北斗系統的特色、機遇與挑戰

李克昭，韓夢澤，孟福軍

（河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454003）

1 引言

北斗衛星導航系統簡稱為北斗系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我國正在實施的自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統。按照 “先區域、后全球，先有源、后無源”的總體發展思路［1］，它的建設分為三步：第一步，在2000年初步建成北斗衛星導航試驗系統，形成區域有源服務能力；第二步，在2012年建成 “區域覆蓋的”北斗衛星導航系統，形成亞太地區的區域無源服務能力；第三步，在2020年左右，建成“全球覆蓋的”北斗衛星導航系統，形成全球無源服務能力。2000年10月和12月相繼成功發射了2顆北斗導航試驗衛星，并于2003年5月發射了第三顆北斗導航備份衛星，標志著北斗衛星導航試驗系統順利完成，也意味著我國擁有了自主完善的第一代衛星導航定位系統［2］。2012－12－27北斗系統空間信號接口控制文件對外正式公布，BDS向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務，標志著BDS建設第二步計劃圓滿完成。

根據北斗系統的第三步建設計劃，當空間星座達到全球覆蓋時，BDS可在全球范圍內，向各類用戶提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導航和授時（positioning，navigation and timing，PNT）服務，并兼具短報文通信能力。BDS的PNT服務主要包括開放服務和授權服務兩類。開放服務是為全球用戶免費提供開放、穩定、可靠的基本PNT服務，定位精度為10m，測速精度為0.2m/s，授時精度為20ns；授權服務是為全球用戶提供更高性能的PNT服務。在亞太地區，BDS還向用戶提供短報文通信和差分完好性服務。在未來不久，BDS將與美國的全球定位系統（global positioning system，GPS）、俄羅斯的全球導航衛星 系 統 （global navigation satellite system，GLONASS）和歐洲的伽利略衛星導航系統（Galileo satellite navigation system，Galileo）并駕齊驅，共造 “百星璀璨”的衛星導航盛世。

2 BDS系統組成與特色分析

2.1 BDS系統組成

類似GPS系統，BDS也由空間段、地面段和用戶段三部分組成。

“全球覆蓋的”BDS的空間段將由5顆地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛星、27顆中圓軌道（medium earth orbit，MEO）衛星和3顆傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO）衛星構成。5顆GEO衛星分別位于東經58.75°、80°、110.5°、140°和160°赤道上空。27顆MEO衛星均勻分布在3個軌道面上，軌道傾角55°，軌道高度21 500km。3顆IGSO衛星分布在3個傾斜同步軌道面上，軌道傾角55°，軌道高度36 000km。

地面段包括主控站、監測站、注入站等若干地面站。主控站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以及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。

用戶段由各類BDS用戶終端，以及與其他衛星導航系統兼容的終端組成。

2.2 BDS系統特色及其分析

2.2.1 獨特的混合星座

BDS采用GEO衛星、IGSO衛星和MEO衛星組成的空間混合星座，與其他衛星導航系統有著本質區別。GPS和GLONASS均采用20 000km左右的中圓軌道（MEO），這種軌道能以較少數量的衛星構成導航星座，實現全球導航服務，但在少數區域，中圓軌道導航系統會出現衛星數量不足4顆的問題，如 GPS在兩極地區會出現此類問題［3-4］。

我國的北斗系統借鑒了外國的經驗，并根據具體國情設計了適合自己的混合星座。高精度定軌需要衛星全弧段的監測，對于繞地球東西旋轉的MEO衛星，監測站要全球分布，這對我國有一定困難。我國迫切需要的是服務于本土及周邊的區域性衛星導航系統，而MEO衛星對我國只有不到40%的利用率［5］。為此，北斗系統創造性地采用了IGSO衛星，它的軌道高度同GEO衛星一樣，都是36 000km，但相對地球赤道面有55°的傾角。

IGSO衛星是南北轉的，并且有一定的弧度范圍，它的星下點軌跡是一個跨越南北半球的上下大小相同的對稱8字，交叉點在赤道。在國內設站的情況下，可以實現對IGSO衛星的大部分弧度的監測，對我國的利用率也高達80%［5］，能夠以較少的衛星盡快達到區域覆蓋的目的，實現較好的階段性收益。IGSO衛星在接近極區也有很好的覆蓋性，非常適合區域性導航系統。另外BDS星座還有相對地面不動的GEO衛星，可以滿足某一區域全天候覆蓋的要求。這3種軌道的衛星構成的空間混合星座，可以有效地改善亞太地區的星座布局。

截止到2012年底，已經建成的 “區域覆蓋的”BDS在軌工作的衛星有5顆GEO衛星、5顆IGSO衛星（2顆在軌備份）和4顆 MEO衛星［2，6］。實際上，對目前的北斗區域系統，5顆GEO衛星和5顆IGSO衛星構成的 “5＋5”星座就能滿足基本要求，4顆MEO衛星則可以對 “5＋5”星座起到周期性的改善作用，提高系統的可靠性和魯棒性。對于北斗全球系統，主要依賴MEO衛星達到全球覆蓋。

2.2.2 導航定位與通信集成

與其他衛星導航系統相比，導航定位與通信的集成是BDS的獨特之處，它不僅可以告訴用戶所處的時間和地點，還可以將用戶的位置信息發送出去，具有每次傳送120個漢字的短報文通信能力。北斗系統的導航通信一體化，基于位置報告無需再建通信系統，基于衛星覆蓋無需顧及通信盲區，在海洋漁業、應急保障、指揮調度和目標監測等領域非常好用。北斗系統的這種特色服務與它采用的工作體制有關。

BDS采用衛星無線電測定（radio determination satellite service，RDSS）與衛星無線電導航（radio navigation satellite service，RNSS）集成體制，既能像GPS、GLONASS、Galileo系統一樣，為用戶提供連續無源定位、導航、授時服務，又具有亞太地區的有源導航定位、短報文通信和位置報告功能。

在服務功能的配置上，組成BDS星座的3種軌道的衛星是有區別的：GEO衛星具備有源導航定位、無源導航定位、短報文通信和位置報告功能，而MEO和IGSO衛星只提供無源導航定位服務。星座中正是有了GEO衛星，才保證了有源導航定位、短報文通信和位置報告功能。由于GEO衛星僅定點在亞太地區上空，所以有源導航定位、短報文通信和位置報告服務只在亞太地區提供。

2.2.3 導航定位與廣域差分增強的融合

GPS等系統自身不具有廣域差分功能，需要通過另外的星基增強系統（satellite based augmentation system，SBAS）對其進行增強，實現廣域差分，提高定位精度。SBAS是利用GEO衛星建立的地區性廣域差分增強系統，通過在GEO衛星上加載L波段轉發器，實施導航重疊和廣域增強電文廣播，廣播似GPS信號，向用戶提供附加測距信息、廣域差分改正信息、改善航行安全的完好性信息，進行廣泛區域的差分定位與導骯。

由于北斗系統空間星座中已有GEO衛星，北斗系統實現了衛星導航與廣域差分增強的融合，在系統中融入了北斗區域增強系統。北斗區域增強系統由攜帶導航轉發器的GEO衛星、若干地面參考站、主控站和注入站等組成。它具有三種功能，即GEO衛星測距功能、完好性監測功能和廣域差分功能。測距功能就是GEO衛星發射BDS信號，把GEO衛星作為附加的導航星，增強衛星導航的可用性。完好性監測功能可為用戶提供導航系統的可用性信息，當系統不可用或導航精度降低時，及時向用戶告警。廣域差分功能可為用戶提供廣域差分改正信息，提高導航定位精度。

此外，融合在BDS中的廣域差分增強系統還是一個兼容性極強的星基增強系統，不僅能為北斗系統提供區域增強，還能為GPS和Galileo提供亞太地區的廣域差分和完好性信息服務，廣域差分服務精度為1m。

2.2.4 其他特點

在系統安全方面，北斗系統是我國獨立自主的衛星導航定位系統，系統性能穩定，且具備一定的保密、抗干擾和抗摧毀能力，安全可靠，適合金融、交通、電力、通信、國防安全等關鍵部門應用。

在系統服務方面，北斗系統是第一個具備三頻導航信息服務能力的系統，系統在B1、B2和B3三個頻點上發射開放和授權服務信號，有利于電離層延遲的雙頻改正。

在系統兼容方面，北斗系統將致力于實現與其他衛星導航系統的兼容與互操作，促進各系統的融合共用，使用戶利用互操作信號獲得更好的服務［7］。

此外，北斗（全球）系統還將采用衛星自主導航，實現導航電文的在軌自主更新，可有效減少對地面站的依賴，增強系統的生存能力［8］。

3 BDS面臨的機遇與挑戰

自向亞太地區正式提供區域服務以來，北斗系統連續穩定運行，定位精度優于設計指標，社會認知度和影響力大大增加。隨著市場實用化步伐進一步加快，中美、中俄、中歐等雙邊合作關系不斷深化，北斗系統的發展面臨著前所未有的機遇和挑戰。北斗系統發展的機遇主要有以下幾方面：

1）我國的國家安全和發展需求迫切

衛星導航系統是重大的空間信息基礎設施，一個自主可控的衛星導航系統對我國的國家安全至關重要。長期以來，我國衛星導航應用基本被國外技術壟斷，交通運輸、電力調度、通信網絡、金融系統等重要基礎設施過分依賴GPS，風險巨大，后果嚴重。一旦國際關系生變或發生戰事殃及中美關系，美國關閉或干擾覆蓋中國區域的GPS信號，我國眾多依賴GPS的系統將面臨崩潰，造成的混亂和損失將難以估量。我國的國家安全迫切需要擁有自己的衛星導航系統，我國建設北斗系統就是為了解決國防安全和重點行業應用的安全問題。

另外，衛星導航產業是戰略性新興產業，具有廣泛的產業關聯性，與通信和網絡產業又具有良好的互補性和融合性，能有效滲透到經濟社會諸多領域和人們的日常生活中，是改造傳統產業、引領信息產業的利器。北斗系統為我國衛星導航產業的發展注入了核心動力，對促進國家信息化建設，轉變經濟發展方式和產業升級具有不可替代的作用。

2）國家實施導航重大專項

國家已批準實施BDS重大科技專項，在政策扶持、資金投入、組織管理等方面予以有力支撐。在國家的重視和保障下，北斗系統建設穩步推進，北斗區域系統已經建成，建設北斗（全球）系統所需要的核心技術已經全部突破，BDS地基增強網也在加緊建設。同時我國政府大力支持BDS產業發展，從2008年開始進行產業布局，持續開展行業與區域應用示范，以行業示范帶動行業應用，以區域示范帶動區域應用，并積極推動BDS進入國際民航組織、國際海事組織和移動通信組織。在政府的大力推動下，國內衛星導航產業鏈正在快速形成，相應的產業支撐、推廣和保障體系也在完善，衛星導航在各行業的應用日益深化。

3）國內民用市場無比廣大

我國擁有衛星導航產業全球最大的應用與服務市場，這是推廣BDS應用與產業化的一大優勢。這一龐大市場的基礎是我國13億的人口，形成了世界上最大的移動通信市場、世界上發展最快的互聯網用戶群體和汽車產銷市場。這3個市場都與衛星導航大眾市場密切相關，主要依托兩大產業：一是汽車制造業，車輛導航應用及其服務；二是移動通信和網絡產業，手機導航定位及相關服務。未來BDS導航功能有望成為所有機動車輛和移動通信終端的標準配置，迎來移動位置服務和車聯網市場的爆發性增長，形成數千億元產值的大產業。

4）衛星導航產業發展迅猛

衛星導航產業是繼互聯網、移動通信之后發展最快的新興信息產業之一，近年來國內衛星導航產業持續保持50%以上的年增長勢頭，具有十分巨大的市場潛力［9］。衛星導航產業正從經銷應用產品為主逐步轉變為運營服務為主［10］。我國衛星導航將與汽車電子、移動互聯、地理信息、物聯網、智慧城市等相關產業融合發展，形成綜合信息服務大產業。目前我國正在以BDS、BDS地基增強網和新一代互聯網為支撐，積極開展中國位置網的總體建設和示范應用，為用戶提供高精度、安全、可信、高效的導航位置信息服務，促進基于位置網的相關產業發展，打造基于BDS的位置服務產業。

同時，北斗系統也面臨著諸多挑戰，主要有：

1）系統建設的挑戰

系統建設的挑戰主要有保證北斗（區域）系統向北斗（全球）系統的平穩過渡、與其他衛星導航系統在性能和部署進度上的比拼等。

我國基于自身技術經濟實力，探索了漸進發展的北斗系統建設道路。目前北斗（區域）系統已經建成，正向北斗（全球）系統穩步漸進。由于我國導航衛星的設計壽命是8年，確保在2020年完成全球組網，就是為了確保與區域系統無縫銜接，如果銜接不好，對用戶來講是不負責任的，這是北斗系統建設的一大挑戰。

此外，當前國際衛星導航領域競爭激烈，除四大全球衛星導航系統外，日本和印度也在積極發展自己的區域衛星導航系統［11-12］。在這場系統性能和部署進展的比拼中，美國GPS遙遙領先；歐洲的Galileo計劃雖然歷經波折，但仍有望憑借先進的技術在2020年前完成全球組網；俄羅斯GLONASS系統正在加速現代化，力求在系統性能上追趕美國。北斗系統進駐全球市場，在系統性能和部署上面臨著全面挑戰。

2）系統應用的挑戰

北斗系統應用的挑戰主要有核心芯片的自主可控和應用推廣的模式創新。

BDS芯片作為北斗系統終端的核心，對整個BDS產業乃至信息產業的發展起著至關重要的作用。我國BDS核心芯片的研發雖然起步較晚，但在政府的高度重視下，也取得了重大突破。目前我國國產BDS芯片在性能上已接近國外同類產品，但在小型化和低功耗方面還有待進一步提高，并且價格普遍偏高。國外BDS芯片憑借技術優勢、成本優勢和客戶優勢，很容易在BDS民用市場站穩腳跟。國產BDS芯片如何有效應對國外優勢芯片的沖擊，是BDS應用必須要面對的一個挑戰。

另外，在GPS已深入人心的背景下，如何分析與把握市場需求，充分發揮BDS服務特色，創造性地提出有競爭力的應用解決方案和規模推廣策略，也是一個挑戰。想要BDS與GPS競爭，并快速搶占市場份額，我國BDS企業就必須要在除國防和重點政策行業應用以外的大眾應用領域實施差異化戰略，創新出更多的BDS商業應用模式，從系統應用的層面帶動整個BDS產業發展。

3）系統兼容的挑戰

當前，衛星導航系統兼容與互操作已成為大勢所趨、各國共識，我國也以此為核心，與相關國家進行了廣泛的交流與合作，但至今尚未簽署任何實質性協議，而美歐、美俄之間均已達成正式協議。如果我國北斗系統被排除在與其他系統兼容互操作之外，那么我國將可能由此錯失分享全球乃至本國衛星導航市場的大好機會。因此，抓住當前時機，加快與國外衛星導航系統實現兼容與互操作是當務之急，也是北斗系統面臨的一大挑戰。

4 總結

BDS作為重大的空間基礎設施，能夠提供全天候的精準時空信息服務，已經初步應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象測報、電力調度、救災減災、社會管理和國家安全等多個領域，產生了顯著的經濟效益和社會效益。

目前，GPS占據了我國衛星導航應用市場90%以上的份額，BDS取代GPS的代價和難度很大，北斗系統進入民用市場的最佳發展路徑是走與GPS等兼容的道路，這是北斗系統實現應用大眾化、服務產業化、市場全球化目標的必由之路。由于衛星導航具有產業關聯度高、滲透性強等特點，BDS應用產業化必將有力助推我國智能經濟快速發展，對我國的經濟發展方式、產業結構和民眾生活質量等方面的改變都將發揮重要作用。

北斗系統將RNSS、廣域差分和短報文通信服務統一設計與實現，優化了系統體制、節省了系統設計資源。憑借獨立兼容的體制、獨特的短報文和區域增強服務以及巨大的國內市場，北斗系統必將在衛星導航領域占據重要地位。隨著俄羅斯GLONASS現代化和歐洲Galileo建設的推進，衛星導航領域將呈現四強并存、多系統兼容的格局。

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