào)。其中I為短碼，用于開放服務(wù)，而Q碼為長碼，抗干擾能力強(qiáng)，用于授權(quán)服務(wù)。根據(jù)斯坦福大學(xué)的研究結(jié)果，M1星的偽隨機(jī)噪聲碼由一個(gè)22級的線性移位寄存器產(chǎn)生，該22級的線性移位寄存器又可以分解為兩個(gè)11次的多項(xiàng)式相乘。由此可見，M1使用的PRN為11級的Gold碼序列。圖3為22級線性移位寄存器的構(gòu)造圖，表2為兩個(gè)11次多項(xiàng)式的結(jié)構(gòu)及其初始狀態(tài)。

圖3 22級線性移位寄存器結(jié)構(gòu)

表2 11次多項(xiàng)式及其初始狀態(tài)

斯坦福大學(xué)已經(jīng)完全掌握了I碼的結(jié)構(gòu)組成，Q碼結(jié)構(gòu)組成相當(dāng)復(fù)雜，研究尚需時(shí)日。研究表明，Q碼主要包括初級碼、次級碼和數(shù)據(jù)碼。表3為I碼和Q碼組成。

表3 I碼和Q碼的組成

隨著2009年GEO－1衛(wèi)星和2010年GEO－2衛(wèi)星的成功發(fā)射以及2010－06－02第4顆組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射成功，我國北斗二代全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入密集發(fā)射組網(wǎng)時(shí)期。預(yù)計(jì)到2012年可以滿足亞太地區(qū)的導(dǎo)航定位需求。

在密集組網(wǎng)逐漸形成全球定位和導(dǎo)航能力的同時(shí)，我國自主研發(fā)的COMPASS－2全球?qū)Ш较到y(tǒng)面臨著許多亟待解決的難題。其一為高精度和高穩(wěn)定性的原子鐘研究，其二是我國僅能在本土范圍內(nèi)布網(wǎng)，這對于衛(wèi)星組網(wǎng)完成后的測控和維護(hù)是一大難點(diǎn)，其三為歷史資料的缺乏，GPS在其運(yùn)行的30a間積累的大量空間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如大陽光壓變化對衛(wèi)星定位精度的影響等。

2 GNSS空間坐標(biāo)系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)化

2.1 國外三大GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)

到2020年，四大全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)已經(jīng)基本投入運(yùn)營，一些國家也正著手發(fā)展自己的導(dǎo)航系統(tǒng)。屆時(shí)，將有100多顆衛(wèi)星用來定位，同時(shí)觀測到的衛(wèi)星數(shù)目也將大大增加。綜合多種定位系統(tǒng)，發(fā)展GNSS組合定位將是大勢所趨。目前，各大后續(xù)的GNSS都采取了相關(guān)的與現(xiàn)有系統(tǒng)可兼容和互操作措施，COMPASS－2采用了與GPS相似的頻率，一方面是為了在緊急時(shí)期的抗干擾，另一方面是為了在接收機(jī)設(shè)計(jì)及組合定位中帶來便利。新一代的GLONASS系統(tǒng)正在將其獨(dú)特的頻分多址編碼方式更換為其他GNSS通用的碼分多址方式，以實(shí)現(xiàn)多種GNSS的互操作。

除了在諸如衛(wèi)星設(shè)計(jì)等宏觀方面確保各大GNSS的兼容外，統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)是數(shù)據(jù)處理階段不得不考慮的首要問題。為最大滿足本國的導(dǎo)航定位需求，同時(shí)又要兼顧到航空航天建設(shè)的需要，各系統(tǒng)采用的不同時(shí)空基準(zhǔn)如表4所示。

表4 4種全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的時(shí)空基準(zhǔn)

GPS系統(tǒng)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是基于World Geodetic System1984框架的 WGS－84大地坐標(biāo)系，其幾何定義為：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向BIH 1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP－Conventional Terrestrial Pole）方向，X軸指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

GLONASS系統(tǒng)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是基于Parameters of the Earth 1990框架的PE—90大地坐標(biāo)系，其幾何定義為：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向IERS（International Earth Rotation Service）推薦的協(xié)議地球極（CTP）方向，即1900～1905年的平均北極，X軸指向地球赤道與BIH定義的零子午線交點(diǎn)，Y軸滿足右手坐標(biāo)系。

Galileo系統(tǒng)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是基于Galileo地球參考框架（GTRF）的ITRF—96大地坐標(biāo)系，其幾何定義為：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向IERS（International Earth Rotation Service）推薦的協(xié)議地球原點(diǎn)（CTP）方向，X軸指向地球赤道與BIH定義的零子午線交點(diǎn)，Y軸滿足右手坐標(biāo)系。

各時(shí)間系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換較為簡單，只存在簡單的平移。對于空間系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換涉及到坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)軸所定義的指向問題，其轉(zhuǎn)換參數(shù)大多采用2種系統(tǒng)的接收機(jī)長時(shí)間的觀測數(shù)據(jù)來求解。其中：GPS和GLONASS由于投入運(yùn)營的時(shí)間較早，關(guān)于這兩種系統(tǒng)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前人做出了很多研究。雖然這兩種系統(tǒng)所采用的橢球參數(shù)僅在長半軸上有一個(gè)微小的差異，但其轉(zhuǎn)換參數(shù)卻顯得較為復(fù)雜，以下為目前公認(rèn)的GLONASS系統(tǒng)到GPS系統(tǒng)最為精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

相比較GPS與GLONASS復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系而言，Galileo與GPS的轉(zhuǎn)換關(guān)系顯得較為簡單。由于Galileo和GPS系統(tǒng)采用的空間基準(zhǔn)GTRF和WGS－84均為ITRF的一種實(shí)現(xiàn)，對于大多數(shù)普通用戶來說，這兩個(gè)實(shí)現(xiàn)之間的差距是可以忽略不計(jì)的，可以簡單地認(rèn)為Galileo和GPS之間只有平移的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

GLONASS與Galileo轉(zhuǎn)換參數(shù)涉及到ITRF－94和ITRF96之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換模型與式（1）類似，轉(zhuǎn)換參數(shù)如下：

2.2 COMPASS－2空間系統(tǒng)——CGCS2000

北斗二代所采用的CGCS2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)參考于ITRF97，歷元為2 000.0，分為三層構(gòu)建。其中第一層為GPS連續(xù)運(yùn)行參考站數(shù)據(jù)，精度為3mm。第二層為國家GPS大地網(wǎng)，國家大地網(wǎng)是我國先后建立的GPS一二級網(wǎng)點(diǎn)，國家高精度GPSA、B級網(wǎng)，全國GPS地殼監(jiān)測網(wǎng)和若干區(qū)域地殼形變監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，然后統(tǒng)一到ITRF框架下，其精度為3cm。第三層為全國天文大地網(wǎng)，大地經(jīng)緯度精度為0.3m，高程精度為0.3m。

CGCS2000采用的參考橢球與 WGS－84橢球非常接近，兩者僅扁率存在微小差異（1／298.257 222 101對1／298.257 223 563）。扁率差異引起橢球面上的緯度和高度坐標(biāo)變化最大達(dá)0.105mm，正常重力變化最大達(dá)0.016×10－8ms－2。在當(dāng)前的測量精度范圍內(nèi)，忽略這樣小的坐標(biāo)和重力變化是容許的。可以認(rèn)為，CGCS2000和 WGS84（G1150）是相容的；在坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)精度范圍內(nèi)，CGCS2000坐標(biāo)和 WGS84（G1150）坐標(biāo)是一致的。目前，CGCS2000坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換主要集中在ITRF框架和CGCS2000之間，于強(qiáng)等討論了ITRF2000～CGCS2000的轉(zhuǎn)換，林曉靜等研究了ITRF2005～CGCS2000的轉(zhuǎn)換。關(guān)于CGCS2000和其他GNSS坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換尚沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可供使用。

3 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)、軍事發(fā)展的需求增加，各國都在致力于自主的導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)也在不斷升級，以適應(yīng)未來新的發(fā)展需求。到2020年，當(dāng)今正在醞釀或正在升級的四大導(dǎo)航系統(tǒng)均已能夠獨(dú)立展開導(dǎo)航定位。聯(lián)合使用各大導(dǎo)航系統(tǒng)，研究組合導(dǎo)航定位將是未來不可阻擋的趨勢。同時(shí)，時(shí)空基準(zhǔn)的統(tǒng)一又將是實(shí)現(xiàn)組合定位的前提，統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)顯得尤為必要。

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