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來(lái)源：遠(yuǎn)望智庫(kù)預(yù)見(jiàn)未來(lái) 遠(yuǎn)望智庫(kù)特約專(zhuān)家 陳劉成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是人類(lèi)發(fā)明的最為重要的時(shí)間和空間測(cè)量工具。沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)，沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有管理。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)值集中體現(xiàn)在幫助人類(lèi)精確感知、認(rèn)知、控制物質(zhì)、能量、信息的時(shí)空運(yùn)行與分布。目前已經(jīng)建成（或即將建成）的四大GNSS系統(tǒng)包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國(guó)的北斗、歐盟的Galileo。他們是怎么工作的？都能提供什么樣的服務(wù)呢？本文為您做一一介紹。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是在衛(wèi)星位置和時(shí)間精確已知的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)至用戶(hù)機(jī)天線(xiàn)傳播時(shí)間（乘以光速等效為距離）來(lái)確定用戶(hù)位置的。為測(cè)定用戶(hù)三維位置和用戶(hù)的鐘差，至少需要觀測(cè)4顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、控制段和用戶(hù)段三個(gè)部分組成，其中空間段主要由導(dǎo)航衛(wèi)星星座組成；控制段主要由主控站（負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯集、信息處理、上行注入、運(yùn)行控制等）、注入站、監(jiān)測(cè)站等組成；用戶(hù)段是指能夠接收導(dǎo)航信號(hào)并進(jìn)行定位導(dǎo)航的各種接收機(jī)、移動(dòng)平臺(tái)。測(cè)量過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差。定位誤差大小與測(cè)距的誤差大小以及衛(wèi)星與用戶(hù)的相對(duì)位置關(guān)系有關(guān)。用戶(hù)位置定位誤差UPE=UERE×PDOP。用戶(hù)等效距離誤差UERE的來(lái)源包括了空間段、控制段和用戶(hù)段的多種誤差來(lái)源。①衛(wèi)星時(shí)鐘誤差；②衛(wèi)星軌道誤差；③衛(wèi)星硬件偏差；④電離層效應(yīng)誤差；⑤對(duì)流層誤差；⑥多路徑效應(yīng)誤差；⑦接收機(jī)硬件誤差。衛(wèi)星導(dǎo)航星座衛(wèi)星的數(shù)量和軌道設(shè)計(jì)決定了星座DOP值性能；地面運(yùn)控段負(fù)責(zé)精確決定衛(wèi)星星歷、鐘差、大氣延遲改正、衛(wèi)星硬件延遲等電文信息；用戶(hù)段負(fù)責(zé)測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)獲得距離觀測(cè)值并修正誤差、解算天線(xiàn)位置。GPS系統(tǒng)星座標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軌道6個(gè)軌道面、24顆工作衛(wèi)星，軌道傾角55°。截止2019年11月底，GPS35顆衛(wèi)星在軌，實(shí)際在軌正常工作衛(wèi)星為30顆。
美國(guó)GPS系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和精密定位服務(wù)（PPS）。根據(jù)美國(guó)GPS系統(tǒng)官網(wǎng)2019年3月份發(fā)布的GPS性能評(píng)估報(bào)告，GPS衛(wèi)星用戶(hù)測(cè)距信號(hào)精度（SISRE）約為1.3米；GPS系統(tǒng)授時(shí)精度優(yōu)于10納秒；GPS衛(wèi)星全年可用性為99.7%；GPS系統(tǒng)PDOP值全球平均值約為1.6；GPS系統(tǒng)平均可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)約為10.4顆；GPS單點(diǎn)定位平面精度可優(yōu)于1.5米，單頻優(yōu)于4米。GPS空間信號(hào)性能（SIS）平均約0.514米，19年最好天月0.362米，最差0.666米。GPS利用L1 C/A碼信號(hào)為民用用戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS），利用L1 P（Y）碼信號(hào)和L2P（Y）碼信號(hào)為授權(quán)用戶(hù)提供精密定位服務(wù)（PPS）。對(duì)于民間用戶(hù)而言，GPS現(xiàn)代化計(jì)劃在2010年5月始發(fā)的GPSIIF衛(wèi)星上增設(shè)第三導(dǎo)航定位信號(hào)（L5），而形成3個(gè)GPS信號(hào)（L1、L2、L5）同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航定位的新格局。GPS III將是播發(fā)L1C新信號(hào)的第一代衛(wèi)星。L1C信號(hào)采用第二代CNAV-2現(xiàn)代化導(dǎo)航電文，這將是繼L1 C/A、L2C和L5之后的第四個(gè)民用信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)空間星座由24顆衛(wèi)星組成星座，分布在3個(gè)傾角為64.8°的軌道面上。自2005年12月以來(lái)發(fā)射的所有GLONASS衛(wèi)星都是GLONASS-M 衛(wèi)星。截止2019年5月俄羅斯發(fā)射一顆GLONASS-M導(dǎo)航衛(wèi)星。所有的GLONASS衛(wèi)星都包含激光反射器。2019年11月底，GLONASS星座共27顆衛(wèi)星，正常工作衛(wèi)星22顆。
GLONASS系統(tǒng)為用戶(hù)提供了兩種服務(wù)：標(biāo)準(zhǔn)精度服務(wù)和高精度服務(wù)。GLONASS的傳統(tǒng)信號(hào)使用FDMA。GLONASS-K2衛(wèi)星及后續(xù)衛(wèi)星既提供已超過(guò)35年的FDMA導(dǎo)航服務(wù)信號(hào)，又將在GLONASS所有頻段提供CDMA信號(hào)，例如L1、L2和L3。新的信號(hào)能夠?qū)⑿l(wèi)星硬件相關(guān)的測(cè)距誤差降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，減少由于建筑物、景觀等引起的反射信號(hào)的影響。2019年GLONASS也將完成最新版本的接口控制文件，其中包括用于平流層和電離層評(píng)估的推薦模型，預(yù)計(jì)這些新模型將使導(dǎo)航精度提升2倍。系統(tǒng)誤差歷年來(lái)不斷改善，目前達(dá)到2-4米左右。北斗系統(tǒng)現(xiàn)役的是北斗二號(hào)系統(tǒng)；北斗三號(hào)系統(tǒng)正在建設(shè)完善之中，已經(jīng)開(kāi)通初始基本導(dǎo)航服務(wù)。北斗二號(hào)基本星座采取5GEO+5IGSO+4MEO的形式；北斗三號(hào)采取3GEO+3IGSO+24MEO的星座構(gòu)成，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間具備通信能力，可以在沒(méi)有地面站支持的情況下自主運(yùn)行。北斗系統(tǒng)地面段包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站。
北斗系統(tǒng)采用了三種軌道的混合星座設(shè)計(jì)、采用獨(dú)立的雙向時(shí)間同步觀測(cè)體制、支持星間鏈路觀測(cè)，可以向用戶(hù)提供全球基本導(dǎo)航服務(wù)（RNSS）、區(qū)域定位報(bào)告服務(wù)（GEO衛(wèi)星RDSS）、全球位置報(bào)告與短報(bào)文（MEO衛(wèi)星RDSS）、區(qū)域星基增強(qiáng)服務(wù)（GEO衛(wèi)星）、區(qū)域精密定位信號(hào)服務(wù)（GEO）。據(jù)初步測(cè)試結(jié)果，北斗全球系統(tǒng)可在重點(diǎn)地區(qū)提供優(yōu)于3米、全球優(yōu)于5米的基本導(dǎo)航服務(wù)；在區(qū)域范圍提供單次大于1000漢字的報(bào)文通信、精度約1米的星基增強(qiáng)服務(wù)和分米級(jí)的精密定位信號(hào)服務(wù)；還可以在全球范圍內(nèi)提供單次40漢字的短報(bào)文通信服務(wù)和搜救服務(wù)。伽利略系統(tǒng)設(shè)計(jì)星座由30 顆衛(wèi)星組網(wǎng)（27+3）。3顆備用星處在高于正常軌道300 千米的軌道上。2018年歐洲完成4顆Galileo全運(yùn)行能力衛(wèi)星（FOC）的部署，在軌衛(wèi)星達(dá)到25顆，其中22顆為全運(yùn)行能力衛(wèi)星，3顆為在軌組網(wǎng)驗(yàn)證衛(wèi)星。Galileo系統(tǒng)設(shè)計(jì)的服務(wù)信號(hào)，在E5a、E5b、E6、E1共4個(gè)載波頻段內(nèi)發(fā)射10 個(gè)信號(hào), 其中6 個(gè)信號(hào)為開(kāi)放服務(wù)（0S）和生命安全服務(wù)（SOL ), 2 個(gè)為商業(yè)服務(wù)（CS ), 2 個(gè)為公共事業(yè)服務(wù)（PRS）。Galileo系統(tǒng)提供6種服務(wù)類(lèi)型：①開(kāi)發(fā)（免費(fèi)）服務(wù)。提供能夠免費(fèi)接收的定位、導(dǎo)航和定時(shí)信號(hào)。開(kāi)放服務(wù)與生命安全服務(wù)使用相同的信號(hào)。②提供相對(duì)于開(kāi)放服務(wù)的增值服務(wù)。在開(kāi)放信號(hào)上分發(fā)加密增值數(shù)據(jù)；基于開(kāi)放信號(hào)（選擇性加密）進(jìn)行精確局部差分應(yīng)用（分米級(jí)），覆蓋E6上的精密測(cè)距服務(wù)信號(hào)。導(dǎo)頻信號(hào)支持Galileo定位應(yīng)用和無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)通信。商業(yè)數(shù)據(jù)播發(fā)包括完好性數(shù)據(jù)、區(qū)域差分改正數(shù)、地圖、數(shù)據(jù)庫(kù)等。③生命安全服務(wù)。主要針對(duì)航空用戶(hù)需求，并能涵蓋其它載體（陸地、鐵路、海運(yùn)等）需求。主要是完好性增強(qiáng)服務(wù)。完好性數(shù)據(jù)在公開(kāi)信號(hào)上加密。④公共管制服務(wù)。為EU及其成員國(guó)提供連續(xù)性更好的服務(wù)。致力于歐盟及國(guó)家安全的公共應(yīng)用，如警察、執(zhí)法以及民間保護(hù)（如緊急服務(wù)、GMES以及其它政府活動(dòng)）。其它管制活動(dòng)、運(yùn)輸和通信應(yīng)用。與歐洲戰(zhàn)略有關(guān)的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)活動(dòng)。公共管制服務(wù)抗干擾、抗惡意攻擊等能力強(qiáng)。受限應(yīng)用于歐盟及其它授權(quán)成員國(guó)。⑤搜救服務(wù)。目前信標(biāo)的位置確定精度在5km范圍內(nèi)，安裝Galileo接收機(jī)的位置確定精度將優(yōu)于10m。⑥導(dǎo)航相關(guān)通信服務(wù)。Galileo與已有的無(wú)線(xiàn)、陸地（如GSM/UMTS）或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球、高可用性和高可靠性的位置報(bào)告服務(wù)；用戶(hù)與服務(wù)中心之間的準(zhǔn)實(shí)時(shí)短消息服務(wù)。表1 歐盟Galileo系統(tǒng)服務(wù)性能
| 免費(fèi)服務(wù) | 商業(yè)服務(wù) | 生命安全服務(wù) | 公共特許服務(wù) | 覆蓋范圍 | 全球 | 全球 | 全球 | 全球 | 定位精度 | 單頻：水平15m，垂直35m 雙頻：水平4m，垂直8m | 雙頻：＜1m 本地增強(qiáng)服務(wù)：＜10cm | 雙頻：水平4m，垂直8m | 單頻：水平15m，垂直35米 雙頻：水平6.5m，垂直12m | 授時(shí)精度 | 30ns | 30ns | 30ns | 30ns | 連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn) |
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| 0.8x10-5/15s | 0.8x10-5/15s |
免費(fèi)的精密單點(diǎn)定位服務(wù)（PPP）。歐洲空間局公開(kāi)宣稱(chēng)，歐盟委員會(huì)已經(jīng)確定PPP服務(wù)將由歐盟免費(fèi)提供。歐洲Galileo系統(tǒng)將擇機(jī)選擇服務(wù)商播發(fā)目前唯一確定的免費(fèi)PPP服務(wù)。未來(lái)智能實(shí)驗(yàn)室的主要工作包括：建立AI智能系統(tǒng)智商評(píng)測(cè)體系，開(kāi)展世界人工智能智商評(píng)測(cè)；開(kāi)展互聯(lián)網(wǎng)（城市）云腦研究計(jì)劃，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)（城市）云腦技術(shù)和企業(yè)圖譜，為提升企業(yè)，行業(yè)與城市的智能水平服務(wù)。
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