第1章卫星导航系统进展
全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）利用导航卫星发射的无线电信号进行精确测时与测距，能够为用户提供连续、稳定、可靠的定位、导航和授时（Positioning，Navigation，andTiming，PNT）服务。GNSS包括中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS），美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS），俄罗斯格洛纳斯导航卫星系统（GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sstema，GLONASS）和欧盟伽利略系统（Galileo）在内的全球性导航系统，日本准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System，QZSS）和印度区域导航卫星系统（Navigation with Indian Constellation，NAVIC）在内的区域性卫星系统及其各类星基增强系统（Satellite-Based Augmentation System，SBAS），例如美国的WAAS（Wide Area Augmentation System），欧洲的EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），日本的MSAS（Multi-functional Satellite Augmentation System）和印度的GAGAN（GPS Aided GEO Augmented Navigation）。以下重点介绍BDS、GPS、GLONASS和Galileo四个全球性导航系统并简要介绍其他区域导航系统的发展历程。
1.1北斗卫星导航系统进展
北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。
中国高度重视北斗系统的建设发展，20世纪80年代，中国开始探索适合本国国情的卫星导航系统发展道路，形成了“三步走”的发展战略[1]。**步，1994年启动**代北斗卫星导航定位系统建设，该系统是根据陈芳允院士提出的利用两颗地球同步卫星进行导航定位的设想而建立的，采用有源定位体制，靠双星定位确定用户的平面位置，海拔高程依靠中心站内的地面高程模型来确定。中国自行研制的两颗北斗导航试验卫星于2000年10月31日和2000年12月21日相继从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（分别位于东经80°和140°赤道上空），组成了我国**代卫星导航定位系统——北斗一号导航系统的卫星星座。2003年，发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。同时，北斗一号巧妙设计了双向短报文通信功能，这是北斗的*创。北斗一号是探索性的**步，初步满足了中国及周边区域的定位导航授时需求。中国卫星导航系统实现从无到有，使中国成为继美、俄之后第三个拥有卫星导航系统的国家。第二步，2004年启动北斗二号系统建设。2012年完成了14颗卫星发射组网，包括5颗地球静止轨道卫星（Geostationary Earth Orbit，GEO）、5颗倾斜地球同步轨道卫星（Inclined GeoSynchronous Orbit，IGSO）和4颗中圆地球轨道卫星（Medium Earth Orbit，MEO），北斗二号系统在兼容北斗一号系统技术体制的基础上，增加了无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。北斗二号创新性构建的5GEO+5IGSO+4MEO的中高轨混合星座架构，可为亚太地区用户提供更髙性能的定位导航授时服务，为全世界卫星导航系统发展提出了新的中国方案。第三步，2009年启动北斗三号系统建设。北斗三号系统是由3GEO+3IGSO+24MEO构成的混合导航星座，系统继承有源服务和无源服务两种技术体制，为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边地区用户提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务。2020年6月23日，北斗三号系统*后一颗GEO卫星成功发射，标志着北斗三号系统全球服务星座部署完成；同时，7月31日在北京人民大会堂举行的北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式，标志着北斗三号全球卫星导航系统正式开始向全世界提供连续稳定的导航定位授时服务。计划到2035年，将建成以北斗系统为核心，更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系，进一步提升时空信息服务能力，实现北斗高质量建设发展。
北斗系统是全球**个提供三频信号服务的卫星导航系统，使用双频信号可以减弱电离层延迟的影响，而使用三频信号可以构建更为复杂的模型，以此消除电离层延迟的髙阶误差。同时，使用三频信号可以提高载波相位模糊度的解算效率，理论上还可以提高载波收敛速度。正因如此，GPS系统也在扩展成三频信号系统。北斗二号在B1、B2和B3三个频段提供B1I、B2I和B3I三个公开服务信号。其中，B1频段的中心频率为1561.098MHz，B2为1207.14MHz，B3为1268.52MHz。北斗三号在B1、B2和B3三个频段提供BlI、BlC、B2a、B2b和B3I五个公开服务信号。其中，B1频段的中心频率为1575.42MHz，B2为1176.45MHz，B3为1268.52MHz。
北斗系统由空间段、地面段和用户段3部分组成。北斗系统的空间段由3类混合星座的卫星构成，北斗三号系统目前由3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星组成，其中MEO卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间相隔120°，均匀分布。北斗卫星导航系统的地面段包括主控站、注入站、监测站等若干地面站以及星间链路运行管理设施。主控站从监测站接收数据并进行处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，而后交由注人站执行信息的发送。同时，主控站还负责管理、协调整个地面控制系统的工作。注人站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理，在接受主控站的调度后，将卫星导航电文和差分完好性信息向卫星发送。监测站用于接收卫星的信号，并发送给主控站，实现对卫星的跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供可靠的观测资料。用户段包括北斗和兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。
1.2GPS卫星导航系统进展
苏联于1957年10月4日成功发射了世界上**颗人造地球卫星，美国霍普金斯大学应用物理实验室的韦芬巴赫等学者在苏联这颗卫星人轨不久，在地面已知坐标点上对其进行跟踪并捕获到了它发送的无线电信号，测得它的多普勒频移，进而解算出了苏联卫星的轨道参数，掌握了其在空间的实时位置。根据这一观测结果，该实验室的麦克雷等学者提出了一个“反向观测”设想:有了地面已知点可求得在轨卫星的空间坐标;反之，如果知道卫星的轨道参数，也能求解出地面观测者的点位坐标。1958年12月，美国海军委托霍普金斯大学应用物理实验室开始研制基于上述“反向观测”原理的世界上**代卫星导航系统。即把在轨卫星作为空间的动态已知点，通过测量卫星的多普勒频移，解算出观测者（舰艇）的在途坐标，进而实现军用舰艇等运动客体的导航定位。这一系统被称为美国海军卫星导航系统（Navy Navigation Satellite System，NNSS）。1967年7月29日，美国政府宣布对子午卫星系统（TRANSIT）的导航电文进行部分解密而供民用。尽管TRANSIT在导航技术的发展中具有划时代的意义，但它存在观测时间长、定位速度慢（2个小时才有一次卫星通过，一个点的定位需要观测2天），不能满足连续实时三维导航的要求，尤其不能满足飞机、导弹等高速动态目标的精密导航要求。于是，美国国防部于1973年开始组织研制能满足陆、海、空三军需要的“导航卫星定时和测距全球定位系统，，（Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System），简称GPS（全球定位系统）。GPS计划的实施分为三个阶段:**阶段为方案论证和初步设计阶段。1978年到1979年，在加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，主要验证定位体制和地面测控能力。第二阶段为研制和试验阶段。1979年到1984年，陆续发射了7颗BLOCK-I的试验卫星，进一步验证定位体制，实验结果表明LIC/A码信号定位精度达到14m。第三阶段为空间组网阶段，1989年到1994年，陆续发射了9颗Block-n型和15颗Block-nA型工作卫星，从而建成了由24颗卫星组成的GPS星座，包括21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星，它们分布在离地髙约20200km的6个近似于圆形的轨道上，每个轨道4颗，各轨道间的交角为60°，轨道的长半轴为2656km，轨道面倾角为55°，卫星运行周期为11时58分。1995年美国国防部宣布GPS可提供完全运行服务（Full Operational Capability，FOC），利用LIC/A码信号为民用用户提供标准定位服务（Standard Positioning Service，SPS），利用L1P（Y）码信号和L2P（Y）码信号为授权用户提供精密定位服务（Precise Positioning Service，PPS）0该系统由空间段、地面监控段和用户段3部分组成。GPS作为军民两用系统，随着GPS应用的不断深人，GPS存在的一些问题影响了GPS的效能。1999年美国正式实施“GPS现代化”，用当前先进的技术改进和完善GPS，确定了两个主要目标：其一，增强GPS强对抗环境下的定位导航授时服务能力，即所谓“导航战”能力，主要包括增加新的M码信号、星上信号可调功能、V频段高速星间星地链路、点波束增强、可变导航有效载荷等;其二，增强GPS在全球民用卫星导航市场的竞争能力，主要包括增加L2频段的L2C民用信号和L5频段主要用于民用航空导航的L5信号。GPS还以其空间段、地面运控段和用户段三大组成的现代化进程进行规划部署。①GPS空间段现代化涉及5个型号，分别为GPS～2RM、GPS～2F和GPS～3A/3B/3C卫星（现GPS～3卫星已经调整为2个型号，分别为GPS～3和GPS～3F卫星）。②GPS运行控制系统现代化分两个阶段进行，分别为体系结构演进计划（Architecture Evolution Plan，AEP）和运行控制系统（Operational Control System，OCS）。AEP于2012年底完成，实现了GPS运行控制系统从大型主控计算机控制结构向分布式IT网络控制结构的转变。这种控制结构的转变提升了GPS运行控制系统的可靠性、稳健性与GPS星座的运行控制能力，也为GPS新一代运行控制系统的建设与发展奠定了基础，同时也使赛博安全成为GPS运行控制系统必须解决的问题。OCS除保证GPS卫星的运行管理，以及新的军、民用信号（M码、L2C、L5C和L1C）、支持在轨升级、信号重构、髙速星间/星地链路和点波束功率增强等新信号、新功能的运行外，*重要的变化是增加了GPS运行控制系统的赛博安全与信息保证能力。③GPS军事用户装备现代化的主要内容同样包含两个部分:其一，研发充分发挥现代化GPS能力、满足新军事需求的GPS军用核心芯片与板卡;其二，各军兵种以GPS军用核心芯片与板卡为基础研发满足各自需求的用户装备[2]。
2001年，美国开始研发GPS（全球定位系统）第四代导航卫星BLOCK-H，在保持BLOCK-H导航卫星能力的基础上，新一代导航卫星BLOCK-H将播发第四民
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