全球卫星导航定位技术的现状

全球卫星导航定位技术（GNSS）近年来发展迅速，涵盖多个领域，包括工程建设、林业、军事等。GNSS系统如GPS、GLONASS、BDS和GALILEO各有特点，广泛应用于定位、导航、授时等领域。然而，GNSS在定位精度、信号强弱、抗干扰能力等方面存在不足。为解决这些问题，提出了提高信号发射率、优化星座布局、实现系统兼容与互操作等解决方案。展望未来，GNSS将在多个领域发挥不可替代的作用，但需持续改进和创新以适应发展需求。

全球卫星导航定位技术的现状与发展

摘 要

全球卫星导航系统（GNSS）；卫星定位系统（GPS）；北斗卫星导航系统。

中图分类号：V355,TP311.52 文献标识码： A

Status and development of global satellite navigation and positioning technology
卫星导航定位技术是现代信息技术的重要组成部分。近年来，卫星导航定位技术取得了显著的进展。该技术已在多个领域得到了广泛应用。

Abstract: With the development of satellite navigation and positioning system, Global Positioning System (GPS), and went in with positioning, navigation, timing, mobile communication and Internet fusion of multi-source information carrier in the new period, has always been our country the search for global satellite navigation and positioning system, makes our country became independent construction, independent satellite navigation system running state, this class paper mainly expounds the Global Navigation and Positioning System ( GNSS ) status quo and the development course , this paper introduces the classification of GNSS, function, characteristic and working principle, and so on, And focusing on the Global Positioning System ( GPS ) of GNSS and beidou navigation positioning system application in all walks of life and influence , and according to these applications are analyzed and summarized, problems arising from the analysis of GNSS in practical application, and find out the cause of the problem and the solutions and measures to solve these problems, finally to the Global Satellite Navigation and Positioning System ( GNSS) in our country, the development trend of the future is prospected.
Key words: Global Satellite Navigation and Positioning System (GNSS), Global Positioning System (GPS), beidou

1前言

全球卫星导航定位系统（GNSS）是我国经济信息化建设的重要组成环节和推动力量，同时也是国家信息基础设施的重要支撑平台，直接关系国家安全和经济发展。近年来，GNSS系统在国民经济中扮演了重要角色。作为卫星导航定位系统的代表，GPS已发展成为一个全球性的高新技术企业。国家将GNSS系统列为国家高技术工程12个专项之一，充分体现了对卫星导航定位系统的高度重视。在国家卫星导航系统产业的广泛应用推动下，我国经济实现了快速高质量发展。

2简介

全球卫星导航定位系统(GNSS)即为此项技术的总称，即涵盖所有正常运行的卫星导航系统的集合。目前主要分为全球定位系统（GPS）、中国北斗系统（BDS）、欧盟的伽利略 (GALILEO)和俄罗斯的格洛纳斯 (GLONASS)四个主要全球导航系统。

2****.1********全球定位系统（GPS）****

2****.1.1********概念****

美国全球定位系统（GPS）是美国军方于1958年启动的一个项目，自1973年起开始建设，历时20年，耗资200亿美元，于1994年正式建成。该系统整合了卫星和通信技术的发展成果，由空间段、控制段和用户段三个组成部分构成，具备海陆空全方位实时三维导航与定位能力，因此，GPS如今已成为全球应用最广泛的GNSS系统之一。

2****.1.2功能和特点****

a.全天候系统：指该系统不受时间、气候、昼夜周期等因素的影响，即使外界因素的影响有多大，观测结果也不会受到影响。

b.高精度：高度精度指标指的是测量高度时的误差值。单频GPS接收机经过处理后的静态测量精度可达极高的水平，具体数值为±5mm+2ppm·D。双频GPS接收机的静态测量精度以及采用RTK技术的实时动态测量精度同样可以达到极高的水平，能够实现精确且高效的测量数据获取。

c.全方位：指GPS野外作业不仅不受空间、时间的限制，而是构建了覆盖全球的网络系统，无论在哪里，GPS卫星的信号都能及时传递过来。

多用途：GPS凭借全天24小时运行、覆盖全球范围且精确度高的特点，成为全球定位系统的核心技术。它不仅在测量定位和导航领域发挥重要作用，还广泛应用于交通管理、环境保护、地震预警、旅游规划、气象监测、考古研究、探险活动、农业技术、林业管理等多个方面。

e.高效便捷：GPS观测系统操作简便快捷，其操作耗时少，显著提升了观测系统的效率和速度，为人类节省了大量的人力物力资源。

2****.1.3********操作原理****

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可以知道接收机的具体位置，要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到，当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

2****.2********俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）****

2****.2.1********概念****

GLONASS是前苏联于20世纪80年代初开始建设的，与美国GPS系统类似的卫星导航定位系统。在1993年，俄罗斯启动了独自建设本国全球卫星导航系统的计划；2007年，导航系统投入运营，其服务范围仅限于俄罗斯境内；2009年，服务范围扩展到了全球范围；2011年，该系统在全球范围内正式投入运行，目前由俄罗斯空间局负责管理。

2****.2.2功能和********特点****

GLONASS在定位、测速和精度方面相较于其他三个导航系统具有显著优势。GLONASS定位技术为全球、海陆空以及近地空间的军用和民用用户，全天候、连续提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。同时，GLONASS还可以与GPS协同使用，显著地提升了整体效率。

2****.2.3********工作原理****

GLONASS系统在水平方向的精度可达16米，在垂直方向的精度可达25米。其标准配置为24颗卫星，且在定位、测速和定时精度方面优于民用GPS系统的精度水平。该系统与GPS协同工作，能够显著提升定位精度。GDOP参数（该参数由水平模糊度、垂直模糊度、三维模糊度和时间模糊度四个子因子组成）是衡量定位精度的重要指标。

2****.3********北斗卫星导航定位系统（BDS）****

2****.3.1********概念****

北斗卫星导航定位系统（ BeiDou Navigation Satellite System ，简称BDS）是由中国独立开发、自主运行的全球卫星导航系统。该系统于20世纪80年代启动建设，经过约30年的发展和完善。系统由北斗一号和北斗二号两个阶段系统组成，其中北斗一号主要提供基本的导航服务，北斗二号则进一步提升了系统的精度和覆盖范围。

2****.3.2功能和********特点****

由于北斗导航定位系统的逐步发展，使得人类能够更加精准地定位地理信息。该系统能够为区域内不同领域的用户提供全天候、高精度、实时快速的定位服务。

b. 通信简短：北斗系统用户端具备数字双向报文通信能力，能够高效地传递数字信息，且不受距离的限制，从而有效地处理远距离通信或无线电盲区通信问题，能够在航空、航海、抢险救灾等多个领域发挥重要作用。

c.精密授时：北斗导航系统为用户提供高效精准的授时服务，同时支持单向授时和双向授时两种授时模式，确保授时过程既准确又高效，在军事、通信、金融、电力等对时同步精度要求高的领域具有重要意义。

2****.4********欧盟的伽利略 (GALILEO)****

2****.4.1********概念****

GALILEO系统是由欧洲研发、建设并自主运行的多模式全球卫星导航定位系统，它是首个基于民用卫星的全球定位系统。该系统由30颗卫星组成，其中27颗为正常运行的主星，3颗为备用星。

2****.4.2********功能和特点****

GALILEO系统显著提升了用户的高精度和高可靠性定位服务，并提供全球覆盖的导航和定位功能模块。主要提供的五种服务类型包括：开放服务（Open Service, OS）为所有公民提供免费定位服务；商业服务（Commercial Service, CS）为商业用户实施控制接入的有偿服务；公共管理服务（Public Regulated Service, PRS）为公共安全和军事应用提供有偿接入的控制服务；生命安全服务（Safety-of-Life Service, SOL）确保飞机和车辆运行的安全性；以及搜索和救援服务（Search and Rescue Service, S&R）为失踪目标的搜索和救援提供有偿服务。

3用途

3.1全球卫星导航定位系统在工程建设中的应用:

3****.1.1********用于各国大地控制网的建设****

GPS技术的诞生导致了一个以地心为基准建立和维持的、长时间稳定运行、密集的、动态的全球或区域坐标参考系统的建立和维护，这直接推动了大地测量技术在我国的广泛应用。

3****.1.2********应用于工程施工测量、精密检测****

由于其高精度、短时间观测以及无需视差测量等显著优势，GNSS系统已在大地测量、工程测量等多个领域得到了广泛应用和深入研究。此外，该系统凭借其高度自动化和现代化的特性，显著降低了系统运行所需的人力物力投入。在 mountainous地区测绘和大型水坝等大型建筑的变形监测等方面，GNSS系统展现出独特的优势，主要体现在其便捷、高精度和低成本的特点。

3****.1.3********应用于通信工程、电力工程****

在经济持续发展背景下，居民生活水平的提升推动了电网自动化技术的快速发展。为确保主站端与远方终端（RTU）的时间同步，GPS定时信号在通信系统中展现出显著优势，具体体现在克服通信系统中分辨率小、硬件系统的复杂性以及变位计算复杂等问题。此外，GPS高精度定时功能在交流电网的协同供电中发挥其高精度定时功能，从而使得不同电网区域的电压相位保持高度一致，进而实现电力资源的高效利用。全球定位系统技术的引入与计算机、通信技术的快速发展为电力系统中的实时监测提供了可靠的技术支撑，最终实现了全电网运行状态的实时监控。

3****.1.4********应用于交通、监控等等****

卫星导航定位系统在交通领域，尤其是高铁运输中得到了广泛应用。为了确保列车在高速行驶过程中的安全，在牵引机车中安装了最新的通信技术，包括GPS全球卫星定位系统、无线通信列车调度系统以及无线车次号系统。这三种通信系统的协同运作，构成了GPS安全报警系统，从而确保了列车在高速行驶时的通信联络畅通、定位精确，有效提升了高速铁路的行车安全性。

3****.2********全球卫星导航定位系统在林业中的应用****

3****.2.1********用于森林火灾的防护****

GNSS在森林防火领域得到了广泛应用，用于实现火灾地点的定位与确认。《世界林业研究》中记载，当森林发生火灾或疑似火灾时，卫星会接收到相关信号并自动触发警报，随后将信号传输至森林监控检测中心。该中心的工作人员接收到报警信息后，依据信息确定事发地点并进行火灾确认。一旦发生火灾，采取有效的防灾措施变得至关重要。张雷等人开发的基于北斗系统和GPS的森林防火人员调度指挥系统中强调，将北斗系统与GPS相结合能够显著提升定位精度，从而大大提高了森林防火工作的效率。

3****.2.2********用于森林资源和物质的调查****

GNSS技术在森林环境中可用于对森林资源和物质的调查。该技术主要依赖GPS和北斗系统的定位及复位技术，通过查找和定位资源地来研究和调查林业资源。在实际应用中，通过定位终端实施精确的境界线勘界和区划落界，涵盖林地落界、行政区落界等。二类资源调查中，地形图短距离折线导航技术可实现林班线伐开的精确和高效操作，同时在研究森林有害物质方面具有应用价值。

3****.3********全球卫星导航定位系统在军事技术中的应用****

3****.3.1********空中轰炸****

GPS接收器可以安装在飞机上，因为安装在飞机上不仅能够显著提升导航精度，而且，GPS导航系统将轰炸目标视为投放点，从而显著提高投弹精度。该系统的优势在于结合全方位全天候的特点，使得战斗机的飞行和投弹不受昼夜影响，无论在何处都能避开敌方雷达视距，进行低空穿越飞行，从而减少损失并有效打击敌方目标。

3****.3.2********搜索救援****

主动式搜索救援：持续监控救援区域的实时情况，精确追踪目标位置，依据GPS技术在军事领域的应用，通过GPS定位的精确位置信息组织专业救援行动，显著提升救援成功率。被动式搜索救援：配备装备精良的带有GPS接收机的紧急求救无线发信装置（通常安装在头盔上）的指战员们，自动发送求救信号。

3****.3.3********精确制导和打击效果评估****

基于GPS系统具有精度高、制导方式灵活等显著特点，如今GPS已经成为一种重要的精确制导武器的制导原理。在导弹弹头上安装GPS接收机，可以实时监测导弹位置并进行偏差的修正，从而确保导弹能够精准命中目标。此外，GPS系统具有广泛适用性、适应各种气候条件的特点，因此其命中目标不受导弹射程（即使可达数千公里）、风向、地点等因素的影响。在近年来的多场高技术局部战争中，GPS系统也可以用于评估打击目标的命中率。在装有GPS接收装置的弹药击中目标并引发爆炸的瞬间，该系统能够立即触发用户机进行定位，并实时将位置信息和时间信息传送到指挥中心，从而进行命中率评估。其评估效果已在伊拉克战争中得到了充分验证，并且可以在用户的评分体系中广泛应用。

3****.3.4********地面作战****

当部队进行集结调动、穿越未知区域、进行物资补给、协同作战、识别敌我战线、行军路线等军事行动时，通过GPS接收机可以确保不会出现位置或行进路线的错误。当指挥官在制定作战方案时，各部队通过GPS系统实时获取并传递其位置信息，主系统则可以在无需地图的情况下，更科学合理地进行战场指挥。

3****.3.5********布雷扫雷****

在军事行动中，可以借助GPS技术对水下区域进行定位，精确标注水下雷区的坐标。这不仅有助于军事行动更为安全地进行，同时，避免了对人员的误伤，战争结束后清理战场也更加稳妥。

3.4********全球卫星导航定位系统在其他领域的应用

3****.4.1********在娱乐活动中的应用****

通过GPS的使用，从而让人们获取位置信息，广泛应用于各种娱乐活动，如登山、滑雪、打猎等，此外还包括一些户外运动项目。

3****.4.2********应用于海洋业****

涵盖远洋船只最佳航程航线的测定工作，同时具备船只的实时调度与导航功能。此外，还包括海洋救援任务、海洋资源勘探工作、水文地质监测工作、海洋平台的定位技术，以及海平面变化监测。

4目前GNSS所存在的问题以及解决方法

4****.1********存在问题****

4****.1.1********定位精度差****

尽管全球卫星导航定位系统具有精度高等优点，但在实际应用中，由于许多地区（如林区）基准站分布稀少，无法全面覆盖区域，因此仍然存在精度差的问题。然而，在一些实际应用中，仍然采用传统方法，如在三类调查中进行面积计算时，面积在1 hm²以下的地块采用罗盘仪或测绳求积法。在很多时候，一些人为因素也会导致精度差偏离，因此，GNSS系统在实际应用中会产生少量误差。

4****.1.2********信号弱****

在GNSS信号到达接收机天线时，接收的信号功率已达到-142 dBm以下[31]。在弱信号环境下，接收机接收到的卫星信号极其微弱，无法达到接收机进行定位所需的基本信号强度，导致接收机无法完成定位操作。在许多广袤区域内，会存在诸多自然因素干扰；

4****.1.3********抗干扰能力低****

在GNSS系统运行过程中，总是会遇到多种干扰因素，其抗干扰能力不强。具体而言，卫星到达地面后，成功接收信号的概率较低，同时接收端设备难以分辨真信号与假信号。这些局限性表明，全球定位技术目前仍处于发展的初期，尚未完全成熟。

4****.1.4********使用人数少****

尽管全球定位系统开发和应用时间并不长，但就中国而言，长期形成的封建思想深深植根于人们心中，这使得该系统的发展速度缓慢，许多地区仍然沿用传统的通讯、交通和制造方式。

4****.2********解决方案****

4****.2.1********提高信号发射率****

通过增强信号发射率，接收机具备了快速捕获和稳定跟踪能力；降低导航电文的调解频率，缩短首次定位所需时间，增强系统抗干扰能力，将弱信号转换为非弱信号进行接收，从而扩大接收机的接收灵敏度。

4****.2.2********优化星座布局****

优化星座布局，不仅可以降低DOP以提高GNSS的可用性与连续性；

4****.2.3********实现系统间的兼容与互操作****

GNSS的兼容与互操作性是基于公用中心频率和频谱重叠的实现方式，这则需要采用不同的信号调制方式和信号结构，这则体现了系统相互独立性的必要要求。在解决卫星导航频率资源紧张问题的同时，这种方案也能有效减轻接收机的负担。

4****.2.4大力应用GNSS****

将其推广至各领域、各地段，扩大其应用领域和使用频次，使其应用范围和使用程度进一步扩大。

4发现展望及总结

总而言之，全球卫星导航技术已经得到了广泛应用，并逐步发展为涵盖多个领域、模式、用途和机型的高新技术国际性产业。对于军事、海洋、航空、林业和通信等众多领域而言，这一技术已经成为了不可或缺的工具。然而，尽管GPS和北斗系统在各个领域得到了广泛应用，但仍存在诸多问题，这些问题属于全球性挑战，因此，我们需要全人类共同努力，探索出一条更加适合全球卫星导航定位系统发展的道路，并不断优化完善该系统。同时，我们也要注重创新，不断满足人类需求，发展GNSS系统。随着时代的发展，只有能够适应时代发展和社会需求，不断进行更新换代的全球定位系统，才能在全球卫星通讯的激烈竞争中保持不败之地，持续增强其竞争力。

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