當(dāng)代GNSS的發(fā)展進(jìn)步與轉(zhuǎn)型構(gòu)想

譚述森，張?zhí)鞓?/p>

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094

1 當(dāng)代GNSS的發(fā)展進(jìn)步

1.1 當(dāng)代GNSS的進(jìn)步

在基于多普勒頻移原理的子午儀(Transit)、西科琳(TsikLon)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)基礎(chǔ)上，1973年前后[1]，美國(guó)、蘇聯(lián)分別啟動(dòng)了當(dāng)代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GPS、GLONASS的建設(shè)進(jìn)程。20世紀(jì)90年代初，GPS、GLONASS相繼建成，并對(duì)外宣布具備完整服務(wù)能力[2]。隨后，歐洲的Galileo[3],中國(guó)的北斗(BDS)起步建設(shè)。目前，四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)已然構(gòu)建完成，以日本QZSS、印度NavIC為代表的區(qū)域性系統(tǒng)也都頗具規(guī)模，成為國(guó)際社會(huì)認(rèn)可的GNSS供應(yīng)商。洞悉當(dāng)代GNSS系統(tǒng)近50年的發(fā)展歷程，可以分析出當(dāng)代GNSS在星座構(gòu)型、信號(hào)體制、導(dǎo)航增強(qiáng)、導(dǎo)航通信一體化、星間鏈路與自主運(yùn)行都有明顯進(jìn)步。

(1) 星座構(gòu)型方面。衛(wèi)星星座軌道從單一的中圓軌道MEO發(fā)展到地球同步軌道GEO、傾斜地球同步軌道IGSO、中圓軌道MEO多軌混合。GEO、IGSO衛(wèi)星的引入，突出了區(qū)域性導(dǎo)航性能的增強(qiáng)，可見衛(wèi)星數(shù)與空間幾何因子得到明顯改善。在GNSS領(lǐng)域，中國(guó)北斗系統(tǒng)[4]開啟了GEO、IGSO、MEO混合星座的先河，兩個(gè)區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日本QZSS[5]、印度NavIC[6]均采用了類似的星座；GLONASS系統(tǒng)在未來(lái)星座設(shè)計(jì)中，也探討利用IGSO來(lái)改善區(qū)域性導(dǎo)航性能[7]。

(2) 信號(hào)體制方面。導(dǎo)航信號(hào)多址方式從碼分多址(CDMA)、頻分多址(FDMA)體制兩條路線發(fā)展向碼分多址(CMDA)體制集中。美國(guó)GPS導(dǎo)航信號(hào)采用了CDMA碼分多址體制，俄羅斯GLONASS導(dǎo)航信號(hào)采用了FDMA頻分多址體制，后續(xù)建設(shè)的Galileo、BDS選擇了CDMA碼分多址體制。實(shí)踐證明，CDMA體制導(dǎo)航信號(hào)在測(cè)距精度、互操作性上有明顯優(yōu)勢(shì)，受到了衛(wèi)星導(dǎo)航科學(xué)家更廣泛的青睞。2006年后，在ICG框架下，GPS、BDS、Galileo三大系統(tǒng)設(shè)計(jì)了全球互操作信號(hào)。GLONASS系統(tǒng)的FDMA信號(hào)互操作的難度較大，在其新一代導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)中也全面轉(zhuǎn)向了CDMA體制[8]。

導(dǎo)航信號(hào)帶寬越來(lái)越寬，同時(shí)增設(shè)導(dǎo)頻支路。GPS早期公開信號(hào)L1C/A主瓣帶寬2.046 MHz，L2C主瓣帶寬仍為2.046 MHz，擴(kuò)展到L5帶寬20.46 MHz、L1C主瓣帶寬14.332 MHz；GPS授權(quán)信號(hào)L1P、L2P主瓣帶寬20.46 MHz，擴(kuò)展到L1M、L2M主瓣帶寬30.69 MHz。信號(hào)帶寬的擴(kuò)展帶來(lái)了更高的信號(hào)測(cè)量精度和抗干擾性能，并且，新一代的導(dǎo)航信號(hào)GPS系統(tǒng)L2C、L5、L1C、L1M、L2M，Galileo系統(tǒng)E1、E5、E6，BDS3系統(tǒng)B1、B2、B3信號(hào)為提升跟蹤靈敏度，均配置了導(dǎo)頻支路[9]。

導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制方式從簡(jiǎn)單的二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)轉(zhuǎn)向二進(jìn)制偏移載波調(diào)制(BOC)。新一代的導(dǎo)航信號(hào)GPS系統(tǒng)L5、L1C、L1M、L2M，Galileo系統(tǒng)E1、E5、E6，BDS3系統(tǒng)B1、B2信號(hào)為實(shí)現(xiàn)與已有導(dǎo)航信號(hào)更好的兼容性，普遍采用了二進(jìn)制偏移載波調(diào)制BOC技術(shù)；BOC調(diào)制方式的使用，在相同偽碼速率條件下，又獲得了更大的信號(hào)帶寬、更好的抗多徑性能、測(cè)距精度等優(yōu)勢(shì)。

全球民用導(dǎo)航進(jìn)入互操作時(shí)代。GPS、Galileo、BDS三大系統(tǒng)在兩個(gè)頻點(diǎn)上完成了導(dǎo)航信號(hào)互操作設(shè)計(jì)[10]，雖然三大系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)彼此獨(dú)立，但采用了相同的中心頻點(diǎn)和帶寬、相近的調(diào)制方式；既實(shí)現(xiàn)了彼此的射頻兼容，又維持了各自不同的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。最重要的是，這些信號(hào)聯(lián)合使用顯著提升了性能，用戶成本卻很低，效費(fèi)比極高。兩個(gè)頻段的互操作信號(hào)中心頻率分別是1 575.42 MHz、1 176.45 MHz。

(3) 導(dǎo)航增強(qiáng)方面。星基增強(qiáng)(SBAS)將基本導(dǎo)航精度由10 m提升至1.0 m水平，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)了雙頻多系統(tǒng)兼容互操作。面向民用航空領(lǐng)域的星基增強(qiáng)服務(wù)，在世界范圍內(nèi)先后建成了美國(guó)WAAS、歐洲EGNOS[11]、俄羅斯SDCM、日本MSAS、印度GAGAN、中國(guó)BDSBAS等多個(gè)區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)[12]，共同推動(dòng)了對(duì)GPS、GLONASS、Galileo、BDS等全球?qū)Ш较到y(tǒng)L1、L5信號(hào)的雙頻增強(qiáng)，廣域差分與完好性增強(qiáng)全面滿足一類精密進(jìn)近要求。

星基精密單點(diǎn)定位(SPPP)精度達(dá)到厘米級(jí)。QZSS在其在L6頻段LEX信號(hào)中提供厘米級(jí)CLAS服務(wù)[5]；北斗利用3顆GEO衛(wèi)星B2b信號(hào)提供分米級(jí)精密單點(diǎn)定位服務(wù)[13]；Galileo在E6b信號(hào)上的分米級(jí)HAS服務(wù)則正在測(cè)試驗(yàn)證之中。上述星基精密單點(diǎn)定位信號(hào)利用更高的信息傳輸帶寬提供了更多誤差校正信息，使得用戶的定位精度達(dá)到動(dòng)態(tài)分米級(jí)、靜態(tài)厘米級(jí)，可用于無(wú)人駕駛、測(cè)繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等行業(yè)。

(4) 導(dǎo)航通信一體化方面。導(dǎo)航通信融合發(fā)展已成明顯趨勢(shì)。中國(guó)北斗自第一代系統(tǒng)就具備了導(dǎo)航定位授時(shí)與通信數(shù)傳兩大方面的能力，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了RNSS連續(xù)導(dǎo)航與RDSS定位報(bào)告深度融合的技術(shù)體制，定位報(bào)告響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于1.0 s，導(dǎo)航定位與通信報(bào)告在同一信道同時(shí)完成，創(chuàng)造了快速定位與全球位置報(bào)告的世界領(lǐng)先水平；北斗三號(hào)基于MEO星座在世界上首次實(shí)現(xiàn)了全球連續(xù)覆蓋的導(dǎo)航通信一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[14-16]。歐洲Galileo在E1 OS信號(hào)上播發(fā)國(guó)際搜救MEOSAR反向鏈路服務(wù)[17-18]，在E5b信號(hào)上播發(fā)緊急告警服務(wù)(EWS)電文。日本QZSS在L1 SAIF信號(hào)上提供災(zāi)害告警(DC Report)信息服務(wù)[19]，在地震海嘯等災(zāi)害發(fā)生時(shí)，可通過(guò)QZSS衛(wèi)星廣播預(yù)警信息。印度NavIC在IRNSS-1A衛(wèi)星3臺(tái)銣原子鐘全部失效無(wú)法提供導(dǎo)航服務(wù)，在L5頻點(diǎn)信號(hào)上專門提供短報(bào)文服務(wù)[20]?？梢?，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在較好滿足全球用戶導(dǎo)航服務(wù)需求后，融合通信能力已是大勢(shì)所趨；Galileo、QZSS、NavIC的通信服務(wù)均為下行鏈路的單向服務(wù)，主要提供應(yīng)急搜救、災(zāi)害預(yù)警之類的生命安全業(yè)務(wù)，中國(guó)北斗則從起步開始就具備雙向通信能力，提供的服務(wù)涵蓋應(yīng)急搜救、位置報(bào)告、報(bào)文通信[21-22]。

(5) 星間鏈路與自主運(yùn)行方面。星間鏈路成為全球?qū)Ш较到y(tǒng)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，并支持導(dǎo)航星座的自主運(yùn)行。美國(guó)GPS從Block IIR和Block IIF衛(wèi)星就安裝了UHF頻段的星間鏈路載荷，到GPS Ⅲ衛(wèi)星則采用了Ka頻段星間鏈路,進(jìn)一步提高了星間數(shù)據(jù)通信容量和抗干擾能力。俄羅斯GLONASS新一代GLONASS-K系列導(dǎo)航衛(wèi)星配置了S頻段星間鏈路收發(fā)設(shè)備。北斗星間鏈路自2010年開始技術(shù)攻關(guān)，2015年基于5顆試驗(yàn)衛(wèi)星在軌試驗(yàn)，通過(guò)高軌-中軌、中軌-中軌和星地鏈路實(shí)現(xiàn)了星星互聯(lián)、星地互聯(lián)，一星通、星星通。星間鏈路降低了導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地面控制系統(tǒng)的依賴，彌補(bǔ)了地面站對(duì)衛(wèi)星全弧段觀測(cè)的不足，提高了導(dǎo)航星歷更新頻度，顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)服務(wù)可靠性；進(jìn)一步通過(guò)星間測(cè)距、星間通信和星上數(shù)據(jù)處理，還具備了導(dǎo)航星歷的自主更新能力，支撐了星座自主運(yùn)行和自主管理，即使地面系統(tǒng)受損，導(dǎo)航衛(wèi)星星座仍然具備較長(zhǎng)時(shí)間的自主導(dǎo)航能力。

1.2 發(fā)展啟示

(1) 基于GEO/IGSO/MEO高軌、中軌異構(gòu)混合的星座構(gòu)型為地球表面、近地空間至高空間的高精度高可靠時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一創(chuàng)造了良好條件，也有利于地面重點(diǎn)服務(wù)區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)及觀測(cè)幾何的性能提升。面向未來(lái)發(fā)展，層次結(jié)構(gòu)更加多樣的導(dǎo)航星座將有利于導(dǎo)航信號(hào)功率、星座自主完好性監(jiān)測(cè)等性能[23-24]。

(2) 最大化利用頻率資源是導(dǎo)航性能提升的關(guān)鍵。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最大約束瓶頸是頻率資源。美國(guó)仍然是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)則制定的主導(dǎo)者、先行者，占有的資源最多，啟動(dòng)建設(shè)最早，且多個(gè)頻段不受落地功率通量密度限制。中國(guó)有幸完成與其他GNSS系統(tǒng)的互操作協(xié)議，為北斗全球服務(wù)打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。北斗使用現(xiàn)有頻率資源創(chuàng)造一個(gè)新的軌道在國(guó)際協(xié)調(diào)上可行性很低，在ITU框架下可能需要開啟新的更艱難的軌位頻率協(xié)調(diào)。

(3) 導(dǎo)航通信的一體化融合將成為創(chuàng)新發(fā)展的主線。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外幾大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信能力還有很大的升級(jí)空間，導(dǎo)航服務(wù)解決了“我在哪里”，通信服務(wù)要解決“我們?cè)谀睦铩?，通信?dǎo)航一體化服務(wù)的最低目標(biāo)是“導(dǎo)航定位”覆蓋到哪里，“位置報(bào)告”就覆蓋到哪里，最高目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)寬帶通信鏈路、全球多重覆蓋、高精度時(shí)空基準(zhǔn)的彈性融合體系[25-26]。

2 智能時(shí)代GNSS深度轉(zhuǎn)型需求

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國(guó)家時(shí)空體系的核心和基石，面向未來(lái)智能社會(huì)、智能戰(zhàn)場(chǎng)的發(fā)展任務(wù)仍然艱巨。智能化時(shí)代，以“AI、云、網(wǎng)、群、端”為代表的全新物理世界信息要素和元宇宙世界將重構(gòu)整個(gè)社會(huì)生活。衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，需要適應(yīng)智能時(shí)代作用維度更廣、精度更高、體系更強(qiáng)的特點(diǎn)。

(1) 導(dǎo)航定位授時(shí)范圍更廣精度更高。當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地球表面覆蓋，但智能社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與軍事斗爭(zhēng)需要向深空、海下延伸，作用時(shí)域空域更廣，要求構(gòu)建覆蓋空天地海、基準(zhǔn)統(tǒng)一、高效智能的綜合服務(wù)體系，形成無(wú)處不有、無(wú)處不在的時(shí)空信息覆蓋，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更安全、更可靠的時(shí)空服務(wù)能力。在智能時(shí)代，無(wú)人化平臺(tái)成為基本形態(tài)，無(wú)人車自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)緊密進(jìn)近、室外智能機(jī)器人都迫切需要在現(xiàn)有導(dǎo)航精度基礎(chǔ)上再提升一個(gè)量級(jí)，導(dǎo)航完好性風(fēng)險(xiǎn)更低、首次定位時(shí)間更快、陸?？仗炜缬蚋采w能力更強(qiáng)。

(2) 導(dǎo)航安全防護(hù)體系更全能力更強(qiáng)。當(dāng)前的導(dǎo)航安全防護(hù)主要目標(biāo)是應(yīng)對(duì)信號(hào)干擾，將信號(hào)鏈路安全防護(hù)作為主要措施，智能時(shí)代的導(dǎo)航與觀測(cè)感知、通信數(shù)傳、智慧決策、自動(dòng)執(zhí)行相互交織相互影響，需要全球任意區(qū)域、功率更高、生效更快的導(dǎo)航能力水平，需要導(dǎo)航信號(hào)智能調(diào)整能力，需要發(fā)展量子導(dǎo)航、脈沖星導(dǎo)航、深海導(dǎo)航、微型PNT等多元導(dǎo)航手段，把不同原理、不同方式、不同載體的導(dǎo)航方法融合在一起，要求手段更全面、系統(tǒng)更穩(wěn)健，實(shí)現(xiàn)體系級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的導(dǎo)航安全防護(hù)能力。

(3) 導(dǎo)航信息交互帶寬更大接入更廣。智能時(shí)代網(wǎng)絡(luò)空間在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活與軍事斗爭(zhēng)體系中的地位作用逐步上升，并與導(dǎo)航時(shí)空體系合而為一。提供時(shí)空位置的導(dǎo)航信息與網(wǎng)絡(luò)空間系統(tǒng)，把分散的智能個(gè)體連接為一個(gè)整體，形成網(wǎng)絡(luò)化體系化群體智能，需要支持泛在感知、多元彈性、可信可重構(gòu)的導(dǎo)航能力，支持高可靠、強(qiáng)抗干擾、隨遇接入的信令信道，需要及時(shí)獲取所需的地理、地圖和圖像等導(dǎo)航輔助信息，實(shí)現(xiàn)真正意義上的通信導(dǎo)航一體化，形成多域融合的導(dǎo)航時(shí)空信息網(wǎng)絡(luò)。

3 智能導(dǎo)航轉(zhuǎn)型發(fā)展構(gòu)想

面向智能時(shí)代發(fā)展需要，下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要構(gòu)建天地一體的時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)和導(dǎo)航信息服務(wù)網(wǎng)，構(gòu)建基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無(wú)縫、安全可信、高效便捷、實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)的國(guó)家綜合導(dǎo)航定位授時(shí)體系。當(dāng)代GNSS轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心宗旨是泛在、融合、智能，在技術(shù)體系上重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下4個(gè)方面的轉(zhuǎn)變。

(1) 星座構(gòu)型從中高軌到低中高多層軌道擴(kuò)展。智能時(shí)代導(dǎo)航用戶載體的泛在性、綜合性要求導(dǎo)航系統(tǒng)適應(yīng)各類復(fù)雜多域環(huán)境，目前20 000～36 000 km高度的導(dǎo)航星座構(gòu)型在導(dǎo)航信號(hào)功率、系統(tǒng)可用性與完好性保證方面存在一定劣勢(shì)。如何在高復(fù)雜環(huán)境下保證服務(wù)連續(xù)性和精度，基于高軌、中軌、低軌衛(wèi)星聯(lián)合構(gòu)建的多層次導(dǎo)航星座，與脈沖星、拉格朗日導(dǎo)航融合，服務(wù)范圍涵蓋地月系、地球軌道、地表室內(nèi)等跨域空間。

(2) 導(dǎo)航信號(hào)從L頻段向L/S/C/Ka更寬頻段拓展。無(wú)人駕駛、元宇宙等智能時(shí)代新生應(yīng)用呼喚動(dòng)態(tài)厘米級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航。根據(jù)GNSS導(dǎo)航理論，衛(wèi)星導(dǎo)航精度的提升首先從信號(hào)測(cè)量精度入手，使空間距離測(cè)量精度達(dá)厘米或者毫米級(jí)。GNSS三大誤差的源頭來(lái)自衛(wèi)星導(dǎo)航頻率，其誤差與頻率的平方成正比。GNSS當(dāng)前僅使用L頻率，星基L雙頻導(dǎo)航精度達(dá)1.0 m級(jí)。為達(dá)到厘米級(jí)精度需將現(xiàn)有頻率提升至S/C/Ka等更高、更寬頻段。

(3) 服務(wù)體系從通導(dǎo)簡(jiǎn)單集成向通導(dǎo)深度融合推進(jìn)。智能導(dǎo)航服務(wù)將提供更深更廣的導(dǎo)航信息，深度融入互聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)等信息網(wǎng)絡(luò)，具體包括提供面向陸、海、空、天用戶的高、中、低速分類分層次導(dǎo)航信息服務(wù)，主要特征是導(dǎo)通服務(wù)一體化、用戶按需可靠接入隨遇化、星座管理智能化。實(shí)現(xiàn)星地用戶鏈路資源智能調(diào)配，支撐通信導(dǎo)航手段緊耦合，在惡劣電磁環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)廣泛的全球隨遇接入。通過(guò)導(dǎo)航衛(wèi)星覆球波束，滿足用戶在全球范圍、任意姿態(tài)的通導(dǎo)需求，實(shí)現(xiàn)高可靠性、抗強(qiáng)干擾的搜索救援、位置報(bào)告、信令傳輸。導(dǎo)航天基網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)信息交互構(gòu)建星間、星地高速骨干網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)小型化激光終端和增強(qiáng)型空間路由器，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的空間網(wǎng)絡(luò)，裝載完備、標(biāo)準(zhǔn)的空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，更大帶寬的星間鏈路支持混合星座網(wǎng)絡(luò)自主智能運(yùn)行。

(4) 系統(tǒng)運(yùn)維從地面維持向星地智能運(yùn)行過(guò)渡。當(dāng)代GNSS系統(tǒng)運(yùn)行已邁出了從人工操控到衛(wèi)星半自主運(yùn)行的步伐，但智能化時(shí)代迫切要求一個(gè)打不爛炸不壞，穩(wěn)健性更強(qiáng)、運(yùn)行更加安全的時(shí)空基準(zhǔn)體系。智能化運(yùn)行控制與安全防護(hù)是重要技術(shù)途徑，包括基于通導(dǎo)一體信息網(wǎng)絡(luò)及低軌平臺(tái)實(shí)現(xiàn)星座智能完好性監(jiān)測(cè)，地面控制段實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布、群體協(xié)同，衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)自主干擾規(guī)避、智能故障恢復(fù)管理能力，形成更加靈活、更高可用度的導(dǎo)航服務(wù)。同時(shí)，地面系統(tǒng)時(shí)空基準(zhǔn)維持設(shè)備從地面向星上轉(zhuǎn)移，衛(wèi)星配置更高精度的光鐘、天文測(cè)量設(shè)備，通過(guò)高精度錨固和激光星間測(cè)量，形成更加穩(wěn)定可靠的天基空間基準(zhǔn)，提供更精更穩(wěn)的導(dǎo)航定位服務(wù)，形成更加泛在、更具彈性的時(shí)空基準(zhǔn)體系。

4 結(jié)束語(yǔ)

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，GNSS已經(jīng)像互聯(lián)網(wǎng)、地面移動(dòng)通信一樣成為現(xiàn)代社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施，為全世界提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)、空間基準(zhǔn)，深深地改變了人類的軍事斗爭(zhēng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和日常生活方式。面向人類文明未來(lái)的發(fā)展進(jìn)步新需求，導(dǎo)航定位授時(shí)體系在向著更加泛在、更加智能、更加綜合的方向發(fā)展，GNSS仍然需要在星座構(gòu)型、導(dǎo)航信號(hào)、服務(wù)體系、系統(tǒng)運(yùn)維等方面進(jìn)一步創(chuàng)新轉(zhuǎn)型。