卫星导航系统概论

前 言

卫星导航系统能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、 全天候、 高精度的

定位、 导航和授时服务, 是拓展人类活动、 促进社会发展的重要空间基础设施。 卫星导航

正在使世界政治、 经济、 军事、 科技、 文化发生革命性的变化。

北斗七星, 自古以来就是我国神话中永恒的神圣象征, 《 晋书天文志》 说北斗七星在

太微北, 枢为天, 璇为地, 玑为人, 权为时, 衡为音, 开阳为律, 摇光为星。 我们的祖先

利用北斗七星来确定北极星的方位, 再通过观测北极星辨别方向, 所以汉乐府有诗云 “玉

衡指孟冬, 众星何历历”。

今天我们不再需要通过观测天象去判断时间和位置。 2 0 0 0年, 我国相继发射两颗北

斗一号卫星, 基于无线电测定业务 (RDS S), 利用两颗地球静止轨道卫星为中国及周边地

区提供有源定位、 授时和短报文通信服务, 建成了北斗双星定位系统, 我国成为世界上第

三个拥有自主卫星导航系统的国家。 2 0 1 2年, 完成5颗 GEO、 5颗I GSO 和4颗 MEO 北

斗卫星的发射并组成混合星座, 建成了北斗二号卫星导航系统, 基于无线电导航业 务

(RNS S) 和 RDS S, 为国土及部分亚太地区提供定位、 导航、 授时和短报文通信服务。 北

斗二号区域卫星导航系统一方面继承了北斗双星定位系统的有源定位服务, 另一方面对标

国际一流卫星导航系统, 同时为用户提供无源定位服务, 北斗短报文通信服务解决了用户

告知别人自己 “在哪儿, 干什么” 的难题。 目前正在开展北斗三号全球卫星导航系统建

设, 计划2 0 2 0年前后建成世界一流的全球卫星导航系统。

本人有幸参加了我国北斗一号、 北斗二号和北斗三号卫星导航系统的建设工作, 从事

导航卫星总体设计工作。 在工作中, 注重与团队不同专业设计师研讨相关技术问题, 向高

校老师学习相关理论知识, 同用户交流相关指标的理解。 一流的事业, 需要一流的队伍和

一流的管理, 在北斗全球卫星导航系统的建设过程中, 需要设计师系统掌握卫星导航相关

业务知识, 推动北斗卫星导航系统的应用。 2 0 1 2年1 2月2 7日, 北斗二号卫星导航系统正

式向亚太地区提供公开服务, 具备了与 GP S、 GLONAS S、 G a l i l e o等卫星导航系统同台竞

争的条件。 作者期望借此书出版的机会, 与国内外同行开展交流, 共同推进全球卫星导航

系统的建设和应用。

全书分为原理篇、 系统篇、 工程篇、 性能篇、 应用篇、 展望篇六个部分, 系统地阐述

了卫星导航系统的前世今生、 定位原理、 系统组成、 功能性能、 误差分析、 工程实现、 行

前 言

·Ⅵ·

业应用以及发展趋势。 各篇内容自成体系, 内容完整, 从事卫星导航系统建设的科研人

员、 从事卫星导航专业学习的师生以及从事卫星导航系统科研管理的工作人员可以根据需

要, 选择阅读相关的内容, 初学者应按顺序系统地学习各篇内容。

原理篇包括第1章概述、 第2章定位原理、 第3章时空基准三章。 本篇翔实地介绍了

卫星导航系统的光辉历史、 闪耀的今天, 阐明了卫星导航系统的定位原理, 时间与空间参

考基准对卫星导航系统的重要性, 读者可以在本篇找到最权威的说明。

第1章阐述了卫星导航系统的前世今生。 苏联发射的世界第一颗人造卫星触发了美国

科学家研制卫星定位系统的灵感。 斗转星移, 卫星导航系统已走过了6 0年的光辉历程。

目前, 世界上有美国的 GP S、 俄罗斯的 GLONAS S、 欧洲的 G a l i l e o以及中国的 BDS四大

全球卫星导航系统, 也有日本的 QZ S S和印度的I RNS S区域卫星导航系统。 卫星导航系

统已成为当今信息产业的时空基准, 正如 GP S之父, 美国工程院院士, 斯坦福大学教授

P a r k i n s o n先生所言 “卫星导航应用只受想象力的限制”。 关心当今卫星导航系统现状的朋

友可以在本章找到最清晰的说明。

第2章解读了卫星导航系统的定位原理。 信号到达时间 (TOA) 测距是卫星导航系统

确定用户位置的数学基础, 精密时间测量是卫星导航系统确定用户位置的物理基础。 地面

用户接收到导航卫星播发的导航信号后, 计算导航信号从卫星到接收机的传播时间, 再乘

以无线电信号传播速度, 得到星地之间的距离。 通过导航信号的电文, 可得到卫星的位置

坐标, 以卫星为球心、 信号传播的距离为半径画球面, 用户接收机一定在球面上。 当接收

机分别测量出与4颗导航卫星之间的距离时, 4个球面相交于一点, 即可以确定用户的空

间位置。

第3章阐明了卫星导航系统的时间基准和空间参考框架, 描述卫星在地球附近的运动

规律时, 必须相对某个参照物来描述卫星在空间的位置和运动, 对地理空间中的要素进行

定位和导航也必须要嵌入到一个时间和空间参照系统中。 自洽的卫星导航系统时间和空间

基准确保了定位、 导航和授时服务过程中各个环节空间坐标和时间参考系统的统一。

系统篇包括第4章系统组成、 第5章轨道和星座、 第6章导航电文、 第7章导航信号

四章, 为了给用户提供连续、 完好、 可用的定位、 导航和授时服务, 本篇介绍了卫星导航

系统空间段、 控制段和用户段的组成及任务分工。 导航卫星应该运行在什么轨道? 在空间

应该组成什么样的星座? 参与位置解算的导航卫星的空间几何构形对定位精度有什么影

响? 导航电文应该涉及哪些信息? 导航信号应该如何调制导航电文和伪随机测距码? 本篇

涉及卫星导航系统的k n ow h ow, 需要系统掌握卫星导航系统知识的朋友有必要深入研

读本篇内容。

第4章说明了卫星导航系统组成及任务分工。 空间段卫星导航系统是整个卫星导航系

卫星导航系统概论

·Ⅶ·

统的关键, 要求连续、 稳定、 可靠地生成并播发导航信号; 控制段地面运行控制系统是整

个卫星导航系统的核心, 负责生成卫星轨道、 钟差、 电离层延迟等导航数据; 用户段应用

系统是整个卫星导航系统的要素, 导航应用的程度决定了系统生存空间。 当然导航卫星组

网运行离不开运载火箭的助推, 离不开航天发射场的支持, 离不开航天测控网的支撑。 卫

星导航系统作为典型的大国航天工程, 体现着一个国家的政治、 经济和军事的综合实力,

美国曾把 GP S系统定义为继载人登月和航天飞机之后的第三大航天工程正是源于这点。

第5章论述了导航卫星的轨道和卫星导航的星座, 利用导航卫星进行定位, 先决条件

是用户要知道卫星的空间位置, 即运行轨道。 其次要求用户必须要能够同时接收到4颗以

上导航卫星播发的信号, 也就是说导航卫星对地要四重覆盖。 那么设计导航卫星轨道时需

要解决的第一个问题是确定导航卫星轨道的类型。 确定导航卫星的轨道后, 如何做到用户

视界范围内有4颗以上导航卫星的基本要求呢? 那么需要解决的第二个问题是确定空间导

航卫星的数量和星座结构。

第6章说明了卫星导航系统导航电文数据的内容和数据结构, 用户机只有解调出导航

信号发射时刻卫星的轨道位置、 星上时间以及电离层改正数等导航数据, 才能解算出用户

和卫星之间的伪距, 这是解算用户位置的基础之一。

第7章阐述了导航信号的频率范围、 调制方式、 复用方案, 导航信号是系统向用户播

发导航数据和实现星地测距的唯一手段, 是联系卫星导航系统各个环节的纽带。 导航信号

设计是卫星导航系统建设的顶层任务, 用户的定位精度可以转化为对用户和卫星之间伪距

测量的精度要求, 以及对导航信号发射时刻的卫星轨道位置和星上时钟的精度要求。 一定

程度上说, 导航信号的性能决定了整个卫星导航系统的性能。 在无线电导航信号频段有限

且拥挤的情况下, 如何保证系统内导航信号的平稳过渡、 系统间的兼容互操作、 军用与民

用信号的频谱分离、 在战时复杂电磁环境下导航信号的可用性, 是我们开展新一代卫星导

航信号设计过程中必须要解决的问题。

工程篇包括第8章导航卫星和导航信号播发、 第9章运控系统和导航电文生成、 第1 0

章接收机和 PVT 解算三章。 本篇以导航信号为主线, 阐明了作为代表一个国家航天工程

水平的卫星导航系统如何为用户提供定位、 导航和授时服务, 空间段导航卫星如何生成导

航信号并将导航信号播发给用户, 控制段地面运控系统如何开展星地时间同步与导航卫星

的轨道测量, 用户段的导航接收机如何实现伪距观测和位置解算。 本篇涉及卫星导航系统

工程实现层面的k n ow h ow, 需要深入理解卫星导航系统工作机制和工作流程的朋友可

以研读本篇内容。

第8章介绍了导航卫星平台和有效载荷的组成与功能, 给出了导航信号的生成与播发

过程, 导航卫星只有可靠地接收地面运控系统上注的导航数据, 连续、 稳定地生成并播发

前 言

·Ⅷ·

下行导航信号, 卫星导航系统才能实现为用户提供定位、 导航和授时服务。

第9章说明了地面运控系统的组成和功能, 介绍了导航数据的生成与上注过程、 上注

策略、 数据校正、 数据预测、 覆盖范围等任务。 系统的定位、 导航和授时服务是以包含在

导航信号中的卫星轨道位置和星上时钟信息为基础的, 运控系统的导航数据生成精度与更

新速率决定了整个系统的服务精度。

第1 0章分析了导航接收机如何捕获、 跟踪、 解扩、 解调、 译码导航信号, 如何实现

伪距观测和位置、 速度和时间解算的过程。 一个卫星导航系统生存和发展的前提是能为各

个领域、 各个行业的用户提供可靠的定位、 导航和授时服务, 并得到大量的应用。 为此,

本章也系统地给出了接收机的性能指标以及各组成环节的特点和技术要求。

性能篇包括第1 1章系统关键性能、 第1 2章误差分析两章。 本篇系统地论述了卫星导

航系统的关键性能及其指标, 分析了影响用户定位精度的因素, 给出了进一步提高系统服

务性能的措施等内容。 建议那些准备和正在开展卫星导航应用的朋友阅读了解本篇相关

内容。

第1 1章论述了卫星导航系统覆盖范围、 定位精度、 连续性、 完好性、 可用性等关键

特性的定义及内涵。 本章引用了斯坦福大学教授 P a r k i n s o n先生关于卫星导航系统3A 特

性的说明材料, 只有深刻理解卫星导航系统的关键特性, 才能更好地开展相关的导 航

应用。

第1 2章分析了影响卫星导航系统定位、 导航和授时服务精度的主要因素, 从卫星导

航信号生成与播发、 导航信号传播、 导航信号接收三个环节, 给出了如何采取相应措施以

减缓或者避免造成误差的方法。

应用篇包括第1 3章定位服务、 第1 4章导航服务、 第1 5章授时服务、 第1 6章其他服

务四章。 卫星导航系统作为典型的军民两用系统, 战略作用与商业利益并举, 已广泛应用

于交通运输、 武器制导、 精确打击、 地理测绘、 水文监测、 通信时统、 电力调度、 气象预

报、 应急通信、 搜索救援、 救灾减灾、 森林防火、 海洋渔业、 精准农业等领域, 为军民融

合奠定了技术基础。 本篇以典型示例方式, 简明地介绍了卫星导航系统的应用。

第1 3章以形变监测为例, 简要说明卫星导航系统定位服务的定位模式、 工作原理、

实施方案等内容。 第1 4章以车载导航和 GNS S / I NS组合导航为例, 简要介绍卫星导航系

统导航服务的工作模式、 工作原理、 实施方案等内容。 第1 5章以互联网时间同步、 移动

通信网络时间同步、 电力系统网络时间同步以及铁路时间网络同步为例, 简要说明卫星导

航系统的授时服务在各个领域的工作模式、 工作原理、 实施方案等内容。 第1 6章给出了

搜索救援、 自动相关监视、 报文通信等卫星导航系统的非典型应用, 这些应用也进一步拓

展了卫星导航系统的发展方向, 卫星导航系统全球组网运行, 是典型的天地一体化运行的

卫星导航系统概论

·Ⅸ·

信息系统。 期望本篇能够引发读者的灵感, 共同促进卫星导航系统的发展与应用。

展望篇包括第1 7章卫星导航技术发展趋势、 第1 8章 M i c r o PNT 系统与综合 PNT

体系两章。 卫星导航系统在时间和空间的覆盖性上, 在定位、 导航和授时的服务精度上,

都取得了革命性的进步, 彻底改变了人们的生产、 生活和斗争方式, 追求无止境, 新的需

求、 新的技术也将促进卫星导航系统新的发展。

第1 7章以专题的方式阐述了卫星导航技术的发展趋势, 兼容互操作技术是多个卫星

导航系统协同为用户提供更好的定位、 导航和授时服务的必由之路。 世界并不太平, 信息

化和网络化战争都离不开时间与空间基准的支撑, 未来, 导航战是不可回避的问题, 从事

卫星导航系统建设的同志们一定要未雨绸缪。 卫星导航系统与通信系统和惯性导航系统的

信息融合技术、 新的调制方式以及新的导航信号恒包络复用方案、 新一代导航信号体制设

计等专题是当前值得我们研究的课题。

第1 8章简要介绍了可能会影响未来卫星导航系统发展的 PNT 技术和体系, 在频谱对

抗日趋激烈的战场电磁环境中, 卫星导航信号发射功率低、 穿透能力差等固有弱点, 要求

我们一方面要改善 GNS S性能, 一方面寻找 GNS S的备份方案, 以化解战时 PNT 服务不

可用的风险。 M i c r o PNT 是十分引人注目的技术, 新的导航技术和系统不会取代卫星导

航系统, 但是一定会促进卫星导航系统的进步。 在互联网+时代, 大数据技术、 人工智能

技术和云平台技术一定会助力 PNT 技术体系的发展。

本书系统地阐述了卫星导航系统相关技术, 内容完整, 材料翔实, 结构清晰, 逻辑合

理, 重点突出, 同时也有机地融入了学术界、 工业部门在卫星导航技术领域的最新思想和

成果, 是一部学术与技术并重的专著, 可以作为卫星导航系统相关领域的工程师、 科研管

理人员必备的参考书, 也可以作为高等院校师生开展卫星导航系统学习的教材。 相信本书

的出版发行一定能够为我国北斗卫星导航系统的顶层设计、 系统建设和推广应用踵事

增华!

本书是作者从事北斗卫星导航工程导航卫星总体设计工作的总结, 在成稿过程中, 中

国空间技术研究院总体部王海红高工和赵小鲂工程师编写了第5章轨道和星座, 中国空间

技术研究院总体部崔小准研究员和刘彬高工编写了第7章导航信号, 中国空间技术研究院

西安分院王岗研究员和郭媛媛工程师编写了第8章导航卫星和导航信号播发, 中国东方红

卫星股份有限公司的李晓梅研究员和中国空间技术研究院总体部赵欣工程师编写了第9章

运控系统和导航电文生成, 中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司的俞能杰研究员和

中国空间技术研究院总体部刘庆军高工编写了第1 0章接收机和 PVT 解算, 中国空间技术

研究院总体部张弓高工、 徐峰高工及中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司云岗地面

站刘天惠工程师编写了应用篇, 中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司王盾研究员编

前 言

·Ⅹ ·

写了1 7 .2节导航通信一体化, 清华大学陆明泉教授编写了1 7 .5节卫星导航信号, 中国卫

星导航工程中心的高为广高工编写了1 8 .3节综合 PNT 体系。 推动北斗卫星导航系统又好

又快发展是编写本书的最大动力, 感谢他们对本书成稿所作的努力!

本书出版之际, 作者衷心感谢中国空间技术研究院范本尧院士、 北京卫星导航中心谭

述森院士、 地理空间工程国家重点实验室杨元喜院士、 北斗卫星导航系统前工程副总师现

高级顾问李祖洪研究员、 北斗卫星导航系统工程副总师谢军研究员、 中国卫星导航定位协

会首席专家曹冲研究员、 南京大学刘林教授、 清华大学陆明泉教授、 国防科技大学王飞雪

教授、 北京卫星导航中心韩春好教授、 周兵研究员及王宏兵高工、 中国航天科技集团有限

公司张广宇高工, 他们在百忙之中审阅了书稿并提出了建设性的修改意见。 南京大学刘林

教授重点审阅了第5章轨道和星座并提供了权威的参考资料。 国防科技大学王飞雪教授和

中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司王盾研究员重点审阅了第1 0章接收机和 PVT

解算, 给出了修改意见并提供了权威的参考资料。 清华大学陆明泉教授审阅了第7章导航

信号和第1 0章接收机和 PVT 解算, 提出了系统的修改意见并提供了权威的参考资料。 本

书前后修改了三稿, 从章节的安排到内容的取舍, 均得到了范本尧院士、 杨元喜院士、 谭

述森院士、 陆明泉教授的悉心指导, 感谢中国宇航出版社对本书的出版给予了大力的支

持, 感谢业内专家对作者的帮助与支持!

卫星导航系统涉及多个学科的专业知识, 卫星导航系统技术发展迅速, 限于作者专业

水平有限, 工作之余成稿时间仓促, 本书难免出现不妥与疏漏之处, 敬请读者批评指正。

刘天雄

2 0 1 7年国庆节于北京

刘天雄，男，1971年5月生于青海乐都，河北唐山人。 中国空间技术研究院 研究员，神舟学院兼职教师，硕士研究生导师。2002年5月毕业于上海交通大学机械工程学院机械电子工程专业，获工学博士学位。2002届上海市高等学校优秀毕业生。2002年6月，到中国空间技术研究院，主要从事航天器总体设计、结构力学分析工作。现任北斗卫星导航工程导航卫星系统副总设计师，2013年获国防科学技术一等奖。

本书内容全面、材料翔实，结构清晰，逻辑合理，重点突出，内容涵盖北斗卫星导航系统工作原理、星座构成、有效载荷、卫星轨道、时间频率、系统性能等，同时也有机地融入了学术界、工业部门在卫星导航技术领域的新思想和成果，是一本学术与技术并重的专著。可以作为卫星导航系统相关领域的工程师、科研管理人员必备的参考书，也可以作为高等学校师生开展卫星导航系统学习的教材。

目 录

第1部分 原理篇

第1章 概 述 ………………………………………………………………………………… 3

1 .1 导航起源 ……………………………………………………………………………… 3

1 .2 前世今生 ……………………………………………………………………………… 8

1 .2 .1 第一颗人造地球卫星— — —S p u t n i k 1触发的灵感 …………………………… 9

1 .2 .2 第一代卫星导航系统— — —T r a n s i t卫星导航系统 …………………………… 1 2

1 .2 .3 第二代卫星导航系统— — —GP S全球定位系统………………………………… 1 9

1 .3 系统发展 ……………………………………………………………………………… 2 5

1 .3 .1 GP S……………………………………………………………………………… 2 5

1 .3 .2 GLONAS S ……………………………………………………………………… 2 6

1 .3 .3 G a l i l e o ………………………………………………………………………… 2 7

1 .3 .4 BDS ……………………………………………………………………………… 2 8

1 .3 .5 QZ S S …………………………………………………………………………… 3 0

1 .3 .6 I RNS S…………………………………………………………………………… 3 1

1 .4 系统功能 ……………………………………………………………………………… 3 2

1 .4 .1 空间基准 ………………………………………………………………………… 3 3

1 .4 .2 时间基准 ………………………………………………………………………… 3 4

参考文献 …………………………………………………………………………………… 3 7

第2章 定位原理 …………………………………………………………………………… 3 9

2 .1 基本思想 ……………………………………………………………………………… 3 9

2 .2 数学原理 ……………………………………………………………………………… 4 2

2 .2 .1 误差分析 ………………………………………………………………………… 4 3

2 .2 .2 卫星无线电导航 ………………………………………………………………… 4 8

2 .3 工程实现— — —伪距测量和位置解算 ………………………………………………… 4 9

2 .3 .1 时间参考系统 …………………………………………………………………… 5 3

2 .3 .2 空间坐标系统 …………………………………………………………………… 5 4

2 .3 .3 伪距测量 ………………………………………………………………………… 5 4

2 .3 .4 位置解算 ……………………………………………………………………… 5 9