基于國內外主要衛星導航定位系統的發展

陳茜 田利強

（北京衛星導航中心 北京市 100094）

我國在借鑒西方發達國家先進技術的同時，也在努力探索擁有自主知識產權的衛星導航定位系統，“北斗”衛星導航系統就是其中最重要的發明。該系統的建成使我國終于擁有了獨立運行的衛星導航系統，系統可以為全球用戶提供精準的定位導航服務，作為我國一項空間基礎設施，北斗衛星導航系統可以與其他系統相互兼容。

1 國內外主要衛星導航定位系統的發展研究

1.1 美國GPS衛星導航系統

當前國際上共有三大主流衛星導航定位系統，其中美國研發的GPS 衛星導航系統就是三大主流系統之一。該系統已在國際上得到廣泛應用，從二十世紀七十年代開始，美國就對GPS 衛星導航系統進行了研發，于1994年正式建成。GPS 衛星導航系統可以為全球表面98%以上的地區提供定位服務，整個系統中擁有1 個主控站和3 個數據注入站，共24 顆用于定位的GPS 衛星，用戶端安裝了GPS 接收機，只要有三顆以上衛星，系統就能定位出該用戶的接收機所處的地理位置以及海拔高度。

由此可見，GPS 衛星導航系統能夠接到越多衛星，其定位結果就越準。系統中的GPS 信號主要有兩大類，第一類是軍規精確定位信號，第二類是民用的定位服務信號。軍規精確度新聞給服務在沒有授權的情況下不能隨意使用，所以美國政府在民用定位信號中加入了部分選擇性誤差，降低GPS 衛星導航系統的定位精度，并將誤差控制在100 米以內，而軍規下的系統定位精度誤差一致保持在10 米以內。二十一世紀以后，美國取消了對系統通訊信號干擾的這一決定，所以民用定位信號的精度誤差與軍用的一致了，同時人們應用差分技術為GPS 衛星導航系統建立了基準站，根據已知的坐標，將觀測值和坐標相對比，從而得到修正數。終端設備收到修正數后會將誤差進一步消除，使GPS 衛星導航系統的定位結果更加準確，從10 米提升為5 米[1]。

1.2 俄羅斯“格洛納斯”系統

從1993年開始，俄羅斯就在建立屬于自己的衛星導航系統，即“格洛納斯”導航系統。該系統主要由三部分組成，其中包含衛星星座、地面監測站以及用戶終端設備，“格洛納斯”從2007年開始正式運營，于2010年向全球用戶提供導航服務，服務內容包含海陸與空中的定位坐標和物體運動速度。與GPS 衛星導航系統相同，“格洛納斯”也配置了24 顆衛星，定位精度比GPS 衛星導航系統的民用定位精度要高，不僅為普通用戶提供了導航服務，也可以和GPS 相結合，向用戶提供精度幾何因子。“格洛納斯”導航系統在水平方向上定位精度為16 米，在垂直方向上定位精度為25 米，目前俄羅斯將該系統用于導航定位，堅持軍民合同的使用政策，系統抗干擾能力較強，可以有效避免被其他系統干擾[2]。

1.3 歐盟伽利略系統

1999年歐盟公布了關于伽利略衛星導航定位系統的研發計劃，希望通過該系統的建立打破以往美國GPS 系統的壟斷局面。2002年伽利略計劃開始啟動，2006年系統正式運營。和GPS 衛星導航系統相比，歐美自主研發控制的伽利略系統的可靠性更高，系統定位精度可以達到1 米，只要伽利略系統找到了街道，就能緊接著找到家門。伽利略系統的運行推動了美國GPS 系統與俄羅斯“格洛納斯”系統技術的革新，美國計劃在2030年投入并使用第三代GPS 定位系統。

1.4 日本準天頂系統

二十一世紀初，日本提出了關于研發國際互聯網衛星的建議，申請報告批準后，2010年“準天頂”衛星成功發射。日本準天頂系統包含一顆地球同步軌道衛星、三顆傾斜同步衛星。對于地球來說，日本準天頂系統的每顆衛星每天的運行軌跡是相同的，所以日本本土上能夠看到一顆衛星一直留在天空定點位置處。準天頂系統在具有軍事功能的同時，也可以作為GPS 定位系統的補充使用，只要系統能夠收到三顆衛星定位信號就能完成精確的定位服務。準天頂系統的精度較強，通過衛星發送衛星星歷和電離層校正信息，人們在日本本土的定位精度可以精確到1 米。除此之外，日本準天頂系統可以向用戶提供災害告警服務，日本作為海島國家，地處環太平洋地震帶，火山地震災害頻發，發生災害時，準天頂系統的衛星能夠將預警信息傳遞給用戶，以便用戶采取防護措施[3]。

1.5 印度區域導航衛星系統

印度區域衛星導航系統是一個自由區域型定位系統，系統可以提供民用標準定位和軍用限制型定位服務。印度政府希望通過系統提高制導武器精度，系統擁有7 顆衛星和相關地面輔助設施，同步衛星有3 顆，這些衛星可以與印度地面控制站保持不間斷的聯絡。2016年印度又發射了IRNSS-1E 導航衛星，這是繼美國、俄羅斯、中國衛星導航系統之后的第四個系統。相比之下，我國研發的北斗衛星導航系統比印度的區域衛星導航系統先進10年左右，基于各國相繼發展的背景下，加快我國北斗衛星導航系統的應用尤為重要。

2 我國“北斗”衛星導航定位系統的發展分析

2.1 系統組成

在美國和俄羅斯的衛星導航系統研發之后，我國的北斗衛星導航系統是全世界第三個成熟的導航系統，整個系統包含空間、地面與用戶三部分，向全世界用戶提供定位導航與授時服務。2012年開始，北斗衛星導航系統開始在亞太區域內運行使用，2017年我國正式開始建造北斗衛星導航系統。整個北斗衛星導航系統的建成主要分為三個階段，具體如下：

（1）第一階段為試驗階段，使用少量衛星，依靠地球同步靜止軌道展開系統試驗，研制與北斗衛星導航系統有關的地面輔助設施，比如“北斗一號”。

（2）第二階段為2012年，我國已發射了10 多顆衛星，并在亞太區域內建立了“北斗二號”衛星導航系統。它克服了“北斗一號”的缺點，為用戶提供全方位定位服務，不管是導航方式或定位覆蓋范圍，“北斗二號”衛星導航系統都與美國研發的GPS 系統類似。

（3）第三階段是2020年，我國已建成了全球衛星定位系統，其中包含5 顆地球靜止軌道、30 顆地球非靜止軌道衛星組網，系統能夠提供多頻信號，在信號組合的情況下服務精度有所提升。這一時期我國北斗衛星導航系統可以實現全世界范圍內無盲區定位導航，定位精度最低2.5 米[4]。

2.2 系統功能

北斗衛星導航系統總共有定位、導航、授時、通信四大功能。具體內容如下：

（1）定位功能。北斗衛星導航系統是我國自主研發的導航系統，定位誤差不超過10 米，軍用定位精度可以達到毫米級，比美國GPS 民用定位誤差還要低。用戶終端可以按照北斗衛星導航系統的實際授權情況完成位置匯報工作，方便指揮機構了解當前定位終端的動態。

（2）導航功能。這是北斗衛星導航系統最主要的功能，一臺終端機可以接收來自不同系統的定位信號，測速精度每秒可達0.2米。

（3）授時功能。北斗衛星導航系統在為用戶提供定位服務的同時，也能夠提供授時功能，測量精度為50ns，可以用于軍事、金融以及電力通信領域。

（4）短報文通信功能。北斗衛星導航系統向已授權的用戶提供該功能，配屬完成后移動終端可以和指揮機在不受距離約束的前提下進行信息傳輸。同時，移動終端也能完成點對點通信，將其用于搶險救災中可以取得良好的效果。當前我國南方區域的通訊更加穩定，在未來北斗衛星導航系統應對北方地區進行組網完善。

2.3 系統應用特點

北斗衛星導航系統是我國獨立自主研發，可以穩定覆蓋全球的衛星導航系統，與美國GPS 系統、俄羅斯“格洛納斯”、歐盟伽利略計劃相比，北斗衛星導航系統增加了通訊功能，并將短信與導航服務相機和，指揮機能夠和用戶設備相互通訊。北斗衛星導航系統的授權服務擁有高級保密級別，B1 和B2 開放式信號可供民用，B3 開放式信號供軍方使用，加密信號有著授權功能，每臺設備只有一個身份，適合用于集團用戶監控管理。現如今，北斗衛星導航系統已經成功應用于金融行業、網絡通信領域、民用航空以及電力調度等領域，在海洋漁業中，系統發揮著導航與通信功能。軍事領域上，北斗衛星導航系統服務于軍隊，有效保障了我國國防建設需求，保護國家安全。汶川地震時，北斗衛星導航系統起到了至關重要的作用，地震區域通信終端，救援部隊配置了北斗一號終端機，在北斗衛星導航系統的幫助下實現了直接聯絡，提高了救援效率。

2.4 系統未來發展前景

基于國內外主要衛星導航系統的競爭，我國北斗衛星導航系統憑借著自身強大的競爭優勢，擁有廣闊的市場發展前景。在未來，北斗衛星導航系統應進一步提高定位精度，在各地區建設地基增強系統，就像美國GPS 系統的差分功能一樣，盡可能的消除信號區域誤差。與地基增強系統相配合，北斗衛星導航系統的定位誤差將會達到1.2 厘米。同時，消除系統的定位盲區，羲和系統是北斗衛星導航系統的延伸，可以解決樣北斗衛星導航系統的室內定位盲區問題，滿足室內和地下區域等信號屏蔽地區的定位導航需求，提高系統無縫定位能力。提高系統的抗干擾能力，將電磁盾牌技術與北斗衛星導航系統相聯系，讓用戶可以直接和系統完成通信聯系，以變頻發射技術作為未來北斗衛星導航系統的發展方向，提高系統的抗干擾能力，使系統更好的適應復雜的使用環境。促進北斗衛星導航系統融合發展，注重星際導航兼容，與美國、歐盟、俄羅斯等國家的衛星導航系統展開合作，實現射頻兼容，使用戶結合自身需求切換系統，突出不同系統功能的互補性。

3 總結

總而言之，與美國GPS 定位系統、俄羅斯“格洛納斯”、歐盟伽利略計劃相比，我國北斗衛星導航系統的發展較晚，在使用時有部分地區信號不夠穩定。基于北斗衛星導航系統當前發展現狀，在未來系統應進一步提高定位精度，努力消除定位盲區，加強和地基增強系統的配合，提高系統無縫定位能力，將電磁盾牌技術和變頻發射技術用于其中，推動系統的可持續進步。