全球卫星导航系统的现状与进展

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摘要:

为了进一步研究全球卫星导航系统，较全面地概述 GPS、GLONASS、BDS 和 Galileo的发展历程和技术现状，对四大系统技术进行比较分析。结果表明：全球卫星导航系统朝着兼容统一共享的方向发展；且通过高精度定位比较分析，说明GPS和BDS定位精度趋向相同。

关键词:

全球卫星导航系统；全球定位系统；北斗卫星导航系统；格洛纳斯卫星导航系统；伽利略卫星导航系统

引言:

全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）是一个能在地球表面或近地空间的任何地点为适当装备的用户提供24h、三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电定位系统，包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。一个独立自主的全球卫星导航系统在提供时间与空间基准、智能化手段以及所有与位置相关的实时动态信息等方面发挥了关键性作用，对于一个国家的国防、军事、经济发展以及公共安全与服务具有深远的意义，是现代化大国地位、国家综合国力及国际竞争优势的重要标志。

导航系统发展现状:

全球卫星导航系统国际委员会（International Committee on Global Navigation Satellite System，ICG）公布的全球4大卫星导航系统供应商，包括美国的全球定位系统（global positioning system，GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system，Galileo）和中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）。其中：GPS是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统，GLONASS经历快速复苏后已成为全球第二大卫星导航系统，二者目前正处现代化的更新进程中；Galileo是第一个完全民用的卫星导航系统，正在试验阶段；BDS已经具备了亚太区域的导航定位、授时服务功能，由北斗二号逐步过渡到北斗三号，处于全球化快速发展阶段。

1、GPS卫星导航系统

GPS是美国20世纪70年代末开始建设的第二代卫星导航系统，1994年开始运营并提供服务。目前GPS已是星座构成最完善、定位精度最稳定、应用最广泛并呈现市场垄断的卫星导航系统。

GPS的空间卫星结构由24颗工作卫星及备份卫星构成，GPS的导航卫星均为中圆地球轨道（medium earth orbit，MEO）卫星，平均分布在6个轨道面。2011年7月完成卫星星座扩展，对3颗卫星重新定位、3颗卫星位置调整，从而实现24+3的理想卫星星座构型，覆盖范围增大，卫星可用性增强。截至2018年06月21日，空间段新老卫星数为32颗，其中31颗运行、1颗维护。卫星发展历程及特性如表1所示，包括工作卫星和备份卫星，多余卫星不参与星座组网，但可以增加定位精度和可靠性。2010年到2016年共发射12颗IIF卫星，GPS-III与GPS-IIIF卫星正在研制，2018年2月发射一颗GPS IIR卫星。



表1 GPS系统参数

GPS地面段包括1个主控站、1个备用主控站、12个地面天线和16个监测站。主控站位于哥伦比亚施里弗空军基地，备用主控站位于范登堡基地，地面天线包括GPS地面天线4个和空军卫星控制网远程追踪天线（air force satellite  control network，AFSCN）7个，监测站包括空军监测站6个和美国智能化地理空间局（The National Geospatial-Intelligence Agency，NGA）监测站10个。硬件升级的同时地面控制系统也进行了升级建设，建立了全新的地面控制段体系结构，增加了新导航信号的监测和GPS-III卫星新增特性的管理和控制等。



图1 GPS地面段分布

2、GLONASS卫星导航系统

GLONASS是苏联在1976年开始建设，1996年1月18日正式建成，但GLONASS在20世纪90年代后期经历俄罗斯的经济动荡后，从2003年开始进入全面升级和发展阶段，并于2011年年底实现全球覆盖。

GLONASS系统空间卫星组成为24颗MEO卫星，平均分布在3个轨道面上。截至2018年6月21日，GLONASS系统在轨卫星26颗，其中24颗GLONASS-M处于运行状态、1颗退役卫星用于主开发商测试、1颗GLONASS-K进行飞行参数测试。GLONASS-K卫星播发的码分多址（code division multiple access，CDMA）信号被捕获，使得GLONASS的信号编码方式实现从频分多址（frequency  division multiple access，FDMA）到CDMA的重大改变。俄罗斯联邦航天局2013年1月12日发布《俄罗斯2013-2020年空间活动》的文件，宣布至2020年还将建造并发射13颗GLONASS-M卫星以及22颗GLONASS-K卫星。预计2025年发射GLONASS-KM卫星。各型号卫星特性如表2所示，其中：“O”为开放信号；“S”为模糊、高精度信号；“F”为FDlA；“C”为CDlA；t为20l4年以后发射M卫星具有L3OC；η为频率号。



表2 GLONASS系统参数

GLONASS系统地面段包括一个控制中心位于莫斯科，地面监测站和增强站位于俄罗斯境内46个、邻国8个、南极3个、巴西1个，2014年2月，俄罗斯联邦航天局计划未来在全球36个国家布建50个地面站系统，当年境外建设地面站7个，并于2014年5月通过了在越南和尼加拉瓜建设GLONASS卫星导航系统地面站协议。在全球各地建立地面站将提高GLONASS系统的精确度，有助于提升其市场竞争力和全球份额。目前GLONASS的全球定位精度约为5 m，而俄罗斯境内在增强系统的辅助下精度可达0.5 m，随着GLONASS现代化的进程，预计未来2～3年，其定位精度与GPS相当。

3、北斗卫星导航系统

BDS是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

BDS建设总体的规划中，2020年建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。其系统由空间段、地面段和用户段3个部分组成。目前北斗二号在轨卫星包括5颗地球同步轨道卫星（geostationary Earth orbit，GEO）、5个倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbits，IGSO）和4颗MEO卫星，而北斗三号空间卫星结构设计由3颗GEO、3颗IGSO和24颗MEO以及在轨备份卫星组成。地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

2012年12月27日，北斗二号在继续保留北斗卫星导航试验系统（即北斗一号）有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上，向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务。截止2018年06月21日，BDS在轨卫星29颗，其中GEO卫星6颗、IGSO卫星9颗、MEO卫星14颗，其中：北斗二号可用卫星15颗、未用1颗；北斗三号卫星13颗，每颗卫星具有3个频率的信号。BDS可提供双向高精度授时和短报文通信服务，其位置精度为平面5、高程10m，测速精度0.2m／s，授时精度为单向50ns。

4、伽利略卫星导航系统

Galileo是欧盟正在建立的世界上第一个具有一定商业性质的完全民用的卫星导航系统，2003年开始实施，经历短暂的缓慢发展后，正以高速的发展趋势进入国际GNSS领域。

目前Galileo在轨验证卫星（inorbit validation satellites，IOV）有4颗。2013年3月12日首次实现了用户定位，成为Galileo建设的里程碑；2014年2月完成了在轨验证任务。Galileo能有效运行，且工作状态良好，作为现有国际卫星辅助搜救组织卫星的组成部分，Galileo可以为77%的救援位置提供2000m以内的定位精度，为95%的救援位置提供5000m以内的定位精度。目前，Galileo的伪距单点定位精度平均可达到水平方向5、垂直方向10m，平均授时精度达10ns。

在轨测试工作完成后，Galileo的建设工作继续推进，主要是发射卫星完成星座部署和进一步部署卫星地面站。2014年6颗卫星分3次搭乘联盟号火箭发射升空，加入现有的Galileo卫星星座，并于当年底开始提供初始服务。2014年8月22日发射2颗Galileo全面运行能力卫星，2014年8月25日欧盟官网宣布2颗卫星末进入预定轨道，但位于德国达姆斯塔的控制中心已成功控制卫星并研究如何使其在卫星网络中发挥作用，阿丽亚娜航天公司称运载火箭飞行中出现异常导致未进入预定轨道。2017年l2月l2日，4颗Galileo导航卫星（编号为IOV19～22号）由阿丽亚娜5火箭在法属圭亚那航天发射场发射入轨，此次发射任务使Galileo拥有了26颗卫星，即4颗IOV卫星、18颗FOC卫星。其中15颗卫星可用来提供服务，1颗卫星电源故障，2颗卫星未进预定轨道。2018年7月25日再次发射4颗卫星。

技术对比分析:

卫星导航系统都包括空间卫星星座，卫星星座的结构直接影响地面可视卫星数。目前GLONASS、Galileo和BDS都采用3轨道面，GPS采用6轨道，3轨道卫星几何分布优于6轨道，并且简化了星座组网的维持和配置。而GPS发展研究报告建议，GPS-III全部运行后构建33颗MEO和GEO卫星相结合的GPS混合型星座。BDS系统采用MEO和IGSO以及GEO相结合的混合星座结构，混合星座结构能更好地提高用户的定位精度，提高系统的稳定性和可用性。

卫星发射的信号决定了导航定位的方式和精度。目前BDS、GPS和Galileo都采用码分多址的方式。BDS卫星全部具有3频信号；GPS目前只有12颗GPS-IIF卫星具有3频信号，其余25颗卫星仅发射双频信号；GLONASS采用频分多址的方式，而未来的GLONASS-K2及以后的卫星都将具有3个固定频率并采用码分多址的方式。采用固定的频率可以通过差分技术削弱大气延迟的影响，简化观测方程的未知参数，降低定位算法的复杂度和提高定位精度，有利于不同系统间的互操作和组合定位。

当前，GPS的全球实时单点定位精度粗码为5～10m，精码1～2m，一般的民用接收机开阔区域可获得优于5m定位精度，加密导航信号达到了分米级；BDS只具备了亚太区域定位服务能力，部分地区服务性能优于10m，如在北京、郑州、西安、乌鲁木齐等地区，定位精度可达7m，低纬度地区定位精度可达到5m左右；GLONASS的全球定位精度从35m提高到了约为5m，随着地面站的建设卫星轨道精度的提高，全球范围的定位精度有望进一步提高。

GPS/BDS高精度定位比较:

GNSS以其独特的优势成为测绘行业中最主要的定位方式之一，满足测绘行业中不同精度、作业方式和实时性的要求，但目前测绘应用中仍依赖GPS。随着BDS的快速发展，其与GPS同样都具有固定的频率和采用码分多址，因此二者定位原理相同。表3为BDS和GPS测绘中高精度定位的比较分析结果，主要包括伪距差分（differential GPS，DGPS）、静态基线、精密单点定位（precise point positioning，PPP）和实时动态定位（real-time kinematic，RTK）以及网络RTK。从表3可以看出目前BDS和GPS定位精度达到了相同效果。表3中：N表示北方向；E表示东方向；U表示天方向。



表3 GPS/BDS定位精度统计

结束语:

我国BDS软硬件以及产业进入了高速发展阶段，BDS已经开始全球组网，在亚太区域具备了与GPS相当的定位授时服务能力，并且随着GLONASS的现代化以及Galileo的发展，卫星导航定位系统已经进入了GNSS时代，定位模式也从单一系统到多系统融合发展。因此需要大力推广多系统兼容应用，共同推动全球卫星导航事业发展，使其成为一个高精尖战略新兴产业，并在军事、国民经济建设等领域得到广泛应用。



来源：《导航定位学报》（2019年第7卷第1期：18-21）（版权归原作者及刊载媒体所有）

作者：刘艳亮 张海平 徐彦田 王锋

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编辑 / 黄兰琳  审核 / 孟博文 卜玺

指导：万剑华教授