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全球导航卫星系统

胜于蓝2024-05-31【科技杂谈】人已围观

简介全球导航卫星系统（英文：Global Navigation Satellite System，缩写：GNSS，又称全球卫星导航系统），是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息

全球导航卫星系统（英文：Global Navigation Satellite System，缩写：GNSS，又称全球卫星导航系统），是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。
全球导航卫星系统（GNSS）包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。
全球卫星导航系统国际委员会公布的全球4大卫星导航系统供应商，包括中国的北斗卫星导航系统（BDS）、美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）和欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）。其中GPS是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统，GLONASS经历快速复苏后已成为全球第二大卫星导航系统，二者正处现代化的更新进程中；GALILEO是第一个完全民用的卫星导航系统，正在试验阶段；BDS是中国自主建设运行的全球卫星导航系统，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。

发展沿革

全球四大卫星定位系统
1957年10月4日，苏联成功发射世界上第1颗人造地球卫星，远在美国霍普金斯大学应用物理实验室2个年轻学者接收该卫星信号时，发现卫星与接收机之间形成的运动多普勒频移效应，并断言可以用来进行导航定位。在他们的建议下，美国在1964年建成了国际上第1个卫星导航系统即“子午仪”，由6颗卫星构成星座，用于海上军用舰艇船舶的定位导航。1967年，“子午仪”系统解密并提供给民用^[4]。
由此可见，从20世纪70年代后期全球定位系统（global positioning system，GPS）建设开始，至2020年多星座构成的全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）均属于第2代导航卫星系统，它们包括美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigationsatellite system，GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）和欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo navigationsatellite system，Galileo）等4个全球系统，以及日本准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system，QZSS）和印度区域卫星导航系统（Indian regionalnavigational satellite system，IRNSS）等2个区域系统，其中IRNSS也称为印度星座导航（navigationwith Indian constellation， NavIC）。以上除中国之外的5个国家作为GNSS服务提供商均持有相应的星基增强系统，它们分别是：美国的广域增强系统（wide area augmentation system，WAAS）、俄罗斯的差分改正监测系统（differential correctionsand monitoring，SDCM）、欧洲的地球静止导航重叠服务（Europeangeostationarynavigation overlayservice，EGNOS）、印度的 GPS辅助型静地轨道增强导航系统（GPS aided geo augmented navigation，GAGAN）和日本的多功能卫星星基增强系统（multi-functional satellite augmentation system，MSAS）^[4]。
中国由于其卫星导航系统发展之路与其他国家不同，它所建设的北斗二号（BeiDou navigationsatellite【regional】system，BDS-2）就是区域系统，而其建设的北斗三号（BeiDou navigation satellite system withglobal coverage，BDS-3）还包括星基增强系统功能^[4]。
综上所述，所谓的第二代导航卫星系统，就是指GNSS，它是泛指的全球卫星导航系统，是涵盖全球系统、区域系统和星基增强系统在内的系统之系统的概念。那么会不会有第三代导航卫星系统出现呢。应该有，因为所有已经建设全球卫星导航系统的国家均在考虑或者推进卫星导航系统的下一步创新行动计划，也有考虑与通信一体融合的导航星座^[4]。
2023年4月19日消息，通信导航卫星服务探月任务示意图国家航天局公布，中国正在论证构建环月球通信导航卫星星座，首次发射可能在2024年左右进行。简单地说，这将是月球版北斗导航系统，可以为未来月面作业提供中继通信、导航等服务，为接下来更复杂的探月任务提供信息支持。

系统应用

全球卫星导航系统
全球卫星导航系统在军事、资源环境、防灾减灾、测绘、电力电信、城市管理、工程建设、机械控制、交通运输、农业、林业、渔牧业、考古业、生活、物联网、位置服务中都有应用^[3]。

用于武器导航，可以精确制导导弹、巡航导弹；用于车辆导航，可以进行路线导航、车辆调度、监控系统；用于飞机导航时可进行航线导航、进场着陆控制；用于船舶导航，可以远洋导航、港口/内河引水；当个人旅游及探险时还可以用于个人导航^[3]。GPS在低纬度的观测效果好，而GLONASS在高纬度的观测优于低纬度。^[14]

定位

可定位车辆、手机、PDA等移动设备，拥有设备的防盗，在旅游及野外探险时可以利用电子地图查看自己所在位置。还可以定位儿童或老年人，以便他们走失时及时确定其准确方位^[3]。

测量

利用全球卫星导航系统中载波相位差分技术（RTK），其测量精度可以达到以厘米为单位，与传统的人工测量相比，其拥有精度高、易操作、测量设备便携、可全天候操作、测量点之间无须通视等人工测量无法比拟的优势。全球卫星定位技术已广泛应用于大地测量、地壳运动、资源勘查、地籍测量等领域^[3]。

农业

很多国家已经把全球卫星导航系统用于农业发展，可以定位农田信息、监测产量、土样采集等，再通过计算机系统对采集的数据进行分析和处理，制定出更科学的农田管理措施。还可以把产量及土壤状态等农田信息装入带有GPS设备的喷施器中，在给农田施肥、喷药的过程中可以精确其用量，可以降低因肥料和农药对环境造成的污染^[3]。

救援

利用全球卫星导航定位技术，可提高各部门对交通事故、交通堵塞、火灾、洪灾、犯罪现场等紧急事件的响应速度。可以帮助救援人员在恶劣的天气条件和地理条件下对失踪人员进行营救^[3]。

监视管理

对机场进行监视和管理是为了减少飞机起飞和进场的滞留时间，有效调度飞机、车辆以及人员。全球卫星导航定位技术可以在任何气候环境下，为所有飞行跑道提供全天候、安全、精密的导航功能。可以使采用全球卫星导航定位技术的飞机更具灵活性，让其可以在无人或脱离跑道时自行操作，通过调度系统可以有效地组织地面交通以及处理停机坪事故^[3]。

军事

现代战争已经演变成为信息化战争，依靠全球卫星定位系统可以精确制导导弹和炸弹，从而进行目标引导。同时，在步兵战术作战中也成为了不可或缺的标准军事装备。全球卫星导航系统对于特种作战也具有巨大意义，因为它可以全天候、连续地隐蔽定位，而且使用者不用发射出任何信号、只要能接收卫星信号就可以使用。因此，特种作战时，无需无线电静默就能与指挥部保持联系，无需发出信号就能获得战术支援，并可以随时更改，确认理想的行动路径^[3]。

四大系统

北斗系统

发展历程
北斗系统
20世纪后期，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：2000年年底，建成北斗卫星导航试验系统即北斗一号（BeiDou navigation demonstration system，BDS-1），向中国提供服务；2012 年年底，建成北斗二号区域系统，向亚太地区提供服务；在2020年，建成北斗三号全球系统，向全球提供服务^[10]。2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系^[4]。
中国坚持“自主、开放、兼容、渐进”原则建设发展BDS：①所谓自主，是坚持自主建设、发展和运行BDS，具备向全球用户独立提供卫星导航服务的能力；②所谓开放，是免费提供公开的卫星导航服务，鼓励开展全方位、多层次、高水平的国际合作与交流；③所谓兼容，是提倡与其他卫星导航系统开展兼容与互操作，鼓励国际合作与交流，致力于为用户提供更好的服务；④所谓渐进，是分步骤推进BDS建设发展，持续提升BDS服务性能，不断推动卫星导航产业全面、协调和可持续发展^[4]。
中国正在实施北斗三号工程建设。根据系统建设总体规划，2018年底，完成19颗卫星发射组网，完成基本系统建设，向全球提供服务；2020年完成由3颗地球静止轨道（geostationary Earth orbit，GEO）卫星、3颗倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbits，IGSO）卫星和24颗中圆地球轨道（medium Earth orbit，MEO）卫星组成的完整星座，全面建成北斗三号。BDS由空间段、地面段和用户段3部分组成：空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星3种轨道卫星组成混合导航星座；地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站；用户段包括BDS兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用与服务系统等^[4]。
BDS具有以下特点：
①BDS空间段采用3种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显；
②BDS提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度；
③BDS创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务5大功能^[4]。
应用现状
近年来，中国不断加强北斗导航卫星制造发射以及地面系统建设，北斗导航系统基础设施逐渐完善，预计至2020年底，将全面完成北斗三号系统建设，届时空间信号精度将优于0.5米。北斗系统已广泛应用于交通运输、农林渔业、水文监测、气象预报、救灾减灾等领域，并走出国门在印尼土地确权、科威特建筑施工、乌干达国土测试、缅甸精准农业、马尔代夫海上打桩、泰国仓储物流、巴基斯坦机场授时、俄罗斯电力巡检等方面得到广泛应用^[6]。
支持北斗三号新信号的28纳米工艺射频基带一体化SoC芯片，已在物联网和消费电子领域得到广泛应用，最新的22纳米工艺双频定位芯片已具备市场化应用条件，全频一体化高精度芯片正在研发，全球首颗全面支持北斗三号民用导航信号体制的高精度基带芯片“天琴二代”在北京正式发布，北斗芯片性能将再上一个台阶，性能指标与国际同类产品相当。截至2019年底，国产北斗导航型芯片模块累计销量已突破8000万片，高精度板卡和天线销量已占据国内30%和90%的市场份额，并输出到100余个国家和地区^[6]。
中国卫星导航定位基准服务系统已启用，能免费向社会公众提供开放的实时亚米级导航定位服务。北斗系统在高精度算法和高精度板卡制造方面取得突破，运用RTK（Real-time kinematic，实时动态差分）技术能够将精度提升至厘米级，高精度定位技术未来发展空间广阔。国家北斗精准服务网已为全国超过400座城市的各种行业应用提供北斗精准服务，有效推动智慧城市基础设施的优化和完善^[6]。
北斗卫星导航系统在船舶运输，公路交通，铁路运输，海上作业，渔业作业，森林火灾预防，环境管理监测等领域应用广泛，覆盖部队，公安，海关等其他有特殊指挥调度要求的单位，产生显著的经济效应和社会效应。北斗的应用规模和范围也随着北斗卫星导航系统功能和性能的不断提高与完善，将逐渐扩大，前景可观^[7]。
在海上作业方面，中国船舶工业系统工程研究院的北斗渔船终端和运营平台、北斗疏浚船舶监控终端和运营平台等已经研制完成。2016年，该研究院根据市场需求开展多项北斗系列系统研制，例如北斗遇险救生终端以及基于北斗的“智能船”通导系统和电子通关系统等等。“十三五”初期，基于北斗的内河船舶监管示范工程，由交通运输部和中央军委装备发展部联合启动，取得良好成效，已经成功搭建完成北斗应急无线电示位标法定检验检测的环境。公路交通，铁路运输方面，北斗卫星导航系统可用于监控设施安全和车辆的运输过程，据统计，在全国约有480万辆危险品车、大客车、班线客车安装了北斗终端，监控管理各个车辆的效率和维护道路运输过程中的安全水平，均得到了有效提升。森林防火，救灾减灾方面，北斗卫星导航系统以其精确定位技术，准确及时上报和共享灾情信息，实时进行指挥调度，短报文通信功能提应急通信功能，显著提高了救灾减灾的决策部署能力和反应能力。在环境监测的方面，基于北斗的一系列气象测报型的终端设备形成的系统应用，不仅提高了国内高空气象探空系统的观测精度，而且其自动化水平和应急观测能力都可到了相应的提升^[7]。
北斗卫星导航系统的应用存在着无限可能，2019年10月，国庆阅兵期间，由陆军军事交通学院牵头研发的北斗阅兵训练考核辅助系统，可保障32个方队580台车辆整体车速控制在10千米/小时，其定位精度达到厘米级，已经赶超世界先进水平。随着北斗系统的不断提升，其系统建设的不断增强，有望在2020年6月完成全球组网，实现全球的短报文通信、星基增强、国际搜救、精密定位等服务^[7]。
2020年，北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式7月31日上午在北京举行。北斗三号全球卫星导航系统全面建成并开通服务，标志着工程“三步走”发展战略取得决战决胜，中国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。^[8]
相关新闻
中国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星原计划在2020年6月16日10时发射。但16日官方发布消息称，担任发射任务的长征三号乙运载火箭在临射前的测试过程中，发现产品技术问题，发射任务推迟，发射时间待定^[9]。
北斗三号工程任务一线技术专家李聃接受媒体采访时表示，“首先很遗憾，没有如期等到激动人心的一刻，15日晚上按流程实施射前功能检查时，发现了一个技术问题。射前功能检查就是在火箭起飞前再次对火箭进行一个全面的体检。火箭是一个复杂的系统，航天发射最大的特点就是它的高风险性，因此在全世界范围内推迟发射也是一个比较普遍的现象。正因为航天发射的高风险性，所以工程技术人员最大的目标就是要确保每次发射做到万无一失，确保每次发射都能够成功。为了实现这个目标，研制方也有一个最基本的原则，就是不带疑点加注，不带隐患上天。因此针对这个技术问题，研制方经过慎重研究决定推迟此次发射。整个系统状态是良好的，研制方有能力尽快查明原因，解决问题，重新组织发射。”^[9]
有4大全球卫星导航系统（globalnavigation satellite system，GNSS），包括中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）、美国的全球定位系统（global positioningsystem，GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system，Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global orbitingnavigation satellite system，GLONASS）。其中，BDS和GPS已服务全球，性能相当；功能方面，BDS较GPS多了区域短报文和全球短报文功能。GLONASS虽已服役全球，但性能相比BDS和GPS稍逊，且GLONASS轨道倾角较大，导致其在低纬度地区性能较差。Galileo的观测量质量较好，但星载钟稳定性稍差，导致系统可靠性较差^[5]。
2020年7月31日，北斗三号系统正式开通，北斗三号提前半年完成组网，系统正式开通标志着北斗“三步走”发展战略圆满完成，中国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家^[11]。

GPS系统

由来和发展
美国国防部（United States Department of Defense，DOD）于1973年决定成立GPS计划联合办公室，由军方联合开发全球测时与测距导航定位系统（navigation system with time and ranging，NAVSTAR/GPS）。整个系统的建设分3个阶段实施：第1阶段（1973-1979年），系统原理方案可行性验证阶段（含设备研制）；第2阶段（1979-1983年），系统试验研究（对系统设备进行试验）与系统设备研制阶段；第3阶段（1983-1988年），工程发展和完成阶段。从1978年发射第1颗GPS卫星，到1994年3月10日完成21颗工作卫星加3颗备用卫星的卫星星座配置，1995年4月，美国国防部正式宣布GPS具备完全工作能力。GPS的建设历经20年，其系统由空间段、运控段、用户段3大部分组成，整个星座额定有24颗卫星，分置在6个中轨道面内，它的优良性能被誉为是一场导航领域的革命。GPS提供标准定位服务（standard positioning system，SPS）和精密定位业务（precise positioning service，PPS），在包含选择可用性技术（selective availability，SA）影响时，SPS的定位精度水平为100米（95%的概率），不含SA影响为20~30米，定时精度为340ns；PPS定位精度可在10米以内^[4]。
GPS的现代化
1996年提出GPS现代化计划，其第1个标志性行动是，从2000年5月1日起，取消GPS卫星人为恶化定位精度的SA技术，致使定位精度有数量级的提升。20多年来，美国持续推进现代化计划，投入200多亿美元的巨资，主要目标是提高空间段卫星和地面段运控的水平，将军民用信号分离，在强化军用功性能的同时，将民用信号从1个增加到4个，除了保留L1频点上的C/A码民用信号外，在原先的L1和L2频点上又加上民用L1C和L2C码，还新增加L5频点民用信号，大大增加了民用信号的冗裕度，从而改进了系统的定位精度、信号的可用性和完好性、服务的连续性，以及抗无线干扰能力；也有助于高精度的实时动态差分（real-time kinematic，RTK）测量和在长短基线上的应用，还有利于飞机的精密进场和着陆、测绘、精细农业、机械控制与民用室内增强的应用，以及地球科学研究^[4]。
GPS现代化是项系统性工作，它包括：空间卫星段、地面运控段、新的运控系统（operationalcontrol system，OCX）和用户设备段现代化，其核心是增加L5频点和民用信号数量与改变制式，实现与其他GNSS信号的互操作。最后1颗GPSIIIF预计2034年发射，宣告GPS现代化进程结束。

GLONASS系统

由来发展和现代化
1976年苏联政府颁布建立GLONASS的政府令，并成立相应的科学研究机构，进行工程设计。1982年10月12日，成功发射第1颗GLONASS卫星。1996年1月24颗卫星全球组网，宣布进入完全工作状态。之后，苏联解体，GLONASS步入艰难维持阶段，2000年年初，该系统仅有7颗卫星正常工作，几近崩溃边缘。2001年8月，俄罗斯政府通过了2002-2011年间GLONASS恢复和现代化计划。2001年12月发射成功第1颗现代化卫星GLONASS-M。直到2012年该系统回归到24颗卫星完全服务状态^[4]。
GLONASS截至2020年已经有3代卫星：第1代卫星是传统的GLONASS基本型；第2代星是GLONASS-M现代化卫星；第3代就是最新开发的GLONASS-K卫星，K星系列又分为K1和K2两种型号^[4]。
GLONASS星座是由3个轨道面上的24颗卫星构成的。其传统的信号使用频分多址（frequencydivision multiple access，FDMA），而不是其他GNSS所用的码分多址（code division multiple access，CDMA）。与传统的GPS信号一样，GLONASS信号包括2个伪随机噪声码（pseudo random noise code，PRN）测距码：标准精度（standard accuracy，ST）码及高精度（Visokaya Tochnost即high precision，VT）码，调制到L1和L2载波上。GLONASS ST码也已经在GLONASS-M卫星的L2频率上传输。发送的信号像GPS信号一样是右旋圆极化波的。GLONASS-K1在新的L3频率（1202.025MHz）上传输CDMA信号，GLONASS-K2还将在L1和L2频率上提供CDMA信号，从而实现与其他GNSS的兼容与互操作。GLONASS-K1星的空间信号测距误差（signal-in-space user range errors，SISRE）约为1米，GLONASS-K2星则为0.3米。

Galileo系统

Galileo系统
欧洲全球卫星导航系统（European globalnavigation satellite systems，E-GNSS）就是Galileo。Galileo第1、2颗试验卫星GIOV-A和GIOV-B已于2005年和2008年发射升空，目的是考证关键技术，其后有4颗工作卫星发射，验证Galileo的空间段和地面段的相关技术。在轨验证（design andon-orbit verification，IOV）阶段完成后，其他卫星的部署进一步展开，计划2018-2020年达到24颗卫星构成的完全运行能力（full operationalcapability，FOC）^[4]。
Galileo也由空间段、运控段和用户段组成。星座有24颗卫星分置于3个中圆地球轨道面内。Galileo信号工作的主要频段为E1、E5及E63个。它们各自发射独立的信号，发射的中心频率分别为：1575.42、1191.795和1278.75MHz。其中，E5又分为E5a和E5b两个子信号。为了实现与GPS的兼容互操作，Galileo的E1和E5a2个信号的中心频率与GPS的L1和L5相互重合。出于同样的兼容互操作目的，Galileo的E5b与GLONASS的G3信号中心频率重合^[4]。
Galileo虽然提供的信息仍还是位置、速度和时间，但是Galileo提供的服务种类远比GPS多，GPS仅有民用的标准定位服务（SPS）和军用的精密定位服务（PPS）2种，而Galileo则提供5种服务，即：
①公开服务（open service，OS），与GPS的SPS相类似，免费提供；
②生命安全服务（safetyof life service，SoLS）；
③商业服务（commercialservice，CS）；
④公共特许服务（public regulatedservice，PRS）；
⑤搜救服务（search and rescuesupport service，SAR）。
以上所述的前4种是Galileo的核心服务，最后1种则是支持搜救卫星服务（search and rescue satellite-aided tracking，SARSAT）。由于生命安全服务实际运作有难度，近些年来已经不太提及。即使这样，Galileo服务还是种类较多且独具特色，它能提供完好性广播、服务保证，以及民用控制和局域增强^[4]。
Galileo的公开服务提供定位、导航和授时免费服务，供大众导航市场应用。生命安全服务可以同国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）标准和推荐条款（standards and recommendedpractices，SARPS）中的“垂直制导方法”相比拟，并提供完好性信息。商业服务是对公开服务的1种增值服务，它具备加密导航数据的鉴别认证功能，为测距和授时专业应用提供有保证的服务承诺。公共特许服务是为欧洲/国家安全应用专门设置的，是特许的或关键的应用，以及具有战略意义的活动，其卫星信号更为可靠耐用，受成员国控制。Galileo提供的公共服务定位精度通常为15~20米（单频）和5~10米（双频）2种档次。公共特许服务有局域增强时能达到1米，商用服务有局域增强时为0.1~1.0米^[4]。