1994年，美国建成了世界上第一个全球卫星定位系统GPS，替代了之前用子午卫星信号进行多普勒定位的技术。GPS系统的星座由分布在2万公里高空的6个卫星轨道平面上的24颗卫星组成，在地球上任一地区任一时刻都可以观察到至少4颗卫星，观测者可用GPS信号接收机获得待定位点的三维坐标。系统还包括地面建立的许多地面站及相关配套基础设施，用来指挥、调度、控制卫星以及保证天地之间的通信。GPS能够提供实时、全天候、全球区域的高精度定位、测速、授时服务。

 

    全球卫星定位系统的功能是神奇的，但其导航、定位的基本原理却并不复杂——基于测量学中的测距交会确定点位的方法：已知3个点的平面坐标及3个点到一未知点的水平距离，可求解未知点的平面位置。如，在坐标格网中标出3个点的位置，然后分别以3个点为圆心、相应的水平距离为半径画圆，三圆交于一点，即求出未知点的位置。相似地，我们设想把3个已知点“搬”到太空，让它们“成为”3颗人造卫星，然后同时测得未知点与3颗卫星的距离，再分别以每颗卫星为圆心，以卫星到未知点的距离为半径作3个球面，3个球面的共同交点即是地面未知点的位置。天地间的距离测量则借助无线电技术。人造卫星向地面发射无线电信号供地面观测者接收，通过无线电信号“跑路”的时间，再根据“距离=速度×时间”这个简单的数学公式，可计算出卫星至未知点的距离。卫星任一时刻都运行在预先设计的轨道上，有精确的空间坐标，根据三角测量方法，可以推算出未知点的空间坐标，在测量学上称这种几何定位方法为“距离后方交会”。

 

    通过测定卫星发出信号和接收机收到信号之间的时间差来定位，卫星钟与接收机钟两者的同步就尤其关键，因为电磁波在真空中的传播速度等同于光速，任何微小的“钟差”，就会使定位结果“差之毫厘谬以千里”。卫星上配备的时钟是昂贵的原子钟，并可以通过系统的地面站进行校正，但各用户的信号接收机就达不到如此的高要求。为了求解用户信号接收机与卫星之间的“钟差”，GPS定位时要比上述的三点定位多观测1颗卫星，也就是说同一时间要观测的卫星数至少为4颗。此外，从卫星发出无线电信号到地面观测者接收，信号已“跑”了2万多公里，观测结果中含有系统本身和外界条件引起的各种误差，既有卫星自身的“摄动”（即轨道误差），也有电磁波经过电离层的“打折”误差、卫星钟和接收机钟之间未能完全消除的“钟差”等，所以未作精处理的单点定位精度一般为10米左右。测量上需作精确定位时，要采用测量型高档信号接收机、地面参考基站等设备、设施，运用差分定位或事后的相对定位方法对数据作进一步特殊技术处理等，以达到厘米级甚至毫米级的精度。

 

    20世纪80年代初，前苏联研究建立了格洛纳斯全球定位系统（GLONASS），苏联解体后，格洛纳斯由俄罗斯空间管理局管理。2002年3月，欧洲各国首脑议会和欧洲成员国政府议会通过了建立伽利略全球定位系统（Galileo）的财政支持决议，由欧空局负责项目管理。伽利略全球卫星导航系统的部分卫星已发射成功，初步具有地面精确定位功能。与美国的GPS系统相比，伽利略全球定位系统还设计有商业服务、搜索与营救等其他民用服务功能。

 

    为了满足我国国民经济建设和国防建设的需要，结合当时的国情，我国科学家陈芳允院士于1983年提出了建设我国独立自主的双星静地卫星导航定位系统的构想。在经过十余年论证后，我国开始研制具有自主知识产权的卫星导航定位系统——“北斗”卫星导航系统，后先后确定分“北斗一号”“北斗二代”两个阶段构建。现已完成区域性服务的“北斗一号”系统部署。

 

   “北斗一号”定位的设计思想是：卫星为静地卫星（也叫地球同步卫星），系统空间星座由2颗工作卫星和1颗备用星组成，轨道高度约为3.6万公里，具备文字短报功能（一次最多可发120个汉字），服务范围覆盖我国和周边地区国家。“北斗一号”定位服务采用应答方式，需要卫星、观测者和地面控制站三者之间有通信联系和数据传递（如观测者请求定位服务及向系统提供高程等）。“北斗一号”既可定位又可通信，在汶川地震中曾为救援部队及时提供通信和定位服务，立了大功。“北斗一号”现在轨卫星已有十多颗星，可以满足我国及周边地区国家的应用。“北斗一号”的投入运营已带动我国一系列相关产业的发展，涉及工业、农业、商业、交通、服务业等众多民用领域和军事领域，其产生的社会效益和经济效益巨大。2015年，我国“北斗二代”已开始布局，计划于2020年完成布网，建成由35颗卫星（其中5颗为静地卫星）组成的全球卫星导航系统，非静地卫星的轨道高度约为2万多公里，届时将具备覆盖全球的导航、定位、测速、授时等服务能力。

 

    1992年，国际民航组织、国际移动卫星组织以及欧空局等倡导建设完全由民间控制的全球卫星导航系统——GNSS（Global Navigation Satellite System），依托现有卫星导航系统资源建立一个全球性的位置和时间测定系统，包括一种或几种卫星星座、机载接收机和系统完备性监视系统设施，使其成为非独霸性的、各国共享的民用导航系统。在GNSS系统尚未建成前，现也常被泛指所有的卫星导航系统，包括GPS、GLONASS、中国北斗、Galileo在内，涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统及其技术。

 

    随着全球科技的发展，世界上的导航卫星系统资源将日渐丰富，各个系统间既存在竞争，也提供了更多融合、互补、共享和协调的机会，卫星导航数据服务的稳定性、精确性、兼容性以及服务的多样化将进一步改善。

 

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