全球衛星導航系統的現狀與進展

劉艷亮，張海平，徐彥田，王 鐸

(1.山東省國土測繪院，濟南 250102；2.中國測繪科學研究院，北京 100830)

0 引言

全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)是一個能在地球表面或近地空間的任何地點為適當裝備的用戶提供24 h、三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電定位系統，包括一個或多個衛星星座及其支持特定工作所需的增強系統[1-2]。一個獨立自主的全球衛星導航系統在提供時間與空間基準、智能化手段以及所有與位置相關的實時動態信息等方面發揮了關鍵性作用，對于一個國家的國防、軍事、經濟發展以及公共安全與服務具有深遠的意義，是現代化大國地位、國家綜合國力及國際競爭優勢的重要標志。

1 導航系統發展現狀

全球衛星導航系統國際委員會(International Committee on Global Navigation Satellite System，ICG)公布的全球4大衛星導航系統供應商，包括美國的全球定位系統(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)、歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中國的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)。其中：GPS是世界上第一個建立并用于導航定位的全球系統，GLONASS經歷快速復蘇后已成為全球第二大衛星導航系統，二者目前正處現代化的更新進程中；Galileo是第一個完全民用的衛星導航系統，正在試驗階段；BDS已經具備了亞太區域的導航定位、授時服務功能，由北斗二號逐步過渡到北斗三號，處于全球化快速發展階段。

1.1 GPS衛星導航系統

GPS是美國20世紀70年代末開始建設的第二代衛星導航系統，1994年開始運營并提供服務。目前GPS已是星座構成最完善、定位精度最穩定、應用最廣泛并呈現市場壟斷的衛星導航系統。

GPS的空間衛星結構由24顆工作衛星及備份衛星構成，GPS的導航衛星均為中圓地球軌道(medium Earth orbit，MEO)衛星，平均分布在6個軌道面。2011年7月完成衛星星座擴展，對3顆衛星重新定位、3顆衛星位置調整，從而實現24+3的理想衛星星座構型，覆蓋范圍增大，衛星可用性增強。截至2018年06月21日，空間段新老衛星數為32顆，其中31顆運行、1顆維護。衛星發展歷程及特性如表1所示，包括工作衛星和備份衛星，多余衛星不參與星座組網，但可以增加定位精度和可靠性。2010年到2016年共發射12顆IIF衛星，GPS-III與GPS-IIIF衛星正在研制，2018年2月發射一顆GPS-IIR衛星。

表1 GPS系統參數

GPS地面段包括1個主控站、1個備用主控站、12個地面天線和16個監測站。主控站位于哥倫比亞施里弗空軍基地，備用主控站位于范登堡基地，地面天線包括GPS地面天線4個和空軍衛星控制網遠程追蹤天線(air force satellite control network，AFSCN)7個，監測站包括空軍監測站6個和美國智能化地理空間局(The National Geospatial-Intelligence Agency，NGA)監測站10個。硬件升級的同時地面控制系統也進行了升級建設，建立了全新的地面控制段體系結構，增加了新導航信號的監測和GPS Ⅲ衛星新增特性的管理和控制等[3-4]。

圖1 GPS地面段分布[3]

1.2 GLONASS衛星導航系統

GLONASS是蘇聯在1976年開始建設，1996年1月18日正式建成，但GLONASS在20世紀90年代后期經歷俄羅斯的經濟動蕩后，從2003年開始進入全面升級和發展階段，并于2011年年底實現全球覆蓋。

GLONASS系統空間衛星組成為24顆MEO衛星，平均分布在3個軌道面上。截至2018年6月21日，GLONASS系統在軌衛星26顆，其中24顆GLONASS-M處于運行狀態、1顆退役衛星用于主開發商測試、1顆GLONASS-K進行飛行參數測試。GLONASS-K衛星播發的碼分多址(code division multiple access，CDMA)信號被捕獲，使得GLONASS的信號編碼方式實現從頻分多址(frequency division multiple access，FDMA)到CDMA的重大改變。俄羅斯聯邦航天局2013年1月12日發布《俄羅斯2013—2020年空間活動》的文件，宣布至2020年還將建造并發射13顆GLONASS-M衛星以及22顆GLONASS-K衛星。預計2025年發射GLONASS-KM衛星。各型號衛星特性如表2所示，其中：“O”為開放信號；“S”為模糊、高精度信號；“F”為FDMA；“C”為CDMA；為2014年以后發射M衛星具有L3OC；n為頻率號。

表2 GLONASS系統參數

GLONASS系統地面段包括一個控制中心位于莫斯科，地面監測站和增強站位于俄羅斯境內46個、鄰國8個、南極3個、巴西1個，2014年2月，俄羅斯聯邦航天局計劃未來在全球36個國家布建50個地面站系統，當年境外建設地面站7個，并于2014年5月通過了在越南和尼加拉瓜建設GLONASS衛星導航系統地面站協議。在全球各地建立地面站將提高GLONASS系統的精確度，有助于提升其市場競爭力和全球份額。目前GLONASS的全球定位精度約為5 m，而俄羅斯境內在增強系統的輔助下精度可達0.5 m，隨著GLONASS現代化的進程，預計未來2～3年，其定位精度與GPS相當[5]。

1.3 北斗衛星導航系統

BDS是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。系統建設目標是：建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠的覆蓋全球的北斗衛星導航系統，促進衛星導航產業鏈形成，形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用[6]。

BDS建設總體的規劃中，2020年建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。其系統由空間段、地面段和用戶段3個部分組成。目前北斗二號在軌衛星包括5顆地球同步軌道衛星(geostationary Earth orbit，GEO)、5個傾斜地球同步軌道(inclined geo-synchronous orbits，IGSO)和4顆MEO衛星，而北斗三號空間衛星結構設計由3顆GEO、3顆IGSO和24顆MEO以及在軌備份衛星組成。地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。

2012年12月27日，北斗二號在繼續保留北斗衛星導航試驗系統(即北斗一號)有源定位、雙向授時和短報文通信服務基礎上，向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務。截止2018年06月21日，BDS在軌衛星29顆，其中GEO衛星6顆、IGSO衛星9顆、MEO衛星14顆，其中：北斗二號可用衛星15顆、未用1顆；北斗三號衛星13顆，每顆衛星具有3個頻率的信號。BDS可提供雙向高精度授時和短報文通信服務，其位置精度為平面5、高程10 m，測速精度 0.2 m/s，授時精度為單向50 ns。

1.4 伽利略衛星導航系統

Galileo是歐盟正在建立的世界上第一個具有一定商業性質的完全民用的衛星導航系統，2003年開始實施，經歷短暫的緩慢發展后，正以高速的發展趨勢進入國際GNSS領域。目前Galileo在軌驗證衛星(in-orbit validation satellites，IOV)有4顆。2013年3月12日首次實現了用戶定位，成為Galileo建設的里程碑；2014年2月完成了在軌驗證任務。Galileo能有效運行，且工作狀態良好，作為現有國際衛星輔助搜救組織衛星的組成部分，Galileo可以為77 %的救援位置提供2 000 m以內的定位精度，為95 %的救援位置提供5 000 m以內的定位精度。目前，Galileo的偽距單點定位精度平均可達到水平方向5、垂直方向10 m，平均授時精度達10 ns。

在軌測試工作完成后，Galileo的建設工作繼續推進，主要是發射衛星完成星座部署和進一步部署衛星地面站。2014年6顆衛星分3次搭乘聯盟號火箭發射升空，加入現有的Galileo衛星星座，并于當年底開始提供初始服務。2014年8月22日發射2顆Galileo全面運行能力衛星，2014年8月25日歐盟官網宣布2顆衛星未進入預定軌道，但位于德國達姆斯塔的控制中心已成功控制衛星并研究如何使其在衛星網絡中發揮作用，阿麗亞娜航天公司稱運載火箭飛行中出現異常導致未進入預定軌道。2017年12月12日，4顆Galileo導航衛星(編號為IOV19～22號)由阿麗亞娜-5火箭在法屬圭亞那航天發射場發射入軌，此次發射任務使Galileo擁有了26顆衛星，即4顆IOV衛星、18顆FOC衛星。其中15顆衛星可用來提供服務，1顆衛星電源故障，2顆衛星未進預定軌道。2018年7月25日再次發射4顆衛星[7-8]。

2 技術對比分析

衛星導航系統都包括空間衛星星座，衛星星座的結構直接影響地面可視衛星數。目前GLONASS、Galileo和BDS都采用3軌道面，GPS采用6軌道，3軌道衛星幾何分布優于6軌道，并且簡化了星座組網的維持和配置。而GPS發展研究報告建議，GPS-III全部運行后構建33顆MEO和GEO衛星相結合的GPS混合型星座。BDS系統采用MEO和IGSO以及GEO相結合的混合星座結構，混合星座結構能更好地提高用戶的定位精度，提高系統的穩定性和可用性。

衛星發射的信號決定了導航定位的方式和精度。目前BDS、GPS和Galileo都采用碼分多址的方式。BDS衛星全部具有3頻信號；GPS目前只有12顆GPS-IIF衛星具有3頻信號，其余25顆衛星僅發射雙頻信號；GLONASS采用頻分多址的方式，而未來的GLONASS-K2及以后的衛星都將具有3個固定頻率并采用碼分多址的方式。采用固定的頻率可以通過差分技術削弱大氣延遲的影響，簡化觀測方程的未知參數，降低定位算法的復雜度和提高定位精度，有利于不同系統間的互操作和組合定位。

當前，GPS的全球實時單點定位精度粗碼為5～10 m，精碼1～2 m，一般的民用接收機開闊區域可獲得優于5 m定位精度，加密導航信號達到了分米級；BDS只具備了亞太區域定位服務能力，部分地區服務性能優于10 m，如在北京、鄭州、西安、烏魯木齊等地區，定位精度可達7 m，低緯度地區定位精度可達到5 m左右；GLONASS的全球定位精度從35 m提高到了約為5 m，隨著地面站的建設衛星軌道精度的提高，全球范圍的定位精度有望進一步提高。

3 GPS/BDS高精度定位比較

GNSS以其獨特的優勢成為測繪行業中最主要的定位方式之一，滿足測繪行業中不同精度、作業方式和實時性的要求，但目前測繪應用中仍依賴GPS。隨著BDS的快速發展，其與GPS同樣都具有固定的頻率和采用碼分多址，因此二者定位原理相同。表3為BDS和GPS測繪中高精度定位的比較分析結果，主要包括偽距差分(differential GPS，DGPS)、靜態基線、精密單點定位(precise point positioning，PPP)和實時動態定位(real-time kinematic，RTK)以及網絡RTK。從表3可以看出目前BDS和GPS定位精度達到了相同效果。表3中：N表示北方向；E表示東方向；U表示天方向。

表3 GPS/BDS定位精度統計

4 結束語

我國BDS軟硬件以及產業進入了高速發展階段，BDS已經開始全球組網，在亞太區域具備了與GPS相當的定位授時服務能力，并且隨著GLONASS的現代化以及Galileo的發展，衛星導航定位系統已經進入了GNSS時代，定位模式也從單一系統到多系統融合發展；因此需要大力推廣多系統兼容應用，共同推動全球衛星導航事業發展，使其成為一個高精尖戰略新興產業，并在軍事、國民經濟建設等領域得到廣泛應用。