全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

劉 健 ，曹 沖

0 引言

1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射世界上第1顆人造地球衛(wèi)星，遠(yuǎn)在美國(guó)霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室2個(gè)年輕學(xué)者接收該衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星與接收機(jī)之間形成的運(yùn)動(dòng)多普勒頻移效應(yīng)，并斷言可以用來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位。在他們的建議下，美國(guó)在 1964年建成了國(guó)際上第 1個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即“子午儀”，由6顆衛(wèi)星構(gòu)成星座，用于海上軍用艦艇船舶的定位導(dǎo)航。1967年，“子午儀”系統(tǒng)解密并提供給民用。由此可見(jiàn)，從20世紀(jì)70年代后期全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）建設(shè)開(kāi)始，至2020年多星座構(gòu)成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）均屬于第2代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，它們包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）和歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system，Galileo）等 4 個(gè)全球系統(tǒng)，以及日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system，QZSS）和印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Indian regional navigational satellite system，IRNSS）等 2 個(gè)區(qū)域系統(tǒng)，其中IRNSS也稱(chēng)為印度星座導(dǎo)航（navigation with Indian constellation，NavIC）。以上除中國(guó)之外的5個(gè)國(guó)家作為GNSS服務(wù)提供商均持有相應(yīng)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，它們分別是：美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（wide area augmentation system，WAAS）、俄羅斯的差分改正監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（differential corrections and monitoring，SDCM）、歐洲的地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)（European geostationary navigation overlay service，EGNOS）、印度的 GPS 輔助型靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS aided geo augmented navigation，GAGAN）和日本的多功能衛(wèi)星星基增強(qiáng)系統(tǒng)（ multi-functional satellite augmentation system，MSAS）。而中國(guó)由于其衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展之路與其他國(guó)家不同，它所建設(shè)的北斗二號(hào)（BeiDou navigation satellite（regional）system，BDS-2）就是區(qū)域系統(tǒng)，而其建設(shè)的北斗三號(hào)（BeiDou navigation satellite system with global coverage，BDS-3）還包括星基增強(qiáng)系統(tǒng)功能。綜上所述，所謂的第 2代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，就是指 GNSS，它是泛指的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是涵蓋全球系統(tǒng)、區(qū)域系統(tǒng)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)之系統(tǒng)的概念[1]。那么會(huì)不會(huì)有第3代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)出現(xiàn)呢？應(yīng)該有，因?yàn)樗幸呀?jīng)建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家均在考慮或者推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的下一步創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃，也有考慮與通信一體融合的導(dǎo)航星座。

1 GNSS發(fā)展演變過(guò)程及其現(xiàn)狀

1.1 GPS的由來(lái)和發(fā)展

美 國(guó) 國(guó) 防 部 （ United States Department of Defense，DOD）于 1973年決定成立GPS計(jì)劃聯(lián)合辦公室，由軍方聯(lián)合開(kāi)發(fā)全球測(cè)時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航定位系統(tǒng)（navigation system with time and ranging，NAVSTAR）/GPS）。整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)分3個(gè)階段實(shí)施：第 1階段（1973—1979年），系統(tǒng)原理方案可行性驗(yàn)證階段（含設(shè)備研制）；第 2階段（1979—1983年），系統(tǒng)試驗(yàn)研究（對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)）與系統(tǒng)設(shè)備研制階段；第3階段（1983—1988年），工程發(fā)展和完成階段。從1978年發(fā)射第1顆GPS衛(wèi)星，到1994年3月10日完成21顆工作衛(wèi)星加3顆備用衛(wèi)星的衛(wèi)星星座配置，1995年4月，美國(guó)國(guó)防部正式宣布 GPS具備完全工作能力。GPS的建設(shè)歷經(jīng)20 a，其系統(tǒng)由空間段、運(yùn)控段、用戶(hù)段3大部分組成，整個(gè)星座額定有24顆衛(wèi)星，分置在6個(gè)中軌道面內(nèi)，它的優(yōu)良性能被譽(yù)為是一場(chǎng)導(dǎo)航領(lǐng)域的革命。GPS提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（standard positioning system，SPS）和精密定位業(yè)務(wù)（precise positioning service，PPS），在包含選擇可用性技術(shù)（selective availability，SA）影響時(shí)，SPS的定位精度水平為100 m（95 %的概率），不含SA影響為 20~30 m，定時(shí)精度為 340 ns；PPS定位精度可在10 m以?xún)?nèi)[1-3]。

1.2 GPS的現(xiàn)代化

1996年提出GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，其第1個(gè)標(biāo)志性行動(dòng)是，從2000年5月1日起，取消GPS衛(wèi)星人為惡化定位精度的 SA技術(shù)，致使定位精度有數(shù)量級(jí)的提升。20多年來(lái)，美國(guó)持續(xù)推進(jìn)現(xiàn)代化計(jì)劃，投入200多億美元的巨資，主要目標(biāo)是提高空間段衛(wèi)星和地面段運(yùn)控的水平，將軍民用信號(hào)分離，在強(qiáng)化軍用功性能的同時(shí)，將民用信號(hào)從1個(gè)增加到4個(gè)，除了保留L1頻點(diǎn)上的C/A碼民用信號(hào)外，在原先的L1和L2頻點(diǎn)上又加上民用L1C和L2C碼，還新增加L5頻點(diǎn)民用信號(hào)，大大增加了民用信號(hào)的冗裕度，從而改進(jìn)了系統(tǒng)的定位精度、信號(hào)的可用性和完好性、服務(wù)的連續(xù)性，以及抗無(wú)線(xiàn)干擾能力；也有助于高精度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（real-time kinematic，RTK）測(cè)量和在長(zhǎng)短基線(xiàn)上的應(yīng)用，還有利于飛機(jī)的精密進(jìn)場(chǎng)和著陸、測(cè)繪、精細(xì)農(nóng)業(yè)、機(jī)械控制與民用室內(nèi)增強(qiáng)的應(yīng)用，以及地球科學(xué)研究[4]。圖1為近幾代GPS衛(wèi)星及其未來(lái)一代GPSIIIF的主要功性能示意。

圖1 近期GPS幾代衛(wèi)星及其未來(lái)一代GPSIIIF的主要功性能

GPS現(xiàn)代化是項(xiàng)系統(tǒng)性工作，它包括：空間衛(wèi)星段、地面運(yùn)控段、新的運(yùn)控系統(tǒng)（operational control system，OCX）和用戶(hù)設(shè)備段現(xiàn)代化，其核心是增加L5頻點(diǎn)和民用信號(hào)數(shù)量與改變制式，實(shí)現(xiàn)與其他GNSS信號(hào)的互操作。最后1顆GPSIIIF預(yù)計(jì)2034年發(fā)射，宣告GPS現(xiàn)代化進(jìn)程結(jié)束。

1.3 GLONASS的由來(lái)發(fā)展和現(xiàn)代化

1976年蘇聯(lián)政府頒布建立GLONASS的政府令，并成立相應(yīng)的科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。1982年10月12日，成功發(fā)射第1顆GLONASS衛(wèi)星。1996年1月24顆衛(wèi)星全球組網(wǎng)，宣布進(jìn)入完全工作狀態(tài)。之后，蘇聯(lián)解體，GLONASS步入艱難維持階段，2000年年初，該系統(tǒng)僅有7顆衛(wèi)星正常工作，幾近崩潰邊緣。2001年8月，俄羅斯政府通過(guò)了2002—2011年間GLONASS恢復(fù)和現(xiàn)代化計(jì)劃。2001年12月發(fā)射成功第1顆現(xiàn)代化衛(wèi)星GLONASS-M。直到2012年該系統(tǒng)回歸到24顆衛(wèi)星完全服務(wù)狀態(tài)。圖2為GLONASS衛(wèi)星第1代至第3代主要性能示意[5]。

GLONASS至今已經(jīng)有3代衛(wèi)星：第1代衛(wèi)星是傳統(tǒng)的 GLONASS基本型；第 2代星是GLONASS-M現(xiàn)代化衛(wèi)星；第3代就是最新開(kāi)發(fā)的GLONASS-K衛(wèi)星，至目前為止，K星系列又分為K1和K2 2種型號(hào)。

GLONASS星座是由 3個(gè)軌道面上的 24顆衛(wèi)星構(gòu)成的。其傳統(tǒng)的信號(hào)使用頻分多址（frequency division multiple access，F(xiàn)DMA），而不是其他 GNSS所用的碼 分 多 址 （ code division multiple access，CDMA）。與傳統(tǒng)的 GPS信號(hào)一樣，GLONASS信號(hào)包括 2 個(gè)偽隨機(jī)噪聲碼（pseudo random noise code，PRN）測(cè)距碼：標(biāo)準(zhǔn)精度（standard accuracy，ST）碼及高精度（Visokaya Tochnost 即 high precision，VT）碼，調(diào)制到 L1和 L2載波上。GLONASS ST碼也已經(jīng)在GLONASS-M衛(wèi)星的L2頻率上傳輸。發(fā)送的信號(hào)像 GPS信號(hào)一樣是右旋圓極化波的。GLONASS-K1 在新的 L3 頻率（1 202.025 MHz）上傳輸CDMA信號(hào)，GLONASS-K2還將在L1和L2頻率上提供CDMA信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)與其他GNSS的兼容與互操作。GLONASS-K1星的空間信號(hào)測(cè)距誤差（signal-in-space user range errors，SISRE）約為1 m，GLONASS-K2 星則為 0.3 m[6]。

1.4 BDS的三步走發(fā)展進(jìn)程

20世紀(jì)后期，中國(guó)開(kāi)始探索適合國(guó)情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，逐步形成了三步走發(fā)展戰(zhàn)略：2000年年底，建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)即北斗一 號(hào) （ BeiDou navigation demonstration system，BDS-1），向中國(guó)提供服務(wù)；2012年年底，建成北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；計(jì)劃在2020年，建成北斗三號(hào)全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)。2035年前還將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系[6-8]。

中國(guó)堅(jiān)持“自主、開(kāi)放、兼容、漸進(jìn)”原則建設(shè)發(fā)展BDS：①所謂自主，是堅(jiān)持自主建設(shè)、發(fā)展和運(yùn)行BDS，具備向全球用戶(hù)獨(dú)立提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的能力；②所謂開(kāi)放，是免費(fèi)提供公開(kāi)的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，鼓勵(lì)開(kāi)展全方位、多層次、高水平的國(guó)際合作與交流；③所謂兼容，是提倡與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)展兼容與互操作，鼓勵(lì)國(guó)際合作與交流，致力于為用戶(hù)提供更好的服務(wù)；④所謂漸進(jìn)，是分步驟推進(jìn)BDS建設(shè)發(fā)展，持續(xù)提升BDS服務(wù)性能，不斷推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展[8]。

目前，我國(guó)正在實(shí)施北斗三號(hào)工程建設(shè)。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，2018年底，完成19顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，完成基本系統(tǒng)建設(shè)，向全球提供服務(wù)；2020年完成由 3顆地球靜止軌道（geostationary Earth orbit，GEO）衛(wèi)星、3 顆傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits，IGSO）衛(wèi)星和 24 顆中圓地球軌道（medium Earth orbit，MEO）衛(wèi)星組成的完整星座，全面建成北斗三號(hào)。BDS由空間段、地面段和用戶(hù)段3部分組成：空間段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星 3種軌道衛(wèi)星組成混合導(dǎo)航星座；地面段包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站；用戶(hù)段包括BDS兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線(xiàn)等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用與服務(wù)系統(tǒng)等[7-8]。

圖2 GLONASS衛(wèi)星第1代至第3代主要性能

BDS具有以下特點(diǎn)：①BDS空間段采用3種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯；②BDS提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度；③BDS創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)5大功能。圖3所示是由3種軌道類(lèi)型構(gòu)成的BDS基礎(chǔ)效果圖。

1.5 E-GNSS的發(fā)展進(jìn)程

歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（European global navigation satellite systems，E-GNSS）就是 Galileo。Galileo笫1、2顆試驗(yàn)衛(wèi)星GIOV-A和GIOV-B已于 2005年和 2008年發(fā)射升空，目的是考證關(guān)鍵技術(shù)，其后有4顆工作衛(wèi)星發(fā)射，驗(yàn)證Galileo的空間段和地面段的相關(guān)技術(shù)。在軌驗(yàn)證（design and on-orbit verification，IOV）階段完成后，其他衛(wèi)星的部署進(jìn)一步展開(kāi)，計(jì)劃2018—2020年達(dá)到24顆衛(wèi)星構(gòu)成的完全運(yùn)行能力（full operational capability，F(xiàn)OC）。

Galileo也由空間段、運(yùn)控段和用戶(hù)段組成。星座有 24顆衛(wèi)星分置于 3個(gè)中圓地球軌道面內(nèi)。Galileo信號(hào)工作的主要頻段為E1、E5及E6 3個(gè)。它們各自發(fā)射獨(dú)立的信號(hào)，發(fā)射的中心頻率分別為：1 575.42、1 191.795和 1 278.75 MHz。其中，E5又分為E5a和E5b 2個(gè)子信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)與GPS的兼容互操作，Galileo的E1和E5a 2個(gè)信號(hào)的中心頻率與GPS的L1和L5相互重合。出于同樣的兼容互操作目的，Galileo的E5b與GLONASS的G3信號(hào)中心頻率重合。

圖4為Galileo的實(shí)施進(jìn)程與計(jì)劃安排示意。

Galileo雖然提供的信息仍還是位置、速度和時(shí)間，但是Galileo提供的服務(wù)種類(lèi)遠(yuǎn)比GPS多，GPS僅有民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和軍用的精密定位服務(wù)（PPS）2種，而Galileo則提供5種服務(wù)，這就是：①公開(kāi)服務(wù)（open service，OS），與 GPS的SPS相類(lèi)似，免費(fèi)提供；②生命安全服務(wù)（safety of life service，SoLS）；③商業(yè)服務(wù)（commercial service，CS）；④公共特許服務(wù)（public regulated service，PRS）；⑤搜救服務(wù)（search and rescue support service,SAR）。以上所述的前 4 種是 Galileo的核心服務(wù)，最后 1種則是支持搜救衛(wèi)星服務(wù)（ search and rescue satellite-aided tracking，SARSAT）。由于生命安全服務(wù)實(shí)際運(yùn)作有難度，近些年來(lái)已經(jīng)不太提及。即使這樣，Galileo服務(wù)還是種類(lèi)較多且獨(dú)具特色，它能提供完好性廣播、服務(wù)保證，以及民用控制和局域增強(qiáng)[6]。

Galileo的公開(kāi)服務(wù)提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)免費(fèi)服務(wù)，供大眾導(dǎo)航市場(chǎng)應(yīng)用。生命安全服務(wù)可以同國(guó)際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）標(biāo)準(zhǔn)和推薦條款（standards and recommended practices，SARPS）中的“垂直制導(dǎo)方法”相比擬，并提供完好性信息。商業(yè)服務(wù)是對(duì)公開(kāi)服務(wù)的1種增值服務(wù)，它具備加密導(dǎo)航數(shù)據(jù)的鑒別認(rèn)證功能，為測(cè)距和授時(shí)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用提供有保證的服務(wù)承諾。公共特許服務(wù)是為歐洲/國(guó)家安全應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)置的，是特許的或關(guān)鍵的應(yīng)用，以及具有戰(zhàn)略意義的活動(dòng)，其衛(wèi)星信號(hào)更為可靠耐用，受成員國(guó)控制。Galileo提供的公共服務(wù)定位精度通常為15~20 m（單頻）和 5~10 m（雙頻）2種檔次。公共特許服務(wù)有局域增強(qiáng)時(shí)能達(dá)到 1 m，商用服務(wù)有局域增強(qiáng)時(shí)為 10 cm~1 m[6]。

圖3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)效果

圖4 Galileo的實(shí)施進(jìn)程與計(jì)劃安排[6]

2 4 GNSS發(fā)展現(xiàn)狀與GNSS系統(tǒng)之系統(tǒng)

2.1 4 GNSS的發(fā)展現(xiàn)狀與重要特點(diǎn)

GPS現(xiàn)代化進(jìn)程命運(yùn)多舛，第1個(gè)GPSIII衛(wèi)星到2018年12月23日才發(fā)射入軌，至今GPS在軌衛(wèi)星 32顆（也有提法為 34顆），工作衛(wèi)星31顆，其中工作衛(wèi)星壽命超過(guò)10 a的衛(wèi)星達(dá)18顆（均是超期服役者），有 1顆已經(jīng)工作 25 a以上（世界上工作壽命最長(zhǎng)的導(dǎo)航衛(wèi)星）。GPS新的運(yùn)控系統(tǒng)（OCX）也一直在拖拖拉拉中前進(jìn)。GPSIII衛(wèi)星共有10顆，計(jì)劃至2023年年底之前發(fā)射完畢。其后是22顆GPSIIIF衛(wèi)星，其中第1顆衛(wèi)星預(yù)計(jì)2026年發(fā)射，而最后1顆GPSIIIF衛(wèi)星的發(fā)射日期定在2034年。1996年至2034年，多么漫長(zhǎng)的現(xiàn)代化進(jìn)程。目前GPS空間信號(hào)測(cè)距性能誤差為 0.375~0.777 m。其 GPSIII衛(wèi)星的工作壽命延長(zhǎng)到15 a，精度比GPSII系列提高了3倍，抗干擾能力提高了8倍，并且開(kāi)始考慮有效載荷的完全數(shù)字化和軟件化，以便隨著技術(shù)進(jìn)步能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星在軌性能重置和軟件更新[9]。其新一代運(yùn)控系統(tǒng)C2將在2022年轉(zhuǎn)入正式工作。其天地基結(jié)合的增強(qiáng)系統(tǒng)和播發(fā)系統(tǒng)，包括商用精密增強(qiáng)系統(tǒng)，都在投入工作。已經(jīng)開(kāi)始的新一代導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星 NTS-3在軌試驗(yàn)技術(shù)將會(huì)比 GPSIII強(qiáng)大得多。

GLONASS現(xiàn)代化經(jīng)歷了M星、K1星、K2星3種型號(hào)發(fā)展過(guò)程。在保留其 FDMA信號(hào)制式的基礎(chǔ)上，又增加了與其他 GNSS兼容互操作的CDMA制式。它的現(xiàn)代化過(guò)程當(dāng)然更加復(fù)雜而繁重，整體變化也較大。目前其在軌衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到27顆，工作衛(wèi)星數(shù)量為額定的24顆。其地面運(yùn)控組合包括控制中心、單向參考站網(wǎng)絡(luò)、上行數(shù)據(jù)鏈站網(wǎng)和激光測(cè)距站網(wǎng)，還包括的基礎(chǔ)設(shè)施準(zhǔn)備有3個(gè)32 m的天文望遠(yuǎn)鏡、2個(gè)7 m的天文望遠(yuǎn)鏡、3個(gè)相關(guān)器、1個(gè)冷原子光鐘頻率參考源和 50個(gè)天文與大地測(cè)量站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。GLONASS現(xiàn)在提供的民用服務(wù)共有4種：①開(kāi)放服務(wù)，精度2 m，針對(duì)空間段而言；②改進(jìn)可靠性和精度的服務(wù)，精度1 m，指差分改正和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；③相對(duì)導(dǎo)航服務(wù)，精度為0.03 m，指高精度定位國(guó)家系統(tǒng)；④高精準(zhǔn)服務(wù)，精度為0.1 m，指獲取導(dǎo)航和星歷與時(shí)間信息的高精準(zhǔn)系統(tǒng)[10]。

當(dāng)前BDS是GNSS中最為復(fù)雜的系統(tǒng)，它不僅是北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)與北斗三號(hào)全球系統(tǒng)過(guò)渡性的組合，也是融合GEO、IGSO、MEO 3種軌道類(lèi)型的復(fù)雜星座，還是同時(shí)提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)（positioning，navigation and time，PNT）服務(wù)和通信服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。2019年 4月 23 日發(fā)射的衛(wèi)星是北斗三號(hào)第20顆組網(wǎng)衛(wèi)星，也是北斗三號(hào)首顆IGSO衛(wèi)星，該衛(wèi)星將與此前發(fā)射的18顆MEO衛(wèi)星和1顆GEO衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)。今年內(nèi)還要發(fā)射6顆MEO、2顆GEO和2顆IGSO衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào) 30顆衛(wèi)星全星座組網(wǎng)，為在 2020年全面提供全球服務(wù)創(chuàng)造條件，屆時(shí)北斗三號(hào)在軌衛(wèi)星達(dá)到30顆，其中3顆GEO，3顆IGSO，加上24顆MEO衛(wèi)星，是GNSS中額定星座中最大的星座。北斗三號(hào)全球服務(wù)的性能指標(biāo)是：空間信號(hào)測(cè)距誤差優(yōu)于0.5 m；定位精度單頻測(cè)量為7 m：雙頻測(cè)量為 3 m；測(cè)速精度 0.2 m/s：授時(shí)精度 20 ns：可用性99 %。而其在亞太區(qū)域的服務(wù)性能明顯優(yōu)于全球性能[11]。表1所示為北斗三號(hào)系統(tǒng)提供的6種服務(wù)及其參與服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量分布。

表1 北斗三號(hào)提供的6種服務(wù)及其參與服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量分布

從2011年開(kāi)始部署Galileo的正式工作星座，至2018年底業(yè)已入軌工作的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到26顆，已經(jīng)超過(guò)其額定星座 24衛(wèi)星的目標(biāo)。并已完成6 個(gè)遙測(cè)、通信和控制（tracking telemetry and command，TTC）站、5 個(gè)上行注入站（upload stations，ULS）和 16 個(gè)全球傳感器站（Galileo sensor station，GSS）網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。歐洲GNSS管理局是其總部管理機(jī)構(gòu)，位于捷克布拉格。Galileo具有 6個(gè)地面核心基礎(chǔ)設(shè)施，包括 2個(gè)發(fā)射和早期軌道測(cè)試基地、1個(gè)在軌測(cè)試基地、2個(gè)控制中心和2個(gè)時(shí)間與大地測(cè)量基地，還具有5個(gè)服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，包括2個(gè)公共特許服務(wù)（PRS）和安全監(jiān)測(cè)中心、1個(gè)Galileo搜救（SAR）數(shù)據(jù)服務(wù)提供中心、1個(gè)GNSS服務(wù)中心和1個(gè)Galileo參考中心。從2016年底Galileo開(kāi)始提供初始服務(wù)，根據(jù)2018年5月18日的測(cè)試結(jié)果表明，Galileo的空間信號(hào)測(cè)距誤差在0.25~0.54 m 之間，平均誤差 0.34 m（95 %）。而其世界協(xié)調(diào)時(shí)（coordinated universal time，UTC）評(píng)定精度為8.4 ns（95 %），利用多系統(tǒng)GNSS測(cè)定的單頻定位精度為4.32 m（95 %），雙頻定位精度為0.78 m（95 %）。Galileo為了擴(kuò)大應(yīng)用采取了包括E112、eCall、數(shù)字測(cè)速儀等標(biāo)配化舉措，取得了不菲的效果。Galileo將基于E6B的PPP信號(hào)發(fā)射提供精度為 20 cm的高精度免費(fèi)服務(wù)，還將在 E1公開(kāi)服務(wù)中集成電子標(biāo)簽通過(guò)免費(fèi)的身份認(rèn)證。在2021年底至2023年早期Galileo將發(fā)射一箭雙星 7次，共 14顆后續(xù)替補(bǔ)衛(wèi)星。同時(shí)從2023年后期至2029年間部署Galileo第2代導(dǎo)航衛(wèi)星，數(shù)量為16顆。第2代衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)從后向兼容向前向兼容的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)、增長(zhǎng)工作壽命、進(jìn)一步提高安全性，并降低成本和實(shí)現(xiàn)接收機(jī)最佳化應(yīng)用。還計(jì)劃強(qiáng)化應(yīng)急報(bào)警服務(wù)和啟動(dòng)用戶(hù)咨詢(xún)平臺(tái)[12]。

2.2 系統(tǒng)之系統(tǒng)的內(nèi)涵及其外延

GNSS系統(tǒng)之系統(tǒng)的概念，是將美、俄、中、歐4個(gè)全球系統(tǒng)，日、印2個(gè)區(qū)域系統(tǒng)，以及以上6國(guó)所提供的星基增強(qiáng)系統(tǒng)（中國(guó)的區(qū)域系統(tǒng)涵蓋在BDS中）全部納入。這樣（如表2所示），目前已經(jīng)在軌工作提供服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到 134顆，2020年將超過(guò)140顆[9-14]。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功性能指標(biāo)，從GPS一開(kāi)始就認(rèn)定為：精度、可用性、連續(xù)性和完好性。其中最為重要的是精度，業(yè)內(nèi)有句流行的話(huà)：“衛(wèi)星導(dǎo)航玩兒的就是精度”，因?yàn)閷?dǎo)航衛(wèi)星上的關(guān)鍵核心技術(shù)是原子鐘，由于原子鐘的存在，讓導(dǎo)航衛(wèi)星成為高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)的信息源，利用時(shí)間傳遞和測(cè)量實(shí)現(xiàn)距離的度量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、無(wú)限量地服務(wù)于國(guó)計(jì)民生，成就了GNSS這樣的偉業(yè)。所以，業(yè)界出現(xiàn)了一句流行語(yǔ)：“衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用只受到人們想象力的限制”，也就是說(shuō)，其應(yīng)用服務(wù)“只有想不到的，沒(méi)有做不到的”。表2為GNSS系統(tǒng)之系統(tǒng)的衛(wèi)星在軌和工作衛(wèi)星數(shù)量。

表2 GNSS系統(tǒng)之系統(tǒng)的衛(wèi)星在軌和工作衛(wèi)星數(shù)量一覽表

但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航的脆弱性也表現(xiàn)得十分明顯，從遙遠(yuǎn)衛(wèi)星傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)，到達(dá)地面時(shí)已經(jīng)非常微弱，容易受到自然和人為的電磁干擾，容易受到地形地貌地物的遮擋影響，尤其是在城市峽谷地區(qū)，各種各樣的建筑物造成衛(wèi)星信號(hào)的阻斷、反射、折射，產(chǎn)生信號(hào)盲區(qū)和多徑效應(yīng)等等，妨礙了導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的正常接收；因而存在沒(méi)有足夠的衛(wèi)星數(shù)量和合理的空間分布，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位，或者定位效果不佳的問(wèn)題。而GNSS多星座多頻點(diǎn)工作讓衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可用性、連續(xù)性和完好性功性能指標(biāo)的有效性有了極大的提高和躍升。由于衛(wèi)星數(shù)量的多倍數(shù)增長(zhǎng)，不僅僅增加了可接收的衛(wèi)星數(shù)量，同時(shí)也大大改善了衛(wèi)星空間分布圖形，定位精度也有了明顯的提高。目前值得共同關(guān)注的是：與高精度大眾化應(yīng)用相關(guān)的雙頻/多星座星基增強(qiáng)，GNSS頻譜保護(hù)，以及信號(hào)堅(jiān)韌性提升[5]。

2.3 GNSS兼容互操作是技術(shù)發(fā)展最值得關(guān)注的趨勢(shì)

GNSS兼容互操作的概念是衛(wèi)星導(dǎo)航國(guó)際合作最有成效的倡議。它的兼容概念是保障每個(gè)系統(tǒng)能夠獨(dú)立工作，但是又不會(huì)影響到其他系統(tǒng)的工作；而它的互操作概念是可以使得GNSS系統(tǒng)間能夠相互依存，同時(shí)又可以相互利用，尤其是在頻點(diǎn) 1 575.42 MHz上實(shí)現(xiàn)互操作，利用同 1個(gè)接收機(jī)硬件系統(tǒng)能夠接收其他GNSS系統(tǒng)的同頻信號(hào)，只是解調(diào)不同制式信號(hào)時(shí)在軟件上有所不同。這種簡(jiǎn)單又實(shí)用的方式方法把不同系統(tǒng)組成了1個(gè)嶄新的GNSS系統(tǒng)，絕對(duì)是個(gè)多星座系統(tǒng)組合能力與效果大大地大于原先的分散系統(tǒng)，構(gòu)成多贏的解決方案。經(jīng)過(guò)近一階段眾多的測(cè)試結(jié)果表明，在兼容互操作概念推進(jìn)的過(guò)程中，已顯示出其強(qiáng)大的技術(shù)集成推進(jìn)力和強(qiáng)勁的生命力，大大增強(qiáng)了精度、可用性和完好性等一系列性能指標(biāo)[5]。

2.4 將GNSS作為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行再設(shè)計(jì)再利用

打造國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，不僅要把自主創(chuàng)新的事情做到好上加好，同時(shí)又能夠充分利用人類(lèi)的科技智慧結(jié)晶，做好系統(tǒng)集成和再創(chuàng)新。能把多國(guó)分別獨(dú)立設(shè)計(jì)的GNSS作為1個(gè)系統(tǒng)之系統(tǒng)，進(jìn)行再設(shè)計(jì)、再利用、再創(chuàng)新，形成新應(yīng)用新服務(wù)新方法新模式，是切實(shí)可行的1種創(chuàng)新思維和大膽探索。

3 GNSS系統(tǒng)及其應(yīng)用發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)

3.1 2020年是系統(tǒng)和應(yīng)用發(fā)展轉(zhuǎn)折點(diǎn)

GNSS作為系統(tǒng)之系統(tǒng)，2020年是個(gè)根本性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因?yàn)檎嬲耐耆度敕?wù)的機(jī)遇來(lái)到了。換句話(huà)說(shuō)，系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的歷史告一段落，而其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用與服務(wù)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展期和全盛期欣然到來(lái)。GNSS產(chǎn)業(yè)從“GNSS+”時(shí)期轉(zhuǎn)折性地發(fā)展到“+GNSS”時(shí)期，也就是說(shuō)，GNSS在一邊繼續(xù)發(fā)揮其新興技術(shù)的引領(lǐng)作用的同時(shí)，又大踏步地進(jìn)入與其他技術(shù)和產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨界融合的發(fā)展新時(shí)期，發(fā)揮其對(duì)于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和整合的強(qiáng)大作用，發(fā)揮其對(duì)于其他眾多產(chǎn)業(yè)的集成創(chuàng)新與關(guān)聯(lián)帶動(dòng)作用，成為發(fā)展智能產(chǎn)業(yè)的核心主線(xiàn)與牽引力和驅(qū)動(dòng)力[5]。

3.2 BDS/GNSS是現(xiàn)在和未來(lái)無(wú)人系統(tǒng)關(guān)鍵要素

BDS/GNSS目前最為熱門(mén)和具有良好前景的領(lǐng)域是無(wú)人系統(tǒng)，包括無(wú)人機(jī)、無(wú)人艦船、無(wú)人駕駛車(chē)輛等等，廣義而言，包括高端的機(jī)器人，其中如今最為接近市場(chǎng)的典型是無(wú)人飛行載體（unmanned aerial vehicle，UAV），而從較為長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮來(lái)講，當(dāng)然是無(wú)人駕駛車(chē)輛的應(yīng)用與服務(wù)。無(wú)人飛行系統(tǒng)在軍事項(xiàng)目中的應(yīng)用早已司空見(jiàn)慣，但是民用方面，還是近些年來(lái)的事情，特別是農(nóng)業(yè)飛行植保、飛機(jī)噴藥、飛機(jī)滅林火等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)城市物流配送，進(jìn)行門(mén)到門(mén)服務(wù)，進(jìn)入大眾消費(fèi)服務(wù)，顯然還是存在著許多重大挑戰(zhàn)。其中時(shí)空信息及其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演變數(shù)據(jù)是不可或缺的關(guān)鍵要素。這些新興業(yè)務(wù)不僅要求精度高，而且對(duì)于可靠性和智能化要求程度更高。這里主要涉及GNSS在UAV應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)、GNSS接收機(jī)的抗干擾技術(shù)，與高精度定位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量和環(huán)境智能化技術(shù)[5，15]。

3.3 導(dǎo)航與通信的融合成為技術(shù)發(fā)展的主軸

現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入智能融合發(fā)展的自動(dòng)化時(shí)代，其中最為主要的融合是導(dǎo)航與通信的融合，實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息的智能服務(wù)，這是科技發(fā)展的重要方向。在當(dāng)前低軌寬帶通信衛(wèi)星星座滿(mǎn)天飛的情況下，大多數(shù)只提到導(dǎo)航的增強(qiáng)功能，實(shí)際上有數(shù)百顆或者幾千顆衛(wèi)星的星座把通信與導(dǎo)航作為一體化載荷加以設(shè)計(jì)，已經(jīng)沒(méi)有任何困難。所以：首先是天基的導(dǎo)航與通信的一體化融合；其次就是地基的通信與導(dǎo)航融合，5G是個(gè)重大機(jī)遇。當(dāng)然WiFi網(wǎng)絡(luò)的通導(dǎo)一體化運(yùn)作也是1種不錯(cuò)的選擇。

3.4 從BDS導(dǎo)航向BDS新時(shí)空的升級(jí)跨越發(fā)展[5]

圖5為導(dǎo)航與通信智能融合情況。

由圖5可見(jiàn)，從精準(zhǔn)性、安全性、泛在性與連接性的“四性”基礎(chǔ)組合可以看到，新時(shí)空是將天基PNT推向泛在安全，推向萬(wàn)物互聯(lián)，推向智能融合，推向共享服務(wù)，是BDS/GNSS升級(jí)版，其實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的目標(biāo)是“奔向智能信息產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的新時(shí)代”。新時(shí)空技術(shù)及其服務(wù)產(chǎn)業(yè)代表的是未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化和環(huán)境智能化重大發(fā)展方向，尤其是環(huán)境智能化技術(shù)已經(jīng)成為所有自動(dòng)化系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，還是需要突破的世界性難題，是科技創(chuàng)新發(fā)展的重大時(shí)代命題[5,15]。

圖5 導(dǎo)航與通信智能融合將推動(dòng)自動(dòng)化和無(wú)人系統(tǒng)形成發(fā)展[5]

4 結(jié)束語(yǔ)

2020年是GNSS系統(tǒng)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其后10多年則會(huì)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)的快速持續(xù)健康發(fā)展的新階段；而虛擬的 GNSS系統(tǒng)之系統(tǒng)概念會(huì)逐步發(fā)酵，由兼容互操作入手，進(jìn)而有可能形成實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新應(yīng)用模式。與此同時(shí)，各國(guó)的導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)循各自的規(guī)劃目標(biāo)大步前進(jìn)，中國(guó)的BDS將在2035年建成綜合時(shí)空體系。在BDS新時(shí)空服務(wù)的推動(dòng)下，我國(guó)的智能信息產(chǎn)業(yè)和中國(guó)服務(wù)的國(guó)家品牌將享譽(yù)全世界。