第3章 國(guó)外天地一體化衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)

3.1 衛(wèi)星導(dǎo)航概述

人類對(duì)導(dǎo)航的需求從古至今都十分迫切。我國(guó)古代就發(fā)明了指南針，并利用地球磁場(chǎng)在戰(zhàn)場(chǎng)上指明方向。17世紀(jì)初，人們利用天文學(xué)發(fā)展了通過觀測(cè)星體來確定船舶位置的天文導(dǎo)航法。隨著20世紀(jì)初無線電技術(shù)的興起，人們開始采用無線電導(dǎo)航儀代替古老的導(dǎo)航方法。但是，這些技術(shù)仍然無法滿足人們對(duì)全天候、全球化、高精度定位及導(dǎo)航的迫切需求。

1958年年初，美國(guó)霍普金斯大學(xué)的研究人員在跟蹤第一顆人造地球衛(wèi)星時(shí)，發(fā)現(xiàn)收到的無線電信號(hào)有多普勒效應(yīng)，即衛(wèi)星飛近地面接收機(jī)時(shí)，收到的無線電信號(hào)頻率逐漸升高；衛(wèi)星遠(yuǎn)離時(shí)，收到的無線電信號(hào)頻率逐漸降低。也就是說，接收信號(hào)的多普勒頻移曲線與衛(wèi)星軌道有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。這意味著如果衛(wèi)星運(yùn)行軌道是已知的，那么根據(jù)接收站測(cè)到的多普勒頻移曲線，便能確定接收站的地面位置。于是，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最早應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，其歷史可以追溯到20世紀(jì)60年代。1964年，美國(guó)為海軍建成子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并于1973年開始研制“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)。隨后蘇聯(lián)也建立了類似的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。此后，法國(guó)、日本、中國(guó)也開展了衛(wèi)星導(dǎo)航的研究和試驗(yàn)工作?，F(xiàn)在常見的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo系統(tǒng)及中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合了傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了在各種天氣條件下的全球高精度被動(dòng)式導(dǎo)航定位。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要是：覆蓋范圍廣，適用于各種惡劣天氣，可全天候?yàn)槿蛴脩?、船舶、飛機(jī)等導(dǎo)航；精度高，遠(yuǎn)比以往所有導(dǎo)航系統(tǒng)都高，定位誤差只有幾十米；導(dǎo)航設(shè)備小，操作自動(dòng)化程度高，適用于各種船艦、飛機(jī)甚至小型設(shè)備（如在手機(jī)上安裝使用）?，F(xiàn)在，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)基本取代了無線電導(dǎo)航、天文地理測(cè)量等方法，在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。

3.1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航的定義

衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite Navigation）是指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地面、海洋、空中和空間用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。

3.1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般由空間段（星座）、地面段（地面監(jiān)控站臺(tái)）和用戶段（用戶定位設(shè)備）3部分組成。

（1）空間段（星座）：是由多顆導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成的空間導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)連續(xù)發(fā)射導(dǎo)航用無線電信號(hào)。為了提供全球?qū)Ш椒?wù)，通常需要用20多顆衛(wèi)星構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。例如，美國(guó)GPS最初將24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)不同的軌道面上。

（2）地面段（地面監(jiān)控站臺(tái)）：通常由跟蹤站、遙測(cè)和遙控站、計(jì)算中心、注入站及輔助系統(tǒng)等組成，負(fù)責(zé)跟蹤、測(cè)量和預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道并對(duì)衛(wèi)星上設(shè)備的工作進(jìn)行控制管理。跟蹤站用于跟蹤和測(cè)量衛(wèi)星的位置坐標(biāo)。遙測(cè)和遙控站接收衛(wèi)星發(fā)來的遙測(cè)數(shù)據(jù)，以供地面監(jiān)視和分析衛(wèi)星上設(shè)備的工作情況。計(jì)算中心根據(jù)遙測(cè)信息計(jì)算衛(wèi)星的軌道，預(yù)報(bào)下一段時(shí)間內(nèi)的軌道參數(shù)，確定需要傳輸給衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，并由注入站向衛(wèi)星發(fā)送。注入站負(fù)責(zé)向衛(wèi)星注入尋電文。輔助系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)容o助功能。

（3）用戶段（用戶定位設(shè)備）：通常由接收機(jī)、衛(wèi)星天線、定時(shí)器、數(shù)據(jù)預(yù)處理器、計(jì)算機(jī)和顯示器等組成。用戶定位設(shè)備負(fù)責(zé)從衛(wèi)星發(fā)來的微弱信號(hào)中解調(diào)并譯碼出衛(wèi)星軌道參數(shù)和時(shí)間信息等，同時(shí)測(cè)出導(dǎo)航參數(shù)（距離、距離差和距離變化率等）。根據(jù)這些參數(shù)，計(jì)算機(jī)將運(yùn)用定位算法計(jì)算用戶的位置坐標(biāo)、速度、時(shí)間等信息。根據(jù)用途不同，用戶定位設(shè)備分為船載、機(jī)載、車載、星載、單人背負(fù)等類型；根據(jù)型號(hào)不同，用戶定位設(shè)備又可分為測(cè)地型、全站型、定時(shí)型、手持型、集成型等類型。

3.1.3 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有如下特點(diǎn)。

（1）全天候。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以全天候地提供服務(wù)。傳統(tǒng)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)范圍有限，如子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)平均定位間隔為1.5h，無法滿足實(shí)時(shí)導(dǎo)航的需求。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為全球任何地點(diǎn)和近地空間用戶（飛機(jī)等）提供連續(xù)的導(dǎo)航能力。

（2）高精度。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供精確的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。GPS相對(duì)定位精度在50km以內(nèi)可以達(dá)到10^-6，在100～500km內(nèi)可以達(dá)到10^-7，在1000km以上可以達(dá)到10^-9。

（3）快速、省時(shí)、高效率。用戶通常僅需數(shù)秒即可獲得精確定位，快速省時(shí)的觀測(cè)對(duì)于飛機(jī)、船艦等高動(dòng)態(tài)用戶十分重要。

（4）部署靈活。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不需要測(cè)量站之間無障礙通視，只需要測(cè)量站上空開闊即可，因此可以節(jié)省大量的建造費(fèi)用，選站十分靈活，可以省去傳統(tǒng)大地網(wǎng)中傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測(cè)量工作。

（5）抗干擾能力強(qiáng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)利用導(dǎo)航電文和偽隨機(jī)碼調(diào)制高頻載波來獲得導(dǎo)航信號(hào)，大部分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（除了俄羅斯的GLONASS）采用碼分多址的編碼方式，因此抗干擾能力強(qiáng)。

（6）高度自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)便。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自動(dòng)化程度很高。另外，用戶定位設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶，方便操作人員搬運(yùn)和操作。

（7）應(yīng)用廣泛。衛(wèi)星導(dǎo)航可廣泛用于軍事、民事用途。

3.1.4 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照定位原理可以分為以下5種。

（1）測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)：其通過測(cè)量衛(wèi)星與用戶之間的距離進(jìn)行定位。

（2）測(cè)距差導(dǎo)航系統(tǒng)：其同時(shí)測(cè)量用戶到多顆衛(wèi)星的距離或在幾個(gè)位置上測(cè)量用戶到一顆衛(wèi)星的距離，利用距離差進(jìn)行定位。

（3）多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)：衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星和衛(wèi)星儀之間的距離變化將產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，衛(wèi)星發(fā)射頻率和衛(wèi)星儀接收到的信號(hào)頻率之間相差一個(gè)多普勒頻移，利用多普勒頻移積分值進(jìn)行定位的系統(tǒng)稱為多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)。

（4）測(cè)角導(dǎo)航系統(tǒng)：其利用一顆或多顆衛(wèi)星相對(duì)于某一基準(zhǔn)方向的夾角來進(jìn)行定位。

（5）混合導(dǎo)航系統(tǒng)：其同時(shí)采用兩種或兩種以上的測(cè)量方法。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照用戶是否有源可分為有源系統(tǒng)和無源系統(tǒng)。有源系統(tǒng)是指衛(wèi)星和用戶設(shè)備都要發(fā)射信號(hào)，有源系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星和用戶設(shè)備的要求不高，但隱蔽性不好，不適合在軍事領(lǐng)域應(yīng)用。在無源系統(tǒng)中，只有衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，用戶設(shè)備僅接收信號(hào)。在無源系統(tǒng)中，衛(wèi)星和用戶設(shè)備較為復(fù)雜，但隱蔽性較好。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照衛(wèi)星軌道可分為低軌道系統(tǒng)、中高度軌道系統(tǒng)和同步軌道系統(tǒng)。低軌道系統(tǒng)中的衛(wèi)星軌道為近地軌道，高度為900～2700km；中高度軌道的高度為10000～24000km；同步軌道的高度為36000km。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照是否可以連續(xù)定位可分為連續(xù)定位系統(tǒng)和斷續(xù)定位系統(tǒng)。連續(xù)定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天候的連續(xù)定位，如GPS一次定位一般只需要幾秒，可以提供24h的定位。斷續(xù)定位系統(tǒng)兩次導(dǎo)航之間需要很長(zhǎng)的間隔，如子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一次定位需要約10min，不同位置的測(cè)量站的一次定位則需要數(shù)小時(shí)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照服務(wù)范圍可分為區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是僅可提供區(qū)域性（如一個(gè)國(guó)家）導(dǎo)航服務(wù)的系統(tǒng)；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也稱全球系統(tǒng)（GNSS），它是可以提供全球性導(dǎo)航服務(wù)的系統(tǒng)，相比于區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它通常需要更多的衛(wèi)星以覆蓋全球。

下面對(duì)國(guó)外現(xiàn)有區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有印度的NAVIC（Navigation with Indian Constellation）系統(tǒng)、日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）。

NAVIC系統(tǒng)是由印度空間研究組織負(fù)責(zé)開發(fā)的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于2006年被批準(zhǔn)研發(fā)。此系統(tǒng)包含7顆衛(wèi)星及輔助地面設(shè)施。其中，3顆衛(wèi)星位于地球靜止軌道，另外4顆衛(wèi)星位于地球同步軌道。這樣的安排意味著7顆衛(wèi)星都可以持續(xù)與印度控制站保持聯(lián)絡(luò)。衛(wèi)星載荷包含原子鐘及產(chǎn)生導(dǎo)航信號(hào)的電子裝備。

QZSS是以3顆人造衛(wèi)星通過時(shí)間轉(zhuǎn)移完成全球定位系統(tǒng)區(qū)域性功能的衛(wèi)星擴(kuò)增系統(tǒng)。從日本本土來看，系統(tǒng)中始終有一顆衛(wèi)星停留在靠近天空頂點(diǎn)的地方，所以日本稱其為準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)。QZSS針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)提供視頻基礎(chǔ)服務(wù)（影像、聲音和資料）和定位信息。對(duì)于定位服務(wù)，在獨(dú)立模式下工作時(shí)，QZSS目前只能提供有限的精度，因此它被視為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的擴(kuò)增服務(wù)。

國(guó)外的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo系統(tǒng)。

美國(guó)的GPS是在美國(guó)海軍前導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的、以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的新型導(dǎo)航定位系統(tǒng)，于1994年建成并提供全球?qū)Ш椒?wù)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星，這些衛(wèi)星分布在6個(gè)中軌道面上，共耗資近200億美元，是應(yīng)用最廣泛的全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

GLONASS最早開發(fā)于蘇聯(lián)時(shí)期，后由俄羅斯繼續(xù)該計(jì)劃。目前的系統(tǒng)由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，分布于3個(gè)軌道面上。該系統(tǒng)于2007年開始運(yùn)營(yíng)，當(dāng)時(shí)只開放俄羅斯境內(nèi)的衛(wèi)星定位及導(dǎo)航服務(wù)。2009年，其服務(wù)范圍已經(jīng)拓展到全球。

Galileo系統(tǒng)是歐洲出于戰(zhàn)略考慮，于1999年年初正式推出的旨在獨(dú)立于GPS和GLONASS的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，耗資超過30億歐元。該系統(tǒng)由2個(gè)地面控制中心和30顆中軌道衛(wèi)星組成，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆衛(wèi)星為備用衛(wèi)星。該系統(tǒng)于2016年12月開始運(yùn)營(yíng)。Galileo系統(tǒng)可以和GPS結(jié)合使用，用戶定位設(shè)備可以同時(shí)接收Galileo系統(tǒng)和GPS的信號(hào)，以大幅度提高定位精度。

3.1.5 衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用

衛(wèi)星導(dǎo)航最早用于軍事領(lǐng)域，在從軍用轉(zhuǎn)入民用并在全球市場(chǎng)開放后被廣泛應(yīng)用。

1.軍事領(lǐng)域

衛(wèi)星導(dǎo)航可以為各種軍事武器制導(dǎo)，導(dǎo)彈、航彈乃至單兵直瞄火力都可以借助導(dǎo)航系統(tǒng)來提高命中率，大幅度提高殺傷力。同時(shí)，在戰(zhàn)場(chǎng)上，通過衛(wèi)星導(dǎo)航，結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)電視系統(tǒng)等，各戰(zhàn)術(shù)單位的排兵布陣、態(tài)勢(shì)變化和諸兵種合成可實(shí)現(xiàn)從前線到指揮部的高度同步。

由于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事上具有巨大的優(yōu)越性，在某種意義上能起到?jīng)Q定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的作用，因此發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航已成為全球軍備競(jìng)賽的重要組成部分。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)航天司令部統(tǒng)一指揮了約70顆衛(wèi)星支援陸、海、空作戰(zhàn)，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)也因此被稱為“第一次空間戰(zhàn)爭(zhēng)”。可以預(yù)見，在以后的戰(zhàn)爭(zhēng)中，衛(wèi)星導(dǎo)航將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

2.民事領(lǐng)域

衛(wèi)星導(dǎo)航首先廣泛應(yīng)用在海、陸、空交通領(lǐng)域，包括車輛導(dǎo)航、鐵路智能交通、遠(yuǎn)洋船最佳航程航線測(cè)定、船只實(shí)時(shí)調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、飛機(jī)導(dǎo)航、航空遙感姿態(tài)控制等，極大地改變了傳統(tǒng)的導(dǎo)航模式，提高了工作效率，也帶來了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

衛(wèi)星導(dǎo)航在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、建筑行業(yè)、醫(yī)療救援等方面也有極其重要的作用。衛(wèi)星導(dǎo)航還對(duì)維護(hù)人類生存環(huán)境、探尋物理世界等有著不可取代的關(guān)鍵作用，可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、物理勘測(cè)、陸地和海洋測(cè)繪、氣象預(yù)報(bào)、環(huán)保研究、地震監(jiān)測(cè)、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、市政規(guī)劃控制等。

3.消費(fèi)領(lǐng)域

在消費(fèi)領(lǐng)域，衛(wèi)星導(dǎo)航更為人們所熟知，其應(yīng)用包括車輛監(jiān)控、信息服務(wù)、車輛導(dǎo)航、個(gè)人位置服務(wù)等。

相比于專業(yè)的行業(yè)應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航在消費(fèi)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備市場(chǎng)中，專門行業(yè)應(yīng)用的授時(shí)、海用、測(cè)繪、軍用類業(yè)務(wù)僅占據(jù)8%的份額；而消費(fèi)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)則占據(jù)85%的份額。