組裝完畢后的Sputnik 1

有了理論基礎(chǔ)，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局和約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)合作，開始研究以人造衛(wèi)星為參照物的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，旨在為用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。

第一個(gè)研發(fā)成功的全球全天候衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是美國海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也稱為“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，主要用于潛艇和水面艦船的定位和授時(shí)。

GPS系統(tǒng)的發(fā)展與“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)幾乎同時(shí)，且具有一定的競(jìng)爭(zhēng)性。歷時(shí) 20年，GPS在建設(shè)中實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新和突破。1995 年4 月，美國國防部正式宣布GPS具備完全工作能力。

同年GLONASS進(jìn)入完全工作狀態(tài)，而GALILEO和北斗全球系統(tǒng)也分別于2019和2022年投入了正常服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的藝術(shù)家想象圖（作者供圖）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的三大部分

四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的定位原理、系統(tǒng)構(gòu)成、信號(hào)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行管理模式是非常相似的。隨著對(duì)早期系統(tǒng)的現(xiàn)代化，它們的相似程度還在不斷增加，并且正在走向兼容互操作，也就是說，在不久的將來，使用者可以把它們當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)使用。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的呢？以北斗系統(tǒng)為例，一個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)由空間段、運(yùn)控段、用戶段三大部分組成。

空間段包含一個(gè)覆蓋全球的衛(wèi)星星座，其衛(wèi)星的個(gè)數(shù)和分布要求使得全球范圍內(nèi)任何一個(gè)地方都能同時(shí)觀測(cè)到四顆或更多的衛(wèi)星。

測(cè)時(shí)測(cè)距的基礎(chǔ)是衛(wèi)星播發(fā)的、以衛(wèi)星原子鐘頻率基準(zhǔn)生成的衛(wèi)星信號(hào)，它包括載波相位、偽隨機(jī)碼、導(dǎo)航電文等。接收機(jī)通過自己生成的參考信號(hào)與接收信號(hào)比對(duì)，得到信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間差，也就是衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差以及衛(wèi)星的位置是決定定位精度的關(guān)鍵。

運(yùn)控段主要通過一組地面監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及守時(shí)實(shí)驗(yàn)室保持的高精度時(shí)間基準(zhǔn)，確定和外推出用于實(shí)時(shí)定位的衛(wèi)星軌道和鐘差，再以導(dǎo)航電文的形式注入衛(wèi)星，調(diào)制在載波信號(hào)上，作為衛(wèi)星播發(fā)信號(hào)的一部分，播發(fā)給用戶。導(dǎo)航電文的任務(wù)是把地面的時(shí)空基準(zhǔn)信息傳遞到空間段。

用戶段主要是各種精度類型的接收機(jī)，接收衛(wèi)星信號(hào)，通過偽隨機(jī)碼相關(guān)得到距離觀測(cè)值，同時(shí)得到以導(dǎo)航電文形式播發(fā)的衛(wèi)星軌道和鐘差等時(shí)空基準(zhǔn)信息。接著，利用四個(gè)或更多衛(wèi)星到接收機(jī)的距離觀測(cè)量，列出導(dǎo)航方程就很容易求出接收機(jī)的位置和鐘差。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的任務(wù)，本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)時(shí)空基準(zhǔn)信息的傳遞。而被傳遞的對(duì)象，是通過多種空間大地測(cè)量手段（例如甚長基線干涉VLBI和衛(wèi)星激光測(cè)距SLR）建立的地球參考框架空間基準(zhǔn)，以及通過守時(shí)實(shí)驗(yàn)室里多臺(tái)高性能原子鐘組保持的時(shí)間基準(zhǔn)。所以，高精度時(shí)空基準(zhǔn)的建立和維持，是衛(wèi)星導(dǎo)航的基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)。

未來已來，GNSS會(huì)走向何處？

與GPS同時(shí)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)也投入運(yùn)行，后來則是歐洲的GALILEO和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在技術(shù)水平上有了更高的發(fā)展，采用了更高水平的星載原子鐘，增加了用于自主定軌的星間鏈路（測(cè)距），系統(tǒng)本身帶有增強(qiáng)服務(wù)的能力。

GNSS系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，成為信息時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施，但現(xiàn)有系統(tǒng)的建設(shè)者還在繼續(xù)推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的提升和創(chuàng)新計(jì)劃。多個(gè)系統(tǒng)都在研究進(jìn)一步提高星上原子鐘的精度和穩(wěn)定性，增加高精度星間鏈路實(shí)現(xiàn)自主定軌和高精度時(shí)間同步?；诿芗蛙壭l(wèi)星星座建立全球通信系統(tǒng)，考慮用低軌衛(wèi)星增強(qiáng)GNSS和建立基于低軌星座的導(dǎo)航系統(tǒng)成為重要的發(fā)展方向。特別是，建立與通信導(dǎo)航和遙感一體融合的星座是一個(gè)多領(lǐng)域共同關(guān)注的前沿。

作為時(shí)空信息服務(wù)的供應(yīng)商，GNSS面對(duì)的是一個(gè)高度競(jìng)爭(zhēng)的全球用戶市場(chǎng)。差異化的服務(wù)，例如更高精度、更佳完好性、更高安全性和通導(dǎo)一體化等等，成為各大服務(wù)商占領(lǐng)市場(chǎng)的手段。

除了競(jìng)爭(zhēng)，各大GNSS也有合作。例如在涉及生命安全的航空器導(dǎo)航和海事搜救服務(wù)等領(lǐng)域，各GNSS都需要遵循同樣的技術(shù)協(xié)議和統(tǒng)一的用戶接口。

四大系統(tǒng)的聯(lián)合使用，能顯著提高時(shí)空信息服務(wù)的精度和可靠性，包括系統(tǒng)的反欺騙能力。更重要的是，多個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合的增強(qiáng)系統(tǒng)，能夠在1-2分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)分米到厘米級(jí)的高位置精度的實(shí)時(shí)定位服務(wù)。

正是由于GNSS的技術(shù)復(fù)雜和高門檻，特別是建設(shè)和運(yùn)行的龐大資源投入，目前的GNSS俱樂部只有少量的成員。但是埃隆馬斯克的星鏈計(jì)劃，在提供全球通信服務(wù)的同時(shí)，也提供一定的導(dǎo)航服務(wù)能力。相比之下，星鏈系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行成本要比GNSS低很多。如何面對(duì)以星鏈為代表的低軌通信或者遙感星座進(jìn)入導(dǎo)航服務(wù)領(lǐng)域， 是各大GNSS系統(tǒng)需要考慮的重大挑戰(zhàn)。

（作者胡小工系中國科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員，葛茂榮系德國地球科學(xué)研究中心（GFZ）資深研究員、柏林工業(yè)大學(xué)教授）

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“光年之外”專題，由“共話天文與人·賦能未來發(fā)展”天文論壇特別邀約國內(nèi)外頂尖天文科研工作者撰文，該論壇由中國天文學(xué)會(huì)主辦，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)和國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文促發(fā)展辦公室東亞區(qū)域辦公室承辦，它是IYBSSD2022基礎(chǔ)科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展國際年系列活動(dòng)之一。