北斗衛星導航系統發展現狀與建設構想

周　兵

(北京衛星導航中心，北京100094)

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北斗衛星導航系統發展現狀與建設構想

周兵

(北京衛星導航中心，北京100094)

摘要北斗衛星導航系統當前處于從區域服務到全球服務承上啟下的關鍵時期。簡要回顧了北斗系統發展歷程，系統地總結了北斗區域系統發展情況與技術特點，針對正在進行中的北斗全球系統建設任務，深入分析了目前面臨的難點問題，探討了北斗全球系統基本導航、定位報告和星基增強的整體服務規劃構想，提出了對北斗全球系統總體設計的幾點建議。

關鍵詞北斗；衛星導航；全球星座；星間鏈路

Current Development Status and Design Proposal for BeiDou Satellite Navigation System

ZHOU Bing

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

AbstractBeiDou satellite navigation system is currently in a key connecting period from region to global service.In this paper,the history of BeiDou Satellite Navigation System (BDS) is reviewed briefly.Then,the development status and technical characteristics of the BDS regional system are summarized.In view of the ongoing BDS global system,an in-depth analysis of the difficulties of current phase and the overall service planning are explored.Finally,some proposals are put forward for the overall design of the BDS global system.

Key wordsBeiDou;satellite navigation service;global constellation;inter-satellite link

0引言

2015年9月30日，第20顆北斗導航衛星發射升空。這是我國自主建設的北斗衛星導航系統自2012年完成亞太區域服務開通之后，成功發射的第4顆新一代導航衛星；對照Galileo利用4顆試驗衛星開展在軌驗證，這也標志著北斗進入到了實質性全球系統在軌技術試驗階段，北斗全球組網正處于穩步推進之中。

北斗于2000年以2顆衛星小幅起步，建成了具有位置報告和短電文通信等顯著特色的北斗試驗系統，使我國成為世界上第3個擁有自我衛星導航系統的國家。隨后于2012年12月，利用14顆衛星完成了北斗區域系統建設，實現了對亞太地區的連續覆蓋，受到ICG認可成為世界四大衛星導航核心供應商之一。按照“從無到有、從區域到全球”的三步走發展規劃，北斗系統預計于2020年完成全球組網。當前，北斗正處于區域系統穩定運行、全球系統進行在軌試驗的關鍵階段，“開放、自主、兼容和漸進”[1]的建設原則如何融會貫通于系統設計的各個層面，值得中國衛星導航專家深思。

本文首先梳理了北斗區域系統在世界衛星導航領域所做出的技術創新；立足于北斗未來發展需求，深入分析了北斗全球發展面臨的難點問題，探討了北斗全球系統基本導航、定位報告和星基增強的整體服務規劃構想；最后針對北斗全球系統總體設計提出了加強區域服務性能、拓展定位報告覆蓋區等方面建議。

1北斗區域系統發展情況

北斗區域系統的建設，為世界GNSS領域帶來了4個方面的開創性舉措，對世界衛星導航領域的技術創新、發展繁榮做出了重要貢獻。

1.1北斗是全球第一個擁有三軌混合星座的衛星導航系統

北斗區域系統14顆組網衛星，包括5顆GEO、5顆IGSO和4顆MEO。中國設計這樣一個三軌混合星座的初衷，自然是在滿足既定服務性能指標要求下，盡量提升星座效率值，也就是提高同樣衛星數量條件下的地球覆蓋率。參考文獻[2-3]給出了北斗區域系統設計論證中，幾種不同星座構型選項的星座效率值。隨后建設的其他國家區域系統，日本的QZSS和印度的IRNSS也基本遵循了類似的設計思路。

表1　星座效率值比較

三軌混合星座除了為北斗帶來較為經濟的導航星座構型方案，另一大優勢是在低緯度地區叢林遮蔽、城市峽谷等高遮蔽角環境下使用性能突出。北斗在“一帶一路”大多數國家和地區中，全天可視衛星數為9～14顆，服務可用性和定位精度相比GPS、GLONASS具有明顯優勢，泰國地區北斗與GPS的定位性能對比如表2所示。2013年以來，北斗正式打入亞太市場，尤其是東南亞等低緯度國家與地區，應用推廣勢頭迅猛，為我國推行“一帶一路”重大發展戰略提供了有利支撐。

表2　泰國地區CORS站精度性能

1.2北斗是全球第一個具備三頻完整服務能力的衛星導航系統

北斗區域系統于2012建成之時，就同時實現了B1(1 561.098 MHz)、B2(1 207.14 MHz)和B3(1 268.52 MHz)3個頻率的導航信號[4]的全星座播發，這相比于GPS，預計于2021年才能完成三頻信號(L1、L2、L5)完整布設，早了10余年。北斗起步晚于GPS系統整整20年，能在關鍵技術性能方面實現部分超越實屬不易，這是北斗設計團隊充分發揮后發優勢，實現后來居上的典型事例。

三頻導航信號不只是增強了衛星導航服務在復雜電磁環境下的魯棒性與健壯性，更是在高精度實時測量領域優勢突出。北京地區試驗結果如圖1和圖2所示。

圖1　厘米級高精度實時測量作業范圍對比

圖2　厘米級高精度實時測量初始化時間對比

試驗結果表明，北斗三頻導航信號的載波相位整周模糊度解算時間僅10 s，而GPS目前雙頻信號約需40 s；北斗三頻進行厘米級高精度實時測量的作業范圍可達100 km，而傳統GPS雙頻作業范圍約20 km。通過上述性能的對比可以看出，北斗已經占據爭奪高精度測量民用市場更大份額的有利優勢。

1.3北斗是全球第一個連續導航與定位報告一體化設計的系統

定位報告是北斗與生俱來的功能，并且一直以來是北斗區別于世界其他衛星導航系統的最大特色。北斗區域系統在完整保留了北斗一號定位報告服務的基礎上，發展了與GPS相同的連續導航服務，具備實時連續的定位、測速和授時能力。北斗充分認識到，連續導航與定位報告的深度結合是世界衛星導航發展潮流，是當今信息化社會發展、數字地球建設的重大需求。

連續導航與定位報告二者結合，為用戶帶來了更多元的服務選擇，更好地滿足了用戶高精度定位與位置信息共享的雙重需求，尤其是在交通運輸、海洋漁業、生命救援和減災、救災等重要行業領域所發揮的社會與經濟效益非常突出。日本的QZSS系統設計的L1-SAIF信號，定向發布短報文，提供災害應對信息，也是繼北斗之后在這方面所做的有益嘗試。

相比于GPS+銥星、Galileo+Inmarsat等導航與通信的集成應用模式，北斗服務則具有系統建設成本低、響應時間快、衛星數量少和服務可用度高等特點，詳細比較如表3所示。

表3　定位報告手段特點比較

1.4北斗是全球第一個基本導航與星基增強一體化設計的系統

世界衛星導航服務的其他各主要提供者，美、俄、歐、日、印均在其基本導航系統GPS、GLONASS、GALILEO、QZSS和IRNSS之外，獨立建設差分與完好性廣域增強系統WAAS、SCDM、EGNOS、MSAS和GAGAN。北斗則是充分發揮統籌規劃、資源共享的中國航天優良傳統，在GEO衛星的基本導航信號中播發差分與完好性廣域增強信息，GEO衛星空間信號既是基本導航信號又是星基增強信號，兼具良好的測距性能和完整的差分增強能力，對北斗重點服務區提供了更多的測距可用衛星數和更高的服務可用性。

2北斗全球系統建設構想與設計建議

北斗全球系統立足于滿足國家安全與經濟社會發展需要，致力于為全球用戶提供連續、穩定和可靠的衛星導航服務，與世界其他衛星導航系統共同合作，服務全球、造福人類。作為四大全球衛星導航系統中啟動最晚的北斗，自身發展歷程也已超過20年，歷史經驗需要充分總結，面向未來的發展思路也需要開拓創新。

2.1北斗全球系統發展面臨的關鍵問題

2.1.1全球星座構型

北斗全球系統是一個有重點服務區的全球衛星導航系統。星座構型需保證在全球范圍內服務性能與其他系統相當，又確保在亞太地區服務性能超過其他系統。亞太地區作為我國軍事、政治和經濟戰略重心所在，北斗用戶的使用環境約束(電磁環境、地形遮擋)也更加苛刻，這就要求北斗全星座中區域GEO/IGSO衛星與全球MEO衛星的整體布局做好統籌。

2.1.2新型信號體制

北斗已公開的B1I和B2I信號承擔著對國際社會的承諾，但同時為實現測距精度、抗多徑、跟蹤靈敏度和解調靈敏度等性能的全面提升，新型導航信號的創新設計是必由之路。北斗新的公開信號B1C和B2a/b既要實現與GPS L1C、L5、Galileo E1OS和E5a/b等的兼容與互操作，又要與老信號長期并存、分享有限功率，同時還要規避專利陷阱，避免重蹈英、美之間專利糾紛[5]。

2.1.3星間鏈路

美國GPS和俄羅斯GLONASS導航衛星都已具備星間數傳與測量能力，歐洲Galileo亦有此論證規劃。中國北斗新一代導航衛星使用星間鏈路技術，是國內布站條件下全球發展的必然選擇，也是星座自主運行的必要條件。美、俄星間鏈路技術體制發展經歷了UHF頻段、S頻段和V頻段等多種方案選擇與演變[6]，北斗星間鏈路技術發展也同樣可能面臨著多重變數。

2.1.4海外建站

全球導航服務的重要前提是對衛星實施全弧段連續跟蹤觀測，以此為精密定軌、鐘差測定、電離層改正建模和完好性監測提供必要的數據保障。由于星間鏈路技術風險不容忽視，海外建站仍是北斗全球發展的重要支撐，世界各大系統也都沒有弱化全球建站的計劃實施。2014年開始，中俄雙邊合作，計劃互建衛星導航監測站是北斗海外建站步伐的良好開端[7]。

2.2北斗全球系統整體服務規劃構想

綜合陸、海、空、天各類用戶的定位、導航、授時和位置報告等各類使用需求，縱觀北斗發展歷程，北斗全球系統未來需要提供的服務，按照服務功能特征不同，應該可以規劃為基本導航服務、定位報告服務和星基增強服務3大類。

基本導航服務是基于衛星無線電導航業務(RNSS)原理實現全球范圍的連續實時定位、導航和授時服務能力。定位報告服務是基于衛星無線電測定業務(RDSS)原理實現的實時定位、授時、位置報告和短報文通信服務能力。星基增強服務是基于廣域差分與完好性監測原理，利用GEO衛星為用戶提供區域覆蓋的RNSS差分改正和完好性監測信息，實現對基本導航的差分與完好性增強服務。

2.2.1基本導航

北斗需瞄準全球導航需求，與世界其他導航系統兼容使用，形成全球實時連續導航測速授時能力。民用基本導航與GPS、Galileo實現互操作，共同改善全球用戶導航性能。服務性能預期定位精度優于10 m，測速精度優于0.2 m/s，授時精度優于20 ns。

2.2.2定位報告

進入21世紀以來，中國綜合國力迅速提升，參與全球事務程度不斷加深，中國的國家利益、軍事利益與人民權益隨之跨越國門。中國國家安全的內涵與外延、時空界域比歷史上任何時候都更加寬廣。導航定位與位置報告能力已成國家安全基本需求。衛星導航到哪里，位置報告就需要到哪里。

2.2.3星基增強

北斗星基增強服務需與其他世界主流SBAS在ICAO的指導下統一接口、統一標準和統籌設計，實現全球無縫銜接。滿足民用航空CAT-1需求，支持北斗、GPS、GLONASS和Galileo四大全球系統的差分與完好性增強。未來雙頻SBAS電文還可進一步簡化，簡略格網電離層信息，內容以單星完好性與URE評估為主，空閑電文信道則可增加其他增值服務。

2.3北斗全球系統建設的幾點建議

立足于我國衛星導航應用需求與國家發展戰略，為盡快建成世界一流的衛星導航系統，提升北斗的國際市場競爭力，對北斗全球系統總體設計提出如下幾點建議：

① 全球星座布局建議更加重視重點區域服務性能，尤其是“一帶一路”地區服務性能；

② 民用導航信號設計需要與國外信號實現深度互操作，同時也需規避專利糾紛；

③ 星間鏈路設計建議更重視魯棒性，尤其重視星載設備異常后的整網快速恢復性能；

④ 定位報告服務建議實現更大覆蓋區拓展，繼承并發揚北斗特色服務；

⑤ 基本導航、星基增強服務在與國外系統實現互操作的同時，建議具備差異化優勢，保持獨立自主性。

3結束語

北斗區域系統開通3年以來，運行狀態穩定良好，行業應用穩步推進，北斗終端社會持有量已超過1 000萬套[7]，未來還將呈現爆炸式增長。

北斗全球系統目前處于頂層設計與試驗驗證階段，工程建設有序推進之中，多方面技術體制可能有所調整，服務性能也必將在區域系統基礎上大幅提升，期待北斗在2020年左右成為世界一流的全球衛星導航系統，為國家和全世界做出更大的貢獻。

參考文獻

[1]中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統發展報告(2.1版)[J].衛星應用，201(1):9-12.

[2]譚述森.北斗衛星導航系統的發展與思考[J].宇航學報,2008,29(2):391-396.

[3]許其鳳.區域衛星導航系統的衛星星座[J].測繪工程,2001,10(1):1-5.

[4]譚述森,周兵,郭盛桃,等.我國全球衛星導航信號設計研究[J].中國科學:物理學力學天文學,2010,40(5):514-519.

[5]施蕾.英美衛星導航信號專利糾紛及其對中國專利布局的影響[J].數字通信世界,2013(12):16-19.

[6]陳忠貴,帥平,曲廣吉.現代衛星導航系統技術特點與發展趨勢分析[J].中國科學E輯:技術科學,2009,39(4):686-695.

[7]中國衛星導航定位協會.中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書(2014年度)[M].北京:中國衛星導航定位協會,2015.

周兵男，(1957—)，研究員。主要研究方向：衛星導航系統總體設計。榮獲國家科技進步一等獎1項、二等獎1項、省部級科技進步一等獎4項、二等獎6項。

作者簡介

中圖分類號TN96.1

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0001-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61401119)；河北省教育廳基金資助項目(Q2012118)。

收稿日期：2016-01-07

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.01

引用格式：周兵.北斗衛星導航系統發展現狀與建設構想[J].無線電工程,2016,46(4):1-4.