衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望

盧鋆 張弓 陳谷倉(cāng) 高為廣 宿晨庚

(1 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所, 北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)(3 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室, 北京 100094)

當(dāng)前，各主要航天大國(guó)均在積極發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括我國(guó)北斗系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、美國(guó)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯格洛納斯(GLONASS)以及歐洲伽利略(Galileo)四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及印度導(dǎo)航星座(Navigation with Indian Constellation，NavIc)和日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)兩個(gè)區(qū)域系統(tǒng)，均已向用戶提供服務(wù)[1]。北斗2018年12月完成基本系統(tǒng)建設(shè)，并開通了全球服務(wù)。2020年6月23日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，北斗全球星座部署圓滿收官，并將提供更加多樣的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)(PNT)。

為持續(xù)提升服務(wù)性能、滿足用戶更加專業(yè)和多元的需求，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均加緊推動(dòng)新一代規(guī)劃部署，我國(guó)也正在積極論證下一代北斗系統(tǒng)發(fā)展，推動(dòng)構(gòu)建以北斗為核心基石的更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系[2-4]。基于此，本文系統(tǒng)梳理了各國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最新進(jìn)展和后續(xù)計(jì)劃，分析了各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)演變特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)從高性能服務(wù)趨于標(biāo)配、彈性對(duì)抗成為發(fā)展重點(diǎn)、多功能聚合逐漸成為新方向、兼容互操作是今后GNSS合作共用的主流趨勢(shì)等方面進(jìn)行了綜合論述，并提出了對(duì)我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展建議，以期對(duì)北斗系統(tǒng)的后續(xù)工作提供參考。

1 各國(guó)GNSS進(jìn)展及特點(diǎn)

1.1 美國(guó)GPS系統(tǒng)

1)持續(xù)提升GPS性能，極力保持領(lǐng)先地位

目前，GPS系統(tǒng)空間段共有31顆在軌工作衛(wèi)星(截至2020年4月)，包括11顆GPS-IIR衛(wèi)星、7顆GPS-IIRM衛(wèi)星、12顆GPS-IIF衛(wèi)星和1顆GPS-III衛(wèi)星(還有1顆GPS-III衛(wèi)星在軌測(cè)試)。隨著GPS系統(tǒng)發(fā)展和衛(wèi)星升級(jí)換代，系統(tǒng)保持連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，服務(wù)精度不斷提升，目前空間信號(hào)精度均值為0.51 m。值得注意的是，衛(wèi)星工作壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，如1990-1997年發(fā)射的GPS-IIA衛(wèi)星，近期有2顆剛設(shè)置為不健康狀態(tài)，在軌工作壽命達(dá)26年，衛(wèi)星壽命長(zhǎng)一定程度上體現(xiàn)了美國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星研制的能力水平，一方面也限制了其星座的快速升級(jí)和新信號(hào)的全球部署。如首顆播發(fā)新的軍用M碼信號(hào)衛(wèi)星發(fā)射至今已15年，還未達(dá)到滿星座狀態(tài)；首顆發(fā)射面向生命安全用戶的民用L5信號(hào)衛(wèi)星發(fā)射至今10年，在軌衛(wèi)星僅14顆[5-6]。

2018年12月，美國(guó)啟動(dòng)新一代GPS III系統(tǒng)部署，包括10顆GPS III衛(wèi)星和22顆GPS IIIF衛(wèi)星。目前，已發(fā)射兩顆GPS III衛(wèi)星，計(jì)劃2023年完成10顆GPS III衛(wèi)星部署，2026年發(fā)射首顆GPS IIIF衛(wèi)星，2034年完成部署。GPS III系統(tǒng)能力全面升級(jí)，衛(wèi)星載荷數(shù)字化程度大幅提高，GPS III、IIIF衛(wèi)星數(shù)字化程度分別可達(dá)70%、100%，信號(hào)精度提升到當(dāng)前的3倍，信號(hào)完好性、抗干擾能力進(jìn)一步提升，具有導(dǎo)航信號(hào)關(guān)閉、增加和調(diào)整的在軌可重編程功能。配置高速星間鏈路，以確保在GPS海外站被摧毀或者喪失能力時(shí)，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，配置更高性能的星載原子鐘，增加第4個(gè)民用互操作信號(hào)L1C、新的激光反射器(以提高定軌能力)、L頻段搜救載荷、新設(shè)計(jì)的核爆探測(cè)載荷等。衛(wèi)星壽命15年。同時(shí)，美國(guó)也啟動(dòng)了GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)賽博安全能力的研發(fā)部署，加快升級(jí)改造現(xiàn)有地面運(yùn)控系統(tǒng)，包括下一代運(yùn)行控制系統(tǒng)(Next Generation Operational Control System，OCX)的升級(jí)[7-8]。通過星地能力全面升級(jí)，鞏固和強(qiáng)化美國(guó)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的主導(dǎo)地位和優(yōu)勢(shì)。此外，美在推動(dòng)公開信號(hào)空間服務(wù)域(Space Service Volume，SSV)的同時(shí)，也提出了軍碼SSV的空間現(xiàn)代化倡議。

2)與銥星系統(tǒng)融合服務(wù)，提供獨(dú)立備份定位授時(shí)能力

美國(guó)波音公司、斯坦福大學(xué)基于低軌通信星座對(duì)類GPS低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、高完好性GPS(iGPS)進(jìn)行了深入研究。iGPS修改了銥星下行信號(hào)體制，利用空閑通信時(shí)隙和頻率資源播發(fā)測(cè)距信號(hào)，并調(diào)制銥星衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，通過將多個(gè)窄帶信號(hào)擴(kuò)展為寬帶信號(hào)，提升測(cè)距精度。從目前公開的文獻(xiàn)來看，iGPS并沒有在低軌通信星座中實(shí)現(xiàn)，而是采用了Satelles公司設(shè)計(jì)的信號(hào)體制。

美國(guó)GPS與新一代銥星系統(tǒng)融合，通過銥星播發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，提供STL(Satellites Time and Location)服務(wù)。根據(jù)Satelles公司發(fā)布的最新測(cè)試結(jié)果，STL信號(hào)較GPS信號(hào)增強(qiáng)30～40 dB，定位精度30～50 m[9]，授時(shí)精度200 ns，能提升復(fù)雜電磁環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的可用性，并在服務(wù)拒止情況下提供備份手段。

3)重啟導(dǎo)航新技術(shù)試驗(yàn)計(jì)劃，在軌驗(yàn)證新概念和新技術(shù)

美國(guó)積極探索未來衛(wèi)星導(dǎo)航新概念、新技術(shù)，特別是彈性PNT技術(shù)，時(shí)隔近40年再次啟動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星試驗(yàn)項(xiàng)目，計(jì)劃2023年發(fā)射導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星-3(NTS-3)衛(wèi)星(GEO)。NTS-3衛(wèi)星驗(yàn)證多層彈性PNT體系概念與技術(shù)，主要包括3方面：①搭載先進(jìn)的光銣鐘和冷原子銫鐘，性能較GPS III衛(wèi)星原子鐘分別提升3倍、5倍；②配置在軌可編程數(shù)字波形生成器、高增益天線、氮化鎵高功率放大器等，進(jìn)行信號(hào)靈活調(diào)整和功率增強(qiáng)技術(shù)驗(yàn)證；③進(jìn)行新型星間鏈路技術(shù)驗(yàn)證，旨在僅利用美國(guó)本土地面站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的彈性和抗毀性。

1.2 俄羅斯GLONASS系統(tǒng)

1)重建服務(wù)體系，提供多層次精度服務(wù)

目前，空間段共有30顆在軌衛(wèi)星(截至2020年4月)，包括3顆GEO衛(wèi)星、27顆MEO衛(wèi)星，其中MEO衛(wèi)星，在軌運(yùn)行24顆(包括2019年12月和2020年3月發(fā)射的兩顆衛(wèi)星)，在軌備份2顆，在軌測(cè)試或維護(hù)1顆。

GLONASS系統(tǒng)在前期僅提供RNSS服務(wù)基礎(chǔ)上，將差分改正與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SDCM)、地面增強(qiáng)設(shè)施等納入體系，可為各類用戶提供不同精度的4類民用服務(wù)，包括水平5 m、高程9 m的基本開放服務(wù)、1 m的星基增強(qiáng)服務(wù)、0.1 m的精密單點(diǎn)定位(PPP)服務(wù)、0.03 m的相對(duì)測(cè)量導(dǎo)航(基于載波相位測(cè)量和地面參考站)服務(wù)。

2)加速衛(wèi)星更新?lián)Q代，持續(xù)提升系統(tǒng)性能

GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)代化的MEO衛(wèi)星按照GLONASS-M、GLONASS-K、GLONASS-K2三個(gè)版本演進(jìn)。2025年開始，使用GLONASS-K、GLONASS-K2衛(wèi)星，2030年前發(fā)射26顆全新GLONASS-K2衛(wèi)星，在軌完全替代現(xiàn)有GLONASS-M衛(wèi)星。GLONASS-K2衛(wèi)星，采用2個(gè)相控陣天線播發(fā)FDMA/CDMA信號(hào)，播發(fā)3個(gè)頻點(diǎn)的CDMA民用信號(hào)，加強(qiáng)與其他GNSS兼容互操作；配置激光星間鏈路和更高精度原子鐘，支持高頻度的星歷和鐘差數(shù)據(jù)更新；搭載激光發(fā)射器、搜救等載荷。GLONASS現(xiàn)代化衛(wèi)星演進(jìn)如表1所示[10-11]。

表1 GLONASS現(xiàn)代化衛(wèi)星演進(jìn)Table 1 Evolution of GLONASS satellites

3)構(gòu)建中高軌混合星座，提供差異化多樣服務(wù)

俄羅斯加快MEO衛(wèi)星更新?lián)Q代的同時(shí)，計(jì)劃增加IGSO和GEO衛(wèi)星，構(gòu)建GLONASS混合星座，全面提升系統(tǒng)性能。2020年開始，擬用3顆Luch-5M GEO衛(wèi)星，替代現(xiàn)有SDCM 3顆衛(wèi)星，并在160°E增加1顆GEO衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)雙頻多星座增強(qiáng)，并進(jìn)一步擴(kuò)展地面監(jiān)測(cè)資源，從25個(gè)國(guó)內(nèi)站、10個(gè)海外站，增加到45個(gè)國(guó)內(nèi)站、12個(gè)海外站。2025年前，發(fā)射6顆IGSO軌道的GLONASS-B衛(wèi)星，播發(fā)L1OC、L2OC、L3OC信號(hào)，東半球服務(wù)性能將提高25%。衛(wèi)星基于GLONASS-K平臺(tái)，3個(gè)軌道面，2條星下點(diǎn)軌跡，軌道傾角64.8°，偏心率0.072，運(yùn)行周期23.9 h。

1.3 歐洲伽利略系統(tǒng)

1)加快完善組網(wǎng)部署，提供高性能多樣化服務(wù)

目前，Galileo系統(tǒng)空間段共有26顆在軌衛(wèi)星(截至2020年4月)，包括4顆在軌驗(yàn)證(IOV)衛(wèi)星，22顆完全運(yùn)行能力(FOC)衛(wèi)星。自2016年提供全球初始運(yùn)行服務(wù)以來，系統(tǒng)運(yùn)行不斷穩(wěn)定和完善，空間信號(hào)精度不斷提升，目前已達(dá)0.25 m；計(jì)劃2020年具備完全運(yùn)行服務(wù)能力。2019年，Galileo系統(tǒng)因精密時(shí)間設(shè)施相關(guān)問題，出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)110多小時(shí)的服務(wù)中斷，可靠性受到業(yè)界和廣大用戶質(zhì)疑。后續(xù)，隨著衛(wèi)星陸續(xù)到壽，伽利略2020-2024年還將發(fā)射12～14顆衛(wèi)星，近一步提升系統(tǒng)性能和可用性[12-13]。Galileo在軌衛(wèi)星狀況如圖1所示。

圖1 Galileo在軌衛(wèi)星狀況Fig.1 Galileo current constellation

Galileo系統(tǒng)服務(wù)多樣，目前已提供公開服務(wù)(伽利略E1C與GPS L1C為美歐聯(lián)合設(shè)計(jì)的互操作信號(hào))、公共特許服務(wù)、搜救服務(wù)。2020年后，還將逐步增加公開服務(wù)信息認(rèn)證、商業(yè)授權(quán)認(rèn)證服務(wù)、緊急告警服務(wù)、全球20 cm精密單點(diǎn)定位服務(wù)，覆蓋高安全、高精度、高效信息播發(fā)等不同范疇，可滿足各類用戶的多樣化需求。

2)規(guī)劃部署第二代伽利略系統(tǒng)，系統(tǒng)能力全面升級(jí)

Galileo系統(tǒng)積極規(guī)劃部署第二代伽利略系統(tǒng)(G2G)，計(jì)劃2025年開始發(fā)射4～8顆過渡衛(wèi)星，2027年開始發(fā)射第二代伽利略衛(wèi)星，2035年具備全面運(yùn)行能力。第二代Galileo系統(tǒng)將提供更高的精度、完好性和連續(xù)性；具備自主運(yùn)行、抗干擾、抗欺騙能力；衛(wèi)星壽命更長(zhǎng)；系統(tǒng)與服務(wù)更加安全；同時(shí)具有更好的兼容與可擴(kuò)展性。同時(shí)，系統(tǒng)還將演進(jìn)發(fā)展以下服務(wù)：重構(gòu)改進(jìn)信號(hào)提高服務(wù)性能(首次定位時(shí)間、精度、安全認(rèn)證等)、高級(jí)授時(shí)服務(wù)、空間服務(wù)域(SSV)、基于反向鏈路的新型搜救服務(wù)、電離層預(yù)報(bào)服務(wù)、面向生命安全用戶的高級(jí)接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)服務(wù)。

3)基于Kepler計(jì)劃研發(fā)，開展前沿技術(shù)在軌試驗(yàn)

歐洲德國(guó)航空航天中心(DLR)、波茨坦地學(xué)中心(GFZ)等單位正在聯(lián)合開展Kepler系統(tǒng)的研發(fā)，Kepler星座由4～6顆LEO衛(wèi)星組成，采用激光星間鏈路、光鐘和光頻梳建立更高精度的天基時(shí)間基準(zhǔn)，極大減少對(duì)地面的依賴，可僅一個(gè)地面站維持星座自主運(yùn)行；雙向激光鏈路完成測(cè)量、時(shí)間同步和通信，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定軌，MEO無需配置原子鐘實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行，完好性告警時(shí)間3 s。計(jì)劃2023年、2025年，分別在LEO和MEO衛(wèi)星上進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 中國(guó)北斗系統(tǒng)

北斗三號(hào)全球系統(tǒng)于2017年11月發(fā)射首顆組網(wǎng)衛(wèi)星，至今共完成18箭30星發(fā)射，包括24顆MEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和3顆GEO衛(wèi)星。2020年6月23日，組網(wǎng)部署的最后一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，標(biāo)志著北斗全球系統(tǒng)星座部署圓滿完成。

北斗三號(hào)全球系統(tǒng)采用混合星座構(gòu)型，播發(fā)B1、B2、B3三個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)，服務(wù)高度聚合[14]，如表2所示。

表2 BDS信號(hào)及其對(duì)應(yīng)服務(wù)Table 2 BDS signals and corresponding services

后續(xù)將繼續(xù)提升系統(tǒng)能力和服務(wù)性能，進(jìn)一步推動(dòng)高精度、高完好、導(dǎo)通融合等多樣化特色服務(wù)在全球落地，為未來智能化、無人化發(fā)展提供核心支撐。

1.5 日印區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)

1.5.1 日本QZSS系統(tǒng)

目前，QZSS空間段由3顆QZO衛(wèi)星和1顆GEO衛(wèi)星組成，均在軌工作，具體信息見表3所示。主要在日本及附近區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)GPS的補(bǔ)充和增強(qiáng)，與GPS、伽利略等信號(hào)和服務(wù)兼容互操作程度均很高。

表3 QZSS當(dāng)前星座構(gòu)成Table 3 QZSS current constellation

播發(fā)9種信號(hào)，提供7類公開服務(wù)，包括與GPS民用信號(hào)完全兼容的PNT服務(wù)、星基增強(qiáng)服務(wù)、亞米級(jí)增強(qiáng)服務(wù)、厘米級(jí)增強(qiáng)服務(wù)(Centimeter Level Augmentation Service，CLAS)、災(zāi)害與危機(jī)管理衛(wèi)星報(bào)告服務(wù)(Satellite Report for Disaster and Crisis Management，DC Report)、星基增強(qiáng)服務(wù)、定位技術(shù)驗(yàn)證服務(wù)(Positioning Technology Verification Service，PTV)、QZSS安全確認(rèn)服務(wù)(QZSS Safety Confirmation Service，Q-ANPI)，見表4。其中，采用PPP-RTK體制的CLAS服務(wù)，是其在精度增強(qiáng)方面的最大亮點(diǎn)和特色[15]。

表4 QZSS信號(hào)及其對(duì)應(yīng)服務(wù)Table 4 QZSS signals and corresponding services

QZSS將于2020年發(fā)射QZS-1R衛(wèi)星，取代2010年發(fā)射和使用至今的QZS-1衛(wèi)星。2022年至2023年，將發(fā)射另外3顆QZSS衛(wèi)星(QZS-5、QZS-6和QZS-7)，最終建設(shè)完成由7顆衛(wèi)星組成的完整系統(tǒng)，覆蓋區(qū)域?qū)⒋蠓鶖U(kuò)展，精度進(jìn)一步提升，并具備授權(quán)安全認(rèn)證等反欺騙手段。

1.5.2 印度NavIC系統(tǒng)

系統(tǒng)由3顆GEO衛(wèi)星和4顆IGSO衛(wèi)星組成，在L5、S頻段提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和授權(quán)服務(wù)，覆蓋印度及其島嶼周邊地區(qū)；同時(shí)，增加了短消息服務(wù)，支持通過互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送短消息。目前，7顆衛(wèi)星均已在軌工作，2016年已開通服務(wù)。2017年，NavIC系統(tǒng)遭遇嚴(yán)重問題，7顆在軌衛(wèi)星共21臺(tái)銣原子鐘，有7臺(tái)出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

后續(xù)，擬增加4顆IGSO衛(wèi)星。經(jīng)分析仿真，服務(wù)區(qū)域?qū)U(kuò)大至30°S～50°N、30°E～130°E，服務(wù)區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)量增加到至少6顆，進(jìn)一步提升導(dǎo)航服務(wù)精度和連續(xù)性；同時(shí)，計(jì)劃增加L1C民用互操作信號(hào)，與其他GNSS系統(tǒng)同頻點(diǎn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)兼容互操作。此外，新的NavIC衛(wèi)星上，將搭載搜救載荷。NavIC系統(tǒng)覆蓋區(qū)域和可見衛(wèi)星數(shù)如圖2所示。

圖2 NavIC系統(tǒng)覆蓋區(qū)域和可見衛(wèi)星數(shù)Fig.2 Coverage area and number of visible satellites for NavIC system

2 發(fā)展趨勢(shì)分析

2.1 高性能服務(wù)趨于標(biāo)配

隨著全球用戶對(duì)高性能定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)需求的不斷增加，以及技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，高精度、高完好逐漸成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)配。

高精度服務(wù)方面，各系統(tǒng)在其建設(shè)發(fā)展中通過增加衛(wèi)星數(shù)量、配置更高性能的原子鐘、擴(kuò)展監(jiān)測(cè)站數(shù)量和范圍、優(yōu)化改進(jìn)精密定軌和時(shí)間同步等模型和算法等，不斷提升定位精度。目前的四大全球系統(tǒng)空間信號(hào)精度(SISRE)實(shí)測(cè)結(jié)果見表5，北斗、Galileo系統(tǒng)以及較新的GPS IIF、GPS III衛(wèi)星相當(dāng)，均小于1 m；GPS IIR，GPS IIR-M衛(wèi)星由于在軌時(shí)間較長(zhǎng)，空間信號(hào)精度較新的衛(wèi)星差，約為1～3 m；GLONASS系統(tǒng)空間信號(hào)精度約為2～6 m。同時(shí)，各系統(tǒng)還在進(jìn)一步提升空間信號(hào)精度，逐步逼近理論極限。此外，各系統(tǒng)還可提供更高精度的精密單點(diǎn)定位服務(wù)，包括北斗提供基于B2b信號(hào)的靜態(tài)厘米級(jí)、動(dòng)態(tài)分米級(jí)PPP服務(wù)；Galileo系統(tǒng)提供基于E6B信號(hào)的全球PPP服務(wù)，定位精度20 cm；俄羅斯提供0.1 m的PPP服務(wù)；日本QZSS以密集地面站為基礎(chǔ)提供快速收斂(1 min)的厘米級(jí)PPP服務(wù)[16-18]。

表5 全球系統(tǒng)空間信號(hào)精度Table 5 Signal in Space (SIS) performance of global satellite navigation systems

高完好性服務(wù)方面，各大系統(tǒng)更加注重用戶的使用安全和應(yīng)用體驗(yàn)，將衛(wèi)星或地面完好性監(jiān)測(cè)作為標(biāo)準(zhǔn)配置，并向雙頻多星座發(fā)展。如北斗自嵌有生命安全領(lǐng)域的星基增強(qiáng)服務(wù)，俄羅斯已經(jīng)將SDCM納入到GLONASS體系，并將用全新的4顆GEO衛(wèi)星替代現(xiàn)有衛(wèi)星；日本QZSS一體化規(guī)劃和提供SBAS服務(wù)；新一代GPS和Galileo衛(wèi)星也考慮了自主完好性監(jiān)測(cè)和告警能力[19]。

2.2 彈性對(duì)抗成為發(fā)展重點(diǎn)

PNT服務(wù)更加強(qiáng)調(diào)彈性和靈活性，提升復(fù)雜電磁環(huán)境下服務(wù)可用性，降低對(duì)全球地面站的依賴，提升系統(tǒng)自主運(yùn)行能力，并尋求服務(wù)拒止情況下的備份手段和能力。

(1)提升軍民用服務(wù)的彈性和能力。為更好的滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下，特別是軍事任務(wù)不斷變化的使用需求，各大系統(tǒng)特別是美國(guó)GPS將衛(wèi)星載荷數(shù)字化、高功率、抗干擾、抗欺騙作為新的增量予以重點(diǎn)發(fā)展。如，GPS IIIF衛(wèi)星將大幅提升點(diǎn)波束功率增強(qiáng)能力，全球范圍內(nèi)可在指定范圍區(qū)域?qū)嵤┽槍?duì)性功率增強(qiáng)；采用在軌可重編程的數(shù)字化載荷，數(shù)字化率達(dá)到100%；NTS-3衛(wèi)星將配置高增益天線，具備受到攻擊、空間環(huán)境擾動(dòng)以及其他干擾后可恢復(fù)(彈回)功能。新一代GLONASS-K2衛(wèi)星，整星功率較GLONASS-K衛(wèi)星提高近3倍；第二代Galileo系統(tǒng)也重點(diǎn)考慮了抗干擾以及安全認(rèn)證抗欺騙，鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)防和經(jīng)濟(jì)社會(huì)命脈的廣泛應(yīng)用，保安全、抗欺騙，不單是授權(quán)信號(hào)，也涵蓋開放信號(hào)。

(2)發(fā)展高速星間鏈路，提升自主運(yùn)行能力。為進(jìn)一步降低對(duì)地面的依賴，提升系統(tǒng)安全性，各系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展星間鏈路，通過星間測(cè)量和傳輸，提升系統(tǒng)服務(wù)能力。如，GPS在現(xiàn)有星間鏈路基礎(chǔ)上，進(jìn)一步升級(jí)能力，在具備自主運(yùn)行能力的同時(shí)，降低對(duì)海外站的依賴，實(shí)現(xiàn)僅依賴國(guó)內(nèi)站情況下對(duì)對(duì)星座的實(shí)時(shí)監(jiān)控和全網(wǎng)操作；新一代GLONASS-K2衛(wèi)星將增加激光星間鏈路；Galileo系統(tǒng)，也計(jì)劃在下一代衛(wèi)星上配置星間鏈路，自主運(yùn)行成為新一代系統(tǒng)的重要技術(shù)特征[20]；星間鏈路發(fā)展情況如表6所示。

表6 星間鏈路發(fā)展情況Table 6 Development of inter satellite link

(3)通過多系統(tǒng)多手段體系融合，提升系統(tǒng)彈性。各國(guó)正在考慮通過融合低軌衛(wèi)星星座等手段來提升系統(tǒng)的彈性。如美國(guó)充分挖掘低軌衛(wèi)星系統(tǒng)在導(dǎo)航備份方面的作用，與新一代銥星系統(tǒng)融合，提供STL獨(dú)立備份PNT能力；歐洲提出的增加低軌Kepler衛(wèi)星，采用激光星間鏈路，光鐘和光頻梳建立更高精度天基時(shí)間基準(zhǔn)，也是希望通過增加低軌衛(wèi)星對(duì)Galileo中軌星座自主運(yùn)行的支持。

2.3 多功能聚合成為競(jìng)技新方向

為了更好滿足多元化用戶需求，多功能高度聚合、提供特色服務(wù)，已成為各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)競(jìng)技的新方向。目前，各導(dǎo)航系統(tǒng)多功能聚合情況如表7所示。北斗系統(tǒng)多功能聚合特色明顯，其它幾大全球系統(tǒng)，GPS在新一代衛(wèi)星中搭載搜救和新設(shè)計(jì)的核爆探測(cè)載荷；伽利略系統(tǒng)未來還將逐漸推出公開服務(wù)導(dǎo)航信息認(rèn)證、商業(yè)授權(quán)認(rèn)證和緊急告警等特色服務(wù)；GLONASS后續(xù)衛(wèi)星計(jì)劃提供搜救服務(wù)。兩個(gè)區(qū)域系統(tǒng)，QZSS通過L1S信號(hào)提供DC報(bào)告服務(wù)，防災(zāi)組織可發(fā)送諸如地震、海嘯等災(zāi)害信息，也可以發(fā)布緊急疏散等相關(guān)指令信息；使用QZS-3衛(wèi)星S頻段的Q-ANPI服務(wù)，可提供一種緊急信息傳送手段。利用QZS-2、QZS-3和QZS-4衛(wèi)星上的L5S信號(hào)，還可通過國(guó)際合作為國(guó)際用戶提供PTV服務(wù)，支撐高精度定位新技術(shù)的星地試驗(yàn)。NavIC系統(tǒng)也可提供導(dǎo)航服務(wù)和通信服務(wù)，并和地面互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通。

表7 各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多功能聚合情況Table 7 Multi-functional integration of satellite navigation system

相較于傳統(tǒng)的服務(wù)，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多樣化服務(wù)各具特色，而且根據(jù)用戶特點(diǎn)和需求進(jìn)行了升級(jí)和改進(jìn)。如北斗和伽利略系統(tǒng)的搜救服務(wù)，用戶的定位精度從傳統(tǒng)的搜索與救援衛(wèi)星(SARSAT)系統(tǒng)的5 km提高到100 m，定位時(shí)間從以前30 min，提高到95%以上時(shí)間可在5 min內(nèi)收到信標(biāo)確認(rèn)信息，縮短了遇險(xiǎn)信標(biāo)位置檢測(cè)時(shí)間；并且實(shí)現(xiàn)了反向鏈路，可向用戶發(fā)送接收遇險(xiǎn)電文的確認(rèn)信息，提升了搜救效率和成功率。目前，北斗短報(bào)文服務(wù)正積極申請(qǐng)加入全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System， GMDSS)，2018年6月，國(guó)際海事組織批準(zhǔn)北斗短報(bào)文服務(wù)加入GMDSS申請(qǐng)，后面將進(jìn)一步由國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織開展技術(shù)與運(yùn)營(yíng)評(píng)估。

2.4 多服務(wù)兼容共用成為主流

隨著四大全球系統(tǒng)和兩個(gè)區(qū)域系統(tǒng)相繼提供全球服務(wù)，兼容與互操作成為多GNSS系統(tǒng)并存和提供聯(lián)合優(yōu)質(zhì)服務(wù)的重要要求。以RNSS服務(wù)為例，按照服務(wù)空域不同，分為近地服務(wù)域(TSV，8000 km以下)互操作、空間服務(wù)域(SSV，8000～36 000 km)和深空服務(wù)域(DSV)。

各大系統(tǒng)通過加強(qiáng)兼容互操作，可有效改善觀測(cè)幾何，提高全球任何地區(qū)的定位精度，提升全球?qū)Ш椒?wù)可用性。以近地服務(wù)為例，四大系統(tǒng)及星座組合的三維位置幾何精度衰減因子(PDOP)值仿真結(jié)果如表8所示。根據(jù)表中的仿真結(jié)果，各星座系統(tǒng)聯(lián)合服務(wù)后，PDOP平均值可達(dá)到0.78，相較于單BDS，服務(wù)性能提升53.0%、相較于單GPS，服務(wù)性能提升51.3%、相較于GLONASS，服務(wù)性能提升59.6%、相較于單Galileo系統(tǒng)，服務(wù)性能提升54.3%。四大系統(tǒng)聯(lián)合服務(wù)，GNSS服務(wù)性能提升更加顯著。如考慮最壞情況，聯(lián)合服務(wù)后性能提升將更大。

表8 四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及星座組合的PDOP值Table 8 PDOP for four satellite navigation systems and constellation combination

目前，北斗已實(shí)現(xiàn)與GPS的兼容互操作，與GLONASS的兼容，正在與美協(xié)調(diào)北斗B2a信號(hào)和GPS L5信號(hào)的互操作，以及與歐的頻率兼容；美歐、美日、歐日也都完成兼容互操作協(xié)調(diào)。美國(guó)新一代衛(wèi)星上增加L1C信號(hào)，俄羅斯計(jì)劃在新一代衛(wèi)星將增加L1OC、L2OC等信號(hào)，印度后續(xù)衛(wèi)星將增加L1C信號(hào)，增強(qiáng)與其他系統(tǒng)兼容互操作。

近年來，空間活動(dòng)不斷增多，空間和深空服務(wù)域互操作成為研究熱點(diǎn)。依靠單個(gè)系統(tǒng)，空間范圍的服務(wù)可用性較差，而通過多系統(tǒng)合作，可視衛(wèi)星數(shù)量會(huì)大幅增加，能夠?qū)崿F(xiàn)中高軌范圍乃至深空范圍的定位授時(shí)服務(wù)。2018年聯(lián)合國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)第十三屆大會(huì)，各系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)編制的GNSS SSV互操作手冊(cè)正式發(fā)布，目前正在進(jìn)一步研究DSV的互操作問題。

隨著服務(wù)多樣化發(fā)展，兼容共用范疇更加擴(kuò)展，在RNSS基礎(chǔ)上，還逐步擴(kuò)展到SBAS、SAR等各類服務(wù)。星基增強(qiáng)互操作工作組(SBAS IWG)，制定了多頻多星座(DFMC)SBAS的定義文檔和接口控制文件，從單頻單系統(tǒng)向雙頻多系統(tǒng)(DFMC)過渡，各系統(tǒng)根據(jù)文檔要求進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)各SBAS的兼容互操作，某種意義上實(shí)現(xiàn)SBAS服務(wù)全球覆蓋。各大系統(tǒng)搭載搜救載荷，從S頻段逐步轉(zhuǎn)到L頻段，通過頻率分配使用或協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)兼容，通過共同進(jìn)入COSPAS-SARSAT標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)互操作，聯(lián)合為用戶提供更加可靠、便捷的搜救服務(wù)。

除星座互補(bǔ)、信號(hào)兼容互操作外，時(shí)間和坐標(biāo)也是兼容與互操作的重要內(nèi)容。各系統(tǒng)在電文中播發(fā)與協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)的偏差，與UTC建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)向UTC的統(tǒng)一溯源；各系統(tǒng)坐標(biāo)系向最新版的國(guó)際地球參考框架(ITRF)對(duì)齊，并可在電文中播發(fā)與其他系統(tǒng)的時(shí)間偏差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3 結(jié)束語

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航已進(jìn)入多系統(tǒng)共同服務(wù)嶄新時(shí)代，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都在積極規(guī)劃和部署后續(xù)的升級(jí)換代，實(shí)施新概念、新技術(shù)、新體系的在軌驗(yàn)證。北斗系統(tǒng)即將全面建成，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì)對(duì)北斗系統(tǒng)的發(fā)展具有重要參考意義，結(jié)合本文分析，對(duì)北斗系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展提出建議，具體如下。

1)全面提升以四性為核心的系統(tǒng)服務(wù)性能

各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球同臺(tái)競(jìng)技，提供全球領(lǐng)先的服務(wù)能力是每個(gè)GNSS努力的方向。目前，北斗三號(hào)在系統(tǒng)定位精度方面，得益于先進(jìn)導(dǎo)航信號(hào)體制和獨(dú)具特色的混合星座方案，全球范圍與其他GNSS相當(dāng)、亞太地區(qū)精度更高；服務(wù)可用性，隨著星座的完善逐步提升；連續(xù)性和完好性方面，有待系統(tǒng)滿星座運(yùn)行后，進(jìn)行長(zhǎng)期檢驗(yàn)和評(píng)估。

從目前各系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)來看，全面提升系統(tǒng)服務(wù)精度、可用性、連續(xù)性、完好性是GNSS的發(fā)展之本。今年上半年，北斗完成最后一顆GEO衛(wèi)星發(fā)射，形成滿星座完整運(yùn)行能力。后續(xù)，應(yīng)持續(xù)補(bǔ)充完善北斗三號(hào)星座，加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行控制和管理，確保連續(xù)穩(wěn)定高質(zhì)量服務(wù)；同時(shí)，針對(duì)下一代系統(tǒng)發(fā)展，建議考慮增加如激光等新型星間鏈路，優(yōu)化升級(jí)導(dǎo)航信號(hào)電文、編碼等，實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)距和時(shí)間同步精度，配置更加先進(jìn)、更高精度的星載鐘，搭載激光反射器，進(jìn)一步提升定軌精度；增加衛(wèi)星在軌壽命、可靠性和可重構(gòu)能力，提升系統(tǒng)建設(shè)和維持的費(fèi)效比。同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)低軌星座大發(fā)展的契機(jī)，利用低軌衛(wèi)星幾何圖形變化快、全球天基覆蓋、成本低易于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)進(jìn)行低軌導(dǎo)航增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)服務(wù)精度躍級(jí)發(fā)展，也可輔助可用性、完好性等性能的提升。

2)重點(diǎn)提升對(duì)用戶需求和任務(wù)變化的適應(yīng)能力

用戶需求不斷演變，如何在不斷延長(zhǎng)的衛(wèi)星和星座生命周期內(nèi)升級(jí)新技術(shù)、適應(yīng)任務(wù)變化、提升系統(tǒng)服務(wù)的靈活性也是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重要要求。空間段方面，應(yīng)大幅提升衛(wèi)星載荷的數(shù)字化程度，支撐信號(hào)的增加、關(guān)閉和靈活調(diào)整，使得操作者可快速開發(fā)和部署新信號(hào)，同時(shí)考慮開放和授權(quán)信號(hào)的賦形波束和點(diǎn)波束配置，提升信號(hào)功率和固放效率。增加激光等新型星間鏈路，在提升精度的同時(shí)，減少對(duì)地面的依賴，增強(qiáng)自主運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)少量地面站條件下或不依賴于地面的長(zhǎng)期運(yùn)行。地面段方面，提升地面段的智能化運(yùn)維和網(wǎng)絡(luò)安全，確保在網(wǎng)絡(luò)攻擊情況下的安全性。為滿足不同用戶多樣化需求，可進(jìn)一步擴(kuò)展服務(wù)功能，更好地融合導(dǎo)航和通信功能，提升系統(tǒng)服務(wù)的聚合性，包括不同精度的PNT服務(wù)，以及不同速率用戶接入和信息分發(fā)的靈活性，實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能的精細(xì)化、多樣化，提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

3)大幅增強(qiáng)系統(tǒng)導(dǎo)航對(duì)抗攻防能力

未來，空間地面電磁環(huán)境日益復(fù)雜，有意或無意干擾將長(zhǎng)期存在，由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的先天脆弱性，以及衛(wèi)星導(dǎo)航更多的應(yīng)用于國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)命脈各領(lǐng)域，其系統(tǒng)安全和對(duì)抗頑存能力就顯得尤為重要。下一步，應(yīng)加強(qiáng)功率增強(qiáng)能力，實(shí)現(xiàn)全球范圍功率增強(qiáng)以及重點(diǎn)區(qū)域的指向性增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可調(diào)、功率可調(diào)；對(duì)開放和授權(quán)信號(hào)，均增加相應(yīng)安全認(rèn)證手段，防止欺騙干擾；增強(qiáng)星座自主運(yùn)行能力。此外，可與低軌通信衛(wèi)星星座結(jié)合，充分利用其頻譜資源、功率資源、星地系統(tǒng)資源特點(diǎn)以及落地功率、信息傳輸速率高的優(yōu)勢(shì)，提升室內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境下PNT服務(wù)的可獲得性，增強(qiáng)PNT服務(wù)的彈性。