全球導航衛星系統體系化發展趨勢探討

曹 沖

（中國衛星導航定位協會咨詢中心，北京 100105）

1 全球導航衛星系統 （GNSS）的現狀和重大發展動向

1.1 2020年四大全球系統的格局基本形成

（1）GNSS

GNSS是個綜合性概念。泛指全球所有的衛星導航系統，包括全球導航衛星系統、區域系統和廣域增強系統 （或者稱為星基增強系統，SBAS）。

（2）全球系統

在2020年前全世界已經投入運營和正在建設又有望建成的全球系統共有4個，它們是：美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統中國的北斗（BeiDuo）系統以及歐洲的Galileo系統，現在已經正式投入全球運營服務的全球系統有GPS和GLONASS，中國的北斗系統業已投入區域運營服務，Galileo則是在建設過程中。預計中國的北斗系統和歐洲的Galileo系統將在2020年投入全球運營服務。

（3）增強系統

目前，所有建設全球系統的國家，都在同時建設它們的星基增強系統，其中有美國的WAAS （廣域增強系統）、俄羅斯的SDCM （差分修正監測系統）、歐洲的EGNOS（歐洲伽利略導航重疊系統）、中國已經包含在北斗區域服務系統內的星基增強系統以及日本的MSAS（多功能衛星增強系統）與印度的GAGAN （GPS加上靜地衛星增強導航）。

（4）區域系統

現在正在建設的區域系統有兩個：日本的QZSS（準天頂衛星系統）和印度的IRNSS（印度無線電導航系統）。

表1 目前GNSS四大系統在軌工作的衛星數量與型號

1.2 若干熱點問題與最新動向

（1）GPS和GLONASS的現代化進程

這兩個首先投入完全服務的系統，均很早進入其現代化里程。其目的是不斷提高系統性能，重點是精度、可用性、可靠性的提升，以及衛星長壽命能力。在提高空間段性能的同時，也在逐步提高運控段和用戶段的水平和能力。GPSIII和GLONASS－K系統技術是現階段的終極目標。值得指出的是，4大全球系統在2020年前預計都將投入100多億美元的巨款，推進和完善系統能力建設。

（2）兩個 “出乎意料之外”

一是 “GPS應用只受到人們想象力的限制”，其應用之廣泛深入，令GPS系統的策劃設計者都感到出乎意料之外，衛星導航能夠一體化提供全球全天候高精度時間和空間位置基礎信息，成為至今為止眾多航天技術中唯一能達到大眾化服務和產業化發展的高科技；二是衛星導航系統的脆弱性如此驚人的明顯，一個可樂罐頭大小、發射功率不足1W的GPS干擾儀，可以讓方圓10幾平方千米區域的民用接收機無法正常工作。所以，美國聯邦通信委員會不得不在2010年立法，規定凡是研發、制造、銷售、使用GPS干擾儀者，均屬于違法行為。

（3）兩次 “劫機事件”

2011年12月伊朗宣布成功劫持美國軍用無人機，2012年6月德州一所大學接受國土安全部的任務，利用價值不足1 000美元的設備，實現了對于民用無人機的成功劫持，從而引起了相關部門和社會各個層面的廣泛關注。

（4）兩樁 “公案”

2011年關于光平方 （LightSquared）公司部署地面寬帶網絡，引發的信號干擾，與GPS業界進行了一場曠日持久的 “官司”，開展大量的測試活動，形成了一系列報告，最終光平方公司落敗，至今注意事件似乎尚未真正的塵埃落地。2012年英國軍方提出衛星信號多用博克碼 （MBOC）的專利，相當于把所有民用信號使用者均被納入其收費范圍，引起了軒然大波，至今此項公案還前途未卜。

（5）兩大 “行動”

美國軍方采取的兩個行動令人關注，一是有關部門進行低價位的全源 （all source，所有信號源）接收機解決方案招標，二是美國空軍對于Locata（地面定位系統）進行數千平方千米大范圍測試驗證，業已證明其有效性，并且決定將其稱為“黃金標準”，作為超高精度參考系統，在白沙島試驗場落戶。

（6）增強、后備、替代方案和室內定位技術系統蓬勃興起

近些年來，對于在難以接收衛星信號的環境下，實現有效定位的增強、后備、替代方案的探討，非常廣泛，其中的重點是解決室內定位技術和室內外無縫融合定位技術，尤其是實現導航與通信技術的組合融合，以及無線電定位與其它（光、聲、電、機）定位技術的組合融合，而GNSS、WiFi與MEMS組合融合被大家重點關注。

1.3 4大發展趨勢不可逆轉，其大眾化產業化特點日益明晰

今后的數年內，衛星導航能夠提供時間和空間位置信息的基礎功能將進一步發揚光大，成為所有車輛、飛機、艦船、衛星的標準配置，成為移動電話和便攜式設備的標準配置，成為所有智能電子信息終端的標準配置，并集社交網絡、本地搜索、云計算和移動應用于一體，造就無所不在的位置服務大產業，能夠把物聯網、移動互聯網、數字地球和智慧城市等一系列重大題材串聯在一起，成為集大成的新一代信息技術和智能信息產業的核心要素與共用基礎，成為 “大數據、智能化、無線革命”新時代的核心要素與共用基礎。其應用服務將深入國民經濟每個領域，深入社會生活每個角落，深入千家萬戶和億萬人群，從而改變人們的生產、生活和生態方式，促進信息產業現代化的革命性轉折。

1.4 GNSS發展過程中幾個有深遠影響的經驗啟迪

美國GPS系統及其產業發展是成功的典范，經驗是全方位。美國GPS十多年來成功運營經驗至少有4個方面可資借鑒。

（1）高瞻遠矚的戰略規劃

美國在1995年GPS投入完全運營的翌年，就開始GPS現代化計劃和GPSIII計劃，這些工作將延續到2020年后。同時，在2006年開始有策劃GPS的長期演變計劃，即以2025年后的發展為目標的 《國家PNT體系架構研究》的20年規劃。

（2）穩定透明的系統政策

美國GPS堅持穩定透明的軍民兩用政策，而且二十多年如一日的不斷完善改進。其導航戰政策，將開放和保護闡述的涇渭分明，免收直接用戶費，向全世界所有廠商開發接口控制文件（ICD）和民用信號結構，公開發布多種標準文件，承諾GNSS的兼容互操作，鼓勵市場競爭，保護無線電導航頻譜，推進全世界民用、商用、科學應用和服務產業的發展。作為GPS現代化的第一步，從2000年5月1日開始終止人為惡化定位精度的可用性選擇 （SA）的功能舉措，民用定位精度得到顯著提高。為了進一步消除人們的疑慮，于2010年又公開宣布在GPSIII衛星上取消SA功能模塊。

（3）不斷改進的管理體制

(2)壓縮機壓縮液化過程:10 m3儲罐內的BOG經閥門V2、2 m3儲罐內的氣體經閥門V3進入壓縮機加壓后，經閥門V5進入10 m3儲罐液相空間;當2 m3儲罐壓力降低時(罐內氣體基本被抽空時)，關閉閥門V3，打開閥門V1，繼續上述壓縮液化過程。

在GPS建設和運營過程中，系統的管理體制機制根據實際需要不斷地進行改進，是GPS一大成功經驗。在建設之初，為了解決軍兵種之間的系統主管之爭，專門成立了 “GPS計劃聯合辦公室”，確保了系統建設的順利進行。在GPS投入正式運營階段，國防部和運輸部之間的軍民用主管之爭，鬧的不可開交，于是在1996年成立了部際協調執行委員會，由軍民兩個部門的副部級長官當委員會的共同主席，保證了系統運營服務的正常開展。隨著GPS應用的日益廣泛深入和國際合作的不斷擴展，2004年專門成立國家天基PNT執行委員會，進一步明確了各個部門和機構的權利與義務，并且將GPS明確為國家系統，該委員會直接歸白宮管理，從而進一步理順了部門間的關系，利于協調一致的開展工作。

（4）持續推進的技術進步

三十多年來，GPS三大組成部分 （空間段、運控段、用戶段）的技術進步，均取得了令世人矚目的成績，確保系統能夠長期持續穩定的運營服務。以空間段為例，GPS衛星的Block I應該說是一組試驗衛星，真正投入工作的星座是由Block II構成的，其間已經經歷Block IIA、IIR、IIR－M、IIF四種型號改進，下面登場的將是GPSIIIA和GPSIIIB系列，許多功能都有重大改進和提高，僅以衛星的設計壽命而言，從最早的7年，已經提升到現在的15年。以運控段而言，也在不斷的改進，目前其軟件版本已經是第5版，并且在推進新一代運營控制系統 （OCX）。空間信號的用戶測距精度目前達到0.9m，遠比標準規定的6m高得多。空間段和運控段的技術進步主要依靠國家的力量，而用戶段的技術進步主要依靠民間和企業的資源與力量。用戶段的技術進步是顯而易見的，僅以導航接收機來講，在近十年中導航芯片的集成度有數量級增長，價格有兩個數量級的降低，靈敏度和用戶數量有三個數量級的增加，從而使衛星導航應用服務真正進入國民經濟各個領域和尋常百姓家。

除了美國，歐洲的Galileo系統在系統設計先進理念是值得借鑒，因為他們在上世紀90年代，差不多用了10年的時間進行研究，工作底子非常扎實，其第一顆試驗衛星上天至今已經第六個多年頭，剛剛退役。但是，Galileo系統在組織管理和產業規劃上卻存在明顯的敗筆和錯誤決策，例如系統建設試圖通過公私合營方法開展，因飽受挫折而不得不放棄。俄羅斯GLONASS系統應用嚴重不足的教訓也發人深省，雖然采取了一系列強制性措施，例如進口不具備GLONASS功能的導航設備，課以高額關稅，但是成效甚微。其不太成功的關鍵為兩點：一是系統本身性能和穩定性存在不足，GLONASS從開始至今，已經發射100余個衛星，直到2011年底才實現由24個衛星組成星座的完全運營；二是GLONASS的開放程度嚴重不足，關于民用需要的相關文件和信息非常缺乏，因此嚴重缺乏群眾基礎。這兩個方面真真切切可以作為我們的前車之鑒。

2 GNSS概念在更新，面臨重大轉折，需要根本性的突破

2.1 GNSS需要有與時俱進的革命性詮釋

衛星導航從GPS進入GNSS發展新階段，標志著真正的衛星導航應用全球化時代的到來，具備長期、持續、穩定運營服務能力和機制，衛星導航將成為世界性的產業。所以可以將GNSS的最后一個 “S”，從 “系統 （System）”轉變為 “服務 （Service）”，也就是整個名稱，從全球導航衛星系統轉變為全球衛星導航服務，這種轉變的重大意義在于，實際上將一個技術系統，轉化成為產業系統，一個實用系統，一個真正為生產、生活和社會生態服務的系統。

2.2 GNSS遭遇脆弱性的阻擊

隨著GNSS應用與服務的廣泛深入，其優點越來越明顯，其缺點也越來越突出，特別是它的脆弱性。目前全球系統覆蓋不了地球兩極高緯度地區，所以在那些區域是無法用來定位的，因此所謂的全球是打折扣的。由于衛星導航利用的無線電信號視距傳播特性，使得任何物體遮擋都成為定位的阻礙，而且衛星定位必須同時收到4顆衛星信號才能得到三維位置和時間信息，從而分布在天空中不同方位的衛星布局及其受遮擋的情況和程度，決定了定位結果的成敗與優劣。所以，嚴格地說現在的全球衛星導航系統能夠保障的應用服務范圍，是在赤道、低緯、中高緯度區域的開闊空間。更加值得指出的是，除了上述的地形地貌地物和人造建筑物環境影響外，太陽和地磁等日地物理擾動環境和電波傳播的電磁環境，尤其是電磁干擾環境的影響，往往成為實現高精度定位和授時的重大障礙。

2.3 GNSS需要整體上的創新，環境段是重點

GNSS整體組成應該從 “老三段”轉化為 “新四段”。GNSS是在不斷創新中實現功能性能的提高和升華，而其中的主線和重點是通過環境段，實現精度、可用性、可靠性的不斷改進。多種多樣的差分技術與網絡，天基、地基、局域增強系統，誤差改正和緩減措施與方法，極大多數是圍繞解決環境影響產生的效應來加以安排部署的。事實上，在衛星導航系統總體的形成過程中，僅僅以空間段、運控段和用戶段的 “老三段”表述方式，已經遠遠不夠了。所以，GNSS的總體上，應該實現創新，形成 “新四段”系統之系統的概念，這就是：空間星座系統、環境增強系統、地面運控系統、應用服務系統。

2.4 泛在導航的需求勢不可擋，急需根本性突破

為了真正實現無時不在、無處不在、無所不在的導航定位和授時，在實現多個導航衛星系統兼容互操作的同時，還需要將多種多樣傳統的、新興的、創新的技術手段和方法，實行一體化全方位多層次多模式的集成與融合，實現天地一體、室內外一體，實現生產生活生態環境條件下各行各業應用與服務，實現技術、產品、市場、人才、產業、政策、標準、管理等層面的聯動，以及不同技術系統的協同定位與授時，構建全源感知、普適傳輸和智能服務的全信息產業鏈，才能實現人們期盼的泛在導航。

3 新時空服務體系是我國導航產業發展的遠大藍圖

3.1 時間和空間是人類社會發展的兩個基本參照系

空間和時間是世界上最大的兩個參量，是人類社會有史以來最大的兩個參考系統，一切事物和事件都離不開它們。新科學技術革命是以探索宇宙起源開始的，愛因斯坦的相對論實際上是揭示宇宙的本質。 “宇”是空間，無邊無沿， “宙”是時間，無始無終，宇宙是物質組成，并在永恒的運動之中。人類文明的發展進步過程中，人們一直在探索、研究、發現、利用、改進、完善時空兩大參考系統，而衛星導航實現了空間時間參量的一體化提供，高精度、高效益、實時動態地提供，開創了時空一體化服務的新時代。

以衛星導航系統為基礎，融合多種多樣的定位導航授時技術和系統，實現任何時候、任何地方的泛在導航服務，是當前和今后10年～20年間科技趕超和產業跨越的重大發展方向。為此，應該著手構建 “新時空服務體系”。要從更加高遠、深遠、長遠的時空層次和歷史角度，做好總體戰略規劃和新時空服務體系框架研究，抓好政策與管理、基礎設施與國家平臺、應用與服務系統整體解決方案，利于實施推廣應用，利于推動現代服務產業發展，利于快速形成規模經濟，服務小康社會與和諧世界的建立。

3.2 衛星導航已真正成為時間空間信息全球化一體化提供的基礎

衛星導航實現了空間時間參量的一體化提供，和時空信息的高精度、高效率、實時動態產生，利用數十個衛星就能夠開展全球化全天候服務。其本身就是一場重大的新的信息技術革命，這就是新時空技術革命。高精度的時間和空間信息是實現人、車、物有序流動的基礎，是信息智能化應用與服務的基礎，是推進戰略性新興智能信息產業的基礎。

3.3 泛在導航需要多系統集成融合

泛在導航體系的形成，是個大集結、大集成、大融合過程，首先是GNSS多個系統的兼容互操作，接著就是天基與地基的無線電系統的組合融合，尤其是導航與通信系統的滲透融合，然后就是自主系統和它助系統間的融合，最后就是室外與室內技術的全方位無縫整合融合。實際上，這是個導航與通信、天基與地基、自主與它助、室內與室外所以有效定位和授時技術手段高度集成融合的整體解決方案。

3.4 新時空服務體系保障泛在導航從現在走向未來

（1）新時空服務體系

新時空服務體系，簡稱 “新時空體系”。瞄準10年～20年后在智能信息產業領域的國家綜合實力和國際競爭力目標需求，以 “北斗”為核的衛星導航系統和新時空體系標準規范為基礎，組合整合融合其它非GNSS的先進有效的提供時空兩大信息參量及其復合信息的技術和系統，重點突破產業發展的重大瓶頸與壁壘，其中包括復雜電磁環境、異常日地環境、惡烈物理環境條件下室內外、城內外、地內外 （包括地下、水下和高高度與深空），與所有開放和封閉空間的無縫定位導航授時技術，以及導航和通信全方位融合與時空、天地、軍民一體化應用服務技術，指導現代信息產業升級轉型、中長期規劃制定部署、可持續跨越發展的技術生態鏈、產業價值鏈，及其體系框架規劃構建，為實現具有泛在智能、精準確保、實時動態、融合共享八大創新要素的新一代信息技術和現代信息業，為培育和打造數萬億元體量規模的新興智能信息產業，奠定總體和頂層設計的基礎，并提供系統體系和應用與服務產業的發展路線圖。新時空體系，與其說是服務將來，更應該說是指導現在的系統和產業發展，服務于當前和長遠的國家戰略，服務于趕超世界先進水平，促進我國從導航定位授時的大國向強國的偉大轉變。

（2）新時空服務體系架構

新時空服務體系架構包括：目標愿景、發展戰略，以及三大組成分體系。這三大組成分體系分別是：統一規劃與協調管理體系，技術創新與系統集成體系，以及應用服務和產業推進體系。

1）新時空體系的整體愿景

立足趕超，目標是達到國際領先水平，2015年在應用與服務市場規模上達到最大，2020年在應用與服務技術上進入第一梯隊，2030年在系統和體系技術上名列前茅，步入前三名行列。

2）新時空體系的總體戰略

新時空體系的總體戰略是體系建設最優化和效益最大化策略，強化總體規劃和頂層設計，以體系的標準規范為核心主線，以北斗和GNSS技術為共用基礎，通過進一步創新與集成，有效融合多系統和多層次的優勢資源，形成新的國家能力、政策和基礎設施，尤其是形成可推廣系統化解決方案，促進應用服務泛在化、智能化與共享化，滿足日益增長的民用、軍用的現實與未來的需要，特別是強勁增長的商業需要，提高效率和效能，惠及民生。

（3）三大組成分體系

1）統一規劃與協調管理體系

新時空體系應該成立管理委員會，由多個國家部門和機構的部級領導人組成的領導小組，負責新時空體系的政策法規、標準規范的審批發布、重大項目的決策部署和協調管理，管委會下設置負責日常事務的管理辦公室和從事決策咨詢與技術體系建設和運營指導監督管理的專家委員會，以及若干專門領域的協調組和工作組，管理辦公室正副主任由領導小組派員或者由其成員擔任。

2）技術創新與系統集成體系

在定位授時領域內，技術創新與系統集成體系實現三個層次的融合：有源和無源系統、導航和通信系統的體系級融合；天基與地基、有線與無線系統的一體化融合，以及室內外多種物理手段互補互用互換和導航、遙感、地理信息系統的集大成融合。

3）應用服務和產業推進體系

這一體系就其龐大復雜和關聯度與帶動性而言，可列為我國七大戰略性新興產業之首，構成新一代信息技術和智能信息產業的核心要素和共用基礎，只有政府部門機構、企事業單位、社會各界共同努力，才能達成產業整體良性循環發展。體系的應用需求，來自國防軍事、國民經濟、商貿民生、科學研究四大領域，形成生命安全、行業專用、大眾消費三大市場，支撐產業有高端制造業、先進軟件業、現代服務業，及其獨有的綜合數據業，用戶范圍涉及海陸空天與地下、水下和深空，形成信源提供、生產制造、系統集成、應用服務為主要環節的產業鏈，以及由技術創新、金融服務、產業推進、條件保障四大部分組成的產業發展生態體系。

（4）新時空服務體系的技術經濟可行性分析

新時空體系技術經濟效益解析。這一體系是我國新一代信息技術和新興智能信息產業的核心要素和共用基礎，也是無時不在、無處不在的現代信息泛在智能服務的共性技術和共享基礎，是能夠將目前和今后相當長時期內，許許多多產業發展熱點技術和亮點產業貫穿連接起來的關鍵主線和應用服務內容粘連起來的粘結劑，其高技術特點將引領專業、大眾、安全三大市場，拖動新興產業集群發展，滿足國民經濟和人民大眾現實和長遠的需求，利民便民惠民，形成數以十億計的用戶群體和數以萬億元計的產值規模的大產業，從而在一定程度上支撐產業結構轉型和改變經濟增長方式的歷史進程，并且促進大批的新系統、新應用、新服務的孕育誕生、成長壯大。這個產業是以北斗系統為核心動力，以對地觀測和地理信息系統為兩翼的空間信息技術與傳感器技術網絡、先進信息通信技術網絡、現代云計算技術網絡為支撐的 “智能信息產業”。它是能夠有效提供時間空間信息的高技術，能夠實現全中國、全球性、全天候的泛在服務，保障相關的人、財、物能夠實現有序流動，達到各在其位，各行其職，人盡其才、物盡其用、車通其路、貨暢其流，成為智能信息產業的根本基礎，成為傳感網、物聯網、云計算網和智慧城市的發展基礎，和實現信息產業轉型與科技創新的依托基礎。

4 結論

今后的五十至上百年時間內，人們將以衛星導航系統為基石，集成光學、聲學、電學、磁學、機械學多種多樣的物理手段，融合有線、無線、互聯、物聯、傳感、超算等一系列網絡系統與技術，形成可互補、可交換、可替代、可共享的信息標準與資源，形成新時空服務體系，實現包括地下 （和水下）與深空在內的海陸空天所有空間，和每天24小時所有時間，以及正常與異常、平時與戰時、室內與室外所有環境條件下的時空信息泛在智能共享服務。

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