基于國內(nèi)外主要衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的發(fā)展

陳茜 田利強

（北京衛(wèi)星導航中心 北京市 100094）

我國在借鑒西方發(fā)達國家先進技術的同時，也在努力探索擁有自主知識產(chǎn)權的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)就是其中最重要的發(fā)明。該系統(tǒng)的建成使我國終于擁有了獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，系統(tǒng)可以為全球用戶提供精準的定位導航服務，作為我國一項空間基礎設施，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以與其他系統(tǒng)相互兼容。

1 國內(nèi)外主要衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的發(fā)展研究

1.1 美國GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)

當前國際上共有三大主流衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，其中美國研發(fā)的GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)就是三大主流系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)已在國際上得到廣泛應用，從二十世紀七十年代開始，美國就對GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行了研發(fā)，于1994年正式建成。GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以為全球表面98%以上的地區(qū)提供定位服務，整個系統(tǒng)中擁有1 個主控站和3 個數(shù)據(jù)注入站，共24 顆用于定位的GPS 衛(wèi)星，用戶端安裝了GPS 接收機，只要有三顆以上衛(wèi)星，系統(tǒng)就能定位出該用戶的接收機所處的地理位置以及海拔高度。

由此可見，GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠接到越多衛(wèi)星，其定位結果就越準。系統(tǒng)中的GPS 信號主要有兩大類，第一類是軍規(guī)精確定位信號，第二類是民用的定位服務信號。軍規(guī)精確度新聞給服務在沒有授權的情況下不能隨意使用，所以美國政府在民用定位信號中加入了部分選擇性誤差，降低GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度，并將誤差控制在100 米以內(nèi)，而軍規(guī)下的系統(tǒng)定位精度誤差一致保持在10 米以內(nèi)。二十一世紀以后，美國取消了對系統(tǒng)通訊信號干擾的這一決定，所以民用定位信號的精度誤差與軍用的一致了，同時人們應用差分技術為GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)建立了基準站，根據(jù)已知的坐標，將觀測值和坐標相對比，從而得到修正數(shù)。終端設備收到修正數(shù)后會將誤差進一步消除，使GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位結果更加準確，從10 米提升為5 米[1]。

1.2 俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)

從1993年開始，俄羅斯就在建立屬于自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即“格洛納斯”導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三部分組成，其中包含衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測站以及用戶終端設備，“格洛納斯”從2007年開始正式運營，于2010年向全球用戶提供導航服務，服務內(nèi)容包含海陸與空中的定位坐標和物體運動速度。與GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)相同，“格洛納斯”也配置了24 顆衛(wèi)星，定位精度比GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)的民用定位精度要高，不僅為普通用戶提供了導航服務，也可以和GPS 相結合，向用戶提供精度幾何因子。“格洛納斯”導航系統(tǒng)在水平方向上定位精度為16 米，在垂直方向上定位精度為25 米，目前俄羅斯將該系統(tǒng)用于導航定位，堅持軍民合同的使用政策，系統(tǒng)抗干擾能力較強，可以有效避免被其他系統(tǒng)干擾[2]。

1.3 歐盟伽利略系統(tǒng)

1999年歐盟公布了關于伽利略衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的研發(fā)計劃，希望通過該系統(tǒng)的建立打破以往美國GPS 系統(tǒng)的壟斷局面。2002年伽利略計劃開始啟動，2006年系統(tǒng)正式運營。和GPS 衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，歐美自主研發(fā)控制的伽利略系統(tǒng)的可靠性更高，系統(tǒng)定位精度可以達到1 米，只要伽利略系統(tǒng)找到了街道，就能緊接著找到家門。伽利略系統(tǒng)的運行推動了美國GPS 系統(tǒng)與俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)技術的革新，美國計劃在2030年投入并使用第三代GPS 定位系統(tǒng)。

1.4 日本準天頂系統(tǒng)

二十一世紀初，日本提出了關于研發(fā)國際互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的建議，申請報告批準后，2010年“準天頂”衛(wèi)星成功發(fā)射。日本準天頂系統(tǒng)包含一顆地球同步軌道衛(wèi)星、三顆傾斜同步衛(wèi)星。對于地球來說，日本準天頂系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星每天的運行軌跡是相同的，所以日本本土上能夠看到一顆衛(wèi)星一直留在天空定點位置處。準天頂系統(tǒng)在具有軍事功能的同時，也可以作為GPS 定位系統(tǒng)的補充使用，只要系統(tǒng)能夠收到三顆衛(wèi)星定位信號就能完成精確的定位服務。準天頂系統(tǒng)的精度較強，通過衛(wèi)星發(fā)送衛(wèi)星星歷和電離層校正信息，人們在日本本土的定位精度可以精確到1 米。除此之外，日本準天頂系統(tǒng)可以向用戶提供災害告警服務，日本作為海島國家，地處環(huán)太平洋地震帶，火山地震災害頻發(fā)，發(fā)生災害時，準天頂系統(tǒng)的衛(wèi)星能夠將預警信息傳遞給用戶，以便用戶采取防護措施[3]。

1.5 印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)

印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一個自由區(qū)域型定位系統(tǒng)，系統(tǒng)可以提供民用標準定位和軍用限制型定位服務。印度政府希望通過系統(tǒng)提高制導武器精度，系統(tǒng)擁有7 顆衛(wèi)星和相關地面輔助設施，同步衛(wèi)星有3 顆，這些衛(wèi)星可以與印度地面控制站保持不間斷的聯(lián)絡。2016年印度又發(fā)射了IRNSS-1E 導航衛(wèi)星，這是繼美國、俄羅斯、中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)之后的第四個系統(tǒng)。相比之下，我國研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)比印度的區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)先進10年左右，基于各國相繼發(fā)展的背景下，加快我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用尤為重要。

2 我國“北斗”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的發(fā)展分析

2.1 系統(tǒng)組成

在美國和俄羅斯的衛(wèi)星導航系統(tǒng)研發(fā)之后，我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是全世界第三個成熟的導航系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包含空間、地面與用戶三部分，向全世界用戶提供定位導航與授時服務。2012年開始，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)開始在亞太區(qū)域內(nèi)運行使用，2017年我國正式開始建造北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。整個北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建成主要分為三個階段，具體如下：

（1）第一階段為試驗階段，使用少量衛(wèi)星，依靠地球同步靜止軌道展開系統(tǒng)試驗，研制與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)有關的地面輔助設施，比如“北斗一號”。

（2）第二階段為2012年，我國已發(fā)射了10 多顆衛(wèi)星，并在亞太區(qū)域內(nèi)建立了“北斗二號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它克服了“北斗一號”的缺點，為用戶提供全方位定位服務，不管是導航方式或定位覆蓋范圍，“北斗二號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)都與美國研發(fā)的GPS 系統(tǒng)類似。

（3）第三階段是2020年，我國已建成了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其中包含5 顆地球靜止軌道、30 顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)，系統(tǒng)能夠提供多頻信號，在信號組合的情況下服務精度有所提升。這一時期我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以實現(xiàn)全世界范圍內(nèi)無盲區(qū)定位導航，定位精度最低2.5 米[4]。

2.2 系統(tǒng)功能

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)總共有定位、導航、授時、通信四大功能。具體內(nèi)容如下：

（1）定位功能。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的導航系統(tǒng)，定位誤差不超過10 米，軍用定位精度可以達到毫米級，比美國GPS 民用定位誤差還要低。用戶終端可以按照北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實際授權情況完成位置匯報工作，方便指揮機構了解當前定位終端的動態(tài)。

（2）導航功能。這是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)最主要的功能，一臺終端機可以接收來自不同系統(tǒng)的定位信號，測速精度每秒可達0.2米。

（3）授時功能。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在為用戶提供定位服務的同時，也能夠提供授時功能，測量精度為50ns，可以用于軍事、金融以及電力通信領域。

（4）短報文通信功能。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)向已授權的用戶提供該功能，配屬完成后移動終端可以和指揮機在不受距離約束的前提下進行信息傳輸。同時，移動終端也能完成點對點通信，將其用于搶險救災中可以取得良好的效果。當前我國南方區(qū)域的通訊更加穩(wěn)定，在未來北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應對北方地區(qū)進行組網(wǎng)完善。

2.3 系統(tǒng)應用特點

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國獨立自主研發(fā)，可以穩(wěn)定覆蓋全球的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，與美國GPS 系統(tǒng)、俄羅斯“格洛納斯”、歐盟伽利略計劃相比，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)增加了通訊功能，并將短信與導航服務相機和，指揮機能夠和用戶設備相互通訊。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授權服務擁有高級保密級別，B1 和B2 開放式信號可供民用，B3 開放式信號供軍方使用，加密信號有著授權功能，每臺設備只有一個身份，適合用于集團用戶監(jiān)控管理。現(xiàn)如今，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于金融行業(yè)、網(wǎng)絡通信領域、民用航空以及電力調(diào)度等領域，在海洋漁業(yè)中，系統(tǒng)發(fā)揮著導航與通信功能。軍事領域上，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務于軍隊，有效保障了我國國防建設需求，保護國家安全。汶川地震時，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)起到了至關重要的作用，地震區(qū)域通信終端，救援部隊配置了北斗一號終端機，在北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的幫助下實現(xiàn)了直接聯(lián)絡，提高了救援效率。

2.4 系統(tǒng)未來發(fā)展前景

基于國內(nèi)外主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)的競爭，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)憑借著自身強大的競爭優(yōu)勢，擁有廣闊的市場發(fā)展前景。在未來，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應進一步提高定位精度，在各地區(qū)建設地基增強系統(tǒng)，就像美國GPS 系統(tǒng)的差分功能一樣，盡可能的消除信號區(qū)域誤差。與地基增強系統(tǒng)相配合，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位誤差將會達到1.2 厘米。同時，消除系統(tǒng)的定位盲區(qū)，羲和系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的延伸，可以解決樣北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的室內(nèi)定位盲區(qū)問題，滿足室內(nèi)和地下區(qū)域等信號屏蔽地區(qū)的定位導航需求，提高系統(tǒng)無縫定位能力。提高系統(tǒng)的抗干擾能力，將電磁盾牌技術與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)相聯(lián)系，讓用戶可以直接和系統(tǒng)完成通信聯(lián)系，以變頻發(fā)射技術作為未來北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展方向，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使系統(tǒng)更好的適應復雜的使用環(huán)境。促進北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)融合發(fā)展，注重星際導航兼容，與美國、歐盟、俄羅斯等國家的衛(wèi)星導航系統(tǒng)展開合作，實現(xiàn)射頻兼容，使用戶結合自身需求切換系統(tǒng)，突出不同系統(tǒng)功能的互補性。

3 總結

總而言之，與美國GPS 定位系統(tǒng)、俄羅斯“格洛納斯”、歐盟伽利略計劃相比，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展較晚，在使用時有部分地區(qū)信號不夠穩(wěn)定。基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)當前發(fā)展現(xiàn)狀，在未來系統(tǒng)應進一步提高定位精度，努力消除定位盲區(qū)，加強和地基增強系統(tǒng)的配合，提高系統(tǒng)無縫定位能力，將電磁盾牌技術和變頻發(fā)射技術用于其中，推動系統(tǒng)的可持續(xù)進步。