全球衛星導航系統發展方向研究

劉天雄 周鴻偉 聶欣 盧鋆 劉成

(1 中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094)(2 北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

2020年11月23日，第11屆中國衛星導航年會在成都勝利召開，全球衛星導航系統(GNSS)四大核心供應商的主管部門在大會上就系統建設、運行和發展情況給出了詳實的介紹，主要包括星座部署、定位精度、信號精度、星基增強、當前狀態、未來發展和PNT政策等內容。美國國務院空間事務辦公室指出從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現代化，其中空間段導航衛星從提高信號精度和信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性、播發第四民用信號L1C、延長工作壽命、配置性能更優星載原子鐘等6個方面升級能力。歐盟國防工業與空間局在大會上給出了Galileo第二代系統(G2G)的任務目標和服務模式，全面解讀了歐洲對彈性衛星導航系統的理解。俄羅斯聯邦航天局(Roscosmos)給出GLONASS系統的發展路線圖，從精度、可用性、穩健性和創新發展4個維度建設下一代的衛星導航系統。

GPS、Galileo和GLONASS系統的國家主管部門的大會報告內容十分精彩，在當前四大GNSS提供全球服務之際，各大系統都在謀劃下一代系統升級換代，采用新技術、研發新衛星、構建新體系，GNSS新一輪競爭態勢凸顯。北斗三號衛星導航系統作為我國第一個面向全球提供公共服務的重大空間基礎設施，一方面要制定措施保證系統穩定可靠運行，另一方面要開展下一代系統的關鍵技術的攻關，確保北斗衛星導航系統的先進性。本文系統地解讀了國外衛星導航系統在第11屆中國衛星導航年會大會報告，結合當前衛星導航系統的研究熱點問題，總結了GNSS的發展趨勢，給出了建設下一代北斗系統的建議。

1 系統建設

1.1 星座部署

對于全球衛星導航系統來說，導航信號(SIS)對服務區4重以上覆蓋是無線電導航業務(RNSS)的基本要求。衛星導航系統星座設計主要包括單顆導航衛星軌道設計的權衡(軌道高度、軌道傾角、軌道周期)、性能臺階的目標及與緯度的關系、4重以上覆蓋、覆蓋幾何對幅寬的限制、星座覆蓋的綜合權衡(衛星數量、軌道平面數量、性能臺階、平均響應時間)等因素；基于以上考量，四大全球衛星導航系統均采用地球中圓軌道(MEO)衛星，組成特定的Walker衛星星座，用24顆衛星對全球形成均勻覆蓋。例如美國GPS空間星座設計為24顆MEO衛星形成Walker24/6/2星座；俄羅斯GLONASS系統星座設計為24顆MEO衛星形成Walker24/3/2星座；歐洲Galileo系統星座設計為24顆MEO衛星形成Walker24/3/1星座，3個軌道面每個軌道面2顆備份衛星。GPS、Galileo和GLONASS系統星座主要特征總結如表1所示[1]。

表1 GPS、Galileo和GLONASS衛星導航系統星座主要特征Table 1 Main constellation characteristics of GPS, Galileo and GLONASS

同其他星座相比，Walker星座設計能用更少的衛星提供相同的覆蓋水平。在星座設計中，另一個重要的問題是要求將軌道參數維持在一個特定范圍內，稱為“相位保持”，這就要求在一顆衛星工作壽命期間所需機動的頻度和幅度最小。為了確保導航星座的可靠性，一般全球衛星導航系統在每個軌道面配置在軌備份衛星，而不是采用一般的Walker星座。例如，GPS空間星座24顆衛星配置在6個軌道面，在其中的3個軌道面中各配置1顆備份衛星，采用非標準Walker24/6/2星座設計方案，6個軌道平面且依次以A、B、C、D、E、F命名，每一個軌道上分布著4顆工作衛星，處于同一個軌道上的衛星，如圖1所示[2]。

圖1 GPS標稱星座導航衛星配置Fig.1 Constellation design of GPS

衛星導航系統與衛星通信系統相比，最明顯區別的就是為實現定位服務要求導航衛星4重覆蓋，為可靠地保證這種覆蓋水平，實際的衛星導航星座可提供4重以上的覆蓋。導航星座穩健性要求在每個軌道面配置多顆衛星，而不是一般化的Walker星座，且這些衛星位于不同的軌道面上。例如，第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室給出GPS在軌衛星數量為36顆，30顆在軌工作(Ops capable)，6顆設置為“不健康”(not set healthy)，這30顆工作衛星分別為8顆BLOCK-IIR衛星、7顆BLOCK-IIR-M衛星、12顆BLOCK-IIF衛星、3顆BLOCK-III衛星[3]。目前，歐州航天局給出Galileo系統空間段由30顆衛星組成，星座設計方案是Walker24/3/1，每個軌道面有2顆備份衛星[4]。2019年，在第10屆中國衛星導航年會上，歐洲GNSS辦公室給出Galileo在軌衛星數量為26顆，其中22顆在軌工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆不可用，Galileo星座導航衛星配置如圖2所示[5-6]。第11屆中國衛星導航年會上，俄羅斯聯邦航天局給出GLONASS在軌衛星數量為28顆，其中24顆在軌工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆在軌維護[7]。由此可知，為了確保系統穩定運行，國外衛星導航系統空間段導航衛星的數量比標稱數量多，實際在軌衛星數量如表2所示。

圖2 Galileo星座導航衛星配置Fig.2 Constellation design of Galileo

表2 GPS、Galileo和GLONASS衛星導航系統在軌衛星數量Table 2 Number of in-orbit satellites of GPS, Galileo and GLONASS

1.2 定位精度

衛星導航系統利用導航信號傳播的到達時間(TOA)來確定用戶的位置。基本觀測量是導航信號從位置已知的衛星發出時刻到達用戶接收該信號時刻所經歷的時間，時間乘以信號傳播速度，就可以得到衛星和用戶之間的距離。用戶測量4個位置已知的衛星到接收機之間的距離，通過4個球面交匯就能夠確定自己的位置。對于用戶來說，評價一個衛星導航系統性能優劣的最直觀的指標就是定位精度。定位精度或者說用戶接收機解算位置的標準偏差是用戶等效測距誤差(UERE)和衛星空間幾何分布的函數。導航衛星空間幾何分布的影響被稱為幾何精度因子(GDOP)，它反映了由于星座中導航衛星空間幾何關系的影響造成的偽距測量與定位精度之間的比例因子，是對用戶等效測距誤差的放大程度。用戶的定位精度(σA)由UERE(σUERE)和GDOP共同決定，UERE包含用戶測距誤差(URE)和用戶設備誤差(UEE)2部分誤差。URE主要取決于衛星的位置和星鐘的精度，不會因為用戶位置變化，即與用戶位置無關系；而UEE取決與電離層、對流層延遲誤差等與空間物理環境相關的誤差以及多徑、接收機噪聲等與用戶設備相關的誤差，會因為用戶所處位置，環境不同而不同。URE定義為導航衛星位置與鐘差的實際值與導航電文給出的預測之差，投影在衛星到用戶視線上的等效距離誤差，反映了預報的導航星歷及鐘差精度，并最終影響用戶定位精度，也稱為導航信號測距誤差(SISRE)。衛星始終在軌道空間運動，GDOP也是時間的函數，研究表明，對導航衛星星座而言，觀測4顆導航衛星時，GDOP典型解為2～3，因此，如果系統的定位精度要求為10 m，則偽UERE必須低于3.3 m，這是對導航系統設計提出要求的最原始依據。

第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室給出GPS信號用戶距誤差(URE)平均為52.2 cm(RMS)，最好為38.5 cm(RMS)，最差為90.2 cm(RMS)，觀測時間段是2019年11月7日—2020年11月7日[3]。也就是說，當GDOP值為3時，GPS的平均定位精度優于5 m(RMS)。歐盟國防工業與空間局給出Galileo系統信號URE為0.25 m(95%)，全球平均定位精度小于1 m[8]，授時精度小于5 ns,觀測時間段是2020年7月。俄羅斯聯邦航天局給出GLONASS系統信號URE最優為0.63 m，觀測時間段是2020年5月13日—21日，公開服務(Open Service)定位精度是5.6 m[7]。由此可知，全球衛星導航系統定位精度已進入米級時代，衛星導航系統的核心技術是高精度時空基準建立維持和傳遞、進一步提升導航信號精度以及電離層和對流層時延改正精度。國外衛星導航系統服務精度如表3所示。

表3 GPS、Galileo和GLONASS衛星導航系統服務精度Table 3 Positioning accuracy and URE of service of GPS, Galileo and GLONASS

1.3 星基增強

GNSS不能全面滿足航空及精密測繪用戶的導航性能要求，特別是在涉及生命安全的精密進近和自動著陸導航過程中，GNSS定位精度和完好性指標均不能滿足要求。以GPS標準定位服務(SPS)為例，SPS全球平均定位精度水平誤差≤9 m(95%置信度)、垂直誤差≤15 m(95%置信度)，可以滿足民航非精密進近階段的定位精度要求(220 m)，但不能滿足I類精密進近操作(CAT-I)的精密進近垂直精度6.0～4.0 m要求。從完好性指標要求看，GPS可以提供一定程度的完好性服務，GPS在正常運行控制模式下，任意一小時內，當SPS導航信號的瞬時用戶測距誤差超過導航容差(NTE)時，系統沒有及時向用戶告警的概率≤1×10-5，延遲告警的最壞情況為6 h，不能滿足CAT-I精密進近完好性要求(1-2×10-7/進近，且告警為6 s)[9]。

衛星導航系統是一個以導航衛星為核心的開環系統，導航衛星播發調制有測距碼和導航數據的無線電導航信號，用戶接收導航信號就能解算自身的位置并獲取系統完好性信息。衛星導航增強系統的任務是建立天地一體閉環控制系統，將導航系統的偽距、鐘差、軌道、電離層和對流層延遲差分改正數以及系統完好性信息同步播發給用戶，由此實現提高系統的定位精度和增強系統的完好性的目標。星基增強系統(SBAS)在廣域差分(WAD)系統基礎上，利用矢量差分技術和完好性檢測技術，提升系統性能。SBAS通過地球靜止軌道(GEO)衛星播發差分改正數、完好性信息和測距信號來增強GNSS的性能，是一種廣域增強系統。目前提供SBAS服務的有美國廣域增強系統(WAAS)，歐洲地球靜止軌道衛星導航中繼服務系統(EGNOS)，俄羅斯差分校正和監測系統(SDCM)，日本基于多功能運輸衛星(MTSAT)的增強系統(MSAS)，印度GPS和GEO地球靜止軌道衛星增強導航系統(GAGAN)，各SBAS對美國GPS的L1導航信號進行導航增強，播發GPS L1頻點的增強信號[10]。

第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室指出WAAS為北美4700多個民航機場提供帶垂直引導的航向道進近程序(LPV)服務，其中1000多個民航機場具備決斷高度為200 ft(60.96 m)的帶垂直引導的航向道進近程序(LPV-200)能力，達到CAT-I服務水平。為了保持WAAS服務可用性，WAAS正在研發新的3顆GEO衛星，以取代目前北美地區上空租約到期的3顆GEO衛星，計劃在2022年發射GEO-7衛星。為了在電離層紊亂期間持續提高WAAS的垂直引導服務水平，目前WAAS正在開展雙頻多星座(DFMC)和先進接收機自主完好性監測(ARAIM)研發工作[3]。俄羅斯聯邦航天局指出SDCM空間段有3顆GEO衛星，其中2顆GEO衛星(Luch-5B和Luch-5V)播發GPS L1導航增強信號，1顆GEO衛星(Luch-5A)開展SBAS研究，SDCM測量俄羅斯上空電離層延遲，評估GLONASS、GPS和SDCM的完好性，提供精度為1.0 m的導航增強服務[7]。目前俄羅斯ISS Reshetnev公司利用Ekspress-1000N三軸穩定衛星平臺，研發3顆新一代SDCM靜止軌道衛星(Luch-5M)，替代即將到壽的Luch-5A、Luch-5B和Luch-5V衛星，并計劃在160°E增加1顆SDCM靜止軌道衛星，實現符合國際民航組織(ICAO)標準的DFMC星基增強服務[11]。歐盟國防工業與空間署指出EGNOS提供GPS L1導航信號增強服務,主要為涉及生命安全的應用提供完好性數據，用戶主要包括民航機場飛機精確著陸和鐵路運輸、公路收費以及無人機，同時為精準農業用戶提供精度優于0.5 m的導航增強服務[8]。EGNOS為民航提供民航機場提供一類垂直引導進近(APV-1)服務[12]。由此可知，全球衛星導航系統的星基增強系統一方面增強系統完好性為涉及生命安全的民航提供精密進近服務，一方面提高定位精度為精準農業等用戶服務。國外衛星導航星基增強系統的服務性能如表4所示。

表4 WAAS、EGNOS和SDCM衛星導航星基增強系統服務性能Table 4 Approach type and positioning accuracy of WAAS, EGNOS and SDCM

2 系統發展

2.1 GPS現代化

第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室指出從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現代化，空間段導航衛星的重點是部署10顆GPS BLOCK-III和22顆BLOCK-IIIF衛星，BLOCK-III衛星在提高信號精度和信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性、播發第四民用信號L1C、延長工作壽命、配置性能更優星載原子鐘等6個方面實現導航衛星的能力升級和效能提升。BLOCK-IIIF衛星從統一S頻段跟蹤遙測和遙控、配置搜索救援載荷、安裝激光發射器3個方面進一步提升衛星效能。控制段的主要任務是將運行控制系統(OCS)分階段升級為新一代的運控系統(OCX)，支持空間段GPS BLOCK-III和BLOCK-IIIF衛星的運控。用戶段的主要任務是配置接收現代化民用導航信號L1C(支持多GNSS之間的兼容互操作)、L2C(不同的商業應用)、L5(受保護的頻帶，應用涉及生命安全的服務)的用戶終端[3]。

衛星導航系統源于軍事需求。GPS BLOCK-III衛星進一步強化GPS的軍事裝備屬性，BLOCK-III衛星的特點是配置數字化載荷、大功率放大器、先進原子鐘以及星間鏈路(Commanding/Crosslinks)，較上一代GPS BLOCK-II衛星，定位精度提高3倍，抗干擾能力改善8倍[13]。與此同時，美國空軍研究實驗室(AFRL)制定了先鋒計劃(Vanguard program)，研制導航技術衛星3號(NTS-3)，NTS-3衛星的敏捷波形平臺(agile waveform platform)是一個信號數字生成器，可以在軌可編程(reprogramed onboard)，由此可以實現軟件更新(update)、修改(modification)以及切換(switch)。利用大型相控陣L頻段天線，可以播發多個點波束(multiple spot beams)導航信號，導航天線如圖3所示；同時保留當前賦球波束導航信號(earth coverage broadcast capability)，導航信號播發示意如圖4所示。NTS-3衛星的任務是測試新型導航信號體制，驗證以戰時彈性可用為目標的導航戰能力、支撐快速多變的戰時任務[14]。

圖3 NTS-3衛星大型相控陣L頻段天線Fig.3 Large phased-array L band antenna of NTS-1

圖4 NTS-3衛星導航信號播發示意圖Fig.4 SIS broadcast of NTS-1

2.2 第二代Galileo系統

第11屆中國衛星導航年會上，歐盟國防工業與空間署指出歐盟二代Galileo系統(G2G)的屬性是彈性。G2G服務模式、任務目標已同相關投資方達成一致，服務模式演進包括先進授時服務、空間服務規模、先進接收機自主完好性監測、緊急告警服務、搜索救援(具有返向鏈路的創新服務)、電離層延遲預測服務、導航信號演進(在用戶終端層次提高性能，包括降低功耗、縮短首次定位時間、提高精度、服務鑒權認證等)、第二代搜索救援信標機、播發L3導航信號、公開新的INAV接口控制文件(主要用于生命安全服務)并向后兼容[8]。

針對2019年Galileo系統服務中斷問題，問題咨詢委員會給出G2G的彈性屬性建議。歐盟國防工業與空間局定義G2G的彈性屬性包括2個方面。①加強控制段運行控制系統的程序指導，包括5個環節：在系統發生多重故障時，系統要保持導航功能，系統性能允許適度降級(graceful degradation)；改善在軌升級能力；根據現有服務和新的服務，審查保證正常服務的要素冗余情況；審查控制段運行控制的過程和程序；持續加強網絡安全。②提高當前定義的授時服務的穩健性[8]。(2019年7月11日，Galileo系統衛星發生導航電文信息中斷問題，導致全球范圍所有利用Galileo系統進行定位、導航和授時等服務的用戶無法獲得位置和時間信息。此次服務中斷117 h 10min。2019年7月14日4時15分，Galileo系統發布第2次公告稱“UTC時間2019年7月12日1時50分起，伽利略系統所有衛星導航信號不能使用，在下一次公告前，所有用戶將經歷伽利略服務中斷”。在2019年ICG大會上，歐盟對此次服務中斷的原因解釋是“owing to the rejection of expired NAV messages”[15]。)根據歐盟的解釋，可以認為2019年Galileo系統服務中斷是地面控制中心數據處理軟件故障導致，造成處理的衛星精密軌道、精密鐘差等導航電文信息錯誤。此外，時間同步是衛星導航系統正常運行的前提，因此，Galileo地面控制中心的時間統一系統也有可能出現異常，造成控制中心所有業務運行混亂或運行錯誤。

2.3 GLONASS現代化

第11屆中國衛星導航年會上，俄羅斯聯邦航天局給出GLONASS系統的發展路線圖，從精度、可用性、穩健性和創新發展四個維度建設下一代的衛星導航系統。從為GLONASS-M和GLONASS-K衛星配置星間鏈路(Inter-Satellite Links)和新一代高精度原子鐘、全球部署導航信號監測網絡、公布對流層和電離層延遲模型四個維度提升系統精度。創新發展包括發射GLONASS-K2系列導航衛星和研發多頻接收機兩個環節。系統魯棒性包括建設導航信號干擾監測和控制系統以及研發彈性導航接收機兩個環節。可用性包括為使用無人機立法和為多個通道用戶播發導航信息兩個環節[7]。

第11屆中國衛星導航年會上，俄羅斯聯邦航天局闡明GLONASS的現代化包括研制新一代導航衛星和地面控制段兩個環節，導航衛星現代化又包括研制GLONASS-K、GLONASS-K2、GLONASS-B和LUCH 4個系列的導航衛星，其中GLONASS-K2系列導航衛星是GLONASS系統創新發展的關鍵，包括采用Ekspress-1000N三軸穩定衛星平臺、衛星設計壽命大于10年、星載原子鐘頻率穩定度優于5×10-14/天、采用一副相控陣天線播發雙頻(L1、L2)FDMA體制導航信號和三頻(L1、L2、L3)CDMA體制導航信號、配置無線電星間鏈路天線(Radio cross-links)、激光星間鏈路天線(Optical cross-links)、雙向/單向激光測距設備以及國際搜救衛星系統(COSPAS-SARSAT)搜索救援等載荷[7]。

3 發展趨勢

3.1 配置激光星間鏈路

全球衛星導航系統的特征之一是導航衛星全球組網，借助星間鏈路技術，一方面可以實現衛星之間的雙向距離測量和數據傳輸，提升衛星廣播星歷和廣播鐘差的精度，縮短衛星廣播電文的更新周期，從而實現自主導航。具體來說是衛星星間鏈路收發信機可以觀測到星間測距數據，星間測距數據減去利用衛星星歷計算得到的星間距離，就可以得到一個距離偏差(O-C)方程；同時，利用星間距離對星歷參數作微分而得到偏導數矩陣；由此可以建立反映距離偏差與星歷偏差關系的法方程，求解法方程即可以得到星歷的改進值，結合改進前的星歷初值，就可以在星上完成星歷自主生成。另一方面可以實現星地雙向同步測量境內衛星鐘差，境外衛星弧段利用星間鏈路“一跳”歸算至系統時間。此外，借助星間鏈路技術，可以實現星座所有衛星之間的遙測遙控等數據的互聯互通。配置星間鏈路是全球衛星導航系統的發展趨勢。

第11屆中國衛星導航年會上，俄羅斯聯邦航天局計劃為GLONASS-M和GLONASS-K衛星配置星間鏈路，現代化的新一代GLONASS-K2系列導航衛星將同時配置無線電星間鏈路天線、配置激光星間鏈路天線[7]。為進一步提升GPS的性能，在2017年的CGSIC/ION GNSS年會上，GPS理事會指出新一代的BLOCK-III衛星將配置星間鏈路[13]。2019年，德國航空航天中心(DLR)和波茨坦地學中心(GFZ)聯合開展“開普勒”(Kepler)系統研發，Kepler系統由4～6顆低地球軌道(LEO)衛星組成低軌星座，衛星配置激光星間鏈路、高精度光鐘等載荷。二代Galileo系統也將配置激光星間鏈路，利用雙向激光鏈路實現中圓地球軌道(MEO)導航衛星和LEO導航增強衛星之間以及MEO導航衛星之間的距離測量、無時間誤差的激光鏈路時間傳遞和數據傳輸業務，如圖5所示[16-17]。

圖5 Kepler星座：MEO導航衛星和LEO衛星(配置高精度光鐘)之間的雙向激光星間鏈路Fig.5 Kepler constellation: two way laser cross-link between MEO satellite and LEO satellite

借助激光星間鏈路、高精度光鐘和光頻梳技術以及當前的無線電鏈路，Kepler系統可以和地面運控系統建立并保持的系統時間保持時間同步，成為衛星導航系統的時間和頻率中心。利用LEO衛星精密軌道測定技術，借助MEO衛星和LEO衛星之間的激光鏈路，實現MEO導航衛星厘米級的軌道精度測定。由此，可以系統提高Galileo的定位和授時服務精度。

此外，通過在LEO衛星配置高精度導航監測接收機，可以實現對全球衛星導航系統MEO導航衛星導航信號的天基監測，預測MEO衛星的廣播星歷和鐘差精度、給出導航信號的質量和完好性狀態，綜合處理形成導航信號精度、導航信號監測精度、導航電文完好性、導航信號完好性以及導航系統完好性信息，通過星間鏈路傳遞給MEO衛星，再由MEO衛星播發給地面用戶，實現LEO衛星增強全球衛星導航系統的性能。

3.2 提供安全可信導航服務

全球衛星導航系統成為國家安全和經濟發展的基礎設施，在政治、經濟、軍事等方面具有重要的意義，世界主要軍事大國和經濟體都在競相發展獨立自主的衛星導航系統。衛星導航系統全面服務于交通運輸、公共安全、救災減災、智慧城市、農林牧漁等行業，融入電力系統、通信系統、金融網絡等國家核心基礎設施建設。衛星導航系統已廣泛應用指揮控制、協同作戰、武器制導、精確打擊，成為主導信息化戰爭的核心技術之一。然而，衛星導航系統先天的脆弱性(信號落地電平低、穿透能力差)導致其極易受到電磁干擾和電子欺騙威脅，在信號遮擋和多徑干擾環境下，嚴重制約了導航系統的定位、導航和授時(PNT)服務的可用性，衛星導航信號，例如，GPS民用L1 C/A碼信號落地電平為-160 dBW[9]，而我們日常使用聯通手機信號功率則為-134 dBW，也就是說GPS用戶接受到的信號強度大約只有手機信號的1/400，較低的射頻干擾信號就可以對GPS下行信號產生較大的干擾。例如，一個10 W的GPS信號干擾機有效輻射干擾信號功率與干擾范圍之間的關系如圖6所示，圖中的3條曲線分別是干擾軍碼跟蹤曲線、干擾民碼跟蹤曲線和干擾信號捕獲曲線，橫坐標為給定干擾范圍內，縱坐標全面干擾GPS接收機的干擾信號有效功率[18]。

圖6 有效輻射干擾信號功率與干擾范圍之間的關系Fig.6 Relationship between range to target and Jammer effective radiated power

第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室闡明GPS BLOCK-III衛星要提高導航信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性，實現導航衛星現代化[3]。此外，美軍還從給不同用戶配置導航信號角度，提升GPS的PNT服務的安全性和可信性，例如，民用導航信號L1C(支持多GNSS之間的兼容互操作)、L2C(支持不同的商業應用)、L5(受保護的頻帶，應用涉及生命安全的服務)。

第11屆中國衛星導航年會上，俄羅斯聯邦航天局闡明通過建設導航信號干擾監測和控制系統以及研發彈性導航接收機兩個環節提高系統魯棒性。抗干擾能力可以通過用戶接收機輸入的干信比(J/S)量化評估，俄羅斯聯邦航天局給出的GLONASS用戶終端抗干擾指標如表5所示[7]。

表5 GLONASS用戶終端抗干擾指標Table 5 Anti-interference index of user terminal of GLONASS

如果知道了導航信號的特征，就可以偽造調制有錯誤導航電文參數的虛假導航信號，從而欺騙用戶接收機錯誤鎖定到虛假的欺騙信號上,并產生錯誤的定位結果。2011年12月4日，伊朗工程師通過重構GPS信號導航電文數據，誘使美國洛克希德-馬丁公司的RQ-170哨兵無人機(UAV)降落到伊朗東北部的喀什馬爾市附近，是經典的導航欺騙干擾事件。為了防止這種電子欺騙干擾，美國研發了反電子欺騙(AS)技術。反電子欺騙能力可以通過用戶接收機正確解算導航解的概率來量化評估，俄羅斯聯邦航天局給出的GLONASS用戶終端反電子欺騙指標如表6所示[7]。

表6 GLONASS用戶終端反電子欺騙指標Table 6 Anti-spoofing index of user terminal of GLONASS

第11屆中國衛星導航年會上，歐盟國防工業與空間署從服務認證和鑒權的角度來提升Galileo系統PNT服務的安全性和可信性。提高可信性的措施是公開服務導航電文鑒權(OSNMA)，目前Galileo系統已經確定了OSNMA的方案，OSNMA模塊完成了鑒定和集成，正在開展系統內部測試工作。OSNMA是新起草的智能行車記錄儀規則的基礎，在OSNMA接收機和應用環節，編制了接收機研制指南、相關OSNMA接收機軟件和硬件已上市。計劃在2021年開展三方面工作，①鞏固當前基礎工作成果，確保OSNMA接收機投入使用后的魯棒性；②在通過公開測試和測試驗證后，才能開通OSNMA服務；③公開發布官方導航信號接口控制文件(SIS ICD)和OSNMA接收機研制指南[8]。此外，針對商業服務對安全性的要求，開展提高安全性的措施是商業鑒權服務(CAS)，CAS性能和上線時間已確定，服務模式可行性還在進一步細化，較OSNMA服務，CAS采取對導航信號加密，播發獨特的認證信號E6/L6等措施為保險和金融交易等特殊行業用戶可以提供更加有力的保護[8]。

3.3 細分民用導航信號

第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室將L2C定義為GPS的第二民用信號，用于不同的商業用戶；L5定義為GPS的第三民用信號，用于涉及生命安全的民用航空等用戶；L1C定義為GPS的第四民用信號，用于支持GNSS之間的兼容互操作[3]。L1 C/A為GPS的第一民用信號，是當前導航市場的主導信號。俄羅斯聯邦航天局闡明GLONASS-K2系列導航衛星是GLONASS系統創新發展的關鍵環節，為了提升市場占有率，GLONASS-K2系列導航衛星播發L1、L2兩路與其他GNSS不一致的頻分多址(FDMA)體制導航信號，以維系老用戶的權益，同時播發L1、L2、L3三路新的與其他GNSS一致的碼分多址(CDMA)導航信號，新的CDMA導航信號是GLONASS系統能否在民用市場取得份額的關鍵[7]。歐盟國防工業與空間局將Galileo系統1164～1215 MHz的E1/E5雙頻導航信號定義為第一大眾市場信號，1260～1300 MHz的E6/L6頻點導航信號服務于高精度用戶，提供2 cm高精度定位服務[8]。

3.4 導航與通信業務融合

在全球任何地點、任何時間實現導航信號對地面服務區4重以上覆蓋是全球衛星導航系統無線電導航業務的基本要求，由此，GPS、Galileo和GLONASS均采用標稱24顆導航衛星的Walker星座設計方案。全球覆蓋的衛星星座是一種資源，除了提供定位、導航和授時服務，還可以利用全球覆蓋特性，為用戶提供其他服務。例如，GPS衛星核爆探測系統(NBDS)載荷配置探測大氣層內核爆炸的輻照度儀和用于探測大氣層外空間核爆炸的X射線探測器以及用于測試帶輻射劑量水平的荷電粒子劑量儀，能夠精確測定全球范圍內任何地點核武器爆炸的具體位置及發生時間，同時輔助評估核爆當量[19]。

北斗三號全球衛星導航系統為用戶提供區域和全球兩種類型的短報文通信服務[6]，在通信網絡覆蓋不到的區域，可以提供應急通信和數據傳輸的服務，結合北斗系統的定位功能，北斗短報文通信服務在搜索救援、救災減災、態勢感知、車輛監控等領域發揮重要作用，成為北斗系統的特色服務。文獻[6]指出目前北斗短報文通信服務正在申請加入全球海上遇險與安全系統(GMDSS)，2018年6月，國際海事組織批準北斗短報文通信服務加入GMDSS申請，有國際移動衛星組織開展GMDSS技術與運營評估。北斗短報文通信服務開啟了衛星導航與衛星通信業務融合的先河，并取得了良好的經濟、社會效益，其他全球衛星導航系統紛紛效仿。

Galileo系統配置了搜索救援載荷，支持全球搜索救援業務，簡稱SAR/Galileo業務，較傳統的國際搜救衛星系統的搜索救援業務，SAR/Galileo業務有兩大技術突破，①對用戶上行救援信號的監測時間由平均45 min減少到到平均30 s，定位精度從典型5 km提高到10 m；②增加衛星對用戶信標的返向鏈路通信功能，從而可以使用戶確認系統已經收到求救信息。從2015年底開始,Galileo系統在10顆衛星上搭載了一代SAR載荷[20]。第11屆中國衛星導航年會上，歐盟國防工業與空間局指出SAR/Galileo業務已集成到COSPAS-SARSAT系統的搜索救援業務，上行鏈路性能優良，實現了分鐘級遇險信號檢測，米級定位精度，并已經在救援過程中挽救了遇險人員。2020年1月21日，SAR/Galileo業務提供返向鏈路(RLS)服務，系統對用戶發出的求救信標予以確認。與此同時，Galileo系統還為車禍遇險人員提供自動通話位置確定服務(eCall)以及E112緊急呼叫位置(E911)確定服務。二代Galileo系統的SAR業務將配置第二代SAR載荷，進一步提升RLS性能[8]。

導航衛星配置的SAR載荷實質是一種通信衛星的透明轉發器，接收用戶信標機發出的406.05 MHz遇險信號，然后將遇險信號上變頻到L頻段并播發給地面中軌道搜索地面站(MEOLUT)，MEOLUT據此開展用戶的位置解算。早在2000年，美國國家航空航天局(NASA)的戈達德航天飛行中心(GFSC)與能源部的圣地亞國家實驗室(SNL)研究在GPS衛星增加SAR轉發器載荷的可行性，也就是后來的GPS衛星遇險報警系統(DASS)。2006年，GFSC利用GPS的BLOCK-IIR衛星開展了DASS業務原理驗證，2011年1月，有9顆GPS BLOCK-ⅡR衛星搭載了DASS載荷，DASS可以瞬時檢測和定位到應急信標發出的遇險信號，極大增強了搜索救援能力。DASS是MEOSAR體制在GPS系統的概念驗證，主要驗證互操作參數、相關功能、頻譜特性、轉發器性能和發射機參數，其中互操作參數包括下行鏈路調制、頻率、EIRP和極化以及轉發器帶寬。DASS的服務不是COSPAS/SARSAT系統的強制要求，DASS數據可提供給COSPAS/SARSAT系統使用[21]。

第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室闡明BLOCK-IIIF系列導航衛星將配置SAR載荷，提供符合國際搜救衛星系統標準的搜索救援服務[3]。俄羅斯聯邦航天局闡明GLONASS-K2系列導航衛星將配置搜索救援(SAR)載荷，提供符合國際搜救衛星系統標準的搜索救援服務[7]。

3.5 建設彈性系統

衛星導航系統為用戶免費提供高精度的定位、導航和授時(PNT)服務，可以作為國家的時空基準，衛星導航系統與其他產業的關聯性和融合性，使衛星導航系統成為現代信息產業、大數據服務和人工智能技術的技術支撐，與國家安全、國民經濟和社會民生密切相關。但是衛星導航信號從生成、播發、傳播到接收的過程中會受到許多不利影響，特別是導航信號在物理遮擋(森林、城市、室內、地下、水下)、電磁干擾(無意干擾、敵意干擾)等環境下，衛星導航系統的定位精度、連續性、完好性和可用性存在風險甚至是不可用，對于依賴衛星導航系統作為時空基準的用戶，將可能面臨災難性的后果。

因此，各大衛星導航系統積極謀劃PNT服務在復雜電磁對抗環境下的可用性和可行性，降低對地面系統的依賴，提升系統自主導航能力，并尋求衛星導航服務拒止情況下的備份手段。2014年6月，美國國防先進研究計劃局(DARPA)發布了題為“在對抗條件下獲得空間時間和定位信息技術”(STOIC)的招標書，擬開發不依賴于GPS，可在對抗環境下使用的PNT系統，要求導航信號覆蓋半徑不小于1萬千米，系統定位精度10 m，授時精度30 ns[1]。針對GPS信號容易受到干擾和欺騙的問題，美國學者指出PNT彈性屬性包括3個因素：導航數據可信(trusted data)、導航信號加密(encrypted signals)和導航信號替代(alternative signals)[22]。AFRL研制NTS-3的任務之一是測試新型定位信號體制，驗證以戰時彈性可用、確保制導航權為目標的導航戰能力[23]。

第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室闡明為了滿足民用和國家安全的PNT服務需求，首先要保證GPS的穩定運行，其次可以考慮利用國外PNT服務來增強和加強GPS的彈性，此外可以開展國際合作來檢測、減緩有害干擾以增強GPS的彈性。2020年2月12日，美國總統簽署行政命令來加強美國PNT服務的彈性，該命令旨在通過聯邦政府、核心的基礎設施運營和管理方負責人地使用PNT服務來增強國家PNT服務的彈性[3]。歐盟國防工業與空間署定義G2G的彈性屬性，核心思想是在Galileo系統發生多重故障時，系統要保持功能，系統性能適度降級(graceful degradation)[8]。俄羅斯聯邦航天局闡明通過建設導航信號干擾監測和控制系統以及研發彈性導航接收機兩個環節提高GLONASS系統魯棒性[7]。此外，GLONASS系統下一代衛星GLONASS-K2通過FDMA和CDMA兩種體制導航信號，一定程度上也能提高系統的彈性。

4 結束語

2020年，四大全球衛星導航系統均已提供服務，目前四大系統都在規劃下一代衛星導航系統的建設方案。在第11屆中國衛星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室給出了GPS現代化的方案，俄羅斯聯邦航天局給出GLONASS系統的發展路線圖，歐盟國防工業與空間局給出二代Galileo系統(G2G)的服務演進特點，定義了G2G的彈性屬性。2021年，國家已將北斗產業發展列入國家“十四五”規劃重點項目[24]，在要推動北斗產業發展同時，應推動國家綜合定位導航授時(PNT)體系建設。從國外導航系統發展方向看，有以下5點建議。

1)四大全球衛星導航系統的性能差異取決于時鐘預報誤差及電文更新周期

LEO或者GEO衛星配置超高精度原子鐘和激光終端，利用雙向激光鏈路實現與MEO導航衛星以及MEO導航衛星之間的距離測量、時間傳遞和數據傳輸，利用光頻梳技術以及無線電鏈路和地面運控系統保持時間同步，結合衛星精密軌道測定技術，最終實現衛星導航系統時頻基準和空間基準天基化，大幅度減少對地面系統的依賴，實現系統自主導航。不僅可以解決北斗系統不能全球建立導航信號監測站的困境，而且能夠實現高精度的自主導航服務。

2)MEO衛星在軌工作狀態決定了全球衛星導航系統的穩健性

目前四大全球衛星導航系統的標稱Walker星座均由24顆MEO衛星組成，不同的是軌道面的數量和實際在軌備份衛星數量。GPS在軌衛星數量為36顆，其中30顆在軌工作[3]。Galileo系統目前在軌衛星數量為26顆，其中22顆工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份[4]。GLONASS在軌衛星數量為28顆，其中24顆工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆在軌維護[7]。文獻[6]指出北斗三號全球衛星導航系統采用3GEO+3IGSO+24MEO混合星座構型，利用24顆MEO衛星實現全球覆蓋。顯然，借鑒GPS的經驗，為了確保北斗系統全球PNT服務的可靠性，需要在每個軌道面配置1～2顆備份衛星。同樣，3顆GEO衛星為我國及周邊地區提供區域短報文(RSMC)、星基增強(SBAS)、精密單點定位(PPP)等導航增強服務，也需要配置1顆在軌備份衛星。

3)下一代衛星導航系統具有彈性特征

在復雜電磁對抗環境下，一方面要強化北斗衛星導航系統的安全性、可用性和可信性，一方面要積極謀劃備份手段，確保在復雜電磁對抗環境下用戶能夠持續獲取PNT信息。例如，美軍從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現代化；并同步發展地基無線電導航系統e-Loran(其特點是信號功率大，戰時不易受到干擾，可以彌補GPS的短板)。與此同時，美國又利用新一代銥星通信系統播發衛星授時與定位(STL)脈沖導航信號，為用戶提供獨立的定位和授時服務。文獻[25]指出STL服務的定位精度50 m、授時精度200 ns，STL信號功率比GPS信號高30 dB，故戰時具有較強的抗干擾能力。

4)低成本高效益的導航增強是未來發展的必由之路

德國DLR和GFZ利用由4～6顆LEO衛星組成Kepler低軌星座，配置高精度光鐘和激光星間鏈路等載荷，構建下一代Galileo系統的天基時間基準，提升Galileo系統的衛星廣播星歷和廣播鐘差的精度，縮短衛星廣播電文的更新周期，由此系統提升Galileo系統的系統服務精度。此外，通過在LEO衛星配置高精度導航監測接收機，可以實現對全球衛星導航系統MEO導航衛星導航信號的天基監測，預測MEO衛星的廣播星歷和鐘差精度、給出導航信號的質量和完好性狀態，實現LEO衛星增強全球衛星導航系統的性能。文獻[13]指出NTS-3衛星采用地球靜止軌道設計方案，并計劃利用4顆地球靜止軌道的NTS-3衛星實現對GPS全球導航增強。美國和歐洲的高軌和低軌導航增強方案均是利用幾顆衛星就能實現各自系統的導航性能增強，值得我們學習借鑒。

5)基于LEO通信星座的導航系統、LEO導航增強系統和LEO全球衛星導航系統概念不同

(1)基于LEO通信星座的導航系統：在不影響通信任務的前提下，統籌設計LEO通信衛星的通信信號和導航信號，導航信號包含測距碼信號和含有星歷等信息的導航電文，用戶接受多顆LEO衛星播發的導航信號，利用接收機對多個脈沖導航信號瞬時多普勒圓錐曲面相交點，就可以確定接收機的位置。可以作為當前以MEO衛星為測距源的全球衛星導航系統的備份系統。典型方案是美國基于新一代銥星移動衛星通信系統播發STL脈沖導航信號，為用戶提供獨立的具有較高精度的定位和授時服務。在不改變銥星通信載荷時頻單元劃分和通信信號物理層設計的基礎上，在銥星通信信號1616～1626.5 MHz頻帶內，占用后0.5 MHz帶寬(1616～1626.5 MHz)資源，單工信道播發STL脈沖導航信號(每1.4 s播發一次)，STL信號具有落地電平高(較GPS信號高30 dB)，因此抗干擾能力強。此外。由于銥星衛星通信信號、STL脈沖導航信號以及GPS信號均采用L頻段且頻點相近，因此，用戶可以用一臺接收機(共用射頻前端，數字基帶處理軟件不同)同時接受銥星通信信號、STL導航信號以及GPS信號，十分便捷地實現通導一體化服務。

(2)LEO導航增強系統：LEO衛星配置高精度原子鐘和激光星間鏈路載荷，利用雙向激光鏈路實現MEO導航衛星和LEO導航增強衛星之間以及MEO導航衛星之間的距離測量、無時間誤差的激光鏈路時間傳遞和數據傳輸，借助光頻梳技術以及無線電鏈路，LEO衛星星座可以和地面運控系統保持時間同步，并成為衛星導航系統的時頻率中心。通過LEO和MEO衛星聯合定軌等手段，系統提生高當前全球衛星導航導航系統的服務精度和完好性。典型方案是Kepler低軌星座對二代Galileo系統的導航增強服務。此外，還可以獨立設計低成本的LEO衛星星座，衛星時頻載荷不再配置高精度高成本的星載原子鐘，利用GNSS的播發的高精度授時信號馴服LEO衛星配置的高溫晶振，獲得LEO衛星的時頻基準，同時利用GNSS接收機獲取LEO衛星的位置。利用LEO衛星監測以當前全球衛星導航系統的MEO信號，播發MEO導航信號差分改正數和完好性信息，從而實現提升MEO導航信號精度、MEO導航信號全球完好性監測的目的。此外，LEO衛星還可以進一步播發測距信號和含有星歷等信息的導航電文的兩路簡化信號，獨立提供高精度導航服務。獨立設計低成本的LEO衛星星座，不管是監測MEO信號，還是播發LEO導航信號，其成本和商業模式均值得商榷。

(3)低軌全球衛星導航系統(LEO GNSS)：文獻[26]指出商業寬帶巨型LEO星座可以配置獨立的導航載荷，基于通導融合理念，LEO通信衛星播發猝發類型(burst-type)導航測距信號，用戶在一個時間歷元接收多個猝發測距信號，通過比較信號接收時延和解調信號給出的星歷和鐘差，利用標準非線性偽距定位(standard non-linear pseudorange positioning)或者擴展Kalman濾波器技術，實現用戶位置和時間估計。