【編者按】

如果說古人通過觀星確定歷法，指導農事，21世紀的人類，如何獲得時空信息？上世紀九十年代起，全球導航衛星系統陸續投入使用，包括美國建立的首個全球定位系統GPS、俄羅斯的“格洛納斯”衛星導航系統、歐盟的“伽利略”和中國的“北斗”。

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）是以衛星為參照物，通過無線電信號測距為整個地球表面和近地空間提供全天候的三維位置、速度和時間信息的導航定位系統。它包括美國建立的世界首一個全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（GALILEO）和中國的北斗衛星導航系統（BDS）。

全球導航衛星系統中的基本工作原理是什么，又有哪些關鍵核心技術？四大全球導航衛星系統，既能獨立運行，又能聯合使用，未來又將走向何處？ 

敢于嘗螃蟹：首個以人造衛星為參照物的全球導航衛星系統

導航定位是人類生存必備的最基本能力。早期的導航定位主要基于天體的運行規律，以自然界的目標為參照物，比如太陽、月亮和星星，通過觀測天體的位置來實現。但這種方法受到時間（白天或黑夜）、天氣（多云或雨雪）和環境（沙塵或霧霾）的限制。

后來，無線電技術的發展推動了定位方法的一次革新，通過直接或間接測定無線電信號的傳播距離、方位和角度等信息，可以實現待定點位置的確定。雖然無線電通訊方法能克服天氣的影響，但由于信標臺在陸地，其信號的覆蓋距離有限。

1957年10月4日，蘇聯成功發射世界上第一顆人造地球衛星。美國霍普金斯大學應用物理實驗室的學者在觀測這顆衛星時，發現衛星運動產生的多普勒效應可以用來確定衛星軌道。這位學者斷言，反過來，已知衛星位置，就能確定地面接收設備的位置，從而進行導航定位。

組裝完畢后的Sputnik 1

有了理論基礎，美國國防高級研究計劃局和約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗合作，開始研究以人造衛星為參照物的全球導航衛星系統，旨在為用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。

第一個研發成功的全球全天候衛星導航系統是美國海軍衛星導航系統，也稱為“子午儀”導航衛星系統，主要用于潛艇和水面艦船的定位和授時。

GPS系統的發展與“子午儀”導航衛星系統幾乎同時，且具有一定的競爭性。歷時 20年，GPS在建設中實現了多項重大技術創新和突破。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進入完全工作狀態，而GALILEO和北斗全球系統也分別于2019和2022年投入了正常服務。

北斗衛星導航系統的藝術家想象圖（作者供圖）

全球導航衛星系統的三大部分

四大全球導航衛星系統的定位原理、系統構成、信號結構和運行管理模式是非常相似的。隨著對早期系統的現代化，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作一個系統使用。

全球導航衛星導航系統如何實現導航定位的呢？以北斗系統為例，一個全球導航衛星系統由空間段、運控段、用戶段三大部分組成。

空間段包含一個覆蓋全球的衛星星座，其衛星的個數和分布要求使得全球范圍內任何一個地方都能同時觀測到四顆或更多的衛星。

測時測距的基礎是衛星播發的、以衛星原子鐘頻率基準生成的衛星信號，它包括載波相位、偽隨機碼、導航電文等。接收機通過自己生成的參考信號與接收信號比對，得到信號傳輸的時間差，也就是衛星到接收機的距離。衛星和接收機的鐘差以及衛星的位置是決定定位精度的關鍵。

運控段主要通過一組地面監測站的觀測數據以及守時實驗室保持的高精度時間基準，確定和外推出用于實時定位的衛星軌道和鐘差，再以導航電文的形式注入衛星，調制在載波信號上，作為衛星播發信號的一部分，播發給用戶。導航電文的任務是把地面的時空基準信息傳遞到空間段。

用戶段主要是各種精度類型的接收機，接收衛星信號，通過偽隨機碼相關得到距離觀測值，同時得到以導航電文形式播發的衛星軌道和鐘差等時空基準信息。接著，利用四個或更多衛星到接收機的距離觀測量，列出導航方程就很容易求出接收機的位置和鐘差。

全球導航衛星系統的任務，本質是實現時空基準信息的傳遞。而被傳遞的對象，是通過多種空間大地測量手段（例如甚長基線干涉VLBI和衛星激光測距SLR）建立的地球參考框架空間基準，以及通過守時實驗室里多臺高性能原子鐘組保持的時間基準。所以，高精度時空基準的建立和維持，是衛星導航的基礎關鍵技術。

未來已來，GNSS會走向何處？

與GPS同時，俄羅斯的GLONASS系統也投入運行，后來則是歐洲的GALILEO和我國的北斗衛星導航系統。北斗衛星導航系統在技術水平上有了更高的發展，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（測距），系統本身帶有增強服務的能力。

GNSS系統已經得到了廣泛應用，成為信息時代的基礎設施，但現有系統的建設者還在繼續推進衛星導航系統的提升和創新計劃。多個系統都在研究進一步提高星上原子鐘的精度和穩定性，增加高精度星間鏈路實現自主定軌和高精度時間同步。基于密集低軌衛星星座建立全球通信系統，考慮用低軌衛星增強GNSS和建立基于低軌星座的導航系統成為重要的發展方向。特別是，建立與通信導航和遙感一體融合的星座是一個多領域共同關注的前沿。

作為時空信息服務的供應商，GNSS面對的是一個高度競爭的全球用戶市場。差異化的服務，例如更高精度、更佳完好性、更高安全性和通導一體化等等，成為各大服務商占領市場的手段。

除了競爭，各大GNSS也有合作。例如在涉及生命安全的航空器導航和海事搜救服務等領域，各GNSS都需要遵循同樣的技術協議和統一的用戶接口。

四大系統的聯合使用，能顯著提高時空信息服務的精度和可靠性，包括系統的反欺騙能力。更重要的是，多個系統聯合的增強系統，能夠在1-2分鐘內實現分米到厘米級的高位置精度的實時定位服務。

正是由于GNSS的技術復雜和高門檻，特別是建設和運行的龐大資源投入，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劃，在提供全球通信服務的同時，也提供一定的導航服務能力。相比之下，星鏈系統的建設運行成本要比GNSS低很多。如何面對以星鏈為代表的低軌通信或者遙感星座進入導航服務領域， 是各大GNSS系統需要考慮的重大挑戰。

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

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“光年之外”專題，由“共話天文與人·賦能未來發展”天文論壇特別邀約國內外頂尖天文科研工作者撰文，該論壇由中國天文學會主辦，中國科學院上海天文臺和國際天文學聯合會天文促發展辦公室東亞區域辦公室承辦，它是IYBSSD2022基礎科學促進可持續發展國際年系列活動之一。