全球卫星导航系统建设发展的启示

弋耀武 龚 辉 陈兆源

（空军工程大学军事技能教研室，陕西 西安 710038）

0.引言

卫星导航系统是利用飞行的卫星不断向地面广播、发送特定频率，并加载一些特殊定位信息的无线电信号来实现定位、导航和授时的导航定位系统；全球卫星导航系统也称GNSS（Global Navigation Satellite System），是一个各个层面、多种系统、不同定位模式的复杂组合系统，能为地空领域的用户提供不同天候、连续时段、高精度的定位、导航和授时服务[1]。从广义上看，具有全球型、区域型和增强型等几种类型，全球型的卫星导航系统有美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统、欧盟的伽利略卫星导航系统,以及中国的北斗卫星导航系统；区域型的卫星导航系统有日本准天顶卫星系统和印度区域卫星导航系统[2，3]；增强型的卫星导航系统有美国的广域增强系统（WAAS）、俄罗斯的差分校正和监测系统（SDCM）、欧洲静地导航重叠服务（EGNOS）、日本的多功能卫星星基增强系统（MSAS）、印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统（GAGAN）、中国的北斗星基增强系统（BDSBAS）等[3]。卫星导航系统已经处于一个全新的多系统并存阶段，分析和研究现有的卫星导航系统的建设和发展历程，总结其发展过程中的优缺点，吸取经验教训，将对我国北斗导航系统的发展起到积极作用。为使北斗导航系统能够更合理地发展、更广泛地应用、更全面地保障国家安全，文章在介绍国外全球型和区域型卫星导航系统的发展和现状的基础上，总结卫星导航系统发展的特点，探讨卫星导航系统建设对我国北斗导航系统发展的启示。

1.全球卫星导航系统的发展及现状

1.1 GPS系统（Global Positioning System）

GPS是美国国防部从1973年开始建设的，为了能实时连续提供三维位置及精确时间的卫星导航系统。其建设历程分为三个阶段：第一阶段（1973—1978年）为可行性研究阶段，研制、测试地面接收机，测试第一代试验卫星；第二阶段（1979—1984年）为全面研制阶段，研究、制造各种用途的接收机、发射了BLOCK 1试验卫星，开放二维定位服务给部分特许用户；第三阶段（1985—1995年）为实用组网阶段，24颗卫星完整星座组网成功，实现全面运行[2]。经过20多年的建设，GPS系统达到了计划时的目的，虽然GPS系统在当时已处于霸主地位，但仍然存在一些技术缺陷，同时美国国防现代化发展对GPS系统的性能提出了更高的要求。因此，美国在1999年提出了GPS现代化计划；

GPS现代化是为了提升GPS在军事及民用领域的性能，维持其在全球的领先地位，其三个目标是：一、保护美国及友邦对GPS在军事上的应用；二、阻止敌对方国家和组织利用GPS；三、使民用GPS导航功能得以继续和平使用。随着2000年5月美国关闭GPS的选择可用性（SA），将GPS民用信号定位误差从100米降低到10米，从此开启了GPS的全面现代化进程。

GPS系统空间星座部分的现代化，同样是三个阶段：第一阶段（2005—2009年），发射BLOCK IIR-M系列卫星，增加第二个民用信号L2C和军用M码信号，M码具有加强的抗干扰能力；第二阶段（2010—2016年），发射BLOCKIIF系列卫星，新增第三个民用信号L5，加强了所有信号的质量、强度和准确性，升级了原子钟；第三阶段（2018年至今），发射GPSIII系列卫星，新增第4个民用信号L1C，能与其他GNSS互操作，增强信号的可靠性、准确性和完整性，定位精度将为当前的三倍，未来将继续发射GPS-IIIF系列卫星，计划2026年发射首颗GPS-IIIF卫星，2034年完成部署，增加激光反射测距技术和国际搜救服务等[4，5]。

截至2021年1月9日，GPS空间星座部分有31颗在轨工作卫星，包含11颗GPS-IIR、7颗GPS-IIRM、12颗GPSIIF和1颗GPS-III卫星（还有1颗GPS-III卫星在轨测试），均为中圆地球轨道（MEO）卫星。它们发挥着发送测距信号、时间信号、卫星瞬时坐标位置等信息的作用[5]。GPS的地面控制段由1个主控站、1个备用主控站、11个注入站及16个监测站构成[6]。主控站的作用是命令、控制GPS卫星星座，使用监测站数据计算卫星的精确位置，编制导航电文、监控卫星广播和系统完整性，诊断卫星星座的健康状况、卫星维护及异常处理，必要时纠正卫星位置；注入站的作用有向卫星注入主控站传来的指令、导航电文等，收集遥测数据；监测站作用有跟踪过境的GPS卫星，采集导航信息、大气数据和载波测量值，把观测值传输给主控站。GPS用户部分的主要设备是GPS接收机和天线，接收来自卫星的无线电信号、取得所需的导航定位信息和观测信息，并经数据处理完成定位、导航、授时任务。GPS的功能包括定位、导航、授时，统称为PNT。GPS提供标准定位服务和精密定位服务，面向民用的标准定位服务利用的是C/A码（L1）、L2C、L5、L1C，精密定位服务对应军事部门，运用的是P码和M码。GPS的特点有各种天候条件、全方位覆盖，确定三维位置、速度、时间，精度高，效率快，应用广泛以及可移动定位[7]。

1.2 格洛纳斯系统（Global Navigation Satellite System）

俄罗斯的卫星导航系统称为格洛纳斯，是全球卫星导航系统在俄语中的缩写。格洛纳斯于1976年开始研制，1982年10月发射了第一颗导航卫星，可惜这颗卫星设计的寿命只有一年，最后并没有投入运行，1996年格洛纳斯形成了用24颗卫星组成的完整星座。但是随着俄罗斯经济不断走低，该系统也逐渐退化。到2002年正常工作的卫星甚至只剩下7颗，2002年之后，俄罗斯发射了格洛纳斯M系列卫星，使情况得到改善，2011年格洛纳斯重新实现了全球覆盖，随后便进入现代化进程，开发具有增强功能的新一代格洛纳斯K系列卫星，改进地面控制部分，并拓展民用领域的应用[2]。

截至2020年4月，GLONASS系统空间星座部分有30颗在轨卫星，包括3颗（GEO）地球静止轨道卫星、27颗（MEO）中圆地球轨道卫星，其中MEO卫星在轨运行24颗，在轨备份2颗，在轨测试或维护1颗。GLONASS系统空间MEO卫 星 现 代 化 按 照GLONASS-M、GLONASS-K、GLONASS-K2三个阶段推进，计划于2025年开始使用GLONASS-K、GLONASS-K2卫星，2030年前发射26颗全新GLONASS-K2卫星，在轨完全替代现有的GLONASS-M卫星。俄罗斯加快MEO卫星更新换代的同时，计划增加IGSO和GEO卫星，构建GLONASS混合星座，全面提升系统性能[5]。GLONASS地面部分包括1个系统控制中心，3个处理中心，3个激光测距站，5个注入站，8个监测站，38个全球监测站；区域增强站包含77个交通站和4104个测绘局站。格洛纳斯提供两种导航信号：标准精密导航信号（SP）及高精密导航信号（HP）[6-8]。

1.3 伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system）

伽利略系统是欧洲的卫星导航系统，它是由欧盟和欧洲空间局一起建设的第一个具有商业性质的完全民用的卫星导航系统。1999年2月该计划公布，完整的伽利略星座由30颗MEO卫星组成，包括24颗工作卫星、6颗备用卫星[1，2]。2003年伽利略计划开始实施并进行了关键算法验证，2005—2008年伽利略系统GIOV-A和GIOV-B两颗试验卫星升空，试验考证了系统的关键技术，2013年伽利略系统完成了在轨4颗完全工作卫星和地面段的联合试验，2014—2016年达到初始运行能力，但由于资金及欧盟内部分歧等问题，尚未达到完全运行能力状态。截至2020年4月，伽利略系统空间段共有26颗在轨卫星，其中22颗完全运行能力卫星、4颗在轨验证卫星[4，5]。地面部分包括2个主控站、6个遥测遥控站、10个上行站和约40个监测站。在完全建成后，除了已有的公共特许服务（PRS）、开放服务（OS）、搜救服务（SAR），伽利略系统还将提供高精度服务（HAS）和商业身份验证（CAS），伽利略系统能较好地与其它卫星导航系统操作，它有E1和E5a两个信号的中心频率与GPS的L1和L5重合，一个E5b信号的中心频率与格洛纳斯的G3重合，通过互操作可提高定位精度[2]。第二代伽利略系统计划2025年发射第二代卫星，2035年完成第二代系统建设[4]。

1.4 日本的QZSS系统（quasi-zenith satellite system）

QZSS系统的意思为准天顶卫星系统，由于日本多山、城市高楼密集，卫星信号受干扰，常会发生用户同时看到的GPS卫星数量不足4颗，从而无法定位的情况[9]。因此日本分别于2010年9月和2017年6月、8月、10月发射了4颗卫星，其中3颗为倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、1颗为地球静止轨道卫星，组成了QZSS系统结合GPS一同使用，2018年11月1日正式开通。倾斜地球同步轨道在地球上的投影为八字形，上小下大，覆盖东亚和大洋洲部分地区，小圈位于日本的准天顶方向。这样的布局保证在任一时刻至少有一颗QZSS卫星在日本的天顶方向附近，解决了卫星信号受阻挡的问题。QZSS系统的地面段各站位于其服务涉及地区，分布于日本、印度、泰国、澳大利亚、夏威夷、关岛等地[10]。

QZSS系统播发5种频率8种信号，服务多样[10]。除了定位、导航、授时以外，QZSS还提供星基增强服务、亚米级增强服务、厘米级增强服务、定位技术验证服务、灾害和危机管理卫星报告服务、安全确认服务等。QZSS计划到2024年将发展为一个由7颗卫星组成的导航定位系统[11]。

1.5 印度的IRNSS系统（Indian regional navigational satellite system）

印度的IRNSS系统即印度区域导航卫星系统，是印度独立建设的，目的是为印度领土以及距其1500千米范围内的用户提供精度优于20米的定位服务。2006年5月印度批准了该项计划，从2013年7月发射第一颗IRNSS-1A导航卫星到2018年4月成功发射第8颗IRNSS-1I导航卫星，印度共发射了9颗组网卫星，其中2017年8月31日发射的IRNSS-1H导航卫星未能进入预定轨道，宣告失败。2016年4月29日印度将IRNSS更名为NavIC[12]。

目前IRNSS系统空间段共有8颗卫星，其中3颗GEO卫星和4颗IGSO卫星提供服务，另1颗IGSO卫星由于星载原子钟失效用来发播短报文。IRNSS的地面段由1个导航中心、2个飞行器控制中心、2个网络授时中心、4个测距站和16个测距与完好性检测站组成。IRNSS提供两种类型服务，面向所有用户的标准定位服务（SPS）、面向授权用户的授权服务（RS）。未来印度计划增加5颗IGSO卫星，来提高IRNSS服务的可靠性，同时扩大服务区域[13]。

2.全球卫星导航系统发展的特点

通过分析国外卫星导航系统的发展及现状，我们可以看出卫星导航系统的发展建设是一个复杂全面的整体系统工程，具有全方位、多学科、高融合等特点。

全方位，是指从国际大环境、区域国家关系，再到一个国家的自身政治、经济、国防、民生等因素都需要全方面分析的总体性、系统性的工程。卫星导航系统的建设影响着一个国家的各个方面。

多学科，是指在系统建设过程中，从理论构想提出，到硬件设备生产，再到系统软件应用，它需要各个学科综合起来发挥合力。仅仅原子钟的频率切换技术这一个技术难关就需要微波电路、模拟电路、数字信号处理、量子物理等多个领域的专家和研究人员联合起来一起攻克，可见卫星导航系统的建设是一个涉及多学科领域的艰难工程。

高融合，是指系统的建设与发展需要将质量、技术、运行、保密、经费、知识产权、国际合作与交流、标准化等各方面进行高度融合，将多个维度的制度、管理结合起来才能支撑完成的。只有各领域紧密结合，才能将卫星导航系统发展得更好，发挥系统强大的功能。

3.全球卫星导航系统的发展对北斗导航系统发展的启示

通过分析国际卫星导航系统的发展过程，发现卫星导航系统的发展尤其是我国自己的北斗导航系统发展应注意以下问题：

（1）从系统发展理念的角度考虑，系统的发展设计要与时俱进，洞察世界局势，结合我国综合国力以及实际国情来制定发展计划。这样在星座建设和更新过程中，才能提高经济效率，避免发射失败、经济浪费的情况，这是北斗导航系统发展的关键因素。

（2）从系统建设连续性角度考虑，导航卫星需要持续研究、更新发展，坚持空间组网星座的可持续建设，才能避免半途而废、走弯路，避免被淘汰，才能提供跟随时代变化所需的服务功能，这是北斗导航系统发展的基础因素。

（3）从系统的完整性、可靠性、稳定性角度考虑，系统的稳定性、可靠性，是导航系统长久使用的关键性要求，这是北斗导航系统发展需要考虑的重要因素。

（4）从系统价值体现的角度考虑，卫星导航系统是花费巨大的复杂综合系统，如何将倾尽心血建成的系统使用好、应用好，最大化地发挥效能服务社会，如何设计生产出种类齐全、更加实用的终端设备并广泛应用，这是北斗导航系统发展的核心目的。

4.结束语

全球卫星导航系统已经处于全面发展、多系统共存、各有特色的局面，回顾分析各种卫星导航系统的发展过程，总结卫星导航系统建设的特点，试图从多个维度借鉴国外卫星导航系统发展的经验，归纳出对我国北斗导航系统后续发展的有益启示。