從北斗衛星時鐘（北斗校時器）發展縱論世界衛星導航新格局

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從北斗衛星時鐘（北斗校時器）發展縱論世界衛星導航新格局

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世紀初，世界衛星導航領域建成並提供服務的衛星導航系統，主要有美國GPS、俄羅斯GLONASS和我國北斗衛星導航系統。其中，美國GPS系統向全球提供服務；俄羅斯GLONASS早期也可提供全球服務，後期因經濟衰退，衛星補網出現困難，最少時只有7顆衛星在軌；我國完成北斗一號建設，向我國及周邊用戶提供服務。 

　　10年前，GLONASS系統逐漸恢復全球服務能力，北斗二號系統開始為亞太大部分地區提供試運行服務，歐洲也逐步加快推進Galileo系統建設，四大衛星導航系統格局初顯。 

　　當前，美國GPS、俄羅斯GLONASS、我國北斗和歐洲Galileo等四大衛星導航系統已提供全球服務，印度Navlc（印度導航星座）和日本QZSS（準天頂系統）兩個區域系統也向用戶提供區域服務，世界衛星導航新格局基本顯現，新格局呈現新看點。 

　　1、四大全球系統同台競技，精度比肩 

　　衛星導航系統的定位精度主要由兩方面因素決定，一是位置精度衰減因數（PDOP），二是用戶等效測距誤差（UERE）。PDOP主要取決於星座的覆蓋特性，目前四大全球衛星導航系統，PDOP均值相當，一般為2左右。UERE由空間段衛星軌道鐘差、傳輸段的電離層和對流層誤差、用戶段接收機雜訊和多徑誤差等三部分構成。其中空間段軌道鐘差可用用戶測距誤差（User Range Error, URE）來衡量，這是評估空間信號精度的重要指標，也是國際上各大系統性能競技的主要標準。 

　　美國GPS系統20世紀70年代開始研製，1994年全面建成。當前，GPS系統共有35顆衛星在軌，30顆正常運行。GPS系統空間信號精度均值為0.5米（最差為0.66米，最好為0.36米）。 

▲GPS空間信號精度

　　俄羅斯GLONASS系統於1976年啟動，1995年實現完整星座部署。目前，GLONASS將其星基增強系統（SDCM，差分改正監測系統）納入體系，系統共有3顆地球靜止軌道（GEO）、27顆中圓地球軌道（MEO）衛星在軌。GLONASS系統定位精度水平優於5米，高程優於9米，與其他系統定位精度相當。考慮到各大系統衛星星座基本完備，PDOP均值相當，扣除傳輸段和用戶段的誤差因素，可知GLONASS系統的空間信號精度基本與其他全球系統相當。 

▲GLONASS空間信號精度

　　北斗系統目前共有46顆衛星在軌，包括28顆北斗三號衛星和18顆北斗二號衛星，衛星在軌運行良好，空間信號質量優異，北斗三號信號精度優於北斗二號信號精度。目前，北斗三號衛星空間信號精度均值為0.41m。在當前星座條件下，B1I、B3I信號，定位精度水平約3.6m，高程約6.6m，測速精度約0.05m/s，授時精度9.8ns（95%置信度），亞太地區精度提升約30%；B1C、B2a信號，定位精度水平約2.4m，高程約4.3m，測速精度約0.06m/s，授時精度19.9ns（95%置信度）。相對於美國GPS，俄羅斯GLONASS等系統，北斗系統的空間信號精度相當，定位、測速和授時能力都非常優異。相信，隨著北斗衛星星座的逐步完善和入網衛星的進一步增加，北斗系統的服務精度將進一步提升。 

▲北斗系統空間信號精度

　　Galileo目前共有22顆衛星在軌，包括4顆初始運行能力（IOC）的衛星和18顆完全運行能力（FOC）的衛星。服務性能方面，Galileo系統當前空間信號精度均值為0.27m，授時精度為16.8ns。值得關註的是，Galileo系統在2017年，18顆衛星72台原子鐘中，高達9台出現故障（含銣鐘、氫鐘）；2019年更是出現長達117小時的服務中斷，影響了服務的可靠性，更是增加了用戶對使用其服務的疑慮。 

▲Galileo 空間信號精度

　　綜上，四大全球系統的空間信號精度相當，均為0.5米左右，四大全球導航系統能力比肩。 

　　2、世界衛星導航多系統共存格局基本形成，相容互操作成為共識和發展主流 

　　相容共用，更專業的說法是相容與互操作，這是國際衛星導航領域從單一GPS到多GNSS（全球衛星導航系統）時代發展的重要趨勢。 

　　相容，是指獨立或聯合使用多個全球和區域衛星導航系統及其增強系統，不給單個系統的導航服務帶來不可接受的影響（有害干擾）；互操作，是指通過使用多個全球和區域衛星導航/增強系統及其開放服務，能在用戶層面比單獨依賴單個系統的開放信號獲得更好的能力。相容是互操作的前提；為保證自主知識產權，開放信號的互操作可以在有各自獨特設計的基礎上，實現頻譜的相似性，同時實現星座互補、時間互操作、坐標相互轉換，為用戶提供更好的服務。 

　　世界各衛星導航系統一直在加強相容與互操作國際協調，聯合國框架下推動成立全球衛星導航系統國際委員會（ICG）的重要宗旨，就是為了增強相容與互操作，推動全球應用。以美國為例，2007年7月，美國GPS系統與歐洲Galileo系統簽署相容與互操作協議，將MBOC（6，1，1/11）調製信號作為其互操作民用信號；日本QZSS系統的主要功能即是對GPS的區域補充與增強；2019年12月，美國宣佈將印度NavlC區域導航系統，在繼歐洲Galileo和日本QZSS之後，同視為其“同盟”導航系統。 

　　我國北斗系統也一直註重和加強與世界主要衛星導航系統的相容與互操作協調。2017年11月，中美雙方簽署北斗與GPS民用信號相容與互操作聯合聲明，北斗和GPS在國際電信聯盟（ITU）框架下實現射頻相容，北斗B1C和GPS L1C信號實現互操作，用戶在聯合使用北斗B1C和GPS L1C信號時，無需增加成本，就可以享受到更好的服務。中俄成立衛星導航重大戰略合作項目委員會，已舉行11次全方位交流協調，簽署北斗和格洛納斯相容與互操作諒解備忘錄、聯合聲明等成果文件，明確了兩系統射頻相容、星座互補。2008年以來，中歐成立相容與互操作工作組，共進行7輪談判和多次非正式交流，併在ITU框架下完成首輪頻率相容協調，正在持續開展深入協調。 

　　四大全球系統，通過加強相容互操作，可有效改善觀測幾何，提高全球任何地區的定位精度，提升全球導航服務可用性。從模擬結果來看（模擬起始時間2020年1月1日0時，模擬步長60s，時間1天；PDOP值按5度仰角計算，格網點5度*5度），北斗自身服務性能優良；同時，為更好的提升多系統導航定位能力，北斗系統對GNSS服務性能提升非常顯著。北斗系統對全世界導航的精度、穩定性、可靠性的貢獻率可達到20%以上。 

　　目前，北斗應用已深入到人們生產生活的方方面面。由於我國已經跟美國GPS、俄羅斯GLONASS等世界主要系統都完成了相容共用協調，所以大多數用戶設備都是包含北斗在內的多系統應用，用戶很多地方使用的導航信號，都有來自北斗的服務。 

　　經常會有人問，北斗是否會取代GPS。一般意義上來說，目前，多系統相容共用是主流趨勢，多系統可以為用戶提供更優質的服務。北斗系統倡導與其他系統加強相容與互操作，致力於為全球用戶提供更好的服務。從服務能力上來說，北斗系統作為世界一流衛星導航系統，具備獨立提供連續穩定可靠高質量服務的能力，北斗二號自開通服務以來，已連續7年服務無中斷，北斗三號也已連續服務一周年。隨著北斗全球系統的全面建成，北斗系統能力將進一步提升，“自主、開放、相容、漸進”發展的北斗，將會以更加優異的表現，成為國人的不二之選。 

　　3、“北斗+”引領“GNSS+”，多樣化服務成新一輪競技焦點 

　　根據2019年12月27日國新辦北斗新聞發佈會公佈的北斗應用服務體系，2020年，北斗全球系統將可向用戶全面提供定位導航授時、短報文通信、國際搜救、精密單點定位和星基增強等多種服務。北斗系統創新性採用導航通信融合的技術體制，其多樣化的服務，引領著世界衛星導航的發展。 

　　近期，在聯合國全球衛星導航國際委員會（ICG）第十四屆大會瞭解到，世界其他系統也在積極發展多樣化服務。美國GPS的第三代GPS III衛星，播發可與其他GNSS互操作的第4個民用信號（L1C），提供更高的精度與原子鐘服務，後期GPS IIIF將提供搜救服務。未來美國還將對其星基增強系統WAAS當前其使用的3顆GEO衛星進行更新換代，通過提供雙頻多星座服務、增強完好性監測服務進行現代化更新。 

　　GLONASS將提供4類民用服務，即基本開放服務、高可靠和精度服務、基於載波相位測量與參考站的導航服務、高精度精密單點定位（PPP）服務。同時，GLONASS建有GNSS監測與性能評估系統，獨立監測系統性能，並評估用戶層性能。 

　　伽利略系統將具備4種新服務，包括公開服務導航信息認證、高精度（目標為0.2米）、商業認證、緊急告警（與日、印合作）服務。搜救服務方面，國際搜救組織於2016年12月宣佈伽利略具備搜救早期服務能力，目前已完成返向鏈路功能演示測試，2020年將提供正式服務。 

　　綜上，各大衛星導航系統供應商都在積極致力於拓寬衛星導航的服務範疇，以更好的滿足用戶多樣化需求。服務的多樣化已成為未來全球衛星導航系統的發展趨勢和競技比拼的新大招。在此趨勢下，中國的北斗系統的基本服務能力與各大衛星導航系統相當，躋身世界一流系統行列；同時，可提供短報文通信、國際搜救、精密單點定位和星基增強等多樣化的特色服務，在服務多樣化的浪潮中積極發揮引領作用，可以說為世界衛星導航發展貢獻了中國方案、中國智慧。 

　　4、各系統加速更新換代，瞄準2035年前後開啟新一輪華山論劍 

　　2020年，是四大全球衛星導航系統全部完成全球部署、提供服務的新起點，世界衛星導航發展將邁入新紀元；同時，這也是四大系統瞄準2035年前後形成新能力，開始升級換代的新起點。 

　　美國計劃2034年完成22顆GPS IIIF衛星部署，鞏固其在定位導航授時領域的領先地位。目前，正在抓緊時間研製和發射GPS III衛星，2018年成功發射首顆GPS IIIA衛星；計劃2023年完成10顆GPS IIIA衛星部署，2034年完成22顆GPS IIIF衛星部署。同時，美國絲毫不放鬆新技術和新平臺的驗證工作，為下一代甚至未來幾代GPS做準備。在1977年發射導航技術衛星（NTS-2）衛星演示銫鐘和全球數據採集網路之後，時隔38年美國再次啟動導航技術衛星計劃，即NTS-3衛星計劃，計劃2022年發射NTS-3衛星並開展在軌試驗。 

▲美國GPS現代化進程

　　俄羅斯GLONASS計劃2030年建成以GLONASS-KM為主體的衛星星座。俄羅斯不斷出台文件以及政策，確保GLONASS系統的可持續發展；同時，計劃2025年之前發射6顆高軌衛星GLONASS-B（3個軌道平面，軌道傾角64.8°，離心率0.072，播發L1/L2/L3 OC信號），使東半球性能提升25%。 

▲GLONASS未來發展規劃

　　北斗全球系統將於2020年全面建成，提供更加優質、更加多樣的服務。2035年，將建設完善以北斗為核心，多種手段相互補充、備份、增強的國家綜合定位導航授時體系。 

▲北斗系統未來發展

　　歐洲計劃2035年左右具備第二代Galileo系統的完全服務能力。2020到2024年發射4顆第三批完全運行能力（FOC）衛星，2025年開始向更高精度、更多服務的第二代伽利略系統過渡，同時開始發射第二代衛星，將於2030年具備第二代系統初始服務能力，2035年左右具備完全服務能力。 

▲Galileo 空間信號精度

　　5、高可靠連續服務成為全球服務時代的高標桿，高穩定運行是重中之重 

　　GNSS步入全球應用服務時代，衛星導航系統作為提供時空信息服務的基礎設施，提供一流的能力重要，提供一流的服務更重要。高可靠連續服務和高穩定運行能力，成為全球衛星導航系統全面服務時代到來行業的重要標桿，這將是全球服務時代到來比拼的關鍵。同時，各星基增強系統作為給民航等生命安全用戶提供差分增強和高完好服務的基礎設施，其連續穩定運行就顯得更為重要。 

　　2019年7月，歐洲Galileo系統服務一度中斷。在ICG第十四屆大會上，Galileo服務中斷事件成為各方關註焦點。會上歐方單位代表作報告，稱此次服務中斷，是由於地面段升級造成精密時間設施故障，精度未超出承諾的URE 7米的指標，但服務連續性、可用性超出指標要求。可以想象，Galileo系統在此次服務中斷過程中發現問題、協調解決問題鏈條和周期較長，才會導致長達117小時的服務中斷。 

　　北斗全球服務同樣面臨可靠連續穩定服務的高要求。對系統服務的需求，不僅體現在對導航系統星地運行的高要求，還需要在平穩過渡、系統升級、備份設計、運行管理機制、技術保障等環節扎扎實實做好工作，確保用戶權益，避免出現類似問題，也避免在國際社會造成負面影響。 

　　6、GNSS新時代催生新應用，傳統應用和新興應用全面開花 

　　北斗系統現已廣泛應用於交通運輸、公共安全、農林漁業、水文監測、氣象預報、通信時統、電力調度、救災減災等眾多領域。同時，基於北斗的導航服務已被電子商務、移動智能終端製造、位置服務等廠商採用，廣泛進入大眾消費、共用經濟和民生領域，深刻改變著人們的生產生活方式。 

▲北斗系統廣泛應用於日常生活各領域

　　在交通運輸方面，北斗系統廣泛應用於重點運輸過程監控、公路基礎設施安全監控、港口高精度實時定位調度監控等領域。截至目前，中國境內有超過700萬輛營運車輛、3萬輛郵政和快遞車輛，36個城市的約8萬輛公交車、3200餘座內河導航設施、2900餘座海上導航設施已應用北斗系統，建成全球最大的營運車輛動態監管系統，有效提升了監控管理效率和道路運輸安全水平。 

　　在減災救災方面，目前已推廣北斗終端超過4.5萬台。受災地區可以利用北斗短報文功能及時上報位置信息、突發災害信息和災區救助信息等信息；各級民政部門通過北斗終端可以進行救災物資的查詢管理和監控，大幅提升了全國救災物資管理與調運水平。 

　　北斗除了為傳統應用領域註入新血液，還在各類新興產業中大放異彩。未來北斗將與5G移動通信、窄帶物聯網（NB-IoT）低功耗廣域網技術、人工智慧技術等領域深度融合，不僅促進5G晶元中嵌入北斗高精度定位能力，助力手機、汽車、機器人和物聯網終端實現自動地圖生成、智能路徑規劃、自動環境識別、遠程平臺監控等功能，還將打造資產跟蹤、人員定位、蜂窩輔助定位、冷鏈運輸、智能井蓋等各種精品應用。 

　　在國際應用方面，北斗系統已在東盟國家的土地確權、精準農業、倉儲物流，西亞國家的建築施工，南亞國家的機場授時、海上打樁，東歐國家的電力巡檢，非洲國家的國土測量等不同領域廣泛應用。 

　　2020年，北斗系統將全面建成，向全球用戶提供更加優質、更加完善的時空信息服務。北斗將圓夢全球，但夢想不止於此，追夢永不止步。面向新時代，特別是2035年前建設完善“更加泛在、更加融合、更加智能”綜合時空體系的新要求，北斗人將繼續前行。 

　　雄關漫道真如鐵，即將邁步從頭躍。歷史只會眷顧堅定者、奮進者、搏擊者，而不會等待猶豫者、懈怠者、畏難者。站在新的歷史起點，北斗人將不忘初心，接續奮鬥，做新時代努力奔跑的追夢人，在未來的歲月里繼續讓中國夢、航天夢、北斗夢煥發更加絢麗的時代光彩。