全球卫星导航系统发展现状与特点分析

郝雅楠 祝 彬 朱华桥 /文

2020 年6 月23 日，北斗三号最后一颗全球组网卫星发射任务取得圆满成功，标志着北斗三号全球星座部署全面完成，北斗卫星导航系统正式拥有全天时、全天候、全球覆盖的服务能力。北斗卫星导航系统成为继美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统之后世界第三个全球定位导航系统，得到了全球的广泛关注。为此，本文将系统梳理全球卫星导航系统的发展现状，分析北斗卫星导航系统相比其他卫星导航系统的特点与优势，并对未来全球卫星导航系统的发展进行展望。

全球卫星导航系统总体概述

全球卫星导航系统是指能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天时、全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。目前，全球卫星导航系统国际委员会（ICG）认定了四大全球卫星导航供应商，分别是美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）（以下简称“GPS”）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）（以下简称“GLONASS”）、中国的北斗卫星导航系统 （BeiDou Navigation Satellite System，BDS）（以下简称“北斗系统”）以及欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System,Galileo）（以下简称“Galileo 系统”）。

全球卫星导航系统发展现状

GPS、GLONASS 分别于1994 年、2009 年完成部署，开始提供全球卫星导航服务，目前处于不断更新中；北斗系统于2020 年6 月完成全球星座部署，Galileo 系统预计到2020 年年底也将完成全部卫星部署，届时所有卫星导航系统工作重点均从部署转到系统维护升级与基础应用开发扩展。根据忧思科学家联盟（UCS）统计数据，截至2020 年7 月，全球在轨导航卫星138 颗，其中，GPS、GLONASS、北斗系统、Galileo 系统在轨卫星数量分别为34 颗、27 颗、51 颗、26 颗，占比分别为24.6%、19.6%、37%、18.8%。

美国全球定位系统（GPS）发展现状。GPS 是美国国防部于20 世纪70 年代开始建设的中圆地球轨道（MEO）卫星导航系统，1994 年开始并提供运营服务，可以为地球表面98%的绝大部分地区提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。

GPS 由空间段、地面段和用户段部分组成。

空间段部分，GPS 卫星星座最初设计由24 颗卫星组成，其中21 颗为工作卫星，3 颗为备用卫星。24 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面上，每个轨道面上有4 颗卫星。2011 年6 月，美国空军成功扩展GPS 卫星星座，调整6 颗卫星位置，并多加入3颗卫星，使工作卫星数目增加至27 颗，扩大了覆盖范围，提高了准确度。截至 2020 年7 月12 日，在轨工作卫星达到32 颗，其中包括1997 年到2004 年发射的GPS-2R 卫星10 颗、2005 年到2009 年发射的GPS-2RM 卫星7 颗、2010 年到2016 年发射的GPS-2F 卫星12 颗，以及2018 年到2020 年发射的GPS-3 卫星3 颗。多余卫星不参与星座组网，但可以增加定位精度和可靠性。

GPS-3 卫星

GPS 地面段分布图

地面段部分，包括1 个主控站、1 个备用主控站、4 个数据注入站和6 个空军监测站，以及空军卫星控制网远程追踪天线（AFSCN）、美国智能化地理空间局（NGA）监测站。主控站是整个地面监控系统的管理中心和技术中心，位于美国科罗拉多州的斯里佛空军基地。备用主控站在发生紧急情况时启用，位于马里兰州盖茨堡。注入站用于把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星，4 个注入站分别位于南太平洋马绍尔群岛的瓜加林环礁、大西洋上的英国属地阿森松岛、英属印度洋领地的迪戈加西亚岛和位于美国本土科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。监测站的主要作用是采集GPS 卫星数据和当地的环境数据，发送给主控站。空军监测站目前有6 个，上述4 个注入站同时也是监测站，另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角2 处监测站。

用户段部分，包括GPS 军用接收机器、智能手机等，主要作用是从GPS 卫星接收信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）发展现状。GLONASS 由苏联在1976 年启动建设，后由俄罗斯继续该计划。1993 年，俄罗斯开始独自建立本国的全球卫星导航系统，2007 年开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务，2009 年将服务范围拓展到全球，主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。

GLONASS 由空间段、地面段和用户端部分组成。空间段部分，GLONASS 卫星星座由24 颗中圆地球轨道（MEO）卫星，平均分布在3 个轨道面上。截至2020 年7 月12 日，GLONASS 在轨卫星27 颗，其中23 颗处于在轨运行状态、1 颗在轨维护、1 颗处于飞行测试、2 颗为备份星。地面段部分，包括1 个控制中心，若干注入站，58 个地面监测站和增强站。控制中心位于莫斯科，地面监测站和增强站位于俄罗斯境内 46 个、邻国8 个、南极3 个、巴西1 个。

GLONASS 地面段分布图

长三乙火箭整装待发

北斗卫星导航系统（BDS）发展现状。我国于20世纪80 年代开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，提出“三步走”发展战略：2000 年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012 年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；2020 年前后，建成北斗三号系统，向全球提供服务。目前，北斗系统已完成全球组网，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段部分，北斗系统空间段由若干地球静止轨道（GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和中圆地球轨道（MEO）卫星等组成。截至2020 年6 月23 日，北斗系统共发射卫星59 颗，包括4 颗北斗导航试验卫星，20 颗北斗二号卫星，35 颗北斗三号卫星；在轨运行卫星51 颗，其中北斗二号16 颗，北斗三号35 颗（含5 颗备份星）。

地面段部分，包括主控站、注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。主控站用于系统运行管理与控制，从监测站接收数据并进行处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，而后交由注入站执行信息发送。注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理，在接受主控站的调度后，将卫星导航电文和差分完好性信息向卫星发送。监测站用于接收卫星的信号，并发送给主控站，可实现对卫星的监测，以确定卫星轨道，并为时间同步提供观测资料。用户段部分，分为上中下游三个链条。上游主要是基础部件，包括芯片、模块、板卡、天线等基础产品等。中游是终端产品，比如智能手机、汽车导航等产品。下游则是北斗相关的解决方案、运维服务等行业应用。

欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo）发展现状。Galileo 系统是世界上第一个完全民用的卫星导航系统,研制计划于1999 年2 月由欧洲委员会公布。2003 年开始实施，经历短暂的缓慢发展后转入高速发展阶段，计划2020 年年底完成全部30 颗导航卫星部署。

Galileo 系统由空间段、地面段和用户端部分组成。空间段部分，卫星星座由30 颗卫星组成，其中24 颗工作星，6 颗备份星，位于3 个倾角为56 度的轨道平面内。截至2020 年7 月12 日，Galileo 系统在轨卫星26 颗。地面段部分，有两个地面操控站，分别位于德国慕尼黑附近的奥伯法芬霍芬和意大利的富齐诺。此外，还有若干注入站和地面监测站。

北斗系统与其他卫星导航系统对比分析

随着北斗三号全球组网完成，北斗系统开启全球运营服务新时代。总体来看，北斗系统与GPS 性能基本相当；GLONASS 轨道倾角较大，导致其在低纬度地区性能较差，而北斗系统空间段高轨卫星更多，低纬度地区性能优势明显；Galileo 系统的观测量质量较好，但星载钟稳定性稍差，对系统可靠性造成一定影响，而北斗系统采用了功效低的铷原子钟和稳定性高的国产氢原子钟相结合的授时方式，稳定性强。具体来讲，北斗系统与其他卫星导航系统对比情况如下表：

概括起来，北斗系统具有以下优势：

一是抗遮挡能力强，低纬度地区性能优势明显。北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能优势更为明显。

二是具有双向通信能力，应用场景更加丰富。北斗系统创新融合了导航与通信能力，可以在用户和用户、用户和控制中心之间进行双向通信，实现短报文通信、国际搜救等多种服务，而其他卫星导航系统是单向通信的。这一点使北斗系统在未来交通运行、人员搜救、渔业出海等领域都具备无可比拟的优势，极大丰富了应用场景。

三是定位精度与其他卫星导航系统基本相当。目前，全球卫星导航系统均可以提供优于10 米精度的实时定位，GPS 更是拥有约10 米的民用精度和0.3米的军用精度。对比来看，北斗系统民用精度基本相当，在亚太地区定位精度还优于5 米，测速精度甚至可以低于0.1 米/秒。对军队用户，北斗系统能够提供的精度将小于1 米，处于世界先进水平。

四是授时精度技术先进，具有较大的领先优势。北斗三号采用功效低的铷原子钟和稳定性高的国产氢原子钟相结合的授时方式，误差小于10 纳秒，稳定性强，时间测量更加精确。

全球卫星导航系统发展展望

全球卫星导航系统代表着一个国家的科技实力，对于国防安全和国民经济发展具有重要意义。未来，各国仍将大力推动全球卫星导航系统更新升级，积极挖潜市场潜力，全球卫星导航系统将呈现以下特点。

一是新一代导航卫星蓄势待发，卫星星座将持续更新。由于导航卫星的寿命限制，卫星导航星座部署工作并不一劳永逸。随着北斗系统全球组网完成，Galileo 系统预计在2020 年年底实现全面运营，全球四大卫星导航系统均由部署阶段转向系统升级维护和基础应用开发阶段。目前，美国正在大力发展新一代GPS-3 卫星，我国计划在2020 年完成新一代北斗系统设计论证，2035 年开始新一代系统的卫星组网工作，俄罗斯和欧洲也提出了导航卫星的性能升级计划。按照目前技术发展趋势，新一代导航卫星将在定位授时精度、抗干扰等方面有极大提升。

二是综合性能不断提升，全球卫星导航系统领域竞争仍然激烈。目前，美国在研的GPS-3 卫星在平台和载荷方面均采取了全新的设计方案，在导航定位服务、系统抗干扰、导航对抗等方面均实现了性能大幅跃升。GPS-3 系统定位精度有望达到0.5米，授时精度达到1.3 纳秒；通过采用点波束增强技术可将军用信号功率大幅提高，有效提升重点区域跟踪导航信号能力，提升抗干扰能力；此外，系统设计之初就考虑了导航拒止能力，需要时可迅速激活拒止功能。因此，虽然我国北斗系统建设取得了全球组网的重大战略成果，但保持领先地位的挑战仍然很大。

三是全球卫星导航产业发展前景广阔，应用场景丰富。全球卫星导航系统的不断完善，推动着卫星导航产业持续快速发展。其中，亚太地区将是未来十年全球市场增长的主要地区，其年增长率有望保持11%。以航空、无人机、船舶、铁路为代表的应用领域也将有力支撑卫星导航产业的持续增长。此外，“卫星导航”+也将释放巨大的市场潜力。预计未来全球卫星导航将与5G、物联网等新技术方向互联融合、相辅相成，加快变革通信网络设施形态，并为人工智能、云计算、区块链等新技术基础设施提供精准时空信息。

历经26 年风雨，我国终于有了自己的全球卫星导航系统。北斗系统技术先进、功能齐备、性能优异，拥有完全自主知识产权，与GPS、Galileo 系统具有较好的兼容性，为北斗系统走向世界提供了重要支撑。未来，随着卫星导航系统的不断更新、综合性能的持续提升，卫星导航产业也将继续保持高速增长态势，展现广阔的市场前景和巨大的发展潜力。