基于國內(nèi)外主要衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展

陳茜 田利強(qiáng)

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 北京市 100094）

我國在借鑒西方發(fā)達(dá)國家先進(jìn)技術(shù)的同時，也在努力探索擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是其中最重要的發(fā)明。該系統(tǒng)的建成使我國終于擁有了獨立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)可以為全球用戶提供精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航服務(wù)，作為我國一項空間基礎(chǔ)設(shè)施，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以與其他系統(tǒng)相互兼容。

1 國內(nèi)外主要衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展研究

1.1 美國GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

當(dāng)前國際上共有三大主流衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中美國研發(fā)的GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是三大主流系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)已在國際上得到廣泛應(yīng)用，從二十世紀(jì)七十年代開始，美國就對GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)，于1994年正式建成。GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為全球表面98%以上的地區(qū)提供定位服務(wù)，整個系統(tǒng)中擁有1 個主控站和3 個數(shù)據(jù)注入站，共24 顆用于定位的GPS 衛(wèi)星，用戶端安裝了GPS 接收機(jī)，只要有三顆以上衛(wèi)星，系統(tǒng)就能定位出該用戶的接收機(jī)所處的地理位置以及海拔高度。

由此可見，GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠接到越多衛(wèi)星，其定位結(jié)果就越準(zhǔn)。系統(tǒng)中的GPS 信號主要有兩大類，第一類是軍規(guī)精確定位信號，第二類是民用的定位服務(wù)信號。軍規(guī)精確度新聞給服務(wù)在沒有授權(quán)的情況下不能隨意使用，所以美國政府在民用定位信號中加入了部分選擇性誤差，降低GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，并將誤差控制在100 米以內(nèi)，而軍規(guī)下的系統(tǒng)定位精度誤差一致保持在10 米以內(nèi)。二十一世紀(jì)以后，美國取消了對系統(tǒng)通訊信號干擾的這一決定，所以民用定位信號的精度誤差與軍用的一致了，同時人們應(yīng)用差分技術(shù)為GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立了基準(zhǔn)站，根據(jù)已知的坐標(biāo)，將觀測值和坐標(biāo)相對比，從而得到修正數(shù)。終端設(shè)備收到修正數(shù)后會將誤差進(jìn)一步消除，使GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位結(jié)果更加準(zhǔn)確，從10 米提升為5 米[1]。

1.2 俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)

從1993年開始，俄羅斯就在建立屬于自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即“格洛納斯”導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三部分組成，其中包含衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測站以及用戶終端設(shè)備，“格洛納斯”從2007年開始正式運(yùn)營，于2010年向全球用戶提供導(dǎo)航服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容包含海陸與空中的定位坐標(biāo)和物體運(yùn)動速度。與GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相同，“格洛納斯”也配置了24 顆衛(wèi)星，定位精度比GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民用定位精度要高，不僅為普通用戶提供了導(dǎo)航服務(wù)，也可以和GPS 相結(jié)合，向用戶提供精度幾何因子?！案衤寮{斯”導(dǎo)航系統(tǒng)在水平方向上定位精度為16 米，在垂直方向上定位精度為25 米，目前俄羅斯將該系統(tǒng)用于導(dǎo)航定位，堅持軍民合同的使用政策，系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)，可以有效避免被其他系統(tǒng)干擾[2]。

1.3 歐盟伽利略系統(tǒng)

1999年歐盟公布了關(guān)于伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研發(fā)計劃，希望通過該系統(tǒng)的建立打破以往美國GPS 系統(tǒng)的壟斷局面。2002年伽利略計劃開始啟動，2006年系統(tǒng)正式運(yùn)營。和GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，歐美自主研發(fā)控制的伽利略系統(tǒng)的可靠性更高，系統(tǒng)定位精度可以達(dá)到1 米，只要伽利略系統(tǒng)找到了街道，就能緊接著找到家門。伽利略系統(tǒng)的運(yùn)行推動了美國GPS 系統(tǒng)與俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)技術(shù)的革新，美國計劃在2030年投入并使用第三代GPS 定位系統(tǒng)。

1.4 日本準(zhǔn)天頂系統(tǒng)

二十一世紀(jì)初，日本提出了關(guān)于研發(fā)國際互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的建議，申請報告批準(zhǔn)后，2010年“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星成功發(fā)射。日本準(zhǔn)天頂系統(tǒng)包含一顆地球同步軌道衛(wèi)星、三顆傾斜同步衛(wèi)星。對于地球來說，日本準(zhǔn)天頂系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星每天的運(yùn)行軌跡是相同的，所以日本本土上能夠看到一顆衛(wèi)星一直留在天空定點位置處。準(zhǔn)天頂系統(tǒng)在具有軍事功能的同時，也可以作為GPS 定位系統(tǒng)的補(bǔ)充使用，只要系統(tǒng)能夠收到三顆衛(wèi)星定位信號就能完成精確的定位服務(wù)。準(zhǔn)天頂系統(tǒng)的精度較強(qiáng)，通過衛(wèi)星發(fā)送衛(wèi)星星歷和電離層校正信息，人們在日本本土的定位精度可以精確到1 米。除此之外，日本準(zhǔn)天頂系統(tǒng)可以向用戶提供災(zāi)害告警服務(wù)，日本作為海島國家，地處環(huán)太平洋地震帶，火山地震災(zāi)害頻發(fā)，發(fā)生災(zāi)害時，準(zhǔn)天頂系統(tǒng)的衛(wèi)星能夠?qū)㈩A(yù)警信息傳遞給用戶，以便用戶采取防護(hù)措施[3]。

1.5 印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個自由區(qū)域型定位系統(tǒng)，系統(tǒng)可以提供民用標(biāo)準(zhǔn)定位和軍用限制型定位服務(wù)。印度政府希望通過系統(tǒng)提高制導(dǎo)武器精度，系統(tǒng)擁有7 顆衛(wèi)星和相關(guān)地面輔助設(shè)施，同步衛(wèi)星有3 顆，這些衛(wèi)星可以與印度地面控制站保持不間斷的聯(lián)絡(luò)。2016年印度又發(fā)射了IRNSS-1E 導(dǎo)航衛(wèi)星，這是繼美國、俄羅斯、中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后的第四個系統(tǒng)。相比之下，我國研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比印度的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)先進(jìn)10年左右，基于各國相繼發(fā)展的背景下，加快我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用尤為重要。

2 我國“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展分析

2.1 系統(tǒng)組成

在美國和俄羅斯的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)之后，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是全世界第三個成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包含空間、地面與用戶三部分，向全世界用戶提供定位導(dǎo)航與授時服務(wù)。2012年開始，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始在亞太區(qū)域內(nèi)運(yùn)行使用，2017年我國正式開始建造北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。整個北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成主要分為三個階段，具體如下：

（1）第一階段為試驗階段，使用少量衛(wèi)星，依靠地球同步靜止軌道展開系統(tǒng)試驗，研制與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有關(guān)的地面輔助設(shè)施，比如“北斗一號”。

（2）第二階段為2012年，我國已發(fā)射了10 多顆衛(wèi)星，并在亞太區(qū)域內(nèi)建立了“北斗二號”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它克服了“北斗一號”的缺點，為用戶提供全方位定位服務(wù)，不管是導(dǎo)航方式或定位覆蓋范圍，“北斗二號”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都與美國研發(fā)的GPS 系統(tǒng)類似。

（3）第三階段是2020年，我國已建成了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其中包含5 顆地球靜止軌道、30 顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)，系統(tǒng)能夠提供多頻信號，在信號組合的情況下服務(wù)精度有所提升。這一時期我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)全世界范圍內(nèi)無盲區(qū)定位導(dǎo)航，定位精度最低2.5 米[4]。

2.2 系統(tǒng)功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總共有定位、導(dǎo)航、授時、通信四大功能。具體內(nèi)容如下：

（1）定位功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)，定位誤差不超過10 米，軍用定位精度可以達(dá)到毫米級，比美國GPS 民用定位誤差還要低。用戶終端可以按照北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實際授權(quán)情況完成位置匯報工作，方便指揮機(jī)構(gòu)了解當(dāng)前定位終端的動態(tài)。

（2）導(dǎo)航功能。這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最主要的功能，一臺終端機(jī)可以接收來自不同系統(tǒng)的定位信號，測速精度每秒可達(dá)0.2米。

（3）授時功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在為用戶提供定位服務(wù)的同時，也能夠提供授時功能，測量精度為50ns，可以用于軍事、金融以及電力通信領(lǐng)域。

（4）短報文通信功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)向已授權(quán)的用戶提供該功能，配屬完成后移動終端可以和指揮機(jī)在不受距離約束的前提下進(jìn)行信息傳輸。同時，移動終端也能完成點對點通信，將其用于搶險救災(zāi)中可以取得良好的效果。當(dāng)前我國南方區(qū)域的通訊更加穩(wěn)定，在未來北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)對北方地區(qū)進(jìn)行組網(wǎng)完善。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用特點

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國獨立自主研發(fā)，可以穩(wěn)定覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與美國GPS 系統(tǒng)、俄羅斯“格洛納斯”、歐盟伽利略計劃相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)增加了通訊功能，并將短信與導(dǎo)航服務(wù)相機(jī)和，指揮機(jī)能夠和用戶設(shè)備相互通訊。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授權(quán)服務(wù)擁有高級保密級別，B1 和B2 開放式信號可供民用，B3 開放式信號供軍方使用，加密信號有著授權(quán)功能，每臺設(shè)備只有一個身份，適合用于集團(tuán)用戶監(jiān)控管理。現(xiàn)如今，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于金融行業(yè)、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域、民用航空以及電力調(diào)度等領(lǐng)域，在海洋漁業(yè)中，系統(tǒng)發(fā)揮著導(dǎo)航與通信功能。軍事領(lǐng)域上，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)于軍隊，有效保障了我國國防建設(shè)需求，保護(hù)國家安全。汶川地震時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用，地震區(qū)域通信終端，救援部隊配置了北斗一號終端機(jī)，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的幫助下實現(xiàn)了直接聯(lián)絡(luò)，提高了救援效率。

2.4 系統(tǒng)未來發(fā)展前景

基于國內(nèi)外主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的競爭，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)憑借著自身強(qiáng)大的競爭優(yōu)勢，擁有廣闊的市場發(fā)展前景。在未來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步提高定位精度，在各地區(qū)建設(shè)地基增強(qiáng)系統(tǒng)，就像美國GPS 系統(tǒng)的差分功能一樣，盡可能的消除信號區(qū)域誤差。與地基增強(qiáng)系統(tǒng)相配合，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差將會達(dá)到1.2 厘米。同時，消除系統(tǒng)的定位盲區(qū)，羲和系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的延伸，可以解決樣北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的室內(nèi)定位盲區(qū)問題，滿足室內(nèi)和地下區(qū)域等信號屏蔽地區(qū)的定位導(dǎo)航需求，提高系統(tǒng)無縫定位能力。提高系統(tǒng)的抗干擾能力，將電磁盾牌技術(shù)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相聯(lián)系，讓用戶可以直接和系統(tǒng)完成通信聯(lián)系，以變頻發(fā)射技術(shù)作為未來北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展方向，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使系統(tǒng)更好的適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境。促進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合發(fā)展，注重星際導(dǎo)航兼容，與美國、歐盟、俄羅斯等國家的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)展開合作，實現(xiàn)射頻兼容，使用戶結(jié)合自身需求切換系統(tǒng)，突出不同系統(tǒng)功能的互補(bǔ)性。

3 總結(jié)

總而言之，與美國GPS 定位系統(tǒng)、俄羅斯“格洛納斯”、歐盟伽利略計劃相比，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展較晚，在使用時有部分地區(qū)信號不夠穩(wěn)定?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，在未來系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步提高定位精度，努力消除定位盲區(qū)，加強(qiáng)和地基增強(qiáng)系統(tǒng)的配合，提高系統(tǒng)無縫定位能力，將電磁盾牌技術(shù)和變頻發(fā)射技術(shù)用于其中，推動系統(tǒng)的可持續(xù)進(jìn)步。