試論現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)特點與發(fā)展趨勢

龔正鵬 張鴻健

摘 要：在全球科技飛速發(fā)展的今天，衛(wèi)星導航技術(shù)已經(jīng)進入了全民時代，居民、企業(yè)、政府都離不開衛(wèi)星導航技術(shù)，大到國家在全球衛(wèi)星圖上指定政策戰(zhàn)略，小到居民出行手機導航，都用到了衛(wèi)星導航技術(shù)。本文就現(xiàn)在全球各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行詳細分析，側(cè)重講解了美國GPS系統(tǒng)近年來開發(fā)的各項新技術(shù)，以及分析美國提出的實施新一代GPSⅢ系統(tǒng)計劃，從美國新計劃中探討未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，幫助我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)未來的發(fā)展少走彎路，爭取與其他大國齊頭并進。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導航系統(tǒng)；自主導航；北斗衛(wèi)星；GPS系統(tǒng)

中圖分類號：V474.25 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0029-02

自現(xiàn)代以來，衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球性民用才剛剛開始，衛(wèi)星導航系統(tǒng)大多用于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭環(huán)境偵測、氣象學研究以及災害評估等。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)為各類高新科技武器以及載具提供超精準的定位信息以及制導信息，美國的GPS系統(tǒng)就在美國對外的幾次小型戰(zhàn)場沖突中成功部署實踐，彰顯出其特有的軍事價值，為其他國家在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中進行戰(zhàn)略部署提供了參考。

1 現(xiàn)階段全球各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)現(xiàn)現(xiàn)狀以及特點

1.1 美國Global Positioning System（GPS系統(tǒng)）

2000年開始，美國就開始大力推進GPS導航系統(tǒng)的使用，改善GPS系統(tǒng)的定位性能，使得該系統(tǒng)具有較強的自主生存能力，進而保持GPS系統(tǒng)在能夠精準有效的完成定位，并保持系統(tǒng)長期定位的穩(wěn)定可靠性，逐步實現(xiàn)GPS導航系統(tǒng)能夠更加符合當代發(fā)展的潮流，進而GPS系統(tǒng)能夠成為現(xiàn)代導航系統(tǒng)的標準，使其美國在衛(wèi)星導航技術(shù)上能實現(xiàn)全球性的壟斷。為此，美國采取了一系列的措施，包括：關(guān)閉選擇可用性軟件（SA軟件）、實行新一代GPSⅢ系統(tǒng)、增加民用頻率L5。當前，美國的GPS導航系統(tǒng)位于持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵階段，已經(jīng)完成了現(xiàn)代化導航發(fā)展的第一階段，正在向著Block Ⅱ R-M階段方向發(fā)展。在GPS衛(wèi)星星座方面美國由早期的30顆在軌衛(wèi)星如今改進為24顆工作衛(wèi)星，而這些衛(wèi)星的位置分布也具備一定的規(guī)律性，以地球為中心在約20000km高度分割成六個導軌面，這24顆工作衛(wèi)星呈均勻狀遍布GPS的空間。不僅如此，為了能夠使得導航系統(tǒng)在信息儲存方面持續(xù)更久，還安插了3顆有源備份衛(wèi)星，這樣一來獲取到的導航信息儲存時間會得到增加，雖然這種方式會在一定程度上降低導航的精度，但從整體性能上來看收益大于弊端。傳統(tǒng)的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋，但是持續(xù)能力相對較差，目前的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)在衛(wèi)星星座構(gòu)型上通常采用兩種方式：一種是平面衛(wèi)星均勻狀，一種是非均勻混合型。同樣的此類衛(wèi)星系統(tǒng)以地球為中心分割成六個導軌面，這種設(shè)計方式最大的好處在于能夠更加全面的進行地球覆蓋，并且在持續(xù)性能上大幅度增強，不僅如此在精度上也有所增加，使得接收機在檢測方面更加完善。在用戶側(cè)舉誤差計算上，主要是建立在衛(wèi)星星歷以及衛(wèi)星視線的基礎(chǔ)上得出。

1.2 歐洲Galileo（伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)）

介于美國GPS系統(tǒng)強大的功能，歐洲各大強國畏懼美國GPS系統(tǒng)的壟斷，不想生活在美國衛(wèi)星的監(jiān)控下，也想脫離對美國GPS系統(tǒng)依賴。早在上個世紀90年代，歐盟就開始執(zhí)行伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)設(shè)計，最初將導航系統(tǒng)共由30顆衛(wèi)星設(shè)計而成，制定的計劃中是27顆工作衛(wèi)星加上3顆備份衛(wèi)星，初步預定投入34億歐元資金，但由于各國成員的意見不一致，導致這項衛(wèi)星計劃往后推遲，到目前，已經(jīng)將計劃改成24顆工作衛(wèi)星加上6顆備份衛(wèi)星，截止2016年十二月歐盟已經(jīng)發(fā)射了十八顆工作衛(wèi)星，歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為新一代的民用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它具有比GPS更可靠，某位軍事學家這樣形容到：GPS系統(tǒng)可以精確地找到街道，但是Galileo可以找到更加精密的看到家門。伽利略衛(wèi)星提供了若干種服務(wù)如商業(yè)服務(wù)、公共管理服務(wù)、開放服務(wù)等，這項系統(tǒng)給人們的生活帶來的更多的便捷，對于信息的保護也更加嚴謹，為歐洲地區(qū)國家的工商業(yè)帶來了更多的利益，不僅如此，Galileo系統(tǒng)的部署意味著歐盟打破了美國長時間以來的衛(wèi)星導航壟斷，在未來的全球科技發(fā)展中提供了有利條件，也幫助歐洲在日后建議完善的防衛(wèi)條件。

1.3 中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

BeiDou Navigation Satellite，BDS，這是一項由中國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在有美國GPS以及俄羅斯GLONASS這兩大成熟的衛(wèi)星系統(tǒng)后，中國也緊跟其后，制定了有35顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃，并且本著開放共享的原則，我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將自主獨立的為全球提供服務(wù)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)有5顆靜止軌道衛(wèi)星加上3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星以及27顆中地球軌道衛(wèi)星，在2000年我國就成功發(fā)射了第一顆北斗一號衛(wèi)星，在2012年已經(jīng)完成了亞太地區(qū)的衛(wèi)星星座建設(shè)，可以穩(wěn)定高效的為亞太地區(qū)提供定位、導航、天氣播報等服務(wù)。北斗衛(wèi)星主要功能有：系統(tǒng)用戶可以一次傳達多達120個漢字的信息，以及精密的時間校對服務(wù)，定位水平精度達到100m。不僅如此北斗衛(wèi)星導航技術(shù)在軍事上也有著類似美國GPS的功能：對運動中的目標精確定位；為導彈武器發(fā)射提供知道信息等，這些功能對我國部隊在作戰(zhàn)時有著巨大的益處，提供了很大的優(yōu)勢。

1.4 印度和日本的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)

隨著全球各大國家和區(qū)域的衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)日益完善和涉及領(lǐng)域不斷增多，多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的投入使用已經(jīng)打破了美國GPS系統(tǒng)一家獨大的局面，日本、印度緊隨其后，在利用美國GPS系統(tǒng)的同時，也在馬不停蹄地研究發(fā)展服務(wù)于自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

在日本，國民們都在廣泛的使用導航定位服務(wù)來輔助日常生活的出行，但是日本的飛行服務(wù)區(qū)和其他易遮擋信號地區(qū)太多，經(jīng)常干擾國民的日常導航服務(wù)使用，日本著手與建立MSAS和QZSS這兩大系統(tǒng)來滿足用戶的需求。日本交通部以及氣象局聯(lián)手組織創(chuàng)立基于多功能衛(wèi)星的星基增強系統(tǒng)（MSAS），是對于美國GPS衛(wèi)星功能的一種加強，可以為日本的飛行服務(wù)區(qū)提供導航和定位服務(wù)，也可以在衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的提供準確的天氣播報功能。由于MSAS只能提供飛行區(qū)域的衛(wèi)星導航信息，日本屬于山嶺地區(qū)，城市大多依山而建，對MSAS提供的信號干擾很大，于是日本為了解決此類問題，日本政府聯(lián)合了民間高新企業(yè)共同研發(fā)的準天頂衛(wèi)星導航系統(tǒng)（QZSS），其目的是為了給在日本山區(qū)駕車的人們提供較強的通訊信息以及準確的導航服務(wù)，也可以為衛(wèi)星覆蓋區(qū)域提供空間衛(wèi)星幾何和差分改正服務(wù)。

印度著手研發(fā)的GAGAN系統(tǒng)和日本的MSAS系統(tǒng)的設(shè)計體制相類似，都是一種基于美國GPS系統(tǒng)的星基增強系統(tǒng)，主要應(yīng)用于飛行服務(wù)區(qū)和航空區(qū)域，印度的GAGAN系統(tǒng)覆蓋了整個印度大陸，可以大幅度提高印度機場中應(yīng)用的GPS定位精確度。在另一方面，印度地區(qū)還根據(jù)GAGAN的基礎(chǔ)，自主創(chuàng)新研發(fā)了IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，IRNSS系統(tǒng)不需要再依靠美國GPS為基礎(chǔ)，而是自主投放了三顆GEO衛(wèi)星以及四顆IGSO衛(wèi)星組成了引導自己的衛(wèi)星網(wǎng)，為印度本土的用戶提供單頻和雙頻兩種信號。

1.5 俄羅斯global navigation satellite system（GLONASS格洛納斯系統(tǒng)）

俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)簡稱GLONASS，現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理，該GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)擁有24顆在軌衛(wèi)星。GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，與GPS系統(tǒng)具有相似的定位原理、系統(tǒng)構(gòu)成，以及相近的服務(wù)方式，但在信號通訊體制上有著明顯的不同區(qū)別，坐標參考以及時間基準系統(tǒng)上也大不相同，同時廣播星歷格式也有些許差。GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的在軌衛(wèi)星在3個近圓形的軌道平面上均勻分布，每個軌道面中包括8顆運行中的衛(wèi)星，軌道高度為19100公里，在軌衛(wèi)星的運行周期是11小時15分，GLONASS的軌道傾角是64.8°。指令跟蹤站時刻執(zhí)行對GLONASS導航系統(tǒng)的跟蹤工作，使其能夠全方位實現(xiàn)遠程檢測在軌衛(wèi)星，同時能夠及時分析處理檢測回來的數(shù)據(jù)信息，最后將控制指令以及導航信息能夠和在軌衛(wèi)星對應(yīng)起來。在地面控制站內(nèi)都有激光測距設(shè)備，該激光測距設(shè)備用來對測距數(shù)據(jù)進行周期修正，因此，在所有的GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)上都裝有激光反射鏡。

2 現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)特點發(fā)展趨勢

通過上述的全球幾大國家和地區(qū)的現(xiàn)代衛(wèi)星導航技術(shù)的現(xiàn)狀以及特點，可以嘗試著分析出未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)的有以下幾點：多數(shù)量衛(wèi)星互相兼容與組合構(gòu)成導航定位網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星的廣域增強技術(shù)、導航與通信一體化技術(shù)等。

在接下來的發(fā)展中，GPS和Galileo以及GLONASS等會成為首批完成多衛(wèi)星兼容的導航系統(tǒng)，衛(wèi)星導航功能大幅度提升，原先各國家各地區(qū)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)會更加開放，從之前的自主封閉式研究演變?yōu)橄嗷ズ献鞴餐芯浚瑥慕陙砻绹投砹_斯以及歐盟就多系統(tǒng)共用頻段導致的干擾問題多次組織會議探討解決，并且達到了高度一致性的認識。

如何提高導航定位的精確度以及系統(tǒng)檢測完好性一直是每個導航系統(tǒng)的宗旨，公認是方法是采用GEO衛(wèi)星來進行輔助其他工作衛(wèi)星。如美國的WASS系統(tǒng)以及歐盟的EGNOS服務(wù)，他們在本質(zhì)上都是將衛(wèi)星星歷參數(shù)以及電離層延遲誤差進行短時播報來達到剪短導航數(shù)據(jù)可用齡期的功能，達到定位精度2m的高水準，還保障的導航信息的安全。

如何將現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)建立成頂級的標準是每個國家的目標，現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的頂級標準指標主要有：定位精準、數(shù)據(jù)完好、可用性以及連續(xù)性，要滿足以上標準，必須使自身衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)布局完善，讓衛(wèi)星之間的信息傳遞達到高速高效的水準，只要通過一顆衛(wèi)星就可以收集處理整個衛(wèi)星網(wǎng)的信息來達到滿足衛(wèi)星導航系統(tǒng)的各項指標，減少多個衛(wèi)星協(xié)同工作出現(xiàn)的定位偏差，從而實現(xiàn)全球無時差信息接入與獲取。

3 結(jié)語

經(jīng)過全文的對現(xiàn)代導航系統(tǒng)技術(shù)的匯總，以及對未來發(fā)展趨勢的分析，可以在大體上為我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在未來的發(fā)展上提供一個總的方向，那就是建成一個具有多衛(wèi)星兼容性好、廣域系統(tǒng)增強、以及導航與信息技術(shù)一體化等多功能高效率的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，積極與其他各國各地區(qū)分享與探討衛(wèi)星導航技術(shù)的疑點和難點，積極處理問題，時刻保持著創(chuàng)新精神，才可以讓我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在未來的國際衛(wèi)星中獨當一面，再次推動全球衛(wèi)星導航技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新。

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