北斗导航系统全球星座部署全面完成，全球卫星四大导航系统介绍

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　　“北斗”卫星定位导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，它先后历经了北斗一号、二号、三号系统三个阶段，建设历时近26年，共发射过4颗北斗一号试验卫星、20颗北斗二号组网卫星、5颗北斗三号试验卫星和30颗北斗三号组网卫星。今天（6月23日9时43分），北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星成功发射，从北斗二号首颗星算起，这是北斗系统的第55颗卫星，也是北斗三号的“收官之星”。

　　全球卫星定位系统共有四大系统，包括我国的北斗卫星导航系统(BDS)、美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system)。下面将分别从定义、定位原理、组成、特点等方面对四大系统简要介绍：

　　一、中国的北斗卫星导航系统(BDS)

　　北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、欧洲伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system)之后第四个成熟的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的重要空间基础设施。

　　1、基本组成

　　北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分构成。

　　1)空间段。北斗系统空间段由若干地球静止轨道卫星(5颗)、倾斜地球同步轨道卫星(3颗)和中圆地球轨道卫星(27颗)三种轨道卫星组成混合导航星座。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中圆地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。

　　2)地面段。北斗系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站。

　　3)用户端。北斗系统用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。

　　2、建设原则

　　北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：

　　1)自主。坚持自主建设、发展和运行北斗系统，具备向全球用户独立提供卫星导航服务的能力。

　　2)开放。免费提供公开的卫星导航服务，鼓励开展全方位、多层次、高水平的国际合作与交流。

　　3)兼容。提倡与其他卫星导航系统开展兼容与互操作，鼓励国际合作与交流，致力于为用户提供更好的服务。

　　4)渐进。分步骤推进北斗系统建设发展，持续提升北斗系统服务性能，不断推动卫星导航产业全面、协调和可持续发展。

　　3、发展历程与计划

　　20世纪后期，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：

　　2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务;

　　2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务;

　　计划在2020年前后，建成北斗全球系统，向全球提供服务；

　　2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

　　2018年11月19日，我国用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第四十二、四十三颗北斗导航卫星，这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星，是我国北斗三号系统第十八、十九颗组网卫星，北斗三号基本系统完成建设，开始提供全球服务。今天，北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星成功发射，这是北斗系统的第55颗卫星，也是北斗三号的“收官之星”，至此，北斗导航系统全球星座部署全面完成。

　　4、特色与功能

　　北斗系统具有以下特点：

　　1)北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。

　　2)北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

　　3)北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。

　　随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，并将服务于全球经济和社会发展。

　　二、美国的全球定位系统(GPS)

　　作为全球四大卫星导航系统之一，美国的GPS(Global Positioning System)由于其布星早，应用系统开发广泛，在全球占有重要地位。

　　1. GPS定义

　　GPS系统是由美国国防部的陆海空三军在70年代联合研制的新型卫星导航系统，它的英文名称是 “Navigation Satellite Timing And Ranging / Global PositioningSystem”，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。

　　2. GPS定位原理

　　GPS的定位原理实质上就是测量学的空间测距定位，利用在平均20200km高空均匀分布在6个轨道上的24颗卫星，发射测距信号码和载波，用户通过接收机接收这些信号测量卫星至接收机之距，通过一系列方程演算，便可知地面点位坐标。

　　3. GPS组成

　　GPS由三部分组成：GPS空间部分、地基监控组和GPS用户接收机部分。

　　GPS空间部分原本设计由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成。卫星分布可保证全球任何地区、任何时刻都不少于4颗卫星供观测。24颗卫星中3颗作为备份。每个轨道平面上有4颗卫星，它们按与地球成55°的相同方向运行，空间间隔约为90°。通过测量这些卫星到达的时间，用户可以用4颗卫星确定4个导航参数：纬度、经度、高度和时间。2011年6月，美国空军成功扩展GPS卫星，整调6颗卫星的位置，并加入多3颗卫星。这使工作卫星的数目增加至27颗，扩大了GPS系统的覆盖范围，并提高了准确度。截至2018年10月18日，在轨的工作卫星共有31颗，不包括备用卫星。

　　地基监控站由一个主控站和四个监察远控站组成。主控站设置在美国大陆，四个监控站分别设在大西洋、太平洋和印度洋的岛屿上。

　　用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置，以实现定位和导航。GPS接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。

　　4. GPS特点

　　美国的GPS全球覆盖率高达98%。GPS系统是全天候，不易受任何天气的影响，三维定点定速定时高精度，测站间无需进行通讯，具有快速、省时、高效率的特点，应用广泛、多功、可移动定位。

　　5. GPS缺陷以及现代化计划

　　随着科学技术的不断发展，相比于目前多个世界大国正在积极建设的其它卫星导航系统，GPS系统正日益显现出其在很多方面的固有缺陷。卫星导航信号的强度微弱，容易受到多径、噪声、干扰等因素的影响，难以穿透城市建筑遮挡，无法满足日益旺盛的室内定位导航需求;信号公开，容易受到干扰，由于P码信号不对民用用户开放，限制了GPS单点定位精度的提高;地面监控系统担负着编算和注入导航电文的重要任务, 一旦地面监控系统受到破坏或受到信息安全攻击，则很难保证系统导航服务的可靠性。为避免其在卫星导航领域内的垄断地位受到挑战，美国启动了GPS现代化计划，优化星座布局，积极开展相关导航卫星的退役和增补，全力研制生产下一代也就是第三代GPS卫星—GPS III，以及加快新一代GPS地面系统即GPS OCX的开发和部署工作。

　　三、俄罗斯的卫星导航系统(GLONASS)

　　GLONASS是俄语“全球卫星导航系统”的缩写，该系统为满足前苏联授时、海陆空定位与导航、大地测量与制图、生态监测研究等建立，于1978年开始研制，1982年10月开始发射导航卫星。自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星，到1995年，俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作，1996年24颗卫星正常发射信号，系统投入运行使用。根据2016年的数据，GLONASS在轨运行的卫星已达28颗。

　　GLONASS系统由地面监控部分、卫星星座和用户设备组成。

　　地面监控部分用于监测和维护卫星星座，并确定卫星的轨道和其运行的空间航行服务行为。由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站（含激光跟踪站）和外场导航控制设备等组成。

　　卫星星座由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔120°，同平面内的卫星之间相隔45°。轨道高度为19100km，轨道面的倾斜角为64.8°，周期为11h15.73m。

　　GLONASS系统标准配置为24颗卫星，而18颗卫星就能保证该系统为俄罗斯境内用户提供全部服务。据俄罗斯联邦航天署署长佩尔米诺夫2009年12月15日称，GLONASS系统完成全部卫星的部署后，其卫星导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间。

　　GLONASS用户设备（即接收机）能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文，计算出用户所在的位置、速度和时间信息。目前，GLONASS系统主要提供导航和定时服务，支持不限数量的陆基、海基、空基、天基用户。根据俄罗斯射频总统令，在任何时候、地球任何地方都可以提供GLONASS民用信号，无论是俄罗斯还是外国用户，都免费且没有限制。

　　GLONASS至今已经有三代卫星，6种卫星型号。第一代卫星是传统的GLONASS，二代星是现代化后的GLONASS-M 卫星，而第三代是最新发射的GLONASS-K 卫星。自2005 年12 月以来发射的所有GLONASS 卫星都是GLONASS-M 卫星。而GLONASS-K卫星是GLONASS-M卫星的升级版本，预期使用寿命由上一代的7年提升至10年，重量由1415千克减少至935千克。GLONASS-K卫星将逐步替代GLONASS－M卫星，以提高导航精确度。

　　GLONASS系统采用FDMA方式，根据载波频率来区分不同卫星。每颗GLONASS卫星发射的两种载波的频率。GLONASS 信号包括两个伪随机噪声（PRN）测距码：标准精度ST码和精密精度VT码，调制到L1 和L2 载波上。GLONASS ST码也已经在GLONASS-M 卫星的L2 频率上传输。从Block II 到GLONASS-M 系列的各种GLONASS卫星系列在每个卫星上有3个多原子频率综合器（AFS）。发送的信号像GPS信号一样是右旋圆极化的，具有可比较的信号强度。GLONASS-K1 在新的L3 频率（1202.025 MHz）上传输CDMA信号，GLONASS-K2 还将在L1 和L2 频率上提供CDMA 信号。

　　俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。系统误差历年来不断有所改善，目前达到1~2m左右。

　　四、欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo SNS）

　　伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system）是由欧盟主导、由欧洲空间局和欧洲导航卫星系统管理局研制和建造的全球卫星导航定位系统，于1999年2月首次提出，2002年3月正式启动，预计耗资53亿欧元。

　　建造该系统的目的主要有三个：一是为欧盟国家提供一个独立自主的高精度定位系统，减少对美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）的依赖；二是加强系统对高纬度地区（如挪威、瑞典等国家）的覆盖，在这些地区提供比其他系统更好的定位服务；三是为用户提供更精准且管制更少的数据，伽利略系统的目标是在水平和垂直方向提供精度1米以内的定位服务，基本服务（低精度）向所有用户免费开放，高精度定位服务提供给付费用户使用。

　　与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和中国的北斗更偏向于军事用途不同，伽利略系统主要用于民用，仅在发生武装冲突等极端情况下才会关闭。

　　伽利略系统的全球设施部分由空间段和地面段组成。空间段由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)构成，其中24颗工作卫星，6颗备用卫星，轨道高度为23,222km，轨道倾角为56度。地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。

　　伽利略系统的总部设在捷克共和国的布拉格，两个地面操控站分别位于德国慕尼黑附近的奥伯法芬霍芬和意大利的富齐诺。每颗卫星的重量为675千克，体积为2.7米 x 1.2米 x 1.1米，安装有两个光原子钟和两个被动氢原子微波激射器时钟，这些时钟将提供精确的时间信号，利用不同卫星发来的信息，结合三边测距原理，就可以计算出接收器所在的位置。卫星寿命至少在12年。

　　伽利略系统的第一颗试验卫星GIOVE-A于2005年12月发射，第二颗试验卫星GIOVE-B于2008年4月发射。2009年11月，伽利略系统在法属圭亚那的库鲁航天中心建成地面站。首批两颗在轨验证卫星（IOV）于2011年10月21日成功发射升空。2012年10月12日，第二批两颗在轨验证卫星成功发射升空，标志伽利略系统建设已取得阶段性重要成果，这4颗卫星可以组成微型网络，初步发挥地面定位功能，并确保今后发射的其他卫星能准确进入预定轨道正常运转。

　　2016年12月15日，伽利略系统在布鲁塞尔举行了激活仪式，在轨工作卫星达到18颗，说明其已具备早期运行能力（EOC）。截至2018年8月，伽利略系统已有26颗卫星成功发射进入轨道，标志其基本达到全面运行能力（FOC）。全部30颗卫星计划于2020年发射完毕，届时将向全球提供定位精度在1~2米的免费服务和1米以内的付费服务。

　　伽利略系统的基本服务有导航、定位、授时；特殊服务有搜索与救援(SAR功能)；扩展应用服务系统有在飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业。伽利略系统的卫星安装有转发器，可实现事故地点发出的求救信号和救援协调中心发出的反馈信号双向传送，是全球卫星搜救系统的一个重要升级。

　　伽利略计划是一个多国参与的项目，以色列、乌克兰、印度、摩洛哥、韩国、挪威、瑞士等国先后与欧盟签署了合作协议，加入该计划，并向其提供资金和技术支持。早在2003年9月，伽利略计划的项目主管就积极邀请中国加入，在短期内获得了2.3亿欧元的中方投资，使该计划的财政状况得到极大缓解，然而，由于欧盟委员会的安全与技术独立性政策，中国实际上被伽利略计划排除在外，中国之前的投资也没有得到任何回报。2006年12月，中国退出了伽利略计划。（根据网络资料整理，责任编辑罗文斌，邵鹤楠、赵艳玲、杨硕、马征，图片源自网络）

参考文献：

1.http://www.xinhuanet.com/tech/2019-03/27/c_1124291816.htm

2.https://www.secrss.com/articles/8195

3.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E7%90%83%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F

4. 伽利略定位系统[EB/OL].https://baike.baidu.com/item/伽利略定位系统/6726019，2019-01-02 5.伽利略卫星导航系统[EB/OL].https://baike.baidu.com/item/伽利略卫星导航系统/9142271?fr=aladdin，2019-03-27

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