试论现代卫星导航系统技术特点与发展趋势

龚正鹏 张鸿健

摘 要：在全球科技飞速发展的今天，卫星导航技术已经进入了全民时代，居民、企业、政府都离不开卫星导航技术，大到国家在全球卫星图上指定政策战略，小到居民出行手机导航，都用到了卫星导航技术。本文就现在全球各大卫星导航系统进行详细分析，侧重讲解了美国GPS系统近年来开发的各项新技术，以及分析美国提出的实施新一代GPSⅢ系统计划，从美国新计划中探讨未来卫星导航系统技术的发展趋势，帮助我国的北斗卫星导航系统未来的发展少走弯路，争取与其他大国齐头并进。

关键词：卫星导航系统；自主导航；北斗卫星；GPS系统

中图分类号：V474.25 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0029-02

自现代以来，卫星导航系统全球性民用才刚刚开始，卫星导航系统大多用于现代化战争环境侦测、气象学研究以及灾害评估等。在现代化战争中，卫星导航系统技术的优势十分明显，系统可以在短时间内为各类高新科技武器以及载具提供超精准的定位信息以及制导信息，美国的GPS系统就在美国对外的几次小型战场冲突中成功部署实践，彰显出其特有的军事价值，为其他国家在现代化战争中进行战略部署提供了参考。

1 现阶段全球各大卫星导航系统现现状以及特点

1.1 美国Global Positioning System（GPS系统）

2000年开始，美国就开始大力推进GPS导航系统的使用，改善GPS系统的定位性能，使得该系统具有较强的自主生存能力，进而保持GPS系统在能够精准有效的完成定位，并保持系统长期定位的稳定可靠性，逐步实现GPS导航系统能够更加符合当代发展的潮流，进而GPS系统能够成为现代导航系统的标准，使其美国在卫星导航技术上能实现全球性的垄断。为此，美国采取了一系列的措施，包括：关闭选择可用性软件（SA软件）、实行新一代GPSⅢ系统、增加民用频率L5。当前，美国的GPS导航系统位于持续发展的关键阶段，已经完成了现代化导航发展的第一阶段，正在向着Block Ⅱ R-M阶段方向发展。在GPS卫星星座方面美国由早期的30颗在轨卫星如今改进为24颗工作卫星，而这些卫星的位置分布也具备一定的规律性，以地球为中心在约20000km高度分割成六个导轨面，这24颗工作卫星呈均匀状遍布GPS的空间。不仅如此，为了能够使得导航系统在信息储存方面持续更久，还安插了3颗有源备份卫星，这样一来获取到的导航信息储存时间会得到增加，虽然这种方式会在一定程度上降低导航的精度，但从整体性能上来看收益大于弊端。传统的GPS卫星系统虽然能够实现全球覆盖，但是持续能力相对较差，目前的GPS卫星系统在卫星星座构型上通常采用两种方式：一种是平面卫星均匀状，一种是非均匀混合型。同样的此类卫星系统以地球为中心分割成六个导轨面，这种设计方式最大的好处在于能够更加全面的进行地球覆盖，并且在持续性能上大幅度增强，不仅如此在精度上也有所增加，使得接收机在检测方面更加完善。在用户侧举误差计算上，主要是建立在卫星星历以及卫星视线的基础上得出。

1.2 欧洲Galileo（伽利略卫星导航系统）

介于美国GPS系统强大的功能，欧洲各大强国畏惧美国GPS系统的垄断，不想生活在美国卫星的监控下，也想脱离对美国GPS系统依赖。早在上个世纪90年代，欧盟就开始执行伽利略卫星导航系统设计，最初将导航系统共由30颗卫星设计而成，制定的计划中是27颗工作卫星加上3颗备份卫星，初步预定投入34亿欧元资金，但由于各国成员的意见不一致，导致这项卫星计划往后推迟，到目前，已经将计划改成24颗工作卫星加上6颗备份卫星，截止2016年十二月欧盟已经发射了十八颗工作卫星，欧洲伽利略卫星导航系统作为新一代的民用全球卫星导航系统，它具有比GPS更可靠，某位军事学家这样形容到：GPS系统可以精确地找到街道，但是Galileo可以找到更加精密的看到家门。伽利略卫星提供了若干种服务如商业服务、公共管理服务、开放服务等，这项系统给人们的生活带来的更多的便捷，对于信息的保护也更加严谨，为歐洲地区国家的工商业带来了更多的利益，不仅如此，Galileo系统的部署意味着欧盟打破了美国长时间以来的卫星导航垄断，在未来的全球科技发展中提供了有利条件，也帮助欧洲在日后建议完善的防卫条件。

1.3 中国北斗卫星导航系统

BeiDou Navigation Satellite，BDS，这是一项由中国自主研发的卫星导航系统，在有美国GPS以及俄罗斯GLONASS这两大成熟的卫星系统后，中国也紧跟其后，制定了有35颗卫星组成的卫星导航系统计划，并且本着开放共享的原则，我国的北斗卫星导航系统将自主独立的为全球提供服务。北斗卫星导航系统有5颗静止轨道卫星加上3颗倾斜同步轨道卫星以及27颗中地球轨道卫星，在2000年我国就成功发射了第一颗北斗一号卫星，在2012年已经完成了亚太地区的卫星星座建设，可以稳定高效的为亚太地区提供定位、导航、天气播报等服务。北斗卫星主要功能有：系统用户可以一次传达多达120个汉字的信息，以及精密的时间校对服务，定位水平精度达到100m。不仅如此北斗卫星导航技术在军事上也有着类似美国GPS的功能：对运动中的目标精确定位；为导弹武器发射提供知道信息等，这些功能对我国部队在作战时有着巨大的益处，提供了很大的优势。

1.4 印度和日本的区域卫星导航系统

随着全球各大国家和区域的卫星导航系统技术日益完善和涉及领域不断增多，多种卫星导航系统的投入使用已经打破了美国GPS系统一家独大的局面，日本、印度紧随其后，在利用美国GPS系统的同时，也在马不停蹄地研究发展服务于自己的卫星导航系统。

在日本，国民们都在广泛的使用导航定位服务来辅助日常生活的出行，但是日本的飞行服务区和其他易遮挡信号地区太多，经常干扰国民的日常导航服务使用，日本着手与建立MSAS和QZSS这两大系统来满足用户的需求。日本交通部以及气象局联手组织创立基于多功能卫星的星基增强系统（MSAS），是对于美国GPS卫星功能的一种加强，可以为日本的飞行服务区提供导航和定位服务，也可以在卫星覆盖区域的提供准确的天气播报功能。由于MSAS只能提供飞行区域的卫星导航信息，日本属于山岭地区，城市大多依山而建，对MSAS提供的信号干扰很大，于是日本为了解决此类问题，日本政府联合了民间高新企业共同研发的准天顶卫星导航系统（QZSS），其目的是为了给在日本山区驾车的人们提供较强的通讯信息以及准确的导航服务，也可以为卫星覆盖区域提供空间卫星几何和差分改正服务。

印度着手研发的GAGAN系统和日本的MSAS系统的设计体制相类似，都是一种基于美国GPS系统的星基增强系统，主要应用于飞行服务区和航空区域，印度的GAGAN系统覆盖了整个印度大陆，可以大幅度提高印度机场中应用的GPS定位精确度。在另一方面，印度地区还根据GAGAN的基础，自主创新研发了IRNSS区域卫星导航系统，IRNSS系统不需要再依靠美国GPS为基础，而是自主投放了三颗GEO卫星以及四颗IGSO卫星组成了引导自己的卫星网，为印度本土的用户提供单频和双频两种信号。

1.5 俄罗斯global navigation satellite system（GLONASS格洛纳斯系统）

俄罗斯的全球导航卫星系统简称GLONASS，现在由俄罗斯空间局管理，该GPS卫星导航系统拥有24颗在轨卫星。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，与GPS系统具有相似的定位原理、系统构成，以及相近的服务方式，但在信号通讯体制上有着明显的不同区别，坐标参考以及时间基准系统上也大不相同，同时广播星历格式也有些许差。GLONASS卫星导航系统中的在轨卫星在3个近圆形的轨道平面上均匀分布，每个轨道面中包括8颗运行中的卫星，轨道高度为19100公里，在轨卫星的运行周期是11小时15分，GLONASS的轨道倾角是64.8°。指令跟踪站时刻执行对GLONASS导航系统的跟踪工作，使其能够全方位实现远程检测在轨卫星，同时能够及时分析处理检测回来的数据信息，最后将控制指令以及导航信息能够和在轨卫星对应起来。在地面控制站内都有激光测距设备，该激光测距设备用来对测距数据进行周期修正，因此，在所有的GLONASS卫星系统上都装有激光反射镜。

2 现代卫星导航系统技术特点发展趋势

通过上述的全球几大国家和地区的现代卫星导航技术的现状以及特点，可以尝试着分析出未来卫星导航系统的有以下几点：多数量卫星互相兼容与组合构成导航定位网络、卫星的广域增强技术、导航与通信一体化技术等。

在接下来的发展中，GPS和Galileo以及GLONASS等会成为首批完成多卫星兼容的导航系统，卫星导航功能大幅度提升，原先各国家各地区的卫星导航系统会更加开放，从之前的自主封闭式研究演变为相互合作共同研究，从近年来美国和俄罗斯以及欧盟就多系统共用频段导致的干扰问题多次组织会议探讨解决，并且达到了高度一致性的认识。

如何提高导航定位的精确度以及系统检测完好性一直是每个导航系统的宗旨，公认是方法是采用GEO卫星来进行辅助其他工作卫星。如美国的WASS系统以及欧盟的EGNOS服務，他们在本质上都是将卫星星历参数以及电离层延迟误差进行短时播报来达到剪短导航数据可用龄期的功能，达到定位精度2m的高水准，还保障的导航信息的安全。

如何将现代卫星导航系统建立成顶级的标准是每个国家的目标，现代卫星导航系统的顶级标准指标主要有：定位精准、数据完好、可用性以及连续性，要满足以上标准，必须使自身卫星网络布局完善，让卫星之间的信息传递达到高速高效的水准，只要通过一颗卫星就可以收集处理整个卫星网的信息来达到满足卫星导航系统的各项指标，减少多个卫星协同工作出现的定位偏差，从而实现全球无时差信息接入与获取。

3 结语

经过全文的对现代导航系统技术的汇总，以及对未来发展趋势的分析，可以在大体上为我国北斗卫星导航系统在未来的发展上提供一个总的方向，那就是建成一个具有多卫星兼容性好、广域系统增强、以及导航与信息技术一体化等多功能高效率的卫星导航系统，积极与其他各国各地区分享与探讨卫星导航技术的疑点和难点，积极处理问题，时刻保持着创新精神，才可以让我国的北斗卫星导航系统在未来的国际卫星中独当一面，再次推动全球卫星导航技术的发展创新。

参考文献：

[1]徐晶晶，鲍云飞.现代卫星导航系统技术特点与发展趋势[J].科技风，2018，（13）：14.

[2]何鑫涛.现代卫星导航系统技术的特点分析[J].通讯世界，2017，（23）：347-348.

[3]蔡先续.现代卫星导航系统技术特点与发展趋势探究[J].智库时代，2017，（05）：146-147.