GNSS原理及技术（一）——GNSS现状与发展
GNSS的概念
GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统，如下图所示：
GPS
GPS是70年代规划，80年代实施，90年代运营，耗资300亿美元，仅次于阿波罗登月计划和航天飞机计划的美国第三大航天工程。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。其次，也为民用、商用提供导航、定位、测速和授时等服务。1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
GPS主要包括三部分的设备：
地面控制中心、导航卫星、GPS接收装置
覆盖范围：全球
功能：定位、 导航 、 授时
导航系统结构坐标系：世界大地坐标系（ WGS-84）
性能与精度：
GPS虽然是军民合用的系统，但它针对军用和民用提供了不同的定位精度。军用为3米，民用信号增加了干扰机制，使精度下降到100米。鉴于GPS在民用中发挥越来越重要的作用，美国政府2000年取消了GPS的干扰机制，使民用信号的精度提高了10倍以上，大大方便了民用用户的使用，也为现在GPS的普及奠定了基础。不过据称经过改进的GPS军用信号已经达到了1米的精度，但尚未对民用开放。
GPS的未来发展
为了更好地进行国际间GNSS的兼容和交互操作，实现全球民用卫星导航系统的无缝隙连接，美国计划于2013年开始发射Block III卫星，附加GPS第四个民用信号L1C，该信号能够与Galileo公开服务信号互操作，并与日本QZSS共用。Block III卫星相对Block IIF卫星具有更强的抗干扰能力、可控的完好性性能和更高的精度，并计划在2013年～2021年间发射24颗。
GLONASS
GLONASS是前苏联国防部从20世纪80年代初开始建设的与美国GPS相抗衡的全球卫星导航系统，与GPS功能、原理基本类似，成为世界上第二个独立的军民两用全球卫星导航系统。
GLONASS主要包括三部分的设备：
卫星星座、地面监控站、用户设备
覆盖范围：全球
功能：定位、 导航 、 授时
导航系统结构坐标系：前苏联地心坐标系（PE-90）
性能与精度：
GLONASS属于军民合用系统，可提供高精度的三维空间和速度信息，也提供授时服务。精度在十米左右，有更强的抗干扰能力，采用两种频率信号，但是由于发射技术和电子设计水平有限，工作不稳定并且卫星寿命不是很长。
GLONASS 的未来发展
俄罗斯在2000年提出要对GLONASS进行换代，GLONASS的标准星座由24颗卫星组成。 为了逐步提升GLONASS系统性能，俄罗斯制定了一系列的空间卫星性能改进和补网计划。改进方案包括地面段支持设备、增加系统服务量、优化太空段设备、改进GLONASS差分设备。
伽利略卫星导航系统（Galileo）
GALILEO是欧洲设计的第二代卫星导航系统既是从区域性渐进地扩展成全球系统，即正在建设的GALILEO全球卫星导航系统。GALILEO计划由欧盟委员会和欧洲空间局共同发起并组织实施的欧洲民用卫星导航计划，是为了打破美国GPS在卫星导航定位领域垄断而启动的迄今为止欧洲将要开发的最重要的航天计划。旨在建立欧洲独立自主的民用全球卫星导航定位系统，它与国际上现有的GNSS相比，具有更佳的覆盖率、更高的精度和可靠性。
Galileo主要包括三部分的设备：
卫星星座、地面监控站、用户设备
覆盖范围：全球
功能：定位、导航、授时、搜索与救援(SAR功能)
导航系统结构坐标系：ITRF-96大地坐标系
性能与精度：
伽利略系统可以分发实时的米级定位精度信息，这是现有的卫星导航系统所没有的。与美国的GPS相比，伽利略系统更先进，也更可靠。伽利略提供的公开服务定位精度通常为15－20米和5－10米两种档次。公开特许服务有局域增强时能达到1米，商用服务有局域增强时为10厘米。
GALILEO的结构组成以及服务种类
•GALILEO系统由空间段、地面段和用户段组成。空间星座包括30颗卫星，分布在3个轨道高度为2.3222万公里，倾角为56度的轨道平面上，每个轨道平面包括9颗工作卫星和1颗备用卫星。地面段包括5个遥测遥控跟踪站（TT&C）、10个上行注入站（ULS）、2个控制中心（GCS）以及30～40个监测站。用户段由卫星导航接收机组成，包括使用不同服务种类的各种接收机。
•GALILEO卫星导航系统采用独立的时空坐标系（Merrigan et al 2002），并提供5种基准服务：开放式服务（OS）、生命安全服务（SOL）、商业服务（CS）、公共特许服务（PRS）以及搜索与救援（SAR）服务（Benedicto et al 2000；Wolfrum and Trautenberg 2000；Erb 2000；Provenzano et al 2000）。
GALILEO发展的四阶段
伽利略（GALILEO）计划大致分为四个阶段（步骤）：
第一阶段是完成Galileo系统定义、系统测试评估、算法有效性验证和卫星性能论证等，到2005年为止；
第二阶段是完成4颗GIOVE卫星以及相应地面站的在轨测试工作。2005年12月28日发射了第一颗GIOVE-A试验卫星，2007年3月开始对第二颗GIOVE-A2卫星进行风险评估和验证，该阶段从2005年到2010年；
第三阶段为全面展开部署阶段，该阶段完成30颗空间卫星以及所有地面站的在轨测试工作，计划从2008年到2012年；
第四阶段为在2012年以后实现系统的操作运行。
发展前景
专家断言Galileo系统必将与其它新技术（如移动通讯、数字地图、智能交通等）相结合应用于各种不同的领域，包括车辆调度与管理、精细农业、铁路交通、旅游探险、航海、航空和航天领域，特别是将为民用航空带来一系列直接和间接效益，从而打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。
北斗卫星导航系统（BDS）
北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）,是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。
BDS主要包括三部分的设备：
卫星星座、地面监控站、用户设备
覆盖范围：全球
功能：北斗卫星导航系统可以为全球用户提供开放、稳定、可靠的精准定位、精密授时、卫星导航、短报文通信四大功能。
导航系统结构坐标系：2000中国大地坐标系（CGCS2000）
性能与精度：
BDS属于军民合用系统，可提供高精度的三维空间和速度信息，也提供授时服务。定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度20纳秒。
BDS的发展现状
该系统已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域。逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。
BDS的建设原则
•开放性
北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。
•自主性
中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。
•兼容性
在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。
•渐进性
中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。
BDS的主要用途
•1、导航与通信的集成增强了导航能力和搜索救援能力,可实现用户信息共享和信息交换；
•2、多系统兼容服务，可以实现公开服务相互兼容，必要时提供多系统监测信息和差分改正信息；
•3、提供双向授时授权服务；
•4、以双向伪距时间同步方法摆脱卫星时间同步与精密轨道之间的依赖关系。
•5、中国自行研发的北斗卫星定位系统“北斗”系统的军事用途。
BDS的优点
•优点：
•1、有源导航的同时可以进行卫星数据通讯；
•2、成本低，只需要发射两颗卫星即可组成可用的定位系统；
•3、该导航系统完全独立，不依赖其他国家的卫星资源，自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。
BDS的未来发展
•目前，我国正在实施北斗卫星导航系统建设，截止到2018年7月10日，已成功发射32颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；计划在2020年前后，建成北斗全球系统，向全球提供服务。