全球導航衛星系統發展綜述

寧津生，姚宜斌，張小紅

（1.武漢大學 測繪學院，武漢 430079；2.武漢大學 地球空間環境與大地測量教育部重點實驗室，武漢 430079）

1 引言

全球導航衛星系統 （Global Navigation Satellite System，GNSS）是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的3維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統［1］。衛星導航定位技術目前已基本取代了地基無線電導航、傳統大地測量和天文測量導航定位技術，并推動了大地測量與導航定位領域的全新發展。當今，GNSS系統不僅是國家安全和經濟的基礎設施［2］，也是體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標志。由于其在政治、經濟、軍事等方面具有重要的意義，世界主要軍事大國和經濟體都在競相發展獨立自主的衛星導航系統。2007年4月14日，我國成功發射了第一顆北斗衛星，標志著世界上第4個GNSS系統進入實質性的運作階段［3］，估計到2020年前美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和中國北斗衛星導航系統等4大GNSS系統將建成或完成現代化改造。除了上述4大全球系統外，還包括區域系統和增強系統，其中區域系統有日本的QZSS和印度的IRNSS，增強系統有美國的 WASS、日本的MSAS、歐盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亞的NIGCOMSAT－1等。

未來幾年，衛星導航系統將進入一個全新的階段［4-5］。用戶將面臨4大全球系統近百顆導航衛星并存且相互兼容的局面。豐富的導航信息可以提高衛星導航用戶的可用性、精確性、完備性以及可靠性，但與此同時也得面對頻率資源競爭、衛星導航市場競爭、時間頻率主導權競爭以及兼容和互操作爭論等諸多問題。為此，本文在介紹GNSS系統的現狀和發展的基礎上，對其進行綜合對比，并分析導航系統的應用和發展以及我國北斗衛星導航系統所面臨的機遇和挑戰。

2 衛星導航系統發展現狀

2.1 GPS

GPS是在美國海軍導航衛星系統的基礎上發展起來的無線電導航定位系統［1，6］。具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的導航、定位和定時功能，能為用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。現今，GPS共有在軌工作衛星31顆，其中GPS－2A衛星10顆，GPS－2R衛星12顆，經現代化改進的帶 M碼信號的GPS－2R－M和GPS－2F衛星共9顆。根據GPS現代化計劃，2011年美國推進了GPS更新換代進程。GPS－2F衛星是第二代GPS向第三代GPS過渡的最后一種型號，將進一步使GPS提供更高的定位精度。

GPS現代化進程包括空間段、地面段和用戶段的現代化升級改造，目標是極大地緩解當前GPS存在的脆弱性問題，為全球用戶提供高抗干擾、高定位精度和高安全可靠的服務。目前第三代GPS研發工作正在順利進行，按計劃第一顆GPS－3衛星將于2014年發射，整個GPS－3星座計劃將用近20年的時間完成，以此取代目前的GPS－2。第三代GPS將選擇全新的優化設計方案，放棄現行的6軌道24顆衛星星座的布局和結構，計劃用33顆GPS－3衛星構建成高橢圓軌道 （HEO）和地球靜止軌道 （GEO）相結合的新型GPS混合星座。此外，在GPS第一導航定位信號上增設一個新的偽噪聲碼L1C碼，將為其它民用信號 （L1C、L2C和L5）以及新的M碼信號的生成提供便利，從而使導航信息更具完整性，且精度和有效性得到提高。

2.2 GLONASS

GLONASS是由原蘇聯國防部獨立研制和控制的第二代軍用衛星導航系統［1］，該系統是繼GPS后的第二個全球衛星導航系統。項目從1976年開始運作，1995年整個系統建成運行。隨著蘇聯解體，GLONASS系統也無以為繼，到2002年4月，該系統只剩下8顆衛星可以運行。2001年8月起，俄羅斯在經濟復蘇后開始計劃恢復并進行GLONASS現代化建設工作，GLONASS導航星座歷經10年癱瘓之后終于在2011年底恢復全系統的運行。

俄羅斯在2012年繼續發射6顆衛星，計劃未來幾年內將星座工作衛星數量增加到30顆，并在2015年使其定位精度達到3m，與目前GPS的定位精度相當，實現與GPS/GALILEO在L1頻點上的兼容和互用。

2.3 GALILEO

伽利略衛星導航系統 （GALILEO）是由歐盟研制和建立的全球衛星導航定位系統［1］，該計劃于1999年2月由歐洲委員會公布，并和歐空局共同負責。系統由30顆衛星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛星軌道高度為23 616km，位于3個傾角為56°的軌道平面內。2012年10月，伽利略全球衛星導航系統第二批兩顆衛星成功發射升空，太空中已有的4顆正式的伽利略衛星，可以組成網絡，初步實現地面精確定位的功能。GALILEO系統是世界上第一個基于民用的全球導航衛星定位系統，投入運行后，全球的用戶將使用多制式的接收機，獲得更多的導航定位衛星的信號，這將無形中極大地提高導航定位的精度。

GALILEO計劃的實施分為5個階段，GSTBV1階段和GSTB－V2階段已經完成。自2011年10月21日開始，該計劃進入了在軌驗證階段（IOV）。這一階段的任務是通過發射4顆在軌驗證衛星，進行衛星和地面控制系統的測試，驗證GALILEO的可行性。截止2012年10月12日，4顆IOV衛星已在軌運行。按照計劃，至2015年，GALILEO星座將有18顆衛星，至2020年，將完成30顆衛星星座的構建。投入使用后它將與GPS在L1和L5頻點上實現兼容和互用。

2.4 北斗衛星導航系統 （BDS）

北斗衛星導航系統 （BDS）是中國自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。該系統分為兩代，即北斗一代和北斗二代系統［7］。

我國上世紀80年代決定建設北斗系統，2003年，北斗衛星導航驗證系統建成。該系統由4顆地球同步軌道衛星、地面控制部分和用戶終端三部分組成。北斗一代形成的雙星定位系統，可向中國境內和臺海周邊地區提供有源定位服務。為進一步提高北斗衛星導航系統的能力，目前正在進行北斗二代系統的建設。北斗二代系統由5顆同步地球衛星，30顆中軌道衛星組成，其中中軌衛星分布在3個傾角為55°的軌道面上，軌道半徑為21 500km。繼2007年2月和4月一顆北斗地球同步衛星和一顆中軌道衛星相繼升空之后，北斗二代系統進入了建設期。到目前為止，已成功將16顆北斗導航衛星發射升空，初步建成覆蓋國內及亞大地區的區域性無源衛星導航系統，并計劃通過發射35顆北斗導航衛星來實現全球性無源衛星導航系統，擬于2020年前建成這一龐大星座。北斗二代系統無論是導航方式，還是覆蓋范圍都和美國GPS有很多相似之處，但是保留了北斗一代的雙向位置報告、短報文通信功能，這也是北斗和其它GNSS系統競爭的一個優勢。

3 衛星導航系統未來發展

3.1 發展趨勢

全球導航衛星系統當前正經歷前所未有的大轉變：從單一的GPS時代轉變為多星并存兼容的GNSS新時代，使衛星導航體系全球化和多模化；從以衛星導航應用為主體轉變為定位、導航、授時以及移動通信和因特網等信息載體融合的新階段，使信息融合化和一體化。當前GNSS應用技術的拓展主要包括：

（1）GNSS定位技術

導航與定位技術正從兩國爭霸向多國競爭方向發展。未來，衛星導航定位系統將面臨多個系統共存的局面，多系統共存將促進導航技術的發展；各國的衛星導航系統在民用領域的相互兼容將成為國際發展大趨勢；導航與通信及地理信息系統的相互融合、相互滲透將成為未來應用的主流。衛星導航定位技術將不斷改進和完善，精度提高、覆蓋區域擴大，向長壽命、抗干擾、抗打擊能力以及提高自主運行能力方向發展；接收機向微型化、智能化方向發展。衛星導航將成為繼手機、因特網之后影響人類社會的第三大信息產業。GNSS定位技術新的發展主要體現在精密單點定位技術 （PPP）和網絡RTK技術 （Network RTK）兩個方面：

在PPP方面，研究重點已從過去的非差模糊度的實數解轉向非差模糊度的整數固定解。2007年，文獻 ［8］采用星間單差法，使用全球大約180個GPS跟蹤站的觀測數據估計衛星端星間單差的未檢校的相位延遲 （Uncalibrated Phase Delay，簡稱UPD），用戶使用這套估計出的UPD產品即可通過后處理實現星間單差模糊度的整數固定解。與星間單差模糊度固定方法不同，文獻［9］提出利用若干GPS站網的觀測資料，通過引入基準鐘，重新估計 “整數衛星鐘”，發布給用戶，使用其改進后的衛星鐘差在靜態和動態模式下分別經過大約30min和90min的初始化后可得到固定非差整數模糊度的 定位解。文獻 ［10］提出鐘差去耦模型 （Decoupled Clock Model）。在此模型中，偽距對應的GPS衛星鐘差由偽距確定，而載波相位對應的GPS衛星鐘差由載波相位確定，載波相位模糊度不再受偽距硬件延遲的影響，從而使非差模糊度重新具有整數特性。其試驗結果表明經過大約30min左右的初始化后，可以成功解算非差整數模糊度。

在網絡RTK技術方面，基于雙差模式的網絡RTK已經較為成熟，國內外已經建立許多工程化應用的網絡RTK系統。當前不少學者正在開展基于非差模式的網絡RTK技術的研究，并已取得階段性成果。我國今后可建立全國覆蓋的連續運行基準站網，形成以導航數據接收管理、數據處理、各類導航數據的整合，到導航信息的發播體系。實現航空、鐵路、公路、海運、水運、城市交通、測繪等各類用戶從米級到毫米級的高精度、三維、實時動態導航，以及快速靜態或精密單點定位服務。

（2）GNSS－R技術

GNSS－R技術是利用GNSS反射信號獲取目標信息的一種方法。GNSS－R技術作為一個全新的遙感手段，受到廣泛的關注。已有學者利用GNSS－R技術測量海面高，土壤濕度，積雪厚度等。美國和歐洲等主要國家都投入了大量的人力、物力和財力進行研究，開展了地基、機載和星載的觀測實驗，為將來進一步開展研究和應用奠定了基礎。GNSS－R在理論、技術和數據反演等方面將趨于完善。接收站將越來越多，獲取的數據將越來越密。

（3）GNSS掩星技術

GNSS無線電掩星觀測技術是通過在低軌衛星上安置GNSS接收機，接收因掩星事件產生的大氣折射信號，以此反演大氣參數。該技術擺脫了傳統探測手段的不足，可長期穩定地測定從地面至800km高空的大氣參量和電離層電子密度的全球分布，具有全天候、高精度、高垂直分辨率、長期穩定、全球覆蓋等特點［11］。GNSS掩星技術的出現是空間探測史上的一次革命性變化，利用掩星探測技術來獲取大氣參數將是21世紀最常規的探測技術之一。未來的掩星觀測系統將從單顆低軌衛星轉變為多顆低軌道衛星，從僅對GPS衛星進行掩星觀測轉變為對多個GNSS系統的衛星進行掩星觀測，獲取的大氣掩星觀測數據數量更多、分布更為均勻。掩星大氣探測范圍更深入地面，探測精度更高。掩星觀測技術將向以星載掩星為主體、機載掩星和山基掩星為輔助的方向發展。掩星計劃的實施和完成需要更廣泛的國際合作。

（4）組合導航技術

組合導航系統形式將更加多樣化、集成化、智能化，INS/GPS組合仍將是組合導航系統的首選方式；地基無線電導航技術仍作為衛星導航服務的有效備份和補充；地形輔助導航技術不斷提高性能，并且開發新的地形匹配方法、拓展應用范圍；而聲吶導航、水下電場導航、地磁與電磁導航、重力與重力梯度導航技術也將不斷提高精度。隨著導航技術的不斷提升，其應用也將更加廣泛。

（5）多頻多系統聯合定位技術

在復雜觀測條件下，傳統單系統雙頻導航定位往往面臨可見衛星數不足，定位精度和可靠性差等問題。多頻觀測值的應用以及多系統聯合定位的實施將為用戶提供更多的備選組合觀測值，增加可見衛星數，增強衛星幾何強度，減少或消除單系統導航定位產生的系統誤差，從而提高定位精度及可靠性。隨著GPS、GLONASS現代化進程的推進及GALILEO和我國北斗衛星導航系統的發展，多頻多系統聯合定位的方式將逐漸成為主流的導航定位方式。各國衛星導航系統的發展將越來越重視系統間的兼容性與互操作性。多系統間時空基準的統一、多系統數據的融合以及多系統的完好性監測等問題成為需要研究解決的關鍵技術。多頻多系統聯合定位將為用戶提供更加穩定可靠的定位結果，從而擴展衛星導航定位技術在各個領域的應用。

3.2 應用前景

當前GNSS的應用已深入到經濟社會的各個領域，可以說已到無孔不入的地步，現在甚至有人說，GNSS的應用僅受人們想象力的限制，可見GNSS的應用前景是極其廣闊的。下面僅就幾個方面的應用作為示例說明。

（1）測繪應用

GNSS廣泛應用于高精度的大地測量、控制測量、地籍測量和工程測量等領域，與傳統的方法相比，自動化程度高，將節省大量的人力、物力和財力。當前GNSS在大地測量領域的應用已擴展到地球物理、地球動力學等方面，除了地殼運動觀測，隨著GNSS連續觀測站的不斷增加，觀測現象將更加豐富。高精度的GNSS技術將成為火山地震、構造地震、全球板塊運動等監測的重要手段。

（2）交通應用

在陸運方面，利用GNSS技術對車輛進行跟蹤、調度管理，并合理分配車輛，以最快的速度響應用戶的請求，降低能源消耗、節省運輸成本；在水運方面，實現船舶遠洋導航；在空運方面，實現飛機導航和引導飛機安全進離機場。今后，在城市中建立數字化信息交通平臺，車載設備通過GNSS進行精確定位，結合電子地圖和實時交通狀況，自動匹配最優路徑，最終實現車輛的自主導航。

（3）公共安全應用

GNSS對火災、自然災害、交通事故、犯罪現場等緊急事件的響應效率，可將損失降到最低。有了GNSS的幫助，救援人員可在條件惡劣的環境下，對失蹤人員實施有效的搜索和救援。裝有GNSS裝置的交通工具在發生險情時，可及時定位、報警，使之能更快、更及時地得到救援。

（4）GNSS－R應用

GNSS－R的應用主要集中在海洋遙感、土壤濕度監測［12］、積雪厚度測定［13］以及植被變化反演等方面。在海洋遙感方面，利用GNSS海面反射信號可計算海面平均高度、海面風場、浪高、海面鹽度等海洋重要信息；利用GNSS－R遙感土壤濕度計算土壤含水量，可用于防治干旱與洪澇災害；GNSS－R在冰川和雪地方面的應用則可促進對積雪內部結構的了解，進而加深對陸界尤其是南極大陸的了解；GNSS－R還可用于監視地表植被變化，在防止土地沙漠化以及反映氣候變化特征等方面具有重要意義。

（5）GNSS掩星應用

GNSS掩星反演技術的應用體現在數值天氣預報、氣候分析和電離層監測等方面。利用GNSS掩星觀測數據可對大氣參數進行大范圍的連續監測 （可達數百公里），從而為氣象部門分析預報降水、臺風等強對流天氣提供重要的參考數據。利用同化掩星觀測資料還可對數值天氣預報模型進行檢驗和改進。GNSS掩星觀測資料具有不受天氣影響，無需定標，數據穩定等特點，因此還可用于氣候的分析與研究。另外，利用掩星觀測技術可獲得全球性的電離層電子密度分布資料，從而應用于電離層的分析研究，如探測地震或太陽風暴發生時的電離層異常等。GNSS無線電掩星觀測技術的發展還將推動空間環境監測、數據同化、空間天氣效應和氣候變化研究等領域的發展［14］。

4 北斗衛星導航系統系統面臨的機遇和挑戰

目前，北斗衛星導航系統已正式在中國和周邊地區獨立地提供衛星定位導航授時的區域服務，這標志著北斗 “三步走”戰略的第二步戰略目標已順利完成。北斗衛星導航系統的應用已涉足到交通、漁業、水文、氣象、林業、通信、電力、救援等諸多行業，現在我國的北斗衛星導航系統正在向著 “第三步”，到2020年形成全球覆蓋能力的目標邁進。因此我國的北斗衛星導航系統的發展及其應用，既面臨許多機遇，也將迎接若干挑戰。這里根據已有的資料，作一點初淺的綜合分析。

4.1 機遇

衛星導航是名副其實的高科技產業，具有高增長、高效益特點，是小投入、大產出的典型；衛星導航產業將很快進入一個高速發展的階段。

當前國際合作已成為GNSS發展的熱點趨勢。北斗衛星導航系統正面臨一個高速發展的良好機遇。當然，同時要看到，GNSS國際合作是一種溝通和協調，也是一種博弈和較量。在機遇中，北斗衛星導航系統最迫切需要做到的就是，在技術上要保證GNSS兼容互操作可交換，這不僅是國際合作的需要，更是我國產業和市場發展的迫切需要。

4.2 挑戰

（1）市場問題

北斗衛星導航系統由于起步較晚，國際國內衛星導航市場已基本被GPS和GLONASS占領，要想占用一席之地十分困難；同時，許多與衛星相關的先進設備進口也相對困難。

（2）政策問題

美國GPS和俄羅斯GLONASS都有較完善和透明的政策和使用規范。北斗衛星導航系統作為國家重大基礎設施已出臺明確的發展策略，但卻沒有健全的衛星導航應用政策和標準。北斗衛星導航政策還不夠完善，透明度尚顯不夠，系統狀態也不夠明顯，很難取得用戶的信任。同時，北斗衛星導航系統建設與應用的相關管理政策也不夠明確，會影響到用戶的拓展。

（3）觀念問題

目前，北斗衛星導航系統的市場占有率并不高，接收機生產商和管理部門主動服務觀念還較薄弱，產品的推廣、維護和服務的主動性有待加強。

（4）技術問題

北斗衛星導航系統面臨強烈的技術競爭。衛星系統性能與穩定性需要提高，接收機技術、原子鐘技術、信號調制與捕獲技術等都有很大的發展空間，相關的坐標系統和時間系統還有改進的余地；同時，北斗地面跟蹤站相對較少，幾何結構不夠合理；數據服務中心幾乎處于空白，相應的服務產品不夠豐富。

5 結論

當今，GNSS的發展日新月異，衛星導航技術正進入一個高速發展的關鍵時期。建立和發展自主的北斗衛星導航系統是我國國防安全與軍事現代化的需要，同時也是推動國內衛星應用技術發展以及促進經濟建設的迫切需要。世界多國GNSS的激烈競爭必然導致其向著功能更全、覆蓋更廣、穩定性更可靠、完備性更好以及應用面更深入等方向發展。我國現有的技術水平離世界前沿的關鍵技術還有一定的差距，還需不斷的努力和改進。目前，GNSS的發展對中國而言既是機遇又是挑戰。因此，必須抓住這個機遇，進一步改進和完善現有的衛星導航系統和技術，才能加快GNSS特別是具有中國特色的北斗衛星導航系統走向應用的步伐。

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