卫星定位导航授时专题（四）：四大全球导航系统特性比较

卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等，其中测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用。多普勒测速定位也仅有“子午仪”卫星导航系统采取过，该技术由于不能连续实时导航、两次定位时间间隔太长、只能提供二维定位、对高速移动物体测量误差较大等缺点，目前也不再应用。 

▲北斗导航卫星

目前世界主要的卫星导航系统都是采用时间测距导航定位技术。用户接收设备精确测量不在同一平面的4颗卫星发来信号的传播时间，然后进行一组包括4个方程式的数学运算，就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。 

▲北斗卫星导航系统

采用时间测距原理的卫星导航定位精度主要取决于轨道预报精度、导航参数测量精度及其几何放大系数和用户动态特性测量精度。其中轨道预报精度主要受地球引力场模型影响和其他轨道摄动力影响。因此导航卫星一般选择高度较高的轨道，以避免地球高层大气对于低地球轨道的摄动力影响。当然了，在具体的运行轨道选择上，不同的卫星导航系统也有所区别。 

美国的GPS卫星导航系统卫星轨道高度约为20200公里。整个系统由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55度，各轨道平面的升交点赤经相差60度，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30度。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。 

俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统卫星轨道高度约为19100公里。整个系统由24颗卫星组成，包括21颗工作星和3颗备份星。24颗卫星均匀分布在3个轨道平面上，即每个轨道面上有8颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为64.8度。这3个轨道平面两两相隔120度，同平面内的卫星之间相隔45度，轨道周期为11小时15分钟。 

欧盟的伽利略卫星导航系统卫星轨道高度为23616公里。整个系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。30颗卫星均匀分布在3个倾角为56度的轨道平面内。三个轨道升交点在赤道上相隔120度，卫星运行周期为14小时。当某颗工作星失效后，备份星将迅速进入工作位置，替代其工作，而失效星将被转移到高于正常轨道300公里的轨道上。

 ▲伽利略全运行能力卫星

中国面向全球提供服务的北斗三号卫星导航系统采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。整个系统由35颗卫星组成，其中有5颗地球静止轨道（GEO）卫星、3颗倾斜地球同 步轨道（IGSO）卫星、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星。GEO卫星分别定点于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。IGSO卫星轨道高度约为36000公里，3个倾斜同步轨道面均匀分布，轨道倾角55度，3颗IGSO卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118度，相位相差为120度。MEO卫星轨道高度21500公里，27颗卫星均匀分布在3个倾角为55度的轨道平面内。

卫星导航系统是一个非常复杂的系统，为了保障它的顺畅运行，不仅要依靠天上的卫星，同时还要依靠负责运行控制的地面站以及传输信号的无线电链路协同工作。世界上的几个主要卫星导航系统可以说是异彩纷呈，各具特色。

美国的GPS导航定位系统的地面监控部分由分布在全球的若干个跟踪站组成，主要负责收集信号、计算导航电文和发送命令。根据其作用的不同，跟踪站包括1个主控站、5个监测站和3个注入站。监测站负责收集积分多普勒观测值、卫星时钟、工作状态数据、气象等数据。主控站负责计算卫星星历、时钟修正、状态数据、信号电离层延迟修正等，编算导航电文并传送到注入站，诊断卫星状态，调度卫星。注入站负责发送导航电文和各种控制命令到导航卫星。

俄罗斯的格洛纳斯导航定位系统的地面监控部分均设在本土内。其系统控制中心位于莫斯科，5个跟踪站分别位于捷尔诺波尔、圣彼得堡、叶尼塞斯克、巴尔喀什、共青城。这些台站主要用来跟踪格洛纳斯卫星，接收卫星信号和遥测数据。然后系统控制中心处理这些信息以确定卫星时钟和轨道姿态，并及时更新每个卫星的导航信息，这些更新信息再通过跟踪站传到各个卫星。为弥补仅有国内布站的缺陷，在卫星上配备了后向激光反射棱镜。跟踪站的无线电测距数据需要利用主控中心光学跟踪台站的一个激光设备（精度优于 2cm）进行定期校正，以提高测距精度。在系统控制中心还配备了一台时间同步仪，即一台高精度氢原子钟，通过它来同步所有格洛纳斯接收机上铯原子钟的时间。 

欧盟的伽利略卫星导航系统地面段由完好性监控系统、轨道测控系统、时间同步系统和系统管理中心组成。伽利略系统的地面段主要由2个位于欧洲的伽利略控制中心和29个分布于全球的伽利略传感器站组成，另外还有分布于全球的5个S波段上行站和10个C波段上行站，用于控制中心与卫星之间的数据交换。控制中心与传感器站之间通过冗余通信网络相连。 

▲伽利略在轨验证卫星

▲准备装配的伽利略卫星

中国的北斗卫星导航系统的监控系统设计为，由分布在中国的若干个地面跟踪站所组成的地面监控系统和具有星间链路的导航星座组成的全球卫星监控系统。这就是北斗系统的一大独特本领，即不需要全球布站。北斗三号系统中采用了一套其他导航卫星所不具备的技术——星间链路，具有星间链路的导航星座可以完成星地-星间链路联合精密定轨任务。

在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下， 世界各主要卫星导航系统基本都能实现兼容与互操作，以便使所有用户都能享受到可靠的卫星导航基础服务。但是根据各国国情和发展目标的差异，世界各主要卫星导航定位系统在服务上也存在着一些不同。 

美国GPS卫星信号以伪随机码扩频的形式广播给用户。卫星载波信号工作在L波段，为了校正电离层折射引入的附加传播时延，系统采用双频制，分别为L1和L2。L1中心频率为1575.42MHz，L2中心频率为1227.60MHz。卫星向用户广播的导航信号或导航电文主要包括：卫星星历及时钟校正参数，测距时间标记，大气附加延迟校正参数（主要是电离层），其他与导航相关的信息。 

GPS是军民合用的系统，但它针对军用和民用提供了不同的定位精度。军用为3米，民用信号增加了干扰机制，使精度下降到100米。鉴于GPS在民用中发挥越来越重要的作用，美国政府2000年取消了GPS的干扰机制，使民用信号的精度提高了10倍以上，大大方便了民用用户的使用，也为GPS的普及奠定了基础。 

为了更好地进行国际间的兼容和交互操作，实现全球民用卫星导航系统的无缝隙连接，美国发射的BlockIII卫星，附加GPS第四个民用信号L1C，该信号能够与伽利略公开服务信号互操作，并与日本准天顶系统共用。BlockIII卫星相对 BlockIIF卫星具有更强的抗干扰能力、可控的完好性性能和更高的精度。 

俄罗斯的格洛纳斯卫星采用频分多址技术，这是与其他主要导航系统明显的一个区别。所有的格洛纳斯卫星都发射同样的伪随机码，但采用不同的频率发射。频分多址技术的缺陷就是用户接收机的体积大而且造价昂贵，但是具有某些抗干扰和抗互相关的特性，以及更简单的选码判据。格洛纳斯卫星以两个分立的L频段载频发射信号，每颗卫星的载频都可由简单公式求出。 

▲格洛纳斯K卫星

格洛纳斯有两种导航电文，S码电文和P码保密电文，两种电文的速率都是50位每秒。主要用途是提供卫星星历和频道分配方面的信息。 

格洛纳斯所用的时间系统是前苏联自己维持的UTC时间，除了存在跳秒外，与GPS时间之间还有数十纳秒的差异。格洛纳斯所用的坐标系是PZ90坐标系，与GPS所用的 WGS84也不相同。

欧盟的伽利略系统采用了与GPS类似的码分多址技术来区别不同的卫星。为了提供更多的服务，伽利略信号结构比GPS的民用码信号复杂，其信号传输速率从50位每秒到1000位每秒不等。 

伽利略系统提供含有测距码和数据信息的导航信号，测距码由每颗卫星上的高稳定度星钟产生，数据信息则由地面上行注入站向卫星发送。导航电文的内容包括星钟、星历、识别码和状态标识等，以及能使用户预测星钟和星历精度的“空间精度信息”。

伽利略系统还能提供商业服务。该服务是需要付费的增值业务，含有加密的增值数据，只有在接收机上使用密钥才能使用该服务。商业服务主要包括业务保证、完好性报警、精确授时业务、准确的电离层延时修正模型、本地差分修正信号等，定位精度得到进一步的提高。伽利略系统还设计有搜救功能，与现存的COSPAS-SARSAT系统、GMDSS系统和泛欧洲运输网络服务相互兼容，并且在定位和授时上均有改善。 

中国的北斗系统采用三频信号向用户广播导航数据。三频信号可以更好地消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度的固定效率。而且如果一个频率信号出现问题，可使用传统方法利用另外两个频率进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。 

北斗卫星导航的短报文通信服务也是一项实用性很强的原创功能。08年汶川地震的时候，成为震区唯一的通讯方式。这一特色功能也是有容量限制的，所以并不适合日常通信功能，而是作为紧急情况通信比较合适，作为求救使用。

本文原载于《太空探索》2019年第9期，作者为李宇飞