以1957年10月4日苏联成功发射的世界上第一颗人造地球卫星作为标志，人类的空间科学技术研究和应用跨入了一个崭新的时代，人类的活动范围延伸到了大气层以外，并且开始了利用卫星进行定位和导航的研究。近五十年来，随着卫星技术的发展，特别是美国的全球定位系统（GPS）技术的成功研发和应用，测绘行业迎来了一场深刻变革，在测量精度、使用条件、应用领域、生产效率及经济效益等方面都取得了巨大的进步。可以说，全球卫星导航系统与移动通信技术、互联网技术正一起影响着21世纪人类的生活。

卫星定位技术是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。卫星大地测量就是利用人造地球卫星为大地测量服务的一门学科。它的主要内容是在地面上观测人造地球卫星，通过测定卫星位置的方法来解决大地测量任务，例如测定地面点的相对位置、测定地球的形状与大小等。卫星定位技术的发展可分为三个阶段：卫星三角测量技术，卫星多普勒定位测量技术，GPS卫星定位技术。

1.卫星三角测量技术

最初，人们仅仅将人造地球卫星作为一种空间观测目标，通过地面上的观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网；利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距三角网。利用这两种观测方法，实现对于地面点的定位，也可对大陆同海岛实施联测定位，进而解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题。

20世纪60～70年代，美国国家大地测量局在英国和联邦德国测绘部门的协作下，用卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网，点位精度为±5 m。但是这种观测方法受天气和可见条件影响，费时费力，同时定位精度不太理想，并且不能得到点位的地心坐标。因此，卫星三角测量技术成为一种过时的观测技术，很快就被卫星多普勒定位技术所取代，使卫星定位技术从把卫星作为空间的观测目标向作为动态已知点发展的高级阶段迈进。

2.卫星多普勒定位测量技术

1958年12月，美国海军武器实验室委托约翰·霍普金斯（Johns Hopkins）大学物理实验室，给美国海军“北极星”核潜艇提供全球性导航技术，从而开始研制一种卫星导航系统，称为美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System），简称NNSS系统。在这一系统中，由于卫星轨道面通过地极，所以又被称为子午卫星导航系统。系统于1964年1月建成并使用。系统的卫星高度为1 100 km，轨道接近圆形，轨道倾角为90°左右，周期约为107 min，在地球表面上的任何一个测站上，平均每隔2 h便可观测到其中一颗卫星。

子午卫星导航系统即美国海军导航卫星系统，它由三部分组成：卫星星座、地面跟踪网和用户接收机。地面跟踪网由跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心五部分组成。它们的任务是测定各颗卫星的轨道参数，并定时将这些轨道参数和时间信号注入相应的各颗卫星内，以便卫星按时向地面播发。接收机是用来接收卫星发射的信号、测量多普勒频移、解译卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。由于接收机都是采用多普勒效应原理进行接收和定位的，所以也称为多普勒接收机。

1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星的部分导航电文以供民用，由于卫星多普勒定位具有经济、快速、精度较高、不受天气和时间限制等优点，只要能见到子午卫星，便可在地球表面的任何地方进行单点和联测定位，从而获得测站的三维地心坐标。因此，卫星多普勒定位迅速从美国传播到欧洲、亚洲及美洲的许多国家。20世纪70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机。西沙群岛的大地测量基准联测，是我国应用卫星多普勒定位技术的先例。自80年代初期以来，我国开展了几次较大规模的卫星多普勒定位实践：国家测绘局和总参测绘局联合测设的全国卫星多普勒大地网；由原武汉测绘科技大学与青海石油管理局、新疆石油管理局、原石油部地球物理勘探局合作测设的西北地区卫星多普勒定位网；即使在远离我国170 000余千米的南极乔治岛上，也用卫星多普勒定位技术精确测得我国长城站的地理位置为南纬62°12′59.811″±0.015″，西经50°57′52.665″±0.119″，高程为43.58 m±0.67 m，长城站至北京的距离为17 501 949.51 m。

在美国子午卫星系统建立的同时，苏联也于1965年开始建立卫星导航定位系统，叫作CICADA。它与NNSS系统相似，也是第一代卫星导航定位系统。该系统由12颗卫星组成CICADA星座，轨道高度为1 000 km，卫星的运行周期为105 min。

虽然NNSS和CICADA卫星导航系统将导航和定位推向了一个崭新的发展阶段，但仍然存在着一些明显的缺陷：

（1）卫星颗数少，不能实现连续实时导航定位。NNSS卫星导航系统卫星数目较少（仅有6颗工作卫星），而且运行轨道都通过地球南极和北极，如图1.1.1所示。因而地面点观测到卫星的时间间隔较长（平均1.5 h）。同一颗子午卫星，每天通过测站上空的次数最多为13次，而一台多普勒接收机一般需要成功观测15次卫星通过，才能达到±10 m的单点定位精度。当所有测站观测了17次卫星通过时，联测定位的精度才能达到±0.5 m。由于子午卫星通过测站上空的时间太短，而需要观测的时间又过长（测站平均观测1～2 d），定位速度慢，所以无法提供连续实时的三维导航定位服务。

图1.1.1　子午卫星运行图

（2）卫星运行轨道高度较低，难以实现精密定轨。子午卫星的轨道平均高度为1 070 km，属于低轨道卫星。这样，地球引力场模型误差，大气密度、卫星质面比、大气阻力系数等摄动因子误差，大气阻力模型误差等都将阻碍子午卫星定轨精度的提高。子午卫星星历参数的精度较低，导致卫星多普勒定位精度局限在米级水平（单点定位精度3～5 m，相对定位精度约为1 m）

（3）信号频率低，难以补偿电离层折射效应的影响。子午卫星射电信号的频率为400 MHz和150 MHz，用这两种频率的信号进行双频多普勒定位时，只能削弱电离层折射效应的低阶项的影响，而难以削弱高阶项的影响。而电离层折射效应的高阶项的影响，在地球赤道附近将导致测站高程产生±1 m以上的偏差。

因此该系统在大地测量学和地球动力学研究方面受到了极大的限制，精度较低也限制了它的应用领域。为了实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，第二代卫星导航系统——GPS便应运而生。子午卫星导航系统也于1996年12月31日停止发射导航及时间信息。

3.GPS卫星定位系统

美国国防部于1973年12月批准美国海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统——NAVSTAR/GPS，即为目前的“卫星测时测距导航/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System），通常称为全球卫星定位系统，简称为GPS系统。

GPS系统的全部投资为300亿美元，前后历时20年，自1974年以来，系统的建立经历了方案论证、系统研制和生产试验等三个阶段，是继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一个庞大的空间计划。1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星发射成功。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了营运阶段。1994年3月28日完成第24颗工作卫星的发射工作。GPS共发射了24颗卫星（其中，21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，目前的卫星数已经超过32颗），均匀地分布在6个相对于赤道倾角为55°的近似圆形轨道上，卫星距离地球表面的平均高度为20 200 km，运行速度为3 800 m/s，运行周期11 h 58 min（恒星时12 h），载波频率为1 575.42 MHz和1 227.60 MHz。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5 h，每颗卫星可覆盖地球表面约38%的面积。卫星的分布可保证在地球上任何地点、任何时刻，同时能观测到4颗卫星，在高度角15°以上的地区，平均能同时观测到6颗卫星，最多可达9颗，如图1.1.2所示。

如图1.1.3所示，GPS工作卫星的在轨质量为843.68 kg，设计寿命为七年半。卫星入轨之后，星内机件靠太阳能和镉镍蓄电池供电。

图1.1.2　GPS卫星星座

图1.1.3　GPS工作卫星

在GPS设计之初，美国国防部的主要目的是使GPS系统能够为海、陆、空三军提供实时全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事目的。但随着GPS系统的开发应用，已被广泛地应用于飞机和船舶及各种载运工具的导航、高精度的大地测量、精密工程测量、地壳形变测量、地球物理测量、航天发射和卫星回收等技术领域。该系统是以卫星为基础的无线电定位系统，具有全能型（陆地、海洋、航空和航天）、全天候、连续性及实时性的导航、定位和授时功能，能为客户提供精密的三维坐标、时间和速度。

为了使GPS具有高精度的连续实时三维导航性能及良好的抗干扰性能，在卫星的设计上采取了若干重大改进措施。GPS与NNSS的主要特征比较见表1.1.1。

表1.1.1　GPS与NNSS主要特征对比

4.GLONASS卫星定位系统

苏联在全面总结CICADA第一代卫星导航系统优劣的基础上，认真吸取美国GPS系统的成功经验，自1982年10月开始研发，至1996年1月18日系统正式运行，前后历时13年时间，研制发射了第二代导航卫星——GLONASS卫星。该系统在系统的组成和工作原理上与GPS类似，共发射24+1颗卫星，主要为军用。

GLONASS卫星均匀地分布在3个等间隔圆轨道上，轨道倾角为64.8°±0.3°，轨道间的夹角为120°，偏心率为±0.01，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星距离地面高度为19 100 km，卫星的运行周期为11 h 15 min 44 s，轨道的同步周期为17圈。由于GLONASS卫星轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度（50°以上）地区的可视性较好。GLONASS卫星星座如图1.1.4所示。GLONASS系统可进行卫星测距。民用无任何限制，没有选择可用性政策（SA）。民用的标准精度如下：水平精度为50～70 m，垂直精度为75 m，测速精度为15 cm/s，授时精度为1 μs。GLONASS卫星的平均工作寿命超过4.5年。

图1.1.4　GLONASS卫星星座

GLONASS系统的发展阶段如下：

（1）初期开发阶段。

一般GLONASS卫星都是采用一箭三星发射，第一颗GLONASS卫星和两颗试验卫星于1982年10月12日发射升空，但这三颗卫星都没能正常运行，直到1984年1月试验用的四颗卫星才完成部署。1983—1985年是试验的第一阶段，主要进行前期试验验证和系统概念的改进；1986—1993年是试验的第二阶段，卫星增加到12颗，完成在轨飞行试验并启动初步系统运行。

（2）运行能力。

1993年9月24日，俄罗斯正式宣布GLONASS系统开始运行，但实际在1996年这24颗卫星才第一次组网成功。一般我们认为这个时刻才是GLONASS系统的完全运行状态。后期由于资金缺乏问题，可用的卫星数目逐渐减少，到2001年能够工作的卫星数减少到6～8颗。GLONASS计划总共24颗卫星，包括21颗标准卫星和3颗备用卫星。2008年初共有14颗卫星在轨运行，但是部分单个卫星只有相对较短的3～4年寿命，从而影响了系统的完整性。完全部署GLONASS需要24颗工作卫星，俄罗斯用质子号定期将3颗GLONASS-M卫星发射入轨，M系列卫星的寿命为7～8年；2009年后发射的，寿命可达到10～12年；在2009或2010年全部在轨运行。(www.daowen.com)

GLONASS采用了“军民两用”政策，它一共有六个国家级的用户：俄罗斯联邦空间局、国防部、俄罗斯控制系统局、交通部、工业科学和技术部、俄罗斯大地测量与制图局，其中俄罗斯联邦空间局是一个民用研究机构。

2002年正式成立GLONASS协调委员会，是为了实现GLONASS的协调发展和制定战略活动。2006年，俄罗斯发布了GLONASS更新计划：第一，到2007年年底实现18颗卫星的最小运行能力；第二，到2009年年底实现GLONASS系统的完全运行状态；第三，到2010年确保GLONASS系统达到与GPS和GALILEO系统相当性能。

GLONASS的地球参考系统为PE-90系统，时间系统是通过一组氢原子钟构成的GLONASS中央同步器来维持的。GLONASS系统由卫星星座、地面监测控制站、用户设备3部分组成。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16 m，垂直方向为25 m。其应用普及情况远不及GPS。

GLONASS导航系统的主要应用领域包括交通事故应急响应、国际体育赛事导航支持，例如在索契冬奥会物流与交流中心导航支持。

5.伽利略（GALILEO）全球卫星导航系统

伽利略卫星导航系统简称GALILEO，是由欧盟和欧洲空间局合作开发的全球卫星导航定位系统，该计划于1999年2月提出，见图1.1.5。欧盟建立这个导航系统不仅能使人们的生活更加方便，同时也能带来可观的经济效益。更重要的是，欧盟将从此拥有自己的全球卫星导航系统，有助于打破美国GPS导航系统的垄断地位。

图1.1.5　伽利略卫星分布

作为欧盟主导项目，伽利略全球卫星导航系统的研制并没有排斥外国的参与，中国、韩国、日本、阿根廷、澳大利亚、俄罗斯等国也在参与了该计划，并向其提供资金和技术支持。虽然欧洲在2013年主动邀请我国参加，但是在2005年欧洲政治格局发生变化后，欧洲航天局希望与美国合作，因此开始排挤中国，让中国投入巨额资金却得不到相应的对待。我国在此情况下致力于发展我国自己的“北斗”系统，在2006年我国对外宣布，将在今后几年内发射导航卫星，开发自己的全球卫星导航和定位系统，并于2007年得到重大突破，有了覆盖全球的“北斗”二号系统计划。在导航系统中频道是稀有资源，按照“谁先使用谁先得”的国际法原则，中国和欧盟成了同一频率（即仅次于GPS和GLONASS的频率）的竞争者。中国以成功发射三颗卫星的优势取得了频率的所有权。“北斗”二号在技术上比“伽利略”更先进，定位精度甚至达到0.5 m级。

2011年10月21日，伽利略导航系统的首批两颗卫星升空，2012年10月12日，随着欧洲伽利略全球卫星导航系统第二批两颗卫星成功发射升空，该系统建设已取得阶段性重要成果。太空中已有4颗正式的伽利略系统卫星，可以组成网络，初步发挥地面精确定位的功能。2013年春季，已组网的这4颗卫星首次提供导航服务。伽利略导航系统预计由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星轨道高度约为2.4万千米，位于3个倾角为56°的轨道平面内。但是伽利略卫星导航系统计划发展缓慢，加之欧洲又面临经济危机，欧盟中的各个国家因此对“伽利略卫星导航计划”产生了很多分歧。

计划中的GALILEO服务：

（1）开放服务（OS）。

开放服务是针对大众市场，即为定位和授时提供免费信号。由于在2004年6月26日，美国和欧盟签署了一项协议，旨在确保GALILEO和GPS这两个系统的无缝协作和兼容性。所以GALILEO和GPS对某些应用发射了相同的频率，接收机可以结合使用这两种信号，即使在不利情况下也能改善信号。

（2）商业服务（CS）。

商业服务在使用收费的基础上为客户提供各种带来效益的服务。商业服务是依靠包含在导航电文中的数据，这些数据信息被加密后以高达500 bit/s的数据传输率播发。这些应用的例子有：精确授时服务、提高位置精度的修正等。

（3）人身安全服务（SOL）。

人身安全服务主要用于交通方面，导航信号中的完备性信息将标示系统的任何故障，并给全球范围的用户提供及时警告。人身安全服务被设计为适应航空、航海和铁路领域的不同标准，使用户团体的受益最大化。

（4）公共管制服务（PRS）。

伽利略导航系统虽然是民用系统，但也能为政府提供稳定的访问服务。公共管制服务可供警察、消防和边境巡逻队之类的客户使用。如果信息一旦被滥用，就会危及公共安全，因此此类服务的访问要对民事部门进行限制和控制。同时也要保证伽利略系统信号不受人为干扰、阻塞、欺骗或虚拟干扰。

（5）搜索与救援（SAR）。

搜索和救援服务将用于人道主义搜索和救援工作。伽利略系统的此项服务是欧洲对国际COSPAS-SARSAT系统的贡献，符合国际海事组织与国际民航组织的需求与规定。这项系统是由俄罗斯、美国、法国和加拿大定义与建造，为全球范围内的人道主义SAR服务提供一个途径，即应急发射机和卫星能定位飞行、陆上和海洋紧急事件中的个人、船只和车辆。

伽利略系统采用地心直角坐标框架，时间系统是一个连续的原子时系统，它与国际原子时有一个标称常数误差。伽利略系统与GLONASS相似，除了用户段以外伽利略系统定义了三个基本组成部分：全球部分、区域部分和局域部分。全球部分是伽利略系统的核心单元，分为空间段与地面段。空间段的卫星星座预计包括27颗工作卫星和3颗备用卫星，分布在三个近圆的中轨上，三个轨道面相对于赤道的倾角为56°。区域部分是由一个完备性监控站网络和一个完备性控制中心组成。局域部分能够提供伽利略局域辅助服务，以增强局域的导航性能，满足特殊应用需求。

6.我国的“北斗”导航卫星导航系统

北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主研发的、独立运行的全球卫星导航系统与通信系统。“北斗”是指“七星大熊星座”或“北斗七星”。若干世纪以来，该星座一直用来标示星极轴，也就是北半天球的北方向。我国于1983年提出建设自己的导航系统，首先完成试验阶段，即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务；其次到2012年，计划发射10多颗卫星，建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统；最后到2020年，建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统，见图1.1.6。

图1.1.6　北斗建成后的卫星分布情况

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧盟“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。

北斗卫星导航系统的发展历程：

（1）北斗一代。

其工程代号取名为“北斗一号”。一共成功发射四颗卫星，发射前三颗工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。这标志着我国成为继美国和俄罗斯的后，世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家。第四颗卫星发射成功，不仅作为早期三颗卫星的备份，同时还进行卫星导航定位系统的相关试验。

因为是初级阶段，所以其覆盖范围小，对我国周边地区的定位能力差；定位精度低，定位精度最高20 m，不适于军用，同样也无法在高速移动平台上使用。但“北斗一号”研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。

（2）北斗二代。

我国从2007年开始正式建设“北斗”卫星导航定位系统（“北斗二号”）。“北斗”卫星导航定位系统需要发射35颗卫星，比GPS多出11颗，由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，其定位精度可以精确到厘米之内。“北斗”卫星导航定位系统提供开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10 m，授时精度为50 ns，测速精度为0.2 m/s。授权服务则是军事用途的马甲，将向授权用户提供更安全、更高精度的定位、测速、授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。我国自主研制的“北斗二号”系列卫星已经进入组网期，预计到2015年形成覆盖全球的卫星导航系统，可实现不需要通过地面中心站联系和传输信号的无源定位，见图1.1.7。

图1.1.7　北斗卫星发射升空

“北斗”卫星导航系统应用领域广泛和GPS一样分为军用和民用，民用包括交通运输、海洋渔业、水文监测、气象监测、森林防火、通信系统、电力调度、救灾减灾等方面的应用。

在未来的几年里，我国将致力于完成建成我国独立自主的全球卫星导航系统，同时也在着力研究开发下一代卫星导航定位系统（CNSS）。

发展中有机遇也有挑战，其均来自其余的三大导航系统：GPS在这方面遥遥领先，GLONASS正在恢复建设中，GALILEO遭遇资金困境。四大导航系统虽然有竞争但也有合作，我国正在开展与GPS、GLONASS和GALILEO等其他卫星导航系统的频率协调，参与国际电信联盟（ITU）工作组、研究组和世界无线电通信大会（WRC）的各项活动。