文/李宇飛

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是指能夠?yàn)榈厍虮砻婊蚪乜臻g的用戶提供全天候三維坐標(biāo)和速度以及時間信息的天基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。衛(wèi)星無線電導(dǎo)航走過了從低軌道衛(wèi)星到中軌道衛(wèi)星，從多普勒導(dǎo)航體制到偽距導(dǎo)航體制，從單一系統(tǒng)、單一體制向多系統(tǒng)、多體制兼容集成的發(fā)展歷程。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為世界各國信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。

人類利用太陽、月球和其他自然天體導(dǎo)航已有數(shù)千年歷史，然而由于利用自然天體導(dǎo)航特別容易受到天氣的影響，所以早在19世紀(jì)后半期就有人提出利用人造天體實(shí)現(xiàn)全天候?qū)Ш降脑O(shè)想。

直到1964年，美國建成“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并交付海軍使用，這個設(shè)想才真正付諸實(shí)現(xiàn)。1967年“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始民用。1973年美國又開始研制“導(dǎo)航星”（GPS）全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座布設(shè)完成。

以美國GPS系統(tǒng)為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)誕生伊始即展現(xiàn)出了非凡的價值。在軍事上，自第一次海灣戰(zhàn)爭以來，美軍廣泛使用了GPS制導(dǎo)，為車輛、軍艦、飛機(jī)等機(jī)動工具提供導(dǎo)航定位信息，為精確制導(dǎo)武器提供精確引導(dǎo)，為野戰(zhàn)或機(jī)動作戰(zhàn)部隊(duì)提供定位服務(wù)，為救援人員指引方向，確保了美軍“零傷亡”“斬首”等一系列新戰(zhàn)爭理念和新戰(zhàn)法得以實(shí)現(xiàn)，極大地提高了部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。在民用上，根據(jù)歐洲全球定位研究中心的數(shù)據(jù)，2025年全世界的衛(wèi)星導(dǎo)航市場的年產(chǎn)值將超過2680億歐元，設(shè)備增長將超過92億部?；谑謾C(jī)的位置服務(wù)和道路應(yīng)用占據(jù)了衛(wèi)星導(dǎo)航的主導(dǎo)地位，智能手機(jī)、車載設(shè)備、位置感知應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)銷量迅速增長。與國民經(jīng)濟(jì)安全密切相關(guān)的電力傳輸、通信、金融等領(lǐng)域，也嚴(yán)重依賴導(dǎo)航衛(wèi)星提供的精準(zhǔn)時間。

▲GPS-III-A衛(wèi)星

鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的巨大價值，世界上多個航天強(qiáng)國都開始研究并著手建立自主可控的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前，聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會認(rèn)定了四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航供應(yīng)商，分別是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GSNS）。除此以外，日本建設(shè)了區(qū)域性的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（QZSS），印度建設(shè)了區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）。

▲GPS地面控制站

▲GPS星座示意圖

本文就對世界上四個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行一些比較，看看它們都有哪些異同點(diǎn)。

空間部分

衛(wèi)星導(dǎo)航按測量導(dǎo)航參數(shù)的幾何定位原理分為測角、時間測距、多普勒測速和組合法等，其中測角法和組合法因精度較低等原因沒有實(shí)際應(yīng)用。多普勒測速定位也僅有“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采取過，該技術(shù)由于不能連續(xù)實(shí)時導(dǎo)航、兩次定位時間間隔太長、只能提供二維定位、對高速移動物體測量誤差較大等缺點(diǎn)，目前也不再應(yīng)用。

目前世界主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都是采用時間測距導(dǎo)航定位技術(shù)。用戶接收設(shè)備精確測量不在同一平面的4顆衛(wèi)星發(fā)來信號的傳播時間，然后進(jìn)行一組包括4個方程式的數(shù)學(xué)運(yùn)算，就可算出用戶位置的三維坐標(biāo)以及用戶鐘與系統(tǒng)時間的誤差。

采用時間測距原理的衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度主要取決于軌道預(yù)報精度、導(dǎo)航參數(shù)測量精度及其幾何放大系數(shù)和用戶動態(tài)特性測量精度。其中軌道預(yù)報精度主要受地球引力場模型影響和其他軌道攝動力影響。因此導(dǎo)航衛(wèi)星一般選擇高度較高的軌道，以避免地球高層大氣對于低地球軌道的攝動力影響。當(dāng)然了，在具體的運(yùn)行軌道選擇上，不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也有所區(qū)別。

美國的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星軌道高度約為20200公里。整個系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對于地球赤道面的軌道傾角為55度，各軌道平面的升交點(diǎn)赤經(jīng)相差60度，一個軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星升交角距超前30度。這種布局的目的是保證在全球任何地點(diǎn)、任何時刻至少可以觀測到4顆衛(wèi)星。

俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星軌道高度約為19100公里。整個系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，包括21顆工作星和3顆備份星。24顆衛(wèi)星均勻分布在3個軌道平面上，即每個軌道面上有8顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對于地球赤道面的軌道傾角為64.8度。這3個軌道平面兩兩相隔120度，同平面內(nèi)的衛(wèi)星之間相隔45度，軌道周期為11小時15分鐘。

歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星軌道高度為23616公里。整個系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。30顆衛(wèi)星均勻分布在3個傾角為56度的軌道平面內(nèi)。三個軌道升交點(diǎn)在赤道上相隔120度，衛(wèi)星運(yùn)行周期為14小時。當(dāng)某顆工作星失效后，備份星將迅速進(jìn)入工作位置，替代其工作，而失效星將被轉(zhuǎn)移到高于正常軌道300公里的軌道上。

中國面向全球提供服務(wù)的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。整個系統(tǒng)由35顆衛(wèi)星組成，其中有5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星、27顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星分別定點(diǎn)于東經(jīng)58.75度、80度、110.5度、140度和160度。IGSO衛(wèi)星軌道高度約為36000公里，3個傾斜同步軌道面均勻分布，軌道傾角55度，3顆IGSO衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡重合，交叉點(diǎn)經(jīng)度為東經(jīng)118度，相位相差為120度。MEO衛(wèi)星軌道高度21500公里，27顆衛(wèi)星均勻分布在3個傾角為55度的軌道平面內(nèi)。

▲北斗導(dǎo)航衛(wèi)星

▲北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

地面部分

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為了保障它的順暢運(yùn)行，不僅要依靠天上的衛(wèi)星，同時還要依靠負(fù)責(zé)運(yùn)行控制的地面站以及傳輸信號的無線電鏈路協(xié)同工作。世界上的幾個主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以說是異彩紛呈，各具特色。

▲伽利略全運(yùn)行能力衛(wèi)星

美國的GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分由分布在全球的若干個跟蹤站組成，主要負(fù)責(zé)收集信號、計(jì)算導(dǎo)航電文和發(fā)送命令。根據(jù)其作用的不同，跟蹤站包括1個主控站、5個監(jiān)測站和3個注入站。監(jiān)測站負(fù)責(zé)收集積分多普勒觀測值、衛(wèi)星時鐘、工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、氣象等數(shù)據(jù)。主控站負(fù)責(zé)計(jì)算衛(wèi)星星歷、時鐘修正、狀態(tài)數(shù)據(jù)、信號電離層延遲修正等，編算導(dǎo)航電文并傳送到注入站，診斷衛(wèi)星狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星。注入站負(fù)責(zé)發(fā)送導(dǎo)航電文和各種控制命令到導(dǎo)航衛(wèi)星。

俄羅斯的格洛納斯導(dǎo)航定位系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分均設(shè)在本土內(nèi)。其系統(tǒng)控制中心位于莫斯科，5個跟蹤站分別位于捷爾諾波爾、圣彼得堡、葉尼塞斯克、巴爾喀什、共青城。這些臺站主要用來跟蹤格洛納斯衛(wèi)星，接收衛(wèi)星信號和遙測數(shù)據(jù)。然后系統(tǒng)控制中心處理這些信息以確定衛(wèi)星時鐘和軌道姿態(tài)，并及時更新每個衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，這些更新信息再通過跟蹤站傳到各個衛(wèi)星。為彌補(bǔ)僅有國內(nèi)布站的缺陷，在衛(wèi)星上配備了后向激光反射棱鏡。跟蹤站的無線電測距數(shù)據(jù)需要利用主控中心光學(xué)跟蹤臺站的一個激光設(shè)備（精度優(yōu)于2cm）進(jìn)行定期校正，以提高測距精度。在系統(tǒng)控制中心還配備了一臺時間同步儀，即一臺高精度氫原子鐘，通過它來同步所有格洛納斯接收機(jī)上銫原子鐘的時間。

▲伽利略在軌驗(yàn)證衛(wèi)星

歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面段由完好性監(jiān)控系統(tǒng)、軌道測控系統(tǒng)、時間同步系統(tǒng)和系統(tǒng)管理中心組成。伽利略系統(tǒng)的地面段主要由2個位于歐洲的伽利略控制中心和29個分布于全球的伽利略傳感器站組成，另外還有分布于全球的5個S波段上行站和10個C波段上行站，用于控制中心與衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)交換?？刂浦行呐c傳感器站之間通過冗余通信網(wǎng)絡(luò)相連。

中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為，由分布在中國的若干個地面跟蹤站所組成的地面監(jiān)控系統(tǒng)和具有星間鏈路的導(dǎo)航星座組成的全球衛(wèi)星監(jiān)控系統(tǒng)。這就是北斗系統(tǒng)的一大獨(dú)特本領(lǐng)，即不需要全球布站。北斗三號系統(tǒng)中采用了一套其他導(dǎo)航衛(wèi)星所不具備的技術(shù)——星間鏈路，具有星間鏈路的導(dǎo)航星座可以完成星地-星間鏈路聯(lián)合精密定軌任務(wù)。

▲準(zhǔn)備裝配的伽利略衛(wèi)星

▲格洛納斯K衛(wèi)星

系統(tǒng)服務(wù)

在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會（ICG）和國際電聯(lián)（ITU）框架下，世界各主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本都能實(shí)現(xiàn)兼容與互操作，以便使所有用戶都能享受到可靠的衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ)服務(wù)。但是根據(jù)各國國情和發(fā)展目標(biāo)的差異，世界各主要衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在服務(wù)上也存在著一些不同。

美國GPS衛(wèi)星信號以偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻的形式廣播給用戶。衛(wèi)星載波信號工作在L波段，為了校正電離層折射引入的附加傳播時延，系統(tǒng)采用雙頻制，分別為L1和L2。L1中心頻率為1575.42MHz，L2中心頻率為1227.60MHz。衛(wèi)星向用戶廣播的導(dǎo)航信號或?qū)Ш诫娢闹饕ǎ盒l(wèi)星星歷及時鐘校正參數(shù)，測距時間標(biāo)記，大氣附加延遲校正參數(shù)（主要是電離層），其他與導(dǎo)航相關(guān)的信息。

GPS是軍民合用的系統(tǒng)，但它針對軍用和民用提供了不同的定位精度。軍用為3米，民用信號增加了干擾機(jī)制，使精度下降到100米。鑒于GPS在民用中發(fā)揮越來越重要的作用，美國政府2000年取消了GPS的干擾機(jī)制，使民用信號的精度提高了10倍以上，大大方便了民用用戶的使用，也為GPS的普及奠定了基礎(chǔ)。

為了更好地進(jìn)行國際間的兼容和交互操作，實(shí)現(xiàn)全球民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無縫隙連接，美國發(fā)射的Block III衛(wèi)星，附加GPS第四個民用信號L1C，該信號能夠與伽利略公開服務(wù)信號互操作，并與日本準(zhǔn)天頂系統(tǒng)共用。Block III衛(wèi)星相對Block IIF衛(wèi)星具有更強(qiáng)的抗干擾能力、可控的完好性性能和更高的精度。

俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星采用頻分多址技術(shù)，這是與其他主要導(dǎo)航系統(tǒng)明顯的一個區(qū)別。所有的格洛納斯衛(wèi)星都發(fā)射同樣的偽隨機(jī)碼，但采用不同的頻率發(fā)射。頻分多址技術(shù)的缺陷就是用戶接收機(jī)的體積大而且造價昂貴，但是具有某些抗干擾和抗互相關(guān)的特性，以及更簡單的選碼判據(jù)。格洛納斯衛(wèi)星以兩個分立的L頻段載頻發(fā)射信號，每顆衛(wèi)星的載頻都可由簡單公式求出。

格洛納斯有兩種導(dǎo)航電文，S碼電文和P碼保密電文，兩種電文的速率都是50位每秒。主要用途是提供衛(wèi)星星歷和頻道分配方面的信息。

格洛納斯所用的時間系統(tǒng)是前蘇聯(lián)自己維持的UTC時間，除了存在跳秒外，與GPS時間之間還有數(shù)十納秒的差異。格洛納斯所用的坐標(biāo)系是PZ90坐標(biāo)系，與GPS所用的WGS-84也不相同。

歐盟的伽利略系統(tǒng)采用了與GPS類似的碼分多址技術(shù)來區(qū)別不同的衛(wèi)星。為了提供更多的服務(wù)，伽利略信號結(jié)構(gòu)比GPS的民用碼信號復(fù)雜，其信號傳輸速率從50位每秒到1000位每秒不等。

伽利略系統(tǒng)提供含有測距碼和數(shù)據(jù)信息的導(dǎo)航信號，測距碼由每顆衛(wèi)星上的高穩(wěn)定度星鐘產(chǎn)生，數(shù)據(jù)信息則由地面上行注入站向衛(wèi)星發(fā)送。導(dǎo)航電文的內(nèi)容包括星鐘、星歷、識別碼和狀態(tài)標(biāo)識等，以及能使用戶預(yù)測星鐘和星歷精度的“空間精度信息”。

伽利略系統(tǒng)還能提供商業(yè)服務(wù)。該服務(wù)是需要付費(fèi)的增值業(yè)務(wù)，含有加密的增值數(shù)據(jù)，只有在接收機(jī)上使用密鑰才能使用該服務(wù)。商業(yè)服務(wù)主要包括業(yè)務(wù)保證、完好性報警、精確授時業(yè)務(wù)、準(zhǔn)確的電離層延時修正模型、本地差分修正信號等，定位精度得到進(jìn)一步的提高。伽利略系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有搜救功能，與現(xiàn)存的COSPAS-SARSAT系統(tǒng)、GMDSS系統(tǒng)和泛歐洲運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相互兼容，并且在定位和授時上均有改善。

中國的北斗系統(tǒng)采用三頻信號向用戶廣播導(dǎo)航數(shù)據(jù)。三頻信號可以更好地消除高階電離層延遲影響，提高定位可靠性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)預(yù)處理能力，大大提高模糊度的固定效率。而且如果一個頻率信號出現(xiàn)問題，可使用傳統(tǒng)方法利用另外兩個頻率進(jìn)行定位，提高了定位的可靠性和抗干擾能力。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的短報文通信服務(wù)也是一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的原創(chuàng)功能。08年汶川地震的時候，成為震區(qū)唯一的通訊方式。這一特色功能也是有容量限制的，所以并不適合日常通信功能，而是作為緊急情況通信比較合適，作為求救使用。