全球導航衛星系統的發展綜述

張梓巍，白玉星，李晨曦

（1.北方工業大學土木工程學院，北京 100144；2.北方工業大學理學院，北京 100144）

全球導航衛星系統是一款基于空基無線電的導航定位手段。它是可以為用戶提供地面或者近地面空間任何位置的三維坐標、速度及時間信息的尖端技術[1]。它的主要工作原理是通過至少4顆衛星的空間坐標（該坐標可從衛星的導航電文中得到），以及從衛星處發出的無線電信號對目標點進行距離測定，運用空間測距交會定點原理，確定地面（近地面）目標物空間位置[2]。計算公式為R2=[（X0－X）2+（Y0－Y）2+（Z0－Z）2]，R為修正后的距離，X0、Y0、Z0為從衛星導航電文中得出的衛星坐標，X、Y、Z為待測目標點坐標。

全球導航衛星技術是于20 世紀60 年代發展起來的一種基于人造衛星的新型導航技術手段。1957 年10月，第一顆人造衛星“火花號”發射成功。1958 年科學家發現衛星信號的多普勒頻移現象。1964 年美方成功研制開發第一代多普勒衛星定位導航系統——子午衛星系統（NNSS）。1967—1974 年美國海軍研究實驗室發射了3 顆“Timаtiоn”計劃試驗衛星。1973 年，美國國防部整合海陸空三軍聯合研制基于“時差測距導航”原理的第二代衛星導航全球定位系統（GPS）。1982 年蘇聯研制GLONASS 全球定位技術。1983 年中國開始進行對北斗衛星導航系統的研發開展籌策工作，并于2000 年開始“北斗一代”的構建。1994 年歐盟對伽利略衛星導航系統（Gаlilео）進行系統的方案論證，2002 年啟動研發工作。

經χ2檢驗，兩組選擇率比較均P＜0.01，說明實驗組與對照組學生在學習興趣、學習效率、對知識的理解力和記憶力等方面存在顯著性差異。

在過去的幾十多年里，GPS、Gаlilео、GLONASS、“北斗”四大全球導航衛星系統逐步完善，逐步完成現代化改造[1]。除了上述的幾大全球系統外還有增強系統和區域系統。其中增強系統包括美國的WASS、日本的MSAS，區域系統包括日本的QZSS、印度的IRNSS。

衛星導航技術的出現是21世紀關于導航技術的一項重大變革[3]，但是針對不同的導航系統還是存在這一些未解決的問題，所以下文將指出這些問題并將對這些問題提出一些簡單的解決方法。

1 全球導航衛星系統的發展

1.1 GPS

1958 年，美國的霍布金斯大學接受美國海軍的委托，研發了一款專門供給軍用艦艇使用的導航定位系統，即美國海軍導航衛星系統。至19 世紀60 年代，美國由此為基礎繼續研發能夠滿足美國三軍及民用的新的導航衛星系統。

皇帝曾四次召見秀容月明，秀容月明來了，他降階相迎，秀容月明走了，他送出宮外，臨別了，還拉住秀容月明的手再三叮嚀。眷遇之隆，寧國臣子，沒一個比得上。

GPS 的研發歷時共20 年，總耗資300 億美元，研發期間經歷了方案論證（1974—1978 年）、系統建設（1979—1987 年）、試驗運行（1988—1993 年）3 個階段。GPS 為覆蓋全球的全天候高精度導航定位系統，它的應用廣泛擴展到軍事經濟、大眾生活和科學研究等各行各業。

Key words: Internet plus; education informatization; nursing profession; connotative development

通過建立模糊數學模型將濃香型白酒窖泥質量影響因素定性定量化，可以降低窖泥質量評估的主觀性，并且為白酒企業窖泥質量的改良和提高提供理論依據。結合實際應用情況，我們會對窖泥質量評估體系繼續深入研究，以對窖泥質量評估體系進行更科學的修正完善。

然而如今的GPS 系統已經發展到第三代，第三代的GPS 系統漸漸地摒棄掉曾經的6 軌道24 顆衛星的結構和布局，而采用33 顆GPS-3 衛星構建的高橢圓軌道和地球靜止軌道相結合的新星座[1]。

1.2 Galileo

北斗星基增強系統預計通過3 顆GEO（地球靜止軌道）衛星，搭載其增強信號轉發器，向使用者發射多種修正信息，進而提高原有定位精度。但是目前該技術仍然屬于測試階段。

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格勞博（GROB-WERKE）是一家擁有90年歷史的德國家族企業，產品組合覆蓋從萬能加工中心到高復雜性的全自動機加工系統，從適用于金屬切削的裝配單元到全自動裝配線。格勞博在生產系統的設計和交付方面擁有豐富的經驗，生產的機床產品具有優良的質量和絕佳的可靠性，可為客戶提供有關汽車工業和通用機械各個領域的最佳支持。目前，格勞博位于大連、北京和上海的工廠共有超過 550 名員工。

該系統的研發過程可以分為以下階段[5]：①2002—2005 年為定義階段。論證分析該計劃的可行性、必要性及實施措施。②2005—2011 年為在軌驗證階段。在該階段對該系統進行研發、實施以及對該系統的空間部分、地面部分進行檢驗，同時也對系統進行在軌驗證。③2011—2014 年為全面部署階段。即制造和發射正式運行的衛星，構件整個地面基礎設施。④2014 年后為開發利用階段。開始運行服務、系統維護、按需更換衛星等。

1.3 GLONASS

GNSS 技術從最早的雛形確立到現在雖然得到了長久的發展，但是仍在某些方面不能滿足用戶的需求。

GLONASS 系統的衛星包括三代，即GLONASS衛星、GLONASS-M 衛星、GLONASS-K 衛星。其中第一代衛星已經停用。衛星分于3 個軌道內，每軌道8顆，共計27 顆衛星（23 顆工作狀態、1 顆維修狀態、1 顆備用、2 顆飛行測試階段）[6]。

20 世紀70 年代GPS 技術開始研制。20 世紀70年代中期，GPS 開始了地面試驗，直至20 世紀80 年代末，GPS 具有了實際應有的條件。1989 年，第一顆GPS 的衛星發射成功試驗運行，GPS 進入了工程建設階段。1992 年，在沙漠風暴戰役中初次對GPS 技術進行了應用，1994 年正式建成。1996 年宣布GPS 為軍民兩用系統，2000 年GPS 正式放開在全球廣泛推廣應用[4]。

1.4 北斗衛星導航系統

北斗衛星是中國獨立自主研發和運行的一款全球衛星導航系統，該系統共分為第一代北斗衛星導航系統和第二代北斗衛星導航系統2 代。

中國于20 世紀80 年代決定研發北斗系統。2003年，驗證系統建成，由4 顆同步衛星、地面部分和用戶接受端構成。北斗一代的衛星系統可以對中國內部及臺灣周邊地區提供定位服務。北斗二代擁有5 顆同步衛星、30 顆中軌道衛星，軌道半徑約為21 500 km。在2007 年2 月和2007 年4 月一顆北斗同步衛星和中軌道衛星升空后，北斗二代衛星進入建設期階段。截至2013 年16 顆北斗衛星相繼發射成功，初步建成覆蓋國內和亞太地區的區域性無源衛星導航系統。現在，中國計劃中的55 顆北斗衛星均已發射升空，北斗衛星系統與GPS 有很多相似之處。

星座布局的優化可以在一定程度上保證GNSS 系統使用中的連續性和可用性。

2 存在的主要問題[7]

1976 年，蘇聯開始對GLONASS 導航衛星系統進行研發。對于GLONASS 系統的研發包含以下3 個階段：①維持系統的“最低需求水平”階段；②研發GLONASS-M 衛星，實現GLONASS 和GLONASS-M衛星共同18 個衛星的空間部署；③開發GLONASS-K衛星，實現GLONASS-M 和GLONASS-K 共24 顆衛星的空間部署。在GLONASS 衛星的發展過程中，其信號從一個L 的頻段向3 個L 頻段擴展，調試的樣式也由FDMA 向CDMA 擴展。

2.1 PVT 精度問題

在GPS3 衛星上安裝激光棱鏡反射器，可以使GPS的無線電追蹤成果以及軌道追蹤成果相互獨立開來，也可以讓衛星鐘差以及星歷誤差在過程中不相關。

2.2 可用性問題

GNSS 可用性指該系統服務的時間百分比，是指代某一覆蓋范圍內提供導航能力的標志。而可用性又與某時刻能看到的衛星數量和衛星的幾何布局有關。一般來說，影響可見衛星數量的因素有遮蔽角和周圍地物地貌。遮蔽角減小，可使更多的衛星被看見，但同時會導致大氣延時和多徑問題發生。對于擁有較多高樓大廈或者高低起伏大的區域，即便遮蔽角小于衛星仰角但也無法接收到有效的衛星信號。

2.3 完好性問題

系統的完好性指GNSS 發生問題后能夠迅速告知使用用戶，以免因為系統誤導而產生定位錯誤。在精密進近飛行過程中，GPS 不能夠滿足完好性要求，只能依靠陸基導航的引導才能夠正常工作。

2.4 抗干擾問題

GNSS 的信號容易被干擾的原因如下：到地面的GNSS 信號比較弱，容易受到干擾；GNSS 擁有著公開的信號頻段和民用導航碼，敵方可以產生各種干擾信號或偽信號去干擾GNSS 的信號，從而影響信號的接收；接收機對收到的信號難分真假。

3 解決方法

3.1 優化星座布局

小指針獎其實是性價比之選。今年獲得獎項的是HABRING2，這個品牌名氣雖然不響，但過去幾年經常在日內瓦大賞中獲獎，可見在制表工藝和創意上都是備受業內肯定的品牌。這次摘得小指針獎也不算意外。

3.2 采用更先進的衛星測軌技術

GNSS 技術隨著自身的發展已經漸漸地被引用到了多項精細測量的領域，而如今PVT（Pоsitiоn Vеlосity Timе）精度已經不能滿足更多精細工作的需要了。

3.3 提高信號發射功率

提高信號的發射功率可以使接收機的跟蹤更加穩定，捕獲更加快速，降低解調過程中的誤比特率，降低第一次定位時的時間長度，提高抗干擾能力。

3.4 增加信號發射頻段

適當增加信號的發射頻段，可以提高衛星系統的抗干擾能力，也可以建立精確的電離層延時模型。提高發射頻段可以傳遞更多信息，通過這些信息可以使定位速度和精度提高。

4 中國北斗系統未來發展

中國的“北斗-3”于2020 年7 月正式為各國提供PNT（綜合定位導航授時體系）服務[8]，但美國已與20 余年前就提供了此項服務。要將北斗衛星的導航系統的信號賦予到各類用戶的設備中，仍然是一個挑戰。

4.1 星基增強系統

“伽利略”衛星導航系統是由歐盟所研發的一款全球導航衛星系統。也是第一個基于民用的全球導航衛星系統。該系統共有30 個衛星（27 個工作衛星、3個備用衛星），軌道高約為24 000 km。

4.2 “北斗”系統的兼容性與交互性

目前，除了全世界擁有四大全球導航衛星系統，即GPS、GLONASS、“北斗”、Gаlilео 外，還有日本的QZSS 和印度的NаvIC 這2 個區域衛星導航系統。對于人們所熟知的GPS 系統而言，已經不約而同認為它占據全球導航衛星系統的主導地位，被大眾廣泛接受。為將“北斗”系統更好地融入市場，必須先與這些定位系統進行很好兼容和交互，以使在不增加用戶設備成本的情況下獲得更多的用戶基數[9]。

全球衛星導航系統兼容性的定義為：全球衛星導航系統和區域衛星導航系統既可以單獨使用也可以共同使用，且不影響其他系統的使用性能。交互性指全球導航衛星系統和區域導航衛星系統以及各種增強系統可以共同使用，并且使精度更高、更加便利。

GPS 和Gаlilео 這2 個系統早在2004 年就實現了兼容性和交互性。為了“北斗”能夠擁有更廣泛的客戶，所以兼容性和交互性的問題必須解決且必須提為優先改進的計劃。

每個地方的電力生產都有不同的運行情況，電力在生產過程中，一定要結合變電站的具體情況制定安全管理目標，禁止出現逾越安全目標管理的行為，保證變電站的所有項目都以安全為主要目標進行，相關工作人員一定要結合變電站的實際情況，制定安全管理目標。同時要進行精細化管理，全面梳理電力運行系統故障和安全管理內容，對相關設備進行定期維護。完善變電運行安全管理的目標和制定，保證電力系統的順利運行[1]。

2017 年12 月，中美聯合發布《北斗與GPS 信號兼容與互操作聯合申明》。同年年底，“北斗”系統與Gаlilео 系統之間在兼容和交互上達成了諒解備忘錄及協議。2019 年8 月，中俄在關于“北斗”系統與GLONASS 的兼容交互問題上簽署諒解備忘錄和協議。自此，中國“北斗”與其余GNSS 系統之間的兼容和交互之門正式開啟，但是仍存在很多技術問題有待解決。

5 結束語

總之，人類文明發展的的過程是逐步向前邁進的。人們在科學技術上認知和發展是不斷趨于完善和進步的。人們從最初的用原始的方法找尋方向，根據經驗探索道路，慢慢發展為后來的陸基導航，再進一步發展成為現在所熟知的全球衛星導航系統。這正是人們近千年來不斷對科學技術探索所凝結出的智慧的結晶，它也是人類文明得到發展的一個縮影。

納入標準：均符合妊娠期糖尿病的診斷標準；所有產婦均宮內單胎；臨床資料均全面；均自愿參與研究并簽署知情同意書；可進行有效溝通；該次研究的排除標準：存在精神疾病孕婦；妊娠伴有高血壓、心臟病、嚴重肝腎功能不全等疾病孕婦；溝通存在障礙孕婦；存在早產或先兆流產的孕婦；臨床資料不全面孕婦。

直到現在，世界上已擁有GPS、GLONASS、“北斗”、Gаlilео 這4 種全球導航衛星系統。全球衛星導航系統的存在極大程度上方便了人們的生活，讓人們能夠跨越空間認知地球上所真實存在的地方。衛星系統在造福于人類的同時也成為了一種新興產業，并且也是21 世紀最熱門投資的產業之一。它是在通信、互聯網之后的第3 個高新技術的經濟增長點，并且在北美、歐洲和其他地區得到了廣泛的應用，產生了很高的經濟效益。同樣，全球衛星導航系統除了能夠獲得經濟效益以外，也體現了一個國家國防和綜合實力的水平[9]。

遙想未來，應不斷地發展并完善現有的系統。設計和建設能夠滿足社會所追求、所需要的，世界人民所共享的新一代的全球衛星導航系統是人類不斷追求的目標。