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1. 全球四大卫星导航系统概览 原片 @ 00:00*
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全球主要存在四大卫星导航系统。如果所有系统建设完成，每个系统大约拥有 30 颗卫星，届时全球将有约 120-130 颗导航卫星可用。这将极大地提高导航定位的方便性、可靠性和精度。
- GPS (美国)：目前最成熟的系统。
- GLONASS (俄罗斯)：前苏联建立，现由俄罗斯管理。
- Galileo (欧盟)：正在组建中。
- 北斗 (中国)：正在大力发展中。
2. 卫星导航系统的基本组成 原片 @ 01:59*
Screenshot-[01:59]
虽然各导航系统有所不同，但其基本架构（Segment）是通用的，主要包含三大部分：
- 空间部分 (Space Segment)：卫星星座。
- 地面控制部分 (Control Segment)：地面监控站、主控站等。
- 用户部分 (User Segment)：接收机设备。
3. GLONASS 系统详解 原片 @ 02:24*
3.1 轨道参数与覆盖特性
Screenshot-[02:24]
GLONASS 与 GPS 在轨道设计上有显著差异，主要体现在轨道面和轨道倾角上：
- 轨道面数量：
- GPS：6 个轨道面。
- GLONASS：3 个轨道面。
- 轨道倾角 (Inclination)：
- GPS：$55^\circ$。主要考虑全球覆盖。
- GLONASS：$64.8^\circ$。
- 设计原因：俄罗斯领土位于高纬度地区，较高的轨道倾角能确保在高纬度地区有更好的卫星覆盖和可见性。
3.2 信号传输技术：FDMA vs CDMA 原片 @ 03:33*
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这是 GLONASS 与 GPS 最大的区别之一。
- GPS 采用 CDMA (码分多址)：
- 所有卫星使用相同频率。
- 通过不同的测距码 (PRN Code) 结构来区分卫星。
- 缺点：如果在该频率（如 L1 频点）施加干扰，所有卫星信号都会被干扰。
- GLONASS 采用 FDMA (频分多址)：
- 原理：利用不同频率来区分卫星。每一颗卫星发射的信号频率不同。
- 频率间隔：相邻卫星之间频率相差 $0.5625$ 或 $0.4375$（单位隐含为 MHz）。
- 优点 (抗干扰性强)：
- 干扰信号通常只能干扰特定频率。
- 干扰一颗卫星的频率，不会影响其他频率不同的卫星。
- 缺点：
- 硬件复杂：接收机体积大、重量重、价格贵。因为需要针对不同频率设置不同的硬件通道。
- 占用频率资源多：24 颗卫星每颗都要有一定的频率间隔，导致占用频带非常宽。
- 干扰其他业务：部分频率与射电天文学等频段冲突。
3.3 GLONASS 的改进与现状 原片 @ 06:30*
Screenshot-[06:30]
为了解决 FDMA 占用频谱过宽的问题，GLONASS 采取了以下措施：
- 频率复用：处于地球两侧（相隔 $180^\circ$ 轨道位置）的卫星使用同一个频率。因为这两颗卫星不会同时出现在用户的视野中，互不干扰。这使得所需频率数量减半。
- 未来趋势：GLONASS 也计划逐步引入 CDMA 技术，并已发射试验卫星。
系统健康状况与恢复：
- 早期问题：苏联解体后经济状况恶化，卫星寿命短（仅2-3年，对比 GPS 的 7-10 年）。导致卫星坏了无法及时补充，最差时仅剩约 6 颗卫星可用。
- 恢复计划：普京执政后经济好转，实施了“拯救 GLONASS”计划。
- 现状：卫星寿命提升至 10 年，星座已恢复至约 21 颗（视频录制时数据），基本具备全球运行能力。
4. Galileo（伽利略）系统详解 原片 @ 10:40*
Screenshot-[10:40]
4.1 系统特点
- 民用性质：与 GPS/GLONASS 由军方控制不同，Galileo 是纯粹的商业/民用系统。这意味着它受军事因素和战争影响较小，不会被随意关闭或加密。
- 技术指标：计划由 30 颗卫星组成，采用 CDMA 技术。
4.2 完好性监测 (Integrity) 原片 @ 13:00*
- GPS 的不足：GPS 卫星若发生故障，地面控制中心发现并标记为“不健康”需要一定时间。在此期间，用户可能接收到错误的信号而不知情。
- Galileo 的优势：系统设计中包含了完整性监测功能。如果卫星信号出错，地面监测站能迅速发现，并能在极短时间内（几秒级）通过卫星广播告知用户，大大提高了系统的可靠性和安全性。
4.3 建设进度
- 由于欧洲经济状况（如主要参与国经济低迷），计划有所推迟，进度落后于中国北斗系统。
5. 北斗卫星导航系统（BeiDou）详解 原片 @ 14:04*
5.1 北斗一代（北斗双星定位系统）
Screenshot-[14:04]
- 性质：区域性、有源定位系统。
- 组成：2 颗地球静止轨道（GEO）卫星。
- 定位原理：
- 测量到两颗卫星的距离。
- 结合地面高程模型 (DEM)。由于只有两个距离观测值，必须引入地面高程作为约束条件，才能解算出用户位置（2D 平面坐标 + 已知高程）。
- 缺点：
- 有源定位（Active Positioning）：用户必须向卫星发射信号。这意味着用户无法隐蔽，容易暴露位置（军事上是大忌）。
- 依赖高程数据：定位精度受地面高程模型精度影响。
- 用户容量限制：所有数据需传回地面中心站处理，中心站计算后将位置发回给用户。系统吞吐量受限于中心站的处理能力。
- 优点：投资少，建设速度快，解决了“有无”问题。
5.2 北斗二代（及未来发展） 原片 @ 17:36*
Screenshot-[17:36]
- 目标：从区域系统扩展为全球系统。
- 建设规划：
- 一期：区域覆盖（周边地区）。
- 二期：全球覆盖（预计 2020 年左右建成）。
- 星座设计（混合星座）：
- 总计约 35 颗卫星。
- 5 颗 GEO (地球静止轨道卫星)：定点在赤道上空，相对地面静止。
- IGSO (倾斜地球同步轨道卫星)：运行周期 24 小时，轨道有倾角。在地面看其轨迹呈“8”字形。
- MEO (中圆地球轨道卫星)：类似于 GPS 的轨道。
- 优势：
- GEO 和 IGSO 卫星始终位于中国及周边地区上空。
- 相比 GPS（卫星会转到地球背面），北斗在中国区域的可见卫星数量更多，几何结构（PDOP）更好，定位精度和可靠性在本土及周边地区更高。
- 这实际上是在全球系统的基础上，对本土区域进行了增强。
AI 总结
本节课主要介绍了除 GPS 之外的三大全球卫星导航系统：GLONASS、Galileo 和北斗系统。
- GLONASS 特点在于采用高轨道倾角（适应高纬度）和 FDMA 技术（抗干扰强但设备复杂），虽然曾经历衰退，但目前已基本恢复并逐步向 CDMA 过渡。
- Galileo 是唯一的民用系统，强调服务的可靠性和完好性监测（Integrity），能快速报警卫星故障，但建设进度受经济影响有所滞后。
- 北斗系统 经历了从“一代双星有源定位”到“二代全球无源定位”的发展。北斗独特的 GEO + IGSO + MEO 混合星座设计，显著增强了中国及周边区域的卫星可见数和定位精度，实现了全球覆盖与区域增强的结合。
这些系统的并存将显著增加全球可用导航卫星的数量，提升导航服务的精度与可靠性。
