现代卫星导航系统的技术特点与发展趋势

2024年1月8日发(作者：杨怀远)

现代卫星导航系统的技术特点与发展趋势

摘要：卫星导航系统是一种全球性的高精度时空基准提供系统，它为人类的生产生活带来了极大的便利，也为人类的安全、军事、经济等提供了重要保障。卫星导航系统具有很强的技术应用性，随着北斗系统组网完成，其应用将会更加广泛。20世纪90年代以来，随着第三代移动通信技术（3G）、数字程控交换技术、宽带无线局域网技术（WLAN）等不断发展和完善，以及航天技术的进步，卫星导航已经进入到与互联网、云计算等新兴信息技术融合发展的新阶段。本文在回顾了卫星导航系统发展历史并对国内外卫星导航系统技术发展进行了分析、研究和展望的基础上，重点探讨了北斗卫星导航系统、全球导航卫星系统（GNSS）、智能星基增强系统（ISES）等技术特点与未来发展趋势。

关键词： GPS；北斗；技术特点；发展趋势

一、引言

卫星导航是现代信息技术发展的一个重要方向，在人类社会的诸多领域起到了无可替代的作用。由于卫星导航具有不受电磁干扰、全天候运行、环境适应性强等优点，使得其在军事、民用、农业、交通运输、地理测绘以及大众消费等方面都有着广泛的应用。随着科技的进步，卫星导航技术也在不断发展和完善，除传统的卫星定位方式外，还出现了一些新型卫星导航系统。全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），简称 GPS，是美国20世纪70年代中期开始建设的一个全球性卫星导航定位系统。

二、卫星导航系统发展历史

目前，全球公认的卫星导航系统有 GPS、 GLONASS、 Galileo和 GALILEO四大系统，其中 GPS系统分别被称为美国的“三大卫星导航系统”，也称 GPS全球卫星导航系统。目前，我国的北斗卫星导航系统已经完成了组网，即将正式

提供服务。GPS-21与GPS-22也将在2017年完成组网。目前，我国已经建立起了自主可控的卫星导航定位服务体系。

（一）第一代：伽利略系统

伽利略系统（Galileo）是欧盟研制的一种卫星导航系统，由30颗静止轨道和地球同步轨道卫星组成，为欧洲用户提供定位、时间和速度等基本服务，并能与其他国家的 GPS系统兼容共用。 伽利略系统由三颗地球同步轨道卫星和两颗静止轨道卫星组成，星座结构与美国的 GPS相似，但设计寿命仅为6年，仅在2008年为欧洲提供了首次定位服务。目前伽利略系统仍在建设中，预计未来10年内将可提供全球服务。

（二）第二代：格洛纳斯系统

格洛纳斯导航系统（GLONASS）由俄罗斯负责建设，于1985年开始运行，提供全球服务。是继美国全球定位系统（GPS）和欧洲伽利略导航系统（GALILEO）之后建立的第三个卫星导航系统，也是目前俄罗斯最大的卫星导航系统，目前已成为俄罗斯国民经济和国防建设的重要组成部分。

（三）第三代：北斗系统

中国第三代卫星导航系统（即北斗卫星导航系统）计划于2013年12月31日开始，在3年内完成由11颗地球静止轨道卫星、4颗倾斜地球同步轨道卫星和2颗中圆地球轨道卫星组成的北斗全球卫星导航系统星座部署，以覆盖全球。北斗系统将为亚太地区提供服务，可提供厘米级的高精度导航定位服务，并具备短报文通信功能。北斗系统建成后将服务于中国及周边地区，并向亚太地区和国际用户提供全天候、全天时服务。

（四）第四代：高精度北斗系统

2013年12月北斗二号系统完成全球组网，标志着中国已基本形成以北斗为核心的卫星导航系统，从“区域导航”迈向“全球导航”。 2014年7月31日，北斗三号首颗卫星发射成功。到2014年年底，已经发射了20颗北斗二号卫星（5颗地球静止轨道卫星，10颗倾斜地球同步轨道卫星），组网建设工作取得重

大进展。在地面部分建设了超过200座地面站，初步建成覆盖全国的北斗定位服务网络，为全球用户提供基本的定位、导航和授时服务。 从2013年12月开始，中国在世界上首次实现了对固定和移动目标的实时位置、速度、方向和姿态信息的获取，为交通运输、海洋渔业等领域提供了应用示范。

三、北斗系统的技术特点

北斗卫星导航系统是我国第一个自主建设和运行的全球卫星导航系统，也是继美国 GPS、俄罗斯 GLONASS之后全球第三个成熟的卫星导航系统，其主要特征为：（1）采用三频信号，并将原来的载波相位观测值改为载波相位动态观测值；（2）采用新型的地面信号处理方式，以提高接收机的抗干扰能力和定位精度；（3）采用星间链路技术，提高了系统的抗多径能力和用户定位精度。 与 GPS等卫星导航系统相比，北斗卫星导航系统具有以下几方面的特点：（1）覆盖范围广；（2）定位精度高；（3）可靠性好；（4）连续性强；（5）服务内容丰富。

（一）卫星定位系统（GPS）

GPS由三部分组成：空间星座部分，包括24颗卫星；地面监控部分，包括15个 GPS地面站、4个 GPS信号接收器；用户应用部分，包括飞机、舰艇等在海上、空中、陆地上的定位服务。在导航服务中， GPS系统用于获取定位信息并提供导航信号给用户。目前，全球定位系统在全球范围内的用户约有1.2亿，主要应用于交通运输、政府管理以及国防等领域。全球定位系统是由美国于70年代初发展起来的。

（二）全球卫星导航系统（GNSS）

GNSS （Global Navigation Satellite System）是利用卫星进行定位、导航、授时的技术系统。GNSS的概念包括全球卫星定位系统、全球导航卫星系统、区域 GNSS （如： GNSS/PNT）等。与 GPS相比， GNSS具有更好的实时性和自主性，以及更高的可靠性和更强的抗干扰性。

（三）地基增强系统（GPS-GNSS）

全球导航卫星系统的一种。其作用是提高定位精度和可用性，并允许用户与系统进行双向信息交换，在其控制下使用其他卫星导航系统。GNSS的优点是：（1）在全球范围内提供连续高精度的服务，使导航定位精度达到米级甚至更高；（2）可全天候运行，不受天气影响，特别是在恶劣天气下仍可保证服务的连续性；（3）不需要卫星信号接收机就能工作；（4）可以在用户端实现快速、高精度的定位与测速；（5）能和其他导航系统实现双向通信与信息交换；（6）能实现复杂地形下的导航定位；（7）与其他导航系统兼容，可用于卫星通信。

（四）移动通信系统

随着卫星导航系统应用的深入，以及 GPS本身性能的不断提高，导航和定位技术将从单机走向系统，为用户提供高精度、实时性和多功能的服务。如美国开发了基于 GPS的卫星移动通信系统，它可以在全球范围内实现不受干扰、不需要许可的连续双向通信，将极大地促进全球移动通信系统（GSM）和全球广播式自动交换电话网络（RAN）的发展，为实现全球范围内实时、高速、低成本地传输和交换信息提供了可能。

四、 GNSS系统技术的发展趋势

GNSS系统的发展主要经历了起步、应用推广和产业化三个阶段。目前，全球有三大卫星导航系统，即美国的 GPS、欧洲的 GLONASS和俄罗斯的 GLONASS+

GPS。随着北斗系统的组网完成，北斗将在全球定位导航领域占据主导地位。在此基础上， GNSS系统技术也将向以下几个方面发展。

（一）全球一网

全球卫星导航系统是由全球卫星导航系统组织（GLONASS）负责建设和管理，通过对全球范围内所有卫星进行监视和控制，利用全球星基增强系统（Global

Bad Enhancement System），通过空间信号处理技术进行信号增强，并在地面建立接收机，使其与用户终端和地面控制站能够进行通信连接，并向用户提供卫星导航定位信号等服务，该系统最早于1965年投入使用。

（二）全球一网+全球一码

美国在2019年5月22日宣布，其全球定位系统（GPS）、地基增强系统（GLONASS）和天基全球定位系统（WAAS）将于2020年10月底前合并为全球定位系统（GPS），届时，所有的用户都可以在不需要重新定位的情况下获得全球范围内的精确导航和授时服务。此外，欧盟也提出了其全球卫星导航系统（GLONASS）发展目标，其目标是到2035年使其全球用户的卫星导航信号覆盖率达到95%以上。

结束语

卫星导航系统作为一种全球定位系统，在军事、商业及大众等领域发挥着越来越重要的作用，随着卫星导航系统技术的发展和应用需求的日益提升，未来卫星导航系统将在多源信息融合、自主创新、安全可靠、经济适用等方面进一步发展，并将与互联网、云计算等新兴信息技术深度融合，为人类生产生活带来更加便捷的服务。

参考文献：

[1]伍俊,潘定.卫星导航信号抗干扰能力探析[J].海峡科技与产业,2020,33(12):110-112.

[2]孙宏钧.导航联网现代社会[J].中外企业家,2018(06):118-119.

[3]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.