2.1.2 國內外衛星導航定位系統介紹

近年來，基于衛星導航定位系統的應用日益廣泛，主要的衛星導航定位系統有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GLILEO、中國的北斗衛星導航系統等。

2.1.2.1 美國GPS

GPS是指利用GPS衛星，向全球各地全天候、實時性地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統。GPS的前身是1958年美國軍方研制的子午儀衛星導航系統，其于1964年正式投入使用。該系統用由6顆衛星組成的星網工作，每天最多繞地球13圈，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀衛星導航系統使得研發部門對衛星定位有了初步的經驗，并驗證了由衛星系統進行定位的可行性，為GPS的研制做了鋪墊。由于衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性，以及子午儀衛星導航系統在潛艇和艦船導航方面存在巨大缺陷，美國陸、海、空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。

20世紀70年代，美國國防部為了給陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并進行情報收集、核爆監測和應急通信等一些軍事活動，開始研制“導航衛星定時和測距全球定位系統”，簡稱全球定位系統。1973年，美國國防部開始設計、試驗。2007年，美軍決定對GPS進行有史以來最大規模的升級。升級后的美軍第三代GPS（GPSⅢ）的傳輸量是之前的500倍，且抗干擾能力翻倍。

GPS衛星的主體呈圓柱形，兩側有太陽能帆板，能自動對日定向。太陽能電池為衛星提供工作用電。每顆衛星都配備有多臺原子鐘，可為衛星提供高精度的時間標準。衛星帶有燃料和噴管，可在地面控制系統的控制下調整自己的運行軌道。GPS衛星的基本功能是：接收并存儲來自地面控制系統的導航電文；在原子鐘的控制下自動生成測距碼和載波，并將測距碼和導航電文調制在載波上播發給用戶；按照地面控制系統的命令調整軌道，調整衛星鐘，修復故障或啟用備用件以維護整個系統的正常工作。不同型號的衛星的外形也不相同。

2.1.2.2 俄羅斯GLONASS

GLONASS的研制始于20世紀70年代中期，歷經20多年，雖然遭遇了蘇聯解體、俄羅斯經濟不景氣，但始終沒有中斷過，終于在1996年1月18日實現了空間滿星座24顆工作衛星正常地播發導航信號，使系統達到了一個重要的里程碑。

GLONASS工作測試始于蘇聯于1982年10月12日發射的第一顆試驗衛星，整個測試計劃分兩個階段完成。

第一階段（1982—1990年）：1984—1985年，由4顆衛星組成的試驗系統可驗證系統的基本性能指標。空間星座從1986年開始逐步擴展，到1990年，系統第一階段的測試計劃已經完成，當時空間星座已有10顆衛星，布置在軌道平面1（6顆）和軌道平面3（4顆）上。該星座每天至少能提供15h的二維定位覆蓋，而三維覆蓋至少可達8h。

第二階段（1990—1995年）：主要完成對用戶設備的測試，隨著空間星座于1996年1月18日最終布滿24顆工作衛星而告結束。隨后系統開始進入完全工作階段。

GLONASS由空間衛星系統（空間部分）、地面監測與控制子系統（地面控制系統）、用戶設備（用戶設備部分）3個基本部分組成。

該系統于1996年完成了3個軌道的21顆中高度軌道衛星加3顆備用衛星的組網，由此打破了由美國GPS一統天下的局面，形成多系統兼容共用的新格局。GLONASS空間星座由24顆衛星組成，衛星有六種類型：BlockⅠ、BlockⅡA、BlockⅡB、BlockⅡ，以及下一代改進型衛星GLONASS-MⅠ和GLONASS-MⅡ。

GLONASS起步雖早，但受政治格局影響，在20世紀發展相當緩慢，與同期的GPS拉開較大差距。但是，基于俄羅斯經濟情況逐漸好轉，21世紀初，俄羅斯開啟了GLONASS的重建計劃。近幾年，隨著GLONASS-M和更現代化的GLONASS-K衛星相繼被推出，GLONASS的空間星座已逐漸更新。

每顆GLONASS衛星都在L波段發射2個載波信號L1和L2，民用碼僅調制在L1上，而軍用碼調制在（L1和L2）雙頻上，GLONASS采用頻分多址（FDMA）區分衛星信號。

GLONASS可為全球海陸空，以及近地空間的各種軍、民用戶全天候、連續地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。GLONASS在定位、測速及定時精度上優于施加SA之后的GPS，俄羅斯向國際民航和海事組織承諾將向全球用戶提供民用導航服務。

2.1.2.3 歐盟GALILEO

早期全世界使用的衛星導航定位系統主要是美國的GPS，歐洲人認為這并不安全。為了建立歐洲自己控制的民用全球衛星導航定位系統，歐洲人決定實施GALILEO計劃。GALILEO計劃最早在1999年歐洲委員會的一份報告中提出，其目的是擺脫歐洲對美國GPS的依賴，打破其壟斷。該項目總共將發射32顆衛星，總投入達34億歐元，經過多方論證后，于2002年3月正式啟動。系統建成的最初目標是2008年，但由于技術等問題，延長到了2011年。2010年年初，歐盟委員會再次宣布，GALILEO將推遲到2014年投入運營。與美國的GPS相比，GALILEO更先進。美國GPS向別國提供的衛星信號，只能發現地面大約10m長的物體，而GALILEO的衛星則能發現1m長的目標。

作為歐盟主導項目，GALILEO并沒有排斥外國的參與，中國、韓國、日本、阿根廷、澳大利亞、俄羅斯等國也參與了該項目，并向其提供資金和技術支持。GALILEO與美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗衛星導航系統共同構成全球四大衛星導航系統，為用戶提供更加高效和精確的服務。

2023年1月27日，歐空局在第15屆歐洲太空會議上宣布，經過工程師在ESTEC技術中心幾個月的測試，由28顆衛星組成的GALILEO的高精度定位服務（HAS）已啟用，其水平和垂直導航精度分別可達到20cm和40cm。這也代表著歐洲的GALILEO已經可以提供世界上最精確的衛星導航服務，目前已經服務全球超過30億用戶。

2.1.2.4中國北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統（BDS，以下簡稱北斗系統）是中國自行研制的全球衛星導航系統，也是繼GPS、GLONASS之后的第三個成熟的衛星導航系統。北斗系統和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯合國衛星導航委員會認定的供應商。

北斗系統的成功研制，填補了中國自主衛星導航定位系統的空白。它是一個成功的、實用的、投資少的初級起步系統。2000年10月31日和12月21日，中國相繼成功發射了第一顆和第二顆導航定位試驗衛星，自行組建起中國第一代衛星導航定位系統—北斗系統，成為世界上第三個擁有自主衛星導航定位系統的國家。

北斗系統由空間段、地面段和用戶段組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務，并且具備短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，定位精度為分米、厘米級別，測速精度為0.2m/s，授時精度為10ns。

中國高度重視北斗系統的建設發展，自20世紀80年代開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路，形成了“三步走”的發展戰略：2000年年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務；2012年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；2020年，建成北斗三號系統，向全球提供服務。

第一步，建設北斗一號系統：1994年，啟動北斗一號系統工程建設；2000年，發射兩顆地球靜止軌道衛星，建成系統并投入使用，采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信服務；2003年，發射第三顆地球靜止軌道衛星，進一步增強系統性能。

第二步，建設北斗二號系統：2004年，啟動北斗二號系統工程建設；2012年年底，完成14顆衛星（5顆地球靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星和4顆中圓地球軌道衛星）發射組網。北斗二號系統在兼容北斗一號系統技術體制的基礎上，增加了無源定位體制，為亞太地區用戶提供定位、測速、授時和短報文通信服務。

第三步，建設北斗三號系統：2009年，啟動北斗三號系統建設；2018年年底，完成19顆衛星發射組網，完成基本系統建設，向全球提供服務；2020年年底前，完成30顆衛星發射組網，全面建成北斗三號系統。北斗三號系統繼承北斗有源服務和無源服務兩種技術體制，能夠為全球用戶提供基本導航（定位、測速、授時）、全球短報文通信、國際搜救服務，中國及周邊地區用戶還享有區域短報文通信、星基增強、精密單點定位等服務。

從2017年年底開始，北斗三號系統建設進入了超高密度發射階段。截至2019年9月，北斗系統在軌衛星已達39顆。北斗系統正式向全球提供RNSS服務。

2020年6月23日9時43分，中國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射北斗系統第五十五顆導航衛星，暨北斗三號最后一顆全球組網衛星，至此北斗三號系統星座部署比原計劃提前半年全面完成。

2020年7月31日，北斗三號系統正式開通，標志著北斗系統進入全球化發展階段。

2022年3月16日至25日，國際搜救衛星組織第66屆理事會（CSC-66）確認北斗系統搭載的6顆搜救載荷符合全球中軌衛星搜救系統空間段標準要求，標志著北斗系統加入國際搜救衛星組織的技術審核工作全部完成，這是北斗國際化工作取得的又一次重要進展，將有助于中國履行國際海上人命安全公約，提升全球遇險與安全報警效率。

2022年12月15日，中國工程院院刊Engineering發布“2022全球十大工程成就”，包括北斗系統在內的全球十項工程成就入選。

2035年前，中國將建成以北斗系統為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合PNT體系，為未來智能化、無人化發展提供核心支撐。屆時，從室內到室外、從深海到深空，用戶均可享受全覆蓋、高可靠的導航定位授時服務，北斗系統將更好地服務全球、造福人類。