**章 绪论
美国全球定位系统（global positioning system，GPS）的成功应用，推动了全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的蓬勃发展。目前，已经建成或正在建设的全球或区域导航卫星系统包括美国GPS、俄罗斯全球导航卫星系统（globlenavigtion satellite system，GLONASS）、中国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）、欧洲伽利略（Galileo）卫星导航系统、日本准天顶卫星系统（quasi-zenithsatellitesystem，QZSS）和印度区域导航卫星系统（Indian regional navigation satellite system，IRNSS）。以GPS为代表的GNSS，全天候为人类提供定位、导航、授时（positioning，navigation and timing，PNT）服务，在军事和民用领域发挥着重要作用。随着无人驾驶、智慧交通、智慧城市等以互联网为核心的新兴技术不断发展，对空间位置信息的需求呈现从事后到实时、从低精度到高精度、从区域到全球的趋势发展。当前高精度定位技术主要依靠实时动态定位（real-time kinematic，RTK）或精密单点定位（precise point positioning，PPP），然而这些技术或者这些技术的衍生技术（网络RTK、PPP-RTK）依然无法实现全球范围内的实时高精度定位。
近年来，随着火箭运载技术、大型低轨通信卫星星座的迅速发展，利用低轨卫星进行对地科学研究、全球互联网建设和移动通信网络搭建逐渐成为主要趋势。早在20世纪90年代，美国摩托罗拉公司就提出了铱星星座的建设计划，从而实现全球通信功能。但由于当时技术不成熟、资金不足等因素，铱星星座项目*终破产。目前，全球范围内已出现多个低轨卫星星座建设计划，包括美国的Starlink星座、英国的OneWeb星座和加拿大的Lightspeed星座。低轨卫星星座加强了通信能力，将实现互联网的全球覆盖，为人类社会生活提供更高质量的通信及网络服务。除了通信功能，未来低轨卫星还将搭载发射导航信号的发射器，与现有的GNSS共同形成低轨卫星增强的全球导航卫星系统（LEOenhanced global navigation satellite system，LeGNSS），这意味着未来PNT服务会发生革命性的变化。低轨卫星轨道高度低，对于地面测站接收的低轨卫星导航信号强度更大，信号抗干扰能力更强；此外，低轨卫星的运行速度快，使得卫星的几何构型变化十分迅速，这对地面测站加快模糊度的解算及实现快速收敛定位具有重要意义。同时，低轨卫星还将在卫星定轨、空间天气监测、地球重力场探测、冰川变化、水储存量变化和岩石圈建模等方面发挥重要作用。因此，研究基于LeGNSS，对建设下一代GNSS，实现全球实时高精度定位，具有重要的现实意义和应用价值。
本章将在介绍GNSS发展现状的基础上，简要介绍当前GNSS精密定轨定位技术及其存在的难点问题，随后介绍低轨卫星星座及LeGNSS发展现状。
1.1 GNSS发展现状
导航卫星系统是以人造卫星为导航工具的无线电导航系统，可在全球范围内提供全天候位置、速度与时间信息。因此，卫星导航系统又称PNT系统。GNSS泛指地球上所有的导航卫星系统，包括全球导航系统、区域系统和增强系统。全球四大导航系统为美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的BDS。区域系统包括日本的QZSS和印度的IRNSS。
虽然四大导航系统对自身定义与服务目标互不相同，但均可在全球范围内提供定位服务，且系统构造基本一致。GNSS一般由空间部分、控制部分及用户部分组成。空间部分主要由导航卫星组成，它们通常为中地球轨道（medium earth orbit，MEO）卫星、地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星和倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbit，IGSO）卫星。导航卫星的主要功能是将导航信号传输至接收机，让地球上任何位置都能观测到足够数量的卫星。控制部分主要负责监控GPS的工作，是整个系统的大脑。该部分一般包括若干个监测站、注入站和一个主控站。监测站负责跟踪和监测卫星信号，接收导航电文，采集气象数据等工作。注入站则负责将导航电文和控制命令播发给卫星。主控站负责协调各方面的运行，是控制部分的核心部分。用户部分主要指利用GNSS的各种客户。客户通过各种类型的接收机来接收和跟踪GNSS导航信号，并利用导航信号解算出接收机的位置、速度和接收时间，从而实现PNT。此外，不同用户可接收的导航信号不同，一般分为民用、商用和军用等多种用途。目前，民用接收机已经具备多频多模的形式，可提供高精度的定位服务。下面简要介绍各导航系统空间部分发展现状。
1.1.1 GPS
GPS是由美国开发的全天候PNT系统。在开发GPS前，美国拥有世界上**个成功运行的导航系统——海军导航卫星系统（navy navigation satellite system，NNSS）。该系统通过多普勒频移原理实现导航定位，但其消耗的定位时间长、定位精度低。而后，为加强军事力量，满足军方在导航定位方面大范围、高精度、实时性的需求，美国开始研发新一代卫星导航与定位系统。
GPS的研发过程主要分为三个阶段。**阶段是方案论证和初步设计阶段，其目的是证实GPS的可行性。该阶段的主要工作是研制GPS接收机和组建地面跟踪网，利用地面信号发射器代替卫星，验证接收机是否可利用GPS信号获得高精度的定位结果。第二阶段是全面建设和试验阶段。1979～1984年，美国陆续发射7颗实验卫星，并研制各种用途的接收机，允许一部分用户实现全球定位功能。第三阶段是实用组网阶段。1989年**颗GPS工作卫星的成功发射，标志着GPS迈入工程建设阶段。GPS于1991年的海湾战争中，*次被美国空军使用。因其优秀的工作性能和充满潜力的应用价值，GPS受到广泛关注，并刺激了世界各国对卫星导航系统研发计划的萌芽。1993年，美国完成GPS星座（21+3）的建设，并开始提供免费的民用GPS信号服务。1995年4月，美国国防部正式宣布GPS具备完全服务能力（full operational capability，FOC），其*初星座设计如图1.1所示。
在早期的系统设计中，GPS提供精密定位服务（precise positioning service，PPS）和标准定位服务（standard positioning service，SPS）两种功能。PPS主要面向军事、政府机构的用户和特定民用用户，而SPS面向全世界用户，不收取任何费用，二者的预计定位精度分别为10m和100m。但在GPS试验阶段，结果表明GPS的定位精度远超设计标准，仅使用C/A码就能达到14m的定位精度，利用P码可实现3m的定位精度。为自身安全考虑，美国于1991年决定实施选择可用性（selective availability，SA）和反电子欺骗（anti-spoofing，AS）政策。SA政策通过降低卫星轨道和钟的质量，使得民用定位精度大幅降低。AS政策则是将P码与机密的W码模二相加得到Y码，使非授权用户无法利用P码进行定位，同时也不能利用P码和C/A码进行相位联合解算。
随着科技进步和人类对卫星导航系统需求的加大，新卫星导航系统如BDS、Galileo等相继诞生，给GPS带来了新的竞争与挑战。传统的GPS信号存在通道单一、易受干扰、民用P码难捕获等缺点。此外，差分技术和载波相位测量技术的发展使定位精度不受SA政策的限制。因此，为巩固自身的领先地位，满足国家竞争需要，美国政府于2000年5月1日停用SA政策，并于2005年提出在新GPS卫星中增加L2C和版权页L5两个民用信号，将其分别用于非生命安全类和生命安全类的应用。同时，为增强对全球民用、商业和科研用户提供的服务，完善GPS工作卫星导航信号的建设，美国启动GPS现代化计划，加强了美国的军事实力，并在民用导航系统中处于领先地位。
对于GPS空间部分，为保证全球任意地点任意时刻都能观测到4颗GPS卫星，GPS由24颗轨道高度约为20200km的中轨卫星组成。整个星座由6个均匀分布、倾角为55°的轨道面组成，每个轨道面中有4颗GPS卫星，轨道周期为11h58min。实际上，为了更好地覆盖全球区域，GPS在轨运行的卫星超过24颗。
GPS发展至今，已经经历了5代卫星，从BLOCKIIA、BLOCKIIR、BLOCKIIR-M、BLOCKIIF到BLOCKIII/IIIF。截至2023年7月，GPS星座共有31颗在轨运行卫星，其中包含6颗BLOCKIIR、7颗BLOCKIIR-M、12颗BLOCKIIF和6颗BLOCKIII/IIIF卫星。目前，GPS主要频率为L1和L2，新增加的L2C和L5，在新一代的GPS卫星BLOCKIIR-M（L2C）和BLOCKIIF（L2C和L5）中播发，其导航信息精度显著提高。*新一代的BLOCKIII于2018年发射，并播发L1C频率信号，不再具有SA功能，其寿命相比上一代卫星更长。美国空军于2018年9月生产22颗GPSIIIF卫星。此类卫星配备激光反射器，具有搜索和救援功能。*早的BLOCKIIA卫星已经服役20多年，在2016年初已经从星座中移除。图1.2显示各类GPS卫星图，表1.1给出GPS卫星的特点。
1.1.2 GLONASS
在GLONASS诞生前，苏联拥有西科琳（Tsiklon）卫星定位系统。与美国的Transit卫星系统类似，该系统无法提供快速的定位结果。为提高军事实力，苏联于20世纪70年代开始研发GLONASS。苏联解体后，GLONASS由俄罗斯继承和研发，其开发过程可分为以下两个阶段。
（1）**阶段（1982～1990年），主要开展GLONASS试验测试和建设。1982～1985年，由4颗卫星组成的试验系统通过测试，验证其达到了基本性能指标。随后开始扩展空间星座，至1990年，GLONASS**阶段的系统测试计划完成。
（2）第二阶段（1990～1995年），主要进行GLONASS用户设备的测试和GLONASS系统的完善。1993年，俄罗斯总统宣布GLONASS正式开始运行。而直到1996年，GLONASS系统才完成24颗卫星的发射，组成完整的星座。
GLONASS由24颗均匀分布在3个轨道面上的MEO组成，其轨道高度约为19140km，略低于GPS卫星，轨道倾角为64.8°，轨道周期为11h16min。与GPS不同，GLONASS为更好地覆盖高纬度地区（本土），其轨道倾角比GPS高10°左右。GLONASS一天绕地运行约2.125圈，同一轨道面相邻卫星的间隔正好为1/8圈，即一天后的同一时间，同一方向出现的是一颗相邻卫星，每隔8天循环一次。这样的星座结构有助于卫星的均匀跟踪。
GLONASS发展至今，已经到了第三代，从**代GLONASS到目前主要运行的第二代GLONASS-M再到第三代GLONASS-K。目前，GLONASS以GLONASS-M为主，但是已经有1颗GLONASS-M+卫星和两颗GLONASS-K1卫星。**代和第二代GLONASS卫星采用频分多址（frequency division multiple access，FDMA）信号调制方式。除具有星间链路及更加稳定的钟以外，新一代GLONASS将支持码分多址（code division multiple access，CDMA）技术（Urlichichetal.，2011）。各类GLONASS卫星如图1.3
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