全球衛星導航系統發展現狀與特點分析

郝雅楠 祝 彬 朱華橋 /文

2020 年6 月23 日，北斗三號最后一顆全球組網衛星發射任務取得圓滿成功，標志著北斗三號全球星座部署全面完成，北斗衛星導航系統正式擁有全天時、全天候、全球覆蓋的服務能力。北斗衛星導航系統成為繼美國全球定位系統、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統之后世界第三個全球定位導航系統，得到了全球的廣泛關注。為此，本文將系統梳理全球衛星導航系統的發展現狀，分析北斗衛星導航系統相比其他衛星導航系統的特點與優勢，并對未來全球衛星導航系統的發展進行展望。

全球衛星導航系統總體概述

全球衛星導航系統是指能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天時、全天候的三維坐標、速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。目前，全球衛星導航系統國際委員會（ICG）認定了四大全球衛星導航供應商，分別是美國的全球定位系統（Global Positioning System，GPS）（以下簡稱“GPS”）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GLONASS）（以下簡稱“GLONASS”）、中國的北斗衛星導航系統 （BeiDou Navigation Satellite System，BDS）（以下簡稱“北斗系統”）以及歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo Navigation Satellite System,Galileo）（以下簡稱“Galileo 系統”）。

全球衛星導航系統發展現狀

GPS、GLONASS 分別于1994 年、2009 年完成部署，開始提供全球衛星導航服務，目前處于不斷更新中；北斗系統于2020 年6 月完成全球星座部署，Galileo 系統預計到2020 年年底也將完成全部衛星部署，屆時所有衛星導航系統工作重點均從部署轉到系統維護升級與基礎應用開發擴展。根據憂思科學家聯盟（UCS）統計數據，截至2020 年7 月，全球在軌導航衛星138 顆，其中，GPS、GLONASS、北斗系統、Galileo 系統在軌衛星數量分別為34 顆、27 顆、51 顆、26 顆，占比分別為24.6%、19.6%、37%、18.8%。

美國全球定位系統（GPS）發展現狀。GPS 是美國國防部于20 世紀70 年代開始建設的中圓地球軌道（MEO）衛星導航系統，1994 年開始并提供運營服務，可以為地球表面98%的絕大部分地區提供準確的定位、測速和高精度的標準時間。

GPS 由空間段、地面段和用戶段部分組成。

空間段部分，GPS 衛星星座最初設計由24 顆衛星組成，其中21 顆為工作衛星，3 顆為備用衛星。24 顆衛星均勻分布在6 個軌道平面上，每個軌道面上有4 顆衛星。2011 年6 月，美國空軍成功擴展GPS 衛星星座，調整6 顆衛星位置，并多加入3顆衛星，使工作衛星數目增加至27 顆，擴大了覆蓋范圍，提高了準確度。截至 2020 年7 月12 日，在軌工作衛星達到32 顆，其中包括1997 年到2004 年發射的GPS-2R 衛星10 顆、2005 年到2009 年發射的GPS-2RM 衛星7 顆、2010 年到2016 年發射的GPS-2F 衛星12 顆，以及2018 年到2020 年發射的GPS-3 衛星3 顆。多余衛星不參與星座組網，但可以增加定位精度和可靠性。

GPS-3 衛星

GPS 地面段分布圖

地面段部分，包括1 個主控站、1 個備用主控站、4 個數據注入站和6 個空軍監測站，以及空軍衛星控制網遠程追蹤天線（AFSCN）、美國智能化地理空間局（NGA）監測站。主控站是整個地面監控系統的管理中心和技術中心，位于美國科羅拉多州的斯里佛空軍基地。備用主控站在發生緊急情況時啟用，位于馬里蘭州蓋茨堡。注入站用于把主控站計算得到的衛星星歷、導航電文等信息注入到相應的衛星，4 個注入站分別位于南太平洋馬紹爾群島的瓜加林環礁、大西洋上的英國屬地阿森松島、英屬印度洋領地的迪戈加西亞島和位于美國本土科羅拉多州的科羅拉多斯普林斯。監測站的主要作用是采集GPS 衛星數據和當地的環境數據，發送給主控站?？哲姳O測站目前有6 個，上述4 個注入站同時也是監測站，另外還有位于夏威夷和卡納維拉爾角2 處監測站。

用戶段部分，包括GPS 軍用接收機器、智能手機等，主要作用是從GPS 衛星接收信號并利用傳來的信息計算用戶的三維位置及時間。

俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）發展現狀。GLONASS 由蘇聯在1976 年啟動建設，后由俄羅斯繼續該計劃。1993 年，俄羅斯開始獨自建立本國的全球衛星導航系統，2007 年開放俄羅斯境內衛星定位及導航服務，2009 年將服務范圍拓展到全球，主要服務內容包括確定陸地、海上及空中目標的坐標及運動速度信息等。

GLONASS 由空間段、地面段和用戶端部分組成。空間段部分，GLONASS 衛星星座由24 顆中圓地球軌道（MEO）衛星，平均分布在3 個軌道面上。截至2020 年7 月12 日，GLONASS 在軌衛星27 顆，其中23 顆處于在軌運行狀態、1 顆在軌維護、1 顆處于飛行測試、2 顆為備份星。地面段部分，包括1 個控制中心，若干注入站，58 個地面監測站和增強站。控制中心位于莫斯科，地面監測站和增強站位于俄羅斯境內 46 個、鄰國8 個、南極3 個、巴西1 個。

GLONASS 地面段分布圖

長三乙火箭整裝待發

北斗衛星導航系統（BDS）發展現狀。我國于20世紀80 年代開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路，提出“三步走”發展戰略：2000 年年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務；2012 年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；2020 年前后，建成北斗三號系統，向全球提供服務。目前，北斗系統已完成全球組網，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力。

北斗系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成?？臻g段部分，北斗系統空間段由若干地球靜止軌道（GEO）衛星、傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和中圓地球軌道（MEO）衛星等組成。截至2020 年6 月23 日，北斗系統共發射衛星59 顆，包括4 顆北斗導航試驗衛星，20 顆北斗二號衛星，35 顆北斗三號衛星；在軌運行衛星51 顆，其中北斗二號16 顆，北斗三號35 顆（含5 顆備份星）。

地面段部分，包括主控站、注入站和監測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施。主控站用于系統運行管理與控制，從監測站接收數據并進行處理，生成衛星導航電文和差分完好性信息，而后交由注入站執行信息發送。注入站用于向衛星發送信號，對衛星進行控制管理，在接受主控站的調度后，將衛星導航電文和差分完好性信息向衛星發送。監測站用于接收衛星的信號，并發送給主控站，可實現對衛星的監測，以確定衛星軌道，并為時間同步提供觀測資料。用戶段部分，分為上中下游三個鏈條。上游主要是基礎部件，包括芯片、模塊、板卡、天線等基礎產品等。中游是終端產品，比如智能手機、汽車導航等產品。下游則是北斗相關的解決方案、運維服務等行業應用。

歐盟伽利略衛星導航系統（Galileo）發展現狀。Galileo 系統是世界上第一個完全民用的衛星導航系統,研制計劃于1999 年2 月由歐洲委員會公布。2003 年開始實施，經歷短暫的緩慢發展后轉入高速發展階段，計劃2020 年年底完成全部30 顆導航衛星部署。

Galileo 系統由空間段、地面段和用戶端部分組成?？臻g段部分，衛星星座由30 顆衛星組成，其中24 顆工作星，6 顆備份星，位于3 個傾角為56 度的軌道平面內。截至2020 年7 月12 日，Galileo 系統在軌衛星26 顆。地面段部分，有兩個地面操控站，分別位于德國慕尼黑附近的奧伯法芬霍芬和意大利的富齊諾。此外，還有若干注入站和地面監測站。

北斗系統與其他衛星導航系統對比分析

隨著北斗三號全球組網完成，北斗系統開啟全球運營服務新時代?？傮w來看，北斗系統與GPS 性能基本相當；GLONASS 軌道傾角較大，導致其在低緯度地區性能較差，而北斗系統空間段高軌衛星更多，低緯度地區性能優勢明顯；Galileo 系統的觀測量質量較好，但星載鐘穩定性稍差，對系統可靠性造成一定影響，而北斗系統采用了功效低的銣原子鐘和穩定性高的國產氫原子鐘相結合的授時方式，穩定性強。具體來講，北斗系統與其他衛星導航系統對比情況如下表：

概括起來，北斗系統具有以下優勢：

一是抗遮擋能力強，低緯度地區性能優勢明顯。北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能優勢更為明顯。

二是具有雙向通信能力，應用場景更加豐富。北斗系統創新融合了導航與通信能力，可以在用戶和用戶、用戶和控制中心之間進行雙向通信，實現短報文通信、國際搜救等多種服務，而其他衛星導航系統是單向通信的。這一點使北斗系統在未來交通運行、人員搜救、漁業出海等領域都具備無可比擬的優勢，極大豐富了應用場景。

三是定位精度與其他衛星導航系統基本相當。目前，全球衛星導航系統均可以提供優于10 米精度的實時定位，GPS 更是擁有約10 米的民用精度和0.3米的軍用精度。對比來看，北斗系統民用精度基本相當，在亞太地區定位精度還優于5 米，測速精度甚至可以低于0.1 米/秒。對軍隊用戶，北斗系統能夠提供的精度將小于1 米，處于世界先進水平。

四是授時精度技術先進，具有較大的領先優勢。北斗三號采用功效低的銣原子鐘和穩定性高的國產氫原子鐘相結合的授時方式，誤差小于10 納秒，穩定性強，時間測量更加精確。

全球衛星導航系統發展展望

全球衛星導航系統代表著一個國家的科技實力，對于國防安全和國民經濟發展具有重要意義。未來，各國仍將大力推動全球衛星導航系統更新升級，積極挖潛市場潛力，全球衛星導航系統將呈現以下特點。

一是新一代導航衛星蓄勢待發，衛星星座將持續更新。由于導航衛星的壽命限制，衛星導航星座部署工作并不一勞永逸。隨著北斗系統全球組網完成，Galileo 系統預計在2020 年年底實現全面運營，全球四大衛星導航系統均由部署階段轉向系統升級維護和基礎應用開發階段。目前，美國正在大力發展新一代GPS-3 衛星，我國計劃在2020 年完成新一代北斗系統設計論證，2035 年開始新一代系統的衛星組網工作，俄羅斯和歐洲也提出了導航衛星的性能升級計劃。按照目前技術發展趨勢，新一代導航衛星將在定位授時精度、抗干擾等方面有極大提升。

二是綜合性能不斷提升，全球衛星導航系統領域競爭仍然激烈。目前，美國在研的GPS-3 衛星在平臺和載荷方面均采取了全新的設計方案，在導航定位服務、系統抗干擾、導航對抗等方面均實現了性能大幅躍升。GPS-3 系統定位精度有望達到0.5米，授時精度達到1.3 納秒；通過采用點波束增強技術可將軍用信號功率大幅提高，有效提升重點區域跟蹤導航信號能力，提升抗干擾能力；此外，系統設計之初就考慮了導航拒止能力，需要時可迅速激活拒止功能。因此，雖然我國北斗系統建設取得了全球組網的重大戰略成果，但保持領先地位的挑戰仍然很大。

三是全球衛星導航產業發展前景廣闊，應用場景豐富。全球衛星導航系統的不斷完善，推動著衛星導航產業持續快速發展。其中，亞太地區將是未來十年全球市場增長的主要地區，其年增長率有望保持11%。以航空、無人機、船舶、鐵路為代表的應用領域也將有力支撐衛星導航產業的持續增長。此外，“衛星導航”+也將釋放巨大的市場潛力。預計未來全球衛星導航將與5G、物聯網等新技術方向互聯融合、相輔相成，加快變革通信網絡設施形態，并為人工智能、云計算、區塊鏈等新技術基礎設施提供精準時空信息。

歷經26 年風雨，我國終于有了自己的全球衛星導航系統。北斗系統技術先進、功能齊備、性能優異，擁有完全自主知識產權，與GPS、Galileo 系統具有較好的兼容性，為北斗系統走向世界提供了重要支撐。未來，隨著衛星導航系統的不斷更新、綜合性能的持續提升，衛星導航產業也將繼續保持高速增長態勢，展現廣闊的市場前景和巨大的發展潛力。