当代GNSS的发展进步与转型构想

谭述森，张天桥

北京卫星导航中心，北京 100094

1 当代GNSS的发展进步

1.1 当代GNSS的进步

在基于多普勒频移原理的子午仪(Transit)、西科琳(TsikLon)建设的经验和教训基础上，1973年前后[1]，美国、苏联分别启动了当代全球导航卫星系统GPS、GLONASS的建设进程。20世纪90年代初，GPS、GLONASS相继建成，并对外宣布具备完整服务能力[2]。随后，欧洲的Galileo[3],中国的北斗(BDS)起步建设。目前，四大全球导航卫星系统已然构建完成，以日本QZSS、印度NavIC为代表的区域性系统也都颇具规模，成为国际社会认可的GNSS供应商。洞悉当代GNSS系统近50年的发展历程，可以分析出当代GNSS在星座构型、信号体制、导航增强、导航通信一体化、星间链路与自主运行都有明显进步。

(1) 星座构型方面。卫星星座轨道从单一的中圆轨道MEO发展到地球同步轨道GEO、倾斜地球同步轨道IGSO、中圆轨道MEO多轨混合。GEO、IGSO卫星的引入，突出了区域性导航性能的增强，可见卫星数与空间几何因子得到明显改善。在GNSS领域，中国北斗系统[4]开启了GEO、IGSO、MEO混合星座的先河，两个区域卫星导航系统日本QZSS[5]、印度NavIC[6]均采用了类似的星座；GLONASS系统在未来星座设计中，也探讨利用IGSO来改善区域性导航性能[7]。

(2) 信号体制方面。导航信号多址方式从码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)体制两条路线发展向码分多址(CMDA)体制集中。美国GPS导航信号采用了CDMA码分多址体制，俄罗斯GLONASS导航信号采用了FDMA频分多址体制，后续建设的Galileo、BDS选择了CDMA码分多址体制。实践证明，CDMA体制导航信号在测距精度、互操作性上有明显优势，受到了卫星导航科学家更广泛的青睐。2006年后，在ICG框架下，GPS、BDS、Galileo三大系统设计了全球互操作信号。GLONASS系统的FDMA信号互操作的难度较大，在其新一代导航信号设计中也全面转向了CDMA体制[8]。

导航信号带宽越来越宽，同时增设导频支路。GPS早期公开信号L1C/A主瓣带宽2.046 MHz，L2C主瓣带宽仍为2.046 MHz，扩展到L5带宽20.46 MHz、L1C主瓣带宽14.332 MHz；GPS授权信号L1P、L2P主瓣带宽20.46 MHz，扩展到L1M、L2M主瓣带宽30.69 MHz。信号带宽的扩展带来了更高的信号测量精度和抗干扰性能，并且，新一代的导航信号GPS系统L2C、L5、L1C、L1M、L2M，Galileo系统E1、E5、E6，BDS3系统B1、B2、B3信号为提升跟踪灵敏度，均配置了导频支路[9]。

导航信号调制方式从简单的二进制相移键控(BPSK)转向二进制偏移载波调制(BOC)。新一代的导航信号GPS系统L5、L1C、L1M、L2M，Galileo系统E1、E5、E6，BDS3系统B1、B2信号为实现与已有导航信号更好的兼容性，普遍采用了二进制偏移载波调制BOC技术；BOC调制方式的使用，在相同伪码速率条件下，又获得了更大的信号带宽、更好的抗多径性能、测距精度等优势。

全球民用导航进入互操作时代。GPS、Galileo、BDS三大系统在两个频点上完成了导航信号互操作设计[10]，虽然三大系统导航信号彼此独立，但采用了相同的中心频点和带宽、相近的调制方式；既实现了彼此的射频兼容，又维持了各自不同的知识产权。最重要的是，这些信号联合使用显著提升了性能，用户成本却很低，效费比极高。两个频段的互操作信号中心频率分别是1 575.42 MHz、1 176.45 MHz。

(3) 导航增强方面。星基增强(SBAS)将基本导航精度由10 m提升至1.0 m水平，推动实现了双频多系统兼容互操作。面向民用航空领域的星基增强服务，在世界范围内先后建成了美国WAAS、欧洲EGNOS[11]、俄罗斯SDCM、日本MSAS、印度GAGAN、中国BDSBAS等多个区域增强系统[12]，共同推动了对GPS、GLONASS、Galileo、BDS等全球导航系统L1、L5信号的双频增强，广域差分与完好性增强全面满足一类精密进近要求。

星基精密单点定位(SPPP)精度达到厘米级。QZSS在其在L6频段LEX信号中提供厘米级CLAS服务[5]；北斗利用3颗GEO卫星B2b信号提供分米级精密单点定位服务[13]；Galileo在E6b信号上的分米级HAS服务则正在测试验证之中。上述星基精密单点定位信号利用更高的信息传输带宽提供了更多误差校正信息，使得用户的定位精度达到动态分米级、静态厘米级，可用于无人驾驶、测绘、精准农业等行业。

(4) 导航通信一体化方面。导航通信融合发展已成明显趋势。中国北斗自第一代系统就具备了导航定位授时与通信数传两大方面的能力，经过20多年的发展，实现了RNSS连续导航与RDSS定位报告深度融合的技术体制，定位报告响应时间优于1.0 s，导航定位与通信报告在同一信道同时完成，创造了快速定位与全球位置报告的世界领先水平；北斗三号基于MEO星座在世界上首次实现了全球连续覆盖的导航通信一体化卫星网络[14-16]。欧洲Galileo在E1 OS信号上播发国际搜救MEOSAR反向链路服务[17-18]，在E5b信号上播发紧急告警服务(EWS)电文。日本QZSS在L1 SAIF信号上提供灾害告警(DC Report)信息服务[19]，在地震海啸等灾害发生时，可通过QZSS卫星广播预警信息。印度NavIC在IRNSS-1A卫星3台铷原子钟全部失效无法提供导航服务，在L5频点信号上专门提供短报文服务[20]。可见，在卫星导航系统在较好满足全球用户导航服务需求后，融合通信能力已是大势所趋；Galileo、QZSS、NavIC的通信服务均为下行链路的单向服务，主要提供应急搜救、灾害预警之类的生命安全业务，中国北斗则从起步开始就具备双向通信能力，提供的服务涵盖应急搜救、位置报告、报文通信[21-22]。

(5) 星间链路与自主运行方面。星间链路成为全球导航系统现代化的重要标志，并支持导航星座的自主运行。美国GPS从Block IIR和Block IIF卫星就安装了UHF频段的星间链路载荷，到GPS Ⅲ卫星则采用了Ka频段星间链路,进一步提高了星间数据通信容量和抗干扰能力。俄罗斯GLONASS新一代GLONASS-K系列导航卫星配置了S频段星间链路收发设备。北斗星间链路自2010年开始技术攻关，2015年基于5颗试验卫星在轨试验，通过高轨-中轨、中轨-中轨和星地链路实现了星星互联、星地互联，一星通、星星通。星间链路降低了导航卫星对地面控制系统的依赖，弥补了地面站对卫星全弧段观测的不足，提高了导航星历更新频度，显著增强了系统服务可靠性；进一步通过星间测距、星间通信和星上数据处理，还具备了导航星历的自主更新能力，支撑了星座自主运行和自主管理，即使地面系统受损，导航卫星星座仍然具备较长时间的自主导航能力。

1.2 发展启示

(1) 基于GEO/IGSO/MEO高轨、中轨异构混合的星座构型为地球表面、近地空间至高空间的高精度高可靠时空基准统一创造了良好条件，也有利于地面重点服务区可见卫星数及观测几何的性能提升。面向未来发展，层次结构更加多样的导航星座将有利于导航信号功率、星座自主完好性监测等性能[23-24]。

(2) 最大化利用频率资源是导航性能提升的关键。卫星网络建设的最大约束瓶颈是频率资源。美国仍然是卫星网络频率规则制定的主导者、先行者，占有的资源最多，启动建设最早，且多个频段不受落地功率通量密度限制。中国有幸完成与其他GNSS系统的互操作协议，为北斗全球服务打下了扎实基础。北斗使用现有频率资源创造一个新的轨道在国际协调上可行性很低，在ITU框架下可能需要开启新的更艰难的轨位频率协调。

(3) 导航通信的一体化融合将成为创新发展的主线。当前国内外几大卫星导航系统的通信能力还有很大的升级空间，导航服务解决了“我在哪里”，通信服务要解决“我们在哪里”，通信导航一体化服务的最低目标是“导航定位”覆盖到哪里，“位置报告”就覆盖到哪里，最高目标是实现宽带通信链路、全球多重覆盖、高精度时空基准的弹性融合体系[25-26]。

2 智能时代GNSS深度转型需求

卫星导航系统作为国家时空体系的核心和基石，面向未来智能社会、智能战场的发展任务仍然艰巨。智能化时代，以“AI、云、网、群、端”为代表的全新物理世界信息要素和元宇宙世界将重构整个社会生活。卫星导航服务，需要适应智能时代作用维度更广、精度更高、体系更强的特点。

(1) 导航定位授时范围更广精度更高。当前卫星导航系统实现了地球表面覆盖，但智能社会经济发展与军事斗争需要向深空、海下延伸，作用时域空域更广，要求构建覆盖空天地海、基准统一、高效智能的综合服务体系，形成无处不有、无处不在的时空信息覆盖，实现更强大、更安全、更可靠的时空服务能力。在智能时代，无人化平台成为基本形态，无人车自动驾驶、无人机紧密进近、室外智能机器人都迫切需要在现有导航精度基础上再提升一个量级，导航完好性风险更低、首次定位时间更快、陆海空天跨域覆盖能力更强。

(2) 导航安全防护体系更全能力更强。当前的导航安全防护主要目标是应对信号干扰，将信号链路安全防护作为主要措施，智能时代的导航与观测感知、通信数传、智慧决策、自动执行相互交织相互影响，需要全球任意区域、功率更高、生效更快的导航能力水平，需要导航信号智能调整能力，需要发展量子导航、脉冲星导航、深海导航、微型PNT等多元导航手段，把不同原理、不同方式、不同载体的导航方法融合在一起，要求手段更全面、系统更稳健，实现体系级、系统级的导航安全防护能力。

(3) 导航信息交互带宽更大接入更广。智能时代网络空间在社会经济生活与军事斗争体系中的地位作用逐步上升，并与导航时空体系合而为一。提供时空位置的导航信息与网络空间系统，把分散的智能个体连接为一个整体，形成网络化体系化群体智能，需要支持泛在感知、多元弹性、可信可重构的导航能力，支持高可靠、强抗干扰、随遇接入的信令信道，需要及时获取所需的地理、地图和图像等导航辅助信息，实现真正意义上的通信导航一体化，形成多域融合的导航时空信息网络。

3 智能导航转型发展构想

面向智能时代发展需要，下一代卫星导航系统要构建天地一体的时空基准网和导航信息服务网，构建基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷、实战性强的国家综合导航定位授时体系。当代GNSS转型发展的核心宗旨是泛在、融合、智能，在技术体系上重点实现以下4个方面的转变。

(1) 星座构型从中高轨到低中高多层轨道扩展。智能时代导航用户载体的泛在性、综合性要求导航系统适应各类复杂多域环境，目前20 000～36 000 km高度的导航星座构型在导航信号功率、系统可用性与完好性保证方面存在一定劣势。如何在高复杂环境下保证服务连续性和精度，基于高轨、中轨、低轨卫星联合构建的多层次导航星座，与脉冲星、拉格朗日导航融合，服务范围涵盖地月系、地球轨道、地表室内等跨域空间。

(2) 导航信号从L频段向L/S/C/Ka更宽频段拓展。无人驾驶、元宇宙等智能时代新生应用呼唤动态厘米级卫星导航。根据GNSS导航理论，卫星导航精度的提升首先从信号测量精度入手，使空间距离测量精度达厘米或者毫米级。GNSS三大误差的源头来自卫星导航频率，其误差与频率的平方成正比。GNSS当前仅使用L频率，星基L双频导航精度达1.0 m级。为达到厘米级精度需将现有频率提升至S/C/Ka等更高、更宽频段。

(3) 服务体系从通导简单集成向通导深度融合推进。智能导航服务将提供更深更广的导航信息，深度融入互联网、物流网等信息网络，具体包括提供面向陆、海、空、天用户的高、中、低速分类分层次导航信息服务，主要特征是导通服务一体化、用户按需可靠接入随遇化、星座管理智能化。实现星地用户链路资源智能调配，支撑通信导航手段紧耦合，在恶劣电磁环境下，实现广泛的全球随遇接入。通过导航卫星覆球波束，满足用户在全球范围、任意姿态的通导需求，实现高可靠性、抗强干扰的搜索救援、位置报告、信令传输。导航天基网络与地面网络信息交互构建星间、星地高速骨干网络，通过小型化激光终端和增强型空间路由器，构建稳定可靠的空间网络，装载完备、标准的空间网络协议体系，更大带宽的星间链路支持混合星座网络自主智能运行。

(4) 系统运维从地面维持向星地智能运行过渡。当代GNSS系统运行已迈出了从人工操控到卫星半自主运行的步伐，但智能化时代迫切要求一个打不烂炸不坏，稳健性更强、运行更加安全的时空基准体系。智能化运行控制与安全防护是重要技术途径，包括基于通导一体信息网络及低轨平台实现星座智能完好性监测，地面控制段实现多点分布、群体协同，卫星实现自主干扰规避、智能故障恢复管理能力，形成更加灵活、更高可用度的导航服务。同时，地面系统时空基准维持设备从地面向星上转移，卫星配置更高精度的光钟、天文测量设备，通过高精度锚固和激光星间测量，形成更加稳定可靠的天基空间基准，提供更精更稳的导航定位服务，形成更加泛在、更具弹性的时空基准体系。

4 结束语

半个世纪以来，GNSS已经像互联网、地面移动通信一样成为现代社会的基础设施，为全世界提供统一的时间基准、空间基准，深深地改变了人类的军事斗争、经济社会和日常生活方式。面向人类文明未来的发展进步新需求，导航定位授时体系在向着更加泛在、更加智能、更加综合的方向发展，GNSS仍然需要在星座构型、导航信号、服务体系、系统运维等方面进一步创新转型。