光年之外｜全球导航卫星系统，从四到“联合”的故事

【编者按】

如果说古人通过观星确定历法，指导农事，21世纪的人类，如何获得时空信息？上世纪九十年代起，全球导航卫星系统陆续投入使用，包括美国建立的首个全球定位系统GPS、俄罗斯的“格洛纳斯”卫星导航系统、欧盟的“伽利略”和中国的“北斗”。

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是以卫星为参照物，通过无线电信号测距为整个地球表面和近地空间提供全天候的三维位置、速度和时间信息的导航定位系统。它包括美国建立的世界首一个全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。

全球导航卫星系统中的基本工作原理是什么，又有哪些关键核心技术？四大全球导航卫星系统，既能独立运行，又能联合使用，未来又将走向何处？ 

敢于尝螃蟹：首个以人造卫星为参照物的全球导航卫星系统

导航定位是人类生存必备的最基本能力。早期的导航定位主要基于天体的运行规律，以自然界的目标为参照物，比如太阳、月亮和星星，通过观测天体的位置来实现。但这种方法受到时间（白天或黑夜）、天气（多云或雨雪）和环境（沙尘或雾霾）的限制。

后来，无线电技术的发展推动了定位方法的一次革新，通过直接或间接测定无线电信号的传播距离、方位和角度等信息，可以实现待定点位置的确定。虽然无线电通讯方法能克服天气的影响，但由于信标台在陆地，其信号的覆盖距离有限。

1957年10月4日，苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星。美国霍普金斯大学应用物理实验室的学者在观测这颗卫星时，发现卫星运动产生的多普勒效应可以用来确定卫星轨道。这位学者断言，反过来，已知卫星位置，就能确定地面接收设备的位置，从而进行导航定位。

组装完毕后的Sputnik 1

有了理论基础，美国国防高级研究计划局和约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验合作，开始研究以人造卫星为参照物的全球导航卫星系统，旨在为用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。

第一个研发成功的全球全天候卫星导航系统是美国海军卫星导航系统，也称为“子午仪”导航卫星系统，主要用于潜艇和水面舰船的定位和授时。

GPS系统的发展与“子午仪”导航卫星系统几乎同时，且具有一定的竞争性。历时 20年，GPS在建设中实现了多项重大技术创新和突破。1995 年4 月，美国国防部正式宣布GPS具备完全工作能力。

同年GLONASS进入完全工作状态，而GALILEO和北斗全球系统也分别于2019和2022年投入了正常服务。

北斗卫星导航系统的艺术家想象图（作者供图）

全球导航卫星系统的三大部分

四大全球导航卫星系统的定位原理、系统构成、信号结构和运行管理模式是非常相似的。随着对早期系统的现代化，它们的相似程度还在不断增加，并且正在走向兼容互操作，也就是说，在不久的将来，使用者可以把它们当作一个系统使用。

全球导航卫星导航系统如何实现导航定位的呢？以北斗系统为例，一个全球导航卫星系统由空间段、运控段、用户段三大部分组成。

空间段包含一个覆盖全球的卫星星座，其卫星的个数和分布要求使得全球范围内任何一个地方都能同时观测到四颗或更多的卫星。

测时测距的基础是卫星播发的、以卫星原子钟频率基准生成的卫星信号，它包括载波相位、伪随机码、导航电文等。接收机通过自己生成的参考信号与接收信号比对，得到信号传输的时间差，也就是卫星到接收机的距离。卫星和接收机的钟差以及卫星的位置是决定定位精度的关键。

运控段主要通过一组地面监测站的观测数据以及守时实验室保持的高精度时间基准，确定和外推出用于实时定位的卫星轨道和钟差，再以导航电文的形式注入卫星，调制在载波信号上，作为卫星播发信号的一部分，播发给用户。导航电文的任务是把地面的时空基准信息传递到空间段。

用户段主要是各种精度类型的接收机，接收卫星信号，通过伪随机码相关得到距离观测值，同时得到以导航电文形式播发的卫星轨道和钟差等时空基准信息。接着，利用四个或更多卫星到接收机的距离观测量，列出导航方程就很容易求出接收机的位置和钟差。

全球导航卫星系统的任务，本质是实现时空基准信息的传递。而被传递的对象，是通过多种空间大地测量手段（例如甚长基线干涉VLBI和卫星激光测距SLR）建立的地球参考框架空间基准，以及通过守时实验室里多台高性能原子钟组保持的时间基准。所以，高精度时空基准的建立和维持，是卫星导航的基础关键技术。

未来已来，GNSS会走向何处？

与GPS同时，俄罗斯的GLONASS系统也投入运行，后来则是欧洲的GALILEO和我国的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统在技术水平上有了更高的发展，采用了更高水平的星载原子钟，增加了用于自主定轨的星间链路（测距），系统本身带有增强服务的能力。

GNSS系统已经得到了广泛应用，成为信息时代的基础设施，但现有系统的建设者还在继续推进卫星导航系统的提升和创新计划。多个系统都在研究进一步提高星上原子钟的精度和稳定性，增加高精度星间链路实现自主定轨和高精度时间同步。基于密集低轨卫星星座建立全球通信系统，考虑用低轨卫星增强GNSS和建立基于低轨星座的导航系统成为重要的发展方向。特别是，建立与通信导航和遥感一体融合的星座是一个多领域共同关注的前沿。

作为时空信息服务的供应商，GNSS面对的是一个高度竞争的全球用户市场。差异化的服务，例如更高精度、更佳完好性、更高安全性和通导一体化等等，成为各大服务商占领市场的手段。

除了竞争，各大GNSS也有合作。例如在涉及生命安全的航空器导航和海事搜救服务等领域，各GNSS都需要遵循同样的技术协议和统一的用户接口。

四大系统的联合使用，能显著提高时空信息服务的精度和可靠性，包括系统的反欺骗能力。更重要的是，多个系统联合的增强系统，能够在1-2分钟内实现分米到厘米级的高位置精度的实时定位服务。

正是由于GNSS的技术复杂和高门槛，特别是建设和运行的庞大资源投入，目前的GNSS俱乐部只有少量的成员。但是埃隆马斯克的星链计划，在提供全球通信服务的同时，也提供一定的导航服务能力。相比之下，星链系统的建设运行成本要比GNSS低很多。如何面对以星链为代表的低轨通信或者遥感星座进入导航服务领域， 是各大GNSS系统需要考虑的重大挑战。

（作者胡小工系中国科学院上海天文台研究员，葛茂荣系德国地球科学研究中心（GFZ）资深研究员、柏林工业大学教授）

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“光年之外”专题，由“共话天文与人·赋能未来发展”天文论坛特别邀约国内外顶尖天文科研工作者撰文，该论坛由中国天文学会主办，中国科学院上海天文台和国际天文学联合会天文促发展办公室东亚区域办公室承办，它是IYBSSD2022基础科学促进可持续发展国际年系列活动之一。