世界衛星導航格局發展趨勢研究

文 | 盧鋆 申建華

1. 北京跟蹤與通信技術研究所 2. 衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室

21世紀初，世界衛星導航領域建成并提供服務的衛星導航系統，主要有美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯系統（GLONASS）和中國北斗衛星導航系統（BDS）。其中，美國GPS系統向全球提供服務；俄羅斯GLONASS早期也可提供全球服務，后期因經濟衰退，衛星補網出現困難，最少時只有7顆衛星在軌；我國完成北斗一號建設，向我國及周邊用戶提供服務。10年前，GLONASS系統逐漸恢復全球服務能力，北斗二號系統開始為亞太大部分地區提供試運行服務，歐洲也逐步加快推進伽利略系統（Galileo）建設，四大衛星導航系統格局初顯。

2020年6月，北斗發射最后一顆全球組網衛星，全球星座部署完成。7月31日，北斗三號全球衛星導航系統正式開通。美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗和歐洲Galileo四大衛星導航系統均已提供全球服務，印度區域導航衛星系統（IRNSS）和日本準天頂系統（QZSS）兩個區域系統也向用戶提供區域服務，世界衛星導航新格局基本顯現，呈現出六大新看點。

一、四大全球系統同臺競技，精度比肩

衛星導航系統的定位精度主要由兩方面因素決定，一是位置精度衰減因子（PDOP），二是用戶等效測距誤差（UERE）。PDOP主要取決于星座的覆蓋特性，目前四大全球衛星導航系統的PDOP均值相當，一般為2左右。UERE由空間段衛星軌道鐘差、傳輸段的電離層和對流層誤差、用戶段接收機噪聲和多徑誤差三部分構成，其中空間段軌道鐘差以用戶測距誤差（URE）來衡量，也是評估國際各大系統空間信號能力的主要標準。

俄羅斯GLONASS系統將其星基增強系統—差分校正和監測系統（SDCM）納入體系，共有3顆GEO衛星和23顆MEO衛星正常運行。GLONASS系統定位精度水平優于5m，高程優于9m，與其他系統定位精度相當[2]。考慮到各大系統衛星星座基本完備，PDOP均值相當，扣除傳輸段和用戶段的誤差因素，GLONASS系統的URE基本與其他全球系統相當。

北斗系統目前共48顆衛星在軌運行，包括30顆北斗三號衛星和18顆北斗二號衛星，衛星在軌運行良好，空間信號質量優異，北斗三號信號精度優于北斗二號信號精度。目前，北斗三號衛星URE均值為0.41m。在當前星座條件下，B1I、B3I信號，定位精度水平約3.6m，高程約6.6m，測速精度約0.05m/s，授時精度9.8ns（95%置信度），亞太地區精度提升約30%；B1C、B2a信號，定位精度水平約2.4m，高程約4.3m，測速精度約0.06m/s，授時精度19.9ns（95%置信度）[3]。相比GPS、GLONASS等系統，北斗系統的URE相當，定位、測速和授時能力均非常優異。隨著北斗衛星星座的逐步完善，北斗系統的服務精度將進一步提升。

歐洲Galileo系統目前共22顆衛星在軌提供服務，包括4顆初始運行能力（IOC）的衛星和18顆完全運行能力（FOC）的衛星。服務性能方面，Galileo系統當前URE均值為0.27m，授時精度為16.8ns[4]。值得關注的是，2017年Galileo系統18顆衛星72臺原子鐘里有9臺出現故障（含銣鐘、氫鐘）；2019年出現了長達117小時服務中斷，影響了服務的可靠性，增加了用戶對使用其服務的疑慮。

圖1是四大全球衛星導航系統URE監測對比。

圖1 四大全球衛星導航系統URE監測對比

綜上，四大全球衛星導航系統中，北斗系統與GPS、Galileo系統的URE相當，均為0.5m左右，強于GLONASS系統。

二、兼容與互操作成為發展主流

兼容與互操作，是國際衛星導航領域從單一GPS到多全球衛星導航系統（GNSS）時代發展的重要趨勢。兼容，是指獨立或聯合使用多個全球和區域衛星導航系統/增強系統，不會給單個系統的導航服務帶來不可接受的影響（有害干擾）；互操作，是指通過使用多個全球和區域衛星導航/增強系統及其開放服務，能在用戶層面比依賴單個系統的開放信號獲得更好的能力。兼容是互操作的前提，為保證自主知識產權，開放信號的互操作可以在各自獨特設計的基礎上，實現頻譜的相似性，同時實現星座互補、時間互操作、坐標相互轉換，為用戶提供更好的服務[5]。

全球衛星導航系統一直在加強兼容與互操作協調。在聯合國框架下推動成立的全球衛星導航系統國際委員會（ICG）的重要宗旨，就是為了增強兼容與互操作，推動全球應用。以美國為例，2007年7月，美國GPS系統與歐洲Galileo系統簽署兼容與互操作協議，將MBOC（6，1，1/11）調制信號作為其互操作民用信號；將日本QZSS系統作為GPS系統的區域補充與增強；2019年12月，美國宣布將印度IRNSS系統視為其“同盟”導航系統。

腦癱是一種致殘性慢性病，除了醫療康復外，需要長期、有效的家庭康復保駕護航，才能保證兒童康復的療效，讓更多兒童回歸家庭和社會。把醫院的醫療康復延續到家里，這更符合目前我國的基本國情。已有大量研究表明家庭康復在腦癱患兒的康復訓練中有顯著重要性，醫院加家庭康復訓練的強化訓練模式是兒童腦癱康復行之有效的方法[11-13],堅持家庭康復的腦癱患兒療效比不堅持家庭康復的更好。父母的心理狀況不良，將會影響家庭康復的執行，進而影響腦癱兒童康復療效。對腦癱患兒父母進行心理干預可以更好地提高患兒康復療效[14]。關注腦癱患兒父母的心理狀況及影響因素，出臺救助政策、完善社會服務支持、積極開展家長工作等有深遠意義。

我國北斗系統也一直注重和加強與世界主要衛星導航系統的兼容與互操作協調。2017年11月，中美雙方簽署《北斗與GPS民用信號兼容與互操作聯合聲明》，北斗和GPS在國際電聯（ITU）框架下實現射頻兼容，北斗B1C和GPS L1C信號實現互操作，用戶在聯合使用北斗B1C和GPS L1C信號時，無需增加成本，就可以享受到更好的服務。2015年，中俄成立衛星導航重大戰略合作項目委員會，目前已舉行了十余次全方位交流協調，簽署了北斗和GLONASS兼容與互操作聯合聲明、合作協議等成果文件，明確了兩系統射頻兼容、星座互補。2008年以來，中歐成立兼容與互操作工作組，共進行7輪談判和多次非正式交流，并在ITU框架下完成首輪頻率兼容協調，正在持續開展深入協調。

四大全球系統通過加強兼容與互操作，可有效改善觀測幾何，提高全球任何地區的定位精度，提升全球導航服務可用性[6]。從仿真結果來看（仿真起始時間2020年1月1日0時，仿真步長60s，時間1天；PDOP值按5°仰角計算，格網點5°×5°），北斗系統自身服務性能優良，北斗系統對GNSS服務性能提升非常顯著，精度、穩定性、可靠性的貢獻率可達到20%以上（表1）。

三、多樣化服務成為新一輪競技焦點

目前，各大衛星導航系統供應商都在積極致力于拓寬衛星導航的服務范疇，以更好的滿足用戶多樣化需求，多樣化服務已成為未來全球衛星導航系統的發展趨勢和競技比拼的“新大招”。

美國GPS系統的GPS－3衛星播發與其他全球衛星導航系統互操作的第4個民用信號（L1C），提供更高的精度與原子鐘服務，GPS－3衛星后繼型號GPS－3F衛星將提供搜救服務。未來，美國還將對其星基增強系統——廣域增強系統（WAAS）當前使用的3顆GEO衛星進行更新換代，可提供雙頻多星座服務、增強完好性監測服務等。

GLONASS系統將提供四類民用服務，即基本開放服務、高可靠和精度服務、基于載波相位測量與參考站的導航服務、高精度精密單點定位（PPP）服務。同時，GLONASS系統建有GNSS監測與性能評估系統，可獨立監測系統性能，并評估用戶層性能。

Galileo系統將具備四種新服務，包括公開服務導航信息認證、高精度（目標為0.2m）、商業認證、緊急告警（與日本、印度合作）服務。此外，國際搜救衛星組織（COSPAS）已宣布Galileo系統具備搜救早期服務能力，現已完成反向鏈路功能演示測試，將于2020年提供正式的搜救服務。

北斗系統的基本服務能力與各大衛星導航系統相當，已躋身世界一流系統行列。同時，北斗系統創新性采用導航通信融合的技術體制，將面用戶全面提供定位導航授時、短報文通信、國際搜救、精密單點定位和星基增強等多種服務，在服務多樣化的浪潮中發揮積極作用。

四、各系統瞄準2035年前后形成新能力

2020年是四大全球衛星導航系統全部完成全球部署和提供服務的新起點，世界衛星導航發展將邁入新階段。同時，這也是四大系統瞄準2035年前后形成新能力，開始升級換代的新起點。

美國計劃于2034 年左右完成GPS－3系列衛星的發射，構成全部由GPS－3系列衛星組成的星座，鞏固其在定位導航授時領域的領先地位。目前，美國正在抓緊研制和發射GPS－3衛星，計劃2023年完成10顆GPS－3衛星部署，2034年完成22顆GPS－3F衛星部署。同時，美國也未放松新技術和新平臺的驗證工作，為下一代甚至未來幾代GPS做準備。在1977年發射NTS－2衛星演示銫鐘和全球數據采集網絡之后，時隔38年美國再次啟動“導航技術衛星計劃”，計劃2022年發射NTS－3衛星并開展在軌試驗[1]（圖2）。NTS－3衛星主要驗證GPS未來發展所需的有效載荷關鍵技術，包括在軌數字波形生成器、高增益區域增強天線、氮化鎵高效放大器等，提升GPS系統全球競爭能力。

圖2 美國NTS-3衛星在軌示意圖

俄羅斯計劃在2030年建成以GLONASS－KM為主體的衛星星座。俄羅斯不斷出臺文件以及政策，確保GLONASS系統的可持續發展；同時，計劃于2025年之前發射6顆高軌衛星GLONASS－B（3個軌道平面，軌道傾角64.8°，離心率0.072，播發L1/L2/L3OC信號），使東半球星座覆蓋性能提升25%[2]。

2020年6月23日，北斗三號系統最后一顆衛星發射成功，北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成，可面向全球用戶提供更加優質、更加多樣的服務。到2035年，將建設完善以北斗為核心，多種手段相互補充、備份、增強的國家綜合定位導航授時（PNT）體系（圖3）。通過技術先進、安全可靠、兼容互用的新一代北斗系統，融合增強、多手段補充和備份系統建設，建成基準統一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的北斗綜合PNT體系，滿足國家安全、經濟社會時空信息保障需求。

圖3 北斗系統未來發展示意圖

歐洲計劃在2035年左右具備第二代Galileo系統的完全服務能力：2020-2024年發射4顆第三批完全運行能力（FOC）衛星，2025年開始向更高精度、更多服務的第二代Galileo系統過渡，同時開始發射第二代衛星， 2030年具備第二代系統初始服務能力，2035年左右具備完全服務能力[4]。

五、高可靠連續服務成為重要標桿

進入全球應用服務時代，衛星導航系統作為提供時空信息服務的基礎設施，具備一流的能力重要，提供一流的服務更重要。高可靠連續服務和高穩定運行能力，成為全球衛星導航系統在全球服務時代進行比拼的關鍵。同時，各星基增強系統作為給民航等生命安全用戶提供差分增強和高可靠完好服務的基礎設施，其連續穩定運行就顯得更為重要。

2019年7月，歐洲Galileo系統服務一度中斷。歐方稱此次服務中斷，是由于地面段升級造成精密時間設施故障，精度未超出承諾的URE 7m的指標，但服務連續性、可用性超出指標要求。Galileo系統在此次服務中斷過程中發現問題、協調解決問題鏈條和周期較長，才會導致長時間的服務中斷。因此，提供高可靠連續服務和高穩定運行能力已成為當前各大衛星導航系統關注的焦點。

在提升系統穩定性方面，GPS系統注重增強服務，其增強包括廣域增強系統（WAAS）、連續運行參考站（CORS）、全球差分GPS（GDGPS）、國際GNSS服務（IGS）、全國差分GPS系統（NDGPS）、商用精密增強系統等。WAAS系統當前可為北美航空用戶提供高可靠服務，后續將通過GPS利用雙頻提供更高可靠性服務，并將對當前使用的3顆GEO衛星進行更新換代，通過提供雙頻多星座服務、增強完好性監測服務進行WAAS系統的現代化更新。

近年來，GLONASS系統通過地面設備部分現代化、引入具有增強性能的新星載原子頻率標準、引入先進的衛星控制和指令、定軌和定時技術、基于射頻和光學波段的星際交互、GLONASS時間標度與UTC（SU）的同步小于2ns等方式，不斷提高系統定位的準確性以及完好性，優化衛星的可見度，提高當前應用效率，拓寬應用領域。

北斗全球服務同樣面臨可靠連續穩定服務的高要求。北斗對系統服務的需求，不僅體現在對導航系統星地運行的高要求，同時在平穩過渡、系統升級、備份設計、運行管理機制、技術保障等環節做好工作，確保用戶權益，避免出現系統服務中斷的問題，也避免在國際社會造成負面影響。作為世界一流衛星導航系統，北斗系統具備獨立提供連續穩定可靠高質量服務的能力，北斗二號自開通服務以來，已連續7年服務無中斷，北斗三號也已連續服務1周年。

六、傳統應用和新興應用全面開花

目前，北斗系統現已廣泛應用于交通運輸、公共安全、農林漁業、水文監測、氣象預報、通信時統、電力調度、救災減災等眾多領域。同時，基于北斗系統的導航服務已被電子商務、移動智能終端制造、位置服務等廠商采用，廣泛進入大眾消費、共享經濟和民生領域，深刻改變著人們的生產生活方式（圖4）。

圖4 北斗系統廣泛應用于日常生活各個領域

在交通運輸方面，北斗系統廣泛應用于重點運輸過程監控、公路基礎設施安全監控、港口高精度實時定位調度監控等領域。中國境內有超過700萬輛營運車輛、3萬輛郵政和快遞車輛，36個城市的約8萬輛公交車、3200余座內河導航設施、2900余座海上導航設施已應用北斗系統，建成全球最大的營運車輛動態監管系統，有效提升了監控管理效率和道路運輸安全水平。

在減災救災方面， 已推廣北斗終端超過4.5萬臺。受災地區可以利用北斗短報文功能及時上報位置信息、突發災害信息和災區救助信息等信息。各級民政部門通過北斗終端可以進行救災物資的查詢管理和監控，大幅提升了全國救災物資管理與調運水平。

在新興應用方面，未來北斗將與5G移動通信、窄帶物聯網（NB-IoT）低功耗廣域網技術、人工智能技術等領域深度融合，不僅促進5G芯片中嵌入北斗高精度定位能力，助力手機、汽車、機器人和物聯網終端實現自動地圖生成、智能路徑規劃、自動環境識別、遠程平臺監控等功能，還將打造資產跟蹤、人員定位、蜂窩輔助定位、冷鏈運輸、智能井蓋等各種精品應用。

在國際應用方面，北斗系統已在東盟國家的土地確權、精準農業、倉儲物流，西亞國家的建筑施工，南亞國家的機場授時、海上打樁，東歐國家的電力巡檢，非洲國家的國土測量等不同領域廣泛應用。同時，北斗系統已經獲得了國際民航、國際海事、3GPP移動通信、國際海運等國際組織認可，相關標準均已獲得通過，相關產品輸出全球30多個國家和地區。

七、結語

目前，各國都在部署或完善全球衛星導航系統，積極推進新一代衛星導航技術的發展。其中，美俄兩國加快星座建設和衛星改進，促進現代化衛星全面占據星座主導地位。同時，各大全球衛星導航系統也在推動與其他系統的融合，以實現更優的性能，并在全球定位、導航和授時服務的基礎上推出更加多樣化的應用服務。未來，各大系統將開啟更加激烈的衛星導航技術競爭和服務競爭。