GNSS衛星導航系統概述

孫娟娟 王永

摘 要：衛星導航系統能為用戶提供定位、測速和授時服務，在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。近年來，各國的衛星導航系統都在飛速建設和發展中，其中北斗系統是中國自主研發的衛星導航系統，GPS是目前最成熟的衛星導航系統。本文選取GPS系統和北斗系統，分別對二者在空間星座、空間信號和服務性能等方面進行了介紹，為從事相關領域的研究工作人員提供一定參考。

關鍵詞：衛星導航系統 北斗 GPS

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-000-04

在目前所有的全球衛星導航系統中，美國的GPS發展最早，技術最為成熟。北斗衛星導航系統簡稱北斗系統，是中國自主研發并實施的全球衛星導航系統，于1994年起步，目前已經實現區域覆蓋能力，為亞太地區提供服務。GPS和北斗系統二者結合，可以得到性能更加優秀的組合導航系統，因此兼容GPS和北斗系統的雙模定位終端也越來越成為趨勢。

1 定位原理

目前衛星系統進行定位的原理，普遍基于“四星定位”的原則，即至少通過4顆當前可見衛星與本地接收機的距離公式來求得本地接收機的位置坐標。定位功能的實現需要解決以下兩個問題：（1）當前各顆可見衛星的空間坐標；（2）當前各顆可見衛星到本地接收機的距離[1]。問題1的解決方法是對接收到的衛星信號進行解調獲得星歷參數，根據星歷參數計算得到每顆衛星的空間坐標，問題2的解決方法是利用衛星信號在空間中的傳播時間差乘以光速得到衛星與本地接收機的距離。如圖1所示，本地接收機的位置坐標（x，y，z）的求取方法見公式（1），（xi，yi，zi）為衛星i的空間三維坐標，ti為衛星i信號的發射時間（i=1，2，3，4），這些參數由于可以從星歷參數中得到，可視為已知量，tu為衛星信號的接收時間，為未知量，因此在公式（1）中有4個未知量x，y，z，tu，這也是至少需要4顆衛星才能達到定位目的的原因。

（1）

2 衛星導航系統

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，簡稱為GNSS），已成為世界各國重大空間和信息化基礎設施，也標志著現代大國地位和綜合國力，各國都在積極建設和發展屬于自己的衛星導航系統。

目前，GNSS主要包括美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）、中國的北斗衛星導航系統（BeiDou），歐洲的伽利略衛星導航系統（Galileo）。其中美國的GPS系統發展最早，技術成熟，性能優秀，應用廣泛。隨著空間技術的發展和衛星應用的不斷增加，太空資源日益緊張，每個擁有衛星導航系統的國家都在積極搶占衛星頻率和軌道資源，鑒于軍用信號的機密性，圖2只列舉了目前常用的GNSS民用信號的工作頻段。

3 GPS系統

GPS的空間星座部分如圖3所示，是由21顆工作衛星和3顆備用衛星構成。這24顆衛星分布在6個軌道上，每個軌道不均勻地分布著4顆衛星。每個軌道面與地球赤道面的夾角約為55°，相鄰兩個軌道面的升交點經度相差60°，在相鄰軌道上鄰近衛星的升交點角距相差約30°。GPS衛星屬于地球中軌衛星，衛星軌道的平均高度約為20200km，運行軌道為接近正圓的橢圓，運行周期為11h58min。GPS系統覆蓋全球，可以保證在地球上任何地點、任何時間都至少可以觀測到4顆俯仰角15°以上的衛星。

GPS的空間信號分為3個層次，即載波、測距碼和導航電文。GPS衛星初始使用的載波頻率有兩個：L1和L2，在2010年時美國發射了第一顆三頻GPS衛星，首次播發了GPS的第三個載波頻率L5。GPS信號上存在著C/A碼和P（Y）兩種測距碼，民用C/A碼的碼速率為1.023Mcps，碼長為1023。GPS系統的導航電文速率為50bps。在調制方式上，GPS系統L1、L2衛星信號均采用二進制相移鍵控（BPSK），L5新信號采用正交調制（QPSK）。圖4為GPS L1 BPSK信號調制的示意圖。

GPS系統全球覆蓋的24顆衛星已布設完畢，可以提供實時、全天候和全球性的定位導航服務。目前，GPS標準定位服務（SPS）在95%概率內的單點定位精度為：水平定位誤差 ，垂直定位誤差 ，授時誤差[2，3]。

4 北斗系統

我國的北斗系統于1994年啟動建設至今，逐步形成了“三步走”的發展戰略：2000年年底建成北斗一號系統，向中國提供服務；2012年年底建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；2020年前后建成北斗三號系統，向全球提供服務[4]。目前，前兩步已經實現，北斗三號系統正在高密度組網發射階段。

4.1 北斗一號

基于陳芳允院士提出的雙星定位的方案，1994年我國啟動了北斗一號系統的建設。如圖5所示，北斗一號系統由兩顆地球同步靜止軌道衛星、地面中心站和用戶設備組成，主要定位原理是以2顆在軌衛星的已知坐標為圓心，以測定的衛星至用戶設備的距離為半徑，形成2個球面，用戶設備處于2個球面交線上，地面中心站提供用戶設備高度，并用數學方法求解出用戶位置。由于定位時需要用戶設備向衛星發送定位請求信號，因此北斗一號的定位方式被稱為“有源定位”。有源定位的方式使得用戶與用戶、用戶與中心站之間可以雙向通信，即使是在公共通訊網絡中斷的情況下，北斗一號系統依然可以為用戶提供通信服務，這一特點作為一種應急通信手段可以在應對重大自然災害方面發揮重要作用，在汶川抗震救災中，北斗一號系統就成為災區與外界聯系的唯一途徑[5]。但是這種定位方式一方面會暴露用戶的位置，另一方面需要發射設備，在體積、重量、價格和功耗方面都不易推廣。由于所有的位置解算都在地面中心站中完成，受系統容量限制，用戶定位申請的頻率最高1次/s。

4.2 北斗二號

為了縮短與美國GPS的差距，我國重新規劃了北斗系統的空間星座。北斗衛星導航系統的空間星座由5顆地球靜止軌道（GEO）衛星、27顆中圓地球軌道（MEO）衛星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星組成。GEO衛星軌道高35786km，分別定點于東經58.75°、80°、110.5°、140°和160°；MEO衛星軌道高21528km，軌道傾角55°；IGSO衛星軌道高35786km，軌道傾角55°。由于北斗系統采用3種軌道衛星混合的方式，與GPS系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力更強[6]。2007年我國正式組網北斗二號衛星導航系統，如圖6所示，北斗二號系統衛星有14顆，覆蓋55°S-55°N，70°E-150°E的大部分區域，主要用于服務中國及周邊國家。

北斗二號系統使用的載波頻率有3個：B1、B2、B3。北斗系統是全球第一個提供三頻信號服務的衛星導航系統。其中民用B1和B2信號測距碼碼速率為2.046Mcps，碼長為2046。導航電文根據信息速率和結構的不同，分為D1導航電文和D2導航電文，D1導航電文速率為50bps，D2導航電文速率為500bps，MEO/IGSO衛星播發D1導航電文，GEO衛星播發D2導航電文。北斗二號系統的B1、B2信號采用正交調制（QPSK），B3信號采用二進制相移鍵控（BPSK）。

北斗二號系統采用了類似GPS的無源定位方式，同時也保留了北斗一號系統的有源通信功能，即短報文通信功能。北斗短報文可以發布120個字的信息，用戶可以將當前位置信息同時發送給中心控制系統和其他用戶終端，在抗險救災、遠程緊急調度、單兵對講和野外作業等應用場景中可以發揮很好的作用。定位的時候采用無源方式，通信的時候采用有源方式，無源和有源相結合的方式，也成為北斗系統的一大特色。

北斗二號系統已實現區域服務能力，可以連續提供公開服務的區域包括55°S-55°N，70°E-150°E的大部分區域。在公開服務區，北斗系統在95%概率內的單點定位精度為：水平定位精度≤10m，垂直定位精度≤10m，測速精度≤0.2m/s，授時精度≤50ns。因此，在中國和周邊地區，北斗系統的服務性能與GPS是相當的。離開服務區越遠的用戶，精度越低，可用性也隨之下降。

4.3 北斗三號

2017年11月5日首批北斗三號衛星發射升空，揭開了北斗衛星導航系統全球組網的大幕，將陸續發射35顆北斗三號衛星，目標是為全球提供服務。與北斗二號系統相比，除了服務范圍由區域擴大至全球外，北斗三號在精度和可靠性等方面都有了很大提高。北斗三號系統采用新型導航信號體制，在繼承和保留北斗二號B1、B3信號基礎上，新增B1C公開信號，并對B2信號進行了升級，采用新設計的B2a代替原信號，提高了信號利用率、兼容性和互操作性；北斗三號系統還將按照國際標準提供全球搜救和星基增強服務；此外，北斗三號衛星星座首次搭建了星間鏈路，可實現衛星之間的雙向精密測距、通信和數據傳輸，即使地面站全部失效，30多顆“北斗”導航衛星也能通過星間鏈路提供精準定位和授時。

5 結語

本文選取兩個具有代表性的衛星導航系統：GPS系統和北斗系統，從空間星座、空間信號和服務性能等多個方面對兩個系統進行了介紹，綜合來看，由于中國的北斗系統起步較晚，在空間星座的布設、服務范圍和服務性能等各方面相比于GPS系統還有明顯差距，但是北斗系統也有其后發優勢，獨具中國特色。相信隨著我國經濟建設和國防航天事業的飛速發展，北斗系統的發展潛力會更加凸顯，建設速度逐漸加快，從而更好地服務于國家和社會。

參考文獻

[1] Borre K， Akos DM， Bertelsen N， et al. A software-defined GPS and Galileo receiver：A single-frequency approach. With DVD[M]. Applied & Numerical Harmonic Analysis， 2007：1632-1637.

[2] 謝鋼.全球導航衛星系統原理——GPS、格洛納斯和伽利略系統[M].北京：電子工業出版社，2013.

[3] N. M. Drawil， H. M. Amar， O. A. Basir. GPS Localization Accuracy Classification： A Context-Based Approach[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2013，14（1）：262-273.

[4] 王迪.北斗導航衛星應用前瞻[J].科技資訊，2014，12（9）：6-7.

[5] 付海軍.一種基于北斗導航系統的應急系統設計[J].電子技術與軟件工程，2014（4）：74-75.

[6] 劉俊偉.移動智能終端北斗導航技術展望[J].信息通信技術，2017，11（5）：29-34.