四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)都能提供什么服務？

阿二圖書 2020-06-24

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來源：遠望智庫預見未來

遠望智庫特約專家陳劉成

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是人類發(fā)明的最為重要的時間和空間測量工具。沒有測量就沒有科學，沒有測量就沒有管理。衛(wèi)星導航系統(tǒng)價值集中體現(xiàn)在幫助人類精確感知、認知、控制物質(zhì)、能量、信息的時空運行與分布。目前已經(jīng)建成（或即將建成）的四大GNSS系統(tǒng)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗、歐盟的Galileo。他們是怎么工作的？都能提供什么樣的服務呢？本文為您做一一介紹。

1、衛(wèi)星導航工作原理

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是在衛(wèi)星位置和時間精確已知的基礎(chǔ)上，通過測量衛(wèi)星信號至用戶機天線傳播時間（乘以光速等效為距離）來確定用戶位置的。為測定用戶三維位置和用戶的鐘差，至少需要觀測4顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、控制段和用戶段三個部分組成，其中空間段主要由導航衛(wèi)星星座組成；控制段主要由主控站（負責數(shù)據(jù)匯集、信息處理、上行注入、運行控制等）、注入站、監(jiān)測站等組成；用戶段是指能夠接收導航信號并進行定位導航的各種接收機、移動平臺。

測量過程中不可避免會產(chǎn)生誤差。定位誤差大小與測距的誤差大小以及衛(wèi)星與用戶的相對位置關(guān)系有關(guān)。

用戶位置定位誤差UPE=UERE×PDOP。用戶等效距離誤差UERE的來源包括了空間段、控制段和用戶段的多種誤差來源。①衛(wèi)星時鐘誤差；②衛(wèi)星軌道誤差；③衛(wèi)星硬件偏差；④電離層效應誤差；⑤對流層誤差；⑥多路徑效應誤差；⑦接收機硬件誤差。

衛(wèi)星導航星座衛(wèi)星的數(shù)量和軌道設(shè)計決定了星座DOP值性能；地面運控段負責精確決定衛(wèi)星星歷、鐘差、大氣延遲改正、衛(wèi)星硬件延遲等電文信息；用戶段負責測量衛(wèi)星信號獲得距離觀測值并修正誤差、解算天線位置。

2、GPS系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)星座標準設(shè)計軌道6個軌道面、24顆工作衛(wèi)星，軌道傾角55°。截止2019年11月底，GPS35顆衛(wèi)星在軌，實際在軌正常工作衛(wèi)星為30顆。

美國GPS系統(tǒng)提供標準定位服務（SPS）和精密定位服務（PPS）。根據(jù)美國GPS系統(tǒng)官網(wǎng)2019年3月份發(fā)布的GPS性能評估報告，GPS衛(wèi)星用戶測距信號精度（SISRE）約為1.3米；GPS系統(tǒng)授時精度優(yōu)于10納秒；GPS衛(wèi)星全年可用性為99.7%；GPS系統(tǒng)PDOP值全球平均值約為1.6；GPS系統(tǒng)平均可見衛(wèi)星數(shù)約為10.4顆；GPS單點定位平面精度可優(yōu)于1.5米，單頻優(yōu)于4米。GPS空間信號性能（SIS）平均約0.514米，19年最好天月0.362米，最差0.666米。

GPS利用L1 C/A碼信號為民用用戶提供標準定位服務（SPS），利用L1 P（Y）碼信號和L2P（Y）碼信號為授權(quán)用戶提供精密定位服務（PPS）。對于民間用戶而言，GPS現(xiàn)代化計劃在2010年5月始發(fā)的GPSIIF衛(wèi)星上增設(shè)第三導航定位信號（L5），而形成3個GPS信號（L1、L2、L5）同時進行導航定位的新格局。GPS III將是播發(fā)L1C新信號的第一代衛(wèi)星。L1C信號采用第二代CNAV-2現(xiàn)代化導航電文，這將是繼L1 C/A、L2C和L5之后的第四個民用信號。

3、GLONASS系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計空間星座由24顆衛(wèi)星組成星座，分布在3個傾角為64.8°的軌道面上。自2005年12月以來發(fā)射的所有GLONASS衛(wèi)星都是GLONASS-M 衛(wèi)星。截止2019年5月俄羅斯發(fā)射一顆GLONASS-M導航衛(wèi)星。所有的GLONASS衛(wèi)星都包含激光反射器。2019年11月底，GLONASS星座共27顆衛(wèi)星，正常工作衛(wèi)星22顆。

GLONASS系統(tǒng)為用戶提供了兩種服務：標準精度服務和高精度服務。GLONASS的傳統(tǒng)信號使用FDMA。GLONASS-K2衛(wèi)星及后續(xù)衛(wèi)星既提供已超過35年的FDMA導航服務信號，又將在GLONASS所有頻段提供CDMA信號，例如L1、L2和L3。新的信號能夠?qū)⑿l(wèi)星硬件相關(guān)的測距誤差降低一個數(shù)量級，減少由于建筑物、景觀等引起的反射信號的影響。

2019年GLONASS也將完成最新版本的接口控制文件，其中包括用于平流層和電離層評估的推薦模型，預計這些新模型將使導航精度提升2倍。系統(tǒng)誤差歷年來不斷改善，目前達到2-4米左右。

4、北斗系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)現(xiàn)役的是北斗二號系統(tǒng)；北斗三號系統(tǒng)正在建設(shè)完善之中，已經(jīng)開通初始基本導航服務。北斗二號基本星座采取5GEO+5IGSO+4MEO的形式；北斗三號采取3GEO+3IGSO+24MEO的星座構(gòu)成，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間具備通信能力，可以在沒有地面站支持的情況下自主運行。北斗系統(tǒng)地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站。

北斗系統(tǒng)采用了三種軌道的混合星座設(shè)計、采用獨立的雙向時間同步觀測體制、支持星間鏈路觀測，可以向用戶提供全球基本導航服務（RNSS）、區(qū)域定位報告服務（GEO衛(wèi)星RDSS）、全球位置報告與短報文（MEO衛(wèi)星RDSS）、區(qū)域星基增強服務（GEO衛(wèi)星）、區(qū)域精密定位信號服務（GEO）。

據(jù)初步測試結(jié)果，北斗全球系統(tǒng)可在重點地區(qū)提供優(yōu)于3米、全球優(yōu)于5米的基本導航服務；在區(qū)域范圍提供單次大于1000漢字的報文通信、精度約1米的星基增強服務和分米級的精密定位信號服務；還可以在全球范圍內(nèi)提供單次40漢字的短報文通信服務和搜救服務。

5、Galileo系統(tǒng)

伽利略系統(tǒng)設(shè)計星座由30 顆衛(wèi)星組網(wǎng)（27+3）。3顆備用星處在高于正常軌道300 千米的軌道上。2018年歐洲完成4顆Galileo全運行能力衛(wèi)星（FOC）的部署，在軌衛(wèi)星達到25顆，其中22顆為全運行能力衛(wèi)星，3顆為在軌組網(wǎng)驗證衛(wèi)星。

Galileo系統(tǒng)設(shè)計的服務信號，在E5a、E5b、E6、E1共4個載波頻段內(nèi)發(fā)射10 個信號, 其中6 個信號為開放服務（0S）和生命安全服務（SOL ), 2 個為商業(yè)服務（CS ), 2 個為公共事業(yè)服務（PRS）。

Galileo系統(tǒng)提供6種服務類型：①開發(fā)（免費）服務。提供能夠免費接收的定位、導航和定時信號。開放服務與生命安全服務使用相同的信號。②提供相對于開放服務的增值服務。在開放信號上分發(fā)加密增值數(shù)據(jù)；基于開放信號（選擇性加密）進行精確局部差分應用（分米級），覆蓋E6上的精密測距服務信號。導頻信號支持Galileo定位應用和無線電網(wǎng)絡通信。商業(yè)數(shù)據(jù)播發(fā)包括完好性數(shù)據(jù)、區(qū)域差分改正數(shù)、地圖、數(shù)據(jù)庫等。③生命安全服務。主要針對航空用戶需求，并能涵蓋其它載體（陸地、鐵路、海運等）需求。主要是完好性增強服務。完好性數(shù)據(jù)在公開信號上加密。④公共管制服務。為EU及其成員國提供連續(xù)性更好的服務。致力于歐盟及國家安全的公共應用，如警察、執(zhí)法以及民間保護（如緊急服務、GMES以及其它政府活動）。其它管制活動、運輸和通信應用。與歐洲戰(zhàn)略有關(guān)的經(jīng)濟和工業(yè)活動。公共管制服務抗干擾、抗惡意攻擊等能力強。受限應用于歐盟及其它授權(quán)成員國。⑤搜救服務。目前信標的位置確定精度在5km范圍內(nèi)，安裝Galileo接收機的位置確定精度將優(yōu)于10m。⑥導航相關(guān)通信服務。Galileo與已有的無線、陸地（如GSM/UMTS）或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡實現(xiàn)全球、高可用性和高可靠性的位置報告服務；用戶與服務中心之間的準實時短消息服務。

表1 歐盟Galileo系統(tǒng)服務性能

	免費服務	商業(yè)服務	生命安全服務	公共特許服務
覆蓋范圍	全球	全球	全球	全球
定位精度	單頻：水平15m，垂直35m 雙頻：水平4m，垂直8m	雙頻：＜1m 本地增強服務：＜10cm	雙頻：水平4m，垂直8m	單頻：水平15m，垂直35米雙頻：水平6.5m，垂直12m
授時精度	30ns	30ns	30ns	30ns
連續(xù)性風險			0.8x10-5/15s	0.8x10-5/15s