全球衛星導航系統的現狀與進展

文/王溫

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

1 美國GPS系統

美國GPS 系統是以軍用衛星系統為基礎逐漸發展而成的綜合化衛星導航系統，也是世界范圍內發展最早、最成熟的全球衛星導航系統，是基于衛星基礎構建而成的無線電導航定位系統，在導航、定位、定時等方面均表現出較為強大精密的功能。

GPS 系統星座共由24 顆衛星組成，包括有21 顆工作衛星、3 顆備用衛星，24 顆衛星全部均勻分布在6 個軌道面上。當前，受限于中心頻帶、偽距的限制，美國GPS 系統的抗干擾程度與定位精度均有待提高，其信號結構也不能滿足新時期的發展需要，另外地面監控系統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控系統的重要性，如果地面監控系統出現偏差或是破壞的狀況，那么GPS 系統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 系統采取了一些列優化措施，取得了一定的初步成效。早在2011年，就完成了GPS 系統的衛星星座擴展，完成了調整3 顆衛星位置、重新定位3 顆衛星的工作，實現了24+3 的星座模式，也即理想衛星星座構成。這一舉措大大拓展了原有系統的影響范圍，也提高了衛星的運行效率。在2010年至2016年間，美國曾發送12 顆IIF 衛星，積極開展導航衛星的退役和增補工作，同時提高了導航信號服務質量。第三代GPS 衛星-GPS-III 也正處于研制過程中，GPS-III 具有更精準、更抗干擾、可互操作的優勢。

2 俄羅斯GLONASS

俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（即GLONASS）的發展過程相對曲折，早在上世紀70年代蘇聯就已經開始了衛星導航系統的研制，但隨著蘇聯的解體，俄羅斯早期缺乏雄厚的經濟實力，使得其發展受阻。盡管發展曲折，但相關研究與開發一直在進行。當前，格洛納斯衛星導航系統采用了27+3 的衛星構成模式，其中27 顆衛星為工作星，剩余3 顆為備份星，共計30 顆衛星均勻分布在三個近圓形的軌道平面上。其地面支持系統所能覆蓋的范圍限制在俄羅斯本土境內，主要由系統控制中心、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 的發展主要面臨如下問題：

（1）相對來說，其工作性能穩定性較差，且衛星的正常工作壽命不長；

（2）配套制造生產相對緩慢；

（3）由于格洛納斯衛星導航系統選用了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 導航系統與GLONASS 并行使用，兼容兩種系統的接收機需要解決時間、坐標系統的綜合處理問題。

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

3 伽利略衛星定位系統

Galileo 是歐洲范圍內完全民用的衛星導航系統，起步于二十一世紀初期，近年來發展勢頭十分迅猛，整體工作狀態良好。系統共計劃發射30 顆衛星，包括27 顆工作衛星和3 顆備用衛星，27 顆衛星為工作衛星，地面建有兩大控制站。Galileo 是完全民用的一個全球衛星系統，因此其與其他系統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 和格洛納斯系統加快技術更新，中國北斗衛星導航系統的迅猛發展也沖淡了伽利略系統未來的市場前景，因此伽利略系統的商業化道路走得并不輕松。

4 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統是完全由我國自主研制并開展運行的全球衛星導航系統，是我國科技現代化水平提高的重要標志，它也正向世界范圍內具有重要影響力的衛星導航系統發展。對于形成我國衛星導航應用產業的支撐起到了重要作用，且已經實現了多個領域的滲透與推廣工作，大大便利了國民經濟各行業的運轉。

2000年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務，截至2003年，北斗一號系統擁有三顆衛星，其中兩顆為工作衛星，剩余一顆為備用衛星，系統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，向亞太地區服務?，F階段，已建成北斗三號基本系統，實現了全球范圍內全天候、無縫隙、全時段的即時定位服務?？焖俣ㄎ?、短報文通信、精密授時是系統的三大特點，定位的精度優于10 米，在亞太區域定位精度優于5 米，測速精度優于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；精密授時已經實現了優于50nS 的同步精度。

近年來，北斗系統系列衛星的發送拓展了北斗系統的運營空間。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的組網衛星上，實現了全球范圍內的遇險報警及精準定位服務。2018年12月，北斗衛星導航系統的服務范圍擴展為全球，這標志著北斗衛星導航系統正式進入了全球時代。

5 結束語

現階段，世界范圍內的四大衛星導航系統占據著重要位置，這在新時期，時空信息與人類生活的聯系將更加緊密，全球衛星導航系統也必將不斷實現創新進展。