風起云涌，何立潮頭？從北斗系統(tǒng)建設發(fā)展縱論世界衛(wèi)星導航新格局新看點

　世紀初，世界衛(wèi)星導航領域建成并提供服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，主要有美國GPS、俄羅斯GLONASS和我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。其中，美國GPS系統(tǒng)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(jīng)濟衰退，衛(wèi)星補網(wǎng)出現(xiàn)困難，最少時只有7顆衛(wèi)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(tǒng)逐漸恢復全球服務能力，北斗二號系統(tǒng)開始為亞太大部分地區(qū)提供試運行服務，歐洲也逐步加快推進Galileo系統(tǒng)建設，四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)格局初顯。 

　　當前，美國GPS、俄羅斯GLONASS、我國北斗和歐洲Galileo等四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)已提供全球服務，印度Navlc（印度導航星座）和日本QZSS（準天頂系統(tǒng)）兩個區(qū)域系統(tǒng)也向用戶提供區(qū)域服務，世界衛(wèi)星導航新格局基本顯現(xiàn)，新格局呈現(xiàn)新看點。 

　　1、四大全球系統(tǒng)同臺競技，精度比肩 

　　衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(wèi)星導航系統(tǒng)，PDOP均值相當，一般為2左右。UERE由空間段衛(wèi)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等三部分構成。其中空間段軌道鐘差可用用戶測距誤差（User Range Error, URE）來衡量，這是評估空間信號精度的重要指標，也是國際上各大系統(tǒng)性能競技的主要標準。 

　　美國GPS系統(tǒng)20世紀70年代開始研制，1994年全面建成。當前，GPS系統(tǒng)共有35顆衛(wèi)星在軌，30顆正常運行。GPS系統(tǒng)空間信號精度均值為0.5米（最差為0.66米，最好為0.36米）。 

▲GPS空間信號精度

　　俄羅斯GLONASS系統(tǒng)于1976年啟動，1995年實現(xiàn)完整星座部署。目前，GLONASS將其星基增強系統(tǒng)（SDCM，差分改正監(jiān)測系統(tǒng)）納入體系，系統(tǒng)共有3顆地球靜止軌道（GEO）、27顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星在軌。GLONASS系統(tǒng)定位精度水平優(yōu)于5米，高程優(yōu)于9米，與其他系統(tǒng)定位精度相當?？紤]到各大系統(tǒng)衛(wèi)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，可知GLONASS系統(tǒng)的空間信號精度基本與其他全球系統(tǒng)相當。 

▲GLONASS空間信號精度

　　北斗系統(tǒng)目前共有46顆衛(wèi)星在軌，包括28顆北斗三號衛(wèi)星和18顆北斗二號衛(wèi)星，衛(wèi)星在軌運行良好，空間信號質量優(yōu)異，北斗三號信號精度優(yōu)于北斗二號信號精度。目前，北斗三號衛(wèi)星空間信號精度均值為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(qū)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）。相對于美國GPS，俄羅斯GLONASS等系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)的空間信號精度相當，定位、測速和授時能力都非常優(yōu)異。相信，隨著北斗衛(wèi)星星座的逐步完善和入網(wǎng)衛(wèi)星的進一步增加，北斗系統(tǒng)的服務精度將進一步提升。 

▲北斗系統(tǒng)空間信號精度

　　Galileo目前共有22顆衛(wèi)星在軌，包括4顆初始運行能力（IOC）的衛(wèi)星和18顆完全運行能力（FOC）的衛(wèi)星。服務性能方面，Galileo系統(tǒng)當前空間信號精度均值為0.27m，授時精度為16.8ns。值得關注的是，Galileo系統(tǒng)在2017年，18顆衛(wèi)星72臺原子鐘中，高達9臺出現(xiàn)故障（含銣鐘、氫鐘）；2019年更是出現(xiàn)長達117小時的服務中斷，影響了服務的可靠性，更是增加了用戶對使用其服務的疑慮。 

▲Galileo 空間信號精度

　　綜上，四大全球系統(tǒng)的空間信號精度相當，均為0.5米左右，四大全球導航系統(tǒng)能力比肩。 

　　2、世界衛(wèi)星導航多系統(tǒng)共存格局基本形成，兼容互操作成為共識和發(fā)展主流 

　　兼容共用，更專業(yè)的說法是兼容與互操作，這是國際衛(wèi)星導航領域從單一GPS到多GNSS（全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）時代發(fā)展的重要趨勢。 

　　兼容，是指獨立或聯(lián)合使用多個全球和區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)，不給單個系統(tǒng)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(qū)域衛(wèi)星導航/增強系統(tǒng)及其開放服務，能在用戶層面比單獨依賴單個系統(tǒng)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(chǎn)權，開放信號的互操作可以在有各自獨特設計的基礎上，實現(xiàn)頻譜的相似性，同時實現(xiàn)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。 

　　世界各衛(wèi)星導航系統(tǒng)一直在加強兼容與互操作國際協(xié)調(diào)，聯(lián)合國框架下推動成立全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(tǒng)與歐洲Galileo系統(tǒng)簽署兼容與互操作協(xié)議，將MBOC（6，1，1/11）調(diào)制信號作為其互操作民用信號；日本QZSS系統(tǒng)的主要功能即是對GPS的區(qū)域補充與增強；2019年12月，美國宣布將印度NavlC區(qū)域導航系統(tǒng)，在繼歐洲Galileo和日本QZSS之后，同視為其“同盟”導航系統(tǒng)。 

　　我國北斗系統(tǒng)也一直注重和加強與世界主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容與互操作協(xié)調(diào)。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(lián)合聲明，北斗和GPS在國際電信聯(lián)盟（ITU）框架下實現(xiàn)射頻兼容，北斗B1C和GPS L1C信號實現(xiàn)互操作，用戶在聯(lián)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。中俄成立衛(wèi)星導航重大戰(zhàn)略合作項目委員會，已舉行11次全方位交流協(xié)調(diào)，簽署北斗和格洛納斯兼容與互操作諒解備忘錄、聯(lián)合聲明等成果文件，明確了兩系統(tǒng)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(xié)調(diào)，正在持續(xù)開展深入?yún)f(xié)調(diào)。 

　　四大全球系統(tǒng)，通過加強兼容互操作，可有效改善觀測幾何，提高全球任何地區(qū)的定位精度，提升全球導航服務可用性。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度仰角計算，格網(wǎng)點5度*5度），北斗自身服務性能優(yōu)良；同時，為更好的提升多系統(tǒng)導航定位能力，北斗系統(tǒng)對GNSS服務性能提升非常顯著。北斗系統(tǒng)對全世界導航的精度、穩(wěn)定性、可靠性的貢獻率可達到20%以上。 

　　目前，北斗應用已深入到人們生產(chǎn)生活的方方面面。由于我國已經(jīng)跟美國GPS、俄羅斯GLONASS等世界主要系統(tǒng)都完成了兼容共用協(xié)調(diào)，所以大多數(shù)用戶設備都是包含北斗在內(nèi)的多系統(tǒng)應用，用戶很多地方使用的導航信號，都有來自北斗的服務。 

　　經(jīng)常會有人問，北斗是否會取代GPS。一般意義上來說，目前，多系統(tǒng)兼容共用是主流趨勢，多系統(tǒng)可以為用戶提供更優(yōu)質的服務。北斗系統(tǒng)倡導與其他系統(tǒng)加強兼容與互操作，致力于為全球用戶提供更好的服務。從服務能力上來說，北斗系統(tǒng)作為世界一流衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具備獨立提供連續(xù)穩(wěn)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(xù)7年服務無中斷，北斗三號也已連續(xù)服務一周年。隨著北斗全球系統(tǒng)的全面建成，北斗系統(tǒng)能力將進一步提升，“自主、開放、兼容、漸進”發(fā)展的北斗，將會以更加優(yōu)異的表現(xiàn)，成為國人的不二之選。 

　　3、“北斗+”引領“GNSS+”，多樣化服務成新一輪競技焦點 

　　根據(jù)2019年12月27日國新辦北斗新聞發(fā)布會公布的北斗應用服務體系，2020年，北斗全球系統(tǒng)將可向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。北斗系統(tǒng)創(chuàng)新性采用導航通信融合的技術體制，其多樣化的服務，引領著世界衛(wèi)星導航的發(fā)展。 

　　近期，在聯(lián)合國全球衛(wèi)星導航國際委員會（ICG）第十四屆大會了解到，世界其他系統(tǒng)也在積極發(fā)展多樣化服務。美國GPS的第三代GPS III衛(wèi)星，播發(fā)可與其他GNSS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，后期GPS IIIF將提供搜救服務。未來美國還將對其星基增強系統(tǒng)WAAS當前其使用的3顆GEO衛(wèi)星進行更新?lián)Q代，通過提供雙頻多星座服務、增強完好性監(jiān)測服務進行現(xiàn)代化更新。 

　　GLONASS將提供4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建有GNSS監(jiān)測與性能評估系統(tǒng)，獨立監(jiān)測系統(tǒng)性能，并評估用戶層性能。 

　　伽利略系統(tǒng)將具備4種新服務，包括公開服務導航信息認證、高精度（目標為0.2米）、商業(yè)認證、緊急告警（與日、印合作）服務。搜救服務方面，國際搜救組織于2016年12月宣布伽利略具備搜救早期服務能力，目前已完成返向鏈路功能演示測試，2020年將提供正式服務。 

　　綜上，各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)供應商都在積極致力于拓寬衛(wèi)星導航的服務范疇，以更好的滿足用戶多樣化需求。服務的多樣化已成為未來全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和競技比拼的新大招。在此趨勢下，中國的北斗系統(tǒng)的基本服務能力與各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)相當，躋身世界一流系統(tǒng)行列；同時，可提供短報文通信、國際搜救、精密單點定位和星基增強等多樣化的特色服務，在服務多樣化的浪潮中積極發(fā)揮引領作用，可以說為世界衛(wèi)星導航發(fā)展貢獻了中國方案、中國智慧。 

　　4、各系統(tǒng)加速更新?lián)Q代，瞄準2035年前后開啟新一輪華山論劍 

　　2020年，是四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全部完成全球部署、提供服務的新起點，世界衛(wèi)星導航發(fā)展將邁入新紀元；同時，這也是四大系統(tǒng)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2034年完成22顆GPS IIIF衛(wèi)星部署，鞏固其在定位導航授時領域的領先地位。目前，正在抓緊時間研制和發(fā)射GPS III衛(wèi)星，2018年成功發(fā)射首顆GPS IIIA衛(wèi)星；計劃2023年完成10顆GPS IIIA衛(wèi)星部署，2034年完成22顆GPS IIIF衛(wèi)星部署。同時，美國絲毫不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(fā)射導航技術衛(wèi)星（NTS-2）衛(wèi)星演示銫鐘和全球數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡之后，時隔38年美國再次啟動導航技術衛(wèi)星計劃，即NTS-3衛(wèi)星計劃，計劃2022年發(fā)射NTS-3衛(wèi)星并開展在軌試驗。 

▲美國GPS現(xiàn)代化進程

　　俄羅斯GLONASS計劃2030年建成以GLONASS-KM為主體的衛(wèi)星星座。俄羅斯不斷出臺文件以及政策，確保GLONASS系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展；同時，計劃2025年之前發(fā)射6顆高軌衛(wèi)星GLONASS-B（3個軌道平面，軌道傾角64.8°，離心率0.072，播發(fā)L1/L2/L3 OC信號），使東半球性能提升25%。 

▲GLONASS未來發(fā)展規(guī)劃

　　北斗全球系統(tǒng)將于2020年全面建成，提供更加優(yōu)質、更加多樣的服務。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體系。 

▲北斗系統(tǒng)未來發(fā)展

　　歐洲計劃2035年左右具備第二代Galileo系統(tǒng)的完全服務能力。2020到2024年發(fā)射4顆第三批完全運行能力（FOC）衛(wèi)星，2025年開始向更高精度、更多服務的第二代伽利略系統(tǒng)過渡，同時開始發(fā)射第二代衛(wèi)星，將于2030年具備第二代系統(tǒng)初始服務能力，2035年左右具備完全服務能力。 

▲Galileo 空間信號精度

　　5、高可靠連續(xù)服務成為全球服務時代的高標桿，高穩(wěn)定運行是重中之重 

　　GNSS步入全球應用服務時代，衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為提供時空信息服務的基礎設施，提供一流的能力重要，提供一流的服務更重要。高可靠連續(xù)服務和高穩(wěn)定運行能力，成為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面服務時代到來行業(yè)的重要標桿，這將是全球服務時代到來比拼的關鍵。同時，各星基增強系統(tǒng)作為給民航等生命安全用戶提供差分增強和高完好服務的基礎設施，其連續(xù)穩(wěn)定運行就顯得更為重要。 

　　2019年7月，歐洲Galileo系統(tǒng)服務一度中斷。在ICG第十四屆大會上，Galileo服務中斷事件成為各方關注焦點。會上歐方單位代表作報告，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 7米的指標，但服務連續(xù)性、可用性超出指標要求?？梢韵胂?，Galileo系統(tǒng)在此次服務中斷過程中發(fā)現(xiàn)問題、協(xié)調(diào)解決問題鏈條和周期較長，才會導致長達117小時的服務中斷。 

　　北斗全球服務同樣面臨可靠連續(xù)穩(wěn)定服務的高要求。對系統(tǒng)服務的需求，不僅體現(xiàn)在對導航系統(tǒng)星地運行的高要求，還需要在平穩(wěn)過渡、系統(tǒng)升級、備份設計、運行管理機制、技術保障等環(huán)節(jié)扎扎實實做好工作，確保用戶權益，避免出現(xiàn)類似問題，也避免在國際社會造成負面影響。 

　　6、GNSS新時代催生新應用，傳統(tǒng)應用和新興應用全面開花 

　　北斗系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應用于交通運輸、公共安全、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預報、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災減災等眾多領域。同時，基于北斗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(jīng)濟和民生領域，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式。 

▲北斗系統(tǒng)廣泛應用于日常生活各領域

　　在交通運輸方面，北斗系統(tǒng)廣泛應用于重點運輸過程監(jiān)控、公路基礎設施安全監(jiān)控、港口高精度實時定位調(diào)度監(jiān)控等領域。截至目前，中國境內(nèi)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(nèi)河導航設施、2900余座海上導航設施已應用北斗系統(tǒng)，建成全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，有效提升了監(jiān)控管理效率和道路運輸安全水平。 

　　在減災救災方面，目前已推廣北斗終端超過4.5萬臺。受災地區(qū)可以利用北斗短報文功能及時上報位置信息、突發(fā)災害信息和災區(qū)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(jiān)控，大幅提升了全國救災物資管理與調(diào)運水平。 

　　北斗除了為傳統(tǒng)應用領域注入新血液，還在各類新興產(chǎn)業(yè)中大放異彩。未來北斗將與5G移動通信、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）低功耗廣域網(wǎng)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(lián)網(wǎng)終端實現(xiàn)自動地圖生成、智能路徑規(guī)劃、自動環(huán)境識別、遠程平臺監(jiān)控等功能，還將打造資產(chǎn)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(tǒng)已在東盟國家的土地確權、精準農(nóng)業(yè)、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。 

　　2020年，北斗系統(tǒng)將全面建成，向全球用戶提供更加優(yōu)質、更加完善的時空信息服務。北斗將圓夢全球，但夢想不止于此，追夢永不止步。面向新時代，特別是2035年前建設完善“更加泛在、更加融合、更加智能”綜合時空體系的新要求，北斗人將繼續(xù)前行。 

　　雄關漫道真如鐵，即將邁步從頭躍。歷史只會眷顧堅定者、奮進者、搏擊者，而不會等待猶豫者、懈怠者、畏難者。站在新的歷史起點，北斗人將不忘初心，接續(xù)奮斗，做新時代努力奔跑的追夢人，在未來的歲月里繼續(xù)讓中國夢、航天夢、北斗夢煥發(fā)更加絢麗的時代光彩。（盧鋆）