各國衛星導航系統比較(北斗、伽利略、GLONASS、GPS)

2024年1月8日發(作者：臺州灣野生動物園)

北斗衛星導航系統簡介

衛星導航系統是重要的空間基礎設施，為人類帶來了巨大的社會經濟效益。中國作為發展中國家，擁有廣闊的領土和海域，高度重視衛星導航系統的建設，努力探索和發展擁有自主知識產權的衛星導航定位系統。

2000年以來，中國已成功發射了4顆“北斗導航試驗衛星”，建成北斗導航試驗系統(第一代系統)。這個系統具備在中國及其周邊地區范圍內的定位、授時、報文和GPS廣域差分功能，并已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業、勘探、森林防火和國家安全等諸多領域逐步發揮重要作用。

中國正在建設的北斗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(屬于第二代系統)。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10米，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。

中國計劃2007年初發射兩顆北斗導航衛星，2008年左右滿足中國及周邊地區用戶對衛星導航系統的需求，并進行系統組網和試驗，逐步擴展為全球衛星導航系統。

伽利略衛星導航系統簡介

數量：30顆中高度圓軌道衛星組成，27顆為工作衛星，3顆為候補；

軌道：高度為24126公里，位于3個傾角為56度的軌道平面內；

精度：最高精度小于1米；

用途：主要為民用；

1999年2月10日，歐盟執行機構歐洲委員會(EC)公布了歐洲導航衛星系統“伽利略”計劃，該系統是與美國全球導航定位系統(GPS)和俄羅斯的GLONASS系統兼容的民用全球定位衛星系統。歐盟之所以進行“伽利略”計劃，主要是為了擺脫對美國GPS系統的依賴，打破美國對全球衛星導航定位產業的壟斷，在使歐洲獲得工業和商業效益的同時，贏得建立歐洲共同安全防務體系的條件。

其實，歐空局(ESA)早在1990年就決定研制“全球導航衛星系統(GNSS)”， GNSS分為兩個階段，第一階段是建立一個與美國GPS系統、俄羅斯GLONASS系統、以及三種區域增強系統均能相容的第一代全球導航衛星系統(GNSS-1)，第二階段是建立一個完全獨立于GPS系統和GLONASS系統之外的第二代全球導航衛星系統(GNSS-2)。由于GNSS-1主要是利用GPS等已經建成的系統，因此其主要工作是在歐洲建立30座地面站和4個主控制中心，系統將在2002年部署完畢，2004年完成運營試驗。歐洲的長遠目標是擁有自己的獨立的全球導航衛星系統，即GNSS-2，也就是現在的“伽利略”系統。

“伽利略”計劃由歐洲委員會和歐空局共同負責。歐洲委員會負責政治領域和高層次的任務需求，其中包括對系統總體結構、經濟收益和用戶需求的研究。歐空局負責空間分系統及相關地面系統的確定、發展和在軌鑒定。

“伽利略”系統的批準實施，使得歐洲繼“空中客車”和“阿里安”火箭之后，又將擁有自己獨立的導航衛星系統，這是歐洲力圖獨立于美國的又一個重大決定，具有重大政治意義。

歐盟稱，“伽利略”計劃是在“技術、經濟和政治上的挑戰”。小心翼翼地將“政治”放在最后，自然是要減少“伽利略”的政治色彩。歐盟還表示，“伽利略”系統是純民用的，不用于軍事，也不干涉美國的GPS，甚至是GPS的有效補充，也是為了避免美國的反感。但是“伽利略”計劃既已啟動，其政治意義也就不言自明。

在“伽利略”系統的籌建過程中，曾一再受到美國的阻撓，歐洲內部的意見也一度產生嚴重分歧，系統計劃幾乎流產。但歐盟委員會及歐洲航天局非常明確地向成員國指出，早在20世紀60年代，美國就曾阻止歐洲擁有自己的航天發射能力，許諾免費為歐洲發射衛星，但歐洲頂住了誘惑和干擾，開發了自己的“阿里安”火箭，使歐洲今天不但擁有了完全獨立的衛星發射系統，而且在國際航天發射市場上占有了絕對的優勢。歐盟委員會指出，現在的情

況與當初何其相似，所不同是如果沒有自己獨立的衛星導航定位系統，歐洲防務在20到30年以后將完全失去自主，歐洲也將最終淪為美國的附庸。

在“伽利略”系統問題上，歐洲內部從意見分歧到最后統一，這足以表明盡管歐洲國家各有各的考慮，但面對美國昭然若揭的霸權野心，其他矛盾都可以暫退其后。歐洲人已經達成共識：對歐洲的安全性起關鍵作用的導航系統如果不受歐洲控制，歐洲的主權和安全就有嚴重問題。因為世界上沒有永遠的敵人，也沒有永遠的盟友，盟友有時會變成敵人。

“伽利略”計劃很可能會成為歐洲人安全合作的起點，在軍事應用上發揮類似GPS的功能。“伽利略”系統的安全保障功能絕不僅僅是一個推銷軍用接收機的問題，而是歐洲各國需要擁有一個既能用于歐洲防務體系，又能為歐洲各國軍方使用的全球導航衛星系統。歐盟“伽利略”計劃軍事應用的具體設想是：在發生沖突和戰爭期間，迅速將L1和L2頻率的兩級服務轉為軍用業務，而第3級L3頻率仍保留給民航等特殊用戶。歐盟將采用不同類型的接收機控制導航信號及其應用。

格洛納斯衛星導航系統簡介

數量：24顆衛星組成；

精度：10米左右；

用途：軍民兩用；

進展：目前已有17顆衛星在軌運行，計劃2008年全部部署到位。

2003年9月24日，是俄聯邦政府總統正式宣布俄羅斯GLONASS系統開始服役的十周年紀念日。

事實上，GLONASS在1993年只是具備了初始作戰能力。直到1995年末1996年初GLONASS才真正實現了完整星座的部署。GLONASS的第一顆衛星是1982年發射入軌的，同年還發射了兩顆同軌道(19100千米)的Etalon geodetic衛星，對規劃的高度和傾角的地球引力場特性進行全面表征。原計劃1991年建成完整的工作系統。

GLONASS的工作衛星有21顆，分布在3個軌道平面上，同時有三顆備份星。這三個軌道平面兩兩相隔120度，同平面內的衛星之間相隔45度。每顆衛星都在19100千米高、64.8度傾角的軌道上運行。每顆衛星需要11小時15分鐘完成一個軌道周期。

地面控制部分全部都位于前蘇聯領土境內，地面控制中心和時間標準位于莫斯科，遙測和跟蹤站位于圣彼得堡、Ternopol、Eniisk和共青城。

1960年晚些時候，俄羅斯軍方確認需要一個衛星無線電導航系統(SRNS))用于規劃中的新一代彈道導彈的精確導引。當時已有的Tsiklon衛星導航系統接收站需要好幾分鐘的觀測才能確定一個位置，因此不能達到導航定位的目的。1968-1969年，國防部、科學院和海軍的一些研究所聯合起來要為海、陸、空、天武裝力量建立一個單一的解決方案。1970年這個系統的需求文件編制完成。進一步研究之后，在1976年，前蘇聯頒布法令建立GLONASS(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)。

GLONASS衛星星座基本上一直處于降效運行狀態，只有8顆衛星是全功能工作的。90年代曾經制定過一個GLONASS星座漸進增強計劃，企圖在2001年開始有12顆全功能工作的衛星，但根據最新情報，目前仍然只有8顆全功能工作的衛星。

俄羅斯目前正在著手GLONASS系統現代化的工作。俄羅斯太空部隊打算開始進行新一代GLONASS-M計劃的飛行試驗，發射將在2004年左右進行。新型GLONASS-M衛星除了將有更長的設計壽命(從現行的3年提高到7-8年)以外，還將具有更好的訊號特性。俄羅斯還計劃要在將來轉變到低質量(MASS)第三代GLONASS-K衛星，確保衛星工作壽命在10年以上。

GPS衛星導航系統簡介

全球定位系統(GPS)是本世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。 全球定位系統由三部分構成：(1)地面控制部分，由主控站(負責管理、協調整個地面控制系統的工作)、地面天線(在主控站的控制下，向衛星注入尋電文)、監測站(數據自動收集中心)和通訊輔助系統(數據傳輸)組成；(2)空間部分，由24顆衛星組成，分布在6個道平面上；(3)用戶裝置部分，主要由GPS接收機和衛星天線組成。

全球定位系統的主要特點：(1)全天候；(2)全球覆蓋；(3)三維定速定時高精度；(4)快速省時高效率：(5)應用廣泛多功能。 全球定位系統的主要用途：(1)陸地應用，主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、市政規劃控制等；(2)海洋應用，包括遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平臺定位、海平面升降監測等；(3)航空航天應用，包括飛機導航、航空遙感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。

GPS衛星接收機種類很多，根據型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、集成型；根據用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式。

經過20余年的實踐證明，GPS系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統。 GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。

GPS原理

24顆GPS衛星在離地面1萬2千公里的高空上，以12小時的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。

由于衛星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術，建立基準站(差分臺)進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并對外發布。接收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

GPS前景

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2000年至2006期間，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20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。據有關專家預測，在美國，單單是汽車GPS導航系統，2000年后的市場將達到30億美元，而在我國，汽車導航的市場也將達到50億元人民幣。可見，GPS技術市場的應用前景非常可觀。