全球卫星导航系统的现状与进展

时间：2024-05-04

文/王温

当前，美国GPS 系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统、欧洲的伽利略卫星定位系统以及我国的北斗卫星导航系统在全世界范围内的卫星导航系统中占据着主导地位，其可以实现提供时间与空间基础、智能化手段以及与位置相关的实时动态信息的效果，近年来，完成了军事、工业以及公共服务等方面的渗透，成为衡量现代化水平的重要标志。

1 美国GPS系统

美国GPS 系统是以军用卫星系统为基础逐渐发展而成的综合化卫星导航系统，也是世界范围内发展最早、最成熟的全球卫星导航系统，是基于卫星基础构建而成的无线电导航定位系统，在导航、定位、定时等方面均表现出较为强大精密的功能。

GPS 系统星座共由24 颗卫星组成，包括有21 颗工作卫星、3 颗备用卫星，24 颗卫星全部均匀分布在6 个轨道面上。当前，受限于中心频带、伪距的限制，美国GPS 系统的抗干扰程度与定位精度均有待提高，其信号结构也不能满足新时期的发展需要，另外地面监控系统承载着编算和录入导航电文的职能，这就决定了保护好地面监控系统的重要性，如果地面监控系统出现偏差或是破坏的状况，那么GPS 系统导航定位的精准性将受到极大程度的影响。

针对于这一情况，GPS 系统采取了一些列优化措施，取得了一定的初步成效。早在2011年，就完成了GPS 系统的卫星星座扩展，完成了调整3 颗卫星位置、重新定位3 颗卫星的工作，实现了24+3 的星座模式，也即理想卫星星座构成。这一举措大大拓展了原有系统的影响范围，也提高了卫星的运行效率。在2010年至2016年间，美国曾发送12 颗IIF 卫星，积极开展导航卫星的退役和增补工作，同时提高了导航信号服务质量。第三代GPS 卫星-GPS-III 也正处于研制过程中，GPS-III 具有更精准、更抗干扰、可互操作的优势。

2 俄罗斯GLONASS

俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（即GLONASS）的发展过程相对曲折，早在上世纪70年代苏联就已经开始了卫星导航系统的研制，但随着苏联的解体，俄罗斯早期缺乏雄厚的经济实力，使得其发展受阻。尽管发展曲折，但相关研究与开发一直在进行。当前，格洛纳斯卫星导航系统采用了27+3 的卫星构成模式，其中27 颗卫星为工作星，剩余3 颗为备份星，共计30 颗卫星均匀分布在三个近圆形的轨道平面上。其地面支持系统所能覆盖的范围限制在俄罗斯本土境内，主要由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站（含激光跟踪站）和外场导航控制设备组成。当前GLONASS 的发展主要面临如下问题：

（1）相对来说，其工作性能稳定性较差，且卫星的正常工作寿命不长；

（2）配套制造生产相对缓慢；

（3）由于格洛纳斯卫星导航系统选用了FDMA，这增强了用户接收机中频率综合器的复杂程度；

（4）美国GPS 导航系统与GLONASS 并行使用，兼容两种系统的接收机需要解决时间、坐标系统的综合处理问题。

现阶段，俄罗斯对GLONASS 系统的开发给予了足够重视，通过全球范围内地面站系统的拓展，提升了其全球竞争能力，当前其全球定位精度为5 米左右，而俄罗斯境内受增强系统的辅助，已经可以达到0.5 米，随着其未来的推广，定位精度将不断增加。

3 伽利略卫星定位系统

Galileo 是欧洲范围内完全民用的卫星导航系统，起步于二十一世纪初期，近年来发展势头十分迅猛，整体工作状态良好。系统共计划发射30 颗卫星，包括27 颗工作卫星和3 颗备用卫星，27 颗卫星为工作卫星，地面建有两大控制站。Galileo 是完全民用的一个全球卫星系统，因此其与其他系统的显著差别就在于其强大的市场性。在其投入运行以来，用户基于多制式接收机可以获得更多的卫星信号，这为导航精度的提高提供了帮助。但是，“伽利略”计划的推出，刺激了GPS 和格洛纳斯系统加快技术更新，中国北斗卫星导航系统的迅猛发展也冲淡了伽利略系统未来的市场前景，因此伽利略系统的商业化道路走得并不轻松。

4 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是完全由我国自主研制并开展运行的全球卫星导航系统，是我国科技现代化水平提高的重要标志，它也正向世界范围内具有重要影响力的卫星导航系统发展。对于形成我国卫星导航应用产业的支撑起到了重要作用，且已经实现了多个领域的渗透与推广工作，大大便利了国民经济各行业的运转。

2000年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务，截至2003年，北斗一号系统拥有三颗卫星，其中两颗为工作卫星，剩余一颗为备用卫星，系统整体包括地面控制中心、用户段、空间端三大部分。2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区服务。现阶段，已建成北斗三号基本系统，实现了全球范围内全天候、无缝隙、全时段的即时定位服务。快速定位、短报文通信、精密授时是系统的三大特点，定位的精度优于10 米，在亚太区域定位精度优于5 米，测速精度优于0.2 米/秒；短报文通信为用户提供了较为便利的汉字信息传送手段，且这一传送手段是双向的；精密授时已经实现了优于50nS 的同步精度。

近年来，北斗系统系列卫星的发送拓展了北斗系统的运营空间。值得一提的是，具有全球化意义的国际搜救组织标准设备搭载在北斗三号全球系统的组网卫星上，实现了全球范围内的遇险报警及精准定位服务。2018年12月，北斗卫星导航系统的服务范围扩展为全球，这标志着北斗卫星导航系统正式进入了全球时代。