探讨卫星导航系统发展现状与未来趋势

探讨卫星导航系统发展现状与未来趋势

张弘扬,彭鹏,姚鹏飞

海山航空电子科技有限公司，河北石家庄050000

摘　要：在审查和总结国内外卫星导航系统发展历史的基础上，分析和提出了卫星导航系统的技术特点和指标。围绕导航和多功能集成的改进，该系统总结了卫星导航系统在建设和开发过程中的位置和技术创新，考虑到发展趋势和相关关键技术方向，以支持我国卫星导航系统和位置导航定时系统的建设。

关键词：卫星导航系统；发展现状；未来趋势

随着实时定位技术的发展，速度和精度已成为经济建设、科研和国防建设的目标。独立开发的卫星导航定位系统标志着国家整体功率水平的提高，北斗卫星导航系统（COMPASS）是中国独立开发和实施的全球卫星导航系统，与BDS、美国GPS、俄罗斯GLONAS兼容，被称为欧盟伽利略，也被称为四个全球卫星导航系统。

一、我国卫星导航系统的应用现状

1.我国卫星导航系统的应用领域

GPS卫星导航技术在我国得到广泛应用，传统研究和军事应用的份额逐年下降，其应用已渗透到许多新行业，如下所示：（1）土地部门使用GPS监测地球动态；气象部门使用GPS进行天气预报；通信行业使用GPS测量和控制时间同步；电力、有线电视、城市地下管道的GPS布线；运输部门使用GPS和其他相关集成技术构建ITS和监控系统；公共安全、银行、卫生、消防等。使用GPS建立应急或信号系统，车辆和船舶的GPS导航；GIS数据提供商使用商业全球定位系统收集地理信息数据，并提供定位服务（LBS）。广播电视行业使用GPS和指南针制造卫星电视天线以接收天线。在电子商务领域，GPS用于客户管理和CRM物流系统。计算机和通信设备制造商负责通信、通信，推广了与计算机和GPS集成的各种移动信息终端，卫星导航技术的实际应用使卫星导航从高度专业化的领域发展到广泛的应用，逐渐成为继通信和互联网之后的第三个新的IT增长点。

2.卫星导航系统在车辆导航中的应用现状

在GPS应用领域，车辆占最大份额，约占总量的50%，车辆GPS系统一般分为车辆跟踪系统和车辆导航系统两大类，从20世纪90年代初开始，中国GPS车辆跟踪系统的应用经历了非常动荡和缓慢的发展道路，有过几次起伏。1994-1995年间是第一波，当时有成千上百家公司都来抢占GPS车辆跟踪系统市场,其中也不乏有几家具备相当强经济实力的公司,但真正成功者不多。究其原因不外乎两个,一是市场尚未形成,用户还没有迫切需求；二是，技术路径不完善，大多数产品只能在实验室生产，无法商业化。因此，交通规划产品在没有规则的情况下进行模拟，导致大多数企业失去交通规划系统，许多企业不得不离开该行业。在此期间，总投资预计约为3000万至4000万元，为约300辆汽车充电，但这些汽车实际上已经投入使用并继续运行。1996-1997年，GPS车辆跟踪系统市场经历了一个整合、丰富和改进的时期。当最初较差的系统被转换时，出现了新的系统。市场逐渐成熟，中国的GPS车辆跟踪系统技术得到了极大的改进和发展。作为系统的一个重要问题，通信网络通过使用公共GSM网络的SMS服务找到了新的出路。这无疑将大大有助于上流社会的规模，问题是市场上没有太多真正的工业产品，一些追求成功的公司将不成熟的产品投放市场，这对GPS车辆跟踪系统市场产生了一些负面影响，同时，现有的普通网络和集群网络经过多年的完善，汽车系统和产品变得越来越成熟，并取得了良好的性能，超过了前几年的规模，即每个网络只有几十个甚至几百个，达到数千个。截至2000年底，全国约有300个车辆跟踪网络，覆盖5000至60000辆车辆。据推测，如果有关部门和企业密切合作，促进GPS车辆跟踪系统市场的有序发展，并将其范围从专用车辆扩展到个人和公共车辆，特别是长途车辆，未来几年每年装载的车辆数量可能超过10万辆，相关年产量可达到70-10亿辆[1]。

3.卫星导航系统在军用飞机上的应用

作为中国第一代北斗卫星导航和测试系统，虽然以实验为主，但南方冰冻灾难、四川汶川地震、青梅地震、北京奥运会及上海世博会等许多场合发挥了非常重要的作用，北斗卫星导航系统的军事功能类似于GPS，北斗卫星导航系统在军用飞机中具有以下优点：北斗导航卫星轨道采用混合轨道，随时随地提供更多可视卫星，跟踪时间更长，可提高导航定位精度；与美国GPS或俄罗斯GLONAS相比，北斗卫星导航系统增加了短信息交换功能，一次最多可传输120个汉字，确保军用飞机与地面之间的信息交换。它拥有强大的搜索和救援能力以及部队指挥能力。北斗卫星导航系统具有与伽利略兼容的GPS、GLONAS。北斗多模用户可以接收北斗、GPS、GLONAS和伽利略信号，以更高的精度和可靠性进行多系统定位。

二、卫星导航系统优化

多系统兼容性，目前，世界各国正在积极开发自己的卫星导航系统。此外，到2020年，BDS将在全球范围内连接，四大卫星导航系统之间的竞争正在逐步发展，系统之间的兼容性和互操作性也是不可避免的趋势。全球导航卫星系统（GNSS）关于兼容性和互操作性，由于存在多个系统，不可避免地会出现相互干扰的问题，因此系统之间互操作性甚至互操作性的重要性；但全球导航卫星系统的兼容性和互操作性意味着它自己的系统是独立和先进的。全球导航卫星系统必须首先确保国家安全的独立性和兼容性，即授权信号的安全性，然后才能保证全球导航卫星的安全性。确保系统的整体兼容性；只要交互达到一定水平，用户的接收器就可以通过相同或类似的卫星信号解析，除非其他系统对其产生负面影响。

2017年11月，北京签署了《北斗与GPS信号兼容性和互操作性联合声明》，其中主要内容是北斗与国际电信联盟框架内GPS射频的兼容性。民用信号可以相互通信，两个系统之间的兼容性和互操作性合作将继续。总之，兼容性对于所有系统的开发至关重要，是导航和定位性能突破的重要方向；交互对最终用户很重要，可以显著提高性能和体验，GNSS服务提供商可以确保系统之间的兼容性，最终实现双赢，从而提高用户终端的互操作性。

三、卫星导航系统未来发展趋势

1.研发轻小精稳的星载原子钟

原子钟为导航系统提供高精度的时间和频率基准，这需要提高精度和稳定性。同时，卫星的有效载荷要求机载原子钟更轻、更小、更可靠。氢钟的性能可以进一步提高，同时需要同时开发具有更高精度、更好稳定性、更小尺寸和更轻重量的新原子钟。例如，汞离子钟、冷/热原子微波钟、光度钟等[2]。

2.开发扩展新的导航信号频谱资源

目前用于卫星导航的L波段资源越来越拥挤，面对信号频谱资源日益紧张的情况，难以部署更多的导航信号，难以探索新的导航频谱资源和开发更高频率的导航信号，这可以有效避免L波段资源拥塞和专利诉讼。实现多任务融合和任务扩展要求，促进系统升级和扩展；开发灵活安全的导航信号，设计导航信号系统的新技术，导航信号兼容性和互操作性技术，GNSS信号认证和评估技术，数字有效载荷技术，评估和研究灵活波束天线技术。

3.蓬勃发展的低轨星座

为了在世界任何地方快速、廉价、顺畅地享受宽带互联网和移动通信服务，首次通过精确的长期定位解决卫星导航系统的当前问题，同时确保天地融合、联通、卫星网络通信技术和基于LEO的导航技术的快速发展。另一方面，导航中使用的距离和时间信息也可以直接从通信信号中提取，从而实现信号的定位能力[3]。

四、结语

目前，导航技术需求量大，精度和完整性提高，优化问题日益突出，对中国北斗系统而言，自2000年发射两颗北斗一号卫星以来，建立了自己的导航能力，从发射困难到全球联网，实现了100%的基本部件定位和良好的开发环境，我们愿继续探索其他成熟导航技术的优势，根据中国地理位置等具体条件不断推进技术创新，同时强调导航技术不仅属于GPS导航系统，还需要多点、多方面、多系统启动，是导航技术的快速突破。

参考文献

[1]谢军,郑晋军,张弓,马福建,赵兴隆.卫星导航系统发展现状与未来趋势[J].前瞻科技,2022,1(01):94-111.

[2]刘健,曹冲.全球卫星导航系统发展现状与趋势[J].导航定位学报,2020,8(01):1-8.

[3]金国平,刘芹丽,桑怀胜.卫星导航系统上行注入的研究现状与发展趋势[J].电讯技术,2015,55(07):807-813.