北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與建設(shè)構(gòu)想

周　兵

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

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北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與建設(shè)構(gòu)想

周兵

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

摘要北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)前處于從區(qū)域服務(wù)到全球服務(wù)承上啟下的關(guān)鍵時期。簡要回顧了北斗系統(tǒng)發(fā)展歷程，系統(tǒng)地總結(jié)了北斗區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展情況與技術(shù)特點，針對正在進(jìn)行中的北斗全球系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)，深入分析了目前面臨的難點問題，探討了北斗全球系統(tǒng)基本導(dǎo)航、定位報告和星基增強(qiáng)的整體服務(wù)規(guī)劃構(gòu)想，提出了對北斗全球系統(tǒng)總體設(shè)計的幾點建議。

關(guān)鍵詞北斗；衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空。這是我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自2012年完成亞太區(qū)域服務(wù)開通之后，成功發(fā)射的第4顆新一代導(dǎo)航衛(wèi)星；對照Galileo利用4顆試驗衛(wèi)星開展在軌驗證，這也標(biāo)志著北斗進(jìn)入到了實質(zhì)性全球系統(tǒng)在軌技術(shù)試驗階段，北斗全球組網(wǎng)正處于穩(wěn)步推進(jìn)之中。

北斗于2000年以2顆衛(wèi)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(tǒng)，使我國成為世界上第3個擁有自我衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。隨后于2012年12月，利用14顆衛(wèi)星完成了北斗區(qū)域系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)了對亞太地區(qū)的連續(xù)覆蓋，受到ICG認(rèn)可成為世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航核心供應(yīng)商之一。按照“從無到有、從區(qū)域到全球”的三步走發(fā)展規(guī)劃，北斗系統(tǒng)預(yù)計于2020年完成全球組網(wǎng)。當(dāng)前，北斗正處于區(qū)域系統(tǒng)穩(wěn)定運行、全球系統(tǒng)進(jìn)行在軌試驗的關(guān)鍵階段，“開放、自主、兼容和漸進(jìn)”[1]的建設(shè)原則如何融會貫通于系統(tǒng)設(shè)計的各個層面，值得中國衛(wèi)星導(dǎo)航專家深思。

本文首先梳理了北斗區(qū)域系統(tǒng)在世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域所做出的技術(shù)創(chuàng)新；立足于北斗未來發(fā)展需求，深入分析了北斗全球發(fā)展面臨的難點問題，探討了北斗全球系統(tǒng)基本導(dǎo)航、定位報告和星基增強(qiáng)的整體服務(wù)規(guī)劃構(gòu)想；最后針對北斗全球系統(tǒng)總體設(shè)計提出了加強(qiáng)區(qū)域服務(wù)性能、拓展定位報告覆蓋區(qū)等方面建議。

1北斗區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展情況

北斗區(qū)域系統(tǒng)的建設(shè)，為世界GNSS領(lǐng)域帶來了4個方面的開創(chuàng)性舉措，對世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新、發(fā)展繁榮做出了重要貢獻(xiàn)。

1.1北斗是全球第一個擁有三軌混合星座的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗區(qū)域系統(tǒng)14顆組網(wǎng)衛(wèi)星，包括5顆GEO、5顆IGSO和4顆MEO。中國設(shè)計這樣一個三軌混合星座的初衷，自然是在滿足既定服務(wù)性能指標(biāo)要求下，盡量提升星座效率值，也就是提高同樣衛(wèi)星數(shù)量條件下的地球覆蓋率。參考文獻(xiàn)[2-3]給出了北斗區(qū)域系統(tǒng)設(shè)計論證中，幾種不同星座構(gòu)型選項的星座效率值。隨后建設(shè)的其他國家區(qū)域系統(tǒng)，日本的QZSS和印度的IRNSS也基本遵循了類似的設(shè)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(jīng)濟(jì)的導(dǎo)航星座構(gòu)型方案，另一大優(yōu)勢是在低緯度地區(qū)叢林遮蔽、城市峽谷等高遮蔽角環(huán)境下使用性能突出。北斗在“一帶一路”大多數(shù)國家和地區(qū)中，全天可視衛(wèi)星數(shù)為9～14顆，服務(wù)可用性和定位精度相比GPS、GLONASS具有明顯優(yōu)勢，泰國地區(qū)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(qū)，應(yīng)用推廣勢頭迅猛，為我國推行“一帶一路”重大發(fā)展戰(zhàn)略提供了有利支撐。

表2　泰國地區(qū)CORS站精度性能

1.2北斗是全球第一個具備三頻完整服務(wù)能力的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗區(qū)域系統(tǒng)于2012建成之時，就同時實現(xiàn)了B1(1 561.098 MHz)、B2(1 207.14 MHz)和B3(1 268.52 MHz)3個頻率的導(dǎo)航信號[4]的全星座播發(fā)，這相比于GPS，預(yù)計于2021年才能完成三頻信號(L1、L2、L5)完整布設(shè)，早了10余年。北斗起步晚于GPS系統(tǒng)整整20年，能在關(guān)鍵技術(shù)性能方面實現(xiàn)部分超越實屬不易，這是北斗設(shè)計團(tuán)隊充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)后來居上的典型事例。

三頻導(dǎo)航信號不只是增強(qiáng)了衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的魯棒性與健壯性，更是在高精度實時測量領(lǐng)域優(yōu)勢突出。北京地區(qū)試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1　厘米級高精度實時測量作業(yè)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(jié)果表明，北斗三頻導(dǎo)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(jìn)行厘米級高精度實時測量的作業(yè)范圍可達(dá)100 km，而傳統(tǒng)GPS雙頻作業(yè)范圍約20 km。通過上述性能的對比可以看出，北斗已經(jīng)占據(jù)爭奪高精度測量民用市場更大份額的有利優(yōu)勢。

1.3北斗是全球第一個連續(xù)導(dǎo)航與定位報告一體化設(shè)計的系統(tǒng)

定位報告是北斗與生俱來的功能，并且一直以來是北斗區(qū)別于世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的最大特色。北斗區(qū)域系統(tǒng)在完整保留了北斗一號定位報告服務(wù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了與GPS相同的連續(xù)導(dǎo)航服務(wù)，具備實時連續(xù)的定位、測速和授時能力。北斗充分認(rèn)識到，連續(xù)導(dǎo)航與定位報告的深度結(jié)合是世界衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展潮流，是當(dāng)今信息化社會發(fā)展、數(shù)字地球建設(shè)的重大需求。

連續(xù)導(dǎo)航與定位報告二者結(jié)合，為用戶帶來了更多元的服務(wù)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(yè)、生命救援和減災(zāi)、救災(zāi)等重要行業(yè)領(lǐng)域所發(fā)揮的社會與經(jīng)濟(jì)效益非常突出。日本的QZSS系統(tǒng)設(shè)計的L1-SAIF信號，定向發(fā)布短報文，提供災(zāi)害應(yīng)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(dǎo)航與通信的集成應(yīng)用模式，北斗服務(wù)則具有系統(tǒng)建設(shè)成本低、響應(yīng)時間快、衛(wèi)星數(shù)量少和服務(wù)可用度高等特點，詳細(xì)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(dǎo)航與星基增強(qiáng)一體化設(shè)計的系統(tǒng)

世界衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的其他各主要提供者，美、俄、歐、日、印均在其基本導(dǎo)航系統(tǒng)GPS、GLONASS、GALILEO、QZSS和IRNSS之外，獨立建設(shè)差分與完好性廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS、SCDM、EGNOS、MSAS和GAGAN。北斗則是充分發(fā)揮統(tǒng)籌規(guī)劃、資源共享的中國航天優(yōu)良傳統(tǒng)，在GEO衛(wèi)星的基本導(dǎo)航信號中播發(fā)差分與完好性廣域增強(qiáng)信息，GEO衛(wèi)星空間信號既是基本導(dǎo)航信號又是星基增強(qiáng)信號，兼具良好的測距性能和完整的差分增強(qiáng)能力，對北斗重點服務(wù)區(qū)提供了更多的測距可用衛(wèi)星數(shù)和更高的服務(wù)可用性。

2北斗全球系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想與設(shè)計建議

北斗全球系統(tǒng)立足于滿足國家安全與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，致力于為全球用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定和可靠的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同合作，服務(wù)全球、造福人類。作為四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中啟動最晚的北斗，自身發(fā)展歷程也已超過20年，歷史經(jīng)驗需要充分總結(jié)，面向未來的發(fā)展思路也需要開拓創(chuàng)新。

2.1北斗全球系統(tǒng)發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題

2.1.1全球星座構(gòu)型

北斗全球系統(tǒng)是一個有重點服務(wù)區(qū)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。星座構(gòu)型需保證在全球范圍內(nèi)服務(wù)性能與其他系統(tǒng)相當(dāng)，又確保在亞太地區(qū)服務(wù)性能超過其他系統(tǒng)。亞太地區(qū)作為我國軍事、政治和經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略重心所在，北斗用戶的使用環(huán)境約束(電磁環(huán)境、地形遮擋)也更加苛刻，這就要求北斗全星座中區(qū)域GEO/IGSO衛(wèi)星與全球MEO衛(wèi)星的整體布局做好統(tǒng)籌。

2.1.2新型信號體制

北斗已公開的B1I和B2I信號承擔(dān)著對國際社會的承諾，但同時為實現(xiàn)測距精度、抗多徑、跟蹤靈敏度和解調(diào)靈敏度等性能的全面提升，新型導(dǎo)航信號的創(chuàng)新設(shè)計是必由之路。北斗新的公開信號B1C和B2a/b既要實現(xiàn)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(guī)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(dǎo)航衛(wèi)星都已具備星間數(shù)傳與測量能力，歐洲Galileo亦有此論證規(guī)劃。中國北斗新一代導(dǎo)航衛(wèi)星使用星間鏈路技術(shù)，是國內(nèi)布站條件下全球發(fā)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(shù)體制發(fā)展經(jīng)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(shù)發(fā)展也同樣可能面臨著多重變數(shù)。

2.1.4海外建站

全球?qū)Ш椒?wù)的重要前提是對衛(wèi)星實施全弧段連續(xù)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(jiān)測提供必要的數(shù)據(jù)保障。由于星間鏈路技術(shù)風(fēng)險不容忽視，海外建站仍是北斗全球發(fā)展的重要支撐，世界各大系統(tǒng)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(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)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(tǒng)整體服務(wù)規(guī)劃構(gòu)想

綜合陸、海、空、天各類用戶的定位、導(dǎo)航、授時和位置報告等各類使用需求，縱觀北斗發(fā)展歷程，北斗全球系統(tǒng)未來需要提供的服務(wù)，按照服務(wù)功能特征不同，應(yīng)該可以規(guī)劃為基本導(dǎo)航服務(wù)、定位報告服務(wù)和星基增強(qiáng)服務(wù)3大類。

基本導(dǎo)航服務(wù)是基于衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)原理實現(xiàn)全球范圍的連續(xù)實時定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)能力。定位報告服務(wù)是基于衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(RDSS)原理實現(xiàn)的實時定位、授時、位置報告和短報文通信服務(wù)能力。星基增強(qiáng)服務(wù)是基于廣域差分與完好性監(jiān)測原理，利用GEO衛(wèi)星為用戶提供區(qū)域覆蓋的RNSS差分改正和完好性監(jiān)測信息，實現(xiàn)對基本導(dǎo)航的差分與完好性增強(qiáng)服務(wù)。

2.2.1基本導(dǎo)航

北斗需瞄準(zhǔn)全球?qū)Ш叫枨?，與世界其他導(dǎo)航系統(tǒng)兼容使用，形成全球?qū)崟r連續(xù)導(dǎo)航測速授時能力。民用基本導(dǎo)航與GPS、Galileo實現(xiàn)互操作，共同改善全球用戶導(dǎo)航性能。服務(wù)性能預(yù)期定位精度優(yōu)于10 m，測速精度優(yōu)于0.2 m/s，授時精度優(yōu)于20 ns。

2.2.2定位報告

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

2.2.3星基增強(qiáng)

北斗星基增強(qiáng)服務(wù)需與其他世界主流SBAS在ICAO的指導(dǎo)下統(tǒng)一接口、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)籌設(shè)計，實現(xiàn)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(tǒng)的差分與完好性增強(qiáng)。未來雙頻SBAS電文還可進(jìn)一步簡化，簡略格網(wǎng)電離層信息，內(nèi)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(wù)。

2.3北斗全球系統(tǒng)建設(shè)的幾點建議

立足于我國衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用需求與國家發(fā)展戰(zhàn)略，為盡快建成世界一流的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提升北斗的國際市場競爭力，對北斗全球系統(tǒng)總體設(shè)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(qū)域服務(wù)性能，尤其是“一帶一路”地區(qū)服務(wù)性能；

② 民用導(dǎo)航信號設(shè)計需要與國外信號實現(xiàn)深度互操作，同時也需規(guī)避專利糾紛；

③ 星間鏈路設(shè)計建議更重視魯棒性，尤其重視星載設(shè)備異常后的整網(wǎng)快速恢復(fù)性能；

④ 定位報告服務(wù)建議實現(xiàn)更大覆蓋區(qū)拓展，繼承并發(fā)揚北斗特色服務(wù)；

⑤ 基本導(dǎo)航、星基增強(qiáng)服務(wù)在與國外系統(tǒng)實現(xiàn)互操作的同時，建議具備差異化優(yōu)勢，保持獨立自主性。

3結(jié)束語

北斗區(qū)域系統(tǒng)開通3年以來，運行狀態(tài)穩(wěn)定良好，行業(yè)應(yīng)用穩(wěn)步推進(jìn)，北斗終端社會持有量已超過1 000萬套[7]，未來還將呈現(xiàn)爆炸式增長。

北斗全球系統(tǒng)目前處于頂層設(shè)計與試驗驗證階段，工程建設(shè)有序推進(jìn)之中，多方面技術(shù)體制可能有所調(diào)整，服務(wù)性能也必將在區(qū)域系統(tǒng)基礎(chǔ)上大幅提升，期待北斗在2020年左右成為世界一流的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為國家和全世界做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報告(2.1版)[J].衛(wèi)星應(yīng)用，201(1):9-12.

[2]譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學(xué)報,2008,29(2):391-396.

[3]許其鳳.區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)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(wèi)星導(dǎo)航信號設(shè)計研究[J].中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2010,40(5):514-519.

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

[6]陳忠貴,帥平,曲廣吉.現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)特點與發(fā)展趨勢分析[J].中國科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué),2009,39(4):686-695.

[7]中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會.中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2014年度)[M].北京:中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會,2015.

周兵男，(1957—)，研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計。榮獲國家科技進(jìn)步一等獎1項、二等獎1項、省部級科技進(jìn)步一等獎4項、二等獎6項。

作者簡介

中圖分類號TN96.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0001-04

基金項目：國家自然科學(xué)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與建設(shè)構(gòu)想[J].無線電工程,2016,46(4):1-4.