科普▏全球卫星导航系统

　　凡是开车用过导航系统的，都知道靠的是卫星，但其中蹊跷，可能一知半解。车载的或手机内置的导航系统很智能化，用时只要按键设定目的地就能自动导航了，所以许多使用者“只知其然，而不知其所以然”就没什么奇怪了。本文的目的是普及卫星导航基本知识，介绍世界上四大卫星导航系统，特别是北斗导航系统的有关知识。

基本原理

　　根据中学阶段学过的几何知识，已知3个点的平面坐标及3个点到一未知点的水平距离，可以求解未知点的平面位置。方法很简单，分别用圆规以3个点为圆心、相应的水平距离为半径画3个圆，三个圆的共同交点即是未知点的位置。我们把3个已知点“搬”到太空，让它们“成为”3颗人造卫星，然后同时测得未知点与3颗卫星的距离，再分别以每颗卫星为圆心，以卫星到未知点的距离为半径，“划”出3个球面，则3个球面的交点即是地面未知点的位置。在测量学上称这种几何定位方法为“距离后方交会”。

　　天地间的距离测量则要借助于无线电技术了。每颗人造卫星任一时刻都飞行在预先设计的轨道上，有精确的空间坐标，它们向地面发射无线电信号供地面观测者接收，通过无线电信号“跑路”的时间，再根据“距离=速度╳时间”这个简单的数学公式，可计算出每颗卫星至未知点的距离，也就是上面所说的半径，这样就实现了距离的测量。

　　以上介绍的“空间距离后方交会”和电磁波测距方法的结合即是卫星定位的基本原理。

GPS全球卫星定位系统

　　世界上第一个全球卫星定位系统是美国的GPS（Global Positioning System），它是20世纪70年代美国陆海空三军联合研制的新一代卫星定位系统，于1994年建成。立项主要目的是为美国陆海空三军提供实时、全天候、全球性的定位和授时服务，后转为军民两用。因为当时是世界独一无二，所以全球定位系统即GPS，GPS即全球定位系统。以上，“实时”是指“即测即得”；“全天候”是指可以提供24小时不间断的服务，不分昼夜，不受气候因素影响；“全球性”是指地球的任一地区任一时刻都可以用它来定位；“授时”是指利用无线电波发播标准时间信号，精确时间在现代军事和众多民用（金融、电力等）领域都非常重要。

　　GPS系统的星座由分布在2万公里高空的6个卫星轨道平面上的24颗卫星组成（实际在轨卫星还多于这个数量），在地球上任一地区任一时刻都可以观察到至少4颗卫星，观测者可用GPS接收机求取未知点的三维坐标。为了保证系统的正常运营，地球表面建立了许多基础设施，如地面控制站等。地面控制站设施等负责指挥、调度、控制卫星以及保证天地之间的通信。GPS所发出的无线电信号是广播式的，与用户不发生双向的通信联系，所以同一时间不受用户数的限制，用户也不需要向GPS付费。

　　通过测定卫星发出信号和接收机收到信号之间的时间差来定位，卫星钟与接收机钟两者的同步就尤其关键，因为电磁波在真空中的传播速度等同于光速，是高铁时速的360万倍，一点点误差就会“差之毫厘谬以千里”。卫星的“钟差”可以通过定位系统本身统一调整，但各人手里的接收机“钟差”不一。故GPS定位时要多观测1颗卫星，以便解算接收机的“钟差”，也就是说同一时间要观测的卫星数不得少于4颗。当接收机天线与卫星之间有物体阻挡使得观测到的卫星少于4颗时，定位就会失败。在茫茫的林海中，在人流拥挤的地铁里，在林林总总的地下设施空间以及在建筑物内部，GPS就起不到定位的作用了。

　　按照标称的说法，GPS单点定位不外加其他技术处理的话，定位精度在10米左右，用于一般的车辆导航或个人位置定位基本可以满足要求。从卫星发出无线电信号到地面观测者接收，信号已“跑”了2万多公里，观测结果中含有系统本身和外界条件引起的各种误差，既有卫星自身的“摄动”（即轨道误差），也有电磁波经过电离层的“打折”误差、卫星钟和接收机钟之间未能完全消除的“钟差”等，这些误差只能被限制在一定范围内。

　　测量上需作精确定位时，常采用高档的、专用的接收设备以及对数据作进一步特殊技术处理，如所谓的“差分”技术等。现在常用的提高精度的一种方法是：建立地面基站（参考站）或基站网（参考网），将基站或基站网（都可视为已知点）实时测出的误差改正数加入到附近的未知点观测数据中。这样可以得到公寸级的实时定位精度。如要达到厘米级、毫米级的精度，则要采用事后解算的，静态的、相对定位的观测和计算方法。

格洛纳斯和Galileo卫星定位系统

　　世界上建立的第二个与GPS类似的系统为俄罗斯的格洛纳斯全球定位系统（GLONASS），是二十世纪八十年代初前苏联研究建立的，大约比美国迟9年。设计的卫星星座也是24颗，卫星轨道平面为3个（GPS是6个），高度约1.9万公里，定位原理、方法和系统组成也大致相同。苏联解体后，格洛纳斯由俄罗斯空间管理局管理。格洛纳斯全球定位系统一度由于经费投入的原因陷于瘫痪，近几年俄罗斯推进了格洛纳斯的建设和运营，较以前有很大的发展。

　　2002年3月，欧洲各国首脑议会和欧洲成员国政府议会通过了建立伽利略全球定位系统（Galileo satellite navigation system）的财政支持决议，由欧空局负责项目管理。系统由位于3个轨道平面的30颗卫星组成，卫星轨道高度约2．4万公里。伽利略全球卫星导航系统的部分卫星已发射成功，初步具有地面精确定位功能。与美国的GPS系统相比，Galileo的设计更先进，精度也更高，还具备商业服务、搜索与营救服务等功能。不过伽利略全球定位系统的建设比原定计划有所拖延，这是由于受多国协调、经济制约、管理问题等因素影响所致。

中国北斗卫星定位系统

　　基于美国GEOSTAR公司发表的一种卫星导航系统原理，我国科学家陈芳允院士于1983年提出了建设我国独立自主的双星静地卫星导航定位系统的构想。经过十余年的论证，我国开始研发具有自主知识产权的卫星导航定位系统——“北斗”卫星导航系统，具体分几个阶段实现。首先试验的系统是“北斗一号”。“北斗一号”与其他全球定位系统的最大不同点是：卫星为静地卫星（也叫地球同步卫星），系统空间星座由2颗工作卫星和1颗备用星组成，轨道高度约为3.6万公里，具备文字短报功能（一次最多可发120个汉字），服务范围能覆盖我国和周边地区国家。

　　根据基本原理，卫星导航定位需要至少观测3颗卫星，那么双星定位是如何实现的呢？

　　以2颗静地卫星为球心，2颗卫星到地面观测者的距离为半径，可“划”出2个球面，再以地心为中心，以地面观测者到地心的距离（相当于高程）为半径可“划”出第3个球面，3个球面交点即是观测者的位置。这就是“北斗一号”定位采用的方法。

　　“北斗一号”定位采用应答方式，需要卫星、观测者和地面控制站三者之间有通信联系和数据传递（如观测者请求定位服务及向系统提供概略高程等），这也是为什么双星定位必须要具备短报功能的原因。“北斗一号”既可定位又可通信，在汶川地震中曾为救援部队及时提供通信和定位服务，立了大功。“北斗一号”的服务特色深受用户欢迎，特别是渔民出海用北斗导航和通信（部分替代海事卫星），受益匪浅。“北斗一号”现在轨已有十多颗星，可以满足我国及周边地区国家的应用，为我国国防安全和卫星导航产业的发展提供了保障。

　　 2015年，我国“北斗二代”已开始布局，计划于2020年完成布网，建成由35颗卫星（其中5颗为静地卫星）组成的全球卫星导航系统，非静地卫星的轨道高度约为2万多公里，届时将具备覆盖全球的导航、定位、测速、授时等服务能力。

　　卫星导航技术的掌握和设施建设的能力，可从一个侧面显示一个国家航天科技发展的水平，也是维护国家主权和领土安全、促进社会、经济建设发展的重要基础。北斗导航系统的建设将带动我国一系列相关产业的发展，涉及工业、农业、商业、交通、服务业等众多民用领域和军事领域，其产生的社会效益和经济效益巨大。

结束语

　　20世纪90年代中期，国际民航组织、国际移动卫星组织以及欧空局等倡导完全由民间控制的全球卫星导航系统，并正式命名为“GNSS”（Global Navigation Satellite System），所以现在此类系统统称为“GNSS”，中文译名为全球导航卫星系统。

　　卫星导航技术在不断发展，已建或在建的还有日本、印度等国的区域性导航卫星系统。美国的第三代GPS计划也已经启动，正在布局第三代星和改善服务能力。随着全球科技的发展，世界上的导航卫星系统资源将日渐丰富，各个系统间既存在竞争，也提供了更多融合、互补、共享和协调的机会，卫星导航数据服务的稳定性、精确性、兼容性以及服务的多样化将进一步改善。

【作者简介】徐韬，笔名，大小由之。1953年生，浙江湖州人，浙江省测绘与地理信息局教授级高工，1975年起从事测绘工作，2013年退休。