全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀與進(jìn)展

劉艷亮，張海平，徐彥田，王 鐸

(1.山東省國(guó)土測(cè)繪院，濟(jì)南 250102；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)是一個(gè)能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為適當(dāng)裝備的用戶提供24 h、三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無(wú)線電定位系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星星座及其支持特定工作所需的增強(qiáng)系統(tǒng)[1-2]。一個(gè)獨(dú)立自主的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在提供時(shí)間與空間基準(zhǔn)、智能化手段以及所有與位置相關(guān)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息等方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，對(duì)于一個(gè)國(guó)家的國(guó)防、軍事、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及公共安全與服務(wù)具有深遠(yuǎn)的意義，是現(xiàn)代化大國(guó)地位、國(guó)家綜合國(guó)力及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要標(biāo)志。

1 導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)(International Committee on Global Navigation Satellite System，ICG)公布的全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商，包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)。其中：GPS是世界上第一個(gè)建立并用于導(dǎo)航定位的全球系統(tǒng)，GLONASS經(jīng)歷快速?gòu)?fù)蘇后已成為全球第二大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，二者目前正處現(xiàn)代化的更新進(jìn)程中；Galileo是第一個(gè)完全民用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，正在試驗(yàn)階段；BDS已經(jīng)具備了亞太區(qū)域的導(dǎo)航定位、授時(shí)服務(wù)功能，由北斗二號(hào)逐步過(guò)渡到北斗三號(hào)，處于全球化快速發(fā)展階段。

1.1 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS是美國(guó)20世紀(jì)70年代末開(kāi)始建設(shè)的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，1994年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)并提供服務(wù)。目前GPS已是星座構(gòu)成最完善、定位精度最穩(wěn)定、應(yīng)用最廣泛并呈現(xiàn)市場(chǎng)壟斷的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS的空間衛(wèi)星結(jié)構(gòu)由24顆工作衛(wèi)星及備份衛(wèi)星構(gòu)成，GPS的導(dǎo)航衛(wèi)星均為中圓地球軌道(medium Earth orbit，MEO)衛(wèi)星，平均分布在6個(gè)軌道面。2011年7月完成衛(wèi)星星座擴(kuò)展，對(duì)3顆衛(wèi)星重新定位、3顆衛(wèi)星位置調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)24+3的理想衛(wèi)星星座構(gòu)型，覆蓋范圍增大，衛(wèi)星可用性增強(qiáng)。截至2018年06月21日，空間段新老衛(wèi)星數(shù)為32顆，其中31顆運(yùn)行、1顆維護(hù)。衛(wèi)星發(fā)展歷程及特性如表1所示，包括工作衛(wèi)星和備份衛(wèi)星，多余衛(wèi)星不參與星座組網(wǎng)，但可以增加定位精度和可靠性。2010年到2016年共發(fā)射12顆IIF衛(wèi)星，GPS-III與GPS-IIIF衛(wèi)星正在研制，2018年2月發(fā)射一顆GPS-IIR衛(wèi)星。

表1 GPS系統(tǒng)參數(shù)

GPS地面段包括1個(gè)主控站、1個(gè)備用主控站、12個(gè)地面天線和16個(gè)監(jiān)測(cè)站。主控站位于哥倫比亞施里弗空軍基地，備用主控站位于范登堡基地，地面天線包括GPS地面天線4個(gè)和空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)遠(yuǎn)程追蹤天線(air force satellite control network，AFSCN)7個(gè)，監(jiān)測(cè)站包括空軍監(jiān)測(cè)站6個(gè)和美國(guó)智能化地理空間局(The National Geospatial-Intelligence Agency，NGA)監(jiān)測(cè)站10個(gè)。硬件升級(jí)的同時(shí)地面控制系統(tǒng)也進(jìn)行了升級(jí)建設(shè)，建立了全新的地面控制段體系結(jié)構(gòu)，增加了新導(dǎo)航信號(hào)的監(jiān)測(cè)和GPS Ⅲ衛(wèi)星新增特性的管理和控制等[3-4]。

圖1 GPS地面段分布[3]

1.2 GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GLONASS是蘇聯(lián)在1976年開(kāi)始建設(shè)，1996年1月18日正式建成，但GLONASS在20世紀(jì)90年代后期經(jīng)歷俄羅斯的經(jīng)濟(jì)動(dòng)蕩后，從2003年開(kāi)始進(jìn)入全面升級(jí)和發(fā)展階段，并于2011年年底實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

GLONASS系統(tǒng)空間衛(wèi)星組成為24顆MEO衛(wèi)星，平均分布在3個(gè)軌道面上。截至2018年6月21日，GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星26顆，其中24顆GLONASS-M處于運(yùn)行狀態(tài)、1顆退役衛(wèi)星用于主開(kāi)發(fā)商測(cè)試、1顆GLONASS-K進(jìn)行飛行參數(shù)測(cè)試。GLONASS-K衛(wèi)星播發(fā)的碼分多址(code division multiple access，CDMA)信號(hào)被捕獲，使得GLONASS的信號(hào)編碼方式實(shí)現(xiàn)從頻分多址(frequency division multiple access，F(xiàn)DMA)到CDMA的重大改變。俄羅斯聯(lián)邦航天局2013年1月12日發(fā)布《俄羅斯2013—2020年空間活動(dòng)》的文件，宣布至2020年還將建造并發(fā)射13顆GLONASS-M衛(wèi)星以及22顆GLONASS-K衛(wèi)星。預(yù)計(jì)2025年發(fā)射GLONASS-KM衛(wèi)星。各型號(hào)衛(wèi)星特性如表2所示，其中：“O”為開(kāi)放信號(hào)；“S”為模糊、高精度信號(hào)；“F”為FDMA；“C”為CDMA；為2014年以后發(fā)射M衛(wèi)星具有L3OC；n為頻率號(hào)。

表2 GLONASS系統(tǒng)參數(shù)

GLONASS系統(tǒng)地面段包括一個(gè)控制中心位于莫斯科，地面監(jiān)測(cè)站和增強(qiáng)站位于俄羅斯境內(nèi)46個(gè)、鄰國(guó)8個(gè)、南極3個(gè)、巴西1個(gè)，2014年2月，俄羅斯聯(lián)邦航天局計(jì)劃未來(lái)在全球36個(gè)國(guó)家布建50個(gè)地面站系統(tǒng)，當(dāng)年境外建設(shè)地面站7個(gè)，并于2014年5月通過(guò)了在越南和尼加拉瓜建設(shè)GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面站協(xié)議。在全球各地建立地面站將提高GLONASS系統(tǒng)的精確度，有助于提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和全球份額。目前GLONASS的全球定位精度約為5 m，而俄羅斯境內(nèi)在增強(qiáng)系統(tǒng)的輔助下精度可達(dá)0.5 m，隨著GLONASS現(xiàn)代化的進(jìn)程，預(yù)計(jì)未來(lái)2～3年，其定位精度與GPS相當(dāng)[5]。

1.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

BDS是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是：建成獨(dú)立自主、開(kāi)放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用[6]。

BDS建設(shè)總體的規(guī)劃中，2020年建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3個(gè)部分組成。目前北斗二號(hào)在軌衛(wèi)星包括5顆地球同步軌道衛(wèi)星(geostationary Earth orbit，GEO)、5個(gè)傾斜地球同步軌道(inclined geo-synchronous orbits，IGSO)和4顆MEO衛(wèi)星，而北斗三號(hào)空間衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由3顆GEO、3顆IGSO和24顆MEO以及在軌備份衛(wèi)星組成。地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。

2012年12月27日，北斗二號(hào)在繼續(xù)保留北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)(即北斗一號(hào))有源定位、雙向授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)基礎(chǔ)上，向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無(wú)源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)。截止2018年06月21日，BDS在軌衛(wèi)星29顆，其中GEO衛(wèi)星6顆、IGSO衛(wèi)星9顆、MEO衛(wèi)星14顆，其中：北斗二號(hào)可用衛(wèi)星15顆、未用1顆；北斗三號(hào)衛(wèi)星13顆，每顆衛(wèi)星具有3個(gè)頻率的信號(hào)。BDS可提供雙向高精度授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)，其位置精度為平面5、高程10 m，測(cè)速精度 0.2 m/s，授時(shí)精度為單向50 ns。

1.4 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

Galileo是歐盟正在建立的世界上第一個(gè)具有一定商業(yè)性質(zhì)的完全民用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2003年開(kāi)始實(shí)施，經(jīng)歷短暫的緩慢發(fā)展后，正以高速的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入國(guó)際GNSS領(lǐng)域。目前Galileo在軌驗(yàn)證衛(wèi)星(in-orbit validation satellites，IOV)有4顆。2013年3月12日首次實(shí)現(xiàn)了用戶定位，成為Galileo建設(shè)的里程碑；2014年2月完成了在軌驗(yàn)證任務(wù)。Galileo能有效運(yùn)行，且工作狀態(tài)良好，作為現(xiàn)有國(guó)際衛(wèi)星輔助搜救組織衛(wèi)星的組成部分，Galileo可以為77 %的救援位置提供2 000 m以內(nèi)的定位精度，為95 %的救援位置提供5 000 m以內(nèi)的定位精度。目前，Galileo的偽距單點(diǎn)定位精度平均可達(dá)到水平方向5、垂直方向10 m，平均授時(shí)精度達(dá)10 ns。

在軌測(cè)試工作完成后，Galileo的建設(shè)工作繼續(xù)推進(jìn)，主要是發(fā)射衛(wèi)星完成星座部署和進(jìn)一步部署衛(wèi)星地面站。2014年6顆衛(wèi)星分3次搭乘聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射升空，加入現(xiàn)有的Galileo衛(wèi)星星座，并于當(dāng)年底開(kāi)始提供初始服務(wù)。2014年8月22日發(fā)射2顆Galileo全面運(yùn)行能力衛(wèi)星，2014年8月25日歐盟官網(wǎng)宣布2顆衛(wèi)星未進(jìn)入預(yù)定軌道，但位于德國(guó)達(dá)姆斯塔的控制中心已成功控制衛(wèi)星并研究如何使其在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用，阿麗亞娜航天公司稱運(yùn)載火箭飛行中出現(xiàn)異常導(dǎo)致未進(jìn)入預(yù)定軌道。2017年12月12日，4顆Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星(編號(hào)為IOV19～22號(hào))由阿麗亞娜-5火箭在法屬圭亞那航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射入軌，此次發(fā)射任務(wù)使Galileo擁有了26顆衛(wèi)星，即4顆IOV衛(wèi)星、18顆FOC衛(wèi)星。其中15顆衛(wèi)星可用來(lái)提供服務(wù)，1顆衛(wèi)星電源故障，2顆衛(wèi)星未進(jìn)預(yù)定軌道。2018年7月25日再次發(fā)射4顆衛(wèi)星[7-8]。

2 技術(shù)對(duì)比分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都包括空間衛(wèi)星星座，衛(wèi)星星座的結(jié)構(gòu)直接影響地面可視衛(wèi)星數(shù)。目前GLONASS、Galileo和BDS都采用3軌道面，GPS采用6軌道，3軌道衛(wèi)星幾何分布優(yōu)于6軌道，并且簡(jiǎn)化了星座組網(wǎng)的維持和配置。而GPS發(fā)展研究報(bào)告建議，GPS-III全部運(yùn)行后構(gòu)建33顆MEO和GEO衛(wèi)星相結(jié)合的GPS混合型星座。BDS系統(tǒng)采用MEO和IGSO以及GEO相結(jié)合的混合星座結(jié)構(gòu)，混合星座結(jié)構(gòu)能更好地提高用戶的定位精度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。

衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)決定了導(dǎo)航定位的方式和精度。目前BDS、GPS和Galileo都采用碼分多址的方式。BDS衛(wèi)星全部具有3頻信號(hào)；GPS目前只有12顆GPS-IIF衛(wèi)星具有3頻信號(hào)，其余25顆衛(wèi)星僅發(fā)射雙頻信號(hào)；GLONASS采用頻分多址的方式，而未來(lái)的GLONASS-K2及以后的衛(wèi)星都將具有3個(gè)固定頻率并采用碼分多址的方式。采用固定的頻率可以通過(guò)差分技術(shù)削弱大氣延遲的影響，簡(jiǎn)化觀測(cè)方程的未知參數(shù)，降低定位算法的復(fù)雜度和提高定位精度，有利于不同系統(tǒng)間的互操作和組合定位。

當(dāng)前，GPS的全球?qū)崟r(shí)單點(diǎn)定位精度粗碼為5～10 m，精碼1～2 m，一般的民用接收機(jī)開(kāi)闊區(qū)域可獲得優(yōu)于5 m定位精度，加密導(dǎo)航信號(hào)達(dá)到了分米級(jí)；BDS只具備了亞太區(qū)域定位服務(wù)能力，部分地區(qū)服務(wù)性能優(yōu)于10 m，如在北京、鄭州、西安、烏魯木齊等地區(qū)，定位精度可達(dá)7 m，低緯度地區(qū)定位精度可達(dá)到5 m左右；GLONASS的全球定位精度從35 m提高到了約為5 m，隨著地面站的建設(shè)衛(wèi)星軌道精度的提高，全球范圍的定位精度有望進(jìn)一步提高。

3 GPS/BDS高精度定位比較

GNSS以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為測(cè)繪行業(yè)中最主要的定位方式之一，滿足測(cè)繪行業(yè)中不同精度、作業(yè)方式和實(shí)時(shí)性的要求，但目前測(cè)繪應(yīng)用中仍依賴GPS。隨著B(niǎo)DS的快速發(fā)展，其與GPS同樣都具有固定的頻率和采用碼分多址，因此二者定位原理相同。表3為BDS和GPS測(cè)繪中高精度定位的比較分析結(jié)果，主要包括偽距差分(differential GPS，DGPS)、靜態(tài)基線、精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(real-time kinematic，RTK)以及網(wǎng)絡(luò)RTK。從表3可以看出目前BDS和GPS定位精度達(dá)到了相同效果。表3中：N表示北方向；E表示東方向；U表示天方向。

表3 GPS/BDS定位精度統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)BDS軟硬件以及產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，BDS已經(jīng)開(kāi)始全球組網(wǎng)，在亞太區(qū)域具備了與GPS相當(dāng)?shù)亩ㄎ皇跁r(shí)服務(wù)能力，并且隨著GLONASS的現(xiàn)代化以及Galileo的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了GNSS時(shí)代，定位模式也從單一系統(tǒng)到多系統(tǒng)融合發(fā)展；因此需要大力推廣多系統(tǒng)兼容應(yīng)用，共同推動(dòng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)發(fā)展，使其成為一個(gè)高精尖戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，并在軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。