行業新聞

根據衛星導航産業全球top 31家公司超過300組receivers, chipsets和(hé)modules所做的市場在售接收機不同GNSS 系統的所占比例調查，結果顯示：GPS第一，GLONASS其次，Galileo和(hé)BeiDou正逐步被生産廠(chǎng)商接受。

GNSS設備同時(shí)接受幾種信号的能(néng)力，除了(le)可知(zhī)多星座組合導航正成爲一種行業标準特征之外(wài)，請(qǐng)注意：雙模接收機中綠色（GPS+GLONASS）和(hé)藍色（GPS+BeiDou）的數量對(duì)比，以及三模接收機中紫色（GPS+Galileo+GLONASS）和(hé)剩餘部分（兼容BeiDou）的數量對(duì)比。

第一個問題：

“格洛納斯使用(yòng)較少”這(zhè)個說法是錯誤的。迄今爲止全世界僅有兩套完成全球組網的導航系統：GPS和(hé)GLONASS。而GLONASS的民用(yòng)應用(yòng)非常普遍，世界上(shàng)在售的民用(yòng)接收機，無論是手機、導航儀、消費級模塊還是測繪接收機，如果要支持雙模，首選都是GPS和(hé)GLONASS。

GLONASS的普及程度高(gāo)于其他(tā)的GNSS系統，包括伽利略，北鬥，IRNSS。

第二個問題：

簡要介紹一下(xià)幾大(dà)GNSS系統各自(zì)特點。

1、GPS 全稱是 NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System) 簡稱拼起來(lái)正好(hǎo)是“導航星”的意思（雖然官方宣稱這(zhè)個文(wén)绉绉的名字是是個巧合，不管你(nǐ)信不信，反正我不信），始建于1970s，前期預研起始于1958年左右。是衛星導航理(lǐ)論和(hé)實踐的開(kāi)創者，由美(měi)國軍方運營。無論從(cóng)技術上(shàng)還是運營上(shàng)，一直在被模仿，從(cóng)未被超越。

GPS衛星的的壽命和(hé)可靠性堪稱典範，由于美(měi)國的政策是隻有當前衛星退役後，才發射新衛星補充，GPS衛星的長壽甚至成爲GPS系統升級的阻礙——老(lǎo)衛星總是用(yòng)不壞，新一代衛星隻能(néng)等着。

GPS系統進入試驗階段後，其定位精度遠遠出乎最初設計(jì)人員的預料，于是GPS早年對(duì)民用(yòng)信号的精度給予限制，定位誤差被人爲加大(dà)到(dào)100m左右。但(dàn)很(hěn)快(kuài)，一種破解這(zhè)一精度限制的技術，差分GPS技術問世了(le)，這(zhè)種技術通過一台位置已知(zhī)的接收機獲取觀測量，可以把人爲加進去的誤差給消掉，很(hěn)快(kuài)，大(dà)量的GPS差分站(zhàn)開(kāi)始在北美(měi)和(hé)世界各地建立。差分技術的發展促進了(le)美(měi)國取消了(le)GPS民用(yòng)精度限制，但(dàn)這(zhè)還不是最後的決定因素。美(měi)國放(fàng)棄精度限制的一大(dà)原因就是GLONASS。

對(duì)于測繪級精密定位，需要雙頻觀測來(lái)修正電離層誤差。早年GPS在L1和(hé)L2兩個頻率上(shàng)播發有信号，其中L1是民用(yòng)和(hé)軍用(yòng)信号，L2上(shàng)隻有軍用(yòng)信号。但(dàn)是不甘寂寞的接收機廠(chǎng)家的工(gōng)程師們找到(dào)了(le)各種各樣的利用(yòng)L2上(shàng)碼型未知(zhī)軍用(yòng)信号的方法，以Z跟蹤爲代表的一系列技術打開(kāi)了(le)民用(yòng)雙頻測量的大(dà)門(mén)。

GPS依托美(měi)軍的全球存在，在世界各地遍布測控站(zhàn)，站(zhàn)點分布均勻，定軌效果好(hǎo)。GPS使用(yòng)的WGS-84坐(zuò)标系成爲事(shì)實上(shàng)的國際标準。在多次提供精度後，現(xiàn)役的WGS-84坐(zuò)标系和(hé)ITRF搞的那個誤差已被限制到(dào)毫米級。

GPS的CA碼碼速率是1.023MHz。目前（2016年實測）GPS開(kāi)闊地單點定位的誤差橢圓直徑大(dà)概在2m左右，可以理(lǐ)解爲其定位精度。

美(měi)國正在進行GPS的現(xiàn)代化工(gōng)作(zuò)。最新的GPS衛星在L2頻率上(shàng)調制了(le)新的民用(yòng)信号，使用(yòng)了(le)第三個頻率L5，開(kāi)發新的軍用(yòng)信号，GPS依然保持着業界老(lǎo)大(dà)的地位，短期内無人能(néng)敵。

2、GLONASS 的命運坎坷。GPS開(kāi)始部署後，蘇聯人認爲我們也(yě)需要一個相似的系統，于是在1970s開(kāi)始了(le)研發，1982年發射了(le)第一顆衛星，後來(lái)曆經蘇聯解體，經濟不振，斷斷續續直到(dào)199x年才補全了(le)衛星，後來(lái)由于衛星壽命太短，和(hé)GPS動辄20-30年的壽命相比，GLONASS隻有數年的壽命，早期的衛星壽命甚至隻有3年。俄羅斯努力地讓發射衛星的速度快(kuài)過衛星壞掉的速度，經過十餘年的努力，二十一世紀初，終于布滿了(le)星座。其代價是，現(xiàn)在，除了(le)25顆左右的在用(yòng)衛星，軌道(dào)上(shàng)還有130多個GLONASS衛星的屍體……

GLONASS在設計(jì)之初就沒考慮搞人工(gōng)降低(dī)精度的措施，所以早年GLONASS的精度一直優于被加擾的GPS，這(zhè)爲GLONASS赢得了(le)最初的用(yòng)戶，也(yě)和(hé)差分技術一起，逼迫美(měi)國放(fàng)棄了(le)民用(yòng)信号加擾的策略，美(měi)國在200x年關閉加擾策略時(shí)官方的說法大(dà)概是這(zhè)樣的：“我們确保在民用(yòng)領域GPS能(néng)提供優于其他(tā)系統的精度和(hé)可用(yòng)性”

由于俄羅斯地處高(gāo)緯度地區(qū)，GLONASS衛星的軌道(dào)設計(jì)上(shàng)照顧了(le)這(zhè)一點。在高(gāo)緯度地區(qū)，如極地，衛星分布和(hé)定位表現(xiàn)會(huì)比GPS好(hǎo)一些(xiē)。

與其他(tā)GNSS系統采用(yòng)CDMA碼分多址不同，GLONASS使用(yòng)了(le)FDMA頻分多址的策略。對(duì)接收機帶寬要求略高(gāo)。爲了(le)平衡這(zhè)個問題，GLONASS 民用(yòng)信号選擇了(le)較低(dī)的碼速率以節約帶寬，其碼速率隻有GPS民用(yòng)信号速率一半，大(dà)概511kHz，導緻單點定位精度低(dī)于GPS，現(xiàn)在标準差橢圓半徑在5m左右。後來(lái)GLONASS重新調整了(le)衛星頻率規劃，讓同時(shí)地處地球兩端的衛星使用(yòng)相同的頻率。貌似也(yě)節省了(le)一些(xiē)帶寬。

過去GLONASS采用(yòng)PZ90.02坐(zuò)标系，它和(hé)GPS使用(yòng)的WGS-84之間有誤差。在使用(yòng)雙系統定位時(shí)，需要一些(xiē)經驗公式轉換坐(zuò)标位置。俄羅斯在2013年将GLONASS升級了(le)坐(zuò)标系，把坐(zuò)标和(hé)WGS-84和(hé)ITRF的誤差減少到(dào)了(le)毫米的水(shuǐ)平。現(xiàn)在雙系統定位時(shí)，已不需要考慮坐(zuò)标變換問題。

GLONASS也(yě)在實施現(xiàn)代化的策略，新的GLONASS-M還是K衛星将計(jì)劃改用(yòng)CDMA的信号體制。

最後不得不贊揚俄羅斯科學家的強到(dào)變态的數學功底。

GNSS系統使用(yòng)導航電文(wén)描述衛星位置。絕大(dà)多數系統利用(yòng)衛星運動原理(lǐ)提出的“開(kāi)普勒軌道(dào)參數”和(hé)一些(xiē)修正項來(lái)描述某一時(shí)刻衛星在空(kōng)間的位置，通過一些(xiē)諸如牛對(duì)叠代算(suàn)法求方程的數值解獲取衛星位置。隻有GLONASS在電文(wén)中非常暴力的給出了(le)衛星在直角坐(zuò)标系中xyz位置和(hé)xyz方向上(shàng)的導數、二階導數……通過龍格庫塔（貌似這(zhè)麽叫）數值積分，再通過一些(xiē)系數非常複雜(zá)的多項式修正獲取衛星實時(shí)位置……幾乎無視(shì)衛星軌道(dào)的物理(lǐ)特征，純數學操作(zuò)。（SBAS對(duì)GEO衛星也(yě)利用(yòng)這(zhè)種直接給xyz位置的方法描述，但(dàn)GEO衛星軌道(dào)位置變化小(xiǎo)，基本使用(yòng)簡單的插值積分就可以解算(suàn)了(le)）

另外(wài)GLONASS系統的數據公開(kāi)程度非常好(hǎo)，有一個網站(zhàn)叫分析中心，網址http://link.zhihu.com/?target=https%3A//glonass-iac.ru/點開(kāi)裏面可以選英語，提供GLONASS和(hé)GPS衛星的實時(shí)參數和(hé)系統狀況，以及性能(néng)分析。相比北鬥那兩個網站(zhàn)，遮遮掩掩，全是新聞和(hé)會(huì)議(yì)報(bào)道(dào)，不知(zhī)要高(gāo)到(dào)哪裏去了(le)。

3、北鬥。北鬥目前進行到(dào)第二代，正在試驗第三代。現(xiàn)在建成的北鬥二代是一個隻爲亞太地區(qū)服務的區(qū)域系統，在歐洲、非洲、美(měi)洲幾乎收不到(dào)衛星，在中亞、太平洋性能(néng)會(huì)打折扣。

199x年，中國的教授發現(xiàn)，隻要通過其他(tā)方法（比如氣壓表）給一個概略的高(gāo)程值，就可以通過有源雙星定位解算(suàn)出用(yòng)戶的位置。這(zhè)樣不需要打将近30個衛星，就可以建起一個低(dī)成本的衛星定位系統。經過一些(xiē)試驗後，北鬥一代提供服務。北鬥一代和(hé)GPS/GLONASS不同，它的用(yòng)戶機必須發信号才能(néng)完成定位，而GPS/GLONASS隻要接收就可以了(le)。由于定位需要進行雙向衛星通信，北鬥一代的用(yòng)戶容量是有限的。這(zhè)導緻注定這(zhè)個權宜之計(jì)下(xià)搞出的系統隻能(néng)爲特殊用(yòng)戶提供服務。此外(wài)北鬥一代是用(yòng)通信衛星實現(xiàn)的，所以它還有一個副業，就是短報(bào)文(wén)通信。我至今沒有用(yòng)過北鬥一代這(zhè)套系統。

随着中國經濟發展，中國覺得這(zhè)個一代不靠譜，需要也(yě)搞一個像GPS/GLONASS那樣的無源系統。但(dàn)是無奈（航天某所和(hé)中電某所的）技術有限，論證半天不敢直接搞一個大(dà)系統。那就采取了(le)一條先局部，再全球的策略，也(yě)就是現(xiàn)在的北鬥二代區(qū)域系統，和(hé)北鬥三代全球系統。

這(zhè)時(shí)候歐盟的伽利略提上(shàng)日程。中國想和(hé)他(tā)們合作(zuò)，我出小(xiǎo)錢(qián)錢(qián)，歐盟出技術，心裏想順便我也(yě)能(néng)學到(dào)技術。于是兩者一拍(pāi)即合。但(dàn)後來(lái)中國發現(xiàn)被坑了(le)，錢(qián)沒少給，技術學不到(dào)。這(zhè)時(shí)候一狠心我們不合作(zuò)了(le)，我要單幹。于是專心緻志建立北鬥二代。

北鬥二代和(hé)GPS/GLONASS原理(lǐ)類似，但(dàn)軌道(dào)設置很(hěn)大(dà)的區(qū)别。GPS/GLONASS隻有中軌道(dào)MEO衛星，而北鬥二代有三種衛星：GEO，IGSO和(hé)MEO。MEO衛星是全球到(dào)處跑的，而GEO和(hé)IGSO衛星會(huì)乖乖地定在中國上(shàng)空(kōng)。由于隻用(yòng)GEO衛星，會(huì)造成南北方向變态大(dà)的定位誤差，所以必須用(yòng)IGSO來(lái)改善星座分布。

北鬥二代擁有GPS兩倍，GLONASS四倍的民用(yòng)信号帶寬，2.046MHz，數學上(shàng)講其信号性能(néng)是最好(hǎo)的，實測北鬥碼測量結果也(yě)确實十分細膩。但(dàn)現(xiàn)在北鬥二代在亞太地區(qū)定位性能(néng)還比不過GPS和(hé)GLONASS，現(xiàn)在限制北鬥二代精度和(hé)準确度的，主要是是地面測控站(zhàn)分布不夠廣泛導緻測軌可能(néng)還有一些(xiē)問題，天空(kōng)中衛星分布集中在南面，不夠均勻，等等。

在北鬥公布接口文(wén)件之前，現(xiàn)在的格蕾絲·杏欣·高(gāo)教授還在攻讀博士學位。當時(shí)中國發射了(le)唯一一顆可以全球轉的MEO試驗衛星（剩下(xià)的都是定在亞太上(shàng)空(kōng)的，轉不到(dào)歐洲和(hé)美(měi)國那面），使用(yòng)C30的PRN碼，開(kāi)始播發信号（據外(wài)媒……外(wài)國學術論文(wén)報(bào)道(dào)，這(zhè)顆衛星遇到(dào)了(le)嚴重的時(shí)鐘(zhōng)問題，不久就壞掉了(le)）。高(gāo)同學使用(yòng)一個不到(dào)2m的抛物面天線跟蹤了(le)這(zhè)顆衛星，在B1、B2和(hé)B3三個頻率上(shàng)觀察到(dào)了(le)導航信号。她(tā)把信号錄下(xià)來(lái)分析，發現(xiàn)了(le)三個重複周期分别爲1ms、1ms、10ms的信号。要知(zhī)道(dào)GPS民用(yòng)信号重複時(shí)間是1ms。軍用(yòng)信号重複時(shí)間長達1周，高(gāo)同學想當然的認爲，這(zhè)三個都是民用(yòng)公開(kāi)信号，于是通過一些(xiē)信号處理(lǐ)算(suàn)法得到(dào)了(le)碼序列，然後通過傑出的數學算(suàn)法獲得了(le)三個信号的生成多項式，即信号的生成結構，發表了(le)那篇後來(lái)給她(tā)帶來(lái)一世罵名的論文(wén)。國外(wài)的接收機廠(chǎng)商借助這(zhè)篇論文(wén)，很(hěn)快(kuài)開(kāi)發了(le)高(gāo)性能(néng)的北鬥接收機，讓國内通過延遲發布ICD保護本土廠(chǎng)商的計(jì)劃（可能(néng)有，沒有證據支持，純粹個人猜想）落空(kōng)了(le)。這(zhè)篇論文(wén)算(suàn)不上(shàng)破解了(le)軍用(yòng)北鬥，如果軍用(yòng)北鬥那麽容易就被破解了(le)，我們的專家豈不是很(hěn)沒有面子，所以特殊領域的安全問題大(dà)家盡可放(fàng)心，但(dàn)此事(shì)也(yě)絕對(duì)曾讓國内的某些(xiē)決策和(hé)研發人員大(dà)跌眼鏡當場懵逼。事(shì)後北鬥公開(kāi)了(le)兩版接口文(wén)件，先公開(kāi)了(le)B1頻率上(shàng)的民用(yòng)信号，和(hé)高(gāo)同學搞出來(lái)的那個是一樣的。N個月後又公布了(le)B2頻率的民用(yòng)信号——和(hé)B1上(shàng)的信号結構是一樣的=_=b，但(dàn)沒忘寫了(le)一句，B2上(shàng)的這(zhè)個信号可能(néng)會(huì)改……（大(dà)概在新型号體制實驗取得成功後）。

相比北鬥二代建立初期，現(xiàn)在的衛星技術已經取得了(le)很(hěn)大(dà)的進步，但(dàn)……可能(néng)是我的要求略高(gāo)……或者站(zhàn)着說話(huà)不腰疼……我知(zhī)道(dào)中電某所，航天某所……某院……某大(dà)學，某某大(dà)學的同志們已經很(hěn)努力了(le)……無意冒犯，但(dàn)相比GPS和(hé)GLONASS還有進步的空(kōng)間。

最近幾年，北鬥三代的試驗星已經上(shàng)天了(le)。對(duì)于這(zhè)些(xiē)實驗工(gōng)作(zuò)，可能(néng)包括新信号、星間鏈路、空(kōng)間定軌等，我無權接觸，公開(kāi)信息也(yě)不多，希望現(xiàn)有的問題能(néng)早日解決。目前我覺得北鬥三代不想繼續使用(yòng)北鬥二代這(zhè)種老(lǎo)技術，應該是想在技術層面向伽利略看(kàn)齊。一旦時(shí)機成熟，使用(yòng)新信号的北鬥三代會(huì)噌噌地發射，組網，服務，如果按照白(bái)皮書的計(jì)劃，2020年，北鬥會(huì)成爲第三個全球組網的定位系統。

4、伽利略系統。伽利略系統具有最先進的紙(zhǐ)面設計(jì)，就實際發射的幾顆衛星看(kàn)來(lái)，實際性能(néng)也(yě)将會(huì)很(hěn)出色。Galileo擁有先進的新信号體制，從(cóng)一開(kāi)始就處在技術新高(gāo)度上(shàng)，不用(yòng)兼容老(lǎo)産品。Galileo擁有一個達到(dào)51MHz帶寬民用(yòng)信号……所謂信号帶寬太大(dà)會(huì)增加接收機成本到(dào)不可接受是基于上(shàng)世紀的電子技術，現(xiàn)在這(zhè)種技術問題已經不複存在。這(zhè)些(xiē)信号将提供超越GPS的民用(yòng)定位性能(néng)。無奈在歐盟缺錢(qián)，衛星星座遲遲無法布滿，組網進度似乎已被北鬥趕超。倒是接收機廠(chǎng)商動作(zuò)很(hěn)快(kuài)，衛星沒發齊接收機到(dào)處都有了(le)，和(hé)衛星打齊了(le)沒有接收機的irnss形成鮮明(míng)對(duì)比。

5、QZSS系統。QZSS是日本的準天頂系統，它是GPS的增強系統。預計(jì)發射三顆衛星，現(xiàn)在發射了(le)一顆。所謂“準天頂”，就是通過規劃一個斜的8字軌道(dào)，讓系統的三顆衛星三班倒，在日本本土，任何時(shí)間總有一顆位于接近90度仰角的天頂位置。在日本高(gāo)樓林(lín)立的街道(dào)上(shàng)，這(zhè)顆衛星可以提供良好(hǎo)的可見性，提供GPS增強信息，彌補SBAS系統仰角低(dī)，可見性不好(hǎo)的缺點。

6、IRNSS系統。印度發展的區(qū)域導航系統，和(hé)北鬥類似，擁有3顆GEO和(hé)4顆IGSO衛星。目前已經完成組網，但(dàn)支持的設備真心少。理(lǐ)論上(shàng)在我國西部可以利用(yòng)它定位。它基本采用(yòng)和(hé)GPS一緻的體系，特色在于，其他(tā)的系統，包括GPS、GLONASS、北鬥、伽利略、QZSS、SBAS，都隻在L波段（1.2GHz）播發信号，而IRNSS擁有目前世界唯一一個S波段（2.4GHz）民用(yòng)導航信号。在新的波段，電磁波傳播具有不同的特性，值得研究。

7、SBAS系統。SBAS系統全稱星基增強系統，它采用(yòng)GEO衛星，用(yòng)GPS L1和(hé)L5波段播發GPS廣域差分修正信息，增強GPS的性能(néng)。它有不同國家運行的幾個不同的系統組成，分别是

• 美(měi)國的WAAS（Wide Area Augmentation System）

• 俄羅斯的SDCM（System for Differential Corrections and Monitoring）

• 歐洲的EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service）

• 日本的MSAS（Multi-functional Satellite Augmentation System）

• 印度的GAGAN（GPS Aided Geo Augmented Navigation）

中國在早年也(yě)策劃過類似的系統，但(dàn)可能(néng)沒有實施。他(tā)相當于GPS系統中的GEO衛星，起到(dào)的作(zuò)用(yòng)和(hé)北鬥GEO衛星在北鬥二代中的功能(néng)類似。有的衛星隻能(néng)播發修正信息，有的還能(néng)參與定位。

最初美(měi)國搞WAAS的目的是希望讓GPS增強到(dào)擁有在任何地方都可以引導飛(fēi)機盲降的精度和(hé)可靠性，但(dàn)這(zhè)個目标比較難以實現(xiàn)。

GPS至今是衛星定位界的老(lǎo)大(dà)，他(tā)帶了(le)SBAS、QZSS幾個小(xiǎo)弟。我們可以把SBAS、QZSS看(kàn)作(zuò)GPS的輔助系統。

GLONASS是第二個全球覆蓋的衛星導航系統，當之無愧的第二把金(jīn)交椅。

北鬥三代和(hé)伽利略是努力追趕的、建設中的全球衛星導航系統。

北鬥二代和(hé)IRNSS是已經投入運營的，已建成的區(qū)域衛星導航系統。

北鬥一代是爲了(le)解決我國用(yòng)戶急需，建立的一套多功能(néng)……有源衛星定位/通信系統。

北鬥一代和(hé)北鬥二代在業界也(yě)被稱爲RDSS和(hé)RNSS。