第3章 国外天地一体化卫星导航网络
3.1 卫星导航概述
人类对导航的需求从古至今都十分迫切。我国古代就发明了指南针，并利用地球磁场在战场上指明方向。17世纪初，人们利用天文学发展了通过观测星体来确定船舶位置的天文导航法。随着20世纪初无线电技术的兴起，人们开始采用无线电导航仪代替古老的导航方法。但是，这些技术仍然无法满足人们对全天候、全球化、高精度定位及导航的迫切需求。
1958年年初，美国霍普金斯大学的研究人员在跟踪第一颗人造地球卫星时，发现收到的无线电信号有多普勒效应，即卫星飞近地面接收机时，收到的无线电信号频率逐渐升高；卫星远离时，收到的无线电信号频率逐渐降低。也就是说，接收信号的多普勒频移曲线与卫星轨道有一一对应的关系。这意味着如果卫星运行轨道是已知的，那么根据接收站测到的多普勒频移曲线，便能确定接收站的地面位置。于是，卫星导航系统就应运而生了。
卫星导航系统最早应用在军事领域，其历史可以追溯到20世纪60年代。1964年，美国为海军建成子午仪卫星导航系统，并于1973年开始研制“导航星”全球定位系统。随后苏联也建立了类似的卫星导航系统。此后，法国、日本、中国也开展了卫星导航的研究和试验工作。现在常见的卫星导航系统有美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统及中国的北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）。卫星导航系统综合了传统导航系统的优点，真正实现了在各种天气条件下的全球高精度被动式导航定位。卫星导航系统的优点主要是：覆盖范围广，适用于各种恶劣天气，可全天候为全球用户、船舶、飞机等导航；精度高，远比以往所有导航系统都高，定位误差只有几十米；导航设备小，操作自动化程度高，适用于各种船舰、飞机甚至小型设备（如在手机上安装使用）。现在，卫星导航已经基本取代了无线电导航、天文地理测量等方法，在各行各业都得到了广泛应用。
3.1.1 卫星导航的定义
卫星导航（Satellite Navigation）是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。
3.1.2 卫星导航系统的组成
卫星导航系统一般由空间段（星座）、地面段（地面监控站台）和用户段（用户定位设备）3部分组成。
（1）空间段（星座）：是由多颗导航卫星构成的空间导航网络，负责连续发射导航用无线电信号。为了提供全球导航服务，通常需要用20多颗卫星构成网络。例如，美国GPS最初将24颗卫星均匀分布在6个不同的轨道面上。
（2）地面段（地面监控站台）：通常由跟踪站、遥测和遥控站、计算中心、注入站及辅助系统等组成，负责跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备的工作进行控制管理。跟踪站用于跟踪和测量卫星的位置坐标。遥测和遥控站接收卫星发来的遥测数据，以供地面监视和分析卫星上设备的工作情况。计算中心根据遥测信息计算卫星的轨道，预报下一段时间内的轨道参数，确定需要传输给卫星的导航信息，并由注入站向卫星发送。注入站负责向卫星注入寻电文。辅助系统可实现数据传输等辅助功能。
（3）用户段（用户定位设备）：通常由接收机、卫星天线、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。用户定位设备负责从卫星发来的微弱信号中解调并译码出卫星轨道参数和时间信息等，同时测出导航参数（距离、距离差和距离变化率等）。根据这些参数，计算机将运用定位算法计算用户的位置坐标、速度、时间等信息。根据用途不同，用户定位设备分为船载、机载、车载、星载、单人背负等类型；根据型号不同，用户定位设备又可分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型等类型。
3.1.3 卫星导航系统的特点
卫星导航系统主要有如下特点。
（1）全天候。卫星导航系统可以全天候地提供服务。传统的无线电导航系统服务范围有限，如子午仪卫星导航系统平均定位间隔为1.5h，无法满足实时导航的需求。卫星导航系统可以为全球任何地点和近地空间用户（飞机等）提供连续的导航能力。
（2）高精度。卫星导航系统可以提供精确的三维位置、三维速度和时间信息。GPS相对定位精度在50km以内可以达到10-6，在100～500km内可以达到10-7，在1000km以上可以达到10-9。
（3）快速、省时、高效率。用户通常仅需数秒即可获得精确定位，快速省时的观测对于飞机、船舰等高动态用户十分重要。
（4）部署灵活。卫星导航系统不需要测量站之间无障碍通视，只需要测量站上空开阔即可，因此可以节省大量的建造费用，选站十分灵活，可以省去传统大地网中传算点、过渡点的测量工作。
（5）抗干扰能力强。卫星导航系统利用导航电文和伪随机码调制高频载波来获得导航信号，大部分卫星导航系统（除了俄罗斯的GLONASS）采用码分多址的编码方式，因此抗干扰能力强。
（6）高度自动化，操作简便。卫星导航系统的自动化程度很高。另外，用户定位设备体积小、质量轻、便于携带，方便操作人员搬运和操作。
（7）应用广泛。卫星导航可广泛用于军事、民事用途。
3.1.4 卫星导航系统的分类
卫星导航系统按照定位原理可以分为以下5种。
（1）测距导航系统：其通过测量卫星与用户之间的距离进行定位。
（2）测距差导航系统：其同时测量用户到多颗卫星的距离或在几个位置上测量用户到一颗卫星的距离，利用距离差进行定位。
（3）多普勒导航系统：卫星在轨道上运行时，卫星和卫星仪之间的距离变化将产生多普勒效应，卫星发射频率和卫星仪接收到的信号频率之间相差一个多普勒频移，利用多普勒频移积分值进行定位的系统称为多普勒导航系统。
（4）测角导航系统：其利用一颗或多颗卫星相对于某一基准方向的夹角来进行定位。
（5）混合导航系统：其同时采用两种或两种以上的测量方法。
卫星导航系统按照用户是否有源可分为有源系统和无源系统。有源系统是指卫星和用户设备都要发射信号，有源系统对卫星和用户设备的要求不高，但隐蔽性不好，不适合在军事领域应用。在无源系统中，只有卫星发射信号，用户设备仅接收信号。在无源系统中，卫星和用户设备较为复杂，但隐蔽性较好。
卫星导航系统按照卫星轨道可分为低轨道系统、中高度轨道系统和同步轨道系统。低轨道系统中的卫星轨道为近地轨道，高度为900～2700km；中高度轨道的高度为10000～24000km；同步轨道的高度为36000km。
卫星导航系统按照是否可以连续定位可分为连续定位系统和断续定位系统。连续定位系统可以实现全天候的连续定位，如GPS一次定位一般只需要几秒，可以提供24h的定位。断续定位系统两次导航之间需要很长的间隔，如子午仪卫星导航系统一次定位需要约10min，不同位置的测量站的一次定位则需要数小时。
卫星导航系统按照服务范围可分为区域卫星导航系统和全球卫星导航系统。区域卫星导航系统是仅可提供区域性（如一个国家）导航服务的系统；全球卫星导航系统也称全球系统（GNSS），它是可以提供全球性导航服务的系统，相比于区域卫星导航系统，它通常需要更多的卫星以覆盖全球。
下面对国外现有区域卫星导航系统和全球卫星导航系统进行简单的介绍。
区域卫星导航系统主要有印度的NAVIC（Navigation with Indian Constellation）系统、日本的准天顶卫星系统（QZSS）。
NAVIC系统是由印度空间研究组织负责开发的区域卫星导航系统，于2006年被批准研发。此系统包含7颗卫星及辅助地面设施。其中，3颗卫星位于地球静止轨道，另外4颗卫星位于地球同步轨道。这样的安排意味着7颗卫星都可以持续与印度控制站保持联络。卫星载荷包含原子钟及产生导航信号的电子装备。
QZSS是以3颗人造卫星通过时间转移完成全球定位系统区域性功能的卫星扩增系统。从日本本土来看，系统中始终有一颗卫星停留在靠近天空顶点的地方，所以日本称其为准天顶卫星系统。QZSS针对移动应用系统提供视频基础服务（影像、声音和资料）和定位信息。对于定位服务，在独立模式下工作时，QZSS目前只能提供有限的精度，因此它被视为全球卫星导航系统的扩增服务。
国外的全球卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo系统。
美国的GPS是在美国海军前导航卫星系统的基础上发展起来的、以卫星为基础的新型导航定位系统，于1994年建成并提供全球导航服务。该系统设计的星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，这些卫星分布在6个中轨道面上，共耗资近200亿美元，是应用最广泛的全球性卫星导航系统。
GLONASS最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。目前的系统由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，分布于3个轨道面上。该系统于2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内的卫星定位及导航服务。2009年，其服务范围已经拓展到全球。
Galileo系统是欧洲出于战略考虑，于1999年年初正式推出的旨在独立于GPS和GLONASS的全球卫星导航系统，耗资超过30亿欧元。该系统由2个地面控制中心和30颗中轨道卫星组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗卫星为备用卫星。该系统于2016年12月开始运营。Galileo系统可以和GPS结合使用，用户定位设备可以同时接收Galileo系统和GPS的信号，以大幅度提高定位精度。
3.1.5 卫星导航的应用
卫星导航最早用于军事领域，在从军用转入民用并在全球市场开放后被广泛应用。
1.军事领域
卫星导航可以为各种军事武器制导，导弹、航弹乃至单兵直瞄火力都可以借助导航系统来提高命中率，大幅度提高杀伤力。同时，在战场上，通过卫星导航，结合战场电视系统等，各战术单位的排兵布阵、态势变化和诸兵种合成可实现从前线到指挥部的高度同步。
由于全球卫星导航系统在军事上具有巨大的优越性，在某种意义上能起到决定战争胜负的作用，因此发展卫星导航已成为全球军备竞赛的重要组成部分。在海湾战争中，美国航天司令部统一指挥了约70颗卫星支援陆、海、空作战，海湾战争也因此被称为“第一次空间战争”。可以预见，在以后的战争中，卫星导航将会发挥更大的作用。
2.民事领域
卫星导航首先广泛应用在海、陆、空交通领域，包括车辆导航、铁路智能交通、远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、飞机导航、航空遥感姿态控制等，极大地改变了传统的导航模式，提高了工作效率，也带来了可观的社会效益和经济效益。
卫星导航在工业、农业、林业、渔业、建筑行业、医疗救援等方面也有极其重要的作用。卫星导航还对维护人类生存环境、探寻物理世界等有着不可取代的关键作用，可用于环境监测、物理勘测、陆地和海洋测绘、气象预报、环保研究、地震监测、地壳运动监测、市政规划控制等。
3.消费领域
在消费领域，卫星导航更为人们所熟知，其应用包括车辆监控、信息服务、车辆导航、个人位置服务等。
相比于专业的行业应用，卫星导航在消费领域具有更广泛的应用。在我国卫星导航设备市场中，专门行业应用的授时、海用、测绘、军用类业务仅占据8%的份额；而消费领域的业务则占据85%的份额。