全球导航卫星系统发展与中国北斗系统建设
来源：行业研究全球导航卫星系统究竟有多少种？天上导航卫星到底有多少颗？卫星三维定位为什么至少需要四颗卫星？卫星导航定位怎样实现高精度？卫星导航应用真的是无处不在、无时不在、无所不在、用户无限吗？这些问题时时困扰着人们。
“星儿空中辨江树，北斗天际识归舟。”一打开“北斗伴”App，卫星天空图上很快锁定中国的北斗卫星导航系统（BDS）、美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）和欧洲的伽利略（Galileo）系统约25颗导航卫星，它们分别用各自国家国旗的圆形缩略图表示，北斗鲜红底色衬托的一大四小五颗金星在其中显得尤为赏心悦目。
估计到2020年各大导航卫星系统全部部署完毕后，届时有140余颗卫星在轨。那时，一打开导航卫星接收机，就可以收到三四十颗导航卫星发出的信号，获得高质量的定位、导航和授时服务。
全球导航卫星系统概述
在社会发展的进程中，可以找到一条贯穿其中并起着重要作用的主线——科学技术。一旦科学技术衍生出全球导航卫星系统这样庞大的实用系统，由此产生的强大的政治动员力、科技引领力、产业推进力以及社会影响力，将推动经济和社会快速向前发展，并成为维护国防安全的强大力量。鉴此，世界大国或联盟，诸如美国、欧盟、俄罗斯、中国，以及日本和印度都在积极建设自己的全球（或区域）导航卫星系统。
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）主要包括全球系统、区域系统和星基增强系统。全球系统和区域系统的差别就在于它们提供服务的覆盖范围不同。星基增强系统，顾名思义是利用卫星来实现增强服务。
目前，世界有四大全球系统：已经建成并且投入全球完全服务的美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯，正在建设并且计划在2020年投入全球完全服务的中国的北斗系统和欧洲的伽利略系统。区域系统有日本的准天顶卫星系统（QZSS）和印度的印度区域导航卫星系统（IRNSS）。所有持有全球系统或者区域系统的国家，基本都拥有星基增强系统，如美国的广域增强系统（WAAS），俄罗斯的卫星差分改正监测系统（SDCM），欧洲的地球静止卫星导航重叠服务（EGNOS），日本的多功能运输卫星增强系统（MSAS）和印度的辅助GPS静地星基增强导航系统（GAGAN）。
通常，每个全球导航卫星系统仅仅用数十颗卫星组成的星座，就能够提供全天候全时空的全球化覆盖一体化服务。基于全球导航卫星系统的众多应用深入国计民生的各个角落，实现无所不在服务，这在航天技术中是绝无仅有的。预计至2020年，全世界导航卫星应用终端的社会持有量有望超过80亿台，要知道那时全球的人口总数也不过是70亿。
导航卫星系统组成及时空服务
通常认为，导航卫星系统由“老三段”组成：卫星星座构成的空间段，地面控制中心和观测站网构成的运控段，导航卫星接收机及其终端构成的用户段。实际上，长久以来，用户一直受到卫星信号传播环境不佳的困扰。因为卫星导航是无线电导航的一种，无线电信号在从卫星至接收机的传播过程中，会遇到电离层、对流层等多种截然不同的传播介质，以及受到电磁干扰和物理遮挡等，由此产生多种各不相同的传播效应，最终影响到信号的接收测量结果。从广泛深入的实际应用中，人们逐步了解和深刻认识到，导航卫星系统的组成应该在“老三段”的基础上增加影响信号传播的“环境段”。
空间段
全球导航卫星系统通过空间搭建星座的方式实现全球覆盖，保证用户的导航卫星接收机在极大部分时间内，能够收到数量足够的卫星信号，以获得高质量的定位、导航和授时服务。
卫星在高空中昼夜不停地连续广播带有时间和轨道位置信息的无线电信号，导航卫星接收机接收到信号后就可以实现精确定位。卫星导航定位常采用三角测量法。无线电波的传播原理很简单，一般都以直线方式传播，它在真空中的传播速度为每秒3×105千米。因此，如果能测量到信号从发射机至接收机的传输时间，那么发射机和观测者间的距离就可以确定。选定三个位置，构成相互连接的三角形网，根据它们与已知发射机的距离，观测者就能计算出其所处的三维（3D）位置。这种基于距离测量的位置估算方法就是三角测量法。
基于这一概念的无线电导航系统称为时差（time-of-arrival，TOA）测量系统，全球导航卫星系统是典型的TOA系统。通常，无线电波信号的传播速度c，与测量到的从发射机到接收机之间信号传播的时间差△t相乘，就能获得收发机间的距离L，其表达式为：L=c×△t 。
在三维空间中，地面接收机通常可收到多个卫星发射机发出的信号，其实只要有三个卫星信号，便能确定接收机的三维位置。在某个确定的时刻，这三个卫星的所在位置可从卫星发射的包含导航电文（含星历）的信号中得知，而收发信号的时间差可以从接收机对卫星信号的测量中得到，进而确定三个卫星至接收机的距离。以这三个卫星为圆心，分别以它们与接收机之间的距离为半径，在空间画出三个圆球，它们有可能在空间中形成三个相互相交的圆。其中两个圆在穿过接收机所在位置的水平面内有两个交点，一个在南半球，一个在北半球。一个交点就是接收机所在的实际水平位置（可以表征为位置的经纬度），另一个则是其共轭点。在穿过接收机所在位置的垂直面内，也有一个圆在接收机位置上与水平面相交，其焦点就确定了位置的高程。
与卫星通信相比，卫星导航对卫星的要求更高。因为通常通信终端设备只要与一颗通信卫星联系上，就可以正常工作。而卫星导航要实现三维的精确定位，导航接收机至少需要接收四颗卫星的信号。通过三颗卫星发出的信号建立三个联立方程，求得空间三维坐标系中位置的经纬度和高程；为保证导航的高精度，导航接收机在实现定位时，还需要收到第四颗卫星发出的信号，这颗卫星专门用来提供精确的时间基准，以代替接收机中所用的石英钟时间基准。
运控段
在全球导航卫星系统的运营过程中，导航卫星的轨道和星载原子钟均会不断发生变化，为此需要地面运控系统来提供监测站网监测其变化，并由主控站通过上行通信电路，定期定时地以导航电文方式向卫星注入经过更新的导航参数及其误差改正信息，这些信息随同导航信号一起发送。
用户段
一般情况下，导航卫星接收机测量结果的输出量是位置、速度和时间（PVT），用以实现定位、导航、授时的应用服务。导航卫星系统的应用服务特点有三：高精度、无限量、全时空。导航卫星系统的最高精度定位令所有其他导航系统望尘莫及，它可以通过切实可行的差分与网平差方法，实现空前的毫米级精度。导航卫星采用广播方式发送信号，所以任何有导航卫星接收机的用户都能够收到足够数量的卫星信号，进而进行定位导航。广播方式发送的卫星信号数量不受限制，无限量的应用服务特点得以充分体现。所谓全时空，就是在全球任何地方，任何时间，都可以提供导航应用服务。但从严格意义上说，实际并非如此。因为星座布设的缘故，卫星的倾角（与地球赤道的夹角）不大于60°，所以在高纬度和地球极区，卫星信号很难覆盖到。此外，由于无线电波以视距（直线）方式传播，所以受到遮挡的区域尤其是室内和信号盲区，均无法实现有效定位。
环境段
卫星导航系统的环境段所涵盖的空间极广，涉及的内容范围众多。卫星导航的应用遍及海、陆、空、天，在从地面、海上，到近地空间、地外空间，乃至深空这样巨大的空间内，卫星导航系统的定位、导航、和授时精度、完好性、可用性、连续性和可靠性等一系列关键指标会受到多种因素的影响，如不同的电波传输介质、自然和认为的电磁干扰，以及地形地貌地物和植被等。除此之外，环境段也会影响到用户接收机的信号接收，在森林、城市峡谷甚至室内都存在因电波传播环境条件所产生的各种影响和限制。在最不利的情况下，信号甚至会中断。
实现高精度的技术支持
卫星导航的特色众多且鲜明，其全球性覆盖、全天候工作、无限量用户、高精度服务以及实时动态能力，都是其他导航手段无法望其项背的。“卫星导航玩儿的就是精度”，多少年来，人们一直围绕着如何提高导航精度做文章。通常，全球导航卫星系统提供的导航精度为米级，如果采取增强或者差分方法，精度可达到亚米、分米、厘米，甚至毫米级。
说到精度，不得不先谈谈导航卫星的心脏——星载原子钟（简称星钟）。原子钟是目前精度最高的计时装置,因而时间也是现在所有可计量的度量衡参量中能达到最高精度的参量。卫星导航的星钟一般采用铷钟、銫钟和氢钟，精度（实际上是稳定度误差）通常为10-13至10-15，即每30万年至3000万年累计误差不超过一秒。星钟技术是保障卫星导航高精度的革命性举措，体现在三个方面：一是将原子钟作为卫星上时间频率标准和测量距离的手段；二是将原子钟从地面搬上空间，以广播方式发送信号，使得将原子钟这类原为实验室使用的极高端产品，为用户提供无限量的大众化服务；三是星钟广播的时间被作为导航用户机的参照量，用户接收机无需装备高精度时钟，就可以享受高精度的定位、导航和授时服务。另外需要强调的是，从导航卫星发射机至接收机之间的距离测量均被归结为测量时间，测量时间包括从发射机出发时间至接收机到达时间之间的时延（或称为时间间隔）。星钟的引入确保了收发机之间导航信号传播时延测量的高精度。
“北斗三号”使用的星载氢原子钟
伽利略导航系统所用的星载氢原子钟
美国的Rockwell公司和德国Efratom公司共同研制的第一个GPS星载铷原子钟样机
除使用精度极高的星钟外，实现高精度的第二个举措是，采用系统设计、多模增强、误差改正等多种方法，消弭误差（包括卫星轨道误差、星钟漂移误差、电离层和对流层误差、多径效应误差等）。在系统设计中，常采用双频或者多频体制消除电离层效应的影响。由于电离层是色散介质，不同频率的信号所受到的影响各有差别，通常信号频率越高，受到的影响越小，即受影响程度与信号频率的平方成反比。双频或者多频体制利用频率间有确定的对于某个基础频率的倍率关系，可用同频归一化差分相消方法将电离层效应剔除。在包括星基增强、地基增强、辅助全球导航卫星等的多模增强系统中，为提高用户定位精度所采取的措施就是提供更加精密的卫星星历轨道改正数、星钟的精密时钟改正数以及电离层误差改正数。近些年来，在改正数提供方面，已从事后（或者延时）提供逐步改进为实时网络发布提供，应用服务水平在本质上有了大幅提升。
实现高精度的举措之三是，在码相位与载波相位参量层面、单机与多机层面，局域和广域层面、静态事后与实时动态层面，以及网络与系统层面等，采用各种各样的差分技术。每个层面的差分技术内容众多，此处不一而足。
实现高精度的举措之四是，采用正确的定位策略。卫星在空间的几何分布、精度的几何因子系数等，往往会成为误差放大因子。现已有多个全球导航卫星系统，如何选择合理的卫星空间分布，可能是个越来越好解决的问题，而怎样充分利用各导航卫星信号的兼容与互操作来大幅度提高定位精度则是一个富有挑战性和极具应用价值的新课题。
机遇与挑战
毋庸置疑，卫星导航的应用领域仅仅受到人们想象力的限制。卫星导航的相关应用在进入各行各业后，会影响千家万户、千行万企，由此产生的应用与服务的连锁反应和增值服务效应将是巨大且不可限量的。如今，卫星导航的应用与服务，已经深入军事国防、国民经济、社会生活等多个方面，逐步成为生产、生活、生态发展等不可或缺的重要组成部分。
作为国家基础设施，卫星导航已在通信、电力、交通、金融等领域得到广泛应用，其工作的稳定性、可靠性关系着国家、经济、社会多重安全，是有关国计民生的信息安全命脉。此外，卫星导航在海（水）陆空交通运输和物流管理，以及各行各业的位置服务中，凭借实时动态、过程控制、快捷高效、精准确保等特质，呈现出绝对的科技优势。
卫星导航之所以富有革命性新动力，是因为它获得的时空信息具有整体性、全局观、态势化的“洞若观火”、“一马当先”的引领力；是因为它对众多传统产业（包括交通物流业、汽车业、通信业、能源业、农牧业、智能城乡业、医疗健康业、商业零售业、文化娱乐业等）有“立竿见影”的影响力和改造力；是因为它与一系列新兴产业基础有高度的融合力，后者包括大数据、物联网、云计算、人工智能等，这些均是当前的热门话题和发展焦点。这些新兴产业基础只有围绕卫星导航和时空服务，才能实现有序均衡发展，才能互相支撑融合发展，才能发挥基础核心的关键作用。以卫星导航为整体架构，日新月异的信息新技术、新能力、新资源进行全面组装和有效整合，各在其位、各司其职，逐步形成完整的智能信息产业链条和融合发展体系。
当然，卫星导航产业也有不足之处，特别是系统的脆弱性。造成脆弱的主要原因是，导航卫星在离地球两万公里以外的远方，其信号到达地面附近时，已经非常微弱，所以易受外界电磁干扰和物理遮挡的影响。加上无线电波是以直线（视距）方式传播，一旦受到物体阻挡就无法继续传播。另外，卫星导航所使用的L波段（频率在1～2 吉赫的无线电波波段）信号频率较高、波长较短，几乎没有绕射能力，故一般情况下无法在室内实现稳定的定位。因此，卫星导航系统在重视精度的同时，还必须强调可用性、连续性和完好性，只有满足多重要求，才能实现令人满意的定位、导航和授时服务。
北斗卫星导航系统的建设与发展
北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运营，可与其他全球导航卫星系统实现兼容与互操作的全球导航卫星系统，它的建设经历了“北斗一号”、“北斗二号”和“北斗三号”“三步走”的发展进程，过程中自然而然地走过了区域系统的发展阶段，而星基增强系统也顺理成章地被纳入整体系统中，所以没有专门独立建设。这是北斗卫星导航系统根据自身发展需要所做出的合理安排。
“北斗一号”又称为双星系统、有源系统或北斗试验系统。其设计是利用2颗地球静止轨道卫星（Geostationary Orbit，GEO），通过双向短报文通信实现定位功能。该试验系统于2000年建成，后逐步投入军民两用服务，为北斗后续系统的建设、运营和发展奠基铺路。
“北斗二号”又称为北斗区域系统，由5颗地球静止轨道、3颗倾斜地球同步轨道（Inclined GeosynchronousOrbit，IGSO）和4颗中地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）等三种不同轨道的卫星构成，在2012年年底投入区域服务。IGSO卫星用以弥补GEO卫星在赤道上空单一轨道面的不足，改进卫星在空间的几何分布图形，提高系统的定位精度和覆盖率，而MEO卫星的应用是为北斗卫星全球组网获取经验，并在一定程度上发挥其定位服务的功能。
“北斗三号”又称为北斗全球系统，整个星座系统将由24颗MEO轨道卫星、3颗GEO轨道卫星和3颗IGSO轨道卫星构成，提供全球定位、导航、授时，以及位置报告、短报文和星基增强服务。
在中国，以北斗为代表的导航卫星系统及其产业，在提供时间与空间基准、智能化手段以及所有与位置相关的实时动态信息等方面发挥了关键性作用，是融合各种信息系统和相关产业的核心力量和共享基础，是经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重大技术支撑系统和战略威慑基础资源，已成为体现现代化大国地位、国家综合国力及国际竞争优势的重要标志。在此程度上，可以将北斗卫星导航系统视作自主可控的国家安全命脉，它作为国家重大的空间和信息化基础设施，在国家安全、经济建设、社会生活中具有不可或缺的作用。
全球导航卫星系统正处于发展转折期，四大全球系统实现协同工作的日子也即将到来。其间，所面临的一个重要任务是实现多系统间的信号兼容与互操作，谁先攻克这一难题，谁就抓住发展良机、赢得主动权。北斗卫星导航系统已经升级为我国国家战略和国家行为，以“北斗为核、时空主体、智能当家”的位置服务为主题的推动作用正在不断增强，逐步从量变到质变，推动新一代信息技术和智能信息产业爆发性增长。
目前，卫星导航的国际竞争已从系统研发转变为市场开拓，北斗卫星导航系统是我国在今后10~20年间唯一真正能够突破大国重围、走向国际、参与强国竞争、服务全球的战略性新兴产业高科技体系化项目。因此，要发挥我国有着巨大市场的优势，抓住国家推进“军民融合”和“一带一路”战略的重要机遇以及今后数年产业全球化大发展的窗口期，增强紧迫感，积极作为，将北斗导航卫星兼容机的标配化行动作为重要抓手，全面推进我国卫星导航“技术国际化、产业规模化、应用大众化、服务产业化、市场全球化”的进程，推动智能信息产业长足发展，力争在全球竞争格局中赢得市场话语权和产业主动权，为打造中国服务的国家品牌鸣锣开道，奠基铺路。
参考文献
曹冲. 北斗/GNSS系统概论. 北京：电子工业出版社，2016.
United Nations. Current and planned global and regional navigation satellite systems and satellite-based augmentation systems. New York: International Committee on Global Navigation Satellite Systems Provider’s Forum，2010.
曹冲，景贵飞，苗全军，等. 中国新时空服务体系概论. 北京：科学出版社，2015.
曹冲，陈勖，李冬航. 北斗伴咱走天下. 北京：宇航出版社，2011.
谢钢. 全球导航卫星系统原理. 北京：电子工业出版社，2015.
＊本文转自《科学》期刊 。
作者简介
曹冲，原中国电波传播研究所研究员，现任中国卫星导航定位协会首席专家、上海北斗导航创新研究院首席专家，《全球定位系统》杂志编委会主任委员。在利用卫星研究电离层信标探测技术和理论研究方面均有重要成果，在包括北斗导航系统在内的GNSS应用技术及其产业化应用推广领域有重大建树。先后十次获包括国家自然科学奖和科技进步奖在内的国家和省部级以上奖项。
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