北斗卫星导航系统发展现状与建设构想

周　兵

(北京卫星导航中心，北京100094)



北斗卫星导航系统发展现状与建设构想

周兵

(北京卫星导航中心，北京100094)

摘要北斗卫星导航系统当前处于从区域服务到全球服务承上启下的关键时期。简要回顾了北斗系统发展历程，系统地总结了北斗区域系统发展情况与技术特点，针对正在进行中的北斗全球系统建设任务，深入分析了目前面临的难点问题，探讨了北斗全球系统基本导航、定位报告和星基增强的整体服务规划构想，提出了对北斗全球系统总体设计的几点建议。

关键词北斗；卫星导航；全球星座；星间链路

Current Development Status and Design Proposal for BeiDou Satellite Navigation System

ZHOU Bing

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

AbstractBeiDou satellite navigation system is currently in a key connecting period from region to global service.In this paper,the history of BeiDou Satellite Navigation System (BDS) is reviewed briefly.Then,the development status and technical characteristics of the BDS regional system are summarized.In view of the ongoing BDS global system,an in-depth analysis of the difficulties of current phase and the overall service planning are explored.Finally,some proposals are put forward for the overall design of the BDS global system.

Key wordsBeiDou;satellite navigation service;global constellation;inter-satellite link

0引言

2015年9月30日，第20颗北斗导航卫星发射升空。这是我国自主建设的北斗卫星导航系统自2012年完成亚太区域服务开通之后，成功发射的第4颗新一代导航卫星；对照Galileo利用4颗试验卫星开展在轨验证，这也标志着北斗进入到了实质性全球系统在轨技术试验阶段，北斗全球组网正处于稳步推进之中。

北斗于2000年以2颗卫星小幅起步，建成了具有位置报告和短电文通信等显著特色的北斗试验系统，使我国成为世界上第3个拥有自我卫星导航系统的国家。随后于2012年12月，利用14颗卫星完成了北斗区域系统建设，实现了对亚太地区的连续覆盖，受到ICG认可成为世界四大卫星导航核心供应商之一。按照“从无到有、从区域到全球”的三步走发展规划，北斗系统预计于2020年完成全球组网。当前，北斗正处于区域系统稳定运行、全球系统进行在轨试验的关键阶段，“开放、自主、兼容和渐进”[1]的建设原则如何融会贯通于系统设计的各个层面，值得中国卫星导航专家深思。

本文首先梳理了北斗区域系统在世界卫星导航领域所做出的技术创新；立足于北斗未来发展需求，深入分析了北斗全球发展面临的难点问题，探讨了北斗全球系统基本导航、定位报告和星基增强的整体服务规划构想；最后针对北斗全球系统总体设计提出了加强区域服务性能、拓展定位报告覆盖区等方面建议。

1北斗区域系统发展情况

北斗区域系统的建设，为世界GNSS领域带来了4个方面的开创性举措，对世界卫星导航领域的技术创新、发展繁荣做出了重要贡献。

1.1北斗是全球第一个拥有三轨混合星座的卫星导航系统

北斗区域系统14颗组网卫星，包括5颗GEO、5颗IGSO和4颗MEO。中国设计这样一个三轨混合星座的初衷，自然是在满足既定服务性能指标要求下，尽量提升星座效率值，也就是提高同样卫星数量条件下的地球覆盖率。参考文献[2-3]给出了北斗区域系统设计论证中，几种不同星座构型选项的星座效率值。随后建设的其他国家区域系统，日本的QZSS和印度的IRNSS也基本遵循了类似的设计思路。

表1　星座效率值比较

三轨混合星座除了为北斗带来较为经济的导航星座构型方案，另一大优势是在低纬度地区丛林遮蔽、城市峡谷等高遮蔽角环境下使用性能突出。北斗在“一带一路”大多数国家和地区中，全天可视卫星数为9～14颗，服务可用性和定位精度相比GPS、GLONASS具有明显优势，泰国地区北斗与GPS的定位性能对比如表2所示。2013年以来，北斗正式打入亚太市场，尤其是东南亚等低纬度国家与地区，应用推广势头迅猛，为我国推行“一带一路”重大发展战略提供了有利支撑。

表2　泰国地区CORS站精度性能

1.2北斗是全球第一个具备三频完整服务能力的卫星导航系统

北斗区域系统于2012建成之时，就同时实现了B1(1 561.098 MHz)、B2(1 207.14 MHz)和B3(1 268.52 MHz)3个频率的导航信号[4]的全星座播发，这相比于GPS，预计于2021年才能完成三频信号(L1、L2、L5)完整布设，早了10余年。北斗起步晚于GPS系统整整20年，能在关键技术性能方面实现部分超越实属不易，这是北斗设计团队充分发挥后发优势，实现后来居上的典型事例。

三频导航信号不只是增强了卫星导航服务在复杂电磁环境下的鲁棒性与健壮性，更是在高精度实时测量领域优势突出。北京地区试验结果如图1和图2所示。

图1　厘米级高精度实时测量作业范围对比

图2　厘米级高精度实时测量初始化时间对比

试验结果表明，北斗三频导航信号的载波相位整周模糊度解算时间仅10 s，而GPS目前双频信号约需40 s；北斗三频进行厘米级高精度实时测量的作业范围可达100 km，而传统GPS双频作业范围约20 km。通过上述性能的对比可以看出，北斗已经占据争夺高精度测量民用市场更大份额的有利优势。

1.3北斗是全球第一个连续导航与定位报告一体化设计的系统

定位报告是北斗与生俱来的功能，并且一直以来是北斗区别于世界其他卫星导航系统的最大特色。北斗区域系统在完整保留了北斗一号定位报告服务的基础上，发展了与GPS相同的连续导航服务，具备实时连续的定位、测速和授时能力。北斗充分认识到，连续导航与定位报告的深度结合是世界卫星导航发展潮流，是当今信息化社会发展、数字地球建设的重大需求。

连续导航与定位报告二者结合，为用户带来了更多元的服务选择，更好地满足了用户高精度定位与位置信息共享的双重需求，尤其是在交通运输、海洋渔业、生命救援和减灾、救灾等重要行业领域所发挥的社会与经济效益非常突出。日本的QZSS系统设计的L1-SAIF信号，定向发布短报文，提供灾害应对信息，也是继北斗之后在这方面所做的有益尝试。

相比于GPS+铱星、Galileo+Inmarsat等导航与通信的集成应用模式，北斗服务则具有系统建设成本低、响应时间快、卫星数量少和服务可用度高等特点，详细比较如表3所示。

表3　定位报告手段特点比较

1.4北斗是全球第一个基本导航与星基增强一体化设计的系统

世界卫星导航服务的其他各主要提供者，美、俄、欧、日、印均在其基本导航系统GPS、GLONASS、GALILEO、QZSS和IRNSS之外，独立建设差分与完好性广域增强系统WAAS、SCDM、EGNOS、MSAS和GAGAN。北斗则是充分发挥统筹规划、资源共享的中国航天优良传统，在GEO卫星的基本导航信号中播发差分与完好性广域增强信息，GEO卫星空间信号既是基本导航信号又是星基增强信号，兼具良好的测距性能和完整的差分增强能力，对北斗重点服务区提供了更多的测距可用卫星数和更高的服务可用性。

2北斗全球系统建设构想与设计建议

北斗全球系统立足于满足国家安全与经济社会发展需要，致力于为全球用户提供连续、稳定和可靠的卫星导航服务，与世界其他卫星导航系统共同合作，服务全球、造福人类。作为四大全球卫星导航系统中启动最晚的北斗，自身发展历程也已超过20年，历史经验需要充分总结，面向未来的发展思路也需要开拓创新。

2.1北斗全球系统发展面临的关键问题

2.1.1全球星座构型

北斗全球系统是一个有重点服务区的全球卫星导航系统。星座构型需保证在全球范围内服务性能与其他系统相当，又确保在亚太地区服务性能超过其他系统。亚太地区作为我国军事、政治和经济战略重心所在，北斗用户的使用环境约束(电磁环境、地形遮挡)也更加苛刻，这就要求北斗全星座中区域GEO/IGSO卫星与全球MEO卫星的整体布局做好统筹。

2.1.2新型信号体制

北斗已公开的B1I和B2I信号承担着对国际社会的承诺，但同时为实现测距精度、抗多径、跟踪灵敏度和解调灵敏度等性能的全面提升，新型导航信号的创新设计是必由之路。北斗新的公开信号B1C和B2a/b既要实现与GPS L1C、L5、Galileo E1OS和E5a/b等的兼容与互操作，又要与老信号长期并存、分享有限功率，同时还要规避专利陷阱，避免重蹈英、美之间专利纠纷[5]。

2.1.3星间链路

美国GPS和俄罗斯GLONASS导航卫星都已具备星间数传与测量能力，欧洲Galileo亦有此论证规划。中国北斗新一代导航卫星使用星间链路技术，是国内布站条件下全球发展的必然选择，也是星座自主运行的必要条件。美、俄星间链路技术体制发展经历了UHF频段、S频段和V频段等多种方案选择与演变[6]，北斗星间链路技术发展也同样可能面临着多重变数。

2.1.4海外建站

全球导航服务的重要前提是对卫星实施全弧段连续跟踪观测，以此为精密定轨、钟差测定、电离层改正建模和完好性监测提供必要的数据保障。由于星间链路技术风险不容忽视，海外建站仍是北斗全球发展的重要支撑，世界各大系统也都没有弱化全球建站的计划实施。2014年开始，中俄双边合作，计划互建卫星导航监测站是北斗海外建站步伐的良好开端[7]。

2.2北斗全球系统整体服务规划构想

综合陆、海、空、天各类用户的定位、导航、授时和位置报告等各类使用需求，纵观北斗发展历程，北斗全球系统未来需要提供的服务，按照服务功能特征不同，应该可以规划为基本导航服务、定位报告服务和星基增强服务3大类。

基本导航服务是基于卫星无线电导航业务(RNSS)原理实现全球范围的连续实时定位、导航和授时服务能力。定位报告服务是基于卫星无线电测定业务(RDSS)原理实现的实时定位、授时、位置报告和短报文通信服务能力。星基增强服务是基于广域差分与完好性监测原理，利用GEO卫星为用户提供区域覆盖的RNSS差分改正和完好性监测信息，实现对基本导航的差分与完好性增强服务。

2.2.1基本导航

北斗需瞄准全球导航需求，与世界其他导航系统兼容使用，形成全球实时连续导航测速授时能力。民用基本导航与GPS、Galileo实现互操作，共同改善全球用户导航性能。服务性能预期定位精度优于10 m，测速精度优于0.2 m/s，授时精度优于20 ns。

2.2.2定位报告

进入21世纪以来，中国综合国力迅速提升，参与全球事务程度不断加深，中国的国家利益、军事利益与人民权益随之跨越国门。中国国家安全的内涵与外延、时空界域比历史上任何时候都更加宽广。导航定位与位置报告能力已成国家安全基本需求。卫星导航到哪里，位置报告就需要到哪里。

2.2.3星基增强

北斗星基增强服务需与其他世界主流SBAS在ICAO的指导下统一接口、统一标准和统筹设计，实现全球无缝衔接。满足民用航空CAT-1需求，支持北斗、GPS、GLONASS和Galileo四大全球系统的差分与完好性增强。未来双频SBAS电文还可进一步简化，简略格网电离层信息，内容以单星完好性与URE评估为主，空闲电文信道则可增加其他增值服务。

2.3北斗全球系统建设的几点建议

立足于我国卫星导航应用需求与国家发展战略，为尽快建成世界一流的卫星导航系统，提升北斗的国际市场竞争力，对北斗全球系统总体设计提出如下几点建议：

① 全球星座布局建议更加重视重点区域服务性能，尤其是“一带一路”地区服务性能；

② 民用导航信号设计需要与国外信号实现深度互操作，同时也需规避专利纠纷；

③ 星间链路设计建议更重视鲁棒性，尤其重视星载设备异常后的整网快速恢复性能；

④ 定位报告服务建议实现更大覆盖区拓展，继承并发扬北斗特色服务；

⑤ 基本导航、星基增强服务在与国外系统实现互操作的同时，建议具备差异化优势，保持独立自主性。

3结束语

北斗区域系统开通3年以来，运行状态稳定良好，行业应用稳步推进，北斗终端社会持有量已超过1 000万套[7]，未来还将呈现爆炸式增长。

北斗全球系统目前处于顶层设计与试验验证阶段，工程建设有序推进之中，多方面技术体制可能有所调整，服务性能也必将在区域系统基础上大幅提升，期待北斗在2020年左右成为世界一流的全球卫星导航系统，为国家和全世界做出更大的贡献。

参考文献

[1]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告(2.1版)[J].卫星应用，201(1):9-12.

[2]谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报,2008,29(2):391-396.

[3]许其凤.区域卫星导航系统的卫星星座[J].测绘工程,2001,10(1):1-5.

[4]谭述森,周兵,郭盛桃,等.我国全球卫星导航信号设计研究[J].中国科学:物理学力学天文学,2010,40(5):514-519.

[5]施蕾.英美卫星导航信号专利纠纷及其对中国专利布局的影响[J].数字通信世界,2013(12):16-19.

[6]陈忠贵,帅平,曲广吉.现代卫星导航系统技术特点与发展趋势分析[J].中国科学E辑:技术科学,2009,39(4):686-695.

[7]中国卫星导航定位协会.中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书(2014年度)[M].北京:中国卫星导航定位协会,2015.

周兵男，(1957—)，研究员。主要研究方向：卫星导航系统总体设计。荣获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项、省部级科技进步一等奖4项、二等奖6项。

作者简介

中图分类号TN96.1

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)04-0001-04

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61401119)；河北省教育厅基金资助项目(Q2012118)。

收稿日期：2016-01-07

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.01

引用格式：周兵.北斗卫星导航系统发展现状与建设构想[J].无线电工程,2016,46(4):1-4.