全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

王亮亮 汪嘯風(fēng) 王仁濤

1.山東理工大學(xué)測(cè)繪系，山東 淄博 252500

2 山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院測(cè)繪工程系

引言

當(dāng)代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System 簡(jiǎn) 稱GNSS），泛指以美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、中國(guó)BeiDou、歐洲Galileo為核心的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)。自1978年第一顆GPS衛(wèi)星入軌以來(lái)，35年間，GPS已在社會(huì)，軍事，經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大的作用。

1 GNSS的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)GPS 1958年，美國(guó)詹斯·霍普金斯大學(xué)麥克雷等學(xué)者，根據(jù)在軌衛(wèi)星的軌道參數(shù)和衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻率，設(shè)想了一個(gè)由空間點(diǎn)定位地面點(diǎn)坐標(biāo)的“反向觀測(cè)方案”，由此奠定了第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理。同年，美國(guó)海軍和詹斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始聯(lián)合研制美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，主要目的是為核潛艇提供全球性導(dǎo)航系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代，美國(guó)開(kāi)始研制新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，歷時(shí)20年，耗資300億美元，于1994年全面建成投入使用，覆蓋率高達(dá)98%。GPS星座共由 24顆衛(wèi)星組成，其中21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星，衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道面上。在GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，主要目的是為了能夠在海陸空三大領(lǐng)域內(nèi)提供實(shí)時(shí)、全天候、全球性的導(dǎo)航服務(wù)，同時(shí)用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等軍事目的?，F(xiàn)今，美國(guó)正在加速實(shí)施“GPS現(xiàn)代化”的研發(fā)，新一代GPS衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為15～20年，分辨率將高于目前衛(wèi)星的10倍，抗干擾能力將提高100～500倍。GPS現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)后，將大大提高GPS系統(tǒng)的安全性、準(zhǔn)確性和可靠性。

1.2 俄羅斯GLONASS 1982年10月，前蘇聯(lián)開(kāi)始研發(fā)第二代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)—GLONASS，該系統(tǒng)可全球、全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)地為用戶提供三維位置、三維速度和時(shí)間信息。GLONASS也是由24顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星均勻分布在3個(gè)軌道平面上，平均軌道高度為19100km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11h15min。GLONASS衛(wèi)星在軌作業(yè)壽命過(guò)短，部分衛(wèi)星在軌作業(yè)時(shí)間不足2年，維持該系統(tǒng)每年需耗資數(shù)千萬(wàn)美元，特別是在俄羅斯經(jīng)濟(jì)不太景氣時(shí)期，難以有效維持GLONASS的正常運(yùn)行。為了挽救GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)，1999年2月18日俄羅斯總統(tǒng)葉利欽決定同意軍民共同分享控制GLONASS，以擴(kuò)大GLONASS的應(yīng)用領(lǐng)域。直至2010年10月，俄羅斯政府已經(jīng)補(bǔ)齊了該系統(tǒng)所需的24顆衛(wèi)星。2011年11月4日，俄羅斯將3顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，使在軌衛(wèi)星群總數(shù)28顆，達(dá)到了設(shè)計(jì)水平。

1.3 歐洲Galileo 1999年2月10日，歐盟提出了研發(fā)伽利略系統(tǒng)（Galileo）的計(jì)劃。該系統(tǒng)是與美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS兼容的民用全球?qū)Ш较到y(tǒng)。歐盟此項(xiàng)研究主要為商業(yè)用戶提供高精度的導(dǎo)航定位信息。伽利略系統(tǒng)計(jì)劃由30顆高軌衛(wèi)星組成，27顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星，分3個(gè)軌道面，軌道傾角為56°軌道高度21426km，定位最高精度小于1m。歐盟計(jì)劃在歐洲建立30個(gè)地面監(jiān)測(cè)站和4個(gè)主控中心，在伽利略的研發(fā)過(guò)程中，歐盟委員會(huì)在資金的籌措上困難重重，在國(guó)際政壇上，美國(guó)又不斷向歐盟施壓，使得伽利略計(jì)劃幾度擱淺。伽利略系統(tǒng)的研發(fā)，是歐洲力圖擺脫美國(guó)控制的又一重大決策，具有深遠(yuǎn)的政治意義。

1.4 中國(guó)北斗（BeiDou）1986年初，我國(guó)開(kāi)始實(shí)施“雙星快速定位通信系統(tǒng)”的研發(fā)。1994年1月雙星快速定位導(dǎo)航通訊系統(tǒng)正式命名為“北斗一號(hào)雙星定位系統(tǒng)”，并列入我國(guó)“九五計(jì)劃”要項(xiàng)。 該系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)70-140°北緯5-55°，利用2顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位、定時(shí)、簡(jiǎn)短通訊3大功能，定位精度優(yōu)于20m。2004年，中國(guó)啟動(dòng)了“北斗二號(hào)”的建設(shè)，計(jì)劃空間星座由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆地球靜止軌道衛(wèi)星，27顆中園地球軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。截至2012年10月25日，共發(fā)射了16顆導(dǎo)航衛(wèi)星，具備了對(duì)亞太大部分地區(qū)導(dǎo)航定位服務(wù)的能力。北斗衛(wèi)星的精度與GPS相當(dāng)，并且在增強(qiáng)區(qū)域（亞太地區(qū)），甚至?xí)^(guò)GPS。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立，打破了國(guó)內(nèi)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)依賴國(guó)外的局面，填補(bǔ)了我國(guó)在廣域差分精密定軌技術(shù)領(lǐng)域的空白。

2 GNSS應(yīng)用前景展望

2.1 測(cè)繪應(yīng)用 目前，GNSS已相當(dāng)廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)、海洋測(cè)繪、道路放線等領(lǐng)域。GNSS定位技術(shù)同樣可以滿足此類工程安全監(jiān)測(cè)的要求,而且比傳統(tǒng)方法更容易實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化。在各種線路工程測(cè)量中,目前已大量使用GNSS定位技術(shù)來(lái)完成。與傳統(tǒng)測(cè)繪方法相比，GNSS定位技術(shù)可以節(jié)省大量資源，其工作效率和精度也都占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。隨著GNSS的不斷發(fā)展，在未來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域，將占有極大的市場(chǎng)份額，傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)也將逐步退出歷史的舞臺(tái)。

2.2 交通應(yīng)用 “全球、全天候、實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位”是GNSS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著廣域差分系統(tǒng)的完善，GNSS技術(shù)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了上述目標(biāo)。利用GNSS技術(shù)可以對(duì)車輛進(jìn)行跟蹤以及自動(dòng)化調(diào)度，同時(shí)可以快速響應(yīng)用戶導(dǎo)航需求，極大地降低了能源消耗和運(yùn)輸成本。在今后的城市交通建設(shè)中，新一代的數(shù)字化導(dǎo)航定位系統(tǒng)將先成為主要的應(yīng)用技術(shù)。建立城市交通電臺(tái)，實(shí)時(shí)發(fā)布交通信息，進(jìn)行精密車載導(dǎo)航，結(jié)和電子地圖自動(dòng)選擇最優(yōu)路徑都需要GNSS技術(shù)的支持。

2.3 農(nóng)業(yè)應(yīng)用 在全球 “精細(xì)農(nóng)業(yè)”的發(fā)展中，GNSS技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。GNSS與地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）相結(jié)合，可以達(dá)到土壤養(yǎng)分分布調(diào)查、監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量、合理施肥，科學(xué)管理的目的。GNSS技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用不僅是大面積的種植，在小面積農(nóng)田中，特別是在格網(wǎng)種植性農(nóng)田，應(yīng)用小型自動(dòng)化設(shè)備，配合差分GNSS導(dǎo)航設(shè)備、電子監(jiān)測(cè)和控制電路，能夠作到精確管理。這種投資較低、安裝方便、操作靈活。

2.4 氣象預(yù)報(bào)和自然災(zāi)害預(yù)警 目前GNSS在氣象預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)滑坡、礦山地面沉陷等災(zāi)害地質(zhì)中的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍。許多重大工程項(xiàng)目在考慮防治滑坡或地面沉陷災(zāi)害時(shí)，都采用了GNSS技術(shù)。GNSS與遙感技術(shù)相結(jié)合，能夠極好地實(shí)現(xiàn)氣象分析和自然災(zāi)害預(yù)警。如今應(yīng)用GNSS在氣象預(yù)報(bào)和自然災(zāi)害防護(hù)方面已表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。

3 結(jié)束語(yǔ)

近40年來(lái)，GNSS在國(guó)防建設(shè)，交通運(yùn)輸，工程應(yīng)用，自然災(zāi)害防護(hù)等領(lǐng)域取得了巨大成就。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為GNSS的新成員，已被全球衛(wèi)星系統(tǒng)委員會(huì)（ICG）確定為4大核心供應(yīng)商之一。隨著我國(guó)GNSS技術(shù)研究的不斷深入， GNSS在中國(guó)的應(yīng)用必將呈現(xiàn)出更加廣闊而美好的前景。

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王仁濤，山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院測(cè)繪工程系,本科在讀,學(xué)生。