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当前，全球卫星导航系统包括我国的北斗卫星导航系统（BDS）、美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）和欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO），均已提供全球定位导航授时服务 [1-2] 。印度导航星座系统（NavIC）和日本的准天顶卫星系统（QZSS）两大区域系统也已提供区域定位导航授时服务。在提升现有卫星导航系统服务性能的同时，各系统均开始积极谋划升级换代，对导航定位的新体制和新技术进行规划部署和在轨验证。我国也在积极论证下一代北斗系统，构建以北斗系统为核心，更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系 [3-4] 。卫星导航系统新一轮发展态势逐渐显现。
BDS是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，致力于向全球用户提供导航、定位、测速、授时和短报文服务 [5] 。BDS按照“三步走”的发展战略，逐步建成了从区域有源定位到区域无源定位，再到全球无源定位的卫星导航系统。北斗一号系统于1994年启动建设，2000年投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时和短报文通信服务。北斗二号系统于2004年启动建设，2012年投入使用，在兼容北斗一号系统技术体制的基础上增加了无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务 [6] 。北斗三号系统于2009年启动建设，在北斗二号系统的基础上将服务区域扩展到全球，并进一步提升了性能，扩展了功能，2020年7月31日正式开通运行服务。
北斗三号系统由空间段、地面段和用户段组成，具备导航定位与通信数传两大类型七种服务，向全球提供卫星无线电导航业务（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和搜救（SAR）三种服务，对中国及周边地区提供星基增强系统（SBAS）、精密单点定位（PPP）、区域短报文通信（RSMC）和地基增强系统（GAS）四种服务。北斗三号系统服务及规划见表1-1。
表1-1 北斗三号系统服务及规划 [7]
注：中国及周边地区指东经75°～135°、北纬10°～55°的地域。
目前，北斗系统由北斗三号系统的30颗卫星（24颗MEO卫星、3颗IGSO卫星和3颗GEO卫星）和北斗二号系统的15颗卫星（3颗MEO卫星、7颗IGSO卫星和5颗GEO卫星）联合向用户提供服务。北斗系统通过全网星间链路，解决了区域布站全球服务的难题，实现空间信号精度优于0.5 m；全球定位精度优于10 m，测速精度优于0.2 m/s，授时精度优于20 ns；亚太地区定位精度优于5 m，测速精度优于0.1 m/s，授时精度优于10 ns [7] 。与其他卫星导航系统相比，北斗系统提供了具有中国特色的多样性服务，通过与通信技术融合发展，更好地满足了用户的多元化需求，引领了世界卫星导航系统多功能聚合的发展，见表1-2。
表1-2 世界卫星导航系统多功能聚合情况
注：“√”和“×”分别表示具备和不具备某项功能。
后续，北斗系统将持续提升系统能力和服务性能，进一步推动高精度、高完好、导通融合等多样化特色服务在全球落地，为未来智能化、无人化发展提供硬核支持。
目前，GPS空间段共有37颗卫星，其中31颗卫星正常工作（截至2022年8月），包括12颗GPS IIR卫星、8颗GPS IIR-M卫星、12颗GPS IIF卫星和5颗GPS III卫星，见表1-3 [8-9] 。
表1-3 GPS在轨工作卫星情况
注：*代表卫星不健康或在轨维护。
随着GPS的发展和升级换代，其服务能力不断提升，目前的空间信号精度均值约为0.5 m。2018年12月，美国启动新一代GPS III系统部署，包括10颗GPS III卫星和22颗GPS IIIF卫星，设计寿命15年。目前已经发射5颗GPS III卫星，计划2023年完成10颗GPS III卫星部署，2026年发射首颗GPS IIIF卫星，2034年完成全部部署。
GPS III系统能力全面升级，卫星载荷数字化程度大幅提高，GPS III、GPS IIIF卫星的数字化程度分别可达70%、100%，信号精度提升3倍，信号完好性、抗干扰能力进一步提升，具有关闭、增加和调整导航信号的在轨可重编程功能；配置高速星间链路，以确保GPS海外站被摧毁或者丧失能力时，系统安全稳定运行；同时，配置更高性能的星载原子钟，增加第4个民用互操作信号L1C（将播发4个民用信号：L1C/A、L1C、L2C、L5）、增加新的激光反射器以提高定轨能力，增加L频段搜救载荷和新设计的核爆探测载荷 [10] 。
同时，美国在抓紧研制下一代运行控制系统（OCX），包括OCX Block 1/2、OCX Block 2+的升级，以具备更高的赛博安全能力 [11-12] 。通过全面升级星地能力，GPS巩固和强化其在全球卫星导航领域的主导地位和优势。此外，美国在推动公开信号空间服务区域（SSV）的同时，也提出了M码SSV的空间现代化倡议。
GPS与新一代铱星系统融合，通过铱星播发导航信号，提供卫星时间和位置（STL）服务。根据Satelles公司发布的最新测试结果，STL信号增强30～40 dB，定位精度可达30～50 m，授时精度为200 ns，能提升复杂电磁环境中卫星导航服务的可用性，并能在服务拒止的情况下提供备份手段 [13-15] 。
美国积极探索未来卫星导航的新概念和新技术，特别是弹性定位、导航和授时（PNT）技术，时隔近40年再次启动导航技术试验卫星项目，计划2023年发射新技术试验NTS-3卫星。NTS-3卫星由美国空军研究实验室设计，旨在推动当今PNT技术的发展，可检测和减轻对PNT能力的干扰，提高军事、民用和商业用户的系统弹性。NTS-3试验主要用于验证多层弹性PNT体系概念与技术，包括以下三方面内容。
（1）搭载先进的光铷钟和冷原子铯钟，性能较GPS III卫星原子钟分别提升3倍和5倍。
（2）配置在轨可编程数字波形生成器、高增益天线、氮化镓高功率放大器等，进行信号灵活调整和功率增强技术验证。
（3）进行新型星间链路技术验证，旨在仅利用美国本土地面站实现全球系统运行控制，以增强系统的弹性对抗和抗毁性 [16-17] 。
截至2022年10月，GLONASS空间段共有26颗卫星，其中，22颗处于运行状态，1颗处于测试状态，3颗处于维护状态。地面段由系统控制中心、传感器站、处理中心、上行站及激光测距站组成，其境内外监测站网络可对基本PNT及增强服务进行监测和控制 [18-19] 。
为了更好地服务用户，GLONASS在前期仅提供RNSS的基础上，将差分改正和监测系统（SDCM）、地面增强设施纳入系统服务体系，3颗GEO卫星（Luch-5A、Luch-5B和Luch-5V）用于提供SDCM服务，以满足用户所需的高精度和高可靠性服务需求。目前，GLONASS可为各类用户提供不同精度的四类民用服务，包括测距精度为1.29 m的公开服务，以及0.5 m的增强服务、6.8 cm的高精度PPP服务、0.03 m的相对导航服务（基于载波相位测量和基准站）等增强服务。GLONASS的多层次精度增强服务见表1-4 [19-20] 。
表1-4 GLONASS的多层次精度增强服务
GLONASS不断提升系统性能，其现代化的MEO卫星按照GLONASS-M、GLONASS-K、GLONASS-K2三个版本演进，并促进SDCM和PPP增强系统发展。GLONASS卫星的现代化演进见表1-5 [17-18] 。计划2023年发射首颗GLONASS-K2系列卫星，并在后续3年里使用GLONASS-K系列补充星座，在2030年前至少部署18颗全新GLONASS-K2系列MEO卫星，替代目前在轨GLONASS-M卫星。GLONASS-K2卫星采用2个相控阵天线播发频分多址（FDMA）/码分多址（CDMA）信号，播发3个频段的CDMA民用信号，将加强与其他GNSS的兼容互操作；在系统精度方面，将通过建立星间链路、扩大国际监测站网络、更新氢原子钟、发布电离层/对流层延迟相关接口控制文件等措施提升精度；在健壮性方面，将建立干扰监测与控制系统，并通过促进向弹性导航接收机的过渡来提升健壮性；在创新发展方面，将促进国产双频接收机的设计进展，以及GLONASS-K2卫星的研发；在可用性方面，将发展高轨卫星系统和增强系统来提升系统可用性 [19-20] 。
表1-5 GLONASS卫星的现代化演进
GLONASS加快MEO卫星更新换代的同时，后续计划增加GEO卫星和IGSO卫星，构建GLONASS混合星座，提升高精度服务能力，全面提升系统性能。2020年开始，拟用3颗Luch-5M GEO卫星替代现有SDCM的3颗GEO卫星，并在160°E位置增加1颗GEO卫星，实现双频多星座增强；进一步扩展地面监测资源，增加国内站和海外站数量。2025年前，发射6颗IGSO轨道的GLONASS-B卫星，播发L1OC、L2OC和L3OC信号，东半球服务性能将提高25%，可为用户提供更多差异化多样服务 [19-20] 。
2011年，GALILEO发射首批2颗卫星，2016年开始提供全球初始运行服务。截至2022年9月，GALILEO已有28颗在轨卫星，其中，23颗可用于导航服务，25颗可用于搜救服务 [21] 。
2014年以来，随着卫星数量的增加和服务性能的改善，系统测距误差逐渐减小，截至2022年3月，卫星测距精度（95%）为0.22 m，最优测距精度可达0.16 m（5月），最低测距精度为0.4 m（1月），水平定位精度约为1.6 m，垂直约为2.4 m；授时可用性也逐渐稳定，播发UTC偏差为3.7 ns（95%），优于30 ns的目标，GPS与GALILEO的时间偏差为3.0 ns，优于20 ns的目标 [21-25] 。
随着卫星陆续到寿，2020―2024年GALILEO将发射12～14颗卫星。GALILEO卫星发射计划如图1-1所示，其中，2021年12月，2颗GALILEO卫星成功发射，目前已提供服务，可进一步提升系统性能和可用性 [21，26] 。
图1-1 GALILEO卫星发射计划
GALILEO可提供多样化服务，目前已提供公开服务（E1C与GPS L1C为美欧联合设计的互操作信号）、公共特许服务和搜救服务。近期，公共特许服务发布新的服务定义文件，公开服务的导航电文认证已提供首个GNSS测试信号，高精度服务进行了首次高精度信号播发，搜救服务的反馈链路已实现全部服务能力，可满足高安全、高精度、高效信息播发等多样化需求 [21，26-27] 。
GALILEO在积极规划部署第二代系统。2021年5月28日，欧洲航天局正式签发了总金额为14.7亿欧元的两项合同，用于设计和建造第二代GALILEO的第一批导航卫星。两项合同授予意大利泰雷兹·阿莱尼亚空间公司和德国空中客车公司，共计12颗卫星，计划将在4年内首次发射，从而尽快投入在轨使用。已制定系列服务及高端任务目标文件，具体服务类型除基本导航定位授时服务外，还包括高级授时服务、空间服务域、紧急预警、搜救等。此外，第二代系统将提供更高的精度、完好性和连续性；具备自主运行、抗干扰、抗欺骗能力，卫星寿命更长，系统与服务更加安全，具有更好的兼容与可扩展性。同时，系统还将演进发展以下服务：重构改进信号提高服务性能（首次定位时间、精度、安全认证等）、高级授时服务、空间服务域服务、基于反向链路的新型搜救服务、电离层预报服务、面向生命安全用户的高级接收机自主完好性监测服务，未来还将面向生命安全、新型时钟、安全连通性、量子通信、低轨等方向应用 [21，25，28-29] 。
德国宇航中心、德国地学研究中心等单位正在联合开展Kepler星座的研究。Kepler星座由分布在3个轨道面的24颗中轨（MEO）卫星和分布在2个轨道面的6颗低轨（LEO）卫星组成，如图1-2所示 [30] ，采用激光星间链路、光钟和光频梳建立更高精度的天基时间基准，极大地减少了对地面的依赖，可仅利用一个地面站维持星座自主运行。该系统采用双向激光星间链路完成测量、时间同步和通信，可实现厘米级定轨，MEO卫星无须配置原子钟即可实现长期运行，完好性告警时间为3 s，并计划在2023年和2025年，分别在LEO卫星和MEO卫星上进行试验 [17，31] 。
图1-2 Kepler星座示意图
QZSS是由日本研制和建设的多任务卫星区域导航系统，自2018年11月开始向日本本土及亚太地区提供公开服务 [32-33] 。当前，QZSS空间段共有4颗在轨工作卫星（截至2022年10月），包括1颗GEO卫星和3颗IGSO卫星，见表1-6，计划再发射3颗卫星，最终建成由7颗卫星组成的完整系统。地面段包括2个主控站、7个卫星跟踪遥测指令站、30多个监测站，可提供精确轨道确定、增强数据融合和完好性监测等服务 [34-36] 。
表1-6 QZSS的当前星座构成
QZSS采用准天顶卫星轨道，可使卫星在日本上空停留的时间更长，改善了日本本土的信号覆盖。目前，星座信号能够覆盖以日本本土为中心的亚太地区，若以10°为最小观测仰角进行界定，覆盖范围为60°E～200°E [37] 。QZSS既可独立定位，也可作为GPS的补充和增强。通过播发的9种信号，向用户提供7类公开服务，具体见表1-7 [38-40] 。其中，灾害与危机报告服务目前是由日本气象厅向日本国内用户提供气象信息的，QZSS的早期预警服务正在与GALILEO进行合作探索。2024—2025年，支持早期预警服务的QZSS地基增强将会升级，导航电文认证服务、早期预警服务预计在2024年实现可用 [36] 。
表1-7 QZSS的信号及其对应的服务
印度导航卫星系统（NavIC）早期被称为“印度区域卫星导航系统（IRNSS）”，是由印度太空研究组织研制建设的区域卫星导航系统。目前，NavIC的空间段共有8颗卫星，包括3颗GEO卫星和5颗IGSO卫星（截至2022年10月），详见表1-8 [41] ；地面段包括2个导航中心、17个单向测距与完好性监测站、4个双向测距站、2个网络授时中心和2个控制中心。NavIC于2013年发射首颗卫星，2016年开通服务，2017年遭遇严重问题，7颗在轨卫星的21台铷原子钟中有7台出现故障，严重影响了系统的稳定运行 [42] 。
表1-8 NavIC的当前星座构成
在系统性能方面，NavIC覆盖印度领土及周边1500 km范围，定位精度小于20 m，授时精度小于50 ns [43] 。该系统计划增加4颗IGSO卫星，将服务区进一步扩大至南纬30°～北纬50°、东经30°～130°；并增加L1C民用互操作信号与其他GNSS实现兼容与互操作，增加搭载搜救载荷，确保服务区内可见卫星数至少增加到6颗，以进一步提升导航服务精度和连续性 [44] 。
NavIC向用户提供民用标准服务和军用授权服务，单频用户使用L5或S频段信号，双频用户使用L5和S频段信号，其信号及精度见表1-9。NavIC计划后续发射的卫星增加L1频段信号。
表1-9 NavIC的信号及精度
2021年11月15日，韩国航空宇宙研究院第21次国家宇宙委员会会议审议批准了“韩国卫星导航系统（KPS）研发项目推进计划”。韩国拟在航空宇宙研究院旗下设立专门的研发部门，于2022—2035年研发KPS服务所需的卫星、地面系统和用户系统，建成后的KPS将由3颗GEO卫星和5颗IGSO卫星共8颗卫星组成，能够在距首尔1000 km半径的区域内提供独立的定位和导航信号，服务区域内的定位误差小于1m。
KPS建设包括三个阶段：第一阶段（2022―2024年）为系统设计阶段，完成轨道、信号的设计，并参与轨道、频率的国际协调与合作；第二阶段（2025―2028年）为系统发展阶段，完成载荷及卫星的设计和制造、地面主控站和监测站的部署，首颗KPS卫星计划于2027年发射；第三阶段（2029―2035年）为系统部署和实施阶段，完成所有卫星的发射和所有地面设备的部署，同时分别完成初始服务能力和完全服务能力的测试。KPS建成后，拟通过L1/L2/L5/L6/S频段信号提供定位、导航与授时、星基增强、公共安全和搜救等服务 [45] 。
从世界主要卫星导航系统的最新发展情况来看，拥有卫星导航系统的国家和地区对GNSS的重视与日俱增，正在谋划系统能力的升级换代，加快部署新技术、新卫星和新服务。总体呈现以下趋势和特点。
（1）持续提升精度和完好性是GNSS始终追求的目标。各系统更加重视通过增加卫星数量、配置更高性能原子钟、扩展监测站数量和范围、优化精密定轨和时间同步算法等，不断提升空间信号精度和系统定位精度。同时，逐步提供精密定位服务，如GALILEO将提供全球20 cm的高精度服务，GLONASS将提供区域10 cm的高精度服务，QZSS已在本土和周边提供10 cm的高精度服务。在完好性服务方面，各系统正在加快现有星基增强系统的升级换代，由单频单星座向双频多星座发展，并注重星地完好性联合监测，以更好地保障用户的安全可靠性。
（2）不断推出多样化的扩展服务成为GNSS发展的新重点。为了更好地满足多元化用户需求，多功能高度聚合和提供特色服务已成为未来赢得用户新的着力点。GPS将在新一代卫星上搭载搜救和新设计的核爆探测载荷；GALILEO将逐渐推出安全认证、告警服务、电离层预测等特色服务；GLONASS后续卫星也计划提供搜救服务；日本、印度的系统也将陆续推出新服务、新功能。如何实现卫星导航系统的集约高效，实现一星多用、一系统多能成为未来各系统挖潜增效、提升国际竞争力的新方向。
（3）构建弹性体系成为GNSS发展新要求。通过高、中、低轨混合星座、高速星间链路等手段构建弹性体系，提升系统的安全性和服务可用性。例如，GEO卫星可实现本土全时覆盖和操控，IGSO卫星可提升区域能力和遮挡环境中的服务可用性，MEO卫星可高效实现全球覆盖，LEO卫星可完成导航增强和备份。GPS虽已具备全球监测和操控能力，但还在积极发展基于星间链路的本土操控和自主运行能力；GLONASS也在发展混合星座体系和星间链路；GALILEO也在积极研究引入低轨卫星，以提升复杂环境中服务的稳健性和系统能力的弹性。