论文总字数：14034字

目 录

1引言 1

1.1 全球导航系统 1

1.2 研究区域可见性的意义 1

2 GPS/GLONASS/BEIDU的卫星定位系统的发展及现状 1

2.1 GPS 1

2.2 GLONASS 2

2.3 BEIDOU 2

3卫星高度角计算方法 3

3.1 大地坐标系 3

3.2 空间大地直角坐标系 3

3.3 站心坐标系 4

4数据和方法 5

4.1 TLE数据 5

4.2 TLE数据下载方法 6

4.3 地面点坐标获取 6

4.4 SDP4模型 6

5结果比较与分析 7

5.1 三系统可见卫星数与时刻的关系 7

5.2 三系统可见卫星方位角、高度角分布 8

6总结 12

参考文献 12

致谢 14

GPS/GLONASS/BEIDOU区域可见性分析

贾劼

，China

ABSTRACT：Global navigation satellite system has play a important role in human life,such as navigation,high precision geodesy,precision timing,transportation management,meteorological observation,carrier attitude measurement and homeland security and defense.To complete GNSS precise positioning condition is also need at least 4 visible satellites, azimuth and elevation angle of the satellite distribution is reasonable. By May 12, 2016 GPS / GLONASS / BEIDO system satellite TLE data using SDP4 model, calculated each time a different system with respect to the elevation angle of Beijing,Moscow, Washington and azimuth information, comparative analysis of the three satellite system with respect to the visibility of the similarities and differences between these surface sites.It is found that the three navigation satellite system can guarantee a large number of the visible satellites with reasonable azimuth distribution.For other parts of the world,GPS / GLONASS can also maintain and local difference visible satellites number, but BEIDOU due to the characteristics of the layout of the constellation, city in the Western Hemisphere, in Washington, for example, moment of the number of visible satellites can't even meet the positioning.With the constant global networking BEIDOU system, we have reason to believe that China's BEIDOU navigation system to be completed, is expected to compare favorably with the GPS/GLONASS system, becoming the true sense of the global navigation and positioning system.

Key words：GNSS;Area visibility;Elevation angle;Elevation angle

1 引言

1.1 全球导航系统

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）以全球、连续、三维的覆盖能力，和全天候、高精度、实时的特点受到了世界主要军事大国及经济体的重视。自从1973美国开始着手研发GPS系统以来，全球导航卫星系统呈现了百花齐放的局面，具有代表性的有美国的GPS，俄罗斯的GLONASS以及我国自主开发的BEIDOU（北斗）导航系统。由于美国的GPS系统是全球最先开发研究的全球导航卫星系统，其稳定性，精度，都领先于全球，进而导致其市场占有率相较于其他导航卫星系统处在绝对领先的地位。由于全球卫星导航系统在保护国家安全和发展社会经济等方面有着极其重要的作用，所以为了打破美国对于全球卫星导航这一领域的垄断，世界主要军事大国及经济体都在发展属于自己的GNSS系统。

1.2 研究区域可见性的意义

全球导航系统要完成精确定位的条件是，至少同时需要4颗可见卫星，并且卫星的方位角、高度角分布合理。地表面某点P对卫星S的可见性定义为：如果P点在卫星S的覆盖范围内，则S对P点是可见的，这种基于几何的观点的可见性又被称为几何可见性。所以通常GNSS系统提供定位服务区域是从地面至近地空间3000公里的范围。

一般来讲，GNSS系统在某一点拥有的可见卫星数越多，该系统在这块区域的可靠性就越强。于是，本文的研究内容就是通过计算不同GNSS系统，对于指定区域的可见卫星数的差别，进而讨论不同国家的全球导航卫星系统对于不同区域的侧重程度。

2 GPS/GLONASS/BEIDU的卫星定位系统的发展及现状

全球导航卫星系统（GNSS）是一种利用在太空中的导航卫星进行定位的技术，其目标是地面、海上和空间用户。它包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和我国的BEIDOU(北斗)等。全球卫星导航系统经过快40年的不断开发，呈现出了GPS一枝独秀，GLONASS在曲折中进步，BEIDOU分步发展的情况。

GPS卫星导航系统由于最早投入使用，现在已成为应用最为普遍且最为稳定的全球导航卫星系统，基本垄断了全球应用市场。GLONASS是前苏联在20世纪70年代开始研发的，成为当时世界上第2个能够同时满足军用、民用的全球卫星导航系统。后来因为俄罗斯的经济状况不佳，一度无法维持其完全运行，近年来，为了开拓GLONASS的应用市场，俄罗斯已逐步重启和升级该系统。为打破GPS在卫星导航领域的垄断地位，我国开始自主发展，独立运行BEIDOU导航系统，该系统的建设及使用标志着我们国家成为了和平利用空间大家庭中的重要组成部分。

2.1 GPS

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是美国国防部于20世纪70年代初开始部署的一种无线电导航、定位与定时系统。由美国军方投资120多亿美元，经历20多年研究开发完成的，被美国认为是继“阿波罗”登月计划和航天飞机之后的第三大航天工程。

GPS的前身是子午仪卫星导航系统，属于第1代卫星导航系统。虽然该系统展示了卫星导航巨大的优越性，但其所呈现的定位精度仍然很难令美国军方满意。于是，美国军方根据自身的实际需求，便启动了新一代卫星导航系统的研发工作。后来美国国防部牵头将子午仪系统与新开发的系统合二为一，合力发展GPS系统。GPS系统最初的设计是将24颗不同卫星平均放置在互为120°的3个轨道面上，使每个轨道面包括8颗卫星。但是，由于GPS系统遭到国会质疑，经费一再被缩减，不得不靠减少卫星数量的方式减少支出，一度设计为18颗卫星分布在于6个轨道面，然而这一方案的应用使系统的可靠性不能够得到保障。后来最终确定为21 颗工作卫星和3颗备用卫星分布在互成 30°的6个轨道面上，这也成为了GPS系统当前的运行状态。在1994年，GPS卫星导航系统全面建成，这个系统是美国全球战略十分重要的一部分，在战略威慑和实效性方面起着举足轻重的作用。

2.2 GLONASS

上世纪70年代后期，美国已经着手开发GPS系统，苏联为了对抗美国，也提出了建立自己的卫星导航系统的构想。并且于1982年10月将第一批GLONASS卫星发射进入轨道，此后整个计划也一直在顺利进行。然而，由于经济原因，从1989一直到1990年，这一年中再没有发射任何GLONASS卫星。从1990年，前苏联逐渐恢复了GLONASS卫星的发射。

与GPS一样，GLONASS也由空间、控制及用户三部分组成。空间部分拥有24颗卫星，排布在3个平面上，每个平面上含8颗卫星，轨道高度约为19000千米，运行周期为11.25小时。等到GLONASS所设计的24颗卫星全部投入运行时，在全球的任何时刻、任何地点都可以至少看到5颗GLONASS的卫星。

GLONASS系统的控制部分由系统控制中心和一个遍及全俄罗斯的跟踪网构成。GLONASS和GPS的控制部分有着很高的相似度，即所有卫星的状况必须在监视之中。

GLONESS用户部分与GPS一样，同样能够满足军用和民用的不同要求。军方、民间用户共同构成了其用户部分，从系统的设计以及发展来讲GLONASS系统和GPS系统有着同样巨大的民用市场。

2.3 BEIDOU

北斗卫星导航系统（BEIDOU navigation satellite system），是我国自主建设和运行的GNSS系统，目标是建立一个独立、开放、兼容、先进、稳定的全球卫星导航系统，为全世界客户提供连续、稳定、可靠的定位、导航和定时服务；为保卫国家安全和促进社会经济发展提供服务，并加强与其他GNSS系统的合作，争取服务全世界，造福全人类。

开放、自主、兼容、渐进是建设BEIDOU系统的原则。开放是指将为用户供应免费且高精度的服务；自主是指BEIDOU系统将由中国独立地设计和运行；兼容是指北斗系统努力争取与其他GNSS系统取得兼容与合作，使用户收获更佳的用户体验；渐进是指BEIDOU系统将根据我国的技术水平和经济状况，一步一个脚印的建设系统。并制定了 “三步走” 的发展路线和 “先区域、后全球，先有源、后无源” 的发展思路。

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