北斗卫星导航系统建设与发展

文|中国卫星导航系统管理办公室 杨军

一、系统建设

7月31日，习近平总书记向世界宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗“三步走”发展战略圆满完成，北斗迈进全球服务新时代。北斗三号2009年11月启动建设。10 余年来，历经关键技术攻关、试验卫星工程、最简系统、基本系统、完整系统五个阶段，提前半年完成全球星座部署，开通全系统服务（图1）。

目前，北斗系统已提供导航定位和通信数传两大类、七种服务。具体包括：面向全球范围，提供定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和国际搜救（SAR） 三种服务；在中国及周边地区，提供星基增强（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）和区域短报文通信（RSMC）四种服务。

图1 北斗三号全球卫星导航系统星座组网图

——定位导航授时服务。北斗系统空间信号精度优于0.5m；全球定位精度优于10m，测速精度优于0.2m/s，授时精度优于20ns；亚太地区定位精度优于5m，测速精度优于0.1m/s，授时精度优于10ns。

——国际搜救服务。按照国际搜救卫星组织标准，与其他卫星导航系统共同组成全球中轨搜救系统，同时提供北斗特色的返向链路服务，极大提升搜救效率和能力。

——全球短报文通信服务。系统通过14 颗中圆轨道（MEO）卫星，可为全球用户提供试用服务，单次通信能力40 个汉字。

——区域短报文通信服务。服务中国及周边地区，容量提升至1000 万次/小时、用户机发射功率降到1-3W、单次报文长度1000 个汉字。目前基本完成区域短报文服务平台建设，推动短报文与移动通信有机融合，进一步发挥北斗系统导通融合服务优势。

——星基增强服务。系统按照国际民航组织标准建设，服务中国及周边地区用户，支持单频及双频多星座两种增强服务模式，满足国际民航组织相关性能要求。目前北斗星基增强系统服务平台已基本建成，即将开展民航应用验证评估工作。

——地基增强服务。已在中国范围内建设155个框架网基准站和2200 余个区域网基准站，提供实时米级、分米级、厘米级和后处理毫米级增强定位服务。

——精密单点定位服务。目前系统已通过3 颗地球静止轨道（GEO）卫星播发精密单点定位信号。定位精度实测值水平优于15cm，高程优于30cm，收敛时间优于15min。

2035年前，我国还将建成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系，为全球用户提供基准统一、覆盖无缝、安全可靠、便捷高效的PNT 服务，为未来智能化、无人化发展提供核心支撑。

二、应用推广

目前已构建起集芯片、模块、板卡、终端和运营服务为一体的北斗完整产业链。10年来我国卫星导航与位置服务产业总体产值年均增长20%以上，2019年达到3450 亿元，今年有望超4000亿元。

支持北斗三号新信号的22nm 工艺射频基带一体化芯片，已经进入量产阶段，性能再上新台阶。截至2019年底，国产北斗导航型芯片模块出货量已超亿级规模。北斗基础产品已输出到120 多个国家和地区。

但是,实际链并不总是那么理想.如果链刚性较强,使得用于统计的连接单元的长度过长,或者尽管高分子链本质是柔性的,但其分子量过低等,在这些情况下,分子链的统计单元数不能达到满足统计意义的数值,上述模型就无法施展其功用,此时就要借助另一种模型——蠕虫状链(worm-like chain,WLC)来了解分子链的空间尺寸.

北斗系统已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等行业，融入电力、金融、通信等基础设施，广泛进入大众消费、共享经济和民生领域，深刻改变着人们的生产生活方式，产生显著的经济和社会效益（图2）。

图2 北斗系统行业应用

交通运输方面，北斗系统广泛应用于重点运输过程监控、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度监控等领域，使综合交通管理效率和运输安全水平显著提升。截至2020年10月底，有近700 万辆道路营运车辆已经安装使用北斗系统，占运营车辆的96%；3.14 万辆邮政快递车辆安装使用北斗系统，占比88%；约1400 艘公务船舶安装使用北斗系统，占比75%；约300 架通用飞行器安装使用北斗系统，占比11%。特别是在运输航空器上成功实现了北斗首次应用。

此外，北斗在中欧班列运输、京张高铁建设运营、浩吉和沪昆等铁路测试监测等方面也得到大量应用，为铁路运输高质量发展赋能赋智。

农业领域，基于北斗的农机自动驾驶系统推广应用近4.5 万台套，节约50%的用工成本；基于北斗的农机作业监管平台和物联网平台为近40万余台套农机设备提供服务，极大提高了作业管理效率。林业领域，北斗定位与短报文通信功能广泛应用于森林防火、天然林保护、森林自然调查、病虫害防治等。渔业领域，为渔业管理部门和渔船提供船位监控、紧急救援、信息发布、渔船出入港管理等服务。

减灾救灾方面，基于北斗的导航、定位、短报文通信功能，提供实时救灾指挥调度、应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务，显著提高了灾害应急救援的快速反应能力和决策能力。已建成部、省、市 （县）三级平台，实现六级业务应用，推广北斗终端超过4.5 万台。湖南、江苏、贵州、广西、四川等地利用北斗/GNSS 高精度技术建立地质灾害监测预警系统，在2020年抗击南方洪灾期间，多次成功预报山体滑坡等灾害事件发生，保障了人民生命财产安全。

在2020年抗击新冠肺炎疫情战斗中，北斗也助力其中。为建设武汉火神山、雷神山医院提供精确标绘；基于北斗的无人机、无人车纷纷应用到疫区医疗物资配送；基于北斗的车联网推动疫情期间交通智能化、精准化。

公共安全方面，构建了部、省、市（县）三级北斗公安应用体系，全国部署北斗警用装备40 余万部；通过北斗警用授时，统一了公安信息网时间基准，北斗系统在指挥调度、反恐处突、禁毒铲毒等公安工作中发挥了重要作用。

北斗的高精度服务正像水、电一样，成为触手可及、随需而用的公共服务，保障着大众的日常生活。国内外主流芯片厂商均推出支持北斗的通导一体化芯片。首款支持北斗高精度定位的智能手机已经发布，支持接收北斗地基增强服务信号，可为车辆导航等大众消费提供高精度定位信息，目前已经在国内部分城市试用。据统计，2020年上半年申请入网支持北斗定位的智能手机达到80%，占据国内绝大多数市场份额的华为、小米、VIVO、OPPO 等品牌大部分款型均支持北斗功能。

北斗为传统行业注入新动能的同时，也正加速进入新基建。与新一代通信、区块链、物联网、人工智能等新技术深度融合，北斗应用新模式、新业态、新经济不断涌现，正激发出层出不穷的创新和变革。

在政策环境保障方面，国家层面强化政策统筹设计，发布《中国北斗卫星导航系统》白皮书，系统诠释了北斗系统的发展理念和政策主张。各行业部门和地方政府配套政策持续跟进，截至2020年9月，国务院30 多个部门相继出台了涉及北斗系统的政策文件180 余件，30 多个省市和地区出台涉及北斗应用的指导性文件500 余件。

《中华人民共和国卫星导航条例》按照国务院立法工作计划有关要求，已完成征求意见工作，正在修改完善，准备上报。

目前，北斗系统已在全球超过一半的国家和地区得到应用，向亿级以上用户提供服务。基于北斗的土地确权、精准农业、数字施工、车辆船舶监管、智慧港口解决方案在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等得到成功应用。

三、国际合作

北斗系统作为全球卫星导航系统四大核心供应商之一，坚持开放合作、资源共享的发展思路，积极务实开展国际交流与合作，促进全球卫星导航事业发展。

——中俄合作。双方在系统兼容与互操作、增强系统与建站、监测评估、联合应用等领域持续开展广泛深入的合作。中俄卫星导航政府间合作协定签署并生效，为中俄卫星导航合作提供法律和组织保障。2019年和2020年分别成功举行中俄卫星导航重大战略合作项目委员会第六次和七次会议。双方克服疫情影响，切实落实中俄卫星导航政府间合作协定，推动签署北斗和格洛纳斯系统间时间互操作协议，实施中俄联合建站、跨境运输、精准农业等合作项目，启动《2021 至2025年中俄卫星导航合作路线图》联合拟制工作。

——中美合作。协调完成北斗星基增强系统PRN 编号十年延续申请。并就签署北斗B2a 和GPS L5 信号互操作联合声明达成共识。

——多边合作。中国积极参加联合国等国际组织和相关多边机制框架下的国际活动。持续参加全球卫星导航系统国际委员会第14届大会系列活动，在卫星导航法治建设、GNSS 时差监测方法、低轨导航增强等领域提出中国方案，积极为世界卫星导航事业发展贡献中国智慧。

在第62 届联合国外空委大会期间，举行了以“从指南针到北斗”为主题的中国古代导航展，展示了我国悠久的导航文化与现代先进的导航技术，并积极推动与联合国外空司开展全面合作。

在中阿合作论坛框架下持续开展中阿卫星导航合作，多项北斗合作内容写入《中阿合作论坛2020年至2022年行动执行计划》。

成功举办首届中国-中亚北斗合作论坛，组织北斗“一带一路”技术与国际应用国际培训班，促进北斗在“一带一路”国家落地应用。

——北斗国际标准推进。持续推进北斗系统进入民航、海事、搜救卫星、移动通信、电工委员会等国际组织标准。

在2020年11月2-13日举行的国际民航组织导航系统专家组第六次全体会上，北斗三号全球系统189 项性能指标技术验证全部通过，标志着北斗三号全球系统进入国际民航组织标准工作的最核心和最主要任务圆满完成，表明北斗三号全球系统为全球民航提供服务的能力得到国际认可，为全面推进北斗航空应用奠定坚实基础。

2020年，国际电工委员会发布首个北斗船载接收设备检测国际标准，国际移动通信组织发布首批支持北斗三号B1C 信号的5G 标准。2021年初，国际海事无线电技术委员会也将发布完全支持北斗三号所有公开信号的RTCM 标准协议。

——中国卫星导航年会。已连续举办十一届，年度参会人数逾3000 人，已成为一个高水平、国际化的卫星导航领域综合性交流平台，正在为世界卫星导航技术与应用发展发挥积极作用。

四、结束语

仰望星空，北斗璀璨；脚踏实地，行稳致远。北斗系统已正式迈入全球服务新时代，以崭新的姿态走向世界。未来，北斗发展的脚步不会停歇。我们将秉承 “自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的新时代北斗精神，为服务人类社会发展、构建人类命运共同体，做出新的更大的贡献。