全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的現(xiàn)狀與進展

文/王溫

當前，美國GPS 系統(tǒng)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在全世界范圍內(nèi)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)中占據(jù)著主導地位，其可以實現(xiàn)提供時間與空間基礎(chǔ)、智能化手段以及與位置相關(guān)的實時動態(tài)信息的效果，近年來，完成了軍事、工業(yè)以及公共服務等方面的滲透，成為衡量現(xiàn)代化水平的重要標志。

1 美國GPS系統(tǒng)

美國GPS 系統(tǒng)是以軍用衛(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)逐漸發(fā)展而成的綜合化衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也是世界范圍內(nèi)發(fā)展最早、最成熟的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是基于衛(wèi)星基礎(chǔ)構(gòu)建而成的無線電導航定位系統(tǒng)，在導航、定位、定時等方面均表現(xiàn)出較為強大精密的功能。

GPS 系統(tǒng)星座共由24 顆衛(wèi)星組成，包括有21 顆工作衛(wèi)星、3 顆備用衛(wèi)星，24 顆衛(wèi)星全部均勻分布在6 個軌道面上。當前，受限于中心頻帶、偽距的限制，美國GPS 系統(tǒng)的抗干擾程度與定位精度均有待提高，其信號結(jié)構(gòu)也不能滿足新時期的發(fā)展需要，另外地面監(jiān)控系統(tǒng)承載著編算和錄入導航電文的職能，這就決定了保護好地面監(jiān)控系統(tǒng)的重要性，如果地面監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)偏差或是破壞的狀況，那么GPS 系統(tǒng)導航定位的精準性將受到極大程度的影響。

針對于這一情況，GPS 系統(tǒng)采取了一些列優(yōu)化措施，取得了一定的初步成效。早在2011年，就完成了GPS 系統(tǒng)的衛(wèi)星星座擴展，完成了調(diào)整3 顆衛(wèi)星位置、重新定位3 顆衛(wèi)星的工作，實現(xiàn)了24+3 的星座模式，也即理想衛(wèi)星星座構(gòu)成。這一舉措大大拓展了原有系統(tǒng)的影響范圍，也提高了衛(wèi)星的運行效率。在2010年至2016年間，美國曾發(fā)送12 顆IIF 衛(wèi)星，積極開展導航衛(wèi)星的退役和增補工作，同時提高了導航信號服務質(zhì)量。第三代GPS 衛(wèi)星-GPS-III 也正處于研制過程中，GPS-III 具有更精準、更抗干擾、可互操作的優(yōu)勢。

2 俄羅斯GLONASS

俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（即GLONASS）的發(fā)展過程相對曲折，早在上世紀70年代蘇聯(lián)就已經(jīng)開始了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研制，但隨著蘇聯(lián)的解體，俄羅斯早期缺乏雄厚的經(jīng)濟實力，使得其發(fā)展受阻。盡管發(fā)展曲折，但相關(guān)研究與開發(fā)一直在進行。當前，格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用了27+3 的衛(wèi)星構(gòu)成模式，其中27 顆衛(wèi)星為工作星，剩余3 顆為備份星，共計30 顆衛(wèi)星均勻分布在三個近圓形的軌道平面上。其地面支持系統(tǒng)所能覆蓋的范圍限制在俄羅斯本土境內(nèi)，主要由系統(tǒng)控制中心、中央同步器、遙測遙控站（含激光跟蹤站）和外場導航控制設備組成。當前GLONASS 的發(fā)展主要面臨如下問題：

（1）相對來說，其工作性能穩(wěn)定性較差，且衛(wèi)星的正常工作壽命不長；

（2）配套制造生產(chǎn)相對緩慢；

（3）由于格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)選用了FDMA，這增強了用戶接收機中頻率綜合器的復雜程度；

（4）美國GPS 導航系統(tǒng)與GLONASS 并行使用，兼容兩種系統(tǒng)的接收機需要解決時間、坐標系統(tǒng)的綜合處理問題。

現(xiàn)階段，俄羅斯對GLONASS 系統(tǒng)的開發(fā)給予了足夠重視，通過全球范圍內(nèi)地面站系統(tǒng)的拓展，提升了其全球競爭能力，當前其全球定位精度為5 米左右，而俄羅斯境內(nèi)受增強系統(tǒng)的輔助，已經(jīng)可以達到0.5 米，隨著其未來的推廣，定位精度將不斷增加。

3 伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)

Galileo 是歐洲范圍內(nèi)完全民用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，起步于二十一世紀初期，近年來發(fā)展勢頭十分迅猛，整體工作狀態(tài)良好。系統(tǒng)共計劃發(fā)射30 顆衛(wèi)星，包括27 顆工作衛(wèi)星和3 顆備用衛(wèi)星，27 顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，地面建有兩大控制站。Galileo 是完全民用的一個全球衛(wèi)星系統(tǒng)，因此其與其他系統(tǒng)的顯著差別就在于其強大的市場性。在其投入運行以來，用戶基于多制式接收機可以獲得更多的衛(wèi)星信號，這為導航精度的提高提供了幫助。但是，“伽利略”計劃的推出，刺激了GPS 和格洛納斯系統(tǒng)加快技術(shù)更新，中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的迅猛發(fā)展也沖淡了伽利略系統(tǒng)未來的市場前景，因此伽利略系統(tǒng)的商業(yè)化道路走得并不輕松。

4 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是完全由我國自主研制并開展運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是我國科技現(xiàn)代化水平提高的重要標志，它也正向世界范圍內(nèi)具有重要影響力的衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展。對于形成我國衛(wèi)星導航應用產(chǎn)業(yè)的支撐起到了重要作用，且已經(jīng)實現(xiàn)了多個領(lǐng)域的滲透與推廣工作，大大便利了國民經(jīng)濟各行業(yè)的運轉(zhuǎn)。

2000年底，建成北斗一號系統(tǒng)，向中國提供服務，截至2003年，北斗一號系統(tǒng)擁有三顆衛(wèi)星，其中兩顆為工作衛(wèi)星，剩余一顆為備用衛(wèi)星，系統(tǒng)整體包括地面控制中心、用戶段、空間端三大部分。2012年底，建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)服務。現(xiàn)階段，已建成北斗三號基本系統(tǒng)，實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)全天候、無縫隙、全時段的即時定位服務?？焖俣ㄎ弧⒍虉笪耐ㄐ?、精密授時是系統(tǒng)的三大特點，定位的精度優(yōu)于10 米，在亞太區(qū)域定位精度優(yōu)于5 米，測速精度優(yōu)于0.2 米/秒；短報文通信為用戶提供了較為便利的漢字信息傳送手段，且這一傳送手段是雙向的；精密授時已經(jīng)實現(xiàn)了優(yōu)于50nS 的同步精度。

近年來，北斗系統(tǒng)系列衛(wèi)星的發(fā)送拓展了北斗系統(tǒng)的運營空間。值得一提的是，具有全球化意義的國際搜救組織標準設備搭載在北斗三號全球系統(tǒng)的組網(wǎng)衛(wèi)星上，實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)的遇險報警及精準定位服務。2018年12月，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務范圍擴展為全球，這標志著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式進入了全球時代。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，世界范圍內(nèi)的四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)占據(jù)著重要位置，這在新時期，時空信息與人類生活的聯(lián)系將更加緊密，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)也必將不斷實現(xiàn)創(chuàng)新進展。