四大全球導航系統特性比較

文/李宇飛

衛星導航系統是指能夠為地球表面或近地空間的用戶提供全天候三維坐標和速度以及時間信息的天基無線電導航定位系統。衛星無線電導航走過了從低軌道衛星到中軌道衛星，從多普勒導航體制到偽距導航體制，從單一系統、單一體制向多系統、多體制兼容集成的發展歷程。衛星導航系統已經成為世界各國信息基礎設施建設的重要組成部分。

人類利用太陽、月球和其他自然天體導航已有數千年歷史，然而由于利用自然天體導航特別容易受到天氣的影響，所以早在19世紀后半期就有人提出利用人造天體實現全天候導航的設想。

直到1964年，美國建成“子午儀”衛星導航系統，并交付海軍使用，這個設想才真正付諸實現。1967年“子午儀”衛星導航系統開始民用。1973年美國又開始研制“導航星”（GPS）全球衛星導航定位系統。到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座布設完成。

以美國GPS系統為代表的全球衛星導航定位系統誕生伊始即展現出了非凡的價值。在軍事上，自第一次海灣戰爭以來，美軍廣泛使用了GPS制導，為車輛、軍艦、飛機等機動工具提供導航定位信息，為精確制導武器提供精確引導，為野戰或機動作戰部隊提供定位服務，為救援人員指引方向，確保了美軍“零傷亡”“斬首”等一系列新戰爭理念和新戰法得以實現，極大地提高了部隊的戰斗力。在民用上，根據歐洲全球定位研究中心的數據，2025年全世界的衛星導航市場的年產值將超過2680億歐元，設備增長將超過92億部。基于手機的位置服務和道路應用占據了衛星導航的主導地位，智能手機、車載設備、位置感知應用和數據服務銷量迅速增長。與國民經濟安全密切相關的電力傳輸、通信、金融等領域，也嚴重依賴導航衛星提供的精準時間。

▲GPS-III-A衛星

鑒于衛星導航定位系統的巨大價值，世界上多個航天強國都開始研究并著手建立自主可控的衛星導航定位系統。目前，聯合國衛星導航委員會認定了四大全球衛星導航供應商，分別是美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、中國北斗衛星導航系統（BDS）、歐盟伽利略衛星導航系統（GSNS）。除此以外，日本建設了區域性的準天頂衛星導航系統（QZSS），印度建設了區域導航衛星系統（IRNSS）。

▲GPS地面控制站

▲GPS星座示意圖

本文就對世界上四個全球衛星導航系統進行一些比較，看看它們都有哪些異同點。

空間部分

衛星導航按測量導航參數的幾何定位原理分為測角、時間測距、多普勒測速和組合法等，其中測角法和組合法因精度較低等原因沒有實際應用。多普勒測速定位也僅有“子午儀”衛星導航系統采取過，該技術由于不能連續實時導航、兩次定位時間間隔太長、只能提供二維定位、對高速移動物體測量誤差較大等缺點，目前也不再應用。

目前世界主要的衛星導航系統都是采用時間測距導航定位技術。用戶接收設備精確測量不在同一平面的4顆衛星發來信號的傳播時間，然后進行一組包括4個方程式的數學運算，就可算出用戶位置的三維坐標以及用戶鐘與系統時間的誤差。

采用時間測距原理的衛星導航定位精度主要取決于軌道預報精度、導航參數測量精度及其幾何放大系數和用戶動態特性測量精度。其中軌道預報精度主要受地球引力場模型影響和其他軌道攝動力影響。因此導航衛星一般選擇高度較高的軌道，以避免地球高層大氣對于低地球軌道的攝動力影響。當然了，在具體的運行軌道選擇上，不同的衛星導航系統也有所區別。

美國的GPS衛星導航系統衛星軌道高度約為20200公里。整個系統由24顆衛星組成，其中21顆為工作衛星，3顆為備用衛星。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛星。衛星軌道面相對于地球赤道面的軌道傾角為55度，各軌道平面的升交點赤經相差60度，一個軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星升交角距超前30度。這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。

俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統衛星軌道高度約為19100公里。整個系統由24顆衛星組成，包括21顆工作星和3顆備份星。24顆衛星均勻分布在3個軌道平面上，即每個軌道面上有8顆衛星。衛星軌道面相對于地球赤道面的軌道傾角為64.8度。這3個軌道平面兩兩相隔120度，同平面內的衛星之間相隔45度，軌道周期為11小時15分鐘。

歐盟的伽利略衛星導航系統衛星軌道高度為23616公里。整個系統由30顆衛星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。30顆衛星均勻分布在3個傾角為56度的軌道平面內。三個軌道升交點在赤道上相隔120度，衛星運行周期為14小時。當某顆工作星失效后，備份星將迅速進入工作位置，替代其工作，而失效星將被轉移到高于正常軌道300公里的軌道上。

中國面向全球提供服務的北斗三號衛星導航系統采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能特點更為明顯。整個系統由35顆衛星組成，其中有5顆地球靜止軌道（GEO）衛星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星、27顆中圓地球軌道（MEO）衛星。GEO衛星分別定點于東經58.75度、80度、110.5度、140度和160度。IGSO衛星軌道高度約為36000公里，3個傾斜同步軌道面均勻分布，軌道傾角55度，3顆IGSO衛星星下點軌跡重合，交叉點經度為東經118度，相位相差為120度。MEO衛星軌道高度21500公里，27顆衛星均勻分布在3個傾角為55度的軌道平面內。

▲北斗導航衛星

▲北斗衛星導航系統

地面部分

衛星導航系統是一個非常復雜的系統，為了保障它的順暢運行，不僅要依靠天上的衛星，同時還要依靠負責運行控制的地面站以及傳輸信號的無線電鏈路協同工作。世界上的幾個主要衛星導航系統可以說是異彩紛呈，各具特色。

▲伽利略全運行能力衛星

美國的GPS導航定位系統的地面監控部分由分布在全球的若干個跟蹤站組成，主要負責收集信號、計算導航電文和發送命令。根據其作用的不同，跟蹤站包括1個主控站、5個監測站和3個注入站。監測站負責收集積分多普勒觀測值、衛星時鐘、工作狀態數據、氣象等數據。主控站負責計算衛星星歷、時鐘修正、狀態數據、信號電離層延遲修正等，編算導航電文并傳送到注入站，診斷衛星狀態，調度衛星。注入站負責發送導航電文和各種控制命令到導航衛星。

俄羅斯的格洛納斯導航定位系統的地面監控部分均設在本土內。其系統控制中心位于莫斯科，5個跟蹤站分別位于捷爾諾波爾、圣彼得堡、葉尼塞斯克、巴爾喀什、共青城。這些臺站主要用來跟蹤格洛納斯衛星，接收衛星信號和遙測數據。然后系統控制中心處理這些信息以確定衛星時鐘和軌道姿態，并及時更新每個衛星的導航信息，這些更新信息再通過跟蹤站傳到各個衛星。為彌補僅有國內布站的缺陷，在衛星上配備了后向激光反射棱鏡。跟蹤站的無線電測距數據需要利用主控中心光學跟蹤臺站的一個激光設備（精度優于2cm）進行定期校正，以提高測距精度。在系統控制中心還配備了一臺時間同步儀，即一臺高精度氫原子鐘，通過它來同步所有格洛納斯接收機上銫原子鐘的時間。

▲伽利略在軌驗證衛星

歐盟的伽利略衛星導航系統地面段由完好性監控系統、軌道測控系統、時間同步系統和系統管理中心組成。伽利略系統的地面段主要由2個位于歐洲的伽利略控制中心和29個分布于全球的伽利略傳感器站組成，另外還有分布于全球的5個S波段上行站和10個C波段上行站，用于控制中心與衛星之間的數據交換。控制中心與傳感器站之間通過冗余通信網絡相連。

中國的北斗衛星導航系統的監控系統設計為，由分布在中國的若干個地面跟蹤站所組成的地面監控系統和具有星間鏈路的導航星座組成的全球衛星監控系統。這就是北斗系統的一大獨特本領，即不需要全球布站。北斗三號系統中采用了一套其他導航衛星所不具備的技術——星間鏈路，具有星間鏈路的導航星座可以完成星地-星間鏈路聯合精密定軌任務。

▲準備裝配的伽利略衛星

▲格洛納斯K衛星

系統服務

在全球衛星導航系統國際委員會（ICG）和國際電聯（ITU）框架下，世界各主要衛星導航系統基本都能實現兼容與互操作，以便使所有用戶都能享受到可靠的衛星導航基礎服務。但是根據各國國情和發展目標的差異，世界各主要衛星導航定位系統在服務上也存在著一些不同。

美國GPS衛星信號以偽隨機碼擴頻的形式廣播給用戶。衛星載波信號工作在L波段，為了校正電離層折射引入的附加傳播時延，系統采用雙頻制，分別為L1和L2。L1中心頻率為1575.42MHz，L2中心頻率為1227.60MHz。衛星向用戶廣播的導航信號或導航電文主要包括：衛星星歷及時鐘校正參數，測距時間標記，大氣附加延遲校正參數（主要是電離層），其他與導航相關的信息。

GPS是軍民合用的系統，但它針對軍用和民用提供了不同的定位精度。軍用為3米，民用信號增加了干擾機制，使精度下降到100米。鑒于GPS在民用中發揮越來越重要的作用，美國政府2000年取消了GPS的干擾機制，使民用信號的精度提高了10倍以上，大大方便了民用用戶的使用，也為GPS的普及奠定了基礎。

為了更好地進行國際間的兼容和交互操作，實現全球民用衛星導航系統的無縫隙連接，美國發射的Block III衛星，附加GPS第四個民用信號L1C，該信號能夠與伽利略公開服務信號互操作，并與日本準天頂系統共用。Block III衛星相對Block IIF衛星具有更強的抗干擾能力、可控的完好性性能和更高的精度。

俄羅斯的格洛納斯衛星采用頻分多址技術，這是與其他主要導航系統明顯的一個區別。所有的格洛納斯衛星都發射同樣的偽隨機碼，但采用不同的頻率發射。頻分多址技術的缺陷就是用戶接收機的體積大而且造價昂貴，但是具有某些抗干擾和抗互相關的特性，以及更簡單的選碼判據。格洛納斯衛星以兩個分立的L頻段載頻發射信號，每顆衛星的載頻都可由簡單公式求出。

格洛納斯有兩種導航電文，S碼電文和P碼保密電文，兩種電文的速率都是50位每秒。主要用途是提供衛星星歷和頻道分配方面的信息。

格洛納斯所用的時間系統是前蘇聯自己維持的UTC時間，除了存在跳秒外，與GPS時間之間還有數十納秒的差異。格洛納斯所用的坐標系是PZ90坐標系，與GPS所用的WGS-84也不相同。

歐盟的伽利略系統采用了與GPS類似的碼分多址技術來區別不同的衛星。為了提供更多的服務，伽利略信號結構比GPS的民用碼信號復雜，其信號傳輸速率從50位每秒到1000位每秒不等。

伽利略系統提供含有測距碼和數據信息的導航信號，測距碼由每顆衛星上的高穩定度星鐘產生，數據信息則由地面上行注入站向衛星發送。導航電文的內容包括星鐘、星歷、識別碼和狀態標識等，以及能使用戶預測星鐘和星歷精度的“空間精度信息”。

伽利略系統還能提供商業服務。該服務是需要付費的增值業務，含有加密的增值數據，只有在接收機上使用密鑰才能使用該服務。商業服務主要包括業務保證、完好性報警、精確授時業務、準確的電離層延時修正模型、本地差分修正信號等，定位精度得到進一步的提高。伽利略系統還設計有搜救功能，與現存的COSPAS-SARSAT系統、GMDSS系統和泛歐洲運輸網絡服務相互兼容，并且在定位和授時上均有改善。

中國的北斗系統采用三頻信號向用戶廣播導航數據。三頻信號可以更好地消除高階電離層延遲影響，提高定位可靠性，增強數據預處理能力，大大提高模糊度的固定效率。而且如果一個頻率信號出現問題，可使用傳統方法利用另外兩個頻率進行定位，提高了定位的可靠性和抗干擾能力。

北斗衛星導航的短報文通信服務也是一項實用性很強的原創功能。08年汶川地震的時候，成為震區唯一的通訊方式。這一特色功能也是有容量限制的，所以并不適合日常通信功能，而是作為緊急情況通信比較合適，作為求救使用。