本文将回顾全球、区域卫星导航系统和增强系统的最新状况，讨论面临的问题和挑战，并提出卫星导航系统的新机遇，新观点和新趋势。

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卫星导航系统

1. 全球卫星导航系统（GNSS）

全球目前共有四个全球卫星导航系统，其中GPS和GLONASS系统已经完全可用，北斗三号计划在2020年上半年完成建设，Galileo卫星导航系统将在2020年至2021年初全面投入使用。假设视野不受阻，高度角为10°，2020年5月11日在慕尼黑将有35颗GNSS卫星能够被使用（见图1）。接收到5颗可以用于星基增强的卫星，基于此，一个GNSS系统建立完成（图2）。

图1 2020年5月11日在慕尼黑上空观测到的全球导航卫星

图2 全球卫星导航系统 (由于韩国KPS系统尚未部署，故未纳入)

三维定位和导航最少需要4颗卫星，如今，即使在城市中，我们观测到的卫星数量也远远多于这个数字。目前，4个星座已基本实现互操作（中心频率相同，但信号格式不同），其缺点是由于系统间干扰会最终导致接收机出现信号接收的问题。因此，当一个GNSS系统接收到的卫星数量大于24时，它的优势是不明显的，因为所有接收机都是多系统兼容的接收机（至少在民用领域中如此），民用用户正在使用多系统兼容的GNSS接收机，单系统接收机不再被生产和出售。区域卫星导航系统也面临着相似的状况。

区域导航系统建设主要目的可能是军事应用和/或跟进卫星领域的高科技发展。例如，日本（QZSS）和韩国（KPS）的两个区域系统的位置非常靠近，因此对于相应国家/地区的用户而言，这两个区域系统都是可见的。如上所述，在无遮挡的区域，用户可以看到35–40颗导航卫星（取决于高度角）。我们需要那么多导航卫星吗？我们需要4个全球系统吗？在使用不同系统的GNSS星座时，三维定位需要4颗卫星，最多需要3颗额外的卫星来解决它们之间的时间偏差。面对导航卫星部署如此高的冗余，我们该怎么办？可以应用多接收机自主完整性监控（RAIM）来选择接收不同的导航卫星信号。先进的多径抑制技术正成为可能，这还仅仅是提到了两个方面，还有更多的可能性尚未被真正探索！

1.1 GPS系统

新一代GPS-III的前2颗卫星分别于2018年12月23日和2019年8月22日发射，并成功完成了在轨验证。GPS-III卫星的主要新功能包括更高的精度、信号功率、完好性信号、新的L1C民码，同时，它的使用寿命也被延长至15年。第三颗GPS-III卫星计划于2020年7月发射。目前（2020年4月21日），有11颗Block-IIR卫星，7颗Block-IIR-M卫星，12颗Block-IIF卫星和1颗Block-III卫星在运行。下一代操作控制系统（OCX）是GPS控制部分的未来版本，它将指挥所有现代化的和传统的GPS卫星，管理所有民用和军用导航信号，并为下一代GPS操作提供更高的网络安全性和灵活性。OCX将在2022年中期投入使用。

1.2 GLONASS系统

上一次GLONASS-M发射时间为2020年3月16日。新一代GLONASS-K卫星正在研发中，已有两颗卫星在轨运行。预计明年将通过联盟号和质子M号（Soyuz and Proton-M）火箭进一步发射更多GLONASS-K卫星。GLONASS系统最近的主要变化是在保持频分多址（FDMA）信号的同时引入了码分多址（CDMA）信号，并改善了板载时钟的稳定性。计划在未来增加一个类似于北斗的IGSO区域星座（GLONASS-B），以及一个更好的全球分布的测控网络（目前仅在俄罗斯）。同时，星间链路将用于测控网络控制范围之外的轨道和时钟更新。

1.3 伽利略导航卫星系统（Galileo）

计划在2020年底或2021年初与联盟号航天飞机一起发射的2颗卫星，将卫星星座升级为24颗可运行卫星（包括3颗IOV卫星）。在此基础上，欧盟可能将宣布其具备完全运行能力，尽管最初的计划是发射30颗卫星。在2019年，系统的空间信号误差（SISE）约为0.25m（95％），优于GPS。然而，这些值取决于Galileo与GPS的更新频率（Galileo为100分钟，GPS为12小时）。

2019年7月11日至7月17日，由于临时设备的失控和一些后续事件，Galileo在地面基础设施的系统升级期间发生了为期6天的服务中断。

Galileo向Galileo第二代（G2G）卫星过渡的第1个订单（第4批）计划于2020年底签署。第3批订单包含12颗卫星，用于替代包括3颗IOV卫星在内的在轨卫星。自此，一个关于当前免费的“商业服务”的决定已经被提出，同时，旧的商业服务将被预计在2020年投入使用的高精度服务（HAS）和商业认证服务（CAS）代替。高精度服务（HAS）将在E6B中提供精密单点定位（PPP）服务，收敛时间优于5分钟，全球定位精度达到20–40cm，在欧洲地区播发的其他改正信息可使该服务在100秒内完成收敛。

1.4 北斗导航卫星系统（BDS）

自2017年11月以来，两年内已经连续进行了18次卫星发射。2020年3月9日，第54枚BDS卫星和第29枚BDS-3卫星进入指定的地球同步轨道，而BDS-3的建造已进入最后阶段。2020年5月有可能将再发射一颗GEO卫星，这将比预定目标提前半年完成BDS-3系统的建设。北斗三号卫星导航系统由24颗中圆地球轨道（MEO）卫星，3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和3颗地球静止轨道（GEO）卫星卫星组成。北斗拥有星间链路，并提供精密点定位（PPP）服务。GNSS的轨道星座如表1所示。

表1 2020年5月11日的GNSS轨道卫星情况

2. 区域卫星导航系统（RNSS）

2.1 印度区域导航卫星系统IRNSS / NavIC

图3展示了IRNSS/NavIC的基本情况。印度区域导航卫星系统是一个独立的关键国家应用定位系统。它的主要目标是在印度及其周围约1500公里的范围内提供可靠的定位、导航和计时服务。最近它被（重新）命名为“印度星座导航”（NavIC）。它目前由3颗GEO卫星和5颗IGSO卫星组成。在2017年1月，印度星座导航的3个原子钟均发生故障，IRNSS 1A完全失效。2017年8月3日，IRNSS-1H的发射失败，卫星没能到达轨道。

图3 印度区域导航卫星系统(IRNSS/NavIC)

2.2 日本准天顶卫星系统（QZSS）

如图4所示，日本准天顶卫星系统是基于GPS卫星导航系统的补充星座。2020/2023年以后，还将接管称为多功能运输卫星（MTSAT）的日本（多功能）星基增强系统（SBSAT）（或称为MTSAT的卫星增强系统），目前主要为航空服务。在2023年之后，将增加3颗其他卫星用以拓展当前由4颗IGSO卫星组成的日本准天顶卫星系统。

图4 日本准天顶卫星系统(QZSS)

2.3 韩国区域定位系统（KPS）

韩国政府在其第三次空间发展基本计划中决定于2018年2月规划自己的区域卫星导航系统。类似于NavIC系统和QZSS系统的3颗GEO卫星和4颗椭圆IGSO卫星，覆盖了韩国及其周围约1000公里的区域，见图5。

图5 韩国区域定位系统(KPS)—星座和辐射区域.

3. 星基增强系统（SBAS）

星基增强系统有两个主要目的：为民用航空提供完好性以及传输GNSS差分改正数和电离层校正信息。这是通过传送所谓的完好性信息和修正的对地静止卫星（每个星基增强系统通常为2到3个）来实现的。覆盖所考虑的SBAS区域的相应地面网络确定GPS的完好性、差分改正数和电离层校正信息，并将其上行到GEO。欧洲目前正在开发欧洲对地静止导航叠加服务（EGNOS）V3，这是全球首个全球双频（L1 / E1，L5 / E5a）双系统（GPS和Galileo）SBAS，将于2026年全面投入运营时投入使用GPS L5的功能（FOC）可用。图6显示了已实现并正在开发的全球SBAS。

图6 正在开发中的星基增强系统

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问题与挑战

1. 兼容性

L频段主要应用于卫星导航系统（全天候系统）。然而，该频段上的频率已经被大量占用。过去，智能信号处理方法允许多个导航信号在某种较小的干扰水平下（例如