四大全球卫星导航系统都能提供什么服务？

Original 远望智库预见未来战略前沿技术 2022-04-11

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四大全球卫星导航系统都能提供什么服务？

远望智库特约专家陈刘成

卫星导航系统是人类发明的最为重要的时间和空间测量工具。没有测量就没有科学，没有测量就没有管理。卫星导航系统价值集中体现在帮助人类精确感知、认知、控制物质、能量、信息的时空运行与分布。目前已经建成（或即将建成）的四大GNSS系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗、欧盟的Galileo。他们是怎么工作的？都能提供什么样的服务呢？本文为您做一一介绍。

1、卫星导航工作原理

卫星导航系统是在卫星位置和时间精确已知的基础上，通过测量卫星信号至用户机天线传播时间（乘以光速等效为距离）来确定用户位置的。为测定用户三维位置和用户的钟差，至少需要观测4颗卫星的数据。

卫星导航系统由空间段、控制段和用户段三个部分组成，其中空间段主要由导航卫星星座组成；控制段主要由主控站（负责数据汇集、信息处理、上行注入、运行控制等）、注入站、监测站等组成；用户段是指能够接收导航信号并进行定位导航的各种接收机、移动平台。

测量过程中不可避免会产生误差。定位误差大小与测距的误差大小以及卫星与用户的相对位置关系有关。

用户位置定位误差UPE=UERE×PDOP。用户等效距离误差UERE的来源包括了空间段、控制段和用户段的多种误差来源。①卫星时钟误差；②卫星轨道误差；③卫星硬件偏差；④电离层效应误差；⑤对流层误差；⑥多路径效应误差；⑦接收机硬件误差。

卫星导航星座卫星的数量和轨道设计决定了星座DOP值性能；地面运控段负责精确决定卫星星历、钟差、大气延迟改正、卫星硬件延迟等电文信息；用户段负责测量卫星信号获得距离观测值并修正误差、解算天线位置。

2、GPS系统

GPS系统星座标准设计轨道6个轨道面、24颗工作卫星，轨道倾角55°。截止2019年11月底，GPS35颗卫星在轨，实际在轨正常工作卫星为30颗。

美国GPS系统提供标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。根据美国GPS系统官网2019年3月份发布的GPS性能评估报告，GPS卫星用户测距信号精度（SISRE）约为1.3米；GPS系统授时精度优于10纳秒；GPS卫星全年可用性为99.7%；GPS系统PDOP值全球平均值约为1.6；GPS系统平均可见卫星数约为10.4颗；GPS单点定位平面精度可优于1.5米，单频优于4米。GPS空间信号性能（SIS）平均约0.514米，19年最好天月0.362米，最差0.666米。

GPS利用L1 C/A码信号为民用用户提供标准定位服务（SPS），利用L1 P（Y）码信号和L2P（Y）码信号为授权用户提供精密定位服务（PPS）。对于民间用户而言，GPS现代化计划在2010年5月始发的GPSIIF卫星上增设第三导航定位信号（L5），而形成3个GPS信号（L1、L2、L5）同时进行导航定位的新格局。GPS III将是播发L1C新信号的第一代卫星。L1C信号采用第二代CNAV-2现代化导航电文，这将是继L1 C/A、L2C和L5之后的第四个民用信号。

3、GLONASS系统

系统设计空间星座由24颗卫星组成星座，分布在3个倾角为64.8°的轨道面上。自2005年12月以来发射的所有GLONASS卫星都是GLONASS-M 卫星。截止2019年5月俄罗斯发射一颗GLONASS-M导航卫星。所有的GLONASS卫星都包含激光反射器。2019年11月底，GLONASS星座共27颗卫星，正常工作卫星22颗。

GLONASS系统为用户提供了两种服务：标准精度服务和高精度服务。GLONASS的传统信号使用FDMA。GLONASS-K2卫星及后续卫星既提供已超过35年的FDMA导航服务信号，又将在GLONASS所有频段提供CDMA信号，例如L1、L2和L3。新的信号能够将卫星硬件相关的测距误差降低一个数量级，减少由于建筑物、景观等引起的反射信号的影响。

2019年GLONASS也将完成最新版本的接口控制文件，其中包括用于平流层和电离层评估的推荐模型，预计这些新模型将使导航精度提升2倍。系统误差历年来不断改善，目前达到2-4米左右。

4、北斗系统

北斗系统现役的是北斗二号系统；北斗三号系统正在建设完善之中，已经开通初始基本导航服务。北斗二号基本星座采取5GEO+5IGSO+4MEO的形式；北斗三号采取3GEO+3IGSO+24MEO的星座构成，卫星与卫星之间具备通信能力，可以在没有地面站支持的情况下自主运行。北斗系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站。

北斗系统采用了三种轨道的混合星座设计、采用独立的双向时间同步观测体制、支持星间链路观测，可以向用户提供全球基本导航服务（RNSS）、区域定位报告服务（GEO卫星RDSS）、全球位置报告与短报文（MEO卫星RDSS）、区域星基增强服务（GEO卫星）、区域精密定位信号服务（GEO）。

据初步测试结果，北斗全球系统可在重点地区提供优于3米、全球优于5米的基本导航服务；在区域范围提供单次大于1000汉字的报文通信、精度约1米的星基增强服务和分米级的精密定位信号服务；还可以在全球范围内提供单次40汉字的短报文通信服务和搜救服务。

5、Galileo系统

伽利略系统设计星座由30 颗卫星组网（27+3）。3颗备用星处在高于正常轨道300 千米的轨道上。2018年欧洲完成4颗Galileo全运行能力卫星（FOC）的部署，在轨卫星达到25颗，其中22颗为全运行能力卫星，3颗为在轨组网验证卫星。

Galileo系统设计的服务信号，在E5a、E5b、E6、E1共4个载波频段内发射10 个信号, 其中6 个信号为开放服务（0S）和生命安全服务（SOL ), 2 个为商业服务（CS ), 2 个为公共事业服务（PRS）。

Galileo系统提供6种服务类型：①开发（免费）服务。提供能够免费接收的定位、导航和定时信号。开放服务与生命安全服务使用相同的信号。②提供相对于开放服务的增值服务。在开放信号上分发加密增值数据；基于开放信号（选择性加密）进行精确局部差分应用（分米级），覆盖E6上的精密测距服务信号。导频信号支持Galileo定位应用和无线电网络通信。商业数据播发包括完好性数据、区域差分改正数、地图、数据库等。③生命安全服务。主要针对航空用户需求，并能涵盖其它载体（陆地、铁路、海运等）需求。主要是完好性增强服务。完好性数据在公开信号上加密。④公共管制服务。为EU及其成员国提供连续性更好的服务。致力于欧盟及国家安全的公共应用，如警察、执法以及民间保护（如紧急服务、GMES以及其它政府活动）。其它管制活动、运输和通信应用。与欧洲战略有关的经济和工业活动。公共管制服务抗干扰、抗恶意攻击等能力强。受限应用于欧盟及其它授权成员国。⑤搜救服务。目前信标的位置确定精度在5km范围内，安装Galileo接收机的位置确定精度将优于10m。⑥导航相关通信服务。Galileo与已有的无线、陆地（如GSM/UMTS）或卫星通信网络实现全球、高可用性和高可靠性的位置报告服务；用户与服务中心之间的准实时短消息服务。

表1 欧盟Galileo系统服务性能

	免费服务	商业服务	生命安全服务	公共特许服务
覆盖范围	全球	全球	全球	全球
定位精度	单频：水平15m，垂直35m 双频：水平4m，垂直8m	双频：＜1m 本地增强服务：＜10cm	双频：水平4m，垂直8m	单频：水平15m，垂直35米双频：水平6.5m，垂直12m
授时精度	30ns	30ns	30ns	30ns
连续性风险			0.8x10-5/15s	0.8x10-5/15s

免费的精密单点定位服务（PPP）。欧洲空间局公开宣称，欧盟委员会已经确定PPP服务将由欧盟免费提供。欧洲Galileo系统将择机选择服务商播发目前唯一确定的免费PPP服务。

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