北斗“一帶一路”服務性能增強技術研究

周建華，陳俊平，張晶宇

（1.中國人民解放軍32020部隊，武漢430071；2.中國科學院上海天文臺，上海200030；3.中國人民解放軍61081部隊，北京100094）

一、前言

北斗衛星導航系統（以下簡稱“北斗”）是我國重要的時空基礎設施，經過30多年的發展，已成為服務經濟社會發展和國防建設的重要力量。隨著北斗三號衛星導航系統的逐步建成，我國衛星導航領域的發展重點開始從系統建設逐漸轉移到應用推廣。

當前，隨著衛星導航技術與相關產業的快速發展，全球衛星導航應用逐漸呈現出以下三大趨勢。

一是高精度應用逐漸成為主流。2020年全球四大衛星導航系統將全部開通運行，最終將形成多星座、多頻率共存的局面。衛星導航兼容互操作技術發展使得多系統應用進一步簡化，這為終端產業多樣化的發展奠定了堅實基礎。隨著芯片技術的發展和低成本器件的性能不斷提升，衛星導航終端應用逐漸向低成本和高精度應用方向發展，在無人駕駛、物聯網、智能可穿戴等新興領域發展的驅動下，高精度服務正在成為應用市場的主流[1]。

二是導航定位授時服務（PNT）走向泛在化、協同化、智能化。技術的快速進步使人類逐漸實現了從宏觀尺度的深空深海到微觀尺度的生物體內部空間探索，時空服務需求變得無處不有、無所不在，泛在化趨勢愈加明顯。從為用戶提供更好的PNT服務體驗的角度出發，各類PNT器件和技術的發展及日益成熟，使得以衛星導航為核心的各類PNT服務更趨協同化、智能化[2,3]。

三是“PNT+”將成為新興應用與研究領域。隨著天基信息系統服務日益增多，為獲取更好的系統服務，衛星導航、通信、遙感等天基服務系統融合一體化的趨勢不可避免，基于低軌衛星的導航、遙感融合應用已進入衛星試驗階段[4]。低軌衛星導航、水下導航、室內導航、地基增強等技術逐漸融入衛星導航PNT服務，逐步形成以衛星導航為核心的新一代天地一體、無縫覆蓋的時空服務體系。未來，結合云計算、物聯網、人工智能等新興領域，將涌現出眾多“PNT+”式的新興技術和應用領域。

二、北斗在“一帶一路”沿線應用的性能、現狀與困難

（一）北斗服務性能評估

與國際上其他衛星導航系統相比，北斗在提供基本導航服務的同時，還能提供分米級星基增強和短報文服務。自2017年北斗分米級星基增強服務開通后，有效提升了北斗系統基本服務的性能，增加了衛星導航系統的服務模式。2016—2018年，北斗與全球定位系統（GPS）的雙頻定位服務性能對比如圖1所示。

從圖1可見，2017年開通分米級星基增強服務后，北斗系統基本服務的精度有較大提升，與GPS基本服務的精度相當。開通的北斗分米級星基增強服務精度顯著優于GPS的基本服務精度，而GPS自身不具備星基增強功能，需依托廣域擴充系統（WAAS）實現類似功能。

圖1 GPS與北斗的基本服務、北斗分米級星基增強的服務精度比較

（二）北斗在“一帶一路”沿線的應用現狀

經過多年應用推廣，北斗“走出去”取得了初步成果，基于北斗基本服務的產業力量先于北斗特色服務率先在“一帶一路”沿線形成“星星之火”態勢。

在國際合作方面，我國先后與老撾、巴基斯坦、泰國、新加坡、柬埔寨等十幾個國家簽定合作框架協議，開展北斗應用的落地建設。與俄羅斯建立衛星導航重大事項交流機制；與阿拉伯國家建立合作框架，定期召開中阿北斗合作論壇，并于2018年4月設立北斗首個海外中心——中阿北斗中心；2018年11月承辦聯合國全球衛星導航系統國際委員會第十三屆大會，習近平主席向大會致賀信，充分彰顯北斗走向世界的影響力。

在產業服務方面，目前，北斗應用已先后進入“一帶一路”沿線30多個國家和地區，實現民企產品在十余個國家的銷售和應用。我國部分企業，如上海華測導航技術股份有限公司、上海司南衛星導航技術股份有限公司、北京合眾思壯科技股份有限公司等，結合“一帶一路”沿線國家的合作伙伴和資源，應用北斗/衛星導航捆綁式銷售，在行業性應用服務中取得一些可喜的成績。

（三）北斗“一帶一路”應用存在的主要困難

1.系統服務層面

國際衛星導航監測評估系統2018年12月的結果（見圖2）顯示[5]，在全球范圍內，通過比較單頻定位精度可知，北斗與美國GPS在全球（含“一帶一路”國家和地區）的基本服務性能相當；歐洲全球導航衛星系統（Galileo）由于星座尚不完整，雖然整體服務性能與北斗和GPS相當，但在服務可用性和連續性方面有待進一步提升；俄羅斯的全球衛星導航系統（GLONASS）的服務性能相對較差。

雖然北斗目前與GPS的服務性能相當，但由于GPS占據先發優勢，全球性的產業力量體系發展十分成熟，當前已占據衛星導航領域絕大部分市場，在基本服務市場北斗很難取代GPS。

2.特色服務層面

除基本服務外，北斗最大的特色在于具有提供分米級星基增強和短報文等特色服務的能力。

2017年北斗建成的分米級星基增強系統，基于國際領先的四重差分參數疊加體制和高精度差分參數播發體制，實現了覆蓋中國及周邊地區的分米級星基增強高精度服務。分米級星基增強服務相比地基增強服務而言無需在地面建設大量基礎設施，且高精度服務能力可滿足絕大部分經濟和社會發展的需求，是推廣高精度服務的重要途徑。目前，四大衛星導航系統均已建成或開展星基增強系統建設，歐洲正在推進免費的星基增強服務，日本正在推進厘米級的星基增強服務。此外，商業公司也正在涌入星基增強服務市場。受服務覆蓋區域的限制，目前“一帶一路”沿線大部分地區尚未實現星基增強服務的推廣，需加快搶占這一空白市場。

為更好地推進北斗在“一帶一路”沿線應用落地，應加強北斗系統服務建設，為其提供必要的系統開放服務平臺，讓北斗特色服務盡快走出國門，走進“一帶一路”沿線國家。

圖2 全球四大衛星導航系統定位服務精度比較

3.應用產業層面

衛星導航系統的影響力主要體現在應用層面。與國外衛星導航應用的企業相比，國內企業盡管整體發展迅速，但由于產業發展起步晚，衛星導航產業鏈上下游企業普遍規模小、力量分散、競爭力較弱。根據2017年歐盟發布的《GNSS市場報告》[6],中國市場占據全球市場的份額為11%，相比美國、歐盟、日本等有明顯差距（見圖3）。

以美國為例，GPS系統與各種增強、輔助手段和技術的發展，為其衛星導航產業的整體發展提供了得天獨厚的條件，造就了如高通公司、博通公司、天寶導航公司、蘋果公司等全球領先的GPS芯片、基帶產品、用戶設備和服務提供商，催生了以GPS應用為核心的衛星導航應用產業，形成了完整的衛星導航應用產業鏈，實力水平居全球領先地位[7]。美國在衛星導航應用領域的領先地位表現為技術與產品的領先性，產品的規模化，完整的衛星導航應用服務體系以及對全球衛星導航應用領域的強大影響力。

相比而言，國內近幾年通過多種形式推廣應用北斗服務和終端產品，帶動了相關產業和企業的快速發展壯大。但整體而言，芯片、高端器件和產品仍與國外有一定差距。北斗應用要在“一帶一路”推廣應用中實現對GPS的“彎道超車”，在基本服務能力相當的條件下，基于北斗特色服務提升差異化競爭力、創造新的市場切入點和增長點是現實選擇。

圖3 衛星導航產業市場份額分布

三、北斗“一帶一路”應用服務性能增強方法

（一）星基增強

國外衛星導航系統本身目前只能提供精度最高為米級的定位服務，更高精度的廣域定位服務，則需要在其基礎上另外建立星基增強系統（SBAS），例如美國的WAAS、歐洲的地球靜止導航重疊服務（EGNOS）以及俄羅斯衛星導航增強系統（SDCM）等。以上系統級的GPS/GLONASS增強系統播發的改正參數包含軌道、衛星鐘差改正數以及完好性參數。

北斗分米級星基增強系統通過首創的四重差分體制，同步計算基本導航電文參數以及星基增強參數，并實現兩類參數的一體化、同步播發。如圖4所示，北斗四重差分參數在通常的軌道、衛星鐘差改正數的基礎上，進一步進行空間環境誤差的改正，疊加了電離層格網改正數以及分區綜合改正數。并利用北斗廣播電文協議的空余字段進行參數增量式編排，通過地球同步軌道（GEO）衛星向所有用戶進行播發。

地面基礎設施需要進行重點建設。北斗在“一帶一路”沿線僅能實現3～5 m的定位精度。為了實現分米級定位服務覆蓋，需在“一帶一路”國家和地區建設少量地面監測站。根據當前分米級服務系統的服務能力，每個地面監測站可實現覆蓋半徑約1000 km區域的分米級星基增強服務。

北斗分米級星基增強系統使北斗成為第一個融合基本導航、廣域增強以及精密定位三類服務模式為一體的衛星導航系統，具備了優于GPS的系統級星基服務性能，成為北斗差異化服務能力提升的有效途徑。

目前，北斗基本導航的系統空間信號精度達到了0.8 m，廣域增強為0.3 m，精密定位為0.2 m。其中，分米級星基增強覆蓋區域如圖5所示。從圖5中可以看到，北斗系統的分米級服務覆蓋的淺紫色區域主要集中在中國及周邊區域。

圖4 北斗系統分米級星基增強服務當前覆蓋范圍

在“一帶一路”推廣應用中，通過擴展地面觀測網絡以及衛星播發資源，能夠將北斗高精度星基增強服務推廣至“一帶一路”所涉及的國家和地區。

根據當前北斗分米級服務系統的設計原則，基于每個地面監測站的觀測數據可實現半徑約1000 km區域內的分米級星基增強服務。基于“一帶一路”沿線的觀測情況新增建設約18個連續觀測臺站，如圖6所示，圖6中的淺紫色區域為基于現有和新增連續臺站數據的北斗分米級服務覆蓋區域。表1統計了“一帶一路”北斗分米級星基增強覆蓋區域的位置服務性能。通過在該區域新建少量北斗連續觀測臺站，能夠實現用戶三維位置精度優于0.25 m的服務性能。此外，將北斗與其他導航系統進行融合能進一步提高服務的性能及服務可用性。

圖5 北斗系統分米級星基增強服務當前的覆蓋范圍

圖6 “一帶一路”分米級星基增強監測站分布及覆蓋情況

北斗四重差分參數是通過分布于赤道上的5顆GEO衛星向用戶進行廣播。在“一帶一路”歐洲地區存在GEO無法全覆蓋的情況。為實現該區域分米級星基增強服務的可用性，考慮利用北斗系統備份或者退役GEO衛星進行補充。依據現有電文協議和現有的服務頻段，向目前難以覆蓋區域播發星基增強電文信息。

（二）北斗短報文海外服務系統

向“一帶一路”國家和地區推廣普及短報文服務，需進行北斗系統海外服務能力擴展，搭建服務海外的專用系統平臺。

1.北斗短報文海外服務系統

向“一帶一路”沿線國家提供大眾化的服務，可設計一套服務海外的軍民融合信號，擴建新體制信號的運行與處理中心及海外運營系統與服務平臺，提升北斗海外服務應用能力。根據海外應用規模，可釋放出每小時數千萬次的服務能力資源，開發應用芯片，大幅降低終端成本、功率等，有效嵌入個人智能終端。

2.衛星系統

根據短報文海外服務容量的需要，前期可基于現有的GEO衛星提供服務。當現有的GEO衛星難以滿足未來大規模分米級用戶服務需求時，考慮針對“一帶一路”服務區域增發增強型GEO衛星。衛星的初步定點經度設計在東經60°或140°區域，星上搭載短報文和衛星無線電導航業務（RNSS）載荷，既能增強現有服務區域，還可以擴展“一帶一路”沿線的服務區域。屆時，補充服務的衛星將同步提供海外短報文和分米級星基增強服務系統性能，進一步提升北斗系統服務的競爭力。

表1 “一帶一路”各區域分米級精度試驗結果

（三）示范應用

自北斗的短報文和星基增強服務開通以來，為更好推動系統的應用推廣，先后制定了用戶接口協議、用戶應用算法等系列標準文件。芯片、板卡、終端生產廠家也已完成了相應的協議升級和應用軟件改造。面向“一帶一路”應用，需要完善相關知識產權布局，升級現有協議、標準，滿足更多用戶、更廣區域、更高精度的服務要求。

在芯片領域，重點突破多模兼容（SoC）導航芯片的系列關鍵技術，發展具有自主知識產權的多系統融合導航定位芯片，對標國際主流芯片，進一步提升產品競爭力。在用戶終端領域，加強北斗短報文、星基增強等特色技術的融合應用，設計標準化、易移植的嵌入式軟件，開發多型譜、通用型的用戶終端，包括北斗單頻、增強型單頻、雙頻導航、多頻精密單點定位終端，實現從芯片到終端的便捷應用，重點發展面向智能應用的高精度終端產品。在“一帶一路”沿線地區推廣方面，采用因地制宜的策略，在深入調研本地化需求的基礎上，做好針對性的衛星無線電測定業務（RDSS）特色服務產品以及高精度導航產品研發，提供適銷對路的產品和服務。

四、保障建議

一是加快北斗特色服務開放進程。盡快開展分米級星基增強和短報文特色服務面向“一帶一路”沿線國家的應用推廣。

二是合力推進海外基礎設施建設。通過多種渠道，以多種形式的國際合作推廣北斗海外應用，促進海外基礎設施落地。

三是積極探索特色服務示范體系。研發針對“一帶一路”重點地區的示范性產品；依托國內具有豐富海外工程經驗的企業，采用“借船出海”的形式搭建交通位置、智慧城市等北斗特色服務示范應用的推廣平臺。