全球四大衛星定位系統

說起衛星定位導航系統，人們就會想到GPS，但是現在，伴隨著眾多衛星定位導航系統的興起，全球衛星定位導航系統有了一個全新的稱呼：GNSS(Global Navigation Satellite System)。當前，在這一領域最吸引人眼球的要數美國的GPS衛星導航系統；此外，還有俄羅斯的「格洛納斯」 導航衛星系統，歐盟的「伽利略」導航衛星系統，以及我國自主開發的「北斗」導航衛星系統。美國GPS系統GPS（Global Position System）全球定位系統是目前最成熟的衛星定位導航系統。它是美國從上世紀70年代開始研製，歷時20年，耗資近200億美元，於1994年全面建成的新一代衛星導航與定位系統。GPS利用導航衛星進行測時和測距，具有在海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力。它是繼阿波羅登月計劃、太空梭後的美國第三大航天工程。如今，GPS已經成為當今世界上最實用，也是應用最廣泛的全球精密導航、指揮和調度系統。GPS全球定位系統由空間系統、地面控制系統和用戶系統三大部分組成。其空間系統由21顆工作衛星和3顆備份衛星組成，分布在20200千米高的6個軌道平面上，運行周期12小時。地球上任何地方任一時刻都能同時觀測到4顆以上的衛星。地面控制系統負責衛星的測軌和運行控制。用戶系統為各種用途的GPS 接收機，通過接收衛星廣播信號來獲取位置信息，該系統用戶數量可以是無限的。GPS全球定位系統是美國為軍事目的而建立的。1983年一架民用飛機在空中因被誤以為是敵軍飛機而遭擊落後，美國承諾GPS免費開放供民間使用。美國為軍用和民用安排了不同的頻段，並分別廣播了P碼和C/A碼兩種不同精度的位置信息。目前美國軍用GPS精度可達1米，而民用GPS理論精度只有10米左右。 特別地，美國在90代中期為了自身的安全考慮，在民用衛星信號上加入了SA (Selective Availability)，進行人為擾碼，這使得一般民用GPS接收機的精度只有100米左右。2000年5月2日，SA干擾被取消，全球的民用GPS接收機的定位精度在一夜之間提高了許多，大部分的情況下可以獲得10米左右的定位精度。美國之所以停止執行SA政策，是由於美國軍方現已開發出新技術，可以隨時降低對美國存在威脅地區的民用GPS精度，所以現在這種高精度的GPS技術才得以向全球免費開放使用。受應用需求的刺激，民用GPS技術蓬勃發展，出現了DGPS（差分GPS）、WAAS（地面廣播站型態的修正技術）等技術，進一步提高民用GPS的應用精度。2005年，美國開始發射新一代GPS衛星，開始提供第二個民用波段。未來還將提供第三，第四民用波段。隨著可用波段的增加，新衛星陸續使用，GPS定位系統的精度和穩定性都比過去更理想，這必將大大拓展GPS應用與消費需求。此外新衛星也提供更優秀的軍用支持能力，當然這隻對美國軍方及其盟友有益。美國利用GPS獲得了巨大的經濟利益，多年來在出售信號接收設備方面賺取了巨額利潤。以GPS為代表的衛星導航定位應用產業，已成為八大無線電子產業之一。雖然GPS已廣泛應用，但也絕非完美無缺。例如，其規模太大、造價太高，其它國家很難效仿；GPS只能導航，無法通信，因而不能滿足日益增長的用戶需求；如果僅依賴GPS，則容易受美國控制。為了提高國防安全，以及從廣闊的導航市場獲取利益，一些有能力的國家建設了自己的衛星導航系統。俄羅斯 「格洛納斯」 GLONASS「格洛納斯」GLONASS是前蘇聯從80年代初開始建設的與美國GPS系統相類似的衛星定位系統，覆蓋範圍包括全部地球表面和近地空間，也由衛星星座、地面監測控制站和用戶設備三部分組成。雖然「格洛納斯」系統的第一顆衛星早在1982年就已發射成功，但受蘇聯解體影響，整個系統發展緩慢。直到1995年，俄羅斯耗資30多億美元，才完成了GLONASS導航衛星星座的組網工作。目前此衛星網路由俄羅斯國防部控制。GLONASS系統由24顆衛星組成，原理和方案都與GPS類似，不過，其24顆衛星分布在3個軌道平面上，這3個軌道平面兩兩相隔120°，同平面內的衛星之間相隔45°。每顆衛星都在19100千米高、64.8°傾角的軌道上運行，軌道周期為11小時15分鐘。地面控制部分全部都在俄羅斯領土境內。俄羅斯自稱，多功能的GLONASS系統定位精度可達1米，速度誤差僅為15厘米/秒。如果需要，該系統還可用來為精確打擊武器制導。俄羅斯對GLONASS系統採用了軍民合用、不加密的開放政策。GLONASS一開始就沒有加SA干擾，所以其民用精度優於加SA的GPS。不過，GLONASS應用普及情況則遠不及GPS，這主要是俄羅斯並沒有開發民用市場。另外，GLONASS衛星平均在軌壽命較短，由於俄羅斯航天局經費困難，無力補網，導致軌道衛星不能獨立組網，只能與GPS聯合使用。致使實用精度大大下降。2003年的伊拉克戰爭對俄羅斯產生了相當大的震動，迫使俄羅斯領導層再次對太空的軍事用途重視起來。普京總統曾強調，出於國家安全戰略的考慮，俄羅斯應該使用本國的「格魯納斯」系統，而非美國的GPS或者是歐洲的「伽利略」導航系統。俄羅斯正在著手GLONASS系統的現代化改進工作，新一代「GLONASS-Ｍ」型導航衛星已陸續投入發射，開始使用。日前俄羅斯官方宣布，從2007年起，俄全球衛星導航系統「格洛納斯」將全面啟動民用商業服務計劃，「格洛納斯」系統為俄羅斯公民提供不限制精度的導航定位服務，將有助於促進民用衛星導航市場的發展。為「格洛納斯」帶來新的生機，軍轉民計劃有望使GLONASS獲得新的生機。目前，「格洛納斯」系統實際在軌衛星達17顆，到2007年底，「格洛納斯」系統將覆蓋整個俄羅斯，屆時該系統衛星總數將增加到18顆；而到2009年末，該系統衛星總數將增加到24顆，真正實現全球定位導航。屆時，GLONASS系統將具備與美國GPS系統相抗衡的實力。歐盟 「伽利略」 GALILEO衛星定位系統總投資達３５億歐元的伽利略計劃是歐洲自主的、獨立的民用全球衛星導航系統，提供高精度，高可靠性的定位服務，實現完全非軍方控制、管理，可以進行覆蓋全球的導航和定位功能。歐盟發展「伽利略」衛星定位系統可以減少歐洲對美國軍事和技術的依賴，打破美國對衛星導航市場的壟斷。法國總統希拉克曾表示，沒有「伽利略」計劃，歐洲「將不可避免地成為附庸，首先是科學和技術，其次是工業和經濟」。「伽利略」計劃是一種中高度圓軌道衛星定位方案。「伽利略」衛星導航定位系統的建立將於2007年底之前完成，2008年投入使用，總共發射30顆衛星，其中27顆衛星為工作衛星，3顆為候補衛星。衛星高度為24126公里，位於3個傾角為56度的軌道平面內。該系統除了30顆中高度圓軌道衛星外，還有2個地面控制中心。歐盟伽利略計劃的首顆衛星在2005年12月28日升空，第二顆衛星預計在今年發射。由於伽利略計劃採用歐盟公共機構和聯盟內私營企業合營的方式，而各國私營企業遲遲未就權利和利益分配達成妥協。歐盟相關發言人承認，由於上述問題的存在，伽利略系統實現商業運行的時間已經被推遲到了2011年甚至更晚。作為一個大型戰略性國際合作項目，伽利略計劃的實施進展關乎多方利益。到目前為止，歐盟已經與中國、以色列、美國、烏克蘭、印度、摩洛哥和韓國分別簽署了合作開發協議，並正在與阿根廷、巴西、墨西哥、挪威、智利、馬來西亞、加拿大以及澳大利亞等國進行合作談判。中國是最早與歐盟簽訂伽利略計劃合作協議的非歐盟國家，承諾的投資總額達2億歐元。可以說，作為歐盟日益重要的全球合作夥伴之一，中國參與伽利略計劃是中歐雙方共同的經濟和戰略利益需要。與美國的「全球定位系統」(GPS)相比，建成後的伽利略系統將具備至少3方面優勢：首先，其覆蓋面積將是GPS系統的兩倍，可為更廣泛的人群提供服務；其次，其地面定位誤差不超過1米，精確度要比GPS高5倍以上，用專家的話說，「GPS只能找到街道，而伽利略系統則能找到車庫門」；第三，伽利略系統使用多種頻段工作，在民用領域比GPS更經濟、更透明、更開放。伽利略計劃一旦實現，不僅可以極大地方便歐洲人的生活，還將為歐洲的工業和商業帶來可觀的經濟效益。更重要的是，歐洲將從此擁有自己的全球衛星定位系統，這不僅有助於打破美國GPS系統的壟斷地位，在全球高科技競爭浪潮中奪取有利位置，更可以為建設夢想已久的歐洲獨立防務創造條件。中國在大力參與伽利略計劃的同時，始終沒有放棄開發自有衛星導航系統的努力。2003年5月25日，我國成功地將第三顆「北斗一號」導航定位衛星送入太空。前兩顆「北斗一號」衛星分別於2000年10月31日和12月21日發射升空，第三顆發射的是導航定位系統的備份星，它與前兩顆「北斗一號」工作星組成了完整的衛星導航定位系統，確保全天候、全天時提供衛星導航信息。這標誌著我國成為繼美國全球衛星定位系統(GPS)和前蘇聯的全球導航衛星系統(GLONASS)後，在世界上第三個建立了完善的衛星導航系統的國家，我國的「北斗一號」衛星導航系統是一種「雙星快速定位系統」。突出特點是構成系統的空間衛星數目少、用戶終端設備簡單、一切複雜性均集中於地面中心處理站。「北斗一號」衛星定位系統是利用地球同步衛星為用戶提供快速定位、簡短數字報文通信和授時服務的一種全天候、區域性的衛星定位系統。系統的主要功能是：1、定位：快速確定用戶所在地的地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息。2、通訊：用戶與用戶、用戶與中心控制系統間均可實現雙向短數字報文通信。3、授時：中心控制系統定時播發授時信息，為定時用戶提供時延修正值。「北斗一號」的覆蓋範圍是北緯5°一55°，東經70°一140°之間的心臟地區，上大下小，最寬處在北緯35°左右。其定位精度為水平精度100米，設立標校站之後為20米(類似差分狀態)。工作頻率：2491.75MHz。系統能容納的用戶數為每小時540000戶。2007年2月3日零時28分，我國在西昌衛星發射中心用「長征三號甲」運載火箭，成功將北斗導航試驗衛星送入太空。這是我國發射的第四顆北斗導航試驗衛星，從而拉開了建設「北斗二號」衛星導航系統的序幕。2007年4月14日，我國又將成功將第五顆「北斗」導航衛星送入太空。「北斗」導航衛星系統是世界上第一個區域性衛星導航系統，可全天候、全天時提供衛星導航信息。與其它全球性的導航系統相比，它能夠在很快的時間內建成，用較少的經費建成並集中服務於核心區域，是十分符合我國國情的一個衛星導航系統。 「北斗」導航定位衛星工程投資少，周期短；將導航定位、雙向數據通信、精密授時結合在一起，因而有獨特的優越性。中國正大力建設「北斗」衛星導航系統，計劃在2008年左右滿足中國及周邊地區用戶對衛星導航系統的需求，並進行系統組網和試驗，2010年逐步擴展為全球衛星導航系統。「北斗」衛星導航系統除了在我國國家安全領域發揮重大作用外，還將服務於國家經濟建設，提供監控救援、信息採集、精確授時和導航通訊等服務。可廣泛應用於船舶運輸、公路交通、鐵路運輸、海上作業、漁業生產、水文測報、森林防火、環境監測等眾多行業。衛星導航進入爭霸格局衛星導航系統是重要的空間基礎設施，為人類帶來了巨大的經濟效益和社會效益,涉及政治、經濟、軍事等領域，對維護國家利益具有重大意義。中國作為發展中國家，擁有廣闊的領土和海域，有必要也有能力擁有自己的全球衛星定位系統。我國政府高度重視衛星導航系統的建設，努力探索和發展擁有自主知識產權的全球衛星導航定位系統。目前，世界上只有少數國家具備自主建設衛星導航系統的能力，正在運行的有美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統，中國參與的歐洲伽利略全球衛星定位計劃也正在緊鑼密鼓地進行。為打破美國的壟斷，俄羅斯耗資30多億美元建起了自己的全球衛星導航系統GLONASS(格洛納斯)。2002年，歐盟與其它國家合作開發了「伽利略」衛星導航系統。此外，中國自主研發的北斗衛星導航系統已經取得重大進展。從目前的競爭格局看，GPS無疑還佔據著主導地位，但它的優勢正逐步被其它3大系統所取代。從技術和應用前景上看，四大系統各有優劣，如果說 GPS勝在成熟，伽利略勝在精準，那麼格洛納斯的最大價值就在於抗干擾能力強，而中國的北斗衛星導航系統的優勢則在於互動性和開放性。與GPS相比，伽利略系統在許多方面具有優勢，例如其衛星數量多達30顆，其衛星軌道位置比GPS高。伽利略可為地面用戶提供3種類型的信號供選擇，其中包括免費信號、加密且需交費才能使用的信號、加密且可以符合更高要求的信號。此外，伽利略衛星定位系統信號的最高精度比GPS高10倍，確定物體的誤差範圍在1米之內。正如有關專家所說：「如今的GPS只能找到街道，而伽利略卻能找到車庫的門。」而俄羅斯的格洛納斯由24顆衛星組成，也是由軍方負責研製和控制的軍民兩用導航定位衛星系統。儘管其民用定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干擾能力卻是最強的。中國自行研製生產的北斗衛星導航系統不僅具備在任何時間、任何地點為用戶確定其所在的地理經緯度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所創新。北斗系統與其它系統最大的不同，在於它不僅能使用戶知道自己的所在位置，還可以告訴別人自己的位置，特別適用於需要導航與移動數據通信的應用場合。此外，中國還致力於提高北斗衛星導航系統與其它全球衛星導航系統的兼容性，促進衛星定位、導航、授時服務功能的應用。顯而易見，建設衛星導航定位系統不僅經濟效益顯著，更是一個國家國防和綜合實力的重要標誌。GPS定位系統已經讓美國在參與的多場地區戰爭中獲得幫助。印度，日本等國也都在大力發展衛星導航系統。由於全球將出現多套全球導航定位系統，從市場的發展來看，將會出現多種導航系統競爭的局面。競爭會使用戶得到更穩定的信號、更優質的服務。世界上多套全球導航定位系統並存，相互之間的制約和互補將是各國大力發展全球導航定位產業的根本保證。
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