早期的导航是目视导航，靠人眼观测有规律运动的目标来确定自身的位置及运行方向，但易受天气影响，不能实现全天候观测。第二次世界大战前后，开始出现利用无线电技术的导航系统，它能使用户实现全天候观测导航，使用十分方便。这时，无线电导航已采用了通信技术，载波上调制了信息，从而使导航的质量发生了根本性的变化。1957年10月4日，前苏联发射了人造卫星以后，前苏联和美国的科学家均产生了把无线电导航信源从地面导航塔搬到卫星上的想法，以解决无线电导航塔高度受限，造成导航覆盖范围较小的问题。由于卫星覆盖范围大，所以维持一定的卫星数量，并采用广播式通信方式，把测距码和导航电文广播至全球，便可以实现覆盖全球的导航定位；还可以把两维平面定位推进到可实现三维定位，使卫星导航的功能与精度发生了变革，开创了导航技术和能力的新纪元。

　　回眸卫星导航的发展历程，可以看到导航与通信交织在一起的一段段姻缘关系。

　　1初期的卫星导航系统一出现就与通信系统有缘

　　最早期的卫星导航系统中，采用了多普勒(Doppler)原理，即测量卫星信标的多普勒频移，对时间积分便可以测定观测点离卫星的距离，最终可确定观测点的位置，但这类系统测量精度较差。

　　1960年4月美国发射了世界上第一颗导航卫星“子午仪(TRANSIT)”1B， 1964年7月组成美国的海军导航卫星系统(NNSS)，为核潜艇和各类海面船舰等提供全天候的导航定位，并较广泛地应用于海上商船导航。系统的主要参数如表1所示。

　　1967年11月27日，前苏联发射入轨了第一颗导航卫星“宇宙—192”。1979年前苏联建设第一代蝉(Tsikada)卫星导航系统。导航卫星在整个寿命期内不间断地发射频率为150MHz和400MHz的无线电导航信号。那时卫星定位均方根误差已能达到250～300m。卫星系统由4颗导航卫星组成，卫星位于高度为1000km的圆轨道上，倾角为83°，运行周期106分，轨道面沿赤道均匀分布。它允许用户平均每1.5～2h与导航卫星中的一颗进行一次无线电联系，并在5～6min长的导航联络中确定自身位置的坐标。在后来的“蝉”系统卫星上还装备了用于发现发生灾祸目标的测量接收仪。用户设备上装备有专用的无线电示位标，可以发射121.5~243MHz和406MHz频率的灾难信号，这些信号被系统的卫星接收后传输到专门的地面站，在那里计算出发生灾难目标(船、飞机等)的准确位置。装备了灾难发现设备的卫星组成了“卡司帕司”(COSPAS)系统，它和美国—法国—加拿大的系统“萨尔萨特”(SARSAT)共同形成了统一的发现灾祸和救助的服务系统，近年来，已挽救了数千生命。

　　上述两类初期的卫星导航系统的不足主要有两条：一条是信号只能间断可用，因为系统只有5~7颗低高度轨道运动卫星，对地球上一点来说，没有卫星覆盖的时间段是经常出现的，这对于长期性的测量、船舶导航以及大地测量等还可以用，但对于像飞机、火箭等高速运行载体的导航，则是致命的缺点，甚至完全不能使用。另一个是由于系统对用户的速度敏感不足和仅能二维定位，因此，不适合航空等多种领域的应用。但作为早期的卫星导航系统它功不可灭。从对早期卫星导航系统的回眸中，可以看到无论在定位或完成搜救功能时，导航系统已成功地利用了通信传输中的技术和基本方法，如相移键控调制技术等。所以说早期卫星导航一开始就与通信有缘，正是卫星通信技术的进步促进了卫星导航系统的发展和应用。

　　表1 系统主要参数

　　项参 数

　　轨道近极圆轨道

　　轨道高度约1000Km

　　周期约100分钟

　　卫星数6颗

　　频率150MHz 400MHz

　　调制方式相移键控调制(PSK调制)

　　定位方式多普勒效应测定卫星方向

　　用途船舶导航测地基准点

　　2 Geostar卫星定位系统首开利用同步通信卫星定位的先河

　　随着卫星技术的发展，60年代出现了利用同步卫星的卫星通信技术。那时，科学家就想到利用同步通信卫星来实现导航，改变低轨运行的子午仪类卫星只能在运动卫星过境时段内才能实现定位这一状态。为此美国在70年代末研发和建设了Geostar卫星定位系统， 同样欧洲也建成了类似的Locstar卫星定位系统。遗憾的是，当时这些系统都采用了应答式通信方式，由导航中心站发布信息，用户应答后，中心站计算定位，再通信告知用户其位置的做法。这种通信方式存在定位通信过程繁杂、解算时间长、用户量受限、定位精度较低、难于测速，特别是易于暴露用户自身目标等不足。建成以后，因用户少，Geostar和Locstar两个系统均先后关闭。

　　这些系统的结局使人遗憾，应该说Geostar卫星定位系统开创了利用同步通信卫星作为导航星座，实现卫星导航定位的先河，理应具有覆盖范围广、技术成熟、数据传输能力强等长处，但由于错误地选择了主动导航体制，从而断送了很有应用价值的导航设计理念和导航通信方案的实施和推广应用。

　　3 空军621 B计划等卫星导航移植成功通信技术中的伪码扩频技术

　　不断地移植合适的通信技术是卫星导航技术成功发展的关键。1972年，美国空军在621 B计划、海军在NOVA卫星上均试验和演示了以伪随机码(PRN)为基础的新型卫星测距信号相关技术，用它测定卫星至用户间的距离，甚至在信号功率密度低于周围环境噪声1%以下时还能把信号检测出来，适当选择一些正交的PRN编码序列，使所有的卫星可以在相同的标定频率上广播，从而可以为广大区域提供性能优良的测距信号。伪码相关测距使测距精度明显升高，使卫星导航定位精度达到了新水平，同时由于进一步采用了通信中的扩频技术，使卫星导航信号抗干扰性能改善，具有一定的抗阻塞和抗故意干扰能力，这样十分有利于信号传输。传输信息包括卫星轨道参数、原子钟信息等，从而可以充分运用高精度的时间和位置信息，实现伪距高精度测量，还可以传输各类误差修正数据，对导航解实施误差修正。伪码扩频测距技术的成功应用代替了多普勒定位技术是构成GPS应运而生的3个重要技术基础条件之一。这些技术均来自通信领域，是成熟的通信技术，但解决了卫星导航中的关键技术问题。

　　4 GPS定位导航变主动为被动，但遗忘了卫星通信功能

　　在Geostar系统设计中，由于采用主动导航体制造成了一些不足。为此美国和前苏联科学家把设计的重点放到变主动定位为被动定位上。在1973年，集中当时多个卫星导航系统的长处，成功地提出了全球定位系统(GPS)的概念和方案。方案中抛弃了双向应答式卫星通信方式，采用了广播式单向通信方式。为了使位置基准与测距的时间基准重合，把作为导航时频基准的原子钟置于导航卫星上，导航电文与测距码直接在星上产生，向地面广播。这类系统设计造就了可容许无限用户使用的、隐蔽的、被动接收的导航系统。实施中虽然技术难度大、研制周期长，但通过20几年的努力，终成大器。随后，前苏联、欧盟等也纷纷仿效，想建立类GPS卫星导航系统。现在GPS已广泛应用于众多领域，并走进亿万家庭的日常生活之中。

　　GPS圆满地解决了单一载体的导航定位问题。但是，因没有考虑在系统内解决回传通信问题而在很多场合产生困惑：如当车辆在野外行驶时，用户中心无法知道其下属的车辆情况；在战场上，上级指挥机关无法知道战场态势；导弹发射以后，无法评估打击效果等。所以，人们开始考虑使用移动通信(GSM，CDMA等)或卫星通信(INMARSAT，Aces等)。另外，为了抵制美国政府对GPS信号采用SA(选择可用性)政策时，人们发明了差分技术，差分技术就是通过布设在基准点上的差分接收机，求出接收机定位值与基准点准确位置的偏差，从而推算求得卫星轨道和星上原子钟的误差，把这些误差广播告知用户，就可以使用户实现米级的高精度定位。后来，发布差分信息广播发展到发布可用性、连续性、完好性等信息广播，从而进一步提高了卫星导航的实用性。但这些修正信息都需要有通信信道广播，为此，需要增加或采用通信卫星进行传输广播。

　　总之，是应用实践的扩大，使科学工作者真正明白了导航与通信结合的重要性。同时，也开创了从利用通信手段导航，发展到进一步用通信手段解决导航定位信息的回传、交流、传递，使导航定位及时间信息的作用和价值发生了很大的变化。

　　5 转发式卫星导航系统实现了导航通信一体化

　　2002年11月，中科院国家天文台艾国祥院士等提出了“基于同步通信卫星的转发式卫星导航系统原理”，把GPS导航电文及测距码在星上直接产生、下行广播的方式，改为在地面产生，上行至卫星，再由卫星转发下行广播的方式。导航电文与测距码在地面产生，这样星上就不需要星载原子钟了。地面原子钟比星载原子钟的研制难度低，而且星载原子钟受相对论效应影响，准确度和稳定度都会下降，所以地面原子钟的准确度和稳定度高。由于系统有上行发射信道，可以准实时实现伪距误差修正和完好性信息发布，使系统的定位精度进一步得到改善。所以从原理上讲，转发式卫星导航定位系统应用通信卫星又选择被动导航体制后，功能明显强于GPS广播类卫星导航，精度也高于GPS类系统的定位精度。

　　在转发式卫星导航系统中，作为位置基准的导航卫星不需要专门发射，它主要利用位于赤道上空的现有的在轨同步通信卫星，包括利用生命后期的退役的同步通信卫星，使其南北方向不作姿态与位置控制，成为一颗小倾角同步卫星，这样不但可以延长卫星剩余使用寿命约十倍，实现同步卫星的多生命周期的应用，而且南北方向漂移增大，有利于改善星座分布性能，减小几何精度衰减因子(GDOP)，提高导航定位精度。这样的卫星导航系统投入成本低，只有GPS类卫星导航系统的10%～20%。这类卫星导航定位系统，考虑了卫星的综合利用，天生具有良好的通信能力，特别是在小倾角卫星上有丰富的转发器资源可以利用，从而可以实现用系统内的通信功能辅助增强导航功能，充分发挥导航信息的价值和作用。

　　6 展望

　　转发式卫星导航定位系统与其它导航定位系统一样，需要与相应的通信系统相配合，才能进一步发挥出导航定位信息的应用效益。导航定位系统很大一部分用户属于移动载体上的用户，这就决定了移动通信(GSM，CDMA，3G等)将是主要采用的通信手段。但作为无“缝隙”覆盖，卫星通信则是不可或缺的，或称卫星通信是地面移动通信系统的延伸和补充。虽然地面移动通信网是大量的占主流的，但因移动通信覆盖地域少于20%，在边远地区、沙漠地区、海洋上仍然缺少及难于实现通信，当灾害发生时，其它通信手段往往被破坏，也只有卫星通信仍可使用。为此卫星通信仍然是亟待研究与开发的通信手段。而且由于卫星信道传输质量好、可靠性高、传输时延短，所以一直倍受人们的青睐。

　　转发式卫星导航定位系统是基于同步轨道通信卫星的卫星导航系统，特别是在星座设计上增加了小倾角同步通信卫星后，有丰富的转发器资源，所以在转发式卫星导航系统中可以实现“基于位置和时间等服务”的双向报文、语音、图像等通信，实现导航和通信的一体化设计。

　　导航与通信结合，使导航定位的信息可以传输交流，从而使导航定位信息可以发挥出更大的作用。也使导航从单一载体导航发展为用户群体的系统导航，实现监控、指挥、评估、救助、优化运作和有效管理。

　　从上述卫星导航技术发展的回顾中，始终可以看到贯穿在发展历程中的导航与通信互相交融的姻缘关系。可以说通信技术是导航技术的基石，而导航技术则是一种为特殊应用目的服务的通信技术。今天在导航系统中，若再保留通信功能的话，可以使单体用户的导航定位信息，在用户间和用户与用户中心之间进行及时交流、传递，从而使导航定位信息活起来，产生更大的应用价值，发挥出更多的效能。为此，可以得出一个结论，即导航与通信的结合十分重要。