世界卫星导航格局发展趋势研究

文 | 卢鋆 申建华

1. 北京跟踪与通信技术研究所 2. 卫星导航系统与装备技术国家重点实验室

21世纪初，世界卫星导航领域建成并提供服务的卫星导航系统，主要有美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）和中国北斗卫星导航系统（BDS）。其中，美国GPS系统向全球提供服务；俄罗斯GLONASS早期也可提供全球服务，后期因经济衰退，卫星补网出现困难，最少时只有7颗卫星在轨；我国完成北斗一号建设，向我国及周边用户提供服务。10年前，GLONASS系统逐渐恢复全球服务能力，北斗二号系统开始为亚太大部分地区提供试运行服务，欧洲也逐步加快推进伽利略系统（Galileo）建设，四大卫星导航系统格局初显。

2020年6月，北斗发射最后一颗全球组网卫星，全球星座部署完成。7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗和欧洲Galileo四大卫星导航系统均已提供全球服务，印度区域导航卫星系统（IRNSS）和日本准天顶系统（QZSS）两个区域系统也向用户提供区域服务，世界卫星导航新格局基本显现，呈现出六大新看点。

一、四大全球系统同台竞技，精度比肩

卫星导航系统的定位精度主要由两方面因素决定，一是位置精度衰减因子（PDOP），二是用户等效测距误差（UERE）。PDOP主要取决于星座的覆盖特性，目前四大全球卫星导航系统的PDOP均值相当，一般为2左右。UERE由空间段卫星轨道钟差、传输段的电离层和对流层误差、用户段接收机噪声和多径误差三部分构成，其中空间段轨道钟差以用户测距误差（URE）来衡量，也是评估国际各大系统空间信号能力的主要标准。

俄罗斯GLONASS系统将其星基增强系统—差分校正和监测系统（SDCM）纳入体系，共有3颗GEO卫星和23颗MEO卫星正常运行。GLONASS系统定位精度水平优于5m，高程优于9m，与其他系统定位精度相当[2]。考虑到各大系统卫星星座基本完备，PDOP均值相当，扣除传输段和用户段的误差因素，GLONASS系统的URE基本与其他全球系统相当。

北斗系统目前共48颗卫星在轨运行，包括30颗北斗三号卫星和18颗北斗二号卫星，卫星在轨运行良好，空间信号质量优异，北斗三号信号精度优于北斗二号信号精度。目前，北斗三号卫星URE均值为0.41m。在当前星座条件下，B1I、B3I信号，定位精度水平约3.6m，高程约6.6m，测速精度约0.05m/s，授时精度9.8ns（95%置信度），亚太地区精度提升约30%；B1C、B2a信号，定位精度水平约2.4m，高程约4.3m，测速精度约0.06m/s，授时精度19.9ns（95%置信度）[3]。相比GPS、GLONASS等系统，北斗系统的URE相当，定位、测速和授时能力均非常优异。随着北斗卫星星座的逐步完善，北斗系统的服务精度将进一步提升。

欧洲Galileo系统目前共22颗卫星在轨提供服务，包括4颗初始运行能力（IOC）的卫星和18颗完全运行能力（FOC）的卫星。服务性能方面，Galileo系统当前URE均值为0.27m，授时精度为16.8ns[4]。值得关注的是，2017年Galileo系统18颗卫星72台原子钟里有9台出现故障（含铷钟、氢钟）；2019年出现了长达117小时服务中断，影响了服务的可靠性，增加了用户对使用其服务的疑虑。

图1是四大全球卫星导航系统URE监测对比。

图1 四大全球卫星导航系统URE监测对比

综上，四大全球卫星导航系统中，北斗系统与GPS、Galileo系统的URE相当，均为0.5m左右，强于GLONASS系统。

二、兼容与互操作成为发展主流

兼容与互操作，是国际卫星导航领域从单一GPS到多全球卫星导航系统（GNSS）时代发展的重要趋势。兼容，是指独立或联合使用多个全球和区域卫星导航系统/增强系统，不会给单个系统的导航服务带来不可接受的影响（有害干扰）；互操作，是指通过使用多个全球和区域卫星导航/增强系统及其开放服务，能在用户层面比依赖单个系统的开放信号获得更好的能力。兼容是互操作的前提，为保证自主知识产权，开放信号的互操作可以在各自独特设计的基础上，实现频谱的相似性，同时实现星座互补、时间互操作、坐标相互转换，为用户提供更好的服务[5]。

全球卫星导航系统一直在加强兼容与互操作协调。在联合国框架下推动成立的全球卫星导航系统国际委员会（ICG）的重要宗旨，就是为了增强兼容与互操作，推动全球应用。以美国为例，2007年7月，美国GPS系统与欧洲Galileo系统签署兼容与互操作协议，将MBOC（6，1，1/11）调制信号作为其互操作民用信号；将日本QZSS系统作为GPS系统的区域补充与增强；2019年12月，美国宣布将印度IRNSS系统视为其“同盟”导航系统。

脑瘫是一种致残性慢性病，除了医疗康复外，需要长期、有效的家庭康复保驾护航，才能保证儿童康复的疗效，让更多儿童回归家庭和社会。把医院的医疗康复延续到家里，这更符合目前我国的基本国情。已有大量研究表明家庭康复在脑瘫患儿的康复训练中有显著重要性，医院加家庭康复训练的强化训练模式是儿童脑瘫康复行之有效的方法[11-13],坚持家庭康复的脑瘫患儿疗效比不坚持家庭康复的更好。父母的心理状况不良，将会影响家庭康复的执行，进而影响脑瘫儿童康复疗效。对脑瘫患儿父母进行心理干预可以更好地提高患儿康复疗效[14]。关注脑瘫患儿父母的心理状况及影响因素，出台救助政策、完善社会服务支持、积极开展家长工作等有深远意义。

我国北斗系统也一直注重和加强与世界主要卫星导航系统的兼容与互操作协调。2017年11月，中美双方签署《北斗与GPS民用信号兼容与互操作联合声明》，北斗和GPS在国际电联（ITU）框架下实现射频兼容，北斗B1C和GPS L1C信号实现互操作，用户在联合使用北斗B1C和GPS L1C信号时，无需增加成本，就可以享受到更好的服务。2015年，中俄成立卫星导航重大战略合作项目委员会，目前已举行了十余次全方位交流协调，签署了北斗和GLONASS兼容与互操作联合声明、合作协议等成果文件，明确了两系统射频兼容、星座互补。2008年以来，中欧成立兼容与互操作工作组，共进行7轮谈判和多次非正式交流，并在ITU框架下完成首轮频率兼容协调，正在持续开展深入协调。

四大全球系统通过加强兼容与互操作，可有效改善观测几何，提高全球任何地区的定位精度，提升全球导航服务可用性[6]。从仿真结果来看（仿真起始时间2020年1月1日0时，仿真步长60s，时间1天；PDOP值按5°仰角计算，格网点5°×5°），北斗系统自身服务性能优良，北斗系统对GNSS服务性能提升非常显著，精度、稳定性、可靠性的贡献率可达到20%以上（表1）。

三、多样化服务成为新一轮竞技焦点

目前，各大卫星导航系统供应商都在积极致力于拓宽卫星导航的服务范畴，以更好的满足用户多样化需求，多样化服务已成为未来全球卫星导航系统的发展趋势和竞技比拼的“新大招”。

美国GPS系统的GPS－3卫星播发与其他全球卫星导航系统互操作的第4个民用信号（L1C），提供更高的精度与原子钟服务，GPS－3卫星后继型号GPS－3F卫星将提供搜救服务。未来，美国还将对其星基增强系统——广域增强系统（WAAS）当前使用的3颗GEO卫星进行更新换代，可提供双频多星座服务、增强完好性监测服务等。

GLONASS系统将提供四类民用服务，即基本开放服务、高可靠和精度服务、基于载波相位测量与参考站的导航服务、高精度精密单点定位（PPP）服务。同时，GLONASS系统建有GNSS监测与性能评估系统，可独立监测系统性能，并评估用户层性能。

Galileo系统将具备四种新服务，包括公开服务导航信息认证、高精度（目标为0.2m）、商业认证、紧急告警（与日本、印度合作）服务。此外，国际搜救卫星组织（COSPAS）已宣布Galileo系统具备搜救早期服务能力，现已完成反向链路功能演示测试，将于2020年提供正式的搜救服务。

北斗系统的基本服务能力与各大卫星导航系统相当，已跻身世界一流系统行列。同时，北斗系统创新性采用导航通信融合的技术体制，将面用户全面提供定位导航授时、短报文通信、国际搜救、精密单点定位和星基增强等多种服务，在服务多样化的浪潮中发挥积极作用。

四、各系统瞄准2035年前后形成新能力

2020年是四大全球卫星导航系统全部完成全球部署和提供服务的新起点，世界卫星导航发展将迈入新阶段。同时，这也是四大系统瞄准2035年前后形成新能力，开始升级换代的新起点。

美国计划于2034 年左右完成GPS－3系列卫星的发射，构成全部由GPS－3系列卫星组成的星座，巩固其在定位导航授时领域的领先地位。目前，美国正在抓紧研制和发射GPS－3卫星，计划2023年完成10颗GPS－3卫星部署，2034年完成22颗GPS－3F卫星部署。同时，美国也未放松新技术和新平台的验证工作，为下一代甚至未来几代GPS做准备。在1977年发射NTS－2卫星演示铯钟和全球数据采集网络之后，时隔38年美国再次启动“导航技术卫星计划”，计划2022年发射NTS－3卫星并开展在轨试验[1]（图2）。NTS－3卫星主要验证GPS未来发展所需的有效载荷关键技术，包括在轨数字波形生成器、高增益区域增强天线、氮化镓高效放大器等，提升GPS系统全球竞争能力。

图2 美国NTS-3卫星在轨示意图

俄罗斯计划在2030年建成以GLONASS－KM为主体的卫星星座。俄罗斯不断出台文件以及政策，确保GLONASS系统的可持续发展；同时，计划于2025年之前发射6颗高轨卫星GLONASS－B（3个轨道平面，轨道倾角64.8°，离心率0.072，播发L1/L2/L3OC信号），使东半球星座覆盖性能提升25%[2]。

2020年6月23日，北斗三号系统最后一颗卫星发射成功，北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成，可面向全球用户提供更加优质、更加多样的服务。到2035年，将建设完善以北斗为核心，多种手段相互补充、备份、增强的国家综合定位导航授时（PNT）体系（图3）。通过技术先进、安全可靠、兼容互用的新一代北斗系统，融合增强、多手段补充和备份系统建设，建成基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的北斗综合PNT体系，满足国家安全、经济社会时空信息保障需求。

图3 北斗系统未来发展示意图

欧洲计划在2035年左右具备第二代Galileo系统的完全服务能力：2020-2024年发射4颗第三批完全运行能力（FOC）卫星，2025年开始向更高精度、更多服务的第二代Galileo系统过渡，同时开始发射第二代卫星， 2030年具备第二代系统初始服务能力，2035年左右具备完全服务能力[4]。

五、高可靠连续服务成为重要标杆

进入全球应用服务时代，卫星导航系统作为提供时空信息服务的基础设施，具备一流的能力重要，提供一流的服务更重要。高可靠连续服务和高稳定运行能力，成为全球卫星导航系统在全球服务时代进行比拼的关键。同时，各星基增强系统作为给民航等生命安全用户提供差分增强和高可靠完好服务的基础设施，其连续稳定运行就显得更为重要。

2019年7月，欧洲Galileo系统服务一度中断。欧方称此次服务中断，是由于地面段升级造成精密时间设施故障，精度未超出承诺的URE 7m的指标，但服务连续性、可用性超出指标要求。Galileo系统在此次服务中断过程中发现问题、协调解决问题链条和周期较长，才会导致长时间的服务中断。因此，提供高可靠连续服务和高稳定运行能力已成为当前各大卫星导航系统关注的焦点。

在提升系统稳定性方面，GPS系统注重增强服务，其增强包括广域增强系统（WAAS）、连续运行参考站（CORS）、全球差分GPS（GDGPS）、国际GNSS服务（IGS）、全国差分GPS系统（NDGPS）、商用精密增强系统等。WAAS系统当前可为北美航空用户提供高可靠服务，后续将通过GPS利用双频提供更高可靠性服务，并将对当前使用的3颗GEO卫星进行更新换代，通过提供双频多星座服务、增强完好性监测服务进行WAAS系统的现代化更新。

近年来，GLONASS系统通过地面设备部分现代化、引入具有增强性能的新星载原子频率标准、引入先进的卫星控制和指令、定轨和定时技术、基于射频和光学波段的星际交互、GLONASS时间标度与UTC（SU）的同步小于2ns等方式，不断提高系统定位的准确性以及完好性，优化卫星的可见度，提高当前应用效率，拓宽应用领域。

北斗全球服务同样面临可靠连续稳定服务的高要求。北斗对系统服务的需求，不仅体现在对导航系统星地运行的高要求，同时在平稳过渡、系统升级、备份设计、运行管理机制、技术保障等环节做好工作，确保用户权益，避免出现系统服务中断的问题，也避免在国际社会造成负面影响。作为世界一流卫星导航系统，北斗系统具备独立提供连续稳定可靠高质量服务的能力，北斗二号自开通服务以来，已连续7年服务无中断，北斗三号也已连续服务1周年。

六、传统应用和新兴应用全面开花

目前，北斗系统现已广泛应用于交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等众多领域。同时，基于北斗系统的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，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（图4）。

图4 北斗系统广泛应用于日常生活各个领域

在交通运输方面，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。中国境内有超过700万辆营运车辆、3万辆邮政和快递车辆，36个城市的约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施已应用北斗系统，建成全球最大的营运车辆动态监管系统，有效提升了监控管理效率和道路运输安全水平。

在减灾救灾方面， 已推广北斗终端超过4.5万台。受灾地区可以利用北斗短报文功能及时上报位置信息、突发灾害信息和灾区救助信息等信息。各级民政部门通过北斗终端可以进行救灾物资的查询管理和监控，大幅提升了全国救灾物资管理与调运水平。

在新兴应用方面，未来北斗将与5G移动通信、窄带物联网（NB-IoT）低功耗广域网技术、人工智能技术等领域深度融合，不仅促进5G芯片中嵌入北斗高精度定位能力，助力手机、汽车、机器人和物联网终端实现自动地图生成、智能路径规划、自动环境识别、远程平台监控等功能，还将打造资产跟踪、人员定位、蜂窝辅助定位、冷链运输、智能井盖等各种精品应用。

在国际应用方面，北斗系统已在东盟国家的土地确权、精准农业、仓储物流，西亚国家的建筑施工，南亚国家的机场授时、海上打桩，东欧国家的电力巡检，非洲国家的国土测量等不同领域广泛应用。同时，北斗系统已经获得了国际民航、国际海事、3GPP移动通信、国际海运等国际组织认可，相关标准均已获得通过，相关产品输出全球30多个国家和地区。

七、结语

目前，各国都在部署或完善全球卫星导航系统，积极推进新一代卫星导航技术的发展。其中，美俄两国加快星座建设和卫星改进，促进现代化卫星全面占据星座主导地位。同时，各大全球卫星导航系统也在推动与其他系统的融合，以实现更优的性能，并在全球定位、导航和授时服务的基础上推出更加多样化的应用服务。未来，各大系统将开启更加激烈的卫星导航技术竞争和服务竞争。