+ 劉天雄

2017年11月29日，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)委員會(huì)王力主席與美國(guó)國(guó)務(wù)院?jiǎn)碳{森·馬戈利斯助理副國(guó)務(wù)卿在北京舉行了中美衛(wèi)星導(dǎo)航會(huì)晤。在王力主席和喬納森·馬戈利斯助理副國(guó)務(wù)卿的見(jiàn)證下，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室冉承其主任與美國(guó)國(guó)務(wù)院空間和先進(jìn)技術(shù)辦公室戴維·特納副主任簽署了《北斗與GPS信號(hào)兼容與互操作聯(lián)合聲明》。聲明表示，兩系統(tǒng)在國(guó)際電聯(lián)（ITU）框架下實(shí)現(xiàn)射頻兼容，實(shí)現(xiàn)了民用信號(hào)互操作，并將持續(xù)開(kāi)展兼容與互操作合作。

中美衛(wèi)星導(dǎo)航合作具有廣闊前景，加強(qiáng)北斗與GPS系統(tǒng)之間的合作，將會(huì)帶動(dòng)諸多領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，為全球用戶帶來(lái)更好的服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容（compatibility）與互操作（interoperability）到底是什么意思呢？北斗與GPS信號(hào)兼容與互操作對(duì)北斗系統(tǒng)又意味著什么？

一、概述

兼容與互操作是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)資源利用與共享的重要內(nèi)容，兼容與互操作的概念最早是2004年美國(guó)發(fā)布PNT國(guó)家政策時(shí)提出來(lái)的：

“兼容”定義為單獨(dú)或聯(lián)合使用美國(guó)民用空基定位、導(dǎo)航以及授時(shí)系統(tǒng)和國(guó)外相應(yīng)系統(tǒng)提供的服務(wù)時(shí)，不互相干擾各自的服務(wù)或信號(hào)，并且沒(méi)有惡意形成導(dǎo)航?jīng)_突?！盎ゲ僮鳌倍x為聯(lián)合使用美國(guó)民用空基定位、導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)以及國(guó)外相應(yīng)系統(tǒng)提供的服務(wù)，從而在用戶層面提供較好的性能服務(wù)，而不是依靠單一系統(tǒng)的服務(wù)或信號(hào)來(lái)獲得服務(wù)。

2004年6月，美國(guó)和歐盟發(fā)布GPS和Galileo聯(lián)合發(fā)展和應(yīng)用的合作協(xié)議US-EU Agreement(2004)，對(duì)兼容與互操作的相關(guān)概念進(jìn)行了明確的定義，兼容主要體現(xiàn)于GPS與Galileo射頻信號(hào)兼容，包括與兩個(gè)系統(tǒng)相關(guān)的所有星基導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)；另外，兩個(gè)系統(tǒng)之間要盡可能地實(shí)現(xiàn)非軍用服務(wù)用戶層面的互操作性。該協(xié)議還對(duì)GPS和Galileo系統(tǒng)兼容與互操作合作及應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了框架式協(xié)定，其中包括構(gòu)建與國(guó)際地球參考框架盡量接近的大地參考框架以及在各自系統(tǒng)導(dǎo)航電文中發(fā)播兩個(gè)時(shí)間系統(tǒng)之間的偏差信息等方面的條款。

目前，兼容與互操作已經(jīng)成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)(International Committee on Global Navigation Satellite Systems,ICG)的核心議題,并專門成立了相應(yīng)的工作組。兼容與互操作也是全球GNSS核心供應(yīng)商雙邊談判與多邊協(xié)調(diào)的重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議已發(fā)表了大量有關(guān)兼容與互操作的理論分析文章。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的中心頻率、信號(hào)功率、信號(hào)業(yè)務(wù)分配、碼片速率和脈沖賦形、調(diào)制方式和編碼長(zhǎng)度以及電文數(shù)據(jù)率是影響多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性和互操作性的6個(gè)關(guān)鍵因素?；ゲ僮餍砸笙嗤瑯I(yè)務(wù)信號(hào)的中心頻率和帶寬重疊，從而簡(jiǎn)化接收機(jī)體系結(jié)構(gòu)；兼容性又要求信號(hào)互干擾在可容忍范圍內(nèi)，甚至頻譜分離。業(yè)務(wù)分配對(duì)信號(hào)頻率、帶寬、編碼方式和長(zhǎng)度、碼片賦形、是否加密等提出了各種不同的需求。碼片速率和脈沖賦形直接影響信號(hào)的帶寬，導(dǎo)致衛(wèi)星載荷的群時(shí)延變化，也影響系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)和系統(tǒng)間信號(hào)的相互干擾的程度，從而最終影響接收機(jī)捕獲和跟蹤能力、抗多徑能力和對(duì)偽距測(cè)量的精確度。調(diào)制方式和編碼長(zhǎng)度以及電文數(shù)據(jù)率等將影響接收機(jī)捕獲跟蹤性能。信號(hào)載波功率的變化會(huì)導(dǎo)致不同信號(hào)間的干擾級(jí)別發(fā)生變化。

上述6個(gè)導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素直接影響了新信號(hào)與原有信號(hào)的兼容性和互操作性，當(dāng)然也就影響新建衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性和互操作性。開(kāi)展導(dǎo)航信號(hào)體制設(shè)計(jì)時(shí)，需要權(quán)衡這6個(gè)信號(hào)選項(xiàng)，滿足兼容性與互操作性要求的導(dǎo)航信號(hào)體制設(shè)計(jì)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，其要素包括：如何規(guī)劃信號(hào)頻譜以提高頻譜利用率、減小系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾、允許互操作所要求的一體化接收處理方式，如何設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)、捕獲跟蹤門限低且復(fù)雜度低的偽隨機(jī)碼，如何根據(jù)信道特性設(shè)計(jì)高性能、高效率、低復(fù)雜度的信道編解碼算法和調(diào)制方式，如何設(shè)計(jì)靈活可擴(kuò)展的電文幀結(jié)構(gòu)以容納互操作信息交換等等。

因此，開(kāi)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮如何解決多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間的兼容和互操作問(wèn)題。互操作性的關(guān)鍵因素包括空間信號(hào)、大地坐標(biāo)參考框架以及時(shí)間參考系統(tǒng)，互操作是在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容基礎(chǔ)上的另一種更高層面的系統(tǒng)優(yōu)化與合作，由此提高用戶位置解算的可用性（solution availability）。

新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在保持獨(dú)立性的同時(shí)，需要注重與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在時(shí)空系統(tǒng)方面的兼容與互操作，特別是在民用應(yīng)用方面。這種互操作性主要有兩種表現(xiàn)方式：

一種是采用兼容的時(shí)空系統(tǒng)。Galileo地球參考框架(GTRF)和GPS使用的WGS-84實(shí)際上都是國(guó)際地球參考框架(ITRF)的一種實(shí)現(xiàn)。WGS-84和GTRF的誤差預(yù)計(jì)是在幾厘米的量級(jí)。對(duì)于導(dǎo)航和大多數(shù)其他用戶需求來(lái)說(shuō)，這種精度就足夠了。前GPS系統(tǒng)使用的GPST和Galileo系統(tǒng)使用的GST都是連續(xù)的時(shí)間系統(tǒng)，都與國(guó)際原子時(shí)TAI保持較小的固定偏差。GPST和GST都與世界時(shí)UTC之間有明確的時(shí)間換算關(guān)系，用戶可以方便地通過(guò)Galileo廣播信息獲得GST與UTC以及GPST之間的偏差。

另一種是在信號(hào)中廣播與其他時(shí)空系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。在歐洲和美國(guó)關(guān)于Galileo/GPS互操作性的協(xié)議中采納了通過(guò)傳統(tǒng)時(shí)間傳遞技術(shù)測(cè)量，或者利用組合GPS/Galileo接收機(jī)在兩個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站進(jìn)行精確估計(jì)的方法來(lái)確定時(shí)間偏差。另外，GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃發(fā)播GPS與GLONASS時(shí)標(biāo)之差。我國(guó)BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也將計(jì)劃廣播與GPS、GLONASS、Galileo系統(tǒng)時(shí)間轉(zhuǎn)換參數(shù)以及GPS衛(wèi)星鐘差、星歷改正參數(shù)等信息。

這些方法都很好地體現(xiàn)了GNSS系統(tǒng)之間的互操作，都將為用戶利用多系統(tǒng)觀測(cè)量進(jìn)行導(dǎo)航定位提供最直接的便利。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容與互操作體現(xiàn)了系統(tǒng)之間的合作和協(xié)同，必將對(duì)系統(tǒng)的服務(wù)性能產(chǎn)生一定的影響。在保持系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的前提下，通過(guò)國(guó)際合作積極實(shí)現(xiàn)GNSS資源優(yōu)化整合，最大限度地選擇利用國(guó)際導(dǎo)航免費(fèi)資源，同時(shí)充分發(fā)揮自主資源作用，并在接收機(jī)終端提出最佳化融合方案，為研究出高性能且廉價(jià)的接收機(jī)奠定總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，從根本上增強(qiáng)BDS在應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

兼容與互操作是未來(lái)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，在北斗全球系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，應(yīng)進(jìn)一步重視信號(hào)的互操作設(shè)計(jì)，盡可能采用與GPS和Galileo相同的頻點(diǎn)、類似的調(diào)制方式、相近的帶寬等頻域參數(shù)，達(dá)到與GPS和Galileo系統(tǒng)的高度互操作。坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)盡可能一致，尤其是地面跟蹤站盡量保持一致，否則應(yīng)采用多模接收機(jī)監(jiān)測(cè)其坐標(biāo)系統(tǒng)偏差，并發(fā)播給用戶進(jìn)行改正，或作為用戶導(dǎo)航定位參數(shù)估計(jì)的先驗(yàn)信息；時(shí)間系統(tǒng)的不一致，可采用多系統(tǒng)跟蹤站進(jìn)行監(jiān)測(cè)和發(fā)播，也可通過(guò)增加模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。

二、兼容性

圖1 GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)信號(hào)功率

表1 四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)L1頻段導(dǎo)航信號(hào)中心頻點(diǎn)及帶寬

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“兼容性”定義為一種能力，即“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)可以獨(dú)立使用或者聯(lián)合使用，不會(huì)引起不可接受的干擾，也不會(huì)傷害其他單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的能力”。兼容性需要考慮導(dǎo)航信號(hào)射頻兼容RFC、授權(quán)信號(hào)和民用信號(hào)的頻譜分離、信號(hào)發(fā)射功率、空間坐標(biāo)與時(shí)間參考系統(tǒng)兼容等事宜。

1、導(dǎo)航信號(hào)射頻兼容性涉及的技術(shù)因素主要包括兩方面，一是保護(hù)用戶接收機(jī)避免出現(xiàn)射頻干擾；二是用戶接收機(jī)接收靈敏度以及對(duì)其他系統(tǒng)信號(hào)的互相關(guān)特性。目前，兼容性的分析主要集中在不同系統(tǒng)間信號(hào)的相互干擾方面，國(guó)際電聯(lián)2007年提出的干擾估計(jì)方法(ITU-RM.1831)已經(jīng)成為各GNSS兼容性評(píng)估的基本準(zhǔn)則。

導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的無(wú)線電定位信號(hào)的功率非常低，導(dǎo)航信號(hào)傳播到地球表面上時(shí)，信號(hào)功率通常低于用戶接收機(jī)本底噪聲。例如，GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)C/A碼的信號(hào)功率約-160dBW，比用戶接收機(jī)本底噪聲低16dB，L1頻點(diǎn)軍用P碼信號(hào)功率比C/A碼的信號(hào)功率又低13dB，GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)信號(hào)功率如圖1所示。

然而，隨著在軌導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量的增加，當(dāng)導(dǎo)航信號(hào)疊加在一起時(shí)，特別是在擁擠的L1頻段，計(jì)算仿真表明四個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座同時(shí)在軌工作時(shí)，即大約有100多顆MEO衛(wèi)星同時(shí)播發(fā)L頻段衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，將大幅提高用戶接收機(jī)本底噪聲水平，因此，將降低用戶衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的信噪比。

四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)L1頻段導(dǎo)航信號(hào)中心頻點(diǎn)及帶寬如表1所示，由表可知，美國(guó)GPS民用信號(hào)的L1頻點(diǎn)、歐洲Galileo民用信號(hào)的E1頻點(diǎn)以及中國(guó)BDS民用信號(hào)的B1頻點(diǎn)的中心頻率為1.5GHz，其中GPS的L1與Galileo的E1的中心頻率則完全相同，均為1575.42MHz，而俄羅斯GLONASS民用信號(hào)L1頻點(diǎn)的中心頻率為1603.6875MHz，接近Galileo的E1的上邊帶1608.156MHz，因此，2020年前后，四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)后，技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)用戶同時(shí)接收選擇多個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)。

對(duì)一般用戶而言，一部接收機(jī)就可以跟蹤多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星，通過(guò)獲得冗余衛(wèi)星保證衛(wèi)星信號(hào)的完好性和連續(xù)性，從而提高定位性能；對(duì)于接收機(jī)制造商而言，高性能的GNSS多系統(tǒng)低成本聯(lián)合接收機(jī)應(yīng)該具有更大的市場(chǎng)潛力，實(shí)現(xiàn)全球科學(xué)技術(shù)成果的共享。

兼容性要求系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間干擾不會(huì)對(duì)各自系統(tǒng)正常工作造成太大影響，其中存在著一個(gè)度量的問(wèn)題，需要在用戶設(shè)備層面上對(duì)系統(tǒng)間干擾效應(yīng)進(jìn)行定量分析，在理論上可以找到一種適用的解析方法來(lái)評(píng)估系統(tǒng)間的兼容性。由于接收機(jī)信號(hào)捕獲、跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)的性能均依賴于接收機(jī)相關(guān)器輸出端的SINR(信號(hào)與干擾加噪聲的比值)，因此，評(píng)估干擾對(duì)相關(guān)器輸出SNIR的影響，可以為評(píng)定干擾對(duì)這幾種接收機(jī)功能的影響提供基礎(chǔ)。

一般接收機(jī)中采用載噪比來(lái)表征所接收導(dǎo)航信號(hào)的質(zhì)量，其中假定噪聲是白色的；而相關(guān)器輸出SINR的計(jì)算中需要考慮非白干擾，可以引入等效載噪比的概念來(lái)分析這種情形。

在ITU-RM.1831建議書中也是采用等效載噪比作為系統(tǒng)間干擾評(píng)估參量。全球系統(tǒng)民用信號(hào)的兼容性主要考察落在相應(yīng)帶寬內(nèi)的GPS、Galileo和GLONASS所有導(dǎo)航信號(hào)、全球系統(tǒng)其他導(dǎo)航信號(hào)(如授權(quán)信號(hào))以及其他系統(tǒng)信號(hào)與民用導(dǎo)航信號(hào)的分離特性，分析各導(dǎo)航信號(hào)的干擾所導(dǎo)致的載噪比損失。由于干擾的存在使得載噪比下降，可以用等效載噪比的下降來(lái)評(píng)估干擾對(duì)接收機(jī)的影響。信號(hào)兼容性需求標(biāo)準(zhǔn)是：所有干擾所引起的載噪比損失不能使到達(dá)地面的信號(hào)載噪比低于載噪比門限，同時(shí)保證其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的載噪比。

當(dāng)前，只有海事和航空衛(wèi)星導(dǎo)航用戶接收機(jī)有導(dǎo)航信號(hào)射頻兼容性RFC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于陸地車載和鐵路車載衛(wèi)星導(dǎo)航用戶接收機(jī)還沒(méi)有導(dǎo)航信號(hào)射頻兼容性RFC要求。上述要求，包括最低信噪比、遮蔽角、可接收的外部干擾與用戶的應(yīng)用場(chǎng)景息息相關(guān)。民用交通領(lǐng)域?qū)⑹亲畲蟮男l(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)，因此，建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性的技術(shù)體系，制定用戶接收機(jī)的相關(guān)兼容性標(biāo)準(zhǔn)是十分迫切的。

2、對(duì)于國(guó)家安全來(lái)說(shuō)，授權(quán)信號(hào)和民用信號(hào)之間的頻譜分離至關(guān)重要。一方面，為了確保采取功率增強(qiáng)等手段來(lái)提高軍用信號(hào)的抗干擾能力時(shí)，能夠不影響民用信號(hào)的正常使用；另一方面，為了避免戰(zhàn)時(shí)敵方對(duì)軍用信號(hào)實(shí)施干擾時(shí)會(huì)同時(shí)干擾民用信號(hào)，要求軍民信號(hào)頻譜分離，以確保導(dǎo)航戰(zhàn)環(huán)境下民用信號(hào)的正常、連續(xù)使用。正如GPS將M碼與C/A碼和P碼的頻譜分開(kāi)，就是要解決增加M碼功率對(duì)C/A和P(Y)碼的干擾問(wèn)題，提高與C/A碼和P(Y)碼的兼容性。

然而，頻譜完全分離并不總是可以做到期望的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的，有時(shí)出于互操作目的，甚至希望導(dǎo)航信號(hào)又是重疊的。因此，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要開(kāi)展雙邊和多邊協(xié)商，確保系統(tǒng)間的導(dǎo)航信號(hào)兼容性。導(dǎo)航信號(hào)兼容性的雙邊和多邊協(xié)商典型示例如下：

· 1998年： 美國(guó)和日本就GPS系統(tǒng)和QZSS/MSAS系統(tǒng)之間的互操作和兼容性簽署協(xié)議；

· 2004年： 美國(guó)和俄羅斯就GPS和Glonass系統(tǒng)之間開(kāi)展合作達(dá)成一致性意見(jiàn)；

· 2004年： 美國(guó)和歐盟就GPS和Galileo系統(tǒng)之間開(kāi)展合作達(dá)成一致性意見(jiàn)；

· 2007年： 美國(guó)和印度就GNSS系統(tǒng)開(kāi)展合作發(fā)表聯(lián)合聲明。

三、互操作性

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“互操作”定義為一種能力，“聯(lián)合使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)及相應(yīng)服務(wù)，能夠在用戶層面比單獨(dú)使用一種系統(tǒng)及相應(yīng)服務(wù)獲得更好的服務(wù)的能力”。顯然互操作的實(shí)現(xiàn)必須基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性，與兼容性有所不同，互操作涉及面更廣，不但與各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)密切相關(guān)，而且與系統(tǒng)采用的空間和時(shí)間基準(zhǔn)有關(guān)，對(duì)多系統(tǒng)GNSS 用戶的影響也更為直接，研究工作更為復(fù)雜。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性使得多系統(tǒng)互操作成為新的發(fā)展趨勢(shì)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也必然要與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作。多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作性要求信號(hào)頻譜共享、調(diào)制方式、多址方式、碼片速率和碼片賦形類似。

根據(jù)互操作要求，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率配置和空間信號(hào)的互操作主要是通過(guò)共用中心頻率和頻譜重疊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一方面解決了衛(wèi)星導(dǎo)航頻率資源的緊缺問(wèn)題，另一方面可以減少接收機(jī)內(nèi)為不同中心頻率提供基準(zhǔn)頻率而產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化多系統(tǒng)聯(lián)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)計(jì)和制造，降低功耗、成本和重量。

例如，Galileo的E5a(1176.45 MHz)和E1(1575.42 MHz)將分別與GPS在L5和L1頻段上實(shí)現(xiàn)互操作。GLONASS也已在現(xiàn)代化計(jì)劃中提出要在L5和L1頻段上添加CDMA信號(hào)，與GPS實(shí)現(xiàn)互操作。日本QZSS發(fā)布的頻率計(jì)劃中，也將在L1、L2和L5上實(shí)現(xiàn)與GPS的完全兼容與互操作。可見(jiàn)，L1和L5已成為國(guó)際上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主要互操作頻段。

我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要與國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接軌，也應(yīng)該在L1和L5頻段上設(shè)計(jì)民用導(dǎo)航信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與GPS、Galileo和GLONASS三大導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作，且中心頻點(diǎn)、調(diào)制方式和信號(hào)結(jié)構(gòu)應(yīng)與其他GNSS系統(tǒng)趨于一致。

一般在系統(tǒng)和信號(hào)兩個(gè)層次研究不同系統(tǒng)間的互操作。在系統(tǒng)層次，互操作可以視為在同樣的邊界約束條件下，多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共同解算時(shí)提供的導(dǎo)航解與單獨(dú)一個(gè)系統(tǒng)所提供的導(dǎo)航解完全一致的能力。也就是說(shuō)，一部GPS/GLONASS或GPS/Galileo雙系統(tǒng)用戶接收機(jī)與一部GPS或Galileo單系統(tǒng)用戶接收機(jī)為用戶提供同樣精度的導(dǎo)航解。在這個(gè)層面上，可以說(shuō)GPS和Galileo是系統(tǒng)級(jí)“互操作”的，由于系統(tǒng)存在較大冗余度，因此，可以給用戶帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)，提高市場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的信心。在信號(hào)層次上，互操作可以視為當(dāng)不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)播發(fā)類似的導(dǎo)航信號(hào)時(shí)，用戶導(dǎo)航接收機(jī)不需要作大的改動(dòng)就能接收這些導(dǎo)航信號(hào)。對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航信號(hào)互操作需要考慮下列因素：

· 空間參考坐標(biāo)：雖然國(guó)際民用坐標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際地球參考框架（ITRF），但是每個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都有自己獨(dú)立的參考坐標(biāo)，取決于其地面控制系統(tǒng)的參考坐標(biāo)，并確保各自衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)立性。如果不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)參考坐標(biāo)的差別在目標(biāo)精度之內(nèi)，那么再參考坐標(biāo)角度，可以說(shuō)兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是可以互操作的。例如，GPS全球定位系統(tǒng)的參考指標(biāo)是WGS84，而Galileo系統(tǒng)的參考指標(biāo)是伽利略地球參考框架（GTRF），WGS84和GTRF參考指標(biāo)的差別在3cm之內(nèi)，因此，可以在大部分導(dǎo)航應(yīng)用場(chǎng)景下保證GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)具有互操作性。

· 時(shí)間參考系統(tǒng)：國(guó)際民用時(shí)間參考標(biāo)準(zhǔn)是協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC/原子時(shí)TAI，雖然GPS系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)GPST和Galileo系統(tǒng)的時(shí)間參考系統(tǒng)GST之間的偏差在納秒量級(jí)，但是GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)均以導(dǎo)航電文方式將這一偏差播發(fā)給地面用戶，因此，可以認(rèn)為GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)在時(shí)間參考系統(tǒng)環(huán)節(jié)具有互操作性。

· 使用同樣的載波頻率：選擇同樣的載波頻率對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的研制成本和技術(shù)復(fù)雜度具有重大的影響，由于GPS和Galileo系統(tǒng)選擇了同樣的載波頻率，例如L1和 L5/E5a，因此，可以說(shuō)GPS和Galileo系統(tǒng)在信號(hào)層次是“互操作”的。GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用CDMA信號(hào)體制，每顆GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星的載波頻率均是不同的，因此，GPS和Galileo系統(tǒng)與GLONASS系統(tǒng)在信號(hào)層次是不能“互操作”的。這里需要指出的是，即使GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)在某些載波頻點(diǎn)也是不一致的，例如Galileo系統(tǒng)的E5b和GPS系統(tǒng)的L2頻點(diǎn)，但兩者并沒(méi)有造成互相干擾，因此兩者仍然是兼容的。

· 空間導(dǎo)航信號(hào)：導(dǎo)航信號(hào)的特征，例如調(diào)制方式、信號(hào)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)頻碼的選擇僅僅需要調(diào)整接收機(jī)信號(hào)基帶處理軟件，不影響導(dǎo)航信號(hào)互操作。此外，為了確保導(dǎo)航信號(hào)兼容和互操作，在開(kāi)展導(dǎo)航信號(hào)體制設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)際上有若干工作組定期開(kāi)展研討和協(xié)調(diào)。因此，GPS系統(tǒng)的軍用M碼信號(hào)和Galileo系統(tǒng)的公共管制業(yè)務(wù)PRS信號(hào)在L1頻段是可以互操作的。另外，日本QZSS準(zhǔn)天頂系統(tǒng)計(jì)劃與GPS和Galileo系統(tǒng)在L1 和 L5/ E5a信號(hào)實(shí)現(xiàn)互操作。

綜上所述，互操作不僅與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)體制有關(guān)，也與坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)間基準(zhǔn)的定義及實(shí)現(xiàn)這些定義的方法有關(guān)，也與信號(hào)、坐標(biāo)、運(yùn)行時(shí)間偏差有關(guān)?？梢哉J(rèn)為，互操作概念對(duì)不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商的影響是不同的，對(duì)不同的用戶影響也是不同的，不同的互操作要素對(duì)接收機(jī)廠商的影響也是不同的。

兼容互操作設(shè)計(jì)對(duì)業(yè)已建成的GPS幾乎沒(méi)有任何影響，主要原因如下：

① GPS系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟，用戶極其廣泛，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)樹(shù)立起了行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的地位；

② GPS系統(tǒng)用戶涉及的領(lǐng)域非常廣泛，已經(jīng)嵌入到飛機(jī)、艦船與武器平臺(tái)、陸地車輛等各類移動(dòng)載體,并已滲透到了交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)以及其他穿戴設(shè)備，改變GPS系統(tǒng)的互操作設(shè)計(jì)是完全不可能的；

③ 國(guó)際民用航空組織和國(guó)際海事組織已經(jīng)以GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)為飛機(jī)和艦船活動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航藍(lán)本；

④ 以GPS系統(tǒng)為主建立的廣域和局域差分增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS and LAAS)已經(jīng)廣泛用于航空精密進(jìn)近，而且這些增強(qiáng)系統(tǒng)之間大多數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互操作，為民用航空提供了近于無(wú)縫的精密導(dǎo)航服務(wù)；

⑤ 全球所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)芯片和天線廠商都搭建了GPS 接收機(jī)生產(chǎn)線，排斥或改建這種產(chǎn)品生產(chǎn)架構(gòu)都將付出代價(jià)；

⑥ GPS系統(tǒng)坐標(biāo)參考系WGS-84盡管與國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)(IAG)確定的國(guó)際地球參考框架(ITRF)有差別，但是差別較小，而且，近幾年GPS所用的WGS-84不斷更新，對(duì)于大多數(shù)用戶可以忽略不計(jì)，不影響GPS在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的主導(dǎo)地位；

⑦ GPS的時(shí)間系統(tǒng)雖然與國(guó)際計(jì)量局確定的世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)有差別，但是美國(guó)海軍天文臺(tái)控制的鐘組在UTC中具有絕對(duì)主導(dǎo)地位，而由美國(guó)海軍天文臺(tái)確定的時(shí)間系統(tǒng)也是GPS時(shí)間的基礎(chǔ)。

因此，盡管在2020年前后，用戶將可以接收到美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo以及中國(guó)BDS四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本的準(zhǔn)天頂（QZSS）及印度的IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)播發(fā)的信號(hào)，但不得不承認(rèn)GPS系統(tǒng)已經(jīng)被廣大用戶接受，已經(jīng)占據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，也已經(jīng)占據(jù)各類導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)政策的主導(dǎo)地位。其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不得不與GPS相同實(shí)施兼容與互操作。而且GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)已先行一步，就兼容和互操作達(dá)成一致，相關(guān)信息簡(jiǎn)述如下：Galileo系統(tǒng)E1信號(hào)和GPS系統(tǒng)L1信號(hào)共用相同的載波頻率1575.42MHz。GPS系統(tǒng)L1上調(diào)制有民碼C/A碼和軍碼P(Y)碼、M碼。

考慮到導(dǎo)航戰(zhàn)中美國(guó)可能對(duì)其C/A碼實(shí)施干擾，以避免敵國(guó)的應(yīng)用，Galileo系統(tǒng)E1信號(hào)在設(shè)計(jì)中需要采用頻譜搬移的手段，以避免其用戶受到GPS的干擾，達(dá)到提高其與GPS之間兼容性的目的。由于1575.42MHz這一載波頻率上的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)已經(jīng)相當(dāng)擁塞，而且Galileo系統(tǒng)想要達(dá)到與GPS系統(tǒng)兼容互操作的目的，以及大信號(hào)帶寬的設(shè)計(jì)思想，Galileo系統(tǒng)E1信號(hào)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的研究階段和復(fù)雜的研究歷程。

綜上所述某個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要想占領(lǐng)部分導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)，就必須具備如下條件：

① 提供更高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)(包括精度、可靠性、操作便捷性、價(jià)格等)；

② 必須與GPS系統(tǒng)實(shí)行兼容與互操作；

③ 提供與GPS系統(tǒng)不同的特色服務(wù)。即使其他GNSS供應(yīng)商具備這些條件，用戶依然會(huì)十分挑剔地審視使用其他GNSS導(dǎo)航信號(hào)帶來(lái)的成本和效益；如果使用多GNSS信號(hào)給用戶增加過(guò)多額外成本,用戶仍然會(huì)放棄與GPS不能實(shí)施互操作的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這給BDS帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。（詳見(jiàn)楊元喜、陸明泉、韓春好所著《GNSS互操作若干問(wèn)題》，測(cè)繪學(xué)報(bào)，Vol.45，No.3，2016.3。）

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)，包括導(dǎo)航信號(hào)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航電文格式、導(dǎo)航信號(hào)載波頻率、偽隨機(jī)測(cè)距碼及信號(hào)調(diào)制方案等，都會(huì)直接影響系統(tǒng)間互操作的可能性。因此，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要開(kāi)展雙邊和多邊協(xié)商，確保系統(tǒng)間的導(dǎo)航信號(hào)互操作，導(dǎo)航信號(hào)互操作的雙邊和多邊協(xié)商典型示例如下：

· 1998年： 美國(guó)和日本就GPS系統(tǒng)合作發(fā)表聲明（QZSS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)完全兼容，高度互操作）；

· 2003年： 歐盟和中國(guó)就Galileo和BDS系統(tǒng)之間兼容和互操作達(dá)成合作協(xié)議；

· 2004年： 美國(guó)和歐盟就GPS和Galileo系統(tǒng)之間開(kāi)展合作達(dá)成一致性意見(jiàn)，形成四個(gè)工作組，其中MBOC導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制方案是工作組在信號(hào)設(shè)計(jì)層面最富有成效的成果；

· 2005年起： 美國(guó)和俄羅斯就衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)合作達(dá)成一致性意見(jiàn)，形成GPS和Glonass系統(tǒng)兼容和互操作專項(xiàng)工作組；

· 2007年： 美國(guó)和印度就GNSS系統(tǒng)開(kāi)展合作發(fā)表聯(lián)合聲明，定期召開(kāi)GPS-IRNSS系統(tǒng)兼容和互操作專題協(xié)調(diào)；

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航頻率分配情況

· 2005年12月成立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)（ICG）是聯(lián)合國(guó)框架下的政府間非正式組織，每年召開(kāi)一次工作會(huì)議，旨在加強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的協(xié)調(diào)與合作，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航全球化應(yīng)用，鼓勵(lì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)兼容與互操作，中國(guó)于2007年9月加入ICG；

· 亞太經(jīng)濟(jì)合作組織（APEC）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施工作組（GIT）主要關(guān)注空中交通管制和航空相關(guān)事宜。

四、關(guān)鍵技術(shù)

單個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在某些情況下并不能完全保證用戶的定位、導(dǎo)航、定時(shí)(PNT)服務(wù)可靠性，特別是在高樓林立的城市峽谷地區(qū)，導(dǎo)航信號(hào)很容易被遮擋，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，由此導(dǎo)致導(dǎo)航信號(hào)不可用。此外，一旦某個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)單類型用戶的危害是比較大的，例如，2014年4月2日，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)不能提供服務(wù)，經(jīng)過(guò)13個(gè)小時(shí)的緊急搶修才恢復(fù)正常。

顯然，多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容互操作能夠確保單一系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，仍可以保證用戶的PNT服務(wù)，同時(shí)還可以提高PNT服務(wù)的可靠性。因此，兼容互操作是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)。兼容互操作可以無(wú)限制地使用多星座提供的多頻觀測(cè)信息進(jìn)行PNT應(yīng)用，可減弱對(duì)單一星座的依賴，降低電磁干擾、地形/建筑物遮擋、電離層閃爍、拒絕服務(wù)等因素導(dǎo)致的性能下降或服務(wù)中斷風(fēng)險(xiǎn)。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多星座多頻數(shù)據(jù)融合下，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)探測(cè)、篩選、組合，將顯著增加衛(wèi)星和測(cè)距信號(hào)的數(shù)量，大幅提升導(dǎo)航性能。舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，一旦終端是兼容互操作的，衛(wèi)星數(shù)目的增多可以極大限度地減弱衛(wèi)星導(dǎo)航盲區(qū)，緩解單一星座下由于城市建筑物遮擋等因素引起的導(dǎo)航信號(hào)缺失問(wèn)題，提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性。

1、導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)

導(dǎo)航信號(hào)是同時(shí)在控制段、空間段和用戶段之間建立聯(lián)系的核心要素。首先，導(dǎo)航信號(hào)是控制段與空間段之間的一個(gè)重要反饋鏈路，因此，導(dǎo)航信號(hào)的潛在性能在很大程度上決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的先天性能。其次，導(dǎo)航信號(hào)是空間段與用戶段之間的唯一接口，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的定位和授時(shí)能力能否通過(guò)用戶接收機(jī)得到充分的發(fā)揮，直接影響到用戶的服務(wù)質(zhì)量。由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的唯一處理對(duì)象是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，因此，導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)水平也在很大程度上決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容互操作與應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化。

導(dǎo)航信號(hào)的主要特征包括載波頻率、調(diào)制方式、信號(hào)帶寬、信號(hào)功率、極化方式、多址方式、擴(kuò)頻碼、電文格式、電文糾錯(cuò)碼等。從用戶終端的角度看，為了研制性能好、功耗低、體積小、成本低的多系統(tǒng)兼容接收設(shè)備，總是希望各導(dǎo)航系統(tǒng)的上述參數(shù)盡可能相似，以便更多地共享接收機(jī)中的硬件和軟件。特別是信號(hào)載波頻率、信號(hào)帶寬、調(diào)制方式、多址方式等與信號(hào)頻譜特征密切相關(guān)的主要特性，最好應(yīng)該完全一致，這也是ICG 所倡導(dǎo)的發(fā)展方向，即衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率配置和信號(hào)的兼容與互操作主要是通過(guò)共用中心頻率以及頻譜重疊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然需要使用不同的信號(hào)調(diào)制方式和不同的信號(hào)結(jié)構(gòu)，這也是系統(tǒng)相互獨(dú)立性的必然要求。國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的導(dǎo)航頻率占有情況如圖2所示，圖中給出了導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)有的和計(jì)劃采用的主要頻率分配情況。

由圖2導(dǎo)航頻率分配情況可知， Galileo系統(tǒng)的E2-L1-El信號(hào)與GPS系統(tǒng)的L1信號(hào)以及E5a信號(hào)與L5信號(hào)共用中心頻率，在信號(hào)層面較好地實(shí)現(xiàn)了兼容與互操作，為兩個(gè)系統(tǒng)之間的互操作奠定了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)共用中心頻率和頻譜重疊，一方面解決了衛(wèi)星導(dǎo)航頻率資源的緊缺問(wèn)題，另一方面可以減少接收機(jī)為不同中心頻率提供基準(zhǔn)頻率信號(hào)而產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，從而在一定程度上降低了多系統(tǒng)聯(lián)合GNSS接收機(jī)的功耗、成本和重量。

對(duì)于中心頻率相同的導(dǎo)航信號(hào)。接收機(jī)可以采用相同的射頻前端、不同的捕獲跟蹤模塊、相同的導(dǎo)航解算模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。雖然通過(guò)共用中心頻率和頻譜重疊的方式可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)的協(xié)同工作，但是需要采用不同的信號(hào)調(diào)制方式或參數(shù)，以便在頻譜上將這兩個(gè)信號(hào)分離，從而保證不同系統(tǒng)信號(hào)之間的干擾降到最低。

新型導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)成為GPS現(xiàn)代化和Galileo建設(shè)中十分重要的內(nèi)容，逐漸引入了針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用需求的多樣化設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)了不少新技術(shù)。典型的例子是，在GPS和Galileo信號(hào)設(shè)計(jì)中提出了頻譜向中心頻點(diǎn)兩邊分裂的二進(jìn)制偏移載波（BOC）擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，在保證與早期信號(hào)共用載波中心頻點(diǎn)的同時(shí)，避免了系統(tǒng)間的頻譜干擾；并且，信號(hào)能量向以載波頻率為中心的上下邊帶分裂的頻譜可以帶來(lái)更大的Gabor帶寬，提高了導(dǎo)航信號(hào)的潛在碼跟蹤精度。在此基礎(chǔ)上，MBOC與AltBOC等改進(jìn)技術(shù)以及導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)分離的新結(jié)構(gòu)等，都充分顯示了衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的特色，并進(jìn)一步提升了導(dǎo)航信號(hào)的接收和測(cè)距性能。

鑒于導(dǎo)航信號(hào)在導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要性，在開(kāi)展全球系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)要特別重視頻率資源、系統(tǒng)間的兼容性與互操作、測(cè)距精度、服務(wù)的穩(wěn)健性、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面的嚴(yán)苛約束。如前述，GPS系統(tǒng)技術(shù)成熟，用戶涉及的領(lǐng)域非常廣泛，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)樹(shù)立起了行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的地位，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)要想占領(lǐng)部分導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)，就必須與GPS系統(tǒng)實(shí)行兼容與互操作。互操作對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本要求是不同系統(tǒng)的信號(hào)應(yīng)該盡可能相似，特別是與信號(hào)頻率相關(guān)的特征應(yīng)該高度相似，導(dǎo)航信號(hào)的中心頻點(diǎn)不一致和帶寬不一致，不僅影響系統(tǒng)間的兼容性，實(shí)際上對(duì)互操作性的影響更大。

例如，在40多年前，GPS系統(tǒng)的民用信號(hào)，即L1 C/A 碼信號(hào)采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的直接序列擴(kuò)頻/二進(jìn)制相移鍵控（DSSS/BPSK）調(diào)制技術(shù)，基本上照搬了衛(wèi)星通信中的信號(hào)設(shè)計(jì)方案，測(cè)距碼的碼片速率也相對(duì)較低（1.023MHz），電文結(jié)構(gòu)、信道編碼也比較簡(jiǎn)單。而北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的B1I信號(hào)在載波、帶寬(擴(kuò)頻碼速率)、擴(kuò)頻碼、電文格式、糾錯(cuò)編碼等方面與L1 C/A 碼信號(hào)存在差異，很難實(shí)現(xiàn)兩者的兼容互操作。

表2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的地心引力常數(shù)和地球自轉(zhuǎn)角速度

表3 參考橢球常數(shù)

2007年7月26日，在GPS-Galileo射頻兼容與互操作工作組經(jīng)過(guò)將近10年的共同研究后，由美國(guó)和歐洲專家組成的聯(lián)合設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)推薦了一個(gè)最優(yōu)化的GPS系統(tǒng)L1C信號(hào)和Galileo系統(tǒng)E1信號(hào)公開(kāi)服務(wù)新擴(kuò)頻碼調(diào)制方案MBOC(6，1，1/11)。美國(guó)和歐盟共同宣布了一項(xiàng)協(xié)議，MBOC(6，1，1/11)由BOC(1，1)和BOC(6，1)合并而成，在1575.42MHz頻率上發(fā)射，BOC(1，1)和BOC(6，1)分別占合并以后總信號(hào)功率的10/11和1/11。

綜述，未來(lái)北斗全球系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)在兼容性的基礎(chǔ)上特別重視互操作的設(shè)計(jì)，無(wú)論是頻率、坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)都盡量與國(guó)際現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一致。需要在保持信號(hào)自身特色和獨(dú)立性的同時(shí)，采用與GPS和Galileo系統(tǒng)相同的頻點(diǎn)、類似的調(diào)制、相近的帶寬，在頻域特性上盡可能與GPS和Galileo系統(tǒng)保持一致，以增強(qiáng)其互操作性。GPS未來(lái)的核心信號(hào)是L1C，北斗全球系統(tǒng)信號(hào)的互操作設(shè)計(jì)應(yīng)面向未來(lái)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與L1C的兼容與互操作。

2、空間坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)間、空間坐標(biāo)參考系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)。為了體現(xiàn)獨(dú)立性，各系統(tǒng)都有獨(dú)立的時(shí)間和空間系統(tǒng)。目前四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間坐標(biāo)系統(tǒng)的定義基本一致，但與IERS定義的參數(shù)均有差異，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地心引力常數(shù)和地球自轉(zhuǎn)角速度見(jiàn)表2，參考橢球的幾何常數(shù)見(jiàn)表3。（詳見(jiàn)楊元喜、陸明泉、韓春好所著《GNSS互操作若干問(wèn)題》，測(cè)繪學(xué)報(bào)，Vol.45，No.3，2016.3。）

四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地球參考框架實(shí)際上都是國(guó)際地球參考框架(ITRF)的一種實(shí)現(xiàn)。GPS、GLONASS、BDS系統(tǒng)的地心引力常數(shù)值、地球自轉(zhuǎn)角速度與ITRF推薦值相同。四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的參考橢球長(zhǎng)半軸幾乎都不相同，而且均與IERS推薦值存在差異，相對(duì)于IERS推薦的參考橢球長(zhǎng)半軸a＝63 7 8 1 3 6．6m，GPS和BDS參考橢球差了0.4m，GLONASS參考橢球差了-0.6m，Galileo參考橢球差了-1.1m，GPS和BDS與Galileo參考橢球差了1.5m，但是參考橢球的長(zhǎng)半軸和扁率的差異一般不會(huì)影響用戶的定位結(jié)果。因?yàn)橛脩粲尚l(wèi)星廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)時(shí)，不涉及參考橢球的幾何參數(shù)。BDS、GPS、GLONASS采用的地球橢球扁率也與IERS 規(guī)定值不同，但這些常數(shù)差對(duì)衛(wèi)星星歷影響不大。對(duì)地圖投影的影響一般在毫米量級(jí)，不影響用戶使用。

盡管各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)的定義差別不明顯影響融合導(dǎo)航定位結(jié)果，但是，各坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的差別對(duì)導(dǎo)航定位結(jié)果影響明顯。這是因?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和維持所帶來(lái)的誤差直接影響衛(wèi)星軌道精度，而衛(wèi)星軌道誤差對(duì)用戶單點(diǎn)定位結(jié)果的影響是系統(tǒng)性的。

由于現(xiàn)有四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了不同的坐標(biāo)框架，于是坐標(biāo)框架的相對(duì)偏差將影響各衛(wèi)星星座的互操作。解決這類互操作有兩種策略：對(duì)于單點(diǎn)定位和實(shí)時(shí)導(dǎo)航，可以在觀測(cè)模型中設(shè)置互操作參數(shù)，并在融合定位時(shí)估計(jì)這類參數(shù)；對(duì)于事后處理的高精度定位用戶，可以采用相對(duì)定位方式削弱這類互操作參數(shù)的影響。需要注意的是各GNSS 系統(tǒng)必須選擇各自的參考衛(wèi)星進(jìn)行差分，才能消除坐標(biāo)互操作參數(shù)的影響。

實(shí)踐中，應(yīng)該采用多GNSS接收機(jī)同時(shí)接收GPS、GLONASS、BDS和Galileo等衛(wèi)星信號(hào)，綜合測(cè)定跟蹤站的地心坐標(biāo)，計(jì)算各GNSS系統(tǒng)存在的坐標(biāo)系統(tǒng)誤差，并發(fā)播給用戶作為先驗(yàn)參數(shù)，供用戶在多模融合導(dǎo)航定位時(shí)參考。如果將不同GNSS測(cè)定的地面點(diǎn)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地經(jīng)緯度和大地高，則使用不同的參考橢球參數(shù)會(huì)產(chǎn)生明顯差異。所以在我國(guó)若要求將多GNSS測(cè)定的點(diǎn)位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)時(shí)，一定要采用CGCS2000橢球參數(shù)，而不是使用各GNSS所對(duì)應(yīng)的其他參考橢球參數(shù)，如此才能確保不同衛(wèi)星系統(tǒng)定位結(jié)果的坐標(biāo)系統(tǒng)一致性。

表4 GNSS 系統(tǒng)時(shí)間定義說(shuō)明

在坐標(biāo)系的不一致方面，多GNSS坐標(biāo)基準(zhǔn)定義相近，但選用的參考橢球常數(shù)存在差異，坐標(biāo)基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)途徑和更新周期均存在較大差異。多GNSS參考橢球的地心引力常數(shù)差異及地球的自傳角速率差異將導(dǎo)致衛(wèi)星廣播星歷二至數(shù)十米偏差，而坐標(biāo)基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)誤差、更新周期等差異將首先影響衛(wèi)星軌道，進(jìn)而對(duì)多GNSS用戶產(chǎn)生影響。所以，未來(lái)可采用多GNSS接收機(jī)監(jiān)測(cè)各GNSS的坐標(biāo)互操作參數(shù)，并將BDS跟蹤站的坐標(biāo)更新周期改為每年一次，以便減小地殼形變誤差對(duì)坐標(biāo)基準(zhǔn)互操作參數(shù)的影響。

3、時(shí)間參考系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GPS、Galileo、BDS三大系統(tǒng)都采用連續(xù)的原子時(shí)標(biāo)，無(wú)閏秒，系統(tǒng)間的偏差包括兩部分：①各系統(tǒng)在不同的UTC時(shí)間定義起點(diǎn)時(shí)間，而導(dǎo)致整秒偏差，BDT與GPST、GST的整秒差為14秒，而GST與GPST不存在整秒差：②由于各系統(tǒng)時(shí)間由各自的原子鐘組生成，在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微小的偏差，一般稱之為“秒內(nèi)偏差”，通常為幾十納秒量級(jí)。

GLONASS系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間(GLNT)與UTC(SU)＋3h同步，而且與UTC一起進(jìn)行動(dòng)態(tài)閏秒，因此，GLONASS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)時(shí)間的偏差存在三方面的影響：

① GLNT與GPST、GST和BDT系統(tǒng)時(shí)間的整小時(shí)偏差為3h；

② 整秒偏差部分：由于GLNT與UTC同步閏秒，而且整秒偏差不是一個(gè)固定常數(shù)，需根據(jù)BIPM發(fā)布的閏秒公告具體計(jì)算；

③ 秒內(nèi)偏差部分，GLNT系統(tǒng)鐘組運(yùn)行產(chǎn)生的誤差，該偏差需要通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鏈路來(lái)實(shí)時(shí)獲取。這三類偏差有的直接影響授時(shí)，有的影響時(shí)間同步，有的影響多GNSS聯(lián)合導(dǎo)航定位。

GPS、GLONASS、BDS和Galileo四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系統(tǒng)定義差別較大，具體情況的比較分析如表4所示。（詳見(jiàn)楊元喜、陸明泉、韓春好所著《GNSS互操作若干問(wèn)題》。）

在多系統(tǒng)兼容互操作中，時(shí)間系統(tǒng)的不一致直接影響多系統(tǒng)導(dǎo)航定位和授時(shí)結(jié)果。對(duì)于秒以下偏差部分，對(duì)定位誤差的影響可達(dá)十米乃至數(shù)十米，對(duì)授時(shí)的影響可達(dá)數(shù)10ns。在進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)差精確測(cè)定和修正后，定位誤差的影響一般可優(yōu)于1m，授時(shí)誤差可小于3ns。對(duì)于整數(shù)時(shí)差可以按照系統(tǒng)時(shí)間的基本定義直接改正；對(duì)時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行誤差，則可以在函數(shù)模型中增加待定參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，或采用系統(tǒng)內(nèi)差分減弱其影響；也可以通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估，并向用戶發(fā)播改正信息。