參加2020年超人路跑,想要展現科技品味鋼鐵人,決定添購一款專業馬拉松錶,作為自己時髦行頭。
鋼鐵人走進運動用品店,店員詢問:「請問您要買哪個系統馬拉松錶?格洛納斯系統、伽利略系統、北斗星系統,還是?史GPS系統?」這下子鋼鐵人瞠目結舌,一時間説不出話來。
因為他以為馬拉松錶使用定位系統只有一種,GPS,知道世界其他地方,GPS之外,還存在著定位系統…
如果有看這篇前情提要,那麼你知道,GPS全球定位系統全名Global Positioning System,美國國防部研製和維護,使用普及,應用,所以許多人它衞星導航系統畫上了號。
俄羅斯研發運作的衞星導航系統,全名GLObal NAvigation Satellite System,全球導航衞星系統。
GLONASS系統衞星、地面測控站和用户設備3部分組成,和美國GPS類似,使用範圍上,是目前唯二完全覆蓋全球定位系統。
但技術方面,GLONASSGPS有幾點之處:
一、衞星發射頻率:GPS每顆衞星信號頻率,而GLONASS衞星靠頻率來區分。
基於這個原因,GLONASS可防止整個系統同時敵方幹擾,因而具有抗幹擾能力。
二、座標系:GPS使用世界大地座標系[註],而GLONASS使用前蘇聯地心座標系。
三、時間標準:GPS系統時世界標準時間相關聯,而GLONASS莫斯科標準時間相關聯。
中國自行研製開發,是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS後第3個衞星導航系統,但發展中。
目前發射了10顆衞星,於2012年起亞太大部分地區正式提供服務,並計劃2020年完成全球系統建構。
中國有4萬艘漁船、10萬輛車安裝了北斗衞星導航系統設備,但推廣上瓶頸於晶片價格。
於GPS系統,北斗終端設備晶片成本,若能夠生產並普及話,價格可望降低。
伽利略定位系統是歐盟一個正在建造中的衞星定位系統,繼美國GPS、俄羅斯GLONASS及中國北斗衞星導航系統後,第四個可以提供民用定位系統。
美國GPS衞星導航系統衞星軌道高度20200公里。


但於歐盟內部分歧資金問題,完工時間不能確定。
天頂衞星系統(Quasi-Zenith Satellite System)日本研發,是輔助GPS衞星擴增系統,它總共有三顆衞星,可兩方面增強全球定位系統效能:
QZSS只有區域性功能,服務範圍覆蓋東亞,而計劃,系統2018年3月完成測試。
但政府主責部門不明確,且民間企業投資存在缺口,所以進展狀況並順利。
衞星導航系統是指能夠地球表面或近地空間用户提供全天候三維座標和速度以及時間信息天基無線電導航定位系統。
衞星無線電導航走過了軌道衞星到中軌道衞星,從多普勒導航體制到偽距導航體制,單一系統、單一體制多系統、多體制兼容集成發展歷程。
衞星導航系統成世界各國信息基礎設施建設組成部分。
人類利用太陽、月球和其他天體導航已有數千年歷史,然而於利用天體導航受到天氣影響,所以早在19世紀後半期有人提出利用人造天體實現全天候導航設想。
直到1964年,美國建成“子午儀” 衞星導航系統,並交付海軍使用,這個設想付諸實現。
1967年“子午儀” 衞星導航系統開始民用。
1973年美國 開始研製“導航星”(GPS)全球衞 星導航定位系統。
到1994年3月,全球覆蓋率98%24顆GPS衞星星座佈設完成。
美國GPS系統代表全球衞 星導航定位系統誕生伊始即展現出了價值。
軍事上,第一次海灣戰爭以來,美軍使用了GPS制導,車輛、軍艦、飛機機動工具提供導航定位信息,制導武器提供精確引導,野戰或機動作戰部隊提供定位服務,為救援人員指引方向,確保了美 軍“零傷亡”“斬首”一系列新戰爭 理念和新戰法得以實現,極大地提高了 部隊戰鬥力。
民用上,歐洲全球定位研究中心數據,2025年全世界衞星導航市場年產值超過2680億歐元,設備增長超過92億部。
基於手機位置服務和道路應用佔據了衞星導航主導地位,智能手機、車載設備、位置感知應用和數據服務銷量迅速增長。
國民經濟安全密切相關電力傳輸、通信、金融領域,依賴導航衞星提供精準時間。
鑑於衞星導航定位系統價值,世界上多個航天強國開始研究 並着手建立自主可控衞星導航定位系統。
目前,聯合國衞星導航委員會認定了四大全球衞星導航供應商,是美 國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格 洛納斯衞星導航系統(GLONASS)、中國北斗衞星導航系統(BDS)、歐盟伽利略衞星導航系統(GSNS)。
除此以外,日本建設了區域性天頂衞星導航系統(QZSS),印度建設了區域導航衞星系統(IRNSS)。
本文世界上四個全球衞星導航系統進行一些,看看它們有哪些點。
衞星導航測量導航參數幾何定位原理分為測角、時間測距、多普勒 測速和組合法,其中測角法和組合法精度較低等原因沒有實際應用。
多普勒測速定位有“子午儀”衞星導航 系統採取過,該技術於不能導航、兩次定位時間間隔太長、只能提供二維定位、對移動物體測量誤差缺點,目前應用。
目前世界主要衞星導航系統 是採用時間測距導航定位技術。
用户接收設備測量同一平面4顆衞星發來信號傳播時間,然後進行一組包括4個方程式數學運算,可算出用户位置三維座標以及用户鍾系統時間誤差。
採用時間測距原理衞星導航定位精度主要取決於軌道預報精度、導航參數測量精度及其幾何放大係數和用户動態特性測量精度。
其中軌道預報精度 主要受地球引力場模型影響和其他軌道攝動力影響。
因此導航衞星選擇高度軌道,避免地球高層大氣於地球軌道攝動力影響。
了,運行軌道選擇上,衞星導航系統有所區別。
美國GPS衞星導航系統衞星軌道高度20200公里。
整個系統 24顆衞星組成,其中21顆工作衞星,3顆為備衞星。
24顆衞星均勻分佈 6個軌道平面上,即每個軌道面上有4顆衞星。
衞星軌道面相於地球赤道面軌道傾角55度,各軌道平面升交點赤經相差60度,一個軌道平面上的衞星比西相鄰軌道平面上相應 衞星升交角距超前30度。
這種佈局目的是保證全球任何地點、任何時刻可以觀測到4顆衞星。
俄羅斯格洛納斯衞星導航系統 衞星軌道高度19100公里。
整個 系統24顆衞星組成,包括21顆工 作星和3顆備份星。
24顆衞星勻分佈3個軌道平面上,即每個軌道面上有8顆衞星。
衞星軌道面相於地球 赤道面軌道傾角64.8度。
這3個軌道平面兩兩相隔120度,平面內的衞星間相隔45度,軌道週期11時15分鐘。
歐盟伽利略衞星導航系統衞星軌道高度23616公里。
整個系統30顆衞星組成,其中27顆工作星,3顆備份星。
30顆衞星勻分佈3個傾角56度軌道平面內。
三個軌道 升交點赤道上相隔120度,衞星運行週期14時。
某顆工作星後,備份星迅速進入工作位置,替代其工作,而星轉移到於 軌道 300 公里軌道上。
中國面向全球提供服務北斗三號衞星導航系統採三種軌道衞星組成混合星座,與其他衞星導航系統相比軌衞星多,抗遮擋能力強,緯度地區性能特點。
整個系統35顆衞星組成,其中有5顆地球靜止軌道(GEO)衞星、3 顆傾斜地球 步軌道(IGSO)衞星、27顆中圓地球 軌道(MEO)衞星。
GEO衞星分定 點於東經58.75度、80度、110.5度、140度和160度。
IGSO衞星軌道高度36000公里,3個傾斜軌道面 分佈,軌道傾角55度,3顆IGSO衞星星下點軌跡重合,交叉點經度東經118度,相位相差120度。
MEO 衞星軌道高度21500公里,27顆衞星勻分佈3個傾角55度軌道平面內。
衞星導航系統是一個複雜系統,保障它運行,不僅要依靠天上衞星,同時要依靠負責運行控制地面站以及傳輸信號無線電鏈路協同工作。
世界上幾個主要衞星導航系統可以説是異彩紛呈,各具特色。
美國GPS導航定位系統地面監控部分分佈全球若干個跟蹤站組成,主要負責收集信號、計算導航電文和發送命令。
其作用,跟蹤站包括1個主控站、5個監測站和3個注入站。
監測站負責收集積分多普勒觀測值、衞星時鐘、工作狀態數據、氣象數據。
主控站負責計算衞星星曆、時鐘修正、狀態數據、信號電離層延遲 修正,編算導航電文並傳送到注入站,診斷衞星狀態,調度衞星。
注入站負責發送導航電文和各種控制命令到導航衞星。
俄羅斯格洛納斯導航定位系統 地面監控部分設本土內。
其系統 控制中心位於莫斯科,5個跟蹤站分位於捷爾諾波爾、聖彼得堡、葉尼塞斯克、巴爾喀什、共青城。
於該領域保密性,相關數據作為參考。


延伸閱讀…
然後系統控制中心處理這些信息定衞星時鐘和軌道姿態,並及時每個衞星導航信息,這些信息通過跟蹤站傳到各個衞星。
彌補有國內布站缺陷,衞星上配備了後激光反射稜鏡。
跟蹤站無 線電測距數據需要利用主控中心光學跟蹤台站一個激光設備(精度優於2cm)進行定期校正,提高測距精度。
系統控制中心配備了一台時間儀,即一台高精度氫原子鍾,通過它來所有格洛納斯接收機上銫原子鐘時間。
中國北斗衞星導航系統監控系統設計,分佈中國若干個地 面跟蹤站組成地面監控系統和具有星間鏈路導航星座組成全球衞星監控系統。
這北斗系統獨特本領,即需要全球布站。
北斗三號系統中採用了一套其他導航衞星不具備技術——星間鏈路,具有星間鏈路導航星座可以完成星地-星間鏈路聯合定軌任務。
全球衞星導航系統國際委員會(ICG)和國際電聯(ITU)框架下, 世界各主要衞星導航系統基本能實現兼容與互操作,以便使所有用户能享受到可靠衞星導航基礎服務。
但是各國國情和發展目標差異,世界各主要衞星導航定位系統服務上存在着一些。
美國GPS衞星信號偽隨機碼擴頻形式廣播用户。
衞星載波信號工作L波段,校正電離層折射引入附加傳播時延,系統採用雙頻制,L1和L2。
L1中心頻率1575.42MHz,L2中心頻率1227.60MHz。
衞星用户廣播導航信號或導航電文主要包括:衞星星曆及時鍾校正參數,測距時間標記,大氣附加延遲校正參數(主要是電離層),其他導航相關信息。
GPS是軍民合用系統,但它軍用和民用提供了定位精度。
軍用3米,民用信號增加了幹擾機制,使精度下降到100米。
鑑於GPS民用中發揮作用,美國政府2000年取消了GPS幹擾機制,使民用信號精度提高了10倍以上,大大了民用用户使用,GPS普及奠定了基礎。
目前,全世界有四大全球衞星導航系統,即,美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格洛納斯衞星導航定位系統(GLONASS)、歐洲伽利略衞星導航定位系統(Galileo)、中國北斗衞星導航系統(BDS)。
除此之外有區域系統及增強系統。
目前影響力上述四大系統。
GPS起始於1958年美國軍方一個項目,1964年投入使用。
20世紀70年代,美國陸海空三軍聯合研製了新一代衞星定位系統GPS。
該系統主要目的是陸海空三大領域提供、全天候和全球性導航服務,並於情報收集、核爆監測和應急通訊一些軍事目的。
20世紀70年代到1994年,20餘年研究實驗,耗資300億美元,GPS全球覆蓋率98%24顆GPS衞星星座佈設完成(另外有三顆備衞星)。
此後計劃換衞星。
截至2018年06月21日,空間段衞星數32顆,其中31顆運行、1顆維護。
GPS實現單機導航精度10米,綜合定位話,精度可達釐米級和毫米級。
但民用領域開放精度10米,地帶定位精度4-7米之間。
歐盟2018年統計、GPS佔據了全球60%以上市場份額,有數據顯示目前GPS佔全球定位市場95%份額。
於該領域保密性,相關數據作為參考。
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但不管怎麼樣,GPS佔據無可爭議霸主地位,而GPS發展到今天,美國政府給予了有力支持。
這表現美國政府制定了一系列法規政策來扶持GPS衞星導航系統發展。
系統商業航天相關法規支持方面,1998年出台《商業航天法》;2004年出台《美國國家天基定位、導航和政策》。
財政支持政策方面,2004年出台《天基定位,導航和計時政策》規定協調各部門預算和政策,評估資金和性。
自此,美國每年頒佈國防授權法和撥款法中包括了GPS系統撥款計劃。
説,法律中規定了GPS系統財政支持政策,並GPS系統發展狀況及時調整;於GPS系統研發、零件採購和後續發展多個方面有相應財政撥款政策。
總體上,為引導系統及其產業發展,切實保護美國國家安全利益,同時限度促進GPS系統世界範圍應用,美國政府和國會制定了一系列政策法規,形成了套、系統體系,且有關產業發展法規和政策具有持續性、系統性、綜合性,這些扶持性和引導性政策美國全球衞星導航領域霸主地位奠定了基礎。
GLONASS是蘇聯1976年頒佈法令開始建設。
當時,於蘇聯火箭發射能力,一開始計劃一箭三星方式發射衞星。
於多次發射失敗和衞星工作壽命,所以發射到70多顆衞星時,到1996年格洛納斯衞星星座達到額定工作24顆,宣佈正式投入完全服務。
但隨後於蘇聯解體和俄羅斯經濟動盪,格洛納斯星座衞星數量2002年降到7顆衞星,維持工作衞星6顆。
後,2003年開始進入全面升級和發展階段,每年差不多發射6個衞星速度迴歸,加上衞星壽命有所增加,所以到2011年12月8日,格洛納斯星座恢復到24顆衞星完全工作狀態,實現全球覆蓋。
這24顆MEO衞星平均分佈3個軌道面上。
截至2018年6月21日,GLONASS系統軌衞星26顆,其中24顆GLONASS-M處於運行狀態、1顆退役衞星於主開發商測試、1顆GLONASS-K進行飛行參數測試。
值得強調是,格洛納斯設計時候採用頻分址體制,衞星靠頻率來區分。
所以,格洛納斯可以防止整個衞星導航系統時敵方幹擾,具有抗幹擾能力。
格洛納斯定位精度1.2米,開放服務定位精度2-8米。
格洛納斯經歷波折後,如今能全球衞星導航領域佔一席,政府強力支持同樣功不可沒。
格洛納斯(GLONASS)全球衞星導航系統是俄羅斯航天領域一個優先發展項目,它寫進了俄聯邦國家目標計劃總體規劃中。
保障“格洛納斯”計劃順利進行,俄羅斯每年會投入鉅額資金,並且出台相應政策保該系統使用。
俄羅斯20012011年間實施了一個專項計劃,發展“格洛納斯”系統投入1071億盧布。
2009年2月4日,俄羅斯聯邦委員會批准了《導航活動法》,俄羅斯“格洛納斯”全球導航定位系統部署和使用作出了明確規定。
《導航活動法》要求公路、鐵路、海洋和航空所有國有及商業公共交通工具2010年年底前安裝“格洛納斯”全球衞星導航系統導航儀,同時所有新出廠交通工具要安裝這種導航儀。
俄聯邦航天署和經濟發展部隨後制定了《20122020年“格洛納斯”系統維護、發展和利用》,該政策中,俄羅斯計劃隨後8年開發俄全球衞星導航系統(即“格洛納斯”系統)提供3466億盧布(約合115.5億美元)國家撥款。
不過,於沒錢系統,且買不到衞星製造需零部件,格洛納斯目前發展遭遇困難,因此,近年來俄羅斯開始加大中國合作力度。
2014年7月,中俄雙方正式簽署衞星導航合作諒解備忘錄,標誌着“北斗”和“格洛納斯”系統兼容開始啓動。
2018年11月,中俄兩國簽署了《中華人民共和國和俄羅斯聯邦政府關於和平使用北斗和格洛納斯全球衞星導航系統合作協定》,從制度層面雙方合作提供。
確保安全,建立歐洲自己控制民用全球導航定位系統,1999年初歐洲正式推出伽利略計劃,該計劃旨在建立獨立於GPS和GLONASS全球衞星導航系統。
2002年3月24日,歐盟決定研製組建自己民用衞星導航定位系統—Galileo系統,伽利略衞星星座27顆工作衞星和3顆備衞星組成,這30顆衞星勻分佈3個軌道面上,衞星高度23616km,軌道傾角56°。
2005年,歐盟發射了首顆伽利略導航衞星。
2016年12月,“伽利略”系統投入初始運行,提供初始定位、導航授時(PNT)服務,提供PNT服務的衞星數量11顆。
2019年5月,提供PNT服務的衞星數量增加22顆,服務覆蓋、服務性能得到提升。
伽利略系統可以發送地理位置信息,這是其他衞星有功能,美國GPS比之下,顯得安全,可靠。
伽利略系統開放服務精度民用免費開放版1米,商用加密版1釐米。
獨立於美國GPS,歐洲伽利略系統建設中可謂不遺餘力,最初預算是29億歐元,現在突破100億歐元。
儘管如此,伽利略系統建設沒有擺脱美國壓力。
於“伽利略”設計精度於GPS,美國擔心所謂敵人會使用“伽利略”來對付美國,因此,在建設中美國施壓,威脅,如果敵人衝突中使用裝備了伽利略系統武器攻擊美軍,美國會考慮擊落伽利略衞星。
美國壓力下,儘管歐盟強調其技術中立,但後是不得協而改用了影響GPS頻率,這使得一個系統屏蔽不會影響到另一個系統,同時使美國衝突中是電子戰能力上擁有優勢。
此外,於伽利略系統是歐洲各國研製,因此,研製過程中往往因為參與國家多,導致經費方面問題層出不窮,造成伽利略系統推進過程。
中國1994年開始北斗一號研製,2003年北斗一號完工,基本形成了覆蓋中國區域導航和定位系統。
2003年,歐洲人主動“邀請”中方加入全球衞星導航系統建設,並於年底,中方實際完成了區域導航系統“北斗”一號後,中歐草簽合作協議。
2004年中歐正式簽署技術合作協議,中方承諾投入2.3億歐元鉅額資金,第一筆7000萬歐元款項打到歐方賬户上。