全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與特點(diǎn)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(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功，標(biāo)志著北斗三號全球星座部署全面完成，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式擁有全天時、全天候、全球覆蓋的服務(wù)能力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為繼美國全球定位系統(tǒng)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后世界第三個全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)，得到了全球的廣泛關(guān)注。為此，本文將系統(tǒng)梳理全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢，并對未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行展望。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體概述

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

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

GPS、GLONASS 分別于1994 年、2009 年完成部署，開始提供全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，目前處于不斷更新中；北斗系統(tǒng)于2020 年6 月完成全球星座部署，Galileo 系統(tǒng)預(yù)計到2020 年年底也將完成全部衛(wèi)星部署，屆時所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作重點(diǎn)均從部署轉(zhuǎn)到系統(tǒng)維護(hù)升級與基礎(chǔ)應(yīng)用開發(fā)擴(kuò)展。根據(jù)憂思科學(xué)家聯(lián)盟（UCS）統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2020 年7 月，全球在軌導(dǎo)航衛(wèi)星138 顆，其中，GPS、GLONASS、北斗系統(tǒng)、Galileo 系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)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(tǒng)（GPS）發(fā)展現(xiàn)狀。GPS 是美國國防部于20 世紀(jì)70 年代開始建設(shè)的中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，1994 年開始并提供運(yùn)營服務(wù)，可以為地球表面98%的絕大部分地區(qū)提供準(zhǔn)確的定位、測速和高精度的標(biāo)準(zhǔn)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(wèi)星星座最初設(shè)計由24 顆衛(wèi)星組成，其中21 顆為工作衛(wèi)星，3 顆為備用衛(wèi)星。24 顆衛(wèi)星均勻分布在6 個軌道平面上，每個軌道面上有4 顆衛(wèi)星。2011 年6 月，美國空軍成功擴(kuò)展GPS 衛(wèi)星星座，調(diào)整6 顆衛(wèi)星位置，并多加入3顆衛(wèi)星，使工作衛(wèi)星數(shù)目增加至27 顆，擴(kuò)大了覆蓋范圍，提高了準(zhǔn)確度。截至 2020 年7 月12 日，在軌工作衛(wèi)星達(dá)到32 顆，其中包括1997 年到2004 年發(fā)射的GPS-2R 衛(wèi)星10 顆、2005 年到2009 年發(fā)射的GPS-2RM 衛(wèi)星7 顆、2010 年到2016 年發(fā)射的GPS-2F 衛(wèi)星12 顆，以及2018 年到2020 年發(fā)射的GPS-3 衛(wèi)星3 顆。多余衛(wèi)星不參與星座組網(wǎng)，但可以增加定位精度和可靠性。

GPS-3 衛(wèi)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(shù)據(jù)注入站和6 個空軍監(jiān)測站，以及空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)遠(yuǎn)程追蹤天線（AFSCN）、美國智能化地理空間局（NGA）監(jiān)測站。主控站是整個地面監(jiān)控系統(tǒng)的管理中心和技術(shù)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(fā)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(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文等信息注入到相應(yīng)的衛(wèi)星，4 個注入站分別位于南太平洋馬紹爾群島的瓜加林環(huán)礁、大西洋上的英國屬地阿森松島、英屬印度洋領(lǐng)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(jiān)測站的主要作用是采集GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境數(shù)據(jù)，發(fā)送給主控站?？哲姳O(jiān)測站目前有6 個，上述4 個注入站同時也是監(jiān)測站，另外還有位于夏威夷和卡納維拉爾角2 處監(jiān)測站。

用戶段部分，包括GPS 軍用接收機(jī)器、智能手機(jī)等，主要作用是從GPS 衛(wèi)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）發(fā)展現(xiàn)狀。GLONASS 由蘇聯(lián)在1976 年啟動建設(shè)，后由俄羅斯繼續(xù)該計劃。1993 年，俄羅斯開始獨(dú)自建立本國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2007 年開放俄羅斯境內(nèi)衛(wèi)星定位及導(dǎo)航服務(wù)，2009 年將服務(wù)范圍拓展到全球，主要服務(wù)內(nèi)容包括確定陸地、海上及空中目標(biāo)的坐標(biāo)及運(yùn)動速度信息等。

GLONASS 由空間段、地面段和用戶端部分組成?？臻g段部分，GLONASS 衛(wèi)星星座由24 顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星，平均分布在3 個軌道面上。截至2020 年7 月12 日，GLONASS 在軌衛(wèi)星27 顆，其中23 顆處于在軌運(yùn)行狀態(tài)、1 顆在軌維護(hù)、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(jiān)測站和增強(qiáng)站。控制中心位于莫斯科，地面監(jiān)測站和增強(qiáng)站位于俄羅斯境內(nèi) 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(fā)

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

北斗系統(tǒng)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(tǒng)空間段由若干地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星等組成。截至2020 年6 月23 日，北斗系統(tǒng)共發(fā)射衛(wèi)星59 顆，包括4 顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，20 顆北斗二號衛(wèi)星，35 顆北斗三號衛(wèi)星；在軌運(yùn)行衛(wèi)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(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。主控站用于系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制，從監(jiān)測站接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，生成衛(wèi)星導(dǎo)航電文和差分完好性信息，而后交由注入站執(zhí)行信息發(fā)送。注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號，對衛(wèi)星進(jìn)行控制管理，在接受主控站的調(diào)度后，將衛(wèi)星導(dǎo)航電文和差分完好性信息向衛(wèi)星發(fā)送。監(jiān)測站用于接收衛(wèi)星的信號，并發(fā)送給主控站，可實現(xiàn)對衛(wèi)星的監(jiān)測，以確定衛(wèi)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(chǔ)部件，包括芯片、模塊、板卡、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品等。中游是終端產(chǎn)品，比如智能手機(jī)、汽車導(dǎo)航等產(chǎn)品。下游則是北斗相關(guān)的解決方案、運(yùn)維服務(wù)等行業(yè)應(yīng)用。

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

Galileo 系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶端部分組成?？臻g段部分，衛(wèi)星星座由30 顆衛(wèi)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(nèi)。截至2020 年7 月12 日，Galileo 系統(tǒng)在軌衛(wèi)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(jiān)測站。

北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對比分析

隨著北斗三號全球組網(wǎng)完成，北斗系統(tǒng)開啟全球運(yùn)營服務(wù)新時代。總體來看，北斗系統(tǒng)與GPS 性能基本相當(dāng)；GLONASS 軌道傾角較大，導(dǎo)致其在低緯度地區(qū)性能較差，而北斗系統(tǒng)空間段高軌衛(wèi)星更多，低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢明顯；Galileo 系統(tǒng)的觀測量質(zhì)量較好，但星載鐘穩(wěn)定性稍差，對系統(tǒng)可靠性造成一定影響，而北斗系統(tǒng)采用了功效低的銣原子鐘和穩(wěn)定性高的國產(chǎn)氫原子鐘相結(jié)合的授時方式，穩(wěn)定性強(qiáng)。具體來講，北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對比情況如下表：

概括起來，北斗系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

一是抗遮擋能力強(qiáng)，低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢明顯。北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(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)性能優(yōu)勢更為明顯。

二是具有雙向通信能力，應(yīng)用場景更加豐富。北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，可以在用戶和用戶、用戶和控制中心之間進(jìn)行雙向通信，實現(xiàn)短報文通信、國際搜救等多種服務(wù)，而其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是單向通信的。這一點(diǎn)使北斗系統(tǒng)在未來交通運(yùn)行、人員搜救、漁業(yè)出海等領(lǐng)域都具備無可比擬的優(yōu)勢，極大豐富了應(yīng)用場景。

三是定位精度與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本相當(dāng)。目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均可以提供優(yōu)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(tǒng)民用精度基本相當(dāng)，在亞太地區(qū)定位精度還優(yōu)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(tǒng)能夠提供的精度將小于1 米，處于世界先進(jìn)水平。

四是授時精度技術(shù)先進(jìn)，具有較大的領(lǐng)先優(yōu)勢。北斗三號采用功效低的銣原子鐘和穩(wěn)定性高的國產(chǎn)氫原子鐘相結(jié)合的授時方式，誤差小于10 納秒，穩(wěn)定性強(qiáng)，時間測量更加精確。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展展望

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)代表著一個國家的科技實力，對于國防安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。未來，各國仍將大力推動全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更新升級，積極挖潛市場潛力，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

一是新一代導(dǎo)航衛(wèi)星蓄勢待發(fā)，衛(wèi)星星座將持續(xù)更新。由于導(dǎo)航衛(wèi)星的壽命限制，衛(wèi)星導(dǎo)航星座部署工作并不一勞永逸。隨著北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)完成，Galileo 系統(tǒng)預(yù)計在2020 年年底實現(xiàn)全面運(yùn)營，全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均由部署階段轉(zhuǎn)向系統(tǒng)升級維護(hù)和基礎(chǔ)應(yīng)用開發(fā)階段。目前，美國正在大力發(fā)展新一代GPS-3 衛(wèi)星，我國計劃在2020 年完成新一代北斗系統(tǒng)設(shè)計論證，2035 年開始新一代系統(tǒng)的衛(wèi)星組網(wǎng)工作，俄羅斯和歐洲也提出了導(dǎo)航衛(wèi)星的性能升級計劃。按照目前技術(shù)發(fā)展趨勢，新一代導(dǎo)航衛(wèi)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域競爭仍然激烈。目前，美國在研的GPS-3 衛(wèi)星在平臺和載荷方面均采取了全新的設(shè)計方案，在導(dǎo)航定位服務(wù)、系統(tǒng)抗干擾、導(dǎo)航對抗等方面均實現(xiàn)了性能大幅躍升。GPS-3 系統(tǒng)定位精度有望達(dá)到0.5米，授時精度達(dá)到1.3 納秒；通過采用點(diǎn)波束增強(qiáng)技術(shù)可將軍用信號功率大幅提高，有效提升重點(diǎn)區(qū)域跟蹤導(dǎo)航信號能力，提升抗干擾能力；此外，系統(tǒng)設(shè)計之初就考慮了導(dǎo)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(tǒng)建設(shè)取得了全球組網(wǎng)的重大戰(zhàn)略成果，但保持領(lǐng)先地位的挑戰(zhàn)仍然很大。

三是全球衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊，應(yīng)用場景豐富。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，推動著衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。其中，亞太地區(qū)將是未來十年全球市場增長的主要地區(qū)，其年增長率有望保持11%。以航空、無人機(jī)、船舶、鐵路為代表的應(yīng)用領(lǐng)域也將有力支撐衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的持續(xù)增長。此外，“衛(wèi)星導(dǎo)航”+也將釋放巨大的市場潛力。預(yù)計未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航將與5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)方向互聯(lián)融合、相輔相成，加快變革通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施形態(tài)，并為人工智能、云計算、區(qū)塊鏈等新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施提供精準(zhǔn)時空信息。

歷經(jīng)26 年風(fēng)雨，我國終于有了自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、功能齊備、性能優(yōu)異，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，與GPS、Galileo 系統(tǒng)具有較好的兼容性，為北斗系統(tǒng)走向世界提供了重要支撐。未來，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷更新、綜合性能的持續(xù)提升，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)也將繼續(xù)保持高速增長態(tài)勢，展現(xiàn)廣闊的市場前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>