全球导航卫星系统的发展综述

张梓巍，白玉星，李晨曦

（1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2.北方工业大学理学院，北京 100144）

全球导航卫星系统是一款基于空基无线电的导航定位手段。它是可以为用户提供地面或者近地面空间任何位置的三维坐标、速度及时间信息的尖端技术[1]。它的主要工作原理是通过至少4颗卫星的空间坐标（该坐标可从卫星的导航电文中得到），以及从卫星处发出的无线电信号对目标点进行距离测定，运用空间测距交会定点原理，确定地面（近地面）目标物空间位置[2]。计算公式为R2=[（X0－X）2+（Y0－Y）2+（Z0－Z）2]，R为修正后的距离，X0、Y0、Z0为从卫星导航电文中得出的卫星坐标，X、Y、Z为待测目标点坐标。

全球导航卫星技术是于20 世纪60 年代发展起来的一种基于人造卫星的新型导航技术手段。1957 年10月，第一颗人造卫星“火花号”发射成功。1958 年科学家发现卫星信号的多普勒频移现象。1964 年美方成功研制开发第一代多普勒卫星定位导航系统——子午卫星系统（NNSS）。1967—1974 年美国海军研究实验室发射了3 颗“Timаtiоn”计划试验卫星。1973 年，美国国防部整合海陆空三军联合研制基于“时差测距导航”原理的第二代卫星导航全球定位系统（GPS）。1982 年苏联研制GLONASS 全球定位技术。1983 年中国开始进行对北斗卫星导航系统的研发开展筹策工作，并于2000 年开始“北斗一代”的构建。1994 年欧盟对伽利略卫星导航系统（Gаlilео）进行系统的方案论证，2002 年启动研发工作。

经χ2检验，两组选择率比较均P＜0.01，说明实验组与对照组学生在学习兴趣、学习效率、对知识的理解力和记忆力等方面存在显著性差异。

在过去的几十多年里，GPS、Gаlilео、GLONASS、“北斗”四大全球导航卫星系统逐步完善，逐步完成现代化改造[1]。除了上述的几大全球系统外还有增强系统和区域系统。其中增强系统包括美国的WASS、日本的MSAS，区域系统包括日本的QZSS、印度的IRNSS。

卫星导航技术的出现是21世纪关于导航技术的一项重大变革[3]，但是针对不同的导航系统还是存在这一些未解决的问题，所以下文将指出这些问题并将对这些问题提出一些简单的解决方法。

1 全球导航卫星系统的发展

1.1 GPS

1958 年，美国的霍布金斯大学接受美国海军的委托，研发了一款专门供给军用舰艇使用的导航定位系统，即美国海军导航卫星系统。至19 世纪60 年代，美国由此为基础继续研发能够满足美国三军及民用的新的导航卫星系统。

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GPS 的研发历时共20 年，总耗资300 亿美元，研发期间经历了方案论证（1974—1978 年）、系统建设（1979—1987 年）、试验运行（1988—1993 年）3 个阶段。GPS 为覆盖全球的全天候高精度导航定位系统，它的应用广泛扩展到军事经济、大众生活和科学研究等各行各业。

Key words: Internet plus; education informatization; nursing profession; connotative development

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然而如今的GPS 系统已经发展到第三代，第三代的GPS 系统渐渐地摒弃掉曾经的6 轨道24 颗卫星的结构和布局，而采用33 颗GPS-3 卫星构建的高椭圆轨道和地球静止轨道相结合的新星座[1]。

1.2 Galileo

北斗星基增强系统预计通过3 颗GEO（地球静止轨道）卫星，搭载其增强信号转发器，向使用者发射多种修正信息，进而提高原有定位精度。但是目前该技术仍然属于测试阶段。

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该系统的研发过程可以分为以下阶段[5]：①2002—2005 年为定义阶段。论证分析该计划的可行性、必要性及实施措施。②2005—2011 年为在轨验证阶段。在该阶段对该系统进行研发、实施以及对该系统的空间部分、地面部分进行检验，同时也对系统进行在轨验证。③2011—2014 年为全面部署阶段。即制造和发射正式运行的卫星，构件整个地面基础设施。④2014 年后为开发利用阶段。开始运行服务、系统维护、按需更换卫星等。

1.3 GLONASS

GNSS 技术从最早的雏形确立到现在虽然得到了长久的发展，但是仍在某些方面不能满足用户的需求。

GLONASS 系统的卫星包括三代，即GLONASS卫星、GLONASS-M 卫星、GLONASS-K 卫星。其中第一代卫星已经停用。卫星分于3 个轨道内，每轨道8颗，共计27 颗卫星（23 颗工作状态、1 颗维修状态、1 颗备用、2 颗飞行测试阶段）[6]。

20 世纪70 年代GPS 技术开始研制。20 世纪70年代中期，GPS 开始了地面试验，直至20 世纪80 年代末，GPS 具有了实际应有的条件。1989 年，第一颗GPS 的卫星发射成功试验运行，GPS 进入了工程建设阶段。1992 年，在沙漠风暴战役中初次对GPS 技术进行了应用，1994 年正式建成。1996 年宣布GPS 为军民两用系统，2000 年GPS 正式放开在全球广泛推广应用[4]。

1.4 北斗卫星导航系统

北斗卫星是中国独立自主研发和运行的一款全球卫星导航系统，该系统共分为第一代北斗卫星导航系统和第二代北斗卫星导航系统2 代。

中国于20 世纪80 年代决定研发北斗系统。2003年，验证系统建成，由4 颗同步卫星、地面部分和用户接受端构成。北斗一代的卫星系统可以对中国内部及台湾周边地区提供定位服务。北斗二代拥有5 颗同步卫星、30 颗中轨道卫星，轨道半径约为21 500 km。在2007 年2 月和2007 年4 月一颗北斗同步卫星和中轨道卫星升空后，北斗二代卫星进入建设期阶段。截至2013 年16 颗北斗卫星相继发射成功，初步建成覆盖国内和亚太地区的区域性无源卫星导航系统。现在，中国计划中的55 颗北斗卫星均已发射升空，北斗卫星系统与GPS 有很多相似之处。

星座布局的优化可以在一定程度上保证GNSS 系统使用中的连续性和可用性。

2 存在的主要问题[7]

1976 年，苏联开始对GLONASS 导航卫星系统进行研发。对于GLONASS 系统的研发包含以下3 个阶段：①维持系统的“最低需求水平”阶段；②研发GLONASS-M 卫星，实现GLONASS 和GLONASS-M卫星共同18 个卫星的空间部署；③开发GLONASS-K卫星，实现GLONASS-M 和GLONASS-K 共24 颗卫星的空间部署。在GLONASS 卫星的发展过程中，其信号从一个L 的频段向3 个L 频段扩展，调试的样式也由FDMA 向CDMA 扩展。

2.1 PVT 精度问题

在GPS3 卫星上安装激光棱镜反射器，可以使GPS的无线电追踪成果以及轨道追踪成果相互独立开来，也可以让卫星钟差以及星历误差在过程中不相关。

2.2 可用性问题

GNSS 可用性指该系统服务的时间百分比，是指代某一覆盖范围内提供导航能力的标志。而可用性又与某时刻能看到的卫星数量和卫星的几何布局有关。一般来说，影响可见卫星数量的因素有遮蔽角和周围地物地貌。遮蔽角减小，可使更多的卫星被看见，但同时会导致大气延时和多径问题发生。对于拥有较多高楼大厦或者高低起伏大的区域，即便遮蔽角小于卫星仰角但也无法接收到有效的卫星信号。

2.3 完好性问题

系统的完好性指GNSS 发生问题后能够迅速告知使用用户，以免因为系统误导而产生定位错误。在精密进近飞行过程中，GPS 不能够满足完好性要求，只能依靠陆基导航的引导才能够正常工作。

2.4 抗干扰问题

GNSS 的信号容易被干扰的原因如下：到地面的GNSS 信号比较弱，容易受到干扰；GNSS 拥有着公开的信号频段和民用导航码，敌方可以产生各种干扰信号或伪信号去干扰GNSS 的信号，从而影响信号的接收；接收机对收到的信号难分真假。

3 解决方法

3.1 优化星座布局

小指针奖其实是性价比之选。今年获得奖项的是HABRING2，这个品牌名气虽然不响，但过去几年经常在日内瓦大赏中获奖，可见在制表工艺和创意上都是备受业内肯定的品牌。这次摘得小指针奖也不算意外。

3.2 采用更先进的卫星测轨技术

GNSS 技术随着自身的发展已经渐渐地被引用到了多项精细测量的领域，而如今PVT（Pоsitiоn Vеlосity Timе）精度已经不能满足更多精细工作的需要了。

3.3 提高信号发射功率

提高信号的发射功率可以使接收机的跟踪更加稳定，捕获更加快速，降低解调过程中的误比特率，降低第一次定位时的时间长度，提高抗干扰能力。

3.4 增加信号发射频段

适当增加信号的发射频段，可以提高卫星系统的抗干扰能力，也可以建立精确的电离层延时模型。提高发射频段可以传递更多信息，通过这些信息可以使定位速度和精度提高。

4 中国北斗系统未来发展

中国的“北斗-3”于2020 年7 月正式为各国提供PNT（综合定位导航授时体系）服务[8]，但美国已与20 余年前就提供了此项服务。要将北斗卫星的导航系统的信号赋予到各类用户的设备中，仍然是一个挑战。

4.1 星基增强系统

“伽利略”卫星导航系统是由欧盟所研发的一款全球导航卫星系统。也是第一个基于民用的全球导航卫星系统。该系统共有30 个卫星（27 个工作卫星、3个备用卫星），轨道高约为24 000 km。

4.2 “北斗”系统的兼容性与交互性

目前，除了全世界拥有四大全球导航卫星系统，即GPS、GLONASS、“北斗”、Gаlilео 外，还有日本的QZSS 和印度的NаvIC 这2 个区域卫星导航系统。对于人们所熟知的GPS 系统而言，已经不约而同认为它占据全球导航卫星系统的主导地位，被大众广泛接受。为将“北斗”系统更好地融入市场，必须先与这些定位系统进行很好兼容和交互，以使在不增加用户设备成本的情况下获得更多的用户基数[9]。

全球卫星导航系统兼容性的定义为：全球卫星导航系统和区域卫星导航系统既可以单独使用也可以共同使用，且不影响其他系统的使用性能。交互性指全球导航卫星系统和区域导航卫星系统以及各种增强系统可以共同使用，并且使精度更高、更加便利。

GPS 和Gаlilео 这2 个系统早在2004 年就实现了兼容性和交互性。为了“北斗”能够拥有更广泛的客户，所以兼容性和交互性的问题必须解决且必须提为优先改进的计划。

每个地方的电力生产都有不同的运行情况，电力在生产过程中，一定要结合变电站的具体情况制定安全管理目标，禁止出现逾越安全目标管理的行为，保证变电站的所有项目都以安全为主要目标进行，相关工作人员一定要结合变电站的实际情况，制定安全管理目标。同时要进行精细化管理，全面梳理电力运行系统故障和安全管理内容，对相关设备进行定期维护。完善变电运行安全管理的目标和制定，保证电力系统的顺利运行[1]。

2017 年12 月，中美联合发布《北斗与GPS 信号兼容与互操作联合申明》。同年年底，“北斗”系统与Gаlilео 系统之间在兼容和交互上达成了谅解备忘录及协议。2019 年8 月，中俄在关于“北斗”系统与GLONASS 的兼容交互问题上签署谅解备忘录和协议。自此，中国“北斗”与其余GNSS 系统之间的兼容和交互之门正式开启，但是仍存在很多技术问题有待解决。

5 结束语

总之，人类文明发展的的过程是逐步向前迈进的。人们在科学技术上认知和发展是不断趋于完善和进步的。人们从最初的用原始的方法找寻方向，根据经验探索道路，慢慢发展为后来的陆基导航，再进一步发展成为现在所熟知的全球卫星导航系统。这正是人们近千年来不断对科学技术探索所凝结出的智慧的结晶，它也是人类文明得到发展的一个缩影。

纳入标准：均符合妊娠期糖尿病的诊断标准；所有产妇均宫内单胎；临床资料均全面；均自愿参与研究并签署知情同意书；可进行有效沟通；该次研究的排除标准：存在精神疾病孕妇；妊娠伴有高血压、心脏病、严重肝肾功能不全等疾病孕妇；沟通存在障碍孕妇；存在早产或先兆流产的孕妇；临床资料不全面孕妇。

直到现在，世界上已拥有GPS、GLONASS、“北斗”、Gаlilео 这4 种全球导航卫星系统。全球卫星导航系统的存在极大程度上方便了人们的生活，让人们能够跨越空间认知地球上所真实存在的地方。卫星系统在造福于人类的同时也成为了一种新兴产业，并且也是21 世纪最热门投资的产业之一。它是在通信、互联网之后的第3 个高新技术的经济增长点，并且在北美、欧洲和其他地区得到了广泛的应用，产生了很高的经济效益。同样，全球卫星导航系统除了能够获得经济效益以外，也体现了一个国家国防和综合实力的水平[9]。

遥想未来，应不断地发展并完善现有的系统。设计和建设能够满足社会所追求、所需要的，世界人民所共享的新一代的全球卫星导航系统是人类不断追求的目标。