李鶴峰，黨亞民，秘金鐘，薛樹強

（1.中國測繪科學(xué)研究院 大地測量與地球動力研究所，北京 100830；2.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510）

1 引言

日前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)（BDS）已全面建設(shè)完成，并正式提供服務(wù)。除我國的BDS外，國際上正在運行的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）主要有兩大系統(tǒng)［1］：一是美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），另一個是俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）。此外，歐盟正在加緊建設(shè)基于民用的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GALILEO Positioning System，GALILEO）。因而，未來太空會形成BDS、GPS、GLONASS、GALILEO 4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共存的局面，將協(xié)同完成全球陸、海、空、宇各類運載體導(dǎo)航定位任務(wù)。

BDS為GNSS的重要組成部分，因此詳細研究BDS的系統(tǒng)架構(gòu)、定位原理以及與其它GNSS系統(tǒng)的區(qū)別，可以讓更多的研究者加入到BDS的研究、也可以壯大BDS科研隊伍的基礎(chǔ)。本文采用對比方式，在GNSS四大系統(tǒng)的構(gòu)成、原理、特性、優(yōu)勢互補等方面進行研究分析，就混合星座，通信集成等方面給出了BDS系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，最后就作者的認識，提出發(fā)展BDS的個人建議。

2 BDS

2.1 系統(tǒng)簡介

中國自20世紀80年代構(gòu)想建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)后，提出了 “先區(qū)域、后全球，先有源、后無源”的總體思路，并結(jié)合國情制定了科學(xué)合理的 “三步走”總體規(guī)劃［2］。20世紀90年代開始研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即BDS。

2000年初步建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，成為世界上第3個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，并于2003年開始提供服務(wù)。BDS已于2011年12月開始提供試運營服務(wù)，試運營期間服務(wù)性能與GPS基本相當［3］。目前已全面完成亞太區(qū)域系統(tǒng)網(wǎng)的組建工作并于2012年12月27日開始提供正式服務(wù)，其覆蓋區(qū)域及精度如圖1所示。預(yù)計將于2020年全面建成由35顆衛(wèi)星組成覆蓋全球的BDS，其設(shè)計性能優(yōu)于GLONASS，與第三代GPS性能相當，將為全球用戶提供高精度，高可靠性的導(dǎo)航、定位和授時（Positioning，Navigation and Timing，PNT）服務(wù)［4］。

圖1 BDS覆蓋區(qū)域及精度

2.2 系統(tǒng)組成

BDS由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成［2，5－6］。

2.2.1 空間星座

空間星座部分由5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和30顆非地球靜止軌道（Non－GEO）衛(wèi)星組成（如圖2）GNSS系統(tǒng)。GEO衛(wèi)星軌道高度35 786km，分別定點于東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和 160°。Non－GEO 由27顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成。其中，MEO衛(wèi)星軌道高度21 528km，軌道傾角55°，均勻分布在3個軌道面上；IGSO衛(wèi)星軌道高度35 786km，均勻分布在3個傾斜同步軌道面上，軌道傾角55°，3顆IGSO衛(wèi)星星下點軌跡重合，交叉點經(jīng)度為東經(jīng)118°，相位差120°。

截止論文發(fā)稿時，BDS在軌工作衛(wèi)星有5顆GEO、4顆MEO和5顆IGSO。按照北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)空間星座布設(shè)14顆衛(wèi)星的發(fā)展計劃［7］，區(qū)域北斗系統(tǒng)網(wǎng)已建設(shè)完成，正式服務(wù)也于2012年12月27日開通。

圖2 BDS空間衛(wèi)星及空間星座示意圖

2.2.2 地面控制

地面控制部分由若干主控站、注入站和監(jiān)測站組成。主控站主要任務(wù)是收集各個監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，生成衛(wèi)星導(dǎo)航電文、廣域差分信息和完好性信息，完成任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)運行控制與管理等；注入站主要任務(wù)是在主控站的統(tǒng)一調(diào)度下，完成衛(wèi)星導(dǎo)航電文、廣域差分信息和完好性信息注入，有效載荷的控制管理；監(jiān)測站對導(dǎo)航衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，接收導(dǎo)航信號，發(fā)送給主控站，為衛(wèi)星軌道確定和時間同步提供觀測數(shù)據(jù)。

2.2.3 用戶終端

用戶終端部分由各類BDS用戶終端，以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成，能夠滿足不同領(lǐng)域和行業(yè)的應(yīng)用需求。

2.3 信號特征

由于國際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號頻率資源十分緊缺，不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間的頻譜重疊不可避免。頻譜重疊和頻譜分離是目前兼容性與互操作＊兼容性是指分別或綜合使用多個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及區(qū)域增強系統(tǒng)，不會引起不可接受的干擾，也不會傷害其他單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其服務(wù)?；ゲ僮魇侵妇C合利用多個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、增強衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及相應(yīng)服務(wù)，能夠在用戶層面比單獨使用一種服務(wù)獲得更好的能力。討論的熱點，不同系統(tǒng)服務(wù)信號間共享頻譜是可行的。而且對許多應(yīng)用來說，開放信號的頻譜重疊對實現(xiàn)互操作也是有益的［8］。

我國向國際電信聯(lián)盟（ITU）申報了4個頻率的BDS信號：1 561MHz、1 589MHz、1 268MHz及1 207MHzE5b 已經(jīng)發(fā)射的三頻信號為：1 561.098MHz的B1（Ι）信號和1 589.742MHz的B1－2（Ι）信號，它們都為公開服務(wù)信號，其碼速率均為2.046cps、工作帶寬為4.092MHz；另一個為中心頻點1 207.14MHz的B2（Ι）信號，其碼速率為2.046cps，工作帶寬為24MHz；還有頻率為1 268.52MHz的授權(quán)用戶信號。此外還將發(fā)射中心頻點分別為1 575.42MHz和1 191.795MHz，碼速率分別為1.023cps、10.23cps兩種公開服務(wù)信號。

2.4 時間系統(tǒng)

BDS的時間基準采用北斗時（BDT），BDT是一個連續(xù)的時間系統(tǒng)，取國際單位制（SI）秒為基本單位，以周和周內(nèi)秒為單位連續(xù)計數(shù)，不閏秒，并通過BDS導(dǎo)航電文播發(fā)。BDT起算歷元時間為2006年1月1日（星期日）0時0分0秒的協(xié)調(diào)世界時（UTC），BDT與UTC的時間偏差保持在100ns內(nèi)，BDT與UTC之間的閏秒信息會在導(dǎo)航電文中播報。

2.5 坐標系統(tǒng)

BDS坐標系統(tǒng)采用2000中國大地坐標系（CGCS 2000），CGCS 2000的定義和國際地球參考系統(tǒng)（ITRS）相一致。CGCS 2000的實現(xiàn)稱為中國2000地球參考框架（CTRF 2000），CTRF 2000參考于ITRF 97，歷元為2 000.0。CTRF 2000由三個層次框架點組成［8］。第一層次：連續(xù)運行參考站（28個點）形成CGCS 2000的基本骨架，精度約為3mm；第二層次：2000國家GPS大地控制網(wǎng)（2 500多個點），精度約為3cm級；第三層次：全國天文大地網(wǎng)（約50 000個點），大地經(jīng)緯度精度約為0.3m，大地高精度優(yōu)于0.5m。CTRF 2000第一、二層參考框架與國際地球參考框架（ITRF）的一致性約為幾厘米，所以對于大多數(shù)用戶來說，在坐標系精度實現(xiàn)范圍內(nèi)，可以不考慮CTRF 2000和ITRF的坐標轉(zhuǎn)換。

2.6 BDS定位原理

BDS采用GNSS通用的三球交會的幾何原理實現(xiàn)定位（如圖3）。理論上通過測算三顆衛(wèi)星到用戶的距離，組成三元方程組，從而計算出用戶的三維坐標。實際應(yīng)用中由于接收機鐘差難以預(yù)先準確確定，通常將其看作一個未知參數(shù)，與用戶三維坐標一并求解。這時需要用第四顆衛(wèi)星參與解算，組成四元方程組，進而精確計算出用戶的三維坐標。

圖3 三球交會定位原理

設(shè)在t時刻用戶測站點到S1、S2、S3及S4四顆衛(wèi)星的偽距觀測值為ρj（j＝1，2，3，4），通過衛(wèi)星導(dǎo)航電文解算，算出該時刻四顆衛(wèi)星的三維地心坐標（Xj，Yj，Zj），用上述三球交會的幾何定位原理，計算用戶位置的三維地心坐標（X，Y，Z），則觀測方程為

式中，假設(shè)偽距觀測量ρj已經(jīng)通過星歷中的電離層和對流層改正，Rj為接收機天線相位中心到衛(wèi)星天線相位中心的幾何距離，c為光速，δt為接收機鐘差。

3 BDS與 GPS／GLONASS／GALILEO 系統(tǒng)對比分析

3.1 GNSS四大系統(tǒng)主要特點

GPS、GLONASS及GALILEO系統(tǒng)已在參考文獻 ［1，9－10］中進行過詳述，這里不作具體討論，只就各系統(tǒng)的突出特點作簡要概述。

GPS的前身是美軍于1958年研制的子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Transit），20世紀70年代，美國陸海空聯(lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），能夠提供實時、全天候和全球性導(dǎo)航定位服務(wù)。到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座布設(shè)就已完成。

GLONASS由前蘇聯(lián)在1976年啟動建設(shè)，蘇聯(lián)解體后，GLONASS由俄羅斯政府負責(zé)運營。由于俄羅斯經(jīng)濟衰退，使GLONASS的建設(shè)受到很大影響。2001年－2010年，俄羅斯政府補齊了該系統(tǒng)所需的24顆衛(wèi)星，已能夠?qū)崿F(xiàn)全球定位導(dǎo)航功能。GLONASS在技術(shù)方面與GPS主要不同之處在于GLONASS采用頻分多址（FDMA）的方式，衛(wèi)星靠頻率不同來區(qū)分，每組頻率的偽隨機碼（PRN相同。因此GLONASS可以防止整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時被敵方干擾，具有更強的抗干擾能力。

歐盟正在建設(shè)的GALILEO，是基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，預(yù)計于2014年開始運行并在2019年完工。投入運行后，GALILEO用戶將使用多制式的接收機，獲得更多的導(dǎo)航定位衛(wèi)星的信號，能夠極大地提高導(dǎo)航定位的精度。GALILEO還能夠和BDS、GPS、GLONASS實現(xiàn)多系統(tǒng)內(nèi)的相互合作，任何用戶將來都可以用一臺多系統(tǒng)接收機采集各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或者各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組合來實現(xiàn)定位導(dǎo)航的要求。

將BDS與GPS、GLONASS和GALIEO系統(tǒng)進行對比研究，可以將4大GNSS系統(tǒng)各自的特點精要的概括為：BDS開放兼容，突飛猛進；GPS成熟穩(wěn)定，一家獨大；GLONASS強抗干擾，曲折前進；GALILEO精準先進，大器晚成。

3.2 GNSS四大系統(tǒng)主要異同點

表1列出了BDS與GPS、GLONASS、GALILEO四大GNSS系統(tǒng)的特點及主要對比參數(shù)。

表1 BDS、GPS、GLONASS、GALILEO四大系統(tǒng)的主要參數(shù)對比表

系統(tǒng)間的異同點分析如下：

1）系統(tǒng)組成都是由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成，這是國際上完整GNSS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

2）系統(tǒng)間有重合的信號頻率。這并不是弊端，而是一種優(yōu)勢，可在接收機制造上使用相同的天線，使各系統(tǒng)更易于實現(xiàn)兼容與互操作［8］。

3）系統(tǒng)均為偽隨機碼擴頻測距信號，可以設(shè)計兼容的基帶處理芯片，實現(xiàn)對信號的捕獲跟蹤，偽距測量［11］。

4）系統(tǒng)衛(wèi)星的軌道高度、傾角、運行周期基本一致，定位原理均采用三球交會的幾何原理，定位算法相同，載波和碼跟蹤算法一致。

5）系統(tǒng)大都采用碼分多址（CDMA）的衛(wèi)星識別方式，每顆衛(wèi)星的信號頻率和調(diào)制方式相同，不同衛(wèi)星的信號靠不同的偽碼區(qū)分；只有GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址（FDMA）的方式，但這種方式具有更強的抗干擾能力。

6）系統(tǒng)時空基準不同，但系統(tǒng)間的時空可以經(jīng)過轉(zhuǎn)化得到統(tǒng)一。國際上許多組織已經(jīng)求出部分系統(tǒng)間的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，多模融合定位時，通過參數(shù)轉(zhuǎn)換可以達到需要的精度。

四大GNSS系統(tǒng)自有特點正是他們的優(yōu)勢所在，他們之間的異同點，特別是在GNSS系統(tǒng)間的兼容性和互操作方面，應(yīng)充分考慮各系統(tǒng)的優(yōu)勢，取長補短，達到共同發(fā)展的目的，達到為全球用戶提供高質(zhì)量、高可靠性的定位、導(dǎo)航與授時（PNT）服務(wù)的目的。

4 BDS優(yōu)勢分析

4.1 混合星座定位

BDS的空間星座布局與其他導(dǎo)航系統(tǒng)有著明顯的本質(zhì)區(qū)別。GPS、GLONASS及GALILEO系統(tǒng)均采用中圓軌道，MEO衛(wèi)星均勻分布在軌道面上，這種對稱星座，軌道面與相位都很均勻，是覆蓋全球的最優(yōu)星座。BDS同樣擁有最優(yōu)的MEO衛(wèi)星星座，但沒有以MEO為主?？紤]到MEO衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)，每天只有30%的時間位于中國上空，其他時間不能為中國提供服務(wù)。因此，BDS創(chuàng)造性地采用傾斜地球軌道衛(wèi)星（IGSO）定位，衛(wèi)星軌跡呈8字形，有70%－80%的時間停留在中國的國土上空［12］。另外BDS星座還有相對地面不動的地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO），GEO衛(wèi)星的靜地特性，可滿足某一區(qū)域全天候覆蓋的要求。BDS充分利用MEO、GEO、IGSO三種不同軌道高度的異質(zhì)衛(wèi)星組成空間定位混合星座，有效改善了中國區(qū)域及周邊范圍定位星座布局，可以為中國及周邊用戶提供全天候、高精度的PNT服務(wù)。

4.2 導(dǎo)航定位與通信集成

GPS和GLONASS系統(tǒng)只解決了用戶在何時、何地的導(dǎo)航定位和授時問題。BDS的最大特點和優(yōu)勢就是實現(xiàn)了導(dǎo)航定位與通信集成，是世界上首個集定位、導(dǎo)航、授時和報文通信于一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶位置報告與信息共享，BDS不僅能讓用戶自己知道自己在何時、何地，而且還能讓別人知道自己于何時、在何地［3］。BDS的這種特色服務(wù)在很多場合真正成為 “救命”的法寶，2008年汶川地震中BDS的應(yīng)用已使這點得到了充分的驗證。

4.3 兼容GNSS服務(wù)

BDS建設(shè)之初就提出了 “開放、兼容”的發(fā)展原則，BDT與GPST、GLONASST、GST的互操作在BDS設(shè)計時間系統(tǒng)時已經(jīng)考慮，它們之間的時差會被監(jiān)測和發(fā)播。GALILEO系統(tǒng)尚在試驗階段，預(yù)計2019年完工，根據(jù)以上的特點對比可以看出，GALILEO比GPS更先進，也更可靠。而BDS與GALILEO有相同的工作頻率，兼容性更強，一旦GALILEO系統(tǒng)正式投入使用，BDS可以為用戶提供更多兼容接入信息，為用戶提供更高精度的導(dǎo)航定位信息。

4.4 自主控制 安全保密

BDS是中國自行研制、自主控制的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。依賴他國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)必定受制于人，擁有自主控制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)至關(guān)重要。而BDS通信信號穩(wěn)定，且設(shè)計有高強度加密措施，安全穩(wěn)定，對于國防安全等關(guān)鍵部門的應(yīng)用非常重要。

5 BDS發(fā)展的幾點建議

1）BDS預(yù)計在2020年左右才能夠覆蓋全球，在實現(xiàn)全球覆蓋之前，注重國際協(xié)調(diào)、合作，實現(xiàn)與其它GNSS系統(tǒng)的兼容和互操作是當前努力和研究的課題；應(yīng)努力在坐標系統(tǒng)、時間系統(tǒng)、信號頻率上與國際現(xiàn)有標準一致，用以最大限度的提高BDS的PNT服務(wù)性能。

2）當前，廉價的GPS產(chǎn)品充斥著市場，這必然會對中國衛(wèi)星導(dǎo)航市場產(chǎn)生沖擊，普通用戶自然產(chǎn)生了對BDS產(chǎn)品的觀望心態(tài)，這無論是對BDS的拓展還是對衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都會帶來負面影響。因此研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的經(jīng)濟適用型BDS用戶終端機，是繁榮中國衛(wèi)星導(dǎo)航市場的關(guān)鍵。

6 總 結(jié)

BDS是中國自主建設(shè)、獨立運行，并可與世界其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。自2003年正式提供服務(wù)以來，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮了具大作用，服務(wù)性能已經(jīng)與GPS相當，特別是在某些應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)完全擺脫并超越了其他GNSS系統(tǒng)，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

在慶賀BDS不斷發(fā)展，突飛猛進的同時，也要意識到，當前的BDS仍是一個服務(wù)范圍較BDS試驗系統(tǒng)擴大三倍的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)［13］。目前GPS在壟斷國內(nèi)導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)應(yīng)用占95%左右，BDS在國內(nèi)的競爭力相比GPS還有相當?shù)牟罹?。但隨著BDS空間混合星座布局的不斷完善，當BDS提供GPS、GLONASS及GALILEO差分改正數(shù)和完好性信息后，再加上充分發(fā)揮BDS的短報文特色服務(wù)，完全可以占領(lǐng)中國及周邊地區(qū)高精度、高可靠性的服務(wù)市場，最終必定會成為GPS的強大競爭對手，成為國際GNSS的領(lǐng)跑者。

［1］ 佚 名.GPS、GLONASS、北斗、GALILEO：四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“競風(fēng)流”［J］.軍民兩用系統(tǒng)與產(chǎn)品，2012（5）：10－12.

［2］ 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報告［J］.國際太空，2012（4）：6－11.

［3］ 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗試運行期間服務(wù)性能大幅提高與 GPS基本相當［EB／OL］.（2012－12－27）［2013－01－15］.http：／／www.beidou.gov.cn／2012／12／27／201212275f67fc139a5d4750952e15fa9e73877c.html.

［4］ 楊元喜.中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對全球PNT用戶的貢獻［J］.科學(xué)通報，2011，56（21）：1734－1740.

［5］ 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號B1Ⅰ：1.0版［EB／OL］.（2012－12－27）［2013－01－15］.http：／／www.beidou.gov.cn／attach／2012／12／27／2012122755318f7eabbe451aa6d052f829f92e50.pdf.

［6］ CHEN Xiao－li.Beidou（COMPASS）Navigation Satellite System and Its Application［J］.Aerospace China，2010，11（1）：16－18.

［7］ 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件：測試版［EB／OL］.（2011－12－27）［2013－01－15］.http：／／www.beidou.gov.cn／attach／2011／12／27／20111227ace155f4e69a4666b45235e129463872.pdf.

［8］ 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)［J］.測繪學(xué)報，2010，39（2）：1－6.

［9］ 黨亞民，秘金鐘，成英燕.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理與應(yīng)用［M］.北京：測繪出版社，2007.

［10］ 孫亞偉，曹乃森.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS／GLONASS／伽利略的對比研究［J］.信陽農(nóng)業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報，2009，19（2）：117－120.

［11］ 譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考［J］.宇航學(xué)報，2008，29（2）：391－396.

［12］ 楊鑫春，李征航，吳 云.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座及 XPL性能分析［J］.測繪學(xué)報，2011，40（S）：68－72.

［13］ 周 兵，陳向東，趙齊樂，等.北斗系統(tǒng)與 GPS應(yīng)用比較分析［J］.全球定位系統(tǒng)，2012，37（4）：6－8.