全球四大导航系统

2024年1月8日发(作者：我和闺蜜)

全球四大卫星定位系统

目前，世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。当前全球有四大卫星定位系统，分别是美国的全球卫星导航定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯GLONASS系统、欧洲在建的“伽利略”系统、和中国的北斗卫星导航系统。

一、美国GPS长期垄断

美国国防部从1973年开始实施的GPS系统，这是世界上第一个全球卫星导航系统，在相当长的一段时间内垄断了全球军用和民用卫星导航市场。GPS全球定位系统计划自1973年至今，先后共发射了41颗卫星，总共耗资190亿美元。GPS原来是专门用于为洲际导弹导航的秘密军事系统，在1991年的海湾战争中首次得到实战应用。随后，在科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战争中大显身手。从克林顿时代起，该系统开始应用在了民用方面。现运行的GPS系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。美国利用GPS获得了巨大的经济利益，多年来在出售信号接收设备方面赚取了巨额利润。以1986年为例，当时一台一般精度的GPS定位仪价格5万美元，高精度的则达到10万美元。现在价格虽然有所下降，但也可推算出20年来GPS“收获颇丰”。以GPS为代表的卫星导航定位应用产业，已成为八大无线产业之一。据美国国家公共管理研究院进行的调查评估表明，GPS的全球销售额将以每年38%的速度增长，2005年全球GPS市场已达到310亿美元。长期以来，美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号——也就是说，地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人掌握，其他国家只知道个“大概”。在海湾战争时，美国还曾置欧盟各国利益不顾，一度关闭对欧洲GPS服务。

2003年3月20日，伊拉克战争爆发。大批轰炸机、战斗机猛扑向伊拉克首都巴格达，用炸弹准确地将一座建筑彻底摧毁，行动代号：“斩首行动”；4月，一架B-1B“枪骑兵”轰炸机临时接到任务，用炸弹摧毁了另一座建筑。他们的目标都是一个人：萨达姆 侯赛因，他们所使用的炸弹都是一种：联合攻击炸弹(JDAM)，这些炸弹之所以都能够精确的打击目标，是因为他们都是通过卫星定位来实现定位，提供这种定位服务的正是由24颗美国卫星组成的全球定位系统--GPS。

由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测

量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。

二、俄罗斯GLONASS（格洛纳斯）系统

“格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION

SATELLITE SYSTE”的缩写。作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似，不过，其24颗卫星分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔120°，同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行，轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。俄罗斯自称，多功能的GLONASS系统定位精度可达1米，速度误差仅为15厘米/秒。如果必要，该系统还可用来为精确打击武器制导。GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400KG，设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星。

恐怕很少有人知道， 格洛纳斯的正式组网比GPS还早， 这也是美国加快GPS建设的重要原因之一。不过苏联的解体让格洛纳斯受到很大影响，正常运行卫星数量大减，甚至无法为为俄罗斯本土提供全面导航服务，更不要说和GPS竞争。到了21世纪初随着俄罗斯经济的好转，格洛纳斯也开始恢复元气，推出了格洛纳斯-M和更现代化的格洛纳斯-K卫星更新星座。

该系统由苏联在1976年组建，现在由俄罗斯政府负责运营。1991年组建成具备覆盖全球的卫星导航系统，从1982年12月12日开始，该系统的导航卫星不断得到补充，至1995年，该系统卫星在数目上基本上得到完善，但随着俄罗斯经济不断走低，该系统也因此因失修等原因陷入崩溃的边缘。但2001年到2010年10月俄罗斯政府已经补齐了该系统需要的24颗卫星。预计到2012年

GLONASS全球导航系统卫星的数量将增加到30颗，实现全球定位导航，届时其卫星导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间，定位精度将达到1米左右。

在技术方面，GLONASS与GPS有以下几点不同之处[：

卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。而GLONASS采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。基于这个原因，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。每颗格洛纳斯卫星广播两种信号，L1和L2信号。具体地说，频率分别为L1=1602+0.5625*k(MHz)和L2=1246+0.4375*k(MHz)，其中 k为1～24为每颗卫星的频率编号，同一颗卫星满足L1/L2=9/7。格洛纳斯系统设计定位精度为在95%的概率条件下，水平向为100米，垂直向为150米。

坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PZ-90）。

时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。

此外，由于GLONASS没有施加S.A.干扰 (Selective Availability)，所以它的民用精度优于施加S.A.干扰的GPS系统 (注: 2000年5月1日起, GPS的S.A.的干扰已被解除])。但是，GLONASS的应用普及度还远不及GPS，这主要是由于俄罗斯长期以来不够重视开发民用市场。不过，目前已有包括苹果iPhone 4S、索尼Xperia S在内的数款智能手机搭载了GLONASS和GPS双定位系统，诺基亚也表示将在其即将推出的手机中使用GLONASS[6]。2012年7月23日三星推出支援美国GPS与俄罗斯GLONASS系统，共拥有48颗双卫星定位的Android操作系统GALAXY-Ace-2手机。

技术难点

1．目前GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短，在轨卫星只12颗；

2．GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；

3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机中频率综合器复杂；

4．对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题。

差分增强系统

为了进一步提高GLONASS的精度，以满足三个类别的飞机精密进场/着陆的要求，俄 罗斯正计划开发以下三种差分增强系统。

（1）广域差分系统（WADS）。它包括在俄罗斯境内建立3-5个WADS地面站，可为离站1500～2000km内的用户提供5-15m的位置精度。

（2）区域差分系统（RADS）。在一个很大的区域上设置多个差分站和用于控制、通信和发射的设备。它可在离台站400～600km的范围内，为空中、海上、地面以及铁路和测量用户提供3-10m的位置精度。

（3）局域差分系统（LADS）。它采用载波相位测量校正伪距，可为离台站40km以内的用户提供10cm量级的位置精度。 LADS台站可以是移动系统，还可能用地面小功率发射机--伪卫星来辅助。

另外，还制订了一个更大范围的包括独联体各国的统一的联合国家分系统（UDS）。该系统预计在1998-2000年建成，届时将为独联体的所有国家提供精密导航定位服务。

三、伽利略卫星导航系统

伽利略定位系统（Galileo），是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也是继美国现有的“全球定位系统” (GPS) 、俄罗斯的GLONASS系统及中国的北斗卫星导航系统外，第四个可供民用的定位系统，预计会于2014年开始运作并在2019年完工。

建造此系统的目的有以下几点:

 为用户提供更准确的数据

 加强对高纬度地区的覆盖，包括挪威、瑞典等地区。

 减低对现有GPS系统的依赖，尤其是在发生战争时。

在上世纪90年代的局部战争中，美国的GPS出尽风头。利用GPS系统提供定位的导弹或战斗机可以对地面目标进行精确打击，这给欧洲国家留下了深刻印象。为减少欧洲对美国军事和技术的依赖，经过长达3年的论证，2002年3月，欧盟15国交通部长会议一致决定，启动“伽利略”导航卫星计划。“伽利略”计划的总投资预计为36亿欧元，由分布在3个轨道上的30颗卫星组成。该系统与GPS类似，可以向全球任何地点提供精确定位信号。与美国的GPS相比，“伽利略”

系统可以为民用客户提供更为精确的定位，其定位精度可以达到1米，而GPS只能达到10米。

2000年，“伽利略”计划提出不久，欧盟委员会副主席德帕拉西奥在与当时的中国国务院总理朱镕基会晤时就表示希望中国参与“伽利略”计划，得到了中国的积极回应。随后，中国同欧盟签署协议，在北京成立了中欧卫星导航技术培训合作中心，中国向“伽利略计划”投资2.3亿欧元，根据比例获取相应收益。

然而，进入2005年，欧洲政治开始转向，亲美政治人物纷纷上台，欧洲航天局与美国“修好”。欧盟开始排挤中国。投入巨额资金，却得不到与之相称的对待，中国不但进不到“伽利略”计划的决策机构，甚至在技术合作开发上也被欧洲航天局故意设置的障碍所阻挡，中方十分不满。在此背景下，中国开始把注意力转移到“北斗”系统上。

卫星

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数量: 30颗

离地面高度: 23,222公里 (MEO)

三条轨道，56°倾角 (每条轨道将有九颗卫星运作，最后一颗作后备)

卫星寿命: 12年以上

卫星重量: 每颗675公斤

卫星长阔高: 2.7m x 1.2m x 1.1m

太阳能集光板阔度: 18.7m

太阳能集光板功率: 1500W

服务

“伽利略系统”将提供以下四种导航服务:

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开放服务 (Open Service)：开放服务提供任何人自由使用，开放服务的信号将会广播1164-1214MHz 及 1563-1591MHz 两个频带上。同时接收两个频带的信号水平误差<4米，垂直误差<8米，如果只接收单一频带仍然有

<15米的水平误差 及 <35米的垂直误差与GPS 的 C/A 码相当。

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商业服务 (Commercial Service)

公共规范服务 (Public Regulated Service)

生命安全服务 (Safety of Life Service)

四、中国的北斗导航系统

北斗导航系统是中国自行研制的全球卫星定位于通信系统，是继美国GPS和俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。截止2012年五月在轨卫星13颗，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。计划在2020年由35颗卫星提供覆盖全球的导航能力。

北斗一号

北斗一号导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星，卫星的赤道角距约60°。是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。

北斗一号卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。

中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

短报文通信：一次可传送多达120个汉字的讯息。

精密授时：精度达10纳秒。

定位精度：水平精度100米（1σ），设立标校站之后为20米（类似差分状态）。

工作频率：2491.75MHz。

系统容量：每小时540000户。

北斗二号

北斗二号是中国开发的独立的全球卫星地位系统，不是北斗一号的简单延伸，更类似于GPS（全球定位系统）和伽利略。

北斗二号”卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放 服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为厘米级，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

“北斗二号”卫星导航系统将克服“北斗一号”系统存在的缺点，同时具备通信功能，其建设目标是为我国及周边地区的我军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。

“北斗二号”全球卫星定位系统无论是导航方式，还是覆盖范围上都和美国的GPS非常类似，而且有着GPS和“格洛纳斯”系统无法比拟的独特优势。“北斗二号”系统主要有三大功能：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS民用定位精度相当；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20纳秒。

四大系统各有特色

从技术和应用前景上看，四大系统各有优劣，如果说GPS胜在成熟，伽利略胜在精准，那么格洛纳斯的最大价值就在于抗干扰能力强，而中国的北斗卫星导航系统的优势则在于互动性和开放性。与GPS相比，伽利略系统在许多方面具有优势，例如其卫星数量多达30颗，其卫星轨道位置比GPS高。伽利略可为地面用户提供3种类型的信号供选择，其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。

此外，伽利略卫星定位系统信号的最高精度比GPS高10倍，确定物体的误差范围在1米之内。正如有关专家所说：“如今的GPS只能找到街道，而伽利略却能找到车库的门。”而俄国的格洛纳斯由24颗卫星组成，也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定位卫星系统。尽管其定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干扰能力却是最强的。中国自行研制生产的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创新。北斗系统与其他系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于需要导航与移动数据通信场所。此外，中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。