現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的技術(shù)特點與發(fā)展趨勢

2024年1月8日發(fā)(作者：楊懷遠)

現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的技術(shù)特點與發(fā)展趨勢

摘要：衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一種全球性的高精度時空基準提供系統(tǒng)，它為人類的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利，也為人類的安全、軍事、經(jīng)濟等提供了重要保障。衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有很強的技術(shù)應用性，隨著北斗系統(tǒng)組網(wǎng)完成，其應用將會更加廣泛。20世紀90年代以來，隨著第三代移動通信技術(shù)（3G）、數(shù)字程控交換技術(shù)、寬帶無線局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN）等不斷發(fā)展和完善，以及航天技術(shù)的進步，衛(wèi)星導航已經(jīng)進入到與互聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興信息技術(shù)融合發(fā)展的新階段。本文在回顧了衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展歷史并對國內(nèi)外衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展進行了分析、研究和展望的基礎上，重點探討了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、智能星基增強系統(tǒng)（ISES）等技術(shù)特點與未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： GPS；北斗；技術(shù)特點；發(fā)展趨勢

一、引言

衛(wèi)星導航是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，在人類社會的諸多領(lǐng)域起到了無可替代的作用。由于衛(wèi)星導航具有不受電磁干擾、全天候運行、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，使得其在軍事、民用、農(nóng)業(yè)、交通運輸、地理測繪以及大眾消費等方面都有著廣泛的應用。隨著科技的進步，衛(wèi)星導航技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善，除傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位方式外，還出現(xiàn)了一些新型衛(wèi)星導航系統(tǒng)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），簡稱 GPS，是美國20世紀70年代中期開始建設的一個全球性衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。

二、衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展歷史

目前，全球公認的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有 GPS、 GLONASS、 Galileo和 GALILEO四大系統(tǒng)，其中 GPS系統(tǒng)分別被稱為美國的“三大衛(wèi)星導航系統(tǒng)”，也稱 GPS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。目前，我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)完成了組網(wǎng)，即將正式

提供服務。GPS-21與GPS-22也將在2017年完成組網(wǎng)。目前，我國已經(jīng)建立起了自主可控的衛(wèi)星導航定位服務體系。

（一）第一代：伽利略系統(tǒng)

伽利略系統(tǒng)（Galileo）是歐盟研制的一種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由30顆靜止軌道和地球同步軌道衛(wèi)星組成，為歐洲用戶提供定位、時間和速度等基本服務，并能與其他國家的 GPS系統(tǒng)兼容共用。 伽利略系統(tǒng)由三顆地球同步軌道衛(wèi)星和兩顆靜止軌道衛(wèi)星組成，星座結(jié)構(gòu)與美國的 GPS相似，但設計壽命僅為6年，僅在2008年為歐洲提供了首次定位服務。目前伽利略系統(tǒng)仍在建設中，預計未來10年內(nèi)將可提供全球服務。

（二）第二代：格洛納斯系統(tǒng)

格洛納斯導航系統(tǒng)（GLONASS）由俄羅斯負責建設，于1985年開始運行，提供全球服務。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）和歐洲伽利略導航系統(tǒng)（GALILEO）之后建立的第三個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也是目前俄羅斯最大的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，目前已成為俄羅斯國民經(jīng)濟和國防建設的重要組成部分。

（三）第三代：北斗系統(tǒng)

中國第三代衛(wèi)星導航系統(tǒng)（即北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）計劃于2013年12月31日開始，在3年內(nèi)完成由11顆地球靜止軌道衛(wèi)星、4顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和2顆中圓地球軌道衛(wèi)星組成的北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座部署，以覆蓋全球。北斗系統(tǒng)將為亞太地區(qū)提供服務，可提供厘米級的高精度導航定位服務，并具備短報文通信功能。北斗系統(tǒng)建成后將服務于中國及周邊地區(qū)，并向亞太地區(qū)和國際用戶提供全天候、全天時服務。

（四）第四代：高精度北斗系統(tǒng)

2013年12月北斗二號系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)，標志著中國已基本形成以北斗為核心的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，從“區(qū)域?qū)Ш健边~向“全球?qū)Ш健薄?2014年7月31日，北斗三號首顆衛(wèi)星發(fā)射成功。到2014年年底，已經(jīng)發(fā)射了20顆北斗二號衛(wèi)星（5顆地球靜止軌道衛(wèi)星，10顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星），組網(wǎng)建設工作取得重

大進展。在地面部分建設了超過200座地面站，初步建成覆蓋全國的北斗定位服務網(wǎng)絡，為全球用戶提供基本的定位、導航和授時服務。 從2013年12月開始，中國在世界上首次實現(xiàn)了對固定和移動目標的實時位置、速度、方向和姿態(tài)信息的獲取，為交通運輸、海洋漁業(yè)等領(lǐng)域提供了應用示范。

三、北斗系統(tǒng)的技術(shù)特點

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國第一個自主建設和運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也是繼美國 GPS、俄羅斯 GLONASS之后全球第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其主要特征為：（1）采用三頻信號，并將原來的載波相位觀測值改為載波相位動態(tài)觀測值；（2）采用新型的地面信號處理方式，以提高接收機的抗干擾能力和定位精度；（3）采用星間鏈路技術(shù)，提高了系統(tǒng)的抗多徑能力和用戶定位精度。 與 GPS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有以下幾方面的特點：（1）覆蓋范圍廣；（2）定位精度高；（3）可靠性好；（4）連續(xù)性強；（5）服務內(nèi)容豐富。

（一）衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）

GPS由三部分組成：空間星座部分，包括24顆衛(wèi)星；地面監(jiān)控部分，包括15個 GPS地面站、4個 GPS信號接收器；用戶應用部分，包括飛機、艦艇等在海上、空中、陸地上的定位服務。在導航服務中， GPS系統(tǒng)用于獲取定位信息并提供導航信號給用戶。目前，全球定位系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的用戶約有1.2億，主要應用于交通運輸、政府管理以及國防等領(lǐng)域。全球定位系統(tǒng)是由美國于70年代初發(fā)展起來的。

（二）全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）

GNSS （Global Navigation Satellite System）是利用衛(wèi)星進行定位、導航、授時的技術(shù)系統(tǒng)。GNSS的概念包括全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、區(qū)域 GNSS （如： GNSS/PNT）等。與 GPS相比， GNSS具有更好的實時性和自主性，以及更高的可靠性和更強的抗干擾性。

（三）地基增強系統(tǒng)（GPS-GNSS）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的一種。其作用是提高定位精度和可用性，并允許用戶與系統(tǒng)進行雙向信息交換，在其控制下使用其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GNSS的優(yōu)點是：（1）在全球范圍內(nèi)提供連續(xù)高精度的服務，使導航定位精度達到米級甚至更高；（2）可全天候運行，不受天氣影響，特別是在惡劣天氣下仍可保證服務的連續(xù)性；（3）不需要衛(wèi)星信號接收機就能工作；（4）可以在用戶端實現(xiàn)快速、高精度的定位與測速；（5）能和其他導航系統(tǒng)實現(xiàn)雙向通信與信息交換；（6）能實現(xiàn)復雜地形下的導航定位；（7）與其他導航系統(tǒng)兼容，可用于衛(wèi)星通信。

（四）移動通信系統(tǒng)

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用的深入，以及 GPS本身性能的不斷提高，導航和定位技術(shù)將從單機走向系統(tǒng)，為用戶提供高精度、實時性和多功能的服務。如美國開發(fā)了基于 GPS的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，它可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)不受干擾、不需要許可的連續(xù)雙向通信，將極大地促進全球移動通信系統(tǒng)（GSM）和全球廣播式自動交換電話網(wǎng)絡（RAN）的發(fā)展，為實現(xiàn)全球范圍內(nèi)實時、高速、低成本地傳輸和交換信息提供了可能。

四、 GNSS系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢

GNSS系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了起步、應用推廣和產(chǎn)業(yè)化三個階段。目前，全球有三大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即美國的 GPS、歐洲的 GLONASS和俄羅斯的 GLONASS+

GPS。隨著北斗系統(tǒng)的組網(wǎng)完成，北斗將在全球定位導航領(lǐng)域占據(jù)主導地位。在此基礎上， GNSS系統(tǒng)技術(shù)也將向以下幾個方面發(fā)展。

（一）全球一網(wǎng)

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)組織（GLONASS）負責建設和管理，通過對全球范圍內(nèi)所有衛(wèi)星進行監(jiān)視和控制，利用全球星基增強系統(tǒng)（Global

Bad Enhancement System），通過空間信號處理技術(shù)進行信號增強，并在地面建立接收機，使其與用戶終端和地面控制站能夠進行通信連接，并向用戶提供衛(wèi)星導航定位信號等服務，該系統(tǒng)最早于1965年投入使用。

（二）全球一網(wǎng)+全球一碼

美國在2019年5月22日宣布，其全球定位系統(tǒng)（GPS）、地基增強系統(tǒng)（GLONASS）和天基全球定位系統(tǒng)（WAAS）將于2020年10月底前合并為全球定位系統(tǒng)（GPS），屆時，所有的用戶都可以在不需要重新定位的情況下獲得全球范圍內(nèi)的精確導航和授時服務。此外，歐盟也提出了其全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）發(fā)展目標，其目標是到2035年使其全球用戶的衛(wèi)星導航信號覆蓋率達到95%以上。

結(jié)束語

衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為一種全球定位系統(tǒng)，在軍事、商業(yè)及大眾等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和應用需求的日益提升，未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)將在多源信息融合、自主創(chuàng)新、安全可靠、經(jīng)濟適用等方面進一步發(fā)展，并將與互聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興信息技術(shù)深度融合，為人類生產(chǎn)生活帶來更加便捷的服務。

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