北斗系统的特色、机遇与挑战

李克昭，韩梦泽，孟福军

（河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003）

1 引言

北斗卫星导航系统简称为北斗系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）是我国正在实施的自主建设、独立运行的全球卫星导航系统。按照 “先区域、后全球，先有源、后无源”的总体发展思路［1］，它的建设分为三步：第一步，在2000年初步建成北斗卫星导航试验系统，形成区域有源服务能力；第二步，在2012年建成 “区域覆盖的”北斗卫星导航系统，形成亚太地区的区域无源服务能力；第三步，在2020年左右，建成“全球覆盖的”北斗卫星导航系统，形成全球无源服务能力。2000年10月和12月相继成功发射了2颗北斗导航试验卫星，并于2003年5月发射了第三颗北斗导航备份卫星，标志着北斗卫星导航试验系统顺利完成，也意味着我国拥有了自主完善的第一代卫星导航定位系统［2］。2012－12－27北斗系统空间信号接口控制文件对外正式公布，BDS向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，标志着BDS建设第二步计划圆满完成。

根据北斗系统的第三步建设计划，当空间星座达到全球覆盖时，BDS可在全球范围内，向各类用户提供全天候、高精度、高可靠性的定位、导航和授时（positioning，navigation and timing，PNT）服务，并兼具短报文通信能力。BDS的PNT服务主要包括开放服务和授权服务两类。开放服务是为全球用户免费提供开放、稳定、可靠的基本PNT服务，定位精度为10m，测速精度为0.2m/s，授时精度为20ns；授权服务是为全球用户提供更高性能的PNT服务。在亚太地区，BDS还向用户提供短报文通信和差分完好性服务。在未来不久，BDS将与美国的全球定位系统（global positioning system，GPS）、俄罗斯的全球导航卫星 系 统 （global navigation satellite system，GLONASS）和欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system，Galileo）并驾齐驱，共造 “百星璀璨”的卫星导航盛世。

2 BDS系统组成与特色分析

2.1 BDS系统组成

类似GPS系统，BDS也由空间段、地面段和用户段三部分组成。

“全球覆盖的”BDS的空间段将由5颗地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星、27颗中圆轨道（medium earth orbit，MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO）卫星构成。5颗GEO卫星分别位于东经58.75°、80°、110.5°、140°和160°赤道上空。27颗MEO卫星均匀分布在3个轨道面上，轨道倾角55°，轨道高度21 500km。3颗IGSO卫星分布在3个倾斜同步轨道面上，轨道倾角55°，轨道高度36 000km。

地面段包括主控站、监测站、注入站等若干地面站。主控站收集各个监测站的观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行控制与管理等；注入站在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息注入以及有效载荷的控制管理；监测站对导航卫星进行连续跟踪监测，接收导航信号，发送给主控站，为卫星轨道确定和时间同步提供观测数据。

用户段由各类BDS用户终端，以及与其他卫星导航系统兼容的终端组成。

2.2 BDS系统特色及其分析

2.2.1 独特的混合星座

BDS采用GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星组成的空间混合星座，与其他卫星导航系统有着本质区别。GPS和GLONASS均采用20 000km左右的中圆轨道（MEO），这种轨道能以较少数量的卫星构成导航星座，实现全球导航服务，但在少数区域，中圆轨道导航系统会出现卫星数量不足4颗的问题，如 GPS在两极地区会出现此类问题［3-4］。

我国的北斗系统借鉴了外国的经验，并根据具体国情设计了适合自己的混合星座。高精度定轨需要卫星全弧段的监测，对于绕地球东西旋转的MEO卫星，监测站要全球分布，这对我国有一定困难。我国迫切需要的是服务于本土及周边的区域性卫星导航系统，而MEO卫星对我国只有不到40%的利用率［5］。为此，北斗系统创造性地采用了IGSO卫星，它的轨道高度同GEO卫星一样，都是36 000km，但相对地球赤道面有55°的倾角。

IGSO卫星是南北转的，并且有一定的弧度范围，它的星下点轨迹是一个跨越南北半球的上下大小相同的对称8字，交叉点在赤道。在国内设站的情况下，可以实现对IGSO卫星的大部分弧度的监测，对我国的利用率也高达80%［5］，能够以较少的卫星尽快达到区域覆盖的目的，实现较好的阶段性收益。IGSO卫星在接近极区也有很好的覆盖性，非常适合区域性导航系统。另外BDS星座还有相对地面不动的GEO卫星，可以满足某一区域全天候覆盖的要求。这3种轨道的卫星构成的空间混合星座，可以有效地改善亚太地区的星座布局。

截止到2012年底，已经建成的 “区域覆盖的”BDS在轨工作的卫星有5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星（2颗在轨备份）和4颗 MEO卫星［2，6］。实际上，对目前的北斗区域系统，5颗GEO卫星和5颗IGSO卫星构成的 “5＋5”星座就能满足基本要求，4颗MEO卫星则可以对 “5＋5”星座起到周期性的改善作用，提高系统的可靠性和鲁棒性。对于北斗全球系统，主要依赖MEO卫星达到全球覆盖。

2.2.2 导航定位与通信集成

与其他卫星导航系统相比，导航定位与通信的集成是BDS的独特之处，它不仅可以告诉用户所处的时间和地点，还可以将用户的位置信息发送出去，具有每次传送120个汉字的短报文通信能力。北斗系统的导航通信一体化，基于位置报告无需再建通信系统，基于卫星覆盖无需顾及通信盲区，在海洋渔业、应急保障、指挥调度和目标监测等领域非常好用。北斗系统的这种特色服务与它采用的工作体制有关。

BDS采用卫星无线电测定（radio determination satellite service，RDSS）与卫星无线电导航（radio navigation satellite service，RNSS）集成体制，既能像GPS、GLONASS、Galileo系统一样，为用户提供连续无源定位、导航、授时服务，又具有亚太地区的有源导航定位、短报文通信和位置报告功能。

在服务功能的配置上，组成BDS星座的3种轨道的卫星是有区别的：GEO卫星具备有源导航定位、无源导航定位、短报文通信和位置报告功能，而MEO和IGSO卫星只提供无源导航定位服务。星座中正是有了GEO卫星，才保证了有源导航定位、短报文通信和位置报告功能。由于GEO卫星仅定点在亚太地区上空，所以有源导航定位、短报文通信和位置报告服务只在亚太地区提供。

2.2.3 导航定位与广域差分增强的融合

GPS等系统自身不具有广域差分功能，需要通过另外的星基增强系统（satellite based augmentation system，SBAS）对其进行增强，实现广域差分，提高定位精度。SBAS是利用GEO卫星建立的地区性广域差分增强系统，通过在GEO卫星上加载L波段转发器，实施导航重叠和广域增强电文广播，广播似GPS信号，向用户提供附加测距信息、广域差分改正信息、改善航行安全的完好性信息，进行广泛区域的差分定位与导肮。

由于北斗系统空间星座中已有GEO卫星，北斗系统实现了卫星导航与广域差分增强的融合，在系统中融入了北斗区域增强系统。北斗区域增强系统由携带导航转发器的GEO卫星、若干地面参考站、主控站和注入站等组成。它具有三种功能，即GEO卫星测距功能、完好性监测功能和广域差分功能。测距功能就是GEO卫星发射BDS信号，把GEO卫星作为附加的导航星，增强卫星导航的可用性。完好性监测功能可为用户提供导航系统的可用性信息，当系统不可用或导航精度降低时，及时向用户告警。广域差分功能可为用户提供广域差分改正信息，提高导航定位精度。

此外，融合在BDS中的广域差分增强系统还是一个兼容性极强的星基增强系统，不仅能为北斗系统提供区域增强，还能为GPS和Galileo提供亚太地区的广域差分和完好性信息服务，广域差分服务精度为1m。

2.2.4 其他特点

在系统安全方面，北斗系统是我国独立自主的卫星导航定位系统，系统性能稳定，且具备一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力，安全可靠，适合金融、交通、电力、通信、国防安全等关键部门应用。

在系统服务方面，北斗系统是第一个具备三频导航信息服务能力的系统，系统在B1、B2和B3三个频点上发射开放和授权服务信号，有利于电离层延迟的双频改正。

在系统兼容方面，北斗系统将致力于实现与其他卫星导航系统的兼容与互操作，促进各系统的融合共用，使用户利用互操作信号获得更好的服务［7］。

此外，北斗（全球）系统还将采用卫星自主导航，实现导航电文的在轨自主更新，可有效减少对地面站的依赖，增强系统的生存能力［8］。

3 BDS面临的机遇与挑战

自向亚太地区正式提供区域服务以来，北斗系统连续稳定运行，定位精度优于设计指标，社会认知度和影响力大大增加。随着市场实用化步伐进一步加快，中美、中俄、中欧等双边合作关系不断深化，北斗系统的发展面临着前所未有的机遇和挑战。北斗系统发展的机遇主要有以下几方面：

1）我国的国家安全和发展需求迫切

卫星导航系统是重大的空间信息基础设施，一个自主可控的卫星导航系统对我国的国家安全至关重要。长期以来，我国卫星导航应用基本被国外技术垄断，交通运输、电力调度、通信网络、金融系统等重要基础设施过分依赖GPS，风险巨大，后果严重。一旦国际关系生变或发生战事殃及中美关系，美国关闭或干扰覆盖中国区域的GPS信号，我国众多依赖GPS的系统将面临崩溃，造成的混乱和损失将难以估量。我国的国家安全迫切需要拥有自己的卫星导航系统，我国建设北斗系统就是为了解决国防安全和重点行业应用的安全问题。

另外，卫星导航产业是战略性新兴产业，具有广泛的产业关联性，与通信和网络产业又具有良好的互补性和融合性，能有效渗透到经济社会诸多领域和人们的日常生活中，是改造传统产业、引领信息产业的利器。北斗系统为我国卫星导航产业的发展注入了核心动力，对促进国家信息化建设，转变经济发展方式和产业升级具有不可替代的作用。

2）国家实施导航重大专项

国家已批准实施BDS重大科技专项，在政策扶持、资金投入、组织管理等方面予以有力支撑。在国家的重视和保障下，北斗系统建设稳步推进，北斗区域系统已经建成，建设北斗（全球）系统所需要的核心技术已经全部突破，BDS地基增强网也在加紧建设。同时我国政府大力支持BDS产业发展，从2008年开始进行产业布局，持续开展行业与区域应用示范，以行业示范带动行业应用，以区域示范带动区域应用，并积极推动BDS进入国际民航组织、国际海事组织和移动通信组织。在政府的大力推动下，国内卫星导航产业链正在快速形成，相应的产业支撑、推广和保障体系也在完善，卫星导航在各行业的应用日益深化。

3）国内民用市场无比广大

我国拥有卫星导航产业全球最大的应用与服务市场，这是推广BDS应用与产业化的一大优势。这一庞大市场的基础是我国13亿的人口，形成了世界上最大的移动通信市场、世界上发展最快的互联网用户群体和汽车产销市场。这3个市场都与卫星导航大众市场密切相关，主要依托两大产业：一是汽车制造业，车辆导航应用及其服务；二是移动通信和网络产业，手机导航定位及相关服务。未来BDS导航功能有望成为所有机动车辆和移动通信终端的标准配置，迎来移动位置服务和车联网市场的爆发性增长，形成数千亿元产值的大产业。

4）卫星导航产业发展迅猛

卫星导航产业是继互联网、移动通信之后发展最快的新兴信息产业之一，近年来国内卫星导航产业持续保持50%以上的年增长势头，具有十分巨大的市场潜力［9］。卫星导航产业正从经销应用产品为主逐步转变为运营服务为主［10］。我国卫星导航将与汽车电子、移动互联、地理信息、物联网、智慧城市等相关产业融合发展，形成综合信息服务大产业。目前我国正在以BDS、BDS地基增强网和新一代互联网为支撑，积极开展中国位置网的总体建设和示范应用，为用户提供高精度、安全、可信、高效的导航位置信息服务，促进基于位置网的相关产业发展，打造基于BDS的位置服务产业。

同时，北斗系统也面临着诸多挑战，主要有：

1）系统建设的挑战

系统建设的挑战主要有保证北斗（区域）系统向北斗（全球）系统的平稳过渡、与其他卫星导航系统在性能和部署进度上的比拼等。

我国基于自身技术经济实力，探索了渐进发展的北斗系统建设道路。目前北斗（区域）系统已经建成，正向北斗（全球）系统稳步渐进。由于我国导航卫星的设计寿命是8年，确保在2020年完成全球组网，就是为了确保与区域系统无缝衔接，如果衔接不好，对用户来讲是不负责任的，这是北斗系统建设的一大挑战。

此外，当前国际卫星导航领域竞争激烈，除四大全球卫星导航系统外，日本和印度也在积极发展自己的区域卫星导航系统［11-12］。在这场系统性能和部署进展的比拼中，美国GPS遥遥领先；欧洲的Galileo计划虽然历经波折，但仍有望凭借先进的技术在2020年前完成全球组网；俄罗斯GLONASS系统正在加速现代化，力求在系统性能上追赶美国。北斗系统进驻全球市场，在系统性能和部署上面临着全面挑战。

2）系统应用的挑战

北斗系统应用的挑战主要有核心芯片的自主可控和应用推广的模式创新。

BDS芯片作为北斗系统终端的核心，对整个BDS产业乃至信息产业的发展起着至关重要的作用。我国BDS核心芯片的研发虽然起步较晚，但在政府的高度重视下，也取得了重大突破。目前我国国产BDS芯片在性能上已接近国外同类产品，但在小型化和低功耗方面还有待进一步提高，并且价格普遍偏高。国外BDS芯片凭借技术优势、成本优势和客户优势，很容易在BDS民用市场站稳脚跟。国产BDS芯片如何有效应对国外优势芯片的冲击，是BDS应用必须要面对的一个挑战。

另外，在GPS已深入人心的背景下，如何分析与把握市场需求，充分发挥BDS服务特色，创造性地提出有竞争力的应用解决方案和规模推广策略，也是一个挑战。想要BDS与GPS竞争，并快速抢占市场份额，我国BDS企业就必须要在除国防和重点政策行业应用以外的大众应用领域实施差异化战略，创新出更多的BDS商业应用模式，从系统应用的层面带动整个BDS产业发展。

3）系统兼容的挑战

当前，卫星导航系统兼容与互操作已成为大势所趋、各国共识，我国也以此为核心，与相关国家进行了广泛的交流与合作，但至今尚未签署任何实质性协议，而美欧、美俄之间均已达成正式协议。如果我国北斗系统被排除在与其他系统兼容互操作之外，那么我国将可能由此错失分享全球乃至本国卫星导航市场的大好机会。因此，抓住当前时机，加快与国外卫星导航系统实现兼容与互操作是当务之急，也是北斗系统面临的一大挑战。

4 总结

BDS作为重大的空间基础设施，能够提供全天候的精准时空信息服务，已经初步应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象测报、电力调度、救灾减灾、社会管理和国家安全等多个领域，产生了显著的经济效益和社会效益。

目前，GPS占据了我国卫星导航应用市场90%以上的份额，BDS取代GPS的代价和难度很大，北斗系统进入民用市场的最佳发展路径是走与GPS等兼容的道路，这是北斗系统实现应用大众化、服务产业化、市场全球化目标的必由之路。由于卫星导航具有产业关联度高、渗透性强等特点，BDS应用产业化必将有力助推我国智能经济快速发展，对我国的经济发展方式、产业结构和民众生活质量等方面的改变都将发挥重要作用。

北斗系统将RNSS、广域差分和短报文通信服务统一设计与实现，优化了系统体制、节省了系统设计资源。凭借独立兼容的体制、独特的短报文和区域增强服务以及巨大的国内市场，北斗系统必将在卫星导航领域占据重要地位。随着俄罗斯GLONASS现代化和欧洲Galileo建设的推进，卫星导航领域将呈现四强并存、多系统兼容的格局。

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