全球卫星导航系统的现状与进展

发表时间：2020-03-17

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 (globalposiioningsys em, GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global naviga ionsa eliesys em, GLONASS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite sys3em, 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。 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下表所示，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，GPS4II与GPS4IIF卫星正在研制，2018年2月发射一颗GPS-IIR卫星。

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卫星新增特性的管理和控制等[3-4]。

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(fre- quency 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。各型号卫星特性如下表所示，其中：“O”为开放信号；“S”为模糊、高精度信号；“F”为FDMA；"C”为CDMA；‡为 2014年以后发射M卫星具有L3OC；n为频率号。

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。

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[6]。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 geo —synchronous 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10 m，测速精度0. 2 m/s ,授时精度为单向50 ns。1.4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Gaii- leo 在轨验证卫星(in-orbit 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2000 m以内的定位精度，为95 %的救援位置提供5000 m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10 m , 平均授时精度达10 ns。

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颗卫星未进入预定轨道，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12月12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[7-8]。

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。下表为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。从下表可以看出目前BDS和GPS定位精度达到了相同效果。下表中：N表7K北方向；E表7K东方向；U表7K天方向。

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

--转自《导航定位学报》测绘学术资讯