各国卫星导航系统比较(北斗、伽利略、GLONASS、GPS)

2024年1月8日发(作者：台州湾野生动物园)

北斗卫星导航系统简介

卫星导航系统是重要的空间基础设施，为人类带来了巨大的社会经济效益。中国作为发展中国家，拥有广阔的领土和海域，高度重视卫星导航系统的建设，努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。

2000年以来，中国已成功发射了4颗“北斗导航试验卫星”，建成北斗导航试验系统(第一代系统)。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。

中国正在建设的北斗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(属于第二代系统)。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10米，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。

中国计划2007年初发射两颗北斗导航卫星，2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。

伽利略卫星导航系统简介

数量：30颗中高度圆轨道卫星组成，27颗为工作卫星，3颗为候补；

轨道：高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内；

精度：最高精度小于1米；

用途：主要为民用；

1999年2月10日，欧盟执行机构欧洲委员会(EC)公布了欧洲导航卫星系统“伽利略”计划，该系统是与美国全球导航定位系统(GPS)和俄罗斯的GLONASS系统兼容的民用全球定位卫星系统。欧盟之所以进行“伽利略”计划，主要是为了摆脱对美国GPS系统的依赖，打破美国对全球卫星导航定位产业的垄断，在使欧洲获得工业和商业效益的同时，赢得建立欧洲共同安全防务体系的条件。

其实，欧空局(ESA)早在1990年就决定研制“全球导航卫星系统(GNSS)”， GNSS分为两个阶段，第一阶段是建立一个与美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、以及三种区域增强系统均能相容的第一代全球导航卫星系统(GNSS-1)，第二阶段是建立一个完全独立于GPS系统和GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统(GNSS-2)。由于GNSS-1主要是利用GPS等已经建成的系统，因此其主要工作是在欧洲建立30座地面站和4个主控制中心，系统将在2002年部署完毕，2004年完成运营试验。欧洲的长远目标是拥有自己的独立的全球导航卫星系统，即GNSS-2，也就是现在的“伽利略”系统。

“伽利略”计划由欧洲委员会和欧空局共同负责。欧洲委员会负责政治领域和高层次的任务需求，其中包括对系统总体结构、经济收益和用户需求的研究。欧空局负责空间分系统及相关地面系统的确定、发展和在轨鉴定。

“伽利略”系统的批准实施，使得欧洲继“空中客车”和“阿里安”火箭之后，又将拥有自己独立的导航卫星系统，这是欧洲力图独立于美国的又一个重大决定，具有重大政治意义。

欧盟称，“伽利略”计划是在“技术、经济和政治上的挑战”。小心翼翼地将“政治”放在最后，自然是要减少“伽利略”的政治色彩。欧盟还表示，“伽利略”系统是纯民用的，不用于军事，也不干涉美国的GPS，甚至是GPS的有效补充，也是为了避免美国的反感。但是“伽利略”计划既已启动，其政治意义也就不言自明。

在“伽利略”系统的筹建过程中，曾一再受到美国的阻挠，欧洲内部的意见也一度产生严重分歧，系统计划几乎流产。但欧盟委员会及欧洲航天局非常明确地向成员国指出，早在20世纪60年代，美国就曾阻止欧洲拥有自己的航天发射能力，许诺免费为欧洲发射卫星，但欧洲顶住了诱惑和干扰，开发了自己的“阿里安”火箭，使欧洲今天不但拥有了完全独立的卫星发射系统，而且在国际航天发射市场上占有了绝对的优势。欧盟委员会指出，现在的情

况与当初何其相似，所不同是如果没有自己独立的卫星导航定位系统，欧洲防务在20到30年以后将完全失去自主，欧洲也将最终沦为美国的附庸。

在“伽利略”系统问题上，欧洲内部从意见分歧到最后统一，这足以表明尽管欧洲国家各有各的考虑，但面对美国昭然若揭的霸权野心，其他矛盾都可以暂退其后。欧洲人已经达成共识：对欧洲的安全性起关键作用的导航系统如果不受欧洲控制，欧洲的主权和安全就有严重问题。因为世界上没有永远的敌人，也没有永远的盟友，盟友有时会变成敌人。

“伽利略”计划很可能会成为欧洲人安全合作的起点，在军事应用上发挥类似GPS的功能。“伽利略”系统的安全保障功能绝不仅仅是一个推销军用接收机的问题，而是欧洲各国需要拥有一个既能用于欧洲防务体系，又能为欧洲各国军方使用的全球导航卫星系统。欧盟“伽利略”计划军事应用的具体设想是：在发生冲突和战争期间，迅速将L1和L2频率的两级服务转为军用业务，而第3级L3频率仍保留给民航等特殊用户。欧盟将采用不同类型的接收机控制导航信号及其应用。

格洛纳斯卫星导航系统简介

数量：24颗卫星组成；

精度：10米左右；

用途：军民两用；

进展：目前已有17颗卫星在轨运行，计划2008年全部部署到位。

2003年9月24日，是俄联邦政府总统正式宣布俄罗斯GLONASS系统开始服役的十周年纪念日。

事实上，GLONASS在1993年只是具备了初始作战能力。直到1995年末1996年初GLONASS才真正实现了完整星座的部署。GLONASS的第一颗卫星是1982年发射入轨的，同年还发射了两颗同轨道(19100千米)的Etalon geodetic卫星，对规划的高度和倾角的地球引力场特性进行全面表征。原计划1991年建成完整的工作系统。

GLONASS的工作卫星有21颗，分布在3个轨道平面上，同时有三颗备份星。这三个轨道平面两两相隔120度，同平面内的卫星之间相隔45度。每颗卫星都在19100千米高、64.8度倾角的轨道上运行。每颗卫星需要11小时15分钟完成一个轨道周期。

地面控制部分全部都位于前苏联领土境内，地面控制中心和时间标准位于莫斯科，遥测和跟踪站位于圣彼得堡、Ternopol、Eniisk和共青城。

1960年晚些时候，俄罗斯军方确认需要一个卫星无线电导航系统(SRNS))用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引。当时已有的Tsiklon卫星导航系统接收站需要好几分钟的观测才能确定一个位置，因此不能达到导航定位的目的。1968-1969年，国防部、科学院和海军的一些研究所联合起来要为海、陆、空、天武装力量建立一个单一的解决方案。1970年这个系统的需求文件编制完成。进一步研究之后，在1976年，前苏联颁布法令建立GLONASS(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)。

GLONASS卫星星座基本上一直处于降效运行状态，只有8颗卫星是全功能工作的。90年代曾经制定过一个GLONASS星座渐进增强计划，企图在2001年开始有12颗全功能工作的卫星，但根据最新情报，目前仍然只有8颗全功能工作的卫星。

俄罗斯目前正在着手GLONASS系统现代化的工作。俄罗斯太空部队打算开始进行新一代GLONASS-M计划的飞行试验，发射将在2004年左右进行。新型GLONASS-M卫星除了将有更长的设计寿命(从现行的3年提高到7-8年)以外，还将具有更好的讯号特性。俄罗斯还计划要在将来转变到低质量(MASS)第三代GLONASS-K卫星，确保卫星工作寿命在10年以上。

GPS卫星导航系统简介

全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。 全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；(3)用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。

全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2)全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。 全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。 GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

GPS原理

24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

GPS前景

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2000年至2006期间，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20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。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。