北斗“一帶一路”服務(wù)性能增強技術(shù)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(xué)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗”）是我國重要的時空基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已成為服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設(shè)的重要力量。隨著北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步建成，我國衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展重點開始從系統(tǒng)建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)移到應(yīng)用推廣。

當前，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用逐漸呈現(xiàn)出以下三大趨勢。

一是高精度應(yīng)用逐漸成為主流。2020年全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將全部開通運行，最終將形成多星座、多頻率共存的局面。衛(wèi)星導(dǎo)航兼容互操作技術(shù)發(fā)展使得多系統(tǒng)應(yīng)用進一步簡化，這為終端產(chǎn)業(yè)多樣化的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展和低成本器件的性能不斷提升，衛(wèi)星導(dǎo)航終端應(yīng)用逐漸向低成本和高精度應(yīng)用方向發(fā)展，在無人駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、智能可穿戴等新興領(lǐng)域發(fā)展的驅(qū)動下，高精度服務(wù)正在成為應(yīng)用市場的主流[1]。

二是導(dǎo)航定位授時服務(wù)（PNT）走向泛在化、協(xié)同化、智能化。技術(shù)的快速進步使人類逐漸實現(xiàn)了從宏觀尺度的深空深海到微觀尺度的生物體內(nèi)部空間探索，時空服務(wù)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(wù)體驗的角度出發(fā)，各類PNT器件和技術(shù)的發(fā)展及日益成熟，使得以衛(wèi)星導(dǎo)航為核心的各類PNT服務(wù)更趨協(xié)同化、智能化[2,3]。

三是“PNT+”將成為新興應(yīng)用與研究領(lǐng)域。隨著天基信息系統(tǒng)服務(wù)日益增多，為獲取更好的系統(tǒng)服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、遙感等天基服務(wù)系統(tǒng)融合一體化的趨勢不可避免，基于低軌衛(wèi)星的導(dǎo)航、遙感融合應(yīng)用已進入衛(wèi)星試驗階段[4]。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航、水下導(dǎo)航、室內(nèi)導(dǎo)航、地基增強等技術(shù)逐漸融入衛(wèi)星導(dǎo)航PNT服務(wù)，逐步形成以衛(wèi)星導(dǎo)航為核心的新一代天地一體、無縫覆蓋的時空服務(wù)體系。未來，結(jié)合云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興領(lǐng)域，將涌現(xiàn)出眾多“PNT+”式的新興技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域。

二、北斗在“一帶一路”沿線應(yīng)用的性能、現(xiàn)狀與困難

（一）北斗服務(wù)性能評估

與國際上其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗在提供基本導(dǎo)航服務(wù)的同時，還能提供分米級星基增強和短報文服務(wù)。自2017年北斗分米級星基增強服務(wù)開通后，有效提升了北斗系統(tǒng)基本服務(wù)的性能，增加了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)模式。2016—2018年，北斗與全球定位系統(tǒng)（GPS）的雙頻定位服務(wù)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(wù)后，北斗系統(tǒng)基本服務(wù)的精度有較大提升，與GPS基本服務(wù)的精度相當。開通的北斗分米級星基增強服務(wù)精度顯著優(yōu)于GPS的基本服務(wù)精度，而GPS自身不具備星基增強功能，需依托廣域擴充系統(tǒng)（WAAS）實現(xiàn)類似功能。

圖1 GPS與北斗的基本服務(wù)、北斗分米級星基增強的服務(wù)精度比較

（二）北斗在“一帶一路”沿線的應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過多年應(yīng)用推廣，北斗“走出去”取得了初步成果，基于北斗基本服務(wù)的產(chǎn)業(yè)力量先于北斗特色服務(wù)率先在“一帶一路”沿線形成“星星之火”態(tài)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(xié)議，開展北斗應(yīng)用的落地建設(shè)。與俄羅斯建立衛(wèi)星導(dǎo)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(shè)立北斗首個海外中心——中阿北斗中心；2018年11月承辦聯(lián)合國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會第十三屆大會，習(xí)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(chǎn)業(yè)服務(wù)方面，目前，北斗應(yīng)用已先后進入“一帶一路”沿線30多個國家和地區(qū)，實現(xiàn)民企產(chǎn)品在十余個國家的銷售和應(yīng)用。我國部分企業(yè)，如上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司、上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司、北京合眾思壯科技股份有限公司等，結(jié)合“一帶一路”沿線國家的合作伙伴和資源，應(yīng)用北斗/衛(wèi)星導(dǎo)航捆綁式銷售，在行業(yè)性應(yīng)用服務(wù)中取得一些可喜的成績。

（三）北斗“一帶一路”應(yīng)用存在的主要困難

1.系統(tǒng)服務(wù)層面

國際衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測評估系統(tǒng)2018年12月的結(jié)果（見圖2）顯示[5]，在全球范圍內(nèi)，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(qū)）的基本服務(wù)性能相當；歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Galileo）由于星座尚不完整，雖然整體服務(wù)性能與北斗和GPS相當，但在服務(wù)可用性和連續(xù)性方面有待進一步提升；俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）的服務(wù)性能相對較差。

雖然北斗目前與GPS的服務(wù)性能相當，但由于GPS占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢，全球性的產(chǎn)業(yè)力量體系發(fā)展十分成熟，當前已占據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域絕大部分市場，在基本服務(wù)市場北斗很難取代GPS。

2.特色服務(wù)層面

除基本服務(wù)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(wù)的能力。

2017年北斗建成的分米級星基增強系統(tǒng)，基于國際領(lǐng)先的四重差分參數(shù)疊加體制和高精度差分參數(shù)播發(fā)體制，實現(xiàn)了覆蓋中國及周邊地區(qū)的分米級星基增強高精度服務(wù)。分米級星基增強服務(wù)相比地基增強服務(wù)而言無需在地面建設(shè)大量基礎(chǔ)設(shè)施，且高精度服務(wù)能力可滿足絕大部分經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求，是推廣高精度服務(wù)的重要途徑。目前，四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均已建成或開展星基增強系統(tǒng)建設(shè)，歐洲正在推進免費的星基增強服務(wù)，日本正在推進厘米級的星基增強服務(wù)。此外，商業(yè)公司也正在涌入星基增強服務(wù)市場。受服務(wù)覆蓋區(qū)域的限制，目前“一帶一路”沿線大部分地區(qū)尚未實現(xiàn)星基增強服務(wù)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(yīng)用落地，應(yīng)加強北斗系統(tǒng)服務(wù)建設(shè)，為其提供必要的系統(tǒng)開放服務(wù)平臺，讓北斗特色服務(wù)盡快走出國門，走進“一帶一路”沿線國家。

圖2 全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位服務(wù)精度比較

3.應(yīng)用產(chǎn)業(yè)層面

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響力主要體現(xiàn)在應(yīng)用層面。與國外衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的企業(yè)相比，國內(nèi)企業(yè)盡管整體發(fā)展迅速，但由于產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步晚，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)普遍規(guī)模小、力量分散、競爭力較弱。根據(jù)2017年歐盟發(fā)布的《GNSS市場報告》[6],中國市場占據(jù)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(tǒng)與各種增強、輔助手段和技術(shù)的發(fā)展，為其衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)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(dǎo)航公司、蘋果公司等全球領(lǐng)先的GPS芯片、基帶產(chǎn)品、用戶設(shè)備和服務(wù)提供商，催生了以GPS應(yīng)用為核心的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，形成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，實力水平居全球領(lǐng)先地位[7]。美國在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位表現(xiàn)為技術(shù)與產(chǎn)品的領(lǐng)先性，產(chǎn)品的規(guī)?；?，完整的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用服務(wù)體系以及對全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的強大影響力。

相比而言，國內(nèi)近幾年通過多種形式推廣應(yīng)用北斗服務(wù)和終端產(chǎn)品，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的快速發(fā)展壯大。但整體而言，芯片、高端器件和產(chǎn)品仍與國外有一定差距。北斗應(yīng)用要在“一帶一路”推廣應(yīng)用中實現(xiàn)對GPS的“彎道超車”，在基本服務(wù)能力相當?shù)臈l件下，基于北斗特色服務(wù)提升差異化競爭力、創(chuàng)造新的市場切入點和增長點是現(xiàn)實選擇。

圖3 衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)市場份額分布

三、北斗“一帶一路”應(yīng)用服務(wù)性能增強方法

（一）星基增強

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

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

地面基礎(chǔ)設(shè)施需要進行重點建設(shè)。北斗在“一帶一路”沿線僅能實現(xiàn)3～5 m的定位精度。為了實現(xiàn)分米級定位服務(wù)覆蓋，需在“一帶一路”國家和地區(qū)建設(shè)少量地面監(jiān)測站。根據(jù)當前分米級服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)能力，每個地面監(jiān)測站可實現(xiàn)覆蓋半徑約1000 km區(qū)域的分米級星基增強服務(wù)。

北斗分米級星基增強系統(tǒng)使北斗成為第一個融合基本導(dǎo)航、廣域增強以及精密定位三類服務(wù)模式為一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具備了優(yōu)于GPS的系統(tǒng)級星基服務(wù)性能，成為北斗差異化服務(wù)能力提升的有效途徑。

目前，北斗基本導(dǎo)航的系統(tǒng)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(qū)域如圖5所示。從圖5中可以看到，北斗系統(tǒng)的分米級服務(wù)覆蓋的淺紫色區(qū)域主要集中在中國及周邊區(qū)域。

圖4 北斗系統(tǒng)分米級星基增強服務(wù)當前覆蓋范圍

在“一帶一路”推廣應(yīng)用中，通過擴展地面觀測網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星播發(fā)資源，能夠?qū)⒈倍犯呔刃腔鰪姺?wù)推廣至“一帶一路”所涉及的國家和地區(qū)。

根據(jù)當前北斗分米級服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計原則，基于每個地面監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)半徑約1000 km區(qū)域內(nèi)的分米級星基增強服務(wù)。基于“一帶一路”沿線的觀測情況新增建設(shè)約18個連續(xù)觀測臺站，如圖6所示，圖6中的淺紫色區(qū)域為基于現(xiàn)有和新增連續(xù)臺站數(shù)據(jù)的北斗分米級服務(wù)覆蓋區(qū)域。表1統(tǒng)計了“一帶一路”北斗分米級星基增強覆蓋區(qū)域的位置服務(wù)性能。通過在該區(qū)域新建少量北斗連續(xù)觀測臺站，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶三維位置精度優(yōu)于0.25 m的服務(wù)性能。此外，將北斗與其他導(dǎo)航系統(tǒng)進行融合能進一步提高服務(wù)的性能及服務(wù)可用性。

圖5 北斗系統(tǒng)分米級星基增強服務(wù)當前的覆蓋范圍

圖6 “一帶一路”分米級星基增強監(jiān)測站分布及覆蓋情況

北斗四重差分參數(shù)是通過分布于赤道上的5顆GEO衛(wèi)星向用戶進行廣播。在“一帶一路”歐洲地區(qū)存在GEO無法全覆蓋的情況。為實現(xiàn)該區(qū)域分米級星基增強服務(wù)的可用性，考慮利用北斗系統(tǒng)備份或者退役GEO衛(wèi)星進行補充。依據(jù)現(xiàn)有電文協(xié)議和現(xiàn)有的服務(wù)頻段，向目前難以覆蓋區(qū)域播發(fā)星基增強電文信息。

（二）北斗短報文海外服務(wù)系統(tǒng)

向“一帶一路”國家和地區(qū)推廣普及短報文服務(wù)，需進行北斗系統(tǒng)海外服務(wù)能力擴展，搭建服務(wù)海外的專用系統(tǒng)平臺。

1.北斗短報文海外服務(wù)系統(tǒng)

向“一帶一路”沿線國家提供大眾化的服務(wù)，可設(shè)計一套服務(wù)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(tǒng)與服務(wù)平臺，提升北斗海外服務(wù)應(yīng)用能力。根據(jù)海外應(yīng)用規(guī)模，可釋放出每小時數(shù)千萬次的服務(wù)能力資源，開發(fā)應(yīng)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(wèi)星系統(tǒng)

根據(jù)短報文海外服務(wù)容量的需要，前期可基于現(xiàn)有的GEO衛(wèi)星提供服務(wù)。當現(xiàn)有的GEO衛(wèi)星難以滿足未來大規(guī)模分米級用戶服務(wù)需求時，考慮針對“一帶一路”服務(wù)區(qū)域增發(fā)增強型GEO衛(wèi)星。衛(wèi)星的初步定點經(jīng)度設(shè)計在東經(jīng)60°或140°區(qū)域，星上搭載短報文和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS）載荷，既能增強現(xiàn)有服務(wù)區(qū)域，還可以擴展“一帶一路”沿線的服務(wù)區(qū)域。屆時，補充服務(wù)的衛(wèi)星將同步提供海外短報文和分米級星基增強服務(wù)系統(tǒng)性能，進一步提升北斗系統(tǒng)服務(wù)的競爭力。

表1 “一帶一路”各區(qū)域分米級精度試驗結(jié)果

（三）示范應(yīng)用

自北斗的短報文和星基增強服務(wù)開通以來，為更好推動系統(tǒng)的應(yīng)用推廣，先后制定了用戶接口協(xié)議、用戶應(yīng)用算法等系列標準文件。芯片、板卡、終端生產(chǎn)廠家也已完成了相應(yīng)的協(xié)議升級和應(yīng)用軟件改造。面向“一帶一路”應(yīng)用，需要完善相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)布局，升級現(xiàn)有協(xié)議、標準，滿足更多用戶、更廣區(qū)域、更高精度的服務(wù)要求。

在芯片領(lǐng)域，重點突破多模兼容（SoC）導(dǎo)航芯片的系列關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多系統(tǒng)融合導(dǎo)航定位芯片，對標國際主流芯片，進一步提升產(chǎn)品競爭力。在用戶終端領(lǐng)域，加強北斗短報文、星基增強等特色技術(shù)的融合應(yīng)用，設(shè)計標準化、易移植的嵌入式軟件，開發(fā)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(dǎo)航、多頻精密單點定位終端，實現(xiàn)從芯片到終端的便捷應(yīng)用，重點發(fā)展面向智能應(yīng)用的高精度終端產(chǎn)品。在“一帶一路”沿線地區(qū)推廣方面，采用因地制宜的策略，在深入調(diào)研本地化需求的基礎(chǔ)上，做好針對性的衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）特色服務(wù)產(chǎn)品以及高精度導(dǎo)航產(chǎn)品研發(fā)，提供適銷對路的產(chǎn)品和服務(wù)。

四、保障建議

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

二是合力推進海外基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。通過多種渠道，以多種形式的國際合作推廣北斗海外應(yīng)用，促進海外基礎(chǔ)設(shè)施落地。

三是積極探索特色服務(wù)示范體系。研發(fā)針對“一帶一路”重點地區(qū)的示范性產(chǎn)品；依托國內(nèi)具有豐富海外工程經(jīng)驗的企業(yè)，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(wù)示范應(yīng)用的推廣平臺。