测绘动态▏全球四大卫星导航系统发展现状的分析

近几年来，卫星导航系统在国家安全、经济发展以及社会生活中起的作用越来越显著，世界各国也正在加紧研制、开发自己的卫星导航系统，其中美国的全球定位系统(GPS)在世界范围内的应用最突出，在全球卫星导航系统(GNSS)中起着领跑作用，为了打破GPS一方独霸的现状，各国都加快了研发的速度、加大了投入力度。俄罗斯的GLONASS正在逐步恢复，目前正在研制、发射第三代卫星以提高定位精度和速度。欧洲的伽利略系统也已经通过了在轨实验阶段，正在进入全面部署阶段。而中国也正在进行新一代北斗导航系统的研制、开发。为了应对各国导航系统的发展，美国的GPS也正在加快第三代导航卫星的研制。导航卫星系统也因此进入了高速发展的时期，各国导航系统的兼容性也正在研究和协商中，本文重点讲述了全球四大卫星导航系统的发展现状，为我国测绘等行业进一步了解、应用导航定位系统提供好的参考。

一、美国GPS的发展现状

最初的GPS计划是在1973年美国联合计划局的领导下诞生的，经过几次修订后，方案确定为：21颗工作星和3颗备用星工作在互成60°的6条轨道上。实施阶段先后发射了试验卫星BLOCK-Ⅰ系列和工作卫星BLOCK-Ⅱ系列，到1993年底实用的GPS网即(21＋3)GPS星座已经建成。

截至2012年10月4日，美国GPS共有在轨工作星32颗，其中10颗GPS-ⅡA卫星(由波音公司制造)，12颗GPS-ⅡR卫星(由洛马制造)(表1)，7颗GPS-ⅡR-M(由洛马制造)和3颗GPS-ⅡF卫星(由波音公司制造)，其中GPS-ⅡR-M和GPS-ⅡF是GPS现代化后带有M码信号的卫星。随着GPS现代化的进展，美国在2013年5月13日，发射了第4颗GPS-ⅡF卫星，之后又发射了4颗GPS-ⅡF卫星，到2014年10月29日，美国已成功发射8颗GPS-ⅡF卫星(表2)。

BLOCK-ⅡR系列之前的GPS卫星在L1载波上调制有P码、C/A码；在L2载波上可调制P码或C/A码。随着GPS现代化进程的发展，GPS卫星将会发送3种新的信号，其中包括两种新的民用信号：一个L2民用信号(L2C)，一个L5信号。此外，在L1和L2上会再叠加一个新的军用信号M码。

与现役GPS系列卫星相比，GPS-ⅡF主要具有以下特点：①导航精度提高，军用定位精度达3m，抗干扰能力更强；②增加一个用于民用航空导航L5频段；③采用新型太阳电池板，以满足增加导航信号和增强信号功率的要求；④星钟系统采用数字化星钟技术，进一步提高了星钟系统的稳定性，每日误差仅为8ns；⑤卫星的设计寿命为15年，提高了卫星的利用率，能达到长期服务的目的。

在2014～2015年期间，美国将继续加速完成GPS现代化的计划，其中包括研制、发射12颗GPS-ⅡF卫星和第三代的40颗GPS-Ⅲ卫星。目前第三代GPS研发工作正在顺利进行，2008年洛马公司空间系统分部下令制造8颗GPS-Ⅲ卫星中的前2颗，其余将在接下来几年开始，并计划2016年发射第1颗GPS-Ⅲ卫星。

二、俄罗斯GLONASS的发展现状

俄罗斯的GLONASS是在1978年开始研制，在1982年10月12日发射了第1颗卫星，直到1996年1月才正式正式运行，它和GPS一样需要24颗卫星组成的星座，卫星分布在离地高度为19100km的3个轨道平面上，轨道倾角为64.8°。GLONASS系统从开始到现在经历了三代卫星：GLONASS系列、GLONASS-M系列以及GLONASS-K系列。由于缺乏资金而得不到补充的系统到 2000年接近崩溃，直到俄罗斯领导人普京执政后，才下令重新恢复重建GLONASS系统。

2002年发射了第1颗二代卫星GLONASS-M，设计寿命为5年，较一代卫星服务年限更长。此后几年继续研制、发射二代卫星，并进行三代卫星的研制。2010年俄罗斯一箭三星发射失败导致GLONASS全球导航卫星星座恢复重建时间推迟1年。2011年2月26日，俄罗斯使用联盟-Ⅱ火箭发射了第1颗三代卫星GLONASS-K1卫星，卫星的设计寿命为10年，该卫星传送5个导航信号，其中4个军用信号位于L1和L2频段，1个民用信号属于L3频段。同年10月3日和11月28日分别用联盟号火箭各发射1颗GLONASS-M卫星，11月4日，俄罗斯使用质子号火箭将3颗GLONASS-M卫星送入轨道，使GLONASS导航星座历经10年瘫痪之后终于在2011年底恢复全系统运行。在2013年4月26日将1颗GLONASS-M卫星送入预定轨道，同年7月2日有3颗卫星发射失败，在2014年3月和6月分别发送1颗卫星进入预定轨道。到目前为止总共发射了2颗GLONASS-K1卫星，并且计划在2016年发射GLONASS-K2系列卫星来取代K1系列，未来几年将星座工作卫星数量增加到30颗，并在2015年使其定位精度达到3m，与目前GPS的定位精度相当。

三、欧洲伽利略系统的发展现状

1999年2月10日，欧盟在《伽利略--欧洲参与新一代卫星导航服务》的报告中，第一次提出比较可行的伽利略计划。2002年3月26日，伽利略计划正式启动。Galileo计划是发射30颗卫星，分布在距离水平面23616km的3个轨道平面上，轨道倾角为56°，每个轨道面10颗卫星(9颗工作卫星和1颗备用卫星)。伽利略计划是为了更好地应对美国的霸权威胁，防止GPS在全球应用的垄断地位而建立的。在2010年1月欧盟委员决定重新调整伽利略计划的正式运行计划。根据计划可划分为4个发展阶段如下。

目前，伽利略计划正处于在轨验证阶段的关键时期，2011年10月21日，首枚从库鲁发射场发射的联盟火箭，成功将欧洲伽利略4颗在轨验证卫星中的2颗卫星送入轨道，2012年10月12日将另外2颗卫星成功送入预定轨道。报道称在2014年由于太阳能电池板故障第4颗卫星Galileo-IOV-FM4已经失去服务能力。根据欧盟委员会最新公布的报告称，该委员会在2010年 1月的报告中指出伽利略系统将于2014年投入使用的计划已经不能实现，该计划在2017～2018年之前将很难实现。

四、北斗导航系统的发展现状

北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatellite System,BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯GLONASS之后第三个比较成熟的卫星导航系统。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。北斗的雏形是在1983年由陈芳允提出的，在1993年“北斗”计划项目启动，由孙家栋担任总设计师，并在2000年成功发射了第1颗试验卫星。2004年，中国启动了具有全球导航能力的北斗卫星导航系统的建设(北斗二代)，并在2007年发射1颗中地球轨道卫星，进行了大量试验。2009年起，后续卫星持续发射，并在2011年开始对中国和周边地区提供测试服务，2012年完成了对亚太大部分地区的覆盖并正式提供卫星导航服务，2015年开始发射新一代北斗卫星用于全球组网，计划到2020年完成对全球的覆盖，为全球用户提供定位、导航、授时服务。

北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星(均在倾角55°的轨道面上)，4颗中地球轨道卫星(均在倾角55°的轨道面上)。并且在2015年3月31日发射了第17颗北斗卫星，这是我国发射的第1颗新一代北斗导航卫星，为实现全球组网提供好的依据。

从全球的卫星导航系统发展来看，俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略系统、中国的北斗导航系统已经初步具备了和美国GPS抗衡的能力，打破了GPS一方独霸的现状，形成了四大系统并存的局面。而四大系统也被划在全球卫星导航系统(GNSS)中，随着四大系统的兼容性增强，在后续的研制中四大系统会向着相互合作，共同进步的目标发展。因此中国的北斗系统在后续的发展中应该充分认识到这一点，加强与其他国家的合作，引进先进的技术，进行技术融合，使北斗导航系统的服务能力更强、服务范围更广。

■本文作者：马永帅 尤宝平 赵俊生 刘强。第一作者介绍：马永帅，1991年出生，男，山东寿光人，硕士研究生，主要从事海洋大地测量研究。资料来源于《中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十七届海洋测绘综合性学术研讨会论文集》，版权归《海洋测绘》所有，参考文献略。其他平台如要转载，请备注作者与出处。

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