全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展綜述

張梓巍，白玉星，李晨曦

（1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.北方工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100144）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是一款基于空基無線電的導(dǎo)航定位手段。它是可以為用戶提供地面或者近地面空間任何位置的三維坐標(biāo)、速度及時(shí)間信息的尖端技術(shù)[1]。它的主要工作原理是通過至少4顆衛(wèi)星的空間坐標(biāo)（該坐標(biāo)可從衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中得到），以及從衛(wèi)星處發(fā)出的無線電信號(hào)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行距離測(cè)定，運(yùn)用空間測(cè)距交會(huì)定點(diǎn)原理，確定地面（近地面）目標(biāo)物空間位置[2]。計(jì)算公式為R2=[（X0－X）2+（Y0－Y）2+（Z0－Z）2]，R為修正后的距離，X0、Y0、Z0為從衛(wèi)星導(dǎo)航電文中得出的衛(wèi)星坐標(biāo)，X、Y、Z為待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星技術(shù)是于20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的一種基于人造衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)手段。1957 年10月，第一顆人造衛(wèi)星“火花號(hào)”發(fā)射成功。1958 年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移現(xiàn)象。1964 年美方成功研制開發(fā)第一代多普勒衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)——子午衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS）。1967—1974 年美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)射了3 顆“Timаtiоn”計(jì)劃試驗(yàn)衛(wèi)星。1973 年，美國國防部整合海陸空三軍聯(lián)合研制基于“時(shí)差測(cè)距導(dǎo)航”原理的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航全球定位系統(tǒng)（GPS）。1982 年蘇聯(lián)研制GLONASS 全球定位技術(shù)。1983 年中國開始進(jìn)行對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)開展籌策工作，并于2000 年開始“北斗一代”的構(gòu)建。1994 年歐盟對(duì)伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Gаlilео）進(jìn)行系統(tǒng)的方案論證，2002 年啟動(dòng)研發(fā)工作。

經(jīng)χ2檢驗(yàn)，兩組選擇率比較均P＜0.01，說明實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組學(xué)生在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率、對(duì)知識(shí)的理解力和記憶力等方面存在顯著性差異。

在過去的幾十多年里，GPS、Gаlilео、GLONASS、“北斗”四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)逐步完善，逐步完成現(xiàn)代化改造[1]。除了上述的幾大全球系統(tǒng)外還有增強(qiáng)系統(tǒng)和區(qū)域系統(tǒng)。其中增強(qiáng)系統(tǒng)包括美國的WASS、日本的MSAS，區(qū)域系統(tǒng)包括日本的QZSS、印度的IRNSS。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)是21世紀(jì)關(guān)于導(dǎo)航技術(shù)的一項(xiàng)重大變革[3]，但是針對(duì)不同的導(dǎo)航系統(tǒng)還是存在這一些未解決的問題，所以下文將指出這些問題并將對(duì)這些問題提出一些簡單的解決方法。

1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展

1.1 GPS

1958 年，美國的霍布金斯大學(xué)接受美國海軍的委托，研發(fā)了一款專門供給軍用艦艇使用的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，即美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。至19 世紀(jì)60 年代，美國由此為基礎(chǔ)繼續(xù)研發(fā)能夠滿足美國三軍及民用的新的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。

皇帝曾四次召見秀容月明，秀容月明來了，他降階相迎，秀容月明走了，他送出宮外，臨別了，還拉住秀容月明的手再三叮嚀。眷遇之隆，寧國臣子，沒一個(gè)比得上。

GPS 的研發(fā)歷時(shí)共20 年，總耗資300 億美元，研發(fā)期間經(jīng)歷了方案論證（1974—1978 年）、系統(tǒng)建設(shè)（1979—1987 年）、試驗(yàn)運(yùn)行（1988—1993 年）3 個(gè)階段。GPS 為覆蓋全球的全天候高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它的應(yīng)用廣泛擴(kuò)展到軍事經(jīng)濟(jì)、大眾生活和科學(xué)研究等各行各業(yè)。

Key words: Internet plus; education informatization; nursing profession; connotative development

通過建立模糊數(shù)學(xué)模型將濃香型白酒窖泥質(zhì)量影響因素定性定量化，可以降低窖泥質(zhì)量評(píng)估的主觀性，并且為白酒企業(yè)窖泥質(zhì)量的改良和提高提供理論依據(jù)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，我們會(huì)對(duì)窖泥質(zhì)量評(píng)估體系繼續(xù)深入研究，以對(duì)窖泥質(zhì)量評(píng)估體系進(jìn)行更科學(xué)的修正完善。

然而如今的GPS 系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代，第三代的GPS 系統(tǒng)漸漸地摒棄掉曾經(jīng)的6 軌道24 顆衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)和布局，而采用33 顆GPS-3 衛(wèi)星構(gòu)建的高橢圓軌道和地球靜止軌道相結(jié)合的新星座[1]。

1.2 Galileo

北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)預(yù)計(jì)通過3 顆GEO（地球靜止軌道）衛(wèi)星，搭載其增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，向使用者發(fā)射多種修正信息，進(jìn)而提高原有定位精度。但是目前該技術(shù)仍然屬于測(cè)試階段。

蘇穆武和老伴倚在床上，蘇母問他：婷婷的婚禮你是咋想的？蘇穆武想了想：你說咋想？這個(gè)坦克——蘇母急忙糾正：杰克。蘇穆武說：按說跟親家商議商議，可這杰克爹媽不在了。蘇母又糾正：不是不在，是不在眼前。蘇穆武說：我就是這個(gè)意思，他爹媽不在跟前，那只有咱們來操辦了。蘇母問：那你想怎么操辦？蘇穆武又想了想：咱就婷婷這一個(gè)女兒，說什么也得風(fēng)光風(fēng)光，不能跟咱結(jié)婚那當(dāng)兒，吃碗面條就結(jié)了，你說呢？蘇母點(diǎn)點(diǎn)頭。

格勞博（GROB-WERKE）是一家擁有90年歷史的德國家族企業(yè)，產(chǎn)品組合覆蓋從萬能加工中心到高復(fù)雜性的全自動(dòng)機(jī)加工系統(tǒng)，從適用于金屬切削的裝配單元到全自動(dòng)裝配線。格勞博在生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和交付方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)的機(jī)床產(chǎn)品具有優(yōu)良的質(zhì)量和絕佳的可靠性，可為客戶提供有關(guān)汽車工業(yè)和通用機(jī)械各個(gè)領(lǐng)域的最佳支持。目前，格勞博位于大連、北京和上海的工廠共有超過 550 名員工。

該系統(tǒng)的研發(fā)過程可以分為以下階段[5]：①2002—2005 年為定義階段。論證分析該計(jì)劃的可行性、必要性及實(shí)施措施。②2005—2011 年為在軌驗(yàn)證階段。在該階段對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)、實(shí)施以及對(duì)該系統(tǒng)的空間部分、地面部分進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在軌驗(yàn)證。③2011—2014 年為全面部署階段。即制造和發(fā)射正式運(yùn)行的衛(wèi)星，構(gòu)件整個(gè)地面基礎(chǔ)設(shè)施。④2014 年后為開發(fā)利用階段。開始運(yùn)行服務(wù)、系統(tǒng)維護(hù)、按需更換衛(wèi)星等。

1.3 GLONASS

GNSS 技術(shù)從最早的雛形確立到現(xiàn)在雖然得到了長久的發(fā)展，但是仍在某些方面不能滿足用戶的需求。

GLONASS 系統(tǒng)的衛(wèi)星包括三代，即GLONASS衛(wèi)星、GLONASS-M 衛(wèi)星、GLONASS-K 衛(wèi)星。其中第一代衛(wèi)星已經(jīng)停用。衛(wèi)星分于3 個(gè)軌道內(nèi)，每軌道8顆，共計(jì)27 顆衛(wèi)星（23 顆工作狀態(tài)、1 顆維修狀態(tài)、1 顆備用、2 顆飛行測(cè)試階段）[6]。

20 世紀(jì)70 年代GPS 技術(shù)開始研制。20 世紀(jì)70年代中期，GPS 開始了地面試驗(yàn)，直至20 世紀(jì)80 年代末，GPS 具有了實(shí)際應(yīng)有的條件。1989 年，第一顆GPS 的衛(wèi)星發(fā)射成功試驗(yàn)運(yùn)行，GPS 進(jìn)入了工程建設(shè)階段。1992 年，在沙漠風(fēng)暴戰(zhàn)役中初次對(duì)GPS 技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，1994 年正式建成。1996 年宣布GPS 為軍民兩用系統(tǒng)，2000 年GPS 正式放開在全球廣泛推廣應(yīng)用[4]。

1.4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星是中國獨(dú)立自主研發(fā)和運(yùn)行的一款全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)共分為第一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2 代。

中國于20 世紀(jì)80 年代決定研發(fā)北斗系統(tǒng)。2003年，驗(yàn)證系統(tǒng)建成，由4 顆同步衛(wèi)星、地面部分和用戶接受端構(gòu)成。北斗一代的衛(wèi)星系統(tǒng)可以對(duì)中國內(nèi)部及臺(tái)灣周邊地區(qū)提供定位服務(wù)。北斗二代擁有5 顆同步衛(wèi)星、30 顆中軌道衛(wèi)星，軌道半徑約為21 500 km。在2007 年2 月和2007 年4 月一顆北斗同步衛(wèi)星和中軌道衛(wèi)星升空后，北斗二代衛(wèi)星進(jìn)入建設(shè)期階段。截至2013 年16 顆北斗衛(wèi)星相繼發(fā)射成功，初步建成覆蓋國內(nèi)和亞太地區(qū)的區(qū)域性無源衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?，F(xiàn)在，中國計(jì)劃中的55 顆北斗衛(wèi)星均已發(fā)射升空，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS 有很多相似之處。

星座布局的優(yōu)化可以在一定程度上保證GNSS 系統(tǒng)使用中的連續(xù)性和可用性。

2 存在的主要問題[7]

1976 年，蘇聯(lián)開始對(duì)GLONASS 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。對(duì)于GLONASS 系統(tǒng)的研發(fā)包含以下3 個(gè)階段：①維持系統(tǒng)的“最低需求水平”階段；②研發(fā)GLONASS-M 衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)GLONASS 和GLONASS-M衛(wèi)星共同18 個(gè)衛(wèi)星的空間部署；③開發(fā)GLONASS-K衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)GLONASS-M 和GLONASS-K 共24 顆衛(wèi)星的空間部署。在GLONASS 衛(wèi)星的發(fā)展過程中，其信號(hào)從一個(gè)L 的頻段向3 個(gè)L 頻段擴(kuò)展，調(diào)試的樣式也由FDMA 向CDMA 擴(kuò)展。

2.1 PVT 精度問題

在GPS3 衛(wèi)星上安裝激光棱鏡反射器，可以使GPS的無線電追蹤成果以及軌道追蹤成果相互獨(dú)立開來，也可以讓衛(wèi)星鐘差以及星歷誤差在過程中不相關(guān)。

2.2 可用性問題

GNSS 可用性指該系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)間百分比，是指代某一覆蓋范圍內(nèi)提供導(dǎo)航能力的標(biāo)志。而可用性又與某時(shí)刻能看到的衛(wèi)星數(shù)量和衛(wèi)星的幾何布局有關(guān)。一般來說，影響可見衛(wèi)星數(shù)量的因素有遮蔽角和周圍地物地貌。遮蔽角減小，可使更多的衛(wèi)星被看見，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致大氣延時(shí)和多徑問題發(fā)生。對(duì)于擁有較多高樓大廈或者高低起伏大的區(qū)域，即便遮蔽角小于衛(wèi)星仰角但也無法接收到有效的衛(wèi)星信號(hào)。

2.3 完好性問題

系統(tǒng)的完好性指GNSS 發(fā)生問題后能夠迅速告知使用用戶，以免因?yàn)橄到y(tǒng)誤導(dǎo)而產(chǎn)生定位錯(cuò)誤。在精密進(jìn)近飛行過程中，GPS 不能夠滿足完好性要求，只能依靠陸基導(dǎo)航的引導(dǎo)才能夠正常工作。

2.4 抗干擾問題

GNSS 的信號(hào)容易被干擾的原因如下：到地面的GNSS 信號(hào)比較弱，容易受到干擾；GNSS 擁有著公開的信號(hào)頻段和民用導(dǎo)航碼，敵方可以產(chǎn)生各種干擾信號(hào)或偽信號(hào)去干擾GNSS 的信號(hào)，從而影響信號(hào)的接收；接收機(jī)對(duì)收到的信號(hào)難分真假。

3 解決方法

3.1 優(yōu)化星座布局

小指針獎(jiǎng)其實(shí)是性價(jià)比之選。今年獲得獎(jiǎng)項(xiàng)的是HABRING2，這個(gè)品牌名氣雖然不響，但過去幾年經(jīng)常在日內(nèi)瓦大賞中獲獎(jiǎng)，可見在制表工藝和創(chuàng)意上都是備受業(yè)內(nèi)肯定的品牌。這次摘得小指針獎(jiǎng)也不算意外。

3.2 采用更先進(jìn)的衛(wèi)星測(cè)軌技術(shù)

GNSS 技術(shù)隨著自身的發(fā)展已經(jīng)漸漸地被引用到了多項(xiàng)精細(xì)測(cè)量的領(lǐng)域，而如今PVT（Pоsitiоn Vеlосity Timе）精度已經(jīng)不能滿足更多精細(xì)工作的需要了。

3.3 提高信號(hào)發(fā)射功率

提高信號(hào)的發(fā)射功率可以使接收機(jī)的跟蹤更加穩(wěn)定，捕獲更加快速，降低解調(diào)過程中的誤比特率，降低第一次定位時(shí)的時(shí)間長度，提高抗干擾能力。

3.4 增加信號(hào)發(fā)射頻段

適當(dāng)增加信號(hào)的發(fā)射頻段，可以提高衛(wèi)星系統(tǒng)的抗干擾能力，也可以建立精確的電離層延時(shí)模型。提高發(fā)射頻段可以傳遞更多信息，通過這些信息可以使定位速度和精度提高。

4 中國北斗系統(tǒng)未來發(fā)展

中國的“北斗-3”于2020 年7 月正式為各國提供PNT（綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系）服務(wù)[8]，但美國已與20 余年前就提供了此項(xiàng)服務(wù)。要將北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)賦予到各類用戶的設(shè)備中，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

4.1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)

“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐盟所研發(fā)的一款全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。也是第一個(gè)基于民用的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有30 個(gè)衛(wèi)星（27 個(gè)工作衛(wèi)星、3個(gè)備用衛(wèi)星），軌道高約為24 000 km。

4.2 “北斗”系統(tǒng)的兼容性與交互性

目前，除了全世界擁有四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，即GPS、GLONASS、“北斗”、Gаlilео 外，還有日本的QZSS 和印度的NаvIC 這2 個(gè)區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。對(duì)于人們所熟知的GPS 系統(tǒng)而言，已經(jīng)不約而同認(rèn)為它占據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的主導(dǎo)地位，被大眾廣泛接受。為將“北斗”系統(tǒng)更好地融入市場，必須先與這些定位系統(tǒng)進(jìn)行很好兼容和交互，以使在不增加用戶設(shè)備成本的情況下獲得更多的用戶基數(shù)[9]。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性的定義為：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)既可以單獨(dú)使用也可以共同使用，且不影響其他系統(tǒng)的使用性能。交互性指全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以及各種增強(qiáng)系統(tǒng)可以共同使用，并且使精度更高、更加便利。

GPS 和Gаlilео 這2 個(gè)系統(tǒng)早在2004 年就實(shí)現(xiàn)了兼容性和交互性。為了“北斗”能夠擁有更廣泛的客戶，所以兼容性和交互性的問題必須解決且必須提為優(yōu)先改進(jìn)的計(jì)劃。

每個(gè)地方的電力生產(chǎn)都有不同的運(yùn)行情況，電力在生產(chǎn)過程中，一定要結(jié)合變電站的具體情況制定安全管理目標(biāo)，禁止出現(xiàn)逾越安全目標(biāo)管理的行為，保證變電站的所有項(xiàng)目都以安全為主要目標(biāo)進(jìn)行，相關(guān)工作人員一定要結(jié)合變電站的實(shí)際情況，制定安全管理目標(biāo)。同時(shí)要進(jìn)行精細(xì)化管理，全面梳理電力運(yùn)行系統(tǒng)故障和安全管理內(nèi)容，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)。完善變電運(yùn)行安全管理的目標(biāo)和制定，保證電力系統(tǒng)的順利運(yùn)行[1]。

2017 年12 月，中美聯(lián)合發(fā)布《北斗與GPS 信號(hào)兼容與互操作聯(lián)合申明》。同年年底，“北斗”系統(tǒng)與Gаlilео 系統(tǒng)之間在兼容和交互上達(dá)成了諒解備忘錄及協(xié)議。2019 年8 月，中俄在關(guān)于“北斗”系統(tǒng)與GLONASS 的兼容交互問題上簽署諒解備忘錄和協(xié)議。自此，中國“北斗”與其余GNSS 系統(tǒng)之間的兼容和交互之門正式開啟，但是仍存在很多技術(shù)問題有待解決。

5 結(jié)束語

總之，人類文明發(fā)展的的過程是逐步向前邁進(jìn)的。人們?cè)诳茖W(xué)技術(shù)上認(rèn)知和發(fā)展是不斷趨于完善和進(jìn)步的。人們從最初的用原始的方法找尋方向，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)探索道路，慢慢發(fā)展為后來的陸基導(dǎo)航，再進(jìn)一步發(fā)展成為現(xiàn)在所熟知的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這正是人們近千年來不斷對(duì)科學(xué)技術(shù)探索所凝結(jié)出的智慧的結(jié)晶，它也是人類文明得到發(fā)展的一個(gè)縮影。

納入標(biāo)準(zhǔn)：均符合妊娠期糖尿病的診斷標(biāo)準(zhǔn)；所有產(chǎn)婦均宮內(nèi)單胎；臨床資料均全面；均自愿參與研究并簽署知情同意書；可進(jìn)行有效溝通；該次研究的排除標(biāo)準(zhǔn)：存在精神疾病孕婦；妊娠伴有高血壓、心臟病、嚴(yán)重肝腎功能不全等疾病孕婦；溝通存在障礙孕婦；存在早產(chǎn)或先兆流產(chǎn)的孕婦；臨床資料不全面孕婦。

直到現(xiàn)在，世界上已擁有GPS、GLONASS、“北斗”、Gаlilео 這4 種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的存在極大程度上方便了人們的生活，讓人們能夠跨越空間認(rèn)知地球上所真實(shí)存在的地方。衛(wèi)星系統(tǒng)在造福于人類的同時(shí)也成為了一種新興產(chǎn)業(yè)，并且也是21 世紀(jì)最熱門投資的產(chǎn)業(yè)之一。它是在通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的第3 個(gè)高新技術(shù)的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，并且在北美、歐洲和其他地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了很高的經(jīng)濟(jì)效益。同樣，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了能夠獲得經(jīng)濟(jì)效益以外，也體現(xiàn)了一個(gè)國家國防和綜合實(shí)力的水平[9]。

遙想未來，應(yīng)不斷地發(fā)展并完善現(xiàn)有的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)和建設(shè)能夠滿足社會(huì)所追求、所需要的，世界人民所共享的新一代的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是人類不斷追求的目標(biāo)。