北斗衛星導航系統的發展、優勢及建議

李鶴峰，黨亞民，秘金鐘，薛樹強

（1.中國測繪科學研究院 大地測量與地球動力研究所，北京 100830；2.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510）

1 引言

日前，北斗衛星導航（區域）系統（BDS）已全面建設完成，并正式提供服務。除我國的BDS外，國際上正在運行的全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）主要有兩大系統［1］：一是美國的全球定位系統（Global Positioning System，GPS），另一個是俄羅斯全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GLONASS）。此外，歐盟正在加緊建設基于民用的伽利略衛星定位系統（GALILEO Positioning System，GALILEO）。因而，未來太空會形成BDS、GPS、GLONASS、GALILEO 4大衛星導航系統共存的局面，將協同完成全球陸、海、空、宇各類運載體導航定位任務。

BDS為GNSS的重要組成部分，因此詳細研究BDS的系統架構、定位原理以及與其它GNSS系統的區別，可以讓更多的研究者加入到BDS的研究、也可以壯大BDS科研隊伍的基礎。本文采用對比方式，在GNSS四大系統的構成、原理、特性、優勢互補等方面進行研究分析，就混合星座，通信集成等方面給出了BDS系統的優勢所在，最后就作者的認識，提出發展BDS的個人建議。

2 BDS

2.1 系統簡介

中國自20世紀80年代構想建設衛星導航系統后，提出了 “先區域、后全球，先有源、后無源”的總體思路，并結合國情制定了科學合理的 “三步走”總體規劃［2］。20世紀90年代開始研發擁有自主知識產權的衛星導航系統即BDS。

2000年初步建成了北斗衛星導航試驗系統，成為世界上第3個擁有自主衛星導航系統的國家，并于2003年開始提供服務。BDS已于2011年12月開始提供試運營服務，試運營期間服務性能與GPS基本相當［3］。目前已全面完成亞太區域系統網的組建工作并于2012年12月27日開始提供正式服務，其覆蓋區域及精度如圖1所示。預計將于2020年全面建成由35顆衛星組成覆蓋全球的BDS，其設計性能優于GLONASS，與第三代GPS性能相當，將為全球用戶提供高精度，高可靠性的導航、定位和授時（Positioning，Navigation and Timing，PNT）服務［4］。

圖1 BDS覆蓋區域及精度

2.2 系統組成

BDS由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成［2，5－6］。

2.2.1 空間星座

空間星座部分由5顆地球靜止軌道（GEO）衛星和30顆非地球靜止軌道（Non－GEO）衛星組成（如圖2）GNSS系統。GEO衛星軌道高度35 786km，分別定點于東經58.75°、80°、110.5°、140°和 160°。Non－GEO 由27顆中圓地球軌道（MEO）衛星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星組成。其中，MEO衛星軌道高度21 528km，軌道傾角55°，均勻分布在3個軌道面上；IGSO衛星軌道高度35 786km，均勻分布在3個傾斜同步軌道面上，軌道傾角55°，3顆IGSO衛星星下點軌跡重合，交叉點經度為東經118°，相位差120°。

截止論文發稿時，BDS在軌工作衛星有5顆GEO、4顆MEO和5顆IGSO。按照北斗衛星導航（區域）系統空間星座布設14顆衛星的發展計劃［7］，區域北斗系統網已建設完成，正式服務也于2012年12月27日開通。

圖2 BDS空間衛星及空間星座示意圖

2.2.2 地面控制

地面控制部分由若干主控站、注入站和監測站組成。主控站主要任務是收集各個監測站的觀測數據，進行數據處理，生成衛星導航電文、廣域差分信息和完好性信息，完成任務規劃與調度，實現系統運行控制與管理等；注入站主要任務是在主控站的統一調度下，完成衛星導航電文、廣域差分信息和完好性信息注入，有效載荷的控制管理；監測站對導航衛星進行連續跟蹤監測，接收導航信號，發送給主控站，為衛星軌道確定和時間同步提供觀測數據。

2.2.3 用戶終端

用戶終端部分由各類BDS用戶終端，以及與其他衛星導航系統兼容的終端組成，能夠滿足不同領域和行業的應用需求。

2.3 信號特征

由于國際衛星導航系統的信號頻率資源十分緊缺，不同衛星導航系統間的頻譜重疊不可避免。頻譜重疊和頻譜分離是目前兼容性與互操作＊兼容性是指分別或綜合使用多個全球衛星導航系統及區域增強系統，不會引起不可接受的干擾，也不會傷害其他單一衛星導航系統及其服務。互操作是指綜合利用多個全球導航衛星系統、區域衛星導航系統、增強衛星導航系統及相應服務，能夠在用戶層面比單獨使用一種服務獲得更好的能力。討論的熱點，不同系統服務信號間共享頻譜是可行的。而且對許多應用來說，開放信號的頻譜重疊對實現互操作也是有益的［8］。

我國向國際電信聯盟（ITU）申報了4個頻率的BDS信號：1 561MHz、1 589MHz、1 268MHz及1 207MHzE5b 已經發射的三頻信號為：1 561.098MHz的B1（Ι）信號和1 589.742MHz的B1－2（Ι）信號，它們都為公開服務信號，其碼速率均為2.046cps、工作帶寬為4.092MHz；另一個為中心頻點1 207.14MHz的B2（Ι）信號，其碼速率為2.046cps，工作帶寬為24MHz；還有頻率為1 268.52MHz的授權用戶信號。此外還將發射中心頻點分別為1 575.42MHz和1 191.795MHz，碼速率分別為1.023cps、10.23cps兩種公開服務信號。

2.4 時間系統

BDS的時間基準采用北斗時（BDT），BDT是一個連續的時間系統，取國際單位制（SI）秒為基本單位，以周和周內秒為單位連續計數，不閏秒，并通過BDS導航電文播發。BDT起算歷元時間為2006年1月1日（星期日）0時0分0秒的協調世界時（UTC），BDT與UTC的時間偏差保持在100ns內，BDT與UTC之間的閏秒信息會在導航電文中播報。

2.5 坐標系統

BDS坐標系統采用2000中國大地坐標系（CGCS 2000），CGCS 2000的定義和國際地球參考系統（ITRS）相一致。CGCS 2000的實現稱為中國2000地球參考框架（CTRF 2000），CTRF 2000參考于ITRF 97，歷元為2 000.0。CTRF 2000由三個層次框架點組成［8］。第一層次：連續運行參考站（28個點）形成CGCS 2000的基本骨架，精度約為3mm；第二層次：2000國家GPS大地控制網（2 500多個點），精度約為3cm級；第三層次：全國天文大地網（約50 000個點），大地經緯度精度約為0.3m，大地高精度優于0.5m。CTRF 2000第一、二層參考框架與國際地球參考框架（ITRF）的一致性約為幾厘米，所以對于大多數用戶來說，在坐標系精度實現范圍內，可以不考慮CTRF 2000和ITRF的坐標轉換。

2.6 BDS定位原理

BDS采用GNSS通用的三球交會的幾何原理實現定位（如圖3）。理論上通過測算三顆衛星到用戶的距離，組成三元方程組，從而計算出用戶的三維坐標。實際應用中由于接收機鐘差難以預先準確確定，通常將其看作一個未知參數，與用戶三維坐標一并求解。這時需要用第四顆衛星參與解算，組成四元方程組，進而精確計算出用戶的三維坐標。

圖3 三球交會定位原理

設在t時刻用戶測站點到S1、S2、S3及S4四顆衛星的偽距觀測值為ρj（j＝1，2，3，4），通過衛星導航電文解算，算出該時刻四顆衛星的三維地心坐標（Xj，Yj，Zj），用上述三球交會的幾何定位原理，計算用戶位置的三維地心坐標（X，Y，Z），則觀測方程為

式中，假設偽距觀測量ρj已經通過星歷中的電離層和對流層改正，Rj為接收機天線相位中心到衛星天線相位中心的幾何距離，c為光速，δt為接收機鐘差。

3 BDS與 GPS／GLONASS／GALILEO 系統對比分析

3.1 GNSS四大系統主要特點

GPS、GLONASS及GALILEO系統已在參考文獻 ［1，9－10］中進行過詳述，這里不作具體討論，只就各系統的突出特點作簡要概述。

GPS的前身是美軍于1958年研制的子午儀衛星定位系統（Transit），20世紀70年代，美國陸海空聯合研制了新一代衛星定位系統（GPS），能夠提供實時、全天候和全球性導航定位服務。到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座布設就已完成。

GLONASS由前蘇聯在1976年啟動建設，蘇聯解體后，GLONASS由俄羅斯政府負責運營。由于俄羅斯經濟衰退，使GLONASS的建設受到很大影響。2001年－2010年，俄羅斯政府補齊了該系統所需的24顆衛星，已能夠實現全球定位導航功能。GLONASS在技術方面與GPS主要不同之處在于GLONASS采用頻分多址（FDMA）的方式，衛星靠頻率不同來區分，每組頻率的偽隨機碼（PRN相同。因此GLONASS可以防止整個衛星導航系統同時被敵方干擾，具有更強的抗干擾能力。

歐盟正在建設的GALILEO，是基于民用的全球衛星導航定位系統，預計于2014年開始運行并在2019年完工。投入運行后，GALILEO用戶將使用多制式的接收機，獲得更多的導航定位衛星的信號，能夠極大地提高導航定位的精度。GALILEO還能夠和BDS、GPS、GLONASS實現多系統內的相互合作，任何用戶將來都可以用一臺多系統接收機采集各個系統的數據或者各系統數據的組合來實現定位導航的要求。

將BDS與GPS、GLONASS和GALIEO系統進行對比研究，可以將4大GNSS系統各自的特點精要的概括為：BDS開放兼容，突飛猛進；GPS成熟穩定，一家獨大；GLONASS強抗干擾，曲折前進；GALILEO精準先進，大器晚成。

3.2 GNSS四大系統主要異同點

表1列出了BDS與GPS、GLONASS、GALILEO四大GNSS系統的特點及主要對比參數。

表1 BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四大系統的主要參數對比表

系統間的異同點分析如下：

1）系統組成都是由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成，這是國際上完整GNSS系統的基本結構。

2）系統間有重合的信號頻率。這并不是弊端，而是一種優勢，可在接收機制造上使用相同的天線，使各系統更易于實現兼容與互操作［8］。

3）系統均為偽隨機碼擴頻測距信號，可以設計兼容的基帶處理芯片，實現對信號的捕獲跟蹤，偽距測量［11］。

4）系統衛星的軌道高度、傾角、運行周期基本一致，定位原理均采用三球交會的幾何原理，定位算法相同，載波和碼跟蹤算法一致。

5）系統大都采用碼分多址（CDMA）的衛星識別方式，每顆衛星的信號頻率和調制方式相同，不同衛星的信號靠不同的偽碼區分；只有GLONASS系統采用頻分多址（FDMA）的方式，但這種方式具有更強的抗干擾能力。

6）系統時空基準不同，但系統間的時空可以經過轉化得到統一。國際上許多組織已經求出部分系統間的坐標轉換參數，多模融合定位時，通過參數轉換可以達到需要的精度。

四大GNSS系統自有特點正是他們的優勢所在，他們之間的異同點，特別是在GNSS系統間的兼容性和互操作方面，應充分考慮各系統的優勢，取長補短，達到共同發展的目的，達到為全球用戶提供高質量、高可靠性的定位、導航與授時（PNT）服務的目的。

4 BDS優勢分析

4.1 混合星座定位

BDS的空間星座布局與其他導航系統有著明顯的本質區別。GPS、GLONASS及GALILEO系統均采用中圓軌道，MEO衛星均勻分布在軌道面上，這種對稱星座，軌道面與相位都很均勻，是覆蓋全球的最優星座。BDS同樣擁有最優的MEO衛星星座，但沒有以MEO為主。考慮到MEO衛星繞地球旋轉，每天只有30%的時間位于中國上空，其他時間不能為中國提供服務。因此，BDS創造性地采用傾斜地球軌道衛星（IGSO）定位，衛星軌跡呈8字形，有70%－80%的時間停留在中國的國土上空［12］。另外BDS星座還有相對地面不動的地球靜止軌道衛星（GEO），GEO衛星的靜地特性，可滿足某一區域全天候覆蓋的要求。BDS充分利用MEO、GEO、IGSO三種不同軌道高度的異質衛星組成空間定位混合星座，有效改善了中國區域及周邊范圍定位星座布局，可以為中國及周邊用戶提供全天候、高精度的PNT服務。

4.2 導航定位與通信集成

GPS和GLONASS系統只解決了用戶在何時、何地的導航定位和授時問題。BDS的最大特點和優勢就是實現了導航定位與通信集成，是世界上首個集定位、導航、授時和報文通信于一體的衛星導航系統，能夠實現用戶位置報告與信息共享，BDS不僅能讓用戶自己知道自己在何時、何地，而且還能讓別人知道自己于何時、在何地［3］。BDS的這種特色服務在很多場合真正成為 “救命”的法寶，2008年汶川地震中BDS的應用已使這點得到了充分的驗證。

4.3 兼容GNSS服務

BDS建設之初就提出了 “開放、兼容”的發展原則，BDT與GPST、GLONASST、GST的互操作在BDS設計時間系統時已經考慮，它們之間的時差會被監測和發播。GALILEO系統尚在試驗階段，預計2019年完工，根據以上的特點對比可以看出，GALILEO比GPS更先進，也更可靠。而BDS與GALILEO有相同的工作頻率，兼容性更強，一旦GALILEO系統正式投入使用，BDS可以為用戶提供更多兼容接入信息，為用戶提供更高精度的導航定位信息。

4.4 自主控制 安全保密

BDS是中國自行研制、自主控制的衛星定位導航系統。依賴他國衛星導航系統必定受制于人，擁有自主控制的衛星導航系統至關重要。而BDS通信信號穩定，且設計有高強度加密措施，安全穩定，對于國防安全等關鍵部門的應用非常重要。

5 BDS發展的幾點建議

1）BDS預計在2020年左右才能夠覆蓋全球，在實現全球覆蓋之前，注重國際協調、合作，實現與其它GNSS系統的兼容和互操作是當前努力和研究的課題；應努力在坐標系統、時間系統、信號頻率上與國際現有標準一致，用以最大限度的提高BDS的PNT服務性能。

2）當前，廉價的GPS產品充斥著市場，這必然會對中國衛星導航市場產生沖擊，普通用戶自然產生了對BDS產品的觀望心態，這無論是對BDS的拓展還是對衛星導航產業的發展都會帶來負面影響。因此研發具有自主知識產權的經濟適用型BDS用戶終端機，是繁榮中國衛星導航市場的關鍵。

6 總 結

BDS是中國自主建設、獨立運行，并可與世界其它衛星導航系統兼容共用的衛星導航系統。自2003年正式提供服務以來，在眾多領域發揮了具大作用，服務性能已經與GPS相當，特別是在某些應用領域已經完全擺脫并超越了其他GNSS系統，產生顯著的經濟效益和社會效益。

在慶賀BDS不斷發展，突飛猛進的同時，也要意識到，當前的BDS仍是一個服務范圍較BDS試驗系統擴大三倍的區域導航系統［13］。目前GPS在壟斷國內導航產業應用占95%左右，BDS在國內的競爭力相比GPS還有相當的差距。但隨著BDS空間混合星座布局的不斷完善，當BDS提供GPS、GLONASS及GALILEO差分改正數和完好性信息后，再加上充分發揮BDS的短報文特色服務，完全可以占領中國及周邊地區高精度、高可靠性的服務市場，最終必定會成為GPS的強大競爭對手，成為國際GNSS的領跑者。

［1］ 佚 名.GPS、GLONASS、北斗、GALILEO：四大衛星導航系統“競風流”［J］.軍民兩用系統與產品，2012（5）：10－12.

［2］ 中國衛星導航系統管理辦公室.“北斗”衛星導航系統發展報告［J］.國際太空，2012（4）：6－11.

［3］ 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗試運行期間服務性能大幅提高與 GPS基本相當［EB／OL］.（2012－12－27）［2013－01－15］.http：／／www.beidou.gov.cn／2012／12／27／201212275f67fc139a5d4750952e15fa9e73877c.html.

［4］ 楊元喜.中國北斗衛星導航系統對全球PNT用戶的貢獻［J］.科學通報，2011，56（21）：1734－1740.

［5］ 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B1Ⅰ：1.0版［EB／OL］.（2012－12－27）［2013－01－15］.http：／／www.beidou.gov.cn／attach／2012／12／27／2012122755318f7eabbe451aa6d052f829f92e50.pdf.

［6］ CHEN Xiao－li.Beidou（COMPASS）Navigation Satellite System and Its Application［J］.Aerospace China，2010，11（1）：16－18.

［7］ 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件：測試版［EB／OL］.（2011－12－27）［2013－01－15］.http：／／www.beidou.gov.cn／attach／2011／12／27／20111227ace155f4e69a4666b45235e129463872.pdf.

［8］ 楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰［J］.測繪學報，2010，39（2）：1－6.

［9］ 黨亞民，秘金鐘，成英燕.全球導航衛星系統原理與應用［M］.北京：測繪出版社，2007.

［10］ 孫亞偉，曹乃森.全球衛星導航系統GPS／GLONASS／伽利略的對比研究［J］.信陽農業高等專科學校學報，2009，19（2）：117－120.

［11］ 譚述森.北斗衛星導航系統的發展與思考［J］.宇航學報，2008，29（2）：391－396.

［12］ 楊鑫春，李征航，吳 云.北斗衛星導航系統的星座及 XPL性能分析［J］.測繪學報，2011，40（S）：68－72.

［13］ 周 兵，陳向東，趙齊樂，等.北斗系統與 GPS應用比較分析［J］.全球定位系統，2012，37（4）：6－8.