全球導航衛星系統發展現狀及應用

王亮亮 汪嘯風 王仁濤

1.山東理工大學測繪系，山東 淄博 252500

2 山東理工大學建筑工程學院測繪工程系

引言

當代全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System 簡 稱GNSS），泛指以美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國BeiDou、歐洲Galileo為核心的全球衛星導航系統以及區域增強系統。自1978年第一顆GPS衛星入軌以來，35年間，GPS已在社會，軍事，經濟等領域中發揮了巨大的作用。

1 GNSS的發展及現狀

1.1 美國GPS 1958年，美國詹斯·霍普金斯大學麥克雷等學者，根據在軌衛星的軌道參數和衛星信號的多普勒頻率，設想了一個由空間點定位地面點坐標的“反向觀測方案”，由此奠定了第一代衛星導航系統的基本原理。同年，美國海軍和詹斯·霍普金斯大學應用物理實驗室開始聯合研制美國海軍導航衛星系統，主要目的是為核潛艇提供全球性導航系統。20世紀70年代，美國開始研制新一代衛星定位系統GPS，歷時20年，耗資300億美元，于1994年全面建成投入使用，覆蓋率高達98%。GPS星座共由 24顆衛星組成，其中21顆工作衛星，3顆備用衛星，衛星均勻分布在6個軌道面上。在GPS系統設計之初，主要目的是為了能夠在海陸空三大領域內提供實時、全天候、全球性的導航服務，同時用于情報收集、核爆監測和應急通訊等軍事目的。現今，美國正在加速實施“GPS現代化”的研發，新一代GPS衛星設計壽命為15～20年，分辨率將高于目前衛星的10倍，抗干擾能力將提高100～500倍。GPS現代化實現后，將大大提高GPS系統的安全性、準確性和可靠性。

1.2 俄羅斯GLONASS 1982年10月，前蘇聯開始研發第二代導航衛星系統—GLONASS，該系統可全球、全天候、連續實時地為用戶提供三維位置、三維速度和時間信息。GLONASS也是由24顆衛星組成，衛星均勻分布在3個軌道平面上，平均軌道高度為19100km，衛星運行周期為11h15min。GLONASS衛星在軌作業壽命過短，部分衛星在軌作業時間不足2年，維持該系統每年需耗資數千萬美元，特別是在俄羅斯經濟不太景氣時期，難以有效維持GLONASS的正常運行。為了挽救GLONASS衛星系統，1999年2月18日俄羅斯總統葉利欽決定同意軍民共同分享控制GLONASS，以擴大GLONASS的應用領域。直至2010年10月，俄羅斯政府已經補齊了該系統所需的24顆衛星。2011年11月4日，俄羅斯將3顆衛星送入預定軌道，使在軌衛星群總數28顆，達到了設計水平。

1.3 歐洲Galileo 1999年2月10日，歐盟提出了研發伽利略系統（Galileo）的計劃。該系統是與美國GPS和俄羅斯GLONASS兼容的民用全球導航系統。歐盟此項研究主要為商業用戶提供高精度的導航定位信息。伽利略系統計劃由30顆高軌衛星組成，27顆為工作衛星，3顆為備用衛星，分3個軌道面，軌道傾角為56°軌道高度21426km，定位最高精度小于1m。歐盟計劃在歐洲建立30個地面監測站和4個主控中心，在伽利略的研發過程中，歐盟委員會在資金的籌措上困難重重，在國際政壇上，美國又不斷向歐盟施壓，使得伽利略計劃幾度擱淺。伽利略系統的研發，是歐洲力圖擺脫美國控制的又一重大決策，具有深遠的政治意義。

1.4 中國北斗（BeiDou）1986年初，我國開始實施“雙星快速定位通信系統”的研發。1994年1月雙星快速定位導航通訊系統正式命名為“北斗一號雙星定位系統”，并列入我國“九五計劃”要項。 該系統服務區域為東經70-140°北緯5-55°，利用2顆衛星實現定位、定時、簡短通訊3大功能，定位精度優于20m。2004年，中國啟動了“北斗二號”的建設，計劃空間星座由35顆衛星組成，包括5顆地球靜止軌道衛星，27顆中園地球軌道衛星和3顆傾斜同步軌道衛星。截至2012年10月25日，共發射了16顆導航衛星，具備了對亞太大部分地區導航定位服務的能力。北斗衛星的精度與GPS相當，并且在增強區域（亞太地區），甚至會超過GPS。中國北斗衛星導航系統的建立，打破了國內高精度衛星導航信號依賴國外的局面，填補了我國在廣域差分精密定軌技術領域的空白。

2 GNSS應用前景展望

2.1 測繪應用 目前，GNSS已相當廣泛應用于工程測量、變形監測、地殼運動觀測、海洋測繪、道路放線等領域。GNSS定位技術同樣可以滿足此類工程安全監測的要求,而且比傳統方法更容易實現監測工作的自動化。在各種線路工程測量中,目前已大量使用GNSS定位技術來完成。與傳統測繪方法相比，GNSS定位技術可以節省大量資源，其工作效率和精度也都占有絕對的優勢。隨著GNSS的不斷發展，在未來測繪領域，將占有極大的市場份額，傳統測繪技術也將逐步退出歷史的舞臺。

2.2 交通應用 “全球、全天候、實時導航定位”是GNSS系統的設計目標。隨著廣域差分系統的完善，GNSS技術已經完全實現了上述目標。利用GNSS技術可以對車輛進行跟蹤以及自動化調度，同時可以快速響應用戶導航需求，極大地降低了能源消耗和運輸成本。在今后的城市交通建設中，新一代的數字化導航定位系統將先成為主要的應用技術。建立城市交通電臺，實時發布交通信息，進行精密車載導航，結和電子地圖自動選擇最優路徑都需要GNSS技術的支持。

2.3 農業應用 在全球 “精細農業”的發展中，GNSS技術的應用也越來越廣泛。GNSS與地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）相結合，可以達到土壤養分分布調查、監測作物產量、合理施肥，科學管理的目的。GNSS技術在農業領域中的應用不僅是大面積的種植，在小面積農田中，特別是在格網種植性農田，應用小型自動化設備，配合差分GNSS導航設備、電子監測和控制電路，能夠作到精確管理。這種投資較低、安裝方便、操作靈活。

2.4 氣象預報和自然災害預警 目前GNSS在氣象預報和監測滑坡、礦山地面沉陷等災害地質中的應用已經較為普遍。許多重大工程項目在考慮防治滑坡或地面沉陷災害時，都采用了GNSS技術。GNSS與遙感技術相結合，能夠極好地實現氣象分析和自然災害預警。如今應用GNSS在氣象預報和自然災害防護方面已表現出巨大的優越性。

3 結束語

近40年來，GNSS在國防建設，交通運輸，工程應用，自然災害防護等領域取得了巨大成就。北斗衛星導航系統作為GNSS的新成員，已被全球衛星系統委員會（ICG）確定為4大核心供應商之一。隨著我國GNSS技術研究的不斷深入， GNSS在中國的應用必將呈現出更加廣闊而美好的前景。

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王仁濤，山東理工大學建筑工程學院測繪工程系,本科在讀,學生。