全球導航衛星系統(為用戶提供信息的空基無線電導航定位系統)

全球導航衛星系統（英文：Global Navigation Satellite System，縮寫：GNSS，又稱全球衛星導航系統），是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的3維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。

全球導航衛星系統（GNSS）包括一個或多個衛星星座及其支持特定工作所需的增強系統。

全球衛星導航系統國際委員會公布的全球4大衛星導航系統供應商，包括中國的北斗衛星導航系統（BDS）、美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）和歐盟的伽利略衛星導航系統（GALILEO）。其中GPS是世界上第一個建立並用於導航定位的全球系統，GLONASS經歷快速復甦後已成為全球第二大衛星導航系統，二者正處現代化的更新進程中；GALILEO是第一個完全民用的衛星導航系統，正在試驗階段；BDS是中國自主建設運行的全球衛星導航系統，為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。

基本介紹

• 中文名：全球衛星導航系統 
• 外文名：Global Navigation Satellite System 
• 組成：GPS、BDS、GLONASS和GALILEO 
• 作用：為用戶提供全天候的3維坐標和速度以及時間信息 
• 簡稱：GNSS 
• 套用：導航、定位、測量、農業、救援、監視和管理、軍事等 

發展沿革

1957年10月4日，蘇聯成功發射世界上第1顆人造地球衛星，遠在美國霍普金斯大學套用物理實驗室2個年輕學者接收該衛星信號時，發現衛星與接收機之間形成的運動都卜勒頻移效應，並斷言可以用來進行導航定位。在他們的建議下，美國在1964年建成了國際上第1個衛星導航系統即“子午儀”，由6顆衛星構成星座，用於海上軍用艦艇船舶的定位導航。1967年，“子午儀”系統解密並提供給民用。

全球四大衛星定位系統

由此可見，從20世紀70年代後期全球定位系統（global positioning system，GPS）建設開始，至2020年多星座構成的全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）均屬於第2代導航衛星系統，它們包括美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global navigationsatellite system，GLONASS）、中國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）和歐洲的伽利略衛星導航系統（Galileo navigationsatellite system，Galileo）等4個全球系統，以及日本準天頂衛星系統（quasi-zenith satellite system，QZSS）和印度區域衛星導航系統（Indian regionalnavigational satellite system，IRNSS）等2個區域系統，其中IRNSS也稱為印度星座導航（navigationwith Indian constellation， NavIC）。以上除中國之外的5個國家作為GNSS服務提供商均持有相應的星基增強系統，它們分別是：美國的廣域增強系統（wide area augmentation system，WAAS）、俄羅斯的差分改正監測系統（differential correctionsand monitoring，SDCM）、歐洲的地球靜止導航重疊服務（Europeangeostationarynavigation overlayservice，EGNOS）、印度的 GPS輔助型靜地軌道增強導航系統（GPS aided geo augmented navigation，GAGAN）和日本的多功能衛星星基增強系統（multi-functional satellite augmentation system，MSAS）。

中國由於其衛星導航系統發展之路與其他國家不同，它所建設的北斗二號（BeiDou navigationsatellite【regional】system，BDS-2）就是區域系統，而其建設的北斗三號 （BeiDou navigation satellite system withglobal coverage，BDS-3）還包括星基增強系統功能。

綜上所述，所謂的第二代導航衛星系統，就是指GNSS，它是泛指的全球衛星導航系統，是涵蓋全球系統、區域系統和星基增強系統在內的系統之系統的概念。那么會不會有第三代導航衛星系統出現呢。應該有，因為所有已經建設全球衛星導航系統的國家均在考慮或者推進衛星導航系統的下一步創新行動計畫，也有考慮與通信一體融合的導航星座。

2023年4月19日訊息，通信導航衛星服務探月任務示意圖國家航天局公布，中國正在論證構建環月球通信導航衛星星座，首次發射可能在2024年左右進行。簡單地說，這將是月球版北斗導航系統，可以為未來月面作業提供中繼通信、導航等服務，為接下來更複雜的探月任務提供信息支持。

系統套用

全球衛星導航系統在軍事、資源環境、防災減災、測繪、電力電信、城市管理、工程建設、機械控制、交通運輸、農業、林業、漁牧業、考古業、生活、物聯網、位置服務中都有套用。

全球衛星導航系統

導航

用於武器導航，可以精確制導飛彈、巡航飛彈；用於車輛導航，可以進行路線導航、車輛調度、監控系統；用於飛機導航時可進行航線導航、進場著陸控制；用於船舶導航，可以遠洋導航、港口/內河引水；當個人旅遊及探險時還可以用於個人導航。GPS在低緯度的觀測效果好，而GLONASS在高緯度的觀測優於低緯度。

定位

可定位車輛、手機、PDA等移動設備，擁有設備的防盜，在旅遊及野外探險時可以利用電子地圖查看自己所在位置。還可以定位兒童或老年人，以便他們走失時及時確定其準確方位。

測量

利用全球衛星導航系統中載波相位差分技術（RTK），其測量精度可以達到以厘米為單位，與傳統的人工測量相比，其擁有精度高、易操作、測量設備便攜、可全天候操作、測量點之間無須通視等人工測量無法比擬的優勢。全球衛星定位技術已廣泛套用於大地測量、地殼運動、資源勘查、地籍測量等領域。

農業

很多國家已經把全球衛星導航系統用於農業發展，可以定位農田信息、監測產量、土樣採集等，再通過計算機系統對採集的數據進行分析和處理，制定出更科學的農田管理措施。還可以把產量及土壤狀態等農田信息裝入帶有GPS設備的噴施器中，在給農田施肥、噴藥的過程中可以精確其用量，可以降低因肥料和農藥對環境造成的污染。

救援

利用全球衛星導航定位技術，可提高各部門對交通事故、交通堵塞、火災、洪災、犯罪現場等緊急事件的回響速度。可以幫助救援人員在惡劣的天氣條件和地理條件下對失蹤人員進行營救。

監視管理

對機場進行監視和管理是為了減少飛機起飛和進場的滯留時間，有效調度飛機、車輛以及人員。全球衛星導航定位技術可以在任何氣候環境下，為所有飛行跑道提供全天候、安全、精密的導航功能。可以使採用全球衛星導航定位技術的飛機更具靈活性，讓其可以在無人或脫離跑道時自行操作，通過調度系統可以有效地組織地面交通以及處理停機坪事故。

軍事

現代戰爭已經演變成為信息化戰爭，依靠全球衛星定位系統可以精確制導飛彈和炸彈，從而進行目標引導。同時，在步兵戰術作戰中也成為了不可或缺的標準軍事裝備。全球衛星導航系統對於特種作戰也具有巨大意義，因為它可以全天候、連續地隱蔽定位，而且使用者不用發射出任何信號、只要能接收衛星信號就可以使用。因此，特種作戰時，無需無線電靜默就能與指揮部保持聯繫，無需發出信號就能獲得戰術支援，並可以隨時更改，確認理想的行動路徑。

四大系統

北斗系統

發展歷程

20世紀後期，中國開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路，逐步形成了三步走發展戰略：2000年年底，建成北斗衛星導航試驗系統即北斗一號（BeiDou navigation demonstration system，BDS-1），向中國提供服務；2012 年年底，建成北斗二號區域系統，向亞太地區提供服務；在2020年，建成北斗三號全球系統，向全球提供服務。2035年前還將建設完善更加泛在、更加融合、更加智慧型的綜合時空體系。

北斗系統

中國堅持“自主、開放、兼容、漸進”原則建設發展BDS：①所謂自主，是堅持自主建設、發展和運行BDS，具備向全球用戶獨立提供衛星導航服務的能力；②所謂開放，是免費提供公開的衛星導航服務，鼓勵開展全方位、多層次、高水平的國際合作與交流；③所謂兼容，是提倡與其他衛星導航系統開展兼容與互操作，鼓勵國際合作與交流，致力於為用戶提供更好的服務；④所謂漸進，是分步驟推進BDS建設發展，持續提升BDS服務性能，不斷推動衛星導航產業全面、協調和可持續發展。

中國正在實施北斗三號工程建設。根據系統建設總體規劃，2018年底，完成19顆衛星發射組網，完成基本系統建設，向全球提供服務；2020年完成由3顆地球靜止軌道（geostationary Earth orbit，GEO）衛星、3顆傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits，IGSO）衛星和24顆中圓地球軌道（medium Earth orbit，MEO）衛星組成的完整星座，全面建成北斗三號。BDS由空間段、地面段和用戶段3部分組成：空間段由若干地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星3種軌道衛星組成混合導航星座；地面段包括主控站、時間同步/注入站和監測站等若干地面站；用戶段包括BDS兼容其他衛星導航系統的晶片、模組、天線等基礎產品，以及終端產品、套用與服務系統等。

BDS具有以下特點：

①BDS空間段採用3種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能特點更為明顯；

②BDS提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度；

③BDS創新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務5大功能。

套用現狀

近年來，中國不斷加強北斗導航衛星製造發射以及地面系統建設，北斗導航系統基礎設施逐漸完善，預計至2020年底，將全面完成北斗三號系統建設，屆時空間信號精度將優於0.5米。北斗系統已廣泛套用於交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象預報、救災減災等領域，並走出國門在印尼土地確權、科威特建築施工、烏干達國土測試、緬甸精準農業、馬爾地夫海上打樁、泰國倉儲物流、巴基斯坦機場授時、俄羅斯電力巡檢等方面得到廣泛套用。

支持北斗三號新信號的28納米工藝射頻基帶一體化SoC晶片，已在物聯網和消費電子領域得到廣泛套用，最新的22納米工藝雙頻定位晶片已具備市場化套用條件，全頻一體化高精度晶片正在研發，全球首顆全面支持北斗三號民用導航信號體制的高精度基帶晶片“天琴二代”在北京正式發布，北斗晶片性能將再上一個台階，性能指標與國際同類產品相當。截至2019年底，國產北斗導航型晶片模組累計銷量已突破8000萬片，高精度板卡和天線銷量已占據國內30%和90%的市場份額，並輸出到100餘個國家和地區。

中國衛星導航定位基準服務系統已啟用，能免費向社會公眾提供開放的實時亞米級導航定位服務。北斗系統在高精度算法和高精度板卡製造方面取得突破，運用RTK（Real-time kinematic，實時動態差分）技術能夠將精度提升至厘米級，高精度定位技術未來發展空間廣闊。國家北斗精準服務網已為全國超過400座城市的各種行業套用提供北斗精準服務，有效推動智慧城市基礎設施的最佳化和完善。

北斗衛星導航系統在船舶運輸，公路交通，鐵路運輸，海上作業，漁業作業，森林火災預防，環境管理監測等領域套用廣泛，覆蓋部隊，公安，海關等其他有特殊指揮調度要求的單位，產生顯著的經濟效應和社會效應。北斗的套用規模和範圍也隨著北斗衛星導航系統功能和性能的不斷提高與完善，將逐漸擴大，前景可觀。

在海上作業方面，中國船舶工業系統工程研究院的北斗漁船終端和運營平台、北斗疏浚船舶監控終端和運營平台等已經研製完成。2016年，該研究院根據市場需求開展多項北斗系列系統研製，例如北斗遇險救生終端以及基於北斗的“智慧型船”通導系統和電子通關係統等等。“十三五”初期，基於北斗的內河船舶監管示範工程，由交通運輸部和中央軍委裝備發展部聯合啟動，取得良好成效，已經成功搭建完成北斗應急無線電示位標法定檢驗檢測的環境。公路交通，鐵路運輸方面，北斗衛星導航系統可用於監控設施安全和車輛的運輸過程，據統計，在全國約有480萬輛危險品車、大客車、班線客車安裝了北斗終端，監控管理各個車輛的效率和維護道路運輸過程中的安全水平，均得到了有效提升。森林防火，救災減災方面，北斗衛星導航系統以其精確定位技術，準確及時上報和共享災情信息，實時進行指揮調度，短報文通信功能提應急通信功能，顯著提高了救災減災的決策部署能力和反應能力。在環境監測的方面，基於北斗的一系列氣象測報型的終端設備形成的系統套用，不僅提高了國內高空氣象探空系統的觀測精度，而且其自動化水平和應急觀測能力都可到了相應的提升。

北斗衛星導航系統的套用存在著無限可能，2019年10月，國慶閱兵期間，由陸軍軍事交通學院牽頭研發的北斗閱兵訓練考核輔助系統，可保障32個方隊580台車輛整體車速控制在10千米/小時，其定位精度達到厘米級，已經趕超世界先進水平。隨著北斗系統的不斷提升，其系統建設的不斷增強，有望在2020年6月完成全球組網，實現全球的短報文通信、星基增強、國際搜救、精密定位等服務。

2020年，北斗三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式7月31日上午在北京舉行。北斗三號全球衛星導航系統全面建成並開通服務，標誌著工程“三步走”發展戰略取得決戰決勝，中國成為世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。

相關新聞

中國北斗三號全球衛星導航系統最後一顆組網衛星原計畫在2020年6月16日10時發射。但16日官方發布訊息稱，擔任發射任務的長征三號乙運載火箭在臨射前的測試過程中，發現產品技術問題，發射任務推遲，發射時間待定。

北斗三號工程任務一線技術專家李聃接受媒體採訪時表示，“首先很遺憾，沒有如期等到激動人心的一刻，15日晚上按流程實施射前功能檢查時，發現了一個技術問題。射前功能檢查就是在火箭起飛前再次對火箭進行一個全面的體檢。火箭是一個複雜的系統，航天發射最大的特點就是它的高風險性，因此在全世界範圍內推遲發射也是一個比較普遍的現象。正因為航天發射的高風險性，所以工程技術人員最大的目標就是要確保每次發射做到萬無一失，確保每次發射都能夠成功。為了實現這個目標，研製方也有一個最基本的原則，就是不帶疑點加注，不帶隱患上天。因此針對這個技術問題，研製方經過慎重研究決定推遲此次發射。整個系統狀態是良好的，研製方有能力儘快查明原因，解決問題，重新組織發射。”

有4大全球衛星導航系統（globalnavigation satellite system，GNSS），包括中國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）、美國的全球定位系統（global positioningsystem，GPS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system，Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global orbitingnavigation satellite system，GLONASS）。其中，BDS和GPS已服務全球，性能相當；功能方面，BDS較GPS多了區域短報文和全球短報文功能。GLONASS雖已服役全球，但性能相比BDS和GPS稍遜，且GLONASS軌道傾角較大，導致其在低緯度地區性能較差。Galileo的觀測量質量較好，但星載鐘穩定性稍差，導致系統可靠性較差。

2020年7月31日，北斗三號系統正式開通，北斗三號提前半年完成組網，系統正式開通標誌著北斗“三步走”發展戰略圓滿完成，中國成為世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。

GPS系統

由來和發展

美國國防部（United States Department of Defense，DOD）於1973年決定成立GPS計畫聯合辦公室，由軍方聯合開發全球測時與測距導航定位系統（navigation system with time and ranging，NAVSTAR/GPS）。整個系統的建設分3個階段實施：第1階段（1973-1979年），系統原理方案可行性驗證階段（含設備研製）；第2階段（1979-1983年），系統試驗研究（對系統設備進行試驗）與系統設備研製階段；第3階段（1983-1988年），工程發展和完成階段。從1978年發射第1顆GPS衛星，到1994年3月10日完成21顆工作衛星加3顆備用衛星的衛星星座配置，1995年4月，美國國防部正式宣布GPS具備完全工作能力。GPS的建設歷經20年，其系統由空間段、運控段、用戶段3大部分組成，整個星座額定有24顆衛星，分置在6箇中軌道面內，它的優良性能被譽為是一場導航領域的革命。GPS提供標準定位服務（standard positioning system，SPS）和精密定位業務（precise positioning service，PPS），在包含選擇可用性技術（selective availability，SA）影響時，SPS的定位精度水平為100米（95%的機率），不含SA影響為20~30米，定時精度為340ns；PPS定位精度可在10米以內。

GPS的現代化

1996年提出GPS現代化計畫，其第1個標誌性行動是，從2000年5月1日起，取消GPS衛星人為惡化定位精度的SA技術，致使定位精度有數量級的提升。20多年來，美國持續推進現代化計畫，投入200多億美元的巨資，主要目標是提高空間段衛星和地面段運控的水平，將軍民用信號分離，在強化軍用功性能的同時，將民用信號從1個增加到4個，除了保留L1頻點上的C/A碼民用信號外，在原先的L1和L2頻點上又加上民用L1C和L2C碼，還新增加L5頻點民用信號，大大增加了民用信號的冗裕度，從而改進了系統的定位精度、信號的可用性和完好性、服務的連續性，以及抗無線干擾能力；也有助於高精度的實時動態差分（real-time kinematic，RTK）測量和在長短基線上的套用，還有利於飛機的精密進場和著陸、測繪、精細農業、機械控制與民用室內增強的套用，以及地球科學研究。

GPS現代化是項系統性工作，它包括：空間衛星段、地面運控段、新的運控系統（operationalcontrol system，OCX）和用戶設備段現代化，其核心是增加L5頻點和民用信號數量與改變制式，實現與其他GNSS信號的互操作。最後1顆GPSIIIF預計2034年發射，宣告GPS現代化進程結束。

GLONASS系統

由來發展和現代化

1976年蘇聯政府頒布建立GLONASS的政府令，並成立相應的科學研究機構，進行工程設計。1982年10月12日，成功發射第1顆GLONASS衛星。1996年1月24顆衛星全球組網，宣布進入完全工作狀態。之後，蘇聯解體，GLONASS步入艱難維持階段，2000年年初，該系統僅有7顆衛星正常工作，幾近崩潰邊緣。2001年8月，俄羅斯政府通過了2002-2011年間GLONASS恢復和現代化計畫。2001年12月發射成功第1顆現代化衛星GLONASS-M。直到2012年該系統回歸到24顆衛星完全服務狀態。

GLONASS截至2020年已經有3代衛星：第1代衛星是傳統的GLONASS基本型；第2代星是GLONASS-M現代化衛星；第3代就是最新開發的GLONASS-K衛星，K星系列又分為K1和K2兩種型號。

GLONASS星座是由3個軌道面上的24顆衛星構成的。其傳統的信號使用頻分多址（frequencydivision multiple access，FDMA），而不是其他GNSS所用的碼分多址（code division multiple access，CDMA）。與傳統的GPS信號一樣，GLONASS信號包括2個偽隨機噪聲碼（pseudo random noise code，PRN）測距碼：標準精度（standard accuracy，ST）碼及高精度（Visokaya Tochnost即high precision，VT）碼，調製到L1和L2載波上。GLONASS ST碼也已經在GLONASS-M衛星的L2頻率上傳輸。傳送的信號像GPS信號一樣是右旋圓極化波的。GLONASS-K1在新的L3頻率（1202.025MHz）上傳輸CDMA信號，GLONASS-K2還將在L1和L2頻率上提供CDMA信號，從而實現與其他GNSS的兼容與互操作。GLONASS-K1星的空間信號測距誤差（signal-in-space user range errors，SISRE）約為1米，GLONASS-K2星則為0.3米。

Galileo系統

歐洲全球衛星導航系統（European globalnavigation satellite systems，E-GNSS）就是Galileo。Galileo第1、2顆試驗衛星GIOV-A和GIOV-B已於2005年和2008年發射升空，目的是考證關鍵技術，其後有4顆工作衛星發射，驗證Galileo的空間段和地面段的相關技術。在軌驗證（design andon-orbit verification，IOV）階段完成後，其他衛星的部署進一步展開，計畫2018-2020年達到24顆衛星構成的完全運行能力（full operationalcapability，FOC）。

Galileo系統

Galileo也由空間段、運控段和用戶段組成。星座有24顆衛星分置於3箇中圓地球軌道面內。Galileo信號工作的主要頻段為E1、E5及E63個。它們各自發射獨立的信號，發射的中心頻率分別為：1575.42、1191.795和1278.75MHz。其中，E5又分為E5a和E5b兩個子信號。為了實現與GPS的兼容互操作，Galileo的E1和E5a2個信號的中心頻率與GPS的L1和L5相互重合。出於同樣的兼容互操作目的，Galileo的E5b與GLONASS的G3信號中心頻率重合。

Galileo雖然提供的信息仍還是位置、速度和時間，但是Galileo提供的服務種類遠比GPS多，GPS僅有民用的標準定位服務（SPS）和軍用的精密定位服務（PPS）2種，而Galileo則提供5種服務，即：

①公開服務（open service，OS），與GPS的SPS相類似，免費提供；

②生命安全服務（safetyof life service，SoLS）；

③商業服務（commercialservice，CS）；

④公共特許服務（public regulatedservice，PRS）；

⑤搜救服務（search and rescuesupport service，SAR）。

以上所述的前4種是Galileo的核心服務，最後1種則是支持搜救衛星服務（search and rescue satellite-aided tracking，SARSAT）。由於生命安全服務實際運作有難度，近些年來已經不太提及。即使這樣，Galileo服務還是種類較多且獨具特色，它能提供完好性廣播、服務保證，以及民用控制和局域增強。

Galileo的公開服務提供定位、導航和授時免費服務，供大眾導航市場套用。生命安全服務可以同國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）標準和推薦條款（standards and recommendedpractices，SARPS）中的“垂直制導方法”相比擬，並提供完好性信息。商業服務是對公開服務的1種增值服務，它具備加密導航數據的鑑別認證功能，為測距和授時專業套用提供有保證的服務承諾。公共特許服務是為歐洲/國家安全套用專門設定的，是特許的或關鍵的套用，以及具有戰略意義的活動，其衛星信號更為可靠耐用，受成員國控制。Galileo提供的公共服務定位精度通常為15~20米（單頻）和5~10米（雙頻）2種檔次。公共特許服務有局域增強時能達到1米，商用服務有局域增強時為0.1~1.0米。

其他系統

除了上述4大全球系統外，還包括區域系統和增強系統，其中區域系統有日本的QZSS和印度的IRNSS，增強系統有美國的WASS、日本的MSAS、歐盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亞的NIG-COMSAT-1等。