4种全球定位系统的现代化及其坐标转化

鲍建宽，范兴旺，高成发

（1.黑龙江工程学院 测绘工程系，黑龙江 哈尔滨150050；2.东南大学 测绘工程系，江苏 南京210096）

自20世纪20年代第一个无线电导航系统诞生以来，利用现代化技术开展导航研究进入一个新的阶段。1957年第1颗人造地球卫星的发射升空促进陆基导航系统向太空拓展，开启从太空这一全新视角俯视地球的新时代。1958年，美国开发海军卫星导航系统，随后在1965年，前苏联研制了CICADA系统；这两种导航系统后来发展升级为现存的两大导航系统——GPS和 GLONASS。如今GPS已形成在导航定位服务中的垄断地位，GPS不仅为军方提供精确的战略情报和信息支持，同时在民用方面创造了巨大的经济价值。正是由于GPS广阔的应用前景，GLONASS系统正在不断完善和升级，以期达到现代化定位的精度要求。此外，欧洲的Galileo系统以及中国的COMPASS－2全球定位系统正处在密集组网阶段。

1 4种GNSS概况及发展前景

1.1 GPS

1973年，美国国防部批准研制一种新的导航定位系统，命名为NAVSTAR GPS，即当今GPS的前身。1978－02－22 发射第 1 颗 GPS 试用卫星，自1989－02－14到1994年历时5a建成了覆盖全球98%的全新导航系统。GPS建成之初，工作卫星主要有9颗BLOCKII型卫星和15颗BLOCKIIA型卫星。时至今日，GPS已经经历了两代更替，是目前运营最为成熟的全球导航定位系统，共有30颗卫星在轨运行，其中4颗为备用星。在轨卫星主要由13颗GPSIIA卫星、12颗GPSIIR卫星和6颗GPSIIR－M卫星组成。此外，GPS星座更新计划还包括计划发射12颗GPSIIF卫星来代替已有的卫星星座。GPSIIF卫星与之前的卫星系列相比，在1 176.45MHz的频段上增加了第3个民用信号L5，这也是GPS二代向GPS三代过渡的最后型号。但是，由于合同商在GPS IIF卫星的建造过程中缺少专业技术，缺乏项目监管，还存在技术问题。首颗 GPS IIF卫星已经于2010－05－20由 Delta－5火箭发射，比原计划推迟三年半，第2颗在2010年底发射。

GPS正在计划由二代向三代过渡，目前已完成了系统结构与需求定义，计划于2014年～2022年间布署，以满足未来30a的定位需求。第三代GPS拟将现有的6个轨道减少为3个轨道，采用30颗卫星组网，其中包括8颗GPS－3A卫星、8颗GPS－3B卫星和16颗GPS－3C卫星。在卫星地面站部分，GPS三代增加了一个新的主控站，监测站增加到6个，将美国国家地理情报局（NGA）的11个监测站纳入到空军监测网。此外，GPS正在发展星际横向数据链技术，万一主控站被毁后，GPS卫星可以独立运行。

1.2 GLONASS

GLONASS的前身可追溯到前苏联1965年建成的第一代导航系统——CICADA系统，随后前苏联于1982－10着手建立其第二代卫星导航系统，即GLONASS。直到1995－12－14，随着第23、24、25颗卫星发射升空，GLONASS 24颗卫星组成的卫星星座宣告建成。但随着俄罗斯经济不断走低，该系统也因失修、大部分GLONASS卫星超出设计使用年限等原因陷入崩溃的边缘，从而导致GLONASS发挥的作用有限。进入新世纪以来，2001～2010－10俄罗斯政府补齐了该系统需要的24颗卫星，其中几颗卫星还采用了改进型卫星GLONASS－M。2011－02－26，俄罗斯发射了1颗GLONASS－K卫星。以后，俄罗斯主要利用先进的GLONASS－K卫星更新年久失修的在轨GLONASS卫星星座。GLONASS－K与GLONASS－M相比在L频段引入了第三个民用导航信号，此外，俄罗斯正在考虑在新增信号上将频分多址改为码分多址，以实现与GPS／Galileo的互操作。

1.3 Galileo

Galileo系统于1999年由欧空局与欧盟联合启动，一度由于欧盟各方的意见不一导致进程受阻。2007－11－30，欧盟27 国交通部长达成协议，预计2013年Galileo系统能够实现运营，但这一时间再次延迟到2014年。作为该系统的投资方，中国于2006－11撤出，转而研制自主的全球导航系统——北斗二代。

计划中的Galileo系统地面站包括1对导航系统控制中心（SCC）、1对轨迹图谱和时间同步站（OSS）、一系列遥控跟踪、遥测和指令（TT＆C）站。2005－12－28，在轨验证元素 GIOVE－A （Galileo In－Orbit Validation Element）发射成功，2008－04－27，GIOVE－B发射成功。欧盟还计划于2011年发射4颗在轨验证卫星IOV （In－Orbit Validation）。Galileo的首批16颗工作卫星——FOC卫星 （Full Operational Capability satellites）已授权OHB System Surrey Satellite Technology Limited（SSTL）制造，首批2颗卫星预计2012年完成。

1.4 COMPASS－2

北斗一代卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），该系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能。北斗二代卫星导航定位系统在原理上区别于北斗一代，计划于2012年左右覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。

新一代北斗导航系统计划发射5颗地球静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10m，授时精度为50ns，测速精度0.2m／s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

卫星星座的组成包括5颗地球静止轨道卫星、3颗GEO（Geostationary Earth Orbit），GEO 卫星位于赤道上空，相邻卫星之间相隔60°，分别位于东经80°，东经140°，其中1颗备用卫星位于东经110.5°的赤道上空。卫星星座还包括3颗倾斜地球同步观测卫星——IGSO（Inclined Geosynchronous Orbit），IGSO卫星充分利用GEO卫星的优点，克服GEO卫星在高纬度地区低仰角的问题。此外，利用IGSO卫星可以在亚太地区率先形成导航定位能力。卫星定位的主体部分包括24颗中轨道卫星——MEO（Medium Earth Orbit），24颗卫星平均分布于3个轨道面，轨道高度为21 150km，轨道倾角为55.5°，卫星平均每12.6h绕地球运行1周。表1列举4种GNSS卫星的一些基本参数。

COMPASS所采用的频段为国际电信联盟（ICU）分配的E1、E2、E5B和E6频段。该频段与Galileo卫星所申请的频段有冲突，根据ICU的规定，中国的北斗卫星先于Galileo卫星发射，中国毫无争议地拥有该频段的使用权。图1为3种GNSS所占据的载波频率示意图。

表1 GNSS基本参数[1]

图1 GPS、Galileo及北斗系统载波频率区间

北斗导航卫星所使用的4个频率为1 561.10MHz、1 589.74MHz、1 268.52MHz和1 207.14MHz，分别位于 E1、E2、E5b和E6波段。第1颗测试 MEO卫星COMPASS－M1于2007－04－13发射成功，随后法国空间局和斯坦福大学宣布破获该卫星的编码方式。法国空间局跟踪探测了COMPASS－M1信号，推算出E2、E5b和E6波段的频率 分 别 为 1 589.74MHz、1 268.52MHz 和1 207.14MHz，但E1波段的频率无法截获。图2为欧空局推算E2～E6波段频率值的示意图。

图2 欧空局推算COMPASS－M1星波段频率值

资料显示，M1每个频段的信号由两个相位偏移90°的正交信号组成，分别为I和Q信号。其中I为短码，用于开放服务，而Q码为长码，抗干扰能力强，用于授权服务。根据斯坦福大学的研究结果，M1星的伪随机噪声码由一个22级的线性移位寄存器产生，该22级的线性移位寄存器又可以分解为两个11次的多项式相乘。由此可见，M1使用的PRN为11级的Gold码序列。图3为22级线性移位寄存器的构造图，表2为两个11次多项式的结构及其初始状态。

图3 22级线性移位寄存器结构

表2 11次多项式及其初始状态

斯坦福大学已经完全掌握了I码的结构组成，Q码结构组成相当复杂，研究尚需时日。研究表明，Q码主要包括初级码、次级码和数据码。表3为I码和Q码组成。

表3 I码和Q码的组成

随着2009年GEO－1卫星和2010年GEO－2卫星的成功发射以及2010－06－02第4颗组网卫星的发射成功，我国北斗二代全球导航定位系统已经进入密集发射组网时期。预计到2012年可以满足亚太地区的导航定位需求。

在密集组网逐渐形成全球定位和导航能力的同时，我国自主研发的COMPASS－2全球导航系统面临着许多亟待解决的难题。其一为高精度和高稳定性的原子钟研究，其二是我国仅能在本土范围内布网，这对于卫星组网完成后的测控和维护是一大难点，其三为历史资料的缺乏，GPS在其运行的30a间积累的大量空间实验数据，例如大阳光压变化对卫星定位精度的影响等。

2 GNSS空间坐标系统及其转化

2.1 国外三大GNSS坐标系统

到2020年，四大全球导航定位系统已经基本投入运营，一些国家也正着手发展自己的导航系统。届时，将有100多颗卫星用来定位，同时观测到的卫星数目也将大大增加。综合多种定位系统，发展GNSS组合定位将是大势所趋。目前，各大后续的GNSS都采取了相关的与现有系统可兼容和互操作措施，COMPASS－2采用了与GPS相似的频率，一方面是为了在紧急时期的抗干扰，另一方面是为了在接收机设计及组合定位中带来便利。新一代的GLONASS系统正在将其独特的频分多址编码方式更换为其他GNSS通用的码分多址方式，以实现多种GNSS的互操作。

除了在诸如卫星设计等宏观方面确保各大GNSS的兼容外，统一时空基准是数据处理阶段不得不考虑的首要问题。为最大满足本国的导航定位需求，同时又要兼顾到航空航天建设的需要，各系统采用的不同时空基准如表4所示。

表4 4种全球导航定位系统的时空基准

GPS系统所采用的坐标系统是基于World Geodetic System1984框架的 WGS－84大地坐标系，其几何定义为：原点位于地球质心，Z轴指向BIH 1984.0定义的协议地球极（CTP－Conventional Terrestrial Pole）方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。

GLONASS系统所采用的坐标系统是基于Parameters of the Earth 1990框架的PE—90大地坐标系，其几何定义为：原点位于地球质心，Z轴指向IERS（International Earth Rotation Service）推荐的协议地球极（CTP）方向，即1900～1905年的平均北极，X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午线交点，Y轴满足右手坐标系。

Galileo系统所采用的坐标系统是基于Galileo地球参考框架（GTRF）的ITRF—96大地坐标系，其几何定义为：原点位于地球质心，Z轴指向IERS（International Earth Rotation Service）推荐的协议地球原点（CTP）方向，X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午线交点，Y轴满足右手坐标系。

各时间系统之间的转换较为简单，只存在简单的平移。对于空间系统的坐标转换涉及到坐标原点和坐标轴所定义的指向问题，其转换参数大多采用2种系统的接收机长时间的观测数据来求解。其中：GPS和GLONASS由于投入运营的时间较早，关于这两种系统之间的坐标转换前人做出了很多研究。虽然这两种系统所采用的椭球参数仅在长半轴上有一个微小的差异，但其转换参数却显得较为复杂，以下为目前公认的GLONASS系统到GPS系统最为精确的转换参数。

相比较GPS与GLONASS复杂的转换关系而言，Galileo与GPS的转换关系显得较为简单。由于Galileo和GPS系统采用的空间基准GTRF和WGS－84均为ITRF的一种实现，对于大多数普通用户来说，这两个实现之间的差距是可以忽略不计的，可以简单地认为Galileo和GPS之间只有平移的转换关系。

GLONASS与Galileo转换参数涉及到ITRF－94和ITRF96之间的转换，转换模型与式（1）类似，转换参数如下：

2.2 COMPASS－2空间系统——CGCS2000

北斗二代所采用的CGCS2000国家大地坐标系统参考于ITRF97，历元为2 000.0，分为三层构建。其中第一层为GPS连续运行参考站数据，精度为3mm。第二层为国家GPS大地网，国家大地网是我国先后建立的GPS一二级网点，国家高精度GPSA、B级网，全国GPS地壳监测网和若干区域地壳形变监测网进行联测，然后统一到ITRF框架下，其精度为3cm。第三层为全国天文大地网，大地经纬度精度为0.3m，高程精度为0.3m。

CGCS2000采用的参考椭球与 WGS－84椭球非常接近，两者仅扁率存在微小差异（1／298.257 222 101对1／298.257 223 563）。扁率差异引起椭球面上的纬度和高度坐标变化最大达0.105mm，正常重力变化最大达0.016×10－8ms－2。在当前的测量精度范围内，忽略这样小的坐标和重力变化是容许的。可以认为，CGCS2000和 WGS84（G1150）是相容的；在坐标系的实现精度范围内，CGCS2000坐标和 WGS84（G1150）坐标是一致的。目前，CGCS2000坐标的转换主要集中在ITRF框架和CGCS2000之间，于强等讨论了ITRF2000～CGCS2000的转换，林晓静等研究了ITRF2005～CGCS2000的转换。关于CGCS2000和其他GNSS坐标系的转换尚没有准确的数据可供使用。

3 结束语

随着经济、军事发展的需求增加，各国都在致力于自主的导航定位系统研究。与此同时，传统的导航系统也在不断升级，以适应未来新的发展需求。到2020年，当今正在酝酿或正在升级的四大导航系统均已能够独立展开导航定位。联合使用各大导航系统，研究组合导航定位将是未来不可阻挡的趋势。同时，时空基准的统一又将是实现组合定位的前提，统一时空基准显得尤为必要。

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