始于卫星，忠于卫星浅谈全球四大卫星定位系统

　　在古代，太空梦是遥不可及的飞天梦。时至今日，世界兼容并包，无限可能正在发生。
　　—题记
　　天接云涛连晓雾，星河欲转千帆舞。
　　近期，风靡科技界的 ＂向上捅破天＂的技术终于揭晓谜底。
　　华为发布的Mate50系列手机连接北斗卫星定位系统，支持＂北斗短报文通信＂，可将紧急短信附带地理位置坐标发送出去，实现无信号或信号中断区，如荒漠、海洋、地震洪涝灾害等区域的通信需求，使得信息传递不再成为孤岛。
　　这一功能虽被网友称为＂救命功能＂，但仍需辩证看待。华为Mate50目前支持 单向短报文通信，也就是只能发送信息，无法接收信息。 听起来也许美中不足，但惊喜有余。这项技术在全球首次实现了大众智能手机卫星通信，标志着北斗短报文通信从行业应用迈入大众应用。
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　　逐本溯源，与短报文息息相关的＂卫星定位系统＂常萦绕于耳，它究竟是什么，又发挥着什么作用呢？它是环绕地球飞行的卫星群，把世界连接起来，形成一个＂地球村＂，连接万物，让连接的一切更有价值。而我们渺小如沧海一粟，却像三维地球上的一个坐标，如此可爱地闪动着，告诉世界，告诉亲人，我在这里。
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　　卫星定位系统是指通过广播信号为地球表面、近地空间的任何地点的用户提供全天候、全天时的三维坐标、速度及时间信息的空基无线电定位系统，包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。目前，北斗卫星定位系统（BDS）、美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星定位系统（GLONASS）和欧盟的伽利略卫星定位系统（GALILEO）信号覆盖全球，被称为全球四大卫星定位系统，形成四足鼎立的格局，也是全球关注的焦点。
　　全球四大卫星定位系统都由空间段、地面段及用户段三大部分组成。空间段包含若干地球卫星；地面段包括主控站、注入站和监测站等若干地面站；用户段包括用户终端接收机以及终端设备、应用系统与应用服务等。这三大部分形成完整卫星定位系统，为全球用户提供可靠的定位、导航、授时、搜救等功能应用及服务。
　　一、中国北斗卫星定位系统
　　首先，聊聊我们国人为之骄傲的北斗卫星。
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　　北斗卫星定位系统（BDS）是中国自主建设、独立运行的全球卫星定位系统，可在全球范围内提供全天候、全天时、高精度定位、导航、授时的服务，在国际搜救、交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用。自90年代起，北斗系统正式启动研制，按照三步走发展战略，从有源到无源，区域到全球，走出一条具有中国特色的卫星定位导航之路。
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　　滚滚历史长河，见证北斗发展的伟绩。北斗的发展史被浓缩成三个阶段：2000年年底，建成北斗一号系统，向中国地区提供服务；2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020年，建成北斗三号系统（北斗三代），具体指最后一颗卫星发射成功，北斗系统全球组网正式完成并开通，开始为全球用户提供优质的导航定位服务。此外，中国预计在2035年前，将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。如果说北斗发展史令人感动，那么技术优势便是人们所关注的实力重点。北斗系统自建设以来，逐步形成了三项突出特点，一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星定位系统相比，高轨卫星更多，抗遮挡能力强；二是北斗系统提供多个频点的导航信号，通过多频信号组合使用等方式提高服务精度；三是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。其中，短报文通信技术是北斗卫星定位系统的＂独门绝技＂，是全球独家的领先技术。具体是指在无信号无网络区域，智能终端可以通过北斗卫星将求救人位置和短报文信息发送出去，实现与外界的通信，获得＂黄金救援时间＂。
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　　简而言之，因为短报文通信技术的实现，北斗卫星定位系统不仅能知道我在哪，还能知道别人在哪，这对于中国民生保障工作，甚至未来国际救援都将起到至关重要的作用。目前，北斗三号的区域单次短报文最大长度为 14000 比特，大约相当于 1000 汉字，全球短报文通信服务利用14颗MEO卫星实现覆盖全球的报文通信服务，单次短报文最大长度为560比特，约等于40个汉字。
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　　短报文通信作为一种天基通信方式，它具备卫星通信的功能效应，如全天候、全域广覆盖、可靠性高等。同时，具备快速响应能力、通信抗干扰强、设备要求低（价格低）三大优势。＂十年磨一剑，一朝试锋芒＂。前面提及的华为技术有限公司发布支持北斗卫星消息的大众智能手机Mate50系列正是北斗短报文通信服务的大众化应用。此外，短报文服务技术还广泛应用于航海搜救、地震等自然灾害的抢险救援，成为失联营救人员关键的＂救命稻草＂。由此可见，北斗卫星致力于＂取之于民，用之于民＂的服务理念的践行深耕，不失为国民的骄傲。
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　　整体来说，中国积极培育北斗系统的应用开发，打造由基础产品、应用终端、应用系统和运营服务构成的产业链，多款北斗芯片已实现规模化应用，如28 纳米工艺射频基带一体化 SoC 芯片，已在物联网和消费电子领域得到广泛应用，22nm北斗高精度定位芯片也已实现量产。据央视网报道，北斗产业总值已超4033亿元人民币，显示我国北斗应用与产业化发展的融合生态已初步形成。泱泱大国，北斗作为＂国之重器＂，闪耀苍穹，实至名归。未来，北斗将为未来智能化、无人化发展提供核心支撑，更好地服务全球、造福人类。
　　二、GPS全球定位系统
　　全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，是美国从20世纪70年代开始研制的一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。
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　　细数GPS的发展史也是一部波澜壮阔的科技革命史。GPS的前身是1958年美国军方研制的一种子午仪卫星定位系统，1964年正式投入使用。子午仪卫星定位系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，这就为GPS的研制做了铺垫。
　　20世纪70年代，陆、海、空三军联合研制了新一代全球定位系统GPS，主要目的是为陆、海、空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并应用于情报搜集、核爆炸监测和应急通信等一些军事目的。
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　　经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，GPS全球覆盖率高达98%的24颗卫星星座已布局完成。GPS便从第一代、第二代，升级成第三代。1988年，美国又做了最后一次修改。从目前来看，GPS是全球范围内精度最高、覆盖范围最广的定位系统。
　　GPS是目前应用早且相对成熟的卫星定位系统，被誉为人类定位技术的一个里程碑。
　　三、俄罗斯格洛纳斯卫星定位系统
　　格洛纳斯卫星定位系统（GLONASS）是由前苏联（现俄罗斯）国防部独立研制的卫星定位系统，与美国的GPS相似，除军用外，该系统也开设民用服务。格洛纳斯系统，可为全球海陆空及近地空间任何地点的军、民用户，提供全天候的高精度的三维位置、三维速度和时间信息。该系统且在定位、测速及定时精度上优于施加选择可用性（SA）之后的GPS，基于地理优势，在北极附近地区，定位性能极强，目前，可向全球用户提供民用导航定位服务，普及性日益增强。
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　　GLONASS卫星定位系统自70年代开始研制，经过20多年的曲折发展，虽遭遇前苏联解体，俄罗斯经济萧条，但始终没有停止过研制和卫星的发射。直到1996年，实现了空间满星座24颗工作卫星正常地播发导航定位信号，这也成为俄罗斯卫星发展史上一个重要里程碑。
　　格洛纳斯的研制初衷是基于军用的卫星定位系统，而后随着研发进步、市场发展及国际合作等需求，逐步成为军民两用的定位系统，根据俄罗斯射频总统令，任何时候、地球任何地方都可以为全球用户提供格洛纳斯民用信号，免费且没有限制。Glonass-K卫星是完全基于非压力式平台的新型卫星，可使用寿命达到十年。该型号卫星发射后，Glonass系统将与GPS不相上下，用户可以自由选择两套系统。如包括苹果及荣耀部分手机、iOS及Android部分系统都有搭载格洛纳斯和GPS双定位系统，用户可自由选择。
　　四、欧盟伽利略卫星定位系统
　　伽利略卫星定位系统（Galileo satellite navigation system），是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统，该计划于1999年由欧洲委员会公布，欧洲委员会和欧空局共同负责。
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　　回顾伽利略卫星定位系统发展史，任重道远，波折与成就并行。1999年，欧盟委员会的一份报告提出要构建伽利略卫星导航系统计划，经过多方讨论和论证后，2002年正式启动。系统计划建成的目标预定2008年，但由于技术瓶颈和试错等问题，到2011年才完成。再到后来，欧盟委员会宣布，伽利略系统将推迟到2014年开通并运营。次年，2015年，欧洲再次发射两颗伽利略卫星，雄心勃勃，欲与美国GPS抗衡，志在打破GPS全球霸主地位。2019-2021年，伽利略系统经历过检修，增设卫星，都获得预期效果。
　　伽利略系统是世界上第一个基于民用的全球卫星定位系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能。伽利略系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。伽利略卫星定位系统不仅能使人们的生活更加便捷高效，还能为欧盟的工业和商业带来可观的社会效益和经济效益。更重要的是，欧盟从此拥有自己的全球卫星定位系统，有助于摆脱对美国GPS系统的依赖，从而在全球高科技竞争洪潮中获得有利位置，并为将来建设欧洲独立防务定下良好基础。
　　五、并驱争先，一分高下
　　所谓棋逢对手，各有千秋。对比全球四大定位系统之间的差异及优势才能更好指引方向，给全球用户提供更多参考建议，以便做出高效的决策。
　　总体来看，对比中、俄、欧盟，美国GPS卫星定位系统起步时间最早，发展时间最久，在全球覆盖范围最广，民用市场占有率最高，仍然占据着领先地位。但是随着中、俄、欧盟自建卫星定位系统的发展，逐步打破美国GPS卫星定位系统全球垄断的僵局。尤其以中国为例，北斗卫星定位系统的技术优势、研发速度、应用范围、产业链总值等超速发展，北斗已成为美国GPS强有力的竞争对手，并跑趋势日益明显，未来局势如何，犹未可知。
　　从全球定位精度来看，美国GPS定位系统的全球定位精度有较大优势，民用可达10米，非民用可达厘米和毫米级，速度精度为0.1m/s，且定位时间短，仅需几秒到十几秒；中国北斗随着北斗三号发射成功，定位精度也大有和美国GPS并跑的趋势，北斗全球定位精度优于10米，三代可达2.5-5米，测速精度优于0.2米/秒，授时精度优于20纳秒；其次是俄罗斯格洛纳斯卫星定位系统，全球定位精度在10米左右；最后是欧盟伽利略卫星定位系统，全球定位精度有两个档次，15-20米和5-10米，由此可见，定位作为卫星定位系统关键技术，美国GPS卫星定位系统略胜一筹，但中国在短短几年内奋起直追，后劲十足，未来可期。
　　从实时定位精度来看，伽利略卫星定位系统可以发送实时的高精度定位信息，这是区别于其他三大定位系统的特色，举个例子来说，美国GPS向别国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而伽利略的卫星则能发现1米长的目标。一位军事专家形容道，GPS系统如果能找到街道，伽利略就能找到家门。
　　从在轨卫星数量来看，中国北斗卫星定位系统在轨卫星数量最多；55颗，第二是美国GPS卫星定位系统，33颗；第三是俄罗斯格洛纳斯卫星定位系统，28颗；最后是欧盟伽利略卫星定位系统，26颗。
　　从星座分布来看，GPS、格洛纳斯、伽利略系统星座分布大致相同，卫星均为中圆地球轨道卫星。但北斗系统，星座则除MEO卫星外，还有倾斜地球同步轨道卫星和地球静止轨道卫星。北斗通过MEO/IGSO/GEO星座布局，可以极大提升区域卫星可见性，提高定位精度和可用性。从功能优势来看，除定位、导航、授时、搜救等常规功能以外，中国北斗卫星定位系统拥有其余三大卫星所无法比拟的原创功能，短报文通信服务。该项功能作为全球独一份，实用性强，08年汶川地震的时候，成为震区唯一的通讯方式。随着时代的进步，短报文还将应用在更多信号中断场景的紧急搜救和大众智能化手机应用。
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　　从系统服务来看，俄罗斯的格洛纳斯卫星采用频分多址技术，这是区别于三家导航系统的明显特色。由于卫星发射的载波频率不同，格洛纳斯可以防止整个卫星定位系统同时被敌方干扰，具备极强的抗干扰能力；美国GPS系统、伽利略系统、北斗系统采用的则是码分多址技术，目的是为了提高频谱资源利用率，尤其是在L波段频谱资源有限的情况下。同时，降低用户接收机成本。随着技术的进步，中国的北斗采用三频信号向用户广播数据。三频信号可以更好消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度的固定效率。
　　对比分析图详见图表
　　目前，美国GPS卫星定位系统虽是全球卫星定位界的领袖，但后起之秀中国北斗、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略也凭借后发之力在全球占据重要地位，是全球卫星导航系统国际委员会（ICG）公认的核心供应商，实力不容小觑。加之，未来是万物互联、清洁能源创新、人工智能的新时代，无限新兴力量崛起并蓬勃发展，卫星定位国际竞争充满无限可能。
　　群雄逐鹿，世界异彩纷呈。无论未来卫星定位国际格局如何，和平与安全始终是永恒主题。作为世界一份子的我们更希望卫星定位系统的发展始于初心，忠于卫星，造福人类，抵抗天灾，守护和平。
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　　当你想象一个画面，你坐在飞机上，可以自由地与地面的朋友打电话，发视频，这种天地连接、星地融合的神奇场景，着实令人神往，倘若实现，又是一个无限可能正在发生。
　　我们期待并且相信，卫星亦如夜空中最亮的星，终将照亮崭新的未来世界。