全球四大導航系統

2024年1月8日發(作者：我和閨蜜)

全球四大衛星定位系統

目前，世界上只有少數幾個國家能夠自主研制生產衛星導航系統。當前全球有四大衛星定位系統，分別是美國的全球衛星導航定位系統GPS、俄羅斯的格羅納斯GLONASS系統、歐洲在建的“伽利略”系統、和中國的北斗衛星導航系統。

一、美國GPS長期壟斷

美國國防部從1973年開始實施的GPS系統，這是世界上第一個全球衛星導航系統，在相當長的一段時間內壟斷了全球軍用和民用衛星導航市場。GPS全球定位系統計劃自1973年至今，先后共發射了41顆衛星，總共耗資190億美元。GPS原來是專門用于為洲際導彈導航的秘密軍事系統，在1991年的海灣戰爭中首次得到實戰應用。隨后，在科索沃戰爭、阿富汗戰爭和伊拉克戰爭中大顯身手。從克林頓時代起，該系統開始應用在了民用方面。現運行的GPS系統由24顆工作衛星和4顆備用衛星組成。美國利用GPS獲得了巨大的經濟利益，多年來在出售信號接收設備方面賺取了巨額利潤。以1986年為例，當時一臺一般精度的GPS定位儀價格5萬美元，高精度的則達到10萬美元。現在價格雖然有所下降，但也可推算出20年來GPS“收獲頗豐”。以GPS為代表的衛星導航定位應用產業，已成為八大無線產業之一。據美國國家公共管理研究院進行的調查評估表明，GPS的全球銷售額將以每年38%的速度增長，2005年全球GPS市場已達到310億美元。長期以來，美國對本國軍方提供的是精確定位信號，對其他用戶提供的則是加了干擾的低精度信號——也就是說，地球上任何一個目標的準確位置，只有美國人掌握，其他國家只知道個“大概”。在海灣戰爭時，美國還曾置歐盟各國利益不顧，一度關閉對歐洲GPS服務。

2003年3月20日，伊拉克戰爭爆發。大批轟炸機、戰斗機猛撲向伊拉克首都巴格達，用炸彈準確地將一座建筑徹底摧毀，行動代號：“斬首行動”；4月，一架B-1B“槍騎兵”轟炸機臨時接到任務，用炸彈摧毀了另一座建筑。他們的目標都是一個人：薩達姆 侯賽因，他們所使用的炸彈都是一種：聯合攻擊炸彈(JDAM)，這些炸彈之所以都能夠精確的打擊目標，是因為他們都是通過衛星定位來實現定位，提供這種定位服務的正是由24顆美國衛星組成的全球定位系統--GPS。

由于GPS技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點，作為先進的測

量手段和新的生產力，已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個應用領域。

隨著冷戰結束和全球經濟的蓬勃發展，美國政府宣布，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，GPS民用信號精度在全球范圍內得到改善，利用C/A碼進行單點定位的精度由100米提高到10米，這將進一步推動GPS技術的應用，提高生產力、作業效率、科學水平以及人們的生活質量，刺激GPS市場的增長。

二、俄羅斯GLONASS（格洛納斯）系統

“格洛納斯GLONASS”是俄語中“全球衛星導航系統GLOBAL NAVIGATION

SATELLITE SYSTE”的縮寫。作用類似于美國的GPS、歐洲的伽利略衛星定位系統。最早開發于蘇聯時期，后由俄羅斯繼續該計劃。俄羅斯1993年開始獨自建立本國的全球衛星導航系統。1995年俄羅斯耗資30多億美元，完成了GLONASS導航衛星星座的組網工作。它也由24顆衛星組成，原理和方案都與GPS類似，不過，其24顆衛星分布在3個軌道平面上，這3個軌道平面兩兩相隔120°，同平面內的衛星之間相隔45°。每顆衛星都在19100千米高、64.8°傾角的軌道上運行，軌道周期為11小時15分鐘。地面控制部分全部都在俄羅斯領土境內。俄羅斯自稱，多功能的GLONASS系統定位精度可達1米，速度誤差僅為15厘米/秒。如果必要，該系統還可用來為精確打擊武器制導。GLONASS衛星由質子號運載火箭一箭三星發射入軌，衛星采用三軸穩定體制，整量質量1400KG，設計軌道壽命5年。所有GLONASS衛星均使用精密銫鐘作為其頻率基準。第一顆GLONASS衛星于1982年10月12日發射升空。到目前為止，共發射了80余顆GLONASS衛星。

恐怕很少有人知道， 格洛納斯的正式組網比GPS還早， 這也是美國加快GPS建設的重要原因之一。不過蘇聯的解體讓格洛納斯受到很大影響，正常運行衛星數量大減，甚至無法為為俄羅斯本土提供全面導航服務，更不要說和GPS競爭。到了21世紀初隨著俄羅斯經濟的好轉，格洛納斯也開始恢復元氣，推出了格洛納斯-M和更現代化的格洛納斯-K衛星更新星座。

該系統由蘇聯在1976年組建，現在由俄羅斯政府負責運營。1991年組建成具備覆蓋全球的衛星導航系統，從1982年12月12日開始，該系統的導航衛星不斷得到補充，至1995年，該系統衛星在數目上基本上得到完善，但隨著俄羅斯經濟不斷走低，該系統也因此因失修等原因陷入崩潰的邊緣。但2001年到2010年10月俄羅斯政府已經補齊了該系統需要的24顆衛星。預計到2012年

GLONASS全球導航系統衛星的數量將增加到30顆，實現全球定位導航，屆時其衛星導航范圍可覆蓋整個地球表面和近地空間，定位精度將達到1米左右。

在技術方面，GLONASS與GPS有以下幾點不同之處[：

衛星發射頻率不同。GPS的衛星信號采用碼分多址體制，每顆衛星的信號頻率和調制方式相同，不同衛星的信號靠不同的偽碼區分。而GLONASS采用頻分多址體制，衛星靠頻率不同來區分，每組頻率的偽隨機碼相同。基于這個原因，GLONASS可以防止整個衛星導航系統同時被敵方干擾，因而，具有更強的抗干擾能力。每顆格洛納斯衛星廣播兩種信號，L1和L2信號。具體地說，頻率分別為L1=1602+0.5625*k(MHz)和L2=1246+0.4375*k(MHz)，其中 k為1～24為每顆衛星的頻率編號，同一顆衛星滿足L1/L2=9/7。格洛納斯系統設計定位精度為在95%的概率條件下，水平向為100米，垂直向為150米。

坐標系不同。GPS使用世界大地坐標系（WGS-84），而GLONASS使用前蘇聯地心坐標系（PZ-90）。

時間標準不同。GPS系統時與世界協調時相關聯，而GLONASS則與莫斯科標準時相關聯。

此外，由于GLONASS沒有施加S.A.干擾 (Selective Availability)，所以它的民用精度優于施加S.A.干擾的GPS系統 (注: 2000年5月1日起, GPS的S.A.的干擾已被解除])。但是，GLONASS的應用普及度還遠不及GPS，這主要是由于俄羅斯長期以來不夠重視開發民用市場。不過，目前已有包括蘋果iPhone 4S、索尼Xperia S在內的數款智能手機搭載了GLONASS和GPS雙定位系統，諾基亞也表示將在其即將推出的手機中使用GLONASS[6]。2012年7月23日三星推出支援美國GPS與俄羅斯GLONASS系統，共擁有48顆雙衛星定位的Android操作系統GALAXY-Ace-2手機。

技術難點

1．目前GLONASS工作不穩定，衛星工作壽命短，在軌衛星只12顆；

2．GLONASS用戶設備發展緩慢，生產廠家少，設備體積大而笨重；

3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用戶接收機中頻率綜合器復雜；

4．對GPS/GLONASS兼容接收機，需解決兩系統的時間和坐標系統問題。

差分增強系統

為了進一步提高GLONASS的精度，以滿足三個類別的飛機精密進場/著陸的要求，俄 羅斯正計劃開發以下三種差分增強系統。

（1）廣域差分系統（WADS）。它包括在俄羅斯境內建立3-5個WADS地面站，可為離站1500～2000km內的用戶提供5-15m的位置精度。

（2）區域差分系統（RADS）。在一個很大的區域上設置多個差分站和用于控制、通信和發射的設備。它可在離臺站400～600km的范圍內，為空中、海上、地面以及鐵路和測量用戶提供3-10m的位置精度。

（3）局域差分系統（LADS）。它采用載波相位測量校正偽距，可為離臺站40km以內的用戶提供10cm量級的位置精度。 LADS臺站可以是移動系統，還可能用地面小功率發射機--偽衛星來輔助。

另外，還制訂了一個更大范圍的包括獨聯體各國的統一的聯合國家分系統（UDS）。該系統預計在1998-2000年建成，屆時將為獨聯體的所有國家提供精密導航定位服務。

三、伽利略衛星導航系統

伽利略定位系統（Galileo），是歐盟一個正在建造中的衛星定位系統，有“歐洲版GPS”之稱，也是繼美國現有的“全球定位系統” (GPS) 、俄羅斯的GLONASS系統及中國的北斗衛星導航系統外，第四個可供民用的定位系統，預計會于2014年開始運作并在2019年完工。

建造此系統的目的有以下幾點:

? 為用戶提供更準確的數據

? 加強對高緯度地區的覆蓋，包括挪威、瑞典等地區。

? 減低對現有GPS系統的依賴，尤其是在發生戰爭時。

在上世紀90年代的局部戰爭中，美國的GPS出盡風頭。利用GPS系統提供定位的導彈或戰斗機可以對地面目標進行精確打擊，這給歐洲國家留下了深刻印象。為減少歐洲對美國軍事和技術的依賴，經過長達3年的論證，2002年3月，歐盟15國交通部長會議一致決定，啟動“伽利略”導航衛星計劃。“伽利略”計劃的總投資預計為36億歐元，由分布在3個軌道上的30顆衛星組成。該系統與GPS類似，可以向全球任何地點提供精確定位信號。與美國的GPS相比，“伽利略”

系統可以為民用客戶提供更為精確的定位，其定位精度可以達到1米，而GPS只能達到10米。

2000年，“伽利略”計劃提出不久，歐盟委員會副主席德帕拉西奧在與當時的中國國務院總理朱镕基會晤時就表示希望中國參與“伽利略”計劃，得到了中國的積極回應。隨后，中國同歐盟簽署協議，在北京成立了中歐衛星導航技術培訓合作中心，中國向“伽利略計劃”投資2.3億歐元，根據比例獲取相應收益。

然而，進入2005年，歐洲政治開始轉向，親美政治人物紛紛上臺，歐洲航天局與美國“修好”。歐盟開始排擠中國。投入巨額資金，卻得不到與之相稱的對待，中國不但進不到“伽利略”計劃的決策機構，甚至在技術合作開發上也被歐洲航天局故意設置的障礙所阻擋，中方十分不滿。在此背景下，中國開始把注意力轉移到“北斗”系統上。

衛星

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數量: 30顆

離地面高度: 23,222公里 (MEO)

三條軌道，56°傾角 (每條軌道將有九顆衛星運作，最后一顆作后備)

衛星壽命: 12年以上

衛星重量: 每顆675公斤

衛星長闊高: 2.7m x 1.2m x 1.1m

太陽能集光板闊度: 18.7m

太陽能集光板功率: 1500W

服務

“伽利略系統”將提供以下四種導航服務:

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開放服務 (Open Service)：開放服務提供任何人自由使用，開放服務的信號將會廣播1164-1214MHz 及 1563-1591MHz 兩個頻帶上。同時接收兩個頻帶的信號水平誤差<4米，垂直誤差<8米，如果只接收單一頻帶仍然有

<15米的水平誤差 及 <35米的垂直誤差與GPS 的 C/A 碼相當。

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商業服務 (Commercial Service)

公共規范服務 (Public Regulated Service)

生命安全服務 (Safety of Life Service)

四、中國的北斗導航系統

北斗導航系統是中國自行研制的全球衛星定位于通信系統，是繼美國GPS和俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。截止2012年五月在軌衛星13顆，已經初步具備區域導航、定位和授時能力。計劃在2020年由35顆衛星提供覆蓋全球的導航能力。

北斗一號

北斗一號導航系統是在地球赤道平面上設置2顆地球同步衛星，衛星的赤道角距約60°。是覆蓋中國本土的區域導航系統，覆蓋范圍東經約70°-140°，北緯5°-55°。

北斗一號衛星導航系統的工作過程是：首先由中心控制系統向衛星I和衛星II同時發送詢問信號，經衛星轉發器向服務區內的用戶廣播。用戶響應其中一顆衛星的詢問信號，并同時向兩顆衛星發送響應信號，經衛星轉發回中心控制系統。

中心控制系統接收并解調用戶發來的信號，然后根據用戶的申請服務內容進行相應的數據處理。 對定位申請，中心控制系統測出兩個時間延遲：即從中心控制系統發出詢問信號，經某一顆衛星轉發到達用戶，用戶發出定位響應信號，經同一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲；和從中心控制發出詢問信號，經上述同一衛星到達用戶，用戶發出響應信號，經另一顆衛星轉發回中心控制系統的延遲。由于中心控制系統和兩顆衛星的位置均是已知的，因此由上面兩個延遲量可以算出用戶到第一顆衛星的距離，以及用戶到兩顆衛星距離之和，從而知道用戶處于一個以第一顆衛星為球心的一個球面，和以兩顆衛星為焦點的橢球面之間的交線上。另外中心控制系統從存儲在計算機內的數字化地形圖查尋到用戶高程值，又可知道用戶處于某一與地球基準橢球面平行的橢球面上。從而中心控制系統可最終計算出用戶所在點的三維坐標，這個坐標經加密由出站信號發送給用戶。

短報文通信：一次可傳送多達120個漢字的訊息。

精密授時：精度達10納秒。

定位精度：水平精度100米（1σ），設立標校站之后為20米（類似差分狀態）。

工作頻率：2491.75MHz。

系統容量：每小時540000戶。

北斗二號

北斗二號是中國開發的獨立的全球衛星地位系統，不是北斗一號的簡單延伸，更類似于GPS（全球定位系統）和伽利略。

北斗二號”衛星導航系統空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，提供兩種服務方式，即開放 服務和授權服務。開放服務是在服務區免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為厘米級，授時精度為50納秒，測速精度0．2米/秒。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。

“北斗二號”衛星導航系統將克服“北斗一號”系統存在的缺點，同時具備通信功能，其建設目標是為我國及周邊地區的我軍民用戶提供陸、海、空導航定位服務，促進衛星定位、導航、授時服務功能的應用，為航天用戶提供定位和軌道測定手段，滿足武器制導的需要，滿足導航定位信息交換的需要。

“北斗二號”全球衛星定位系統無論是導航方式，還是覆蓋范圍上都和美國的GPS非常類似，而且有著GPS和“格洛納斯”系統無法比擬的獨特優勢。“北斗二號”系統主要有三大功能：快速定位，為服務區域內的用戶提供全天候、實時定位服務，定位精度與GPS民用定位精度相當；短報文通信，一次可傳送多達120個漢字的信息；精密授時，精度達20納秒。

四大系統各有特色

從技術和應用前景上看，四大系統各有優劣，如果說GPS勝在成熟，伽利略勝在精準，那么格洛納斯的最大價值就在于抗干擾能力強，而中國的北斗衛星導航系統的優勢則在于互動性和開放性。與GPS相比，伽利略系統在許多方面具有優勢，例如其衛星數量多達30顆，其衛星軌道位置比GPS高。伽利略可為地面用戶提供3種類型的信號供選擇，其中包括免費信號、加密且需交費才能使用的信號、加密且可以符合更高要求的信號。

此外，伽利略衛星定位系統信號的最高精度比GPS高10倍，確定物體的誤差范圍在1米之內。正如有關專家所說：“如今的GPS只能找到街道，而伽利略卻能找到車庫的門。”而俄國的格洛納斯由24顆衛星組成，也是由軍方負責研制和控制的軍民兩用導航定位衛星系統。盡管其定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干擾能力卻是最強的。中國自行研制生產的北斗衛星導航系統不僅具備在任何時間、任何地點為用戶確定其所在的地理經緯度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所創新。北斗系統與其他系統最大的不同，在于它不僅能使用戶知道自己的所在位置，還可以告訴別人自己的位置，特別適用于需要導航與移動數據通信場所。此外，中國還致力于提高北斗衛星導航系統與其他全球衛星導航系統的兼容性，促進衛星定位、導航、授時服務功能的應用。