解讀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作

+ 劉天雄

2017年11月29日，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)委員會王力主席與美國國務(wù)院喬納森·馬戈利斯助理副國務(wù)卿在北京舉行了中美衛(wèi)星導(dǎo)航會晤。在王力主席和喬納森·馬戈利斯助理副國務(wù)卿的見證下，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室冉承其主任與美國國務(wù)院空間和先進(jìn)技術(shù)辦公室戴維·特納副主任簽署了《北斗與GPS信號兼容與互操作聯(lián)合聲明》。聲明表示，兩系統(tǒng)在國際電聯(lián)（ITU）框架下實(shí)現(xiàn)射頻兼容，實(shí)現(xiàn)了民用信號互操作，并將持續(xù)開展兼容與互操作合作。

中美衛(wèi)星導(dǎo)航合作具有廣闊前景，加強(qiáng)北斗與GPS系統(tǒng)之間的合作，將會帶動諸多領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，為全球用戶帶來更好的服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容（compatibility）與互操作（interoperability）到底是什么意思呢？北斗與GPS信號兼容與互操作對北斗系統(tǒng)又意味著什么？

一、概述

兼容與互操作是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)資源利用與共享的重要內(nèi)容，兼容與互操作的概念最早是2004年美國發(fā)布PNT國家政策時提出來的：

“兼容”定義為單獨(dú)或聯(lián)合使用美國民用空基定位、導(dǎo)航以及授時系統(tǒng)和國外相應(yīng)系統(tǒng)提供的服務(wù)時，不互相干擾各自的服務(wù)或信號，并且沒有惡意形成導(dǎo)航?jīng)_突?！盎ゲ僮鳌倍x為聯(lián)合使用美國民用空基定位、導(dǎo)航和授時系統(tǒng)以及國外相應(yīng)系統(tǒng)提供的服務(wù)，從而在用戶層面提供較好的性能服務(wù)，而不是依靠單一系統(tǒng)的服務(wù)或信號來獲得服務(wù)。

2004年6月，美國和歐盟發(fā)布GPS和Galileo聯(lián)合發(fā)展和應(yīng)用的合作協(xié)議US-EU Agreement(2004)，對兼容與互操作的相關(guān)概念進(jìn)行了明確的定義，兼容主要體現(xiàn)于GPS與Galileo射頻信號兼容，包括與兩個系統(tǒng)相關(guān)的所有星基導(dǎo)航授時服務(wù)；另外，兩個系統(tǒng)之間要盡可能地實(shí)現(xiàn)非軍用服務(wù)用戶層面的互操作性。該協(xié)議還對GPS和Galileo系統(tǒng)兼容與互操作合作及應(yīng)用的相關(guān)問題進(jìn)行了框架式協(xié)定，其中包括構(gòu)建與國際地球參考框架盡量接近的大地參考框架以及在各自系統(tǒng)導(dǎo)航電文中發(fā)播兩個時間系統(tǒng)之間的偏差信息等方面的條款。

目前，兼容與互操作已經(jīng)成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會(International Committee on Global Navigation Satellite Systems,ICG)的核心議題,并專門成立了相應(yīng)的工作組。兼容與互操作也是全球GNSS核心供應(yīng)商雙邊談判與多邊協(xié)調(diào)的重要內(nèi)容，國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會議已發(fā)表了大量有關(guān)兼容與互操作的理論分析文章。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號的中心頻率、信號功率、信號業(yè)務(wù)分配、碼片速率和脈沖賦形、調(diào)制方式和編碼長度以及電文數(shù)據(jù)率是影響多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性和互操作性的6個關(guān)鍵因素。互操作性要求相同業(yè)務(wù)信號的中心頻率和帶寬重疊，從而簡化接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)；兼容性又要求信號互干擾在可容忍范圍內(nèi)，甚至頻譜分離。業(yè)務(wù)分配對信號頻率、帶寬、編碼方式和長度、碼片賦形、是否加密等提出了各種不同的需求。碼片速率和脈沖賦形直接影響信號的帶寬，導(dǎo)致衛(wèi)星載荷的群時延變化，也影響系統(tǒng)內(nèi)信號和系統(tǒng)間信號的相互干擾的程度，從而最終影響接收機(jī)捕獲和跟蹤能力、抗多徑能力和對偽距測量的精確度。調(diào)制方式和編碼長度以及電文數(shù)據(jù)率等將影響接收機(jī)捕獲跟蹤性能。信號載波功率的變化會導(dǎo)致不同信號間的干擾級別發(fā)生變化。

上述6個導(dǎo)航信號設(shè)計關(guān)鍵因素直接影響了新信號與原有信號的兼容性和互操作性，當(dāng)然也就影響新建衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性和互操作性。開展導(dǎo)航信號體制設(shè)計時，需要權(quán)衡這6個信號選項(xiàng)，滿足兼容性與互操作性要求的導(dǎo)航信號體制設(shè)計是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，其要素包括：如何規(guī)劃信號頻譜以提高頻譜利用率、減小系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾、允許互操作所要求的一體化接收處理方式，如何設(shè)計抗干擾能力強(qiáng)、捕獲跟蹤門限低且復(fù)雜度低的偽隨機(jī)碼，如何根據(jù)信道特性設(shè)計高性能、高效率、低復(fù)雜度的信道編解碼算法和調(diào)制方式，如何設(shè)計靈活可擴(kuò)展的電文幀結(jié)構(gòu)以容納互操作信息交換等等。

因此，開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計時，要考慮如何解決多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間的兼容和互操作問題?；ゲ僮餍缘年P(guān)鍵因素包括空間信號、大地坐標(biāo)參考框架以及時間參考系統(tǒng)，互操作是在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容基礎(chǔ)上的另一種更高層面的系統(tǒng)優(yōu)化與合作，由此提高用戶位置解算的可用性（solution availability）。

新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在保持獨(dú)立性的同時，需要注重與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在時空系統(tǒng)方面的兼容與互操作，特別是在民用應(yīng)用方面。這種互操作性主要有兩種表現(xiàn)方式：

一種是采用兼容的時空系統(tǒng)。Galileo地球參考框架(GTRF)和GPS使用的WGS-84實(shí)際上都是國際地球參考框架(ITRF)的一種實(shí)現(xiàn)。WGS-84和GTRF的誤差預(yù)計是在幾厘米的量級。對于導(dǎo)航和大多數(shù)其他用戶需求來說，這種精度就足夠了。前GPS系統(tǒng)使用的GPST和Galileo系統(tǒng)使用的GST都是連續(xù)的時間系統(tǒng)，都與國際原子時TAI保持較小的固定偏差。GPST和GST都與世界時UTC之間有明確的時間換算關(guān)系，用戶可以方便地通過Galileo廣播信息獲得GST與UTC以及GPST之間的偏差。

另一種是在信號中廣播與其他時空系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。在歐洲和美國關(guān)于Galileo/GPS互操作性的協(xié)議中采納了通過傳統(tǒng)時間傳遞技術(shù)測量，或者利用組合GPS/Galileo接收機(jī)在兩個系統(tǒng)的監(jiān)測站進(jìn)行精確估計的方法來確定時間偏差。另外，GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計劃發(fā)播GPS與GLONASS時標(biāo)之差。我國BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也將計劃廣播與GPS、GLONASS、Galileo系統(tǒng)時間轉(zhuǎn)換參數(shù)以及GPS衛(wèi)星鐘差、星歷改正參數(shù)等信息。

這些方法都很好地體現(xiàn)了GNSS系統(tǒng)之間的互操作，都將為用戶利用多系統(tǒng)觀測量進(jìn)行導(dǎo)航定位提供最直接的便利。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容與互操作體現(xiàn)了系統(tǒng)之間的合作和協(xié)同，必將對系統(tǒng)的服務(wù)性能產(chǎn)生一定的影響。在保持系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的前提下，通過國際合作積極實(shí)現(xiàn)GNSS資源優(yōu)化整合，最大限度地選擇利用國際導(dǎo)航免費(fèi)資源，同時充分發(fā)揮自主資源作用，并在接收機(jī)終端提出最佳化融合方案，為研究出高性能且廉價的接收機(jī)奠定總體設(shè)計基礎(chǔ)，從根本上增強(qiáng)BDS在應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的競爭力。

兼容與互操作是未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，在北斗全球系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)中，應(yīng)進(jìn)一步重視信號的互操作設(shè)計，盡可能采用與GPS和Galileo相同的頻點(diǎn)、類似的調(diào)制方式、相近的帶寬等頻域參數(shù)，達(dá)到與GPS和Galileo系統(tǒng)的高度互操作。坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)盡可能一致，尤其是地面跟蹤站盡量保持一致，否則應(yīng)采用多模接收機(jī)監(jiān)測其坐標(biāo)系統(tǒng)偏差，并發(fā)播給用戶進(jìn)行改正，或作為用戶導(dǎo)航定位參數(shù)估計的先驗(yàn)信息；時間系統(tǒng)的不一致，可采用多系統(tǒng)跟蹤站進(jìn)行監(jiān)測和發(fā)播，也可通過增加模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時估計。

二、兼容性

圖1 GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)信號功率

表1 四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)L1頻段導(dǎo)航信號中心頻點(diǎn)及帶寬

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“兼容性”定義為一種能力，即“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)可以獨(dú)立使用或者聯(lián)合使用，不會引起不可接受的干擾，也不會傷害其他單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的能力”。兼容性需要考慮導(dǎo)航信號射頻兼容RFC、授權(quán)信號和民用信號的頻譜分離、信號發(fā)射功率、空間坐標(biāo)與時間參考系統(tǒng)兼容等事宜。

1、導(dǎo)航信號射頻兼容性涉及的技術(shù)因素主要包括兩方面，一是保護(hù)用戶接收機(jī)避免出現(xiàn)射頻干擾；二是用戶接收機(jī)接收靈敏度以及對其他系統(tǒng)信號的互相關(guān)特性。目前，兼容性的分析主要集中在不同系統(tǒng)間信號的相互干擾方面，國際電聯(lián)2007年提出的干擾估計方法(ITU-RM.1831)已經(jīng)成為各GNSS兼容性評估的基本準(zhǔn)則。

導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的無線電定位信號的功率非常低，導(dǎo)航信號傳播到地球表面上時，信號功率通常低于用戶接收機(jī)本底噪聲。例如，GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)C/A碼的信號功率約-160dBW，比用戶接收機(jī)本底噪聲低16dB，L1頻點(diǎn)軍用P碼信號功率比C/A碼的信號功率又低13dB，GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)信號功率如圖1所示。

然而，隨著在軌導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量的增加，當(dāng)導(dǎo)航信號疊加在一起時，特別是在擁擠的L1頻段，計算仿真表明四個全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座同時在軌工作時，即大約有100多顆MEO衛(wèi)星同時播發(fā)L頻段衛(wèi)星導(dǎo)航信號，將大幅提高用戶接收機(jī)本底噪聲水平，因此，將降低用戶衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的信噪比。

四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)L1頻段導(dǎo)航信號中心頻點(diǎn)及帶寬如表1所示，由表可知，美國GPS民用信號的L1頻點(diǎn)、歐洲Galileo民用信號的E1頻點(diǎn)以及中國BDS民用信號的B1頻點(diǎn)的中心頻率為1.5GHz，其中GPS的L1與Galileo的E1的中心頻率則完全相同，均為1575.42MHz，而俄羅斯GLONASS民用信號L1頻點(diǎn)的中心頻率為1603.6875MHz，接近Galileo的E1的上邊帶1608.156MHz，因此，2020年前后，四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)后，技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)用戶同時接收選擇多個系統(tǒng)的信號。

對一般用戶而言，一部接收機(jī)就可以跟蹤多個導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星，通過獲得冗余衛(wèi)星保證衛(wèi)星信號的完好性和連續(xù)性，從而提高定位性能；對于接收機(jī)制造商而言，高性能的GNSS多系統(tǒng)低成本聯(lián)合接收機(jī)應(yīng)該具有更大的市場潛力，實(shí)現(xiàn)全球科學(xué)技術(shù)成果的共享。

兼容性要求系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間干擾不會對各自系統(tǒng)正常工作造成太大影響，其中存在著一個度量的問題，需要在用戶設(shè)備層面上對系統(tǒng)間干擾效應(yīng)進(jìn)行定量分析，在理論上可以找到一種適用的解析方法來評估系統(tǒng)間的兼容性。由于接收機(jī)信號捕獲、跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)的性能均依賴于接收機(jī)相關(guān)器輸出端的SINR(信號與干擾加噪聲的比值)，因此，評估干擾對相關(guān)器輸出SNIR的影響，可以為評定干擾對這幾種接收機(jī)功能的影響提供基礎(chǔ)。

一般接收機(jī)中采用載噪比來表征所接收導(dǎo)航信號的質(zhì)量，其中假定噪聲是白色的；而相關(guān)器輸出SINR的計算中需要考慮非白干擾，可以引入等效載噪比的概念來分析這種情形。

在ITU-RM.1831建議書中也是采用等效載噪比作為系統(tǒng)間干擾評估參量。全球系統(tǒng)民用信號的兼容性主要考察落在相應(yīng)帶寬內(nèi)的GPS、Galileo和GLONASS所有導(dǎo)航信號、全球系統(tǒng)其他導(dǎo)航信號(如授權(quán)信號)以及其他系統(tǒng)信號與民用導(dǎo)航信號的分離特性，分析各導(dǎo)航信號的干擾所導(dǎo)致的載噪比損失。由于干擾的存在使得載噪比下降，可以用等效載噪比的下降來評估干擾對接收機(jī)的影響。信號兼容性需求標(biāo)準(zhǔn)是：所有干擾所引起的載噪比損失不能使到達(dá)地面的信號載噪比低于載噪比門限，同時保證其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的載噪比。

當(dāng)前，只有海事和航空衛(wèi)星導(dǎo)航用戶接收機(jī)有導(dǎo)航信號射頻兼容性RFC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對于陸地車載和鐵路車載衛(wèi)星導(dǎo)航用戶接收機(jī)還沒有導(dǎo)航信號射頻兼容性RFC要求。上述要求，包括最低信噪比、遮蔽角、可接收的外部干擾與用戶的應(yīng)用場景息息相關(guān)。民用交通領(lǐng)域?qū)⑹亲畲蟮男l(wèi)星導(dǎo)航市場，因此，建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性的技術(shù)體系，制定用戶接收機(jī)的相關(guān)兼容性標(biāo)準(zhǔn)是十分迫切的。

2、對于國家安全來說，授權(quán)信號和民用信號之間的頻譜分離至關(guān)重要。一方面，為了確保采取功率增強(qiáng)等手段來提高軍用信號的抗干擾能力時，能夠不影響民用信號的正常使用；另一方面，為了避免戰(zhàn)時敵方對軍用信號實(shí)施干擾時會同時干擾民用信號，要求軍民信號頻譜分離，以確保導(dǎo)航戰(zhàn)環(huán)境下民用信號的正常、連續(xù)使用。正如GPS將M碼與C/A碼和P碼的頻譜分開，就是要解決增加M碼功率對C/A和P(Y)碼的干擾問題，提高與C/A碼和P(Y)碼的兼容性。

然而，頻譜完全分離并不總是可以做到期望的設(shè)計指標(biāo)要求的，有時出于互操作目的，甚至希望導(dǎo)航信號又是重疊的。因此，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要開展雙邊和多邊協(xié)商，確保系統(tǒng)間的導(dǎo)航信號兼容性。導(dǎo)航信號兼容性的雙邊和多邊協(xié)商典型示例如下：

· 1998年： 美國和日本就GPS系統(tǒng)和QZSS/MSAS系統(tǒng)之間的互操作和兼容性簽署協(xié)議；

· 2004年： 美國和俄羅斯就GPS和Glonass系統(tǒng)之間開展合作達(dá)成一致性意見；

· 2004年： 美國和歐盟就GPS和Galileo系統(tǒng)之間開展合作達(dá)成一致性意見；

· 2007年： 美國和印度就GNSS系統(tǒng)開展合作發(fā)表聯(lián)合聲明。

三、互操作性

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“互操作”定義為一種能力，“聯(lián)合使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)及相應(yīng)服務(wù)，能夠在用戶層面比單獨(dú)使用一種系統(tǒng)及相應(yīng)服務(wù)獲得更好的服務(wù)的能力”。顯然互操作的實(shí)現(xiàn)必須基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性，與兼容性有所不同，互操作涉及面更廣，不但與各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號密切相關(guān)，而且與系統(tǒng)采用的空間和時間基準(zhǔn)有關(guān)，對多系統(tǒng)GNSS 用戶的影響也更為直接，研究工作更為復(fù)雜。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性使得多系統(tǒng)互操作成為新的發(fā)展趨勢，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也必然要與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作。多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作性要求信號頻譜共享、調(diào)制方式、多址方式、碼片速率和碼片賦形類似。

根據(jù)互操作要求，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率配置和空間信號的互操作主要是通過共用中心頻率和頻譜重疊來實(shí)現(xiàn)的，一方面解決了衛(wèi)星導(dǎo)航頻率資源的緊缺問題，另一方面可以減少接收機(jī)內(nèi)為不同中心頻率提供基準(zhǔn)頻率而產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，簡化多系統(tǒng)聯(lián)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)計和制造，降低功耗、成本和重量。

例如，Galileo的E5a(1176.45 MHz)和E1(1575.42 MHz)將分別與GPS在L5和L1頻段上實(shí)現(xiàn)互操作。GLONASS也已在現(xiàn)代化計劃中提出要在L5和L1頻段上添加CDMA信號，與GPS實(shí)現(xiàn)互操作。日本QZSS發(fā)布的頻率計劃中，也將在L1、L2和L5上實(shí)現(xiàn)與GPS的完全兼容與互操作?？梢姡琇1和L5已成為國際上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要互操作頻段。

我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要與國際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接軌，也應(yīng)該在L1和L5頻段上設(shè)計民用導(dǎo)航信號，實(shí)現(xiàn)與GPS、Galileo和GLONASS三大導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作，且中心頻點(diǎn)、調(diào)制方式和信號結(jié)構(gòu)應(yīng)與其他GNSS系統(tǒng)趨于一致。

一般在系統(tǒng)和信號兩個層次研究不同系統(tǒng)間的互操作。在系統(tǒng)層次，互操作可以視為在同樣的邊界約束條件下，多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同解算時提供的導(dǎo)航解與單獨(dú)一個系統(tǒng)所提供的導(dǎo)航解完全一致的能力。也就是說，一部GPS/GLONASS或GPS/Galileo雙系統(tǒng)用戶接收機(jī)與一部GPS或Galileo單系統(tǒng)用戶接收機(jī)為用戶提供同樣精度的導(dǎo)航解。在這個層面上，可以說GPS和Galileo是系統(tǒng)級“互操作”的，由于系統(tǒng)存在較大冗余度，因此，可以給用戶帶來更好的用戶體驗(yàn)，提高市場對衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的信心。在信號層次上，互操作可以視為當(dāng)不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)播發(fā)類似的導(dǎo)航信號時，用戶導(dǎo)航接收機(jī)不需要作大的改動就能接收這些導(dǎo)航信號。對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航信號互操作需要考慮下列因素：

· 空間參考坐標(biāo)：雖然國際民用坐標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)是國際地球參考框架（ITRF），但是每個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都有自己獨(dú)立的參考坐標(biāo)，取決于其地面控制系統(tǒng)的參考坐標(biāo)，并確保各自衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)立性。如果不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)參考坐標(biāo)的差別在目標(biāo)精度之內(nèi)，那么再參考坐標(biāo)角度，可以說兩個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是可以互操作的。例如，GPS全球定位系統(tǒng)的參考指標(biāo)是WGS84，而Galileo系統(tǒng)的參考指標(biāo)是伽利略地球參考框架（GTRF），WGS84和GTRF參考指標(biāo)的差別在3cm之內(nèi)，因此，可以在大部分導(dǎo)航應(yīng)用場景下保證GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)具有互操作性。

· 時間參考系統(tǒng)：國際民用時間參考標(biāo)準(zhǔn)是協(xié)調(diào)世界時UTC/原子時TAI，雖然GPS系統(tǒng)的時間參考系統(tǒng)GPST和Galileo系統(tǒng)的時間參考系統(tǒng)GST之間的偏差在納秒量級，但是GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)均以導(dǎo)航電文方式將這一偏差播發(fā)給地面用戶，因此，可以認(rèn)為GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)在時間參考系統(tǒng)環(huán)節(jié)具有互操作性。

· 使用同樣的載波頻率：選擇同樣的載波頻率對導(dǎo)航接收機(jī)的研制成本和技術(shù)復(fù)雜度具有重大的影響，由于GPS和Galileo系統(tǒng)選擇了同樣的載波頻率，例如L1和 L5/E5a，因此，可以說GPS和Galileo系統(tǒng)在信號層次是“互操作”的。GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用CDMA信號體制，每顆GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星的載波頻率均是不同的，因此，GPS和Galileo系統(tǒng)與GLONASS系統(tǒng)在信號層次是不能“互操作”的。這里需要指出的是，即使GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)在某些載波頻點(diǎn)也是不一致的，例如Galileo系統(tǒng)的E5b和GPS系統(tǒng)的L2頻點(diǎn)，但兩者并沒有造成互相干擾，因此兩者仍然是兼容的。

· 空間導(dǎo)航信號：導(dǎo)航信號的特征，例如調(diào)制方式、信號結(jié)構(gòu)、擴(kuò)頻碼的選擇僅僅需要調(diào)整接收機(jī)信號基帶處理軟件，不影響導(dǎo)航信號互操作。此外，為了確保導(dǎo)航信號兼容和互操作，在開展導(dǎo)航信號體制設(shè)計時，國際上有若干工作組定期開展研討和協(xié)調(diào)。因此，GPS系統(tǒng)的軍用M碼信號和Galileo系統(tǒng)的公共管制業(yè)務(wù)PRS信號在L1頻段是可以互操作的。另外，日本QZSS準(zhǔn)天頂系統(tǒng)計劃與GPS和Galileo系統(tǒng)在L1 和 L5/ E5a信號實(shí)現(xiàn)互操作。

綜上所述，互操作不僅與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號體制有關(guān)，也與坐標(biāo)系統(tǒng)、時間基準(zhǔn)的定義及實(shí)現(xiàn)這些定義的方法有關(guān)，也與信號、坐標(biāo)、運(yùn)行時間偏差有關(guān)?？梢哉J(rèn)為，互操作概念對不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商的影響是不同的，對不同的用戶影響也是不同的，不同的互操作要素對接收機(jī)廠商的影響也是不同的。

兼容互操作設(shè)計對業(yè)已建成的GPS幾乎沒有任何影響，主要原因如下：

① GPS系統(tǒng)技術(shù)相對成熟，用戶極其廣泛，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)樹立起了行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的地位；

② GPS系統(tǒng)用戶涉及的領(lǐng)域非常廣泛，已經(jīng)嵌入到飛機(jī)、艦船與武器平臺、陸地車輛等各類移動載體,并已滲透到了交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、移動通信、互聯(lián)網(wǎng)以及其他穿戴設(shè)備，改變GPS系統(tǒng)的互操作設(shè)計是完全不可能的；

③ 國際民用航空組織和國際海事組織已經(jīng)以GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航信號為飛機(jī)和艦船活動的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航藍(lán)本；

④ 以GPS系統(tǒng)為主建立的廣域和局域差分增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS and LAAS)已經(jīng)廣泛用于航空精密進(jìn)近，而且這些增強(qiáng)系統(tǒng)之間大多數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互操作，為民用航空提供了近于無縫的精密導(dǎo)航服務(wù)；

⑤ 全球所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)芯片和天線廠商都搭建了GPS 接收機(jī)生產(chǎn)線，排斥或改建這種產(chǎn)品生產(chǎn)架構(gòu)都將付出代價；

⑥ GPS系統(tǒng)坐標(biāo)參考系WGS-84盡管與國際大地測量協(xié)會(IAG)確定的國際地球參考框架(ITRF)有差別，但是差別較小，而且，近幾年GPS所用的WGS-84不斷更新，對于大多數(shù)用戶可以忽略不計，不影響GPS在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的主導(dǎo)地位；

⑦ GPS的時間系統(tǒng)雖然與國際計量局確定的世界協(xié)調(diào)時(UTC)有差別，但是美國海軍天文臺控制的鐘組在UTC中具有絕對主導(dǎo)地位，而由美國海軍天文臺確定的時間系統(tǒng)也是GPS時間的基礎(chǔ)。

因此，盡管在2020年前后，用戶將可以接收到美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo以及中國BDS四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本的準(zhǔn)天頂（QZSS）及印度的IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)播發(fā)的信號，但不得不承認(rèn)GPS系統(tǒng)已經(jīng)被廣大用戶接受，已經(jīng)占據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場的主導(dǎo)地位，也已經(jīng)占據(jù)各類導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)政策的主導(dǎo)地位。其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不得不與GPS相同實(shí)施兼容與互操作。而且GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)已先行一步，就兼容和互操作達(dá)成一致，相關(guān)信息簡述如下：Galileo系統(tǒng)E1信號和GPS系統(tǒng)L1信號共用相同的載波頻率1575.42MHz。GPS系統(tǒng)L1上調(diào)制有民碼C/A碼和軍碼P(Y)碼、M碼。

考慮到導(dǎo)航戰(zhàn)中美國可能對其C/A碼實(shí)施干擾，以避免敵國的應(yīng)用，Galileo系統(tǒng)E1信號在設(shè)計中需要采用頻譜搬移的手段，以避免其用戶受到GPS的干擾，達(dá)到提高其與GPS之間兼容性的目的。由于1575.42MHz這一載波頻率上的衛(wèi)星導(dǎo)航信號已經(jīng)相當(dāng)擁塞，而且Galileo系統(tǒng)想要達(dá)到與GPS系統(tǒng)兼容互操作的目的，以及大信號帶寬的設(shè)計思想，Galileo系統(tǒng)E1信號的設(shè)計是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，經(jīng)歷了漫長的研究階段和復(fù)雜的研究歷程。

綜上所述某個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要想占領(lǐng)部分導(dǎo)航應(yīng)用市場，就必須具備如下條件：

① 提供更高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)(包括精度、可靠性、操作便捷性、價格等)；

② 必須與GPS系統(tǒng)實(shí)行兼容與互操作；

③ 提供與GPS系統(tǒng)不同的特色服務(wù)。即使其他GNSS供應(yīng)商具備這些條件，用戶依然會十分挑剔地審視使用其他GNSS導(dǎo)航信號帶來的成本和效益；如果使用多GNSS信號給用戶增加過多額外成本,用戶仍然會放棄與GPS不能實(shí)施互操作的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這給BDS帶來了更多的挑戰(zhàn)。（詳見楊元喜、陸明泉、韓春好所著《GNSS互操作若干問題》，測繪學(xué)報，Vol.45，No.3，2016.3。）

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號設(shè)計，包括導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航電文格式、導(dǎo)航信號載波頻率、偽隨機(jī)測距碼及信號調(diào)制方案等，都會直接影響系統(tǒng)間互操作的可能性。因此，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要開展雙邊和多邊協(xié)商，確保系統(tǒng)間的導(dǎo)航信號互操作，導(dǎo)航信號互操作的雙邊和多邊協(xié)商典型示例如下：

· 1998年： 美國和日本就GPS系統(tǒng)合作發(fā)表聲明（QZSS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)完全兼容，高度互操作）；

· 2003年： 歐盟和中國就Galileo和BDS系統(tǒng)之間兼容和互操作達(dá)成合作協(xié)議；

· 2004年： 美國和歐盟就GPS和Galileo系統(tǒng)之間開展合作達(dá)成一致性意見，形成四個工作組，其中MBOC導(dǎo)航信號調(diào)制方案是工作組在信號設(shè)計層面最富有成效的成果；

· 2005年起： 美國和俄羅斯就衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)合作達(dá)成一致性意見，形成GPS和Glonass系統(tǒng)兼容和互操作專項(xiàng)工作組；

· 2007年： 美國和印度就GNSS系統(tǒng)開展合作發(fā)表聯(lián)合聲明，定期召開GPS-IRNSS系統(tǒng)兼容和互操作專題協(xié)調(diào)；

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航頻率分配情況

· 2005年12月成立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會（ICG）是聯(lián)合國框架下的政府間非正式組織，每年召開一次工作會議，旨在加強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的協(xié)調(diào)與合作，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航全球化應(yīng)用，鼓勵全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)兼容與互操作，中國于2007年9月加入ICG；

· 亞太經(jīng)濟(jì)合作組織（APEC）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施工作組（GIT）主要關(guān)注空中交通管制和航空相關(guān)事宜。

四、關(guān)鍵技術(shù)

單個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在某些情況下并不能完全保證用戶的定位、導(dǎo)航、定時(PNT)服務(wù)可靠性，特別是在高樓林立的城市峽谷地區(qū)，導(dǎo)航信號很容易被遮擋，有時還會產(chǎn)生多徑效應(yīng)，由此導(dǎo)致導(dǎo)航信號不可用。此外，一旦某個導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)問題，對單類型用戶的危害是比較大的，例如，2014年4月2日，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)不能提供服務(wù)，經(jīng)過13個小時的緊急搶修才恢復(fù)正常。

顯然，多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容互操作能夠確保單一系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，仍可以保證用戶的PNT服務(wù)，同時還可以提高PNT服務(wù)的可靠性。因此，兼容互操作是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)未來發(fā)展的大趨勢。兼容互操作可以無限制地使用多星座提供的多頻觀測信息進(jìn)行PNT應(yīng)用，可減弱對單一星座的依賴，降低電磁干擾、地形/建筑物遮擋、電離層閃爍、拒絕服務(wù)等因素導(dǎo)致的性能下降或服務(wù)中斷風(fēng)險。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多星座多頻數(shù)據(jù)融合下，經(jīng)過數(shù)據(jù)探測、篩選、組合，將顯著增加衛(wèi)星和測距信號的數(shù)量，大幅提升導(dǎo)航性能。舉一個最簡單的例子，一旦終端是兼容互操作的，衛(wèi)星數(shù)目的增多可以極大限度地減弱衛(wèi)星導(dǎo)航盲區(qū)，緩解單一星座下由于城市建筑物遮擋等因素引起的導(dǎo)航信號缺失問題，提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性。

1、導(dǎo)航信號設(shè)計

導(dǎo)航信號是同時在控制段、空間段和用戶段之間建立聯(lián)系的核心要素。首先，導(dǎo)航信號是控制段與空間段之間的一個重要反饋鏈路，因此，導(dǎo)航信號的潛在性能在很大程度上決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的先天性能。其次，導(dǎo)航信號是空間段與用戶段之間的唯一接口，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航信號的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的定位和授時能力能否通過用戶接收機(jī)得到充分的發(fā)揮，直接影響到用戶的服務(wù)質(zhì)量。由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的唯一處理對象是衛(wèi)星導(dǎo)航信號，因此，導(dǎo)航信號設(shè)計水平也在很大程度上決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容互操作與應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化。

導(dǎo)航信號的主要特征包括載波頻率、調(diào)制方式、信號帶寬、信號功率、極化方式、多址方式、擴(kuò)頻碼、電文格式、電文糾錯碼等。從用戶終端的角度看，為了研制性能好、功耗低、體積小、成本低的多系統(tǒng)兼容接收設(shè)備，總是希望各導(dǎo)航系統(tǒng)的上述參數(shù)盡可能相似，以便更多地共享接收機(jī)中的硬件和軟件。特別是信號載波頻率、信號帶寬、調(diào)制方式、多址方式等與信號頻譜特征密切相關(guān)的主要特性，最好應(yīng)該完全一致，這也是ICG 所倡導(dǎo)的發(fā)展方向，即衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率配置和信號的兼容與互操作主要是通過共用中心頻率以及頻譜重疊來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然需要使用不同的信號調(diào)制方式和不同的信號結(jié)構(gòu)，這也是系統(tǒng)相互獨(dú)立性的必然要求。國際電信聯(lián)盟發(fā)布的導(dǎo)航頻率占有情況如圖2所示，圖中給出了導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)有的和計劃采用的主要頻率分配情況。

由圖2導(dǎo)航頻率分配情況可知， Galileo系統(tǒng)的E2-L1-El信號與GPS系統(tǒng)的L1信號以及E5a信號與L5信號共用中心頻率，在信號層面較好地實(shí)現(xiàn)了兼容與互操作，為兩個系統(tǒng)之間的互操作奠定了良好的基礎(chǔ)。通過共用中心頻率和頻譜重疊，一方面解決了衛(wèi)星導(dǎo)航頻率資源的緊缺問題，另一方面可以減少接收機(jī)為不同中心頻率提供基準(zhǔn)頻率信號而產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，從而在一定程度上降低了多系統(tǒng)聯(lián)合GNSS接收機(jī)的功耗、成本和重量。

對于中心頻率相同的導(dǎo)航信號。接收機(jī)可以采用相同的射頻前端、不同的捕獲跟蹤模塊、相同的導(dǎo)航解算模塊來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。雖然通過共用中心頻率和頻譜重疊的方式可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)問的協(xié)同工作，但是需要采用不同的信號調(diào)制方式或參數(shù)，以便在頻譜上將這兩個信號分離，從而保證不同系統(tǒng)信號之間的干擾降到最低。

新型導(dǎo)航信號的設(shè)計成為GPS現(xiàn)代化和Galileo建設(shè)中十分重要的內(nèi)容，逐漸引入了針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用需求的多樣化設(shè)計理念，開發(fā)了不少新技術(shù)。典型的例子是，在GPS和Galileo信號設(shè)計中提出了頻譜向中心頻點(diǎn)兩邊分裂的二進(jìn)制偏移載波（BOC）擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，在保證與早期信號共用載波中心頻點(diǎn)的同時，避免了系統(tǒng)間的頻譜干擾；并且，信號能量向以載波頻率為中心的上下邊帶分裂的頻譜可以帶來更大的Gabor帶寬，提高了導(dǎo)航信號的潛在碼跟蹤精度。在此基礎(chǔ)上，MBOC與AltBOC等改進(jìn)技術(shù)以及導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)分離的新結(jié)構(gòu)等，都充分顯示了衛(wèi)星導(dǎo)航信號的特色，并進(jìn)一步提升了導(dǎo)航信號的接收和測距性能。

鑒于導(dǎo)航信號在導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要性，在開展全球系統(tǒng)的信號設(shè)計時要特別重視頻率資源、系統(tǒng)間的兼容性與互操作、測距精度、服務(wù)的穩(wěn)健性、知識產(chǎn)權(quán)等方面的嚴(yán)苛約束。如前述，GPS系統(tǒng)技術(shù)成熟，用戶涉及的領(lǐng)域非常廣泛，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)樹立起了行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的地位，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要想占領(lǐng)部分導(dǎo)航應(yīng)用市場，就必須與GPS系統(tǒng)實(shí)行兼容與互操作?；ゲ僮鲗πl(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本要求是不同系統(tǒng)的信號應(yīng)該盡可能相似，特別是與信號頻率相關(guān)的特征應(yīng)該高度相似，導(dǎo)航信號的中心頻點(diǎn)不一致和帶寬不一致，不僅影響系統(tǒng)間的兼容性，實(shí)際上對互操作性的影響更大。

例如，在40多年前，GPS系統(tǒng)的民用信號，即L1 C/A 碼信號采用當(dāng)時最先進(jìn)的直接序列擴(kuò)頻/二進(jìn)制相移鍵控（DSSS/BPSK）調(diào)制技術(shù)，基本上照搬了衛(wèi)星通信中的信號設(shè)計方案，測距碼的碼片速率也相對較低（1.023MHz），電文結(jié)構(gòu)、信道編碼也比較簡單。而北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的B1I信號在載波、帶寬(擴(kuò)頻碼速率)、擴(kuò)頻碼、電文格式、糾錯編碼等方面與L1 C/A 碼信號存在差異，很難實(shí)現(xiàn)兩者的兼容互操作。

表2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的地心引力常數(shù)和地球自轉(zhuǎn)角速度

表3 參考橢球常數(shù)

2007年7月26日，在GPS-Galileo射頻兼容與互操作工作組經(jīng)過將近10年的共同研究后，由美國和歐洲專家組成的聯(lián)合設(shè)計機(jī)構(gòu)推薦了一個最優(yōu)化的GPS系統(tǒng)L1C信號和Galileo系統(tǒng)E1信號公開服務(wù)新擴(kuò)頻碼調(diào)制方案MBOC(6，1，1/11)。美國和歐盟共同宣布了一項(xiàng)協(xié)議，MBOC(6，1，1/11)由BOC(1，1)和BOC(6，1)合并而成，在1575.42MHz頻率上發(fā)射，BOC(1，1)和BOC(6，1)分別占合并以后總信號功率的10/11和1/11。

綜述，未來北斗全球系統(tǒng)信號設(shè)計應(yīng)在兼容性的基礎(chǔ)上特別重視互操作的設(shè)計，無論是頻率、坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)都盡量與國際現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一致。需要在保持信號自身特色和獨(dú)立性的同時，采用與GPS和Galileo系統(tǒng)相同的頻點(diǎn)、類似的調(diào)制、相近的帶寬，在頻域特性上盡可能與GPS和Galileo系統(tǒng)保持一致，以增強(qiáng)其互操作性。GPS未來的核心信號是L1C，北斗全球系統(tǒng)信號的互操作設(shè)計應(yīng)面向未來，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與L1C的兼容與互操作。

2、空間坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計

時間、空間坐標(biāo)參考系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)。為了體現(xiàn)獨(dú)立性，各系統(tǒng)都有獨(dú)立的時間和空間系統(tǒng)。目前四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間坐標(biāo)系統(tǒng)的定義基本一致，但與IERS定義的參數(shù)均有差異，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地心引力常數(shù)和地球自轉(zhuǎn)角速度見表2，參考橢球的幾何常數(shù)見表3。（詳見楊元喜、陸明泉、韓春好所著《GNSS互操作若干問題》，測繪學(xué)報，Vol.45，No.3，2016.3。）

四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地球參考框架實(shí)際上都是國際地球參考框架(ITRF)的一種實(shí)現(xiàn)。GPS、GLONASS、BDS系統(tǒng)的地心引力常數(shù)值、地球自轉(zhuǎn)角速度與ITRF推薦值相同。四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的參考橢球長半軸幾乎都不相同，而且均與IERS推薦值存在差異，相對于IERS推薦的參考橢球長半軸a＝63 7 8 1 3 6．6m，GPS和BDS參考橢球差了0.4m，GLONASS參考橢球差了-0.6m，Galileo參考橢球差了-1.1m，GPS和BDS與Galileo參考橢球差了1.5m，但是參考橢球的長半軸和扁率的差異一般不會影響用戶的定位結(jié)果。因?yàn)橛脩粲尚l(wèi)星廣播星歷計算衛(wèi)星坐標(biāo)時，不涉及參考橢球的幾何參數(shù)。BDS、GPS、GLONASS采用的地球橢球扁率也與IERS 規(guī)定值不同，但這些常數(shù)差對衛(wèi)星星歷影響不大。對地圖投影的影響一般在毫米量級，不影響用戶使用。

盡管各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)的定義差別不明顯影響融合導(dǎo)航定位結(jié)果，但是，各坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的差別對導(dǎo)航定位結(jié)果影響明顯。這是因?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和維持所帶來的誤差直接影響衛(wèi)星軌道精度，而衛(wèi)星軌道誤差對用戶單點(diǎn)定位結(jié)果的影響是系統(tǒng)性的。

由于現(xiàn)有四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了不同的坐標(biāo)框架，于是坐標(biāo)框架的相對偏差將影響各衛(wèi)星星座的互操作。解決這類互操作有兩種策略：對于單點(diǎn)定位和實(shí)時導(dǎo)航，可以在觀測模型中設(shè)置互操作參數(shù)，并在融合定位時估計這類參數(shù)；對于事后處理的高精度定位用戶，可以采用相對定位方式削弱這類互操作參數(shù)的影響。需要注意的是各GNSS 系統(tǒng)必須選擇各自的參考衛(wèi)星進(jìn)行差分，才能消除坐標(biāo)互操作參數(shù)的影響。

實(shí)踐中，應(yīng)該采用多GNSS接收機(jī)同時接收GPS、GLONASS、BDS和Galileo等衛(wèi)星信號，綜合測定跟蹤站的地心坐標(biāo)，計算各GNSS系統(tǒng)存在的坐標(biāo)系統(tǒng)誤差，并發(fā)播給用戶作為先驗(yàn)參數(shù)，供用戶在多模融合導(dǎo)航定位時參考。如果將不同GNSS測定的地面點(diǎn)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地經(jīng)緯度和大地高，則使用不同的參考橢球參數(shù)會產(chǎn)生明顯差異。所以在我國若要求將多GNSS測定的點(diǎn)位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)時，一定要采用CGCS2000橢球參數(shù)，而不是使用各GNSS所對應(yīng)的其他參考橢球參數(shù)，如此才能確保不同衛(wèi)星系統(tǒng)定位結(jié)果的坐標(biāo)系統(tǒng)一致性。

表4 GNSS 系統(tǒng)時間定義說明

在坐標(biāo)系的不一致方面，多GNSS坐標(biāo)基準(zhǔn)定義相近，但選用的參考橢球常數(shù)存在差異，坐標(biāo)基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)途徑和更新周期均存在較大差異。多GNSS參考橢球的地心引力常數(shù)差異及地球的自傳角速率差異將導(dǎo)致衛(wèi)星廣播星歷二至數(shù)十米偏差，而坐標(biāo)基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)誤差、更新周期等差異將首先影響衛(wèi)星軌道，進(jìn)而對多GNSS用戶產(chǎn)生影響。所以，未來可采用多GNSS接收機(jī)監(jiān)測各GNSS的坐標(biāo)互操作參數(shù)，并將BDS跟蹤站的坐標(biāo)更新周期改為每年一次，以便減小地殼形變誤差對坐標(biāo)基準(zhǔn)互操作參數(shù)的影響。

3、時間參考系統(tǒng)設(shè)計

GPS、Galileo、BDS三大系統(tǒng)都采用連續(xù)的原子時標(biāo)，無閏秒，系統(tǒng)間的偏差包括兩部分：①各系統(tǒng)在不同的UTC時間定義起點(diǎn)時間，而導(dǎo)致整秒偏差，BDT與GPST、GST的整秒差為14秒，而GST與GPST不存在整秒差：②由于各系統(tǒng)時間由各自的原子鐘組生成，在長期的運(yùn)行過程中會產(chǎn)生微小的偏差，一般稱之為“秒內(nèi)偏差”，通常為幾十納秒量級。

GLONASS系統(tǒng)的基準(zhǔn)時間(GLNT)與UTC(SU)＋3h同步，而且與UTC一起進(jìn)行動態(tài)閏秒，因此，GLONASS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)時間的偏差存在三方面的影響：

① GLNT與GPST、GST和BDT系統(tǒng)時間的整小時偏差為3h；

② 整秒偏差部分：由于GLNT與UTC同步閏秒，而且整秒偏差不是一個固定常數(shù)，需根據(jù)BIPM發(fā)布的閏秒公告具體計算；

③ 秒內(nèi)偏差部分，GLNT系統(tǒng)鐘組運(yùn)行產(chǎn)生的誤差，該偏差需要通過動態(tài)監(jiān)測鏈路來實(shí)時獲取。這三類偏差有的直接影響授時，有的影響時間同步，有的影響多GNSS聯(lián)合導(dǎo)航定位。

GPS、GLONASS、BDS和Galileo四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對應(yīng)的時間系統(tǒng)定義差別較大，具體情況的比較分析如表4所示。（詳見楊元喜、陸明泉、韓春好所著《GNSS互操作若干問題》。）

在多系統(tǒng)兼容互操作中，時間系統(tǒng)的不一致直接影響多系統(tǒng)導(dǎo)航定位和授時結(jié)果。對于秒以下偏差部分，對定位誤差的影響可達(dá)十米乃至數(shù)十米，對授時的影響可達(dá)數(shù)10ns。在進(jìn)行系統(tǒng)時差精確測定和修正后，定位誤差的影響一般可優(yōu)于1m，授時誤差可小于3ns。對于整數(shù)時差可以按照系統(tǒng)時間的基本定義直接改正；對時間系統(tǒng)運(yùn)行誤差，則可以在函數(shù)模型中增加待定參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，或采用系統(tǒng)內(nèi)差分減弱其影響；也可以通過地面監(jiān)測站實(shí)時進(jìn)行監(jiān)測、評估，并向用戶發(fā)播改正信息。