芯耀
915
像GPS这样的导航系统已经成了我们日常生活中必不可少的一部分，它能帮我们在不熟悉的路上开车、找到最近的星巴克门店，还能让我们用智能手机玩有趣的游戏。下面我们来看看什么是卫星导航系统，它是怎么工作的，还有哪些应用。
一、什么是卫星导航系统？
全球定位系统（GPS）是最受欢迎且在全球范围内可用的导航系统之一，它由一组绕地球运行的卫星组成。卫星导航系统最初是为军事应用设计的，但后来在民用领域，尤其是道路导航中受到了广泛欢迎。自问世四十年来，航空、物流、航运等领域的很多功能，如果没有GPS这样完善的导航系统，根本无法完成。
卫星导航系统的精度有了很大提升，早期设备的精度是100米左右，而现在的设备精度已经能达到1米以内。俄罗斯、欧盟、中国和印度都研发了自己的卫星导航系统，目的是掌握这项技术，实现卫星导航的自给自足。不过，GPS仍然是目前使用最广泛的导航系统之一，如今数十亿台设备都在使用它。
支持GPS的设备只会接收卫星发出的信号，不会向导航卫星发送任何信息。
二、卫星导航系统是如何工作的？
像GPS这样的卫星导航系统，由一组卫星组成，这些卫星在距离地球20000公里的高空绕地球运行。卫星上装有高精度的原子钟，会向地球广播卫星的时间戳和位置信息。在任何时刻，这些在轨卫星的位置都经过精心安排，让地球上的设备能够接收到3到4颗卫星的信号。
设备接收来自不同卫星的信号时，每个信号都会有微小的时间差。这些设备会频繁接收来自三颗或更多卫星的信号，通过比较距离来精确计算出自己的具体位置或坐标。
三、三角测量法
GPS卫星会持续用无线电频率信号广播自己的精确位置和时钟时间，这些信号以光速传播。三角测量法至少需要来自不同卫星的三个信号，接收器的位置可以通过三个信号圈的交点来计算，就像下图所示的那样。
接收器会利用从卫星接收到的位置和时钟时间，通过比较三个信号的延迟时间，来确定精确的位置。
四、主流的卫星导航系统有哪些？
美国、俄罗斯、欧盟、中国、印度和日本都研发了不同的卫星导航系统。这些系统的工作原理大致相同，只是用于广播时钟和位置信息的频段有所不同。
1、GPS——全球定位系统
GPS是基于卫星的导航系统，1978年由美国军方推出，现在由美国空军运营。它最初是作为军事工具，用于基于位置的作战行动，后来在很多应用中得到了广泛使用。
| 国家： | 美国 |
| 推出时间： | 1978年 |
| 卫星数量： | 31颗 |
| 频率： | 1575.42MHz和1227.60MHz |
| 调制方式 | 二进制相移键控（BPSK） |
| 卫星轨道高度： | 20180公里 |
| 覆盖范围： | 全球可用 |
2、格洛纳斯（GLONASS）——全球导航卫星系统
格洛纳斯是俄罗斯的卫星导航系统，1982年由俄罗斯联邦航天局推出。最初，格洛纳斯的设计是为俄罗斯本土提供服务，后来他们增加了更多卫星，扩大了服务覆盖范围。2011年，格洛纳斯成为全球导航系统，由24颗卫星组成星座，在距离地球19100公里的高空运行。
| 国家： | 俄罗斯 |
| 推出时间： | 1982年 |
| 卫星数量： | 24颗 |
| 频率： | 1602MHz和1246MHz |
| 调制方式： | 二进制相移键控（BPSK） |
| 卫星轨道高度： | 19100公里 |
| 覆盖范围： | 全球可用 |
3、伽利略（Galileo）
伽利略是欧洲全球导航卫星系统（GNSS）的一个项目，由欧盟发起。第一颗卫星于2005年发射，目前有18颗现役卫星在轨道上运行。伽利略计划发射更多卫星，预计到2020年将全面投入使用，届时系统将包含30颗卫星。
| 国家 / 地区： | 欧盟 |
| 推出时间： | 2005年 |
| 卫星数量： | 18颗 |
| 频率： | 1575.42MHz、1176.42MHz、1207.14MHz和1278.75MHz |
| 调制方式： | 二进制相移键控（BPSK）、CBOC、BOCcos 和 AltBOC |
| 卫星轨道高度： | 23222公里 |
| 覆盖范围： | 全球可用 |
4、北斗（BeiDou）
北斗是中国的卫星导航系统，由地球静止轨道卫星和地球同步轨道卫星组成。第一阶段的北斗一号于2000年推出，当时有3颗卫星在运行，该项目于2012年停止使用。之后在2012年，北斗二号系统发射了10颗卫星，主要覆盖中国及周边地区。
目前正在运行的北斗三号是全球系统，轨道上还有9颗额外的卫星。到2020年底该项目完成时，轨道上的卫星总数将达到35颗。
| 国家： | 中国 |
| 推出时间： | 2000年 |
| 卫星数量： | 23颗 |
| 频率： | 1575.42MHz、1191.795MHz、1268.52MHz |
| 调制方式： | 二进制相移键控（BPSK）、BOC、MBOC和AltBOC |
| 卫星轨道高度： | 21528公里和35786公里（地球静止轨道卫星） |
| 覆盖范围： | 全球可用 |
5、IRNSS——印度区域导航卫星系统
IRNSS是印度版的卫星导航系统，由印度空间研究组织（ISRO）研发，主要为印度本土及周边地区的军事服务提供支持。这个项目在2013年发射了第一颗卫星，目前有7颗卫星在轨道上运行。
| 国家： | 印度 |
| 推出时间： | 2013年 |
| 卫星数量： | 7颗 |
| 频率： | 1576.45MHz和2492.028MHz |
| 调制方式： | 二进制相移键控（BPSK）和BOC |
| 卫星轨道高度： | 36000公里 |
| 覆盖范围： | 印度次大陆及边境1500公里范围内 |
6、准天顶卫星系统（QZSS）
QZSS是日本研发的一种基于卫星的增强和时间传递系统，作用类似GPS导航，能在特定区域提供精确的定位服务。目前轨道上有4颗现役卫星，尚未完全投入使用。
| 国家： | 日本 |
| 推出时间： | 2010年 |
| 卫星数量： | 4颗 |
| 频率： | 1576.45MHz、1227.60MHz、1176.45MHz和1278.75MHz |
| 调制方式： | 二进制相移键控（BPSK）和 CSK |
| 卫星轨道高度： | 32000到40000公里 |
| 覆盖范围： | 日本区域内 |
五、卫星导航系统的应用
- 公路和铁路导航
- 物流和航运服务
- 海洋应用
- 军事和商业航空
- 精准农业
- 无人机操作
- 安全和监控应用
- 车队追踪和管理
- 互动游戏
- 搜救行动
- 医疗应用（追踪需要特殊护理的病人）
- 天气预报和播报
- 灾害管理
- 野外测绘和测量应用
- 高效的道路交通管控
六、局限性
- 受大气条件影响，精度会受限
- 其他射频源的干扰可能会中断GPS服务
- 卫星上原子钟出现故障，可能会导致位置信息错误
