譚述森

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094

北斗系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展與前景預(yù)測(cè)

譚述森

北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094

隨著旺盛的衛(wèi)星應(yīng)用社會(huì)需求及航天新技術(shù)的迅猛發(fā)展，天基無(wú)線電系統(tǒng)相互交叉融合已成趨勢(shì)。北斗系統(tǒng)從兩顆衛(wèi)星起步，以快速定位報(bào)告(RDSS)與短報(bào)文通信(MSS)業(yè)務(wù)為特色建成中國(guó)第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨后，用8年時(shí)間構(gòu)建了RNSS連續(xù)導(dǎo)航與RDSS定位報(bào)告相結(jié)合的北斗技術(shù)體制，完成了亞太地區(qū)覆蓋。通過(guò)有效的衛(wèi)星無(wú)線電頻率兼容設(shè)計(jì)與國(guó)際協(xié)調(diào)，北斗系統(tǒng)是世界上第一個(gè)被國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)規(guī)則認(rèn)可的RNSS、RDSS、MSS三大業(yè)務(wù)相結(jié)合的衛(wèi)星無(wú)線電系統(tǒng)。本文闡述了北斗系統(tǒng)在創(chuàng)新超越理念下的三大業(yè)務(wù)、四大功能的發(fā)展歷程、技術(shù)體制、主要特點(diǎn)及前景預(yù)測(cè)。

北斗系統(tǒng)；衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定；衛(wèi)星移動(dòng)通信；衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航

北斗系統(tǒng)于2000年以2顆衛(wèi)星小幅起步，建成了具有位置報(bào)告、短電文通信等顯著特色的北斗試驗(yàn)系統(tǒng)，使我國(guó)成為世界上第3個(gè)擁有自我衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。隨后于2012年12月，利用14顆衛(wèi)星完成了北斗區(qū)域系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞太地區(qū)的連續(xù)覆蓋，受到ICG認(rèn)可成為世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航核心供應(yīng)商之一[1]。

北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建成運(yùn)行后，偽距測(cè)量精度約為33 cm，載波測(cè)量精度約為2 mm；偽距單點(diǎn)定位水平精度優(yōu)于6 m，高程精度優(yōu)于10 m；載波相位差分定位精度在超短基線情況下優(yōu)于1 cm，短基線情況下優(yōu)于3 cm；單頻偽距差分定位精度優(yōu)于2.5 m，與GPS相比存在較大差距，其主要原因可能為北斗GEO衛(wèi)星偽距多路徑誤差較大[2-3]。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航理論與實(shí)踐概述

1.1 衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航歷史演變

衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航創(chuàng)始于20世紀(jì)60年代。早期的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要以解決海洋用戶平面位置為目標(biāo)，典型用戶是潛艇海洋定位。

蘇聯(lián)1960年代開始設(shè)計(jì)論證蟬(Tsiklon)系統(tǒng)，到1979年發(fā)射了4顆蟬系統(tǒng)衛(wèi)星[4]。衛(wèi)星軌道高度1000 km，下行頻率150 MHz和400 MHz，采用多普勒原理確定用戶平面位置坐標(biāo)。定位均方根誤差為250～300 m，響應(yīng)時(shí)間5～6 min。經(jīng)大地測(cè)量與地球物理學(xué)者的努力，精度可提升至80～100 m。隨后，蟬系統(tǒng)衛(wèi)星補(bǔ)充了遇險(xiǎn)接收設(shè)備，為用戶配備了無(wú)線電浮標(biāo)裝置，發(fā)射121 MHz和406 MHz遇險(xiǎn)信號(hào)，衛(wèi)星將接收到的遇險(xiǎn)信號(hào)中繼至地面站，由地面站計(jì)算遇險(xiǎn)用戶位置，用于生命救援[5]。與美國(guó)、法國(guó)、加拿大合作形成了COSPAS-SARSAT空間搜救系統(tǒng)。同時(shí)期，美國(guó)建設(shè)了海軍無(wú)線電系統(tǒng)，稱為子午儀系統(tǒng)(Transit)[6]。采用與蟬系統(tǒng)相當(dāng)?shù)能壍栏叨取⒐ぷ黝l率，服務(wù)對(duì)象為美軍核潛艇海上平面位置定位，通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)多普勒頻率測(cè)量與衛(wèi)星廣播星歷計(jì)算，確定用戶平面位置。

上述兩個(gè)系統(tǒng)均不能為用戶提供精確的速度與定位時(shí)間信息，并且衛(wèi)星軌道低、穩(wěn)定性差，難以滿足日益旺盛的全球?qū)Ш叫枨螅虼?，兩個(gè)超級(jí)大國(guó)很快就開啟了新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)論證研究。1973年前后，兩國(guó)分別提出了GPS和GLONASS方案的雛形?；径ㄎ辉硎峭ㄟ^(guò)同時(shí)對(duì)4顆以上衛(wèi)星信號(hào)的偽距測(cè)量和多普勒測(cè)量，確定用戶三維位置、速度矢量與定位時(shí)間，形成了PNT服務(wù)完整概念。

國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)在1979年召開的WRC-79大會(huì)上，為兩大系統(tǒng)量身指配了衛(wèi)星導(dǎo)航L1頻段(1559～1610 MHz)，L2頻段(1215～1260 MHz)頻率。兩大系統(tǒng)均采用20 000 km高度左右的中圓軌道(MEO)衛(wèi)星構(gòu)成基本星座，時(shí)空基準(zhǔn)框架均使用世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC和地心坐標(biāo)系。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)自此逐漸發(fā)展起來(lái)。目前世界GNSS領(lǐng)域，包括在建的系統(tǒng)，已有GPS、GLONASS、Galileo、北斗(BDS)等四大全球系統(tǒng)，以及QZSS、IRNSS等若干區(qū)域系統(tǒng)[7]。

1.2 衛(wèi)星無(wú)線電定位報(bào)告歷史演變

1978年，美國(guó)圣地亞哥機(jī)場(chǎng)附近發(fā)生飛機(jī)相撞事件，造成了167人喪生的歷史慘劇。隨后，美國(guó)學(xué)者G.K.O’NEILL博士提出了基于3顆GEO衛(wèi)星的衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)(radio determination satellite service，RDSS)的防撞系統(tǒng)方案。1987年國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)確認(rèn)了該系統(tǒng)地對(duì)空頻率為1610～1 626.5 MHz，空對(duì)地頻率為2 483.5～2500 MHz[8-9]。實(shí)際發(fā)展過(guò)程中，美國(guó)全球星(Global Star)等四大系統(tǒng)開啟了以防撞位置服務(wù)為主要業(yè)務(wù)的MSS服務(wù)。2000年，中國(guó)成功發(fā)射了2顆北斗一號(hào)衛(wèi)星，通過(guò)雙星定位原理、定位報(bào)告業(yè)務(wù)真正實(shí)踐了RDSS概念、理論與系統(tǒng)架構(gòu)。2003年正式建成的北斗一號(hào)系統(tǒng)，使得中國(guó)成為是世界上第3個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。

2014年3月8日，馬來(lái)西亞航空公司MH370航班失事，239名乘客及機(jī)組人員下落不明。此后，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)者提出了北斗全球系統(tǒng)RDSS航行跟蹤及遇險(xiǎn)救援方案。美國(guó)則于2015年，在IMO、ITU等國(guó)際組織會(huì)議場(chǎng)合，提出了全球水上安全與遇險(xiǎn)救援系統(tǒng)(GMDSS)現(xiàn)代化的建議，主要是推動(dòng)基于銥星系統(tǒng)的生命安全服務(wù)。

2 北斗系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展歷程

北斗系統(tǒng)與子午儀、蟬系統(tǒng)相比，起步晚了30多年，與GPS、GLONASS相比，也晚了20年。時(shí)間跨度之大，無(wú)論是用戶需求還是導(dǎo)航技術(shù)均發(fā)生了跨時(shí)代的變化。解決“我們?cè)谀睦?？”遠(yuǎn)比解決“我在哪里？”重要得多。用戶信息共享成了導(dǎo)航主要需求。交通擁堵、無(wú)人駕駛、飛行器防撞、水上安全遇險(xiǎn)等成為關(guān)注的重點(diǎn)。遇險(xiǎn)定位精度、報(bào)告響應(yīng)時(shí)延需求提升為米-秒量級(jí)?！癎NSS定位+MSS報(bào)告”的傳統(tǒng)模式面臨頻率匱乏與成本巨大的難題，中國(guó)建設(shè)北斗系統(tǒng)，立志創(chuàng)新成為必然。

2.1 構(gòu)建北斗定位報(bào)告體制、一步滿足國(guó)家急需

1994年1月，國(guó)家批準(zhǔn)了“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”立項(xiàng)報(bào)告，命名為“北斗一號(hào)”。以2顆衛(wèi)星為代價(jià)，建成一個(gè)實(shí)用化衛(wèi)星無(wú)線系統(tǒng)，拉開了以精確測(cè)量時(shí)間與空間為目標(biāo)的衛(wèi)星無(wú)線電系統(tǒng)建設(shè)序幕。工程目標(biāo)清楚表明，定位報(bào)告與短報(bào)文通信是北斗一號(hào)的主要業(yè)務(wù)。面臨的理論挑戰(zhàn)、技術(shù)難題十分突出。

通過(guò)一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破與工程化實(shí)現(xiàn)，北斗一號(hào)也取得了大量世界級(jí)成就，并形成鮮明特色：①兩顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)大范圍高精度定位授時(shí)服務(wù)，滿足了中國(guó)及周邊服務(wù)；②雙向授時(shí)精度10 ns；③實(shí)現(xiàn)了大容量用戶1 s快速定位報(bào)告，響應(yīng)速度居國(guó)際領(lǐng)先水平；④定位和報(bào)告在同一信道完成，用戶知道“我在哪里”，還知道“我們?cè)谀睦铩保虎輰?shí)現(xiàn)了用戶雙向報(bào)文通信。北斗一號(hào)快速定位報(bào)告功能，完整地詮釋了RDSS業(yè)務(wù)的豐富內(nèi)涵和先進(jìn)特色[10]。

2.2 構(gòu)建實(shí)時(shí)連續(xù)導(dǎo)航與定位報(bào)告融合體制，建成北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)

2004年，“北斗二號(hào)”立項(xiàng)，于2012年12月建成了以實(shí)時(shí)連續(xù)導(dǎo)航與實(shí)時(shí)定位報(bào)告相融合的北斗技術(shù)體制，實(shí)現(xiàn)亞太覆蓋的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從根本上擺脫了對(duì)國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴。中國(guó)成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航核心供應(yīng)商之一，為世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

中國(guó)北斗二號(hào)彌補(bǔ)了北斗一號(hào)在定位連續(xù)性、速度測(cè)量、服務(wù)完好性等方面的不足，總結(jié)起來(lái)，有如下主要特點(diǎn)：

(1) 全球第一個(gè)連續(xù)導(dǎo)航與定位報(bào)告相融合的技術(shù)體制。衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)、應(yīng)用終端全面實(shí)現(xiàn)了兩種體制融合。攻克了多信號(hào)兼容、鄰頻及收發(fā)隔離、用戶終端小型化難題。解決了導(dǎo)航業(yè)務(wù)、衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)眾多網(wǎng)絡(luò)頻率兼容與業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)。北斗雙模用戶機(jī)受到廣大用戶青睞，成為衛(wèi)星導(dǎo)航與通信綜合應(yīng)用的熱門裝備。

(2) 全球第一個(gè)三軌混合導(dǎo)航星座，實(shí)現(xiàn)三星座區(qū)域綜合PNT服務(wù)[11]。按照先服務(wù)亞太、再擴(kuò)至全球的思路，邊建邊用、突出重點(diǎn)的原則，構(gòu)建了以5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星(目前已達(dá)6顆)、4顆MEO衛(wèi)星的混合星座。這種星座，在低緯度地區(qū)及林區(qū)、城市交接區(qū)、山川峽谷區(qū)性能突出，“一帶一路”沿線大部分國(guó)家用戶可見衛(wèi)星數(shù)維持在7～9顆。表1是以泰國(guó)地區(qū)CORS站性能為例，與GPS系統(tǒng)單一星座比較，北斗星座效率明顯較高。北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)在世界上率先采用以GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星為主體的星座設(shè)計(jì)方案，后來(lái)出現(xiàn)的日本QZSS、印度IRNSS也基本遵循了類似思路。

表1 泰國(guó)地區(qū)北斗CORS站精度性能

(3) 全球第一個(gè)具備三頻完整服務(wù)能力的導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)于2012年具備B1、B2、B3完整三頻服務(wù)能力，與GPS計(jì)劃2021年前后實(shí)現(xiàn)L1、L2、L5三頻服務(wù)計(jì)劃相比，提前了近10年。北斗系統(tǒng)三頻導(dǎo)航信號(hào)為實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度實(shí)時(shí)定位奠定了基礎(chǔ)，計(jì)算收斂速度更快、作用范圍更廣。載波相位模糊度解算時(shí)間由GPS雙頻40 s降為10 s，測(cè)量作業(yè)距離由雙頻20 km擴(kuò)大至三頻100 km[1]。

(4) 國(guó)際上首次設(shè)計(jì)星地雙向時(shí)間同步技術(shù)。通過(guò)地面對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)量和衛(wèi)星對(duì)地面上行信號(hào)的測(cè)量，衛(wèi)星鐘差測(cè)量精度優(yōu)于1 ns，解決了衛(wèi)星鐘差測(cè)量、評(píng)估和恢復(fù)的難題，提高了定位精度及穩(wěn)定性。

(5) 精密快速定位報(bào)告系統(tǒng)研制成功。在北斗二號(hào)系統(tǒng)支持下，采用地面中心處理三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，在2 min的定位報(bào)告響應(yīng)時(shí)間內(nèi)定位精度優(yōu)于1.0 m，與現(xiàn)有SBAS廣域差分服務(wù)相比，作用范圍更廣，操作簡(jiǎn)單，不需設(shè)基準(zhǔn)站，也無(wú)需用戶端后處理。

(6) 實(shí)現(xiàn)了用戶快速跟蹤與遇險(xiǎn)救援報(bào)警。系統(tǒng)采用廣義RDSS定位報(bào)告原理，通過(guò)用戶及中心系統(tǒng)的觀測(cè)與處理，用戶定位報(bào)告精度為米級(jí)，報(bào)告響應(yīng)時(shí)間為10 s，為用戶跟蹤、生命救援等應(yīng)用提供了性能優(yōu)異的手段。

3 世界衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

3.1 頻率資源枯竭、導(dǎo)航衛(wèi)星總數(shù)超過(guò)極限

傳統(tǒng)的L1、L2導(dǎo)航頻率上的不同導(dǎo)航信號(hào)擁擠重疊。2000年后，ITU登記的衛(wèi)星數(shù)已超過(guò)139顆，各大系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)集總功率通量密度EPFD已接近ITU規(guī)則限值。頻率、功率及軌位的爭(zhēng)奪日益激烈?！跋日枷鹊谩薄霸谲壭l(wèi)星總數(shù)”將成為ITU的新規(guī)則。同時(shí)，ITU還規(guī)定已合法登記并履行在軌運(yùn)行的頻率地位為有效，如無(wú)實(shí)際在軌衛(wèi)星，將被刪除合法地位。GNSS競(jìng)爭(zhēng)與合作的局面將繼續(xù)長(zhǎng)期存在。表2、表3列出了各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)和導(dǎo)航信號(hào)參數(shù)。

3.2 導(dǎo)航信號(hào)局域功率增強(qiáng)不可缺少

由于無(wú)線電信號(hào)的脆弱性及國(guó)防規(guī)則對(duì)功率通量密度值(power flux density,PFD)的限定，導(dǎo)航信號(hào)在一般條件下可以正常接收。在復(fù)雜電磁環(huán)境下，必須增強(qiáng)信號(hào)發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)抗干擾、抗欺騙。GPS授權(quán)信號(hào)選用L頻段信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，增強(qiáng)天線口徑為3.0 m，可增強(qiáng)15 dB[8]。由于北斗B3、Bs調(diào)制性能好，因此B3、Bs局域功率增強(qiáng)性能可與之相當(dāng)。如果選用較小的2.0 m天線，發(fā)射功率增大1倍，也可實(shí)現(xiàn)15 dB增強(qiáng)。因此，功率增強(qiáng)不是攔路虎，實(shí)現(xiàn)只在朝夕。

3.3 提高單星質(zhì)量，參與GNSS互操作

北斗是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)與其他三大全球系統(tǒng)兼容與互操作的系統(tǒng)，并可在B1C/L1C/E1信號(hào)和B2a/L5/E5信號(hào)兩個(gè)頻段上實(shí)現(xiàn)與GPS和Galileo的互操作[13]。除此以外尋求在其他信號(hào)上的互操作是不現(xiàn)實(shí)的。北斗也不可能、不應(yīng)該成為GPS的增強(qiáng)衛(wèi)星。按照協(xié)調(diào)一致的最大與最小信號(hào)功率建成自己的系統(tǒng)，可以取得先入為主的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。尤其可消除國(guó)際用戶對(duì)北斗信號(hào)的信任危機(jī)。其關(guān)鍵因素是確保衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量，提供即時(shí)而準(zhǔn)確的完好性標(biāo)識(shí)。

表2全球?qū)Ш叫l(wèi)星總數(shù)(截至2016)

Tab.2Totalnumberofglobalnavigationsatellites(Asof2016)

表3 RNSS頻率資源現(xiàn)狀

注：L頻段共187 MHz，總需求大于總資源；S頻段16.5 MHz，中國(guó)北斗在GEO、IGSO、MEO上均完成在軌信號(hào)發(fā)布；C頻段20 MHz，傳輸損耗大，無(wú)法全球應(yīng)用。

2003年達(dá)成協(xié)議：1164～1215 MHz頻段，所有衛(wèi)星集總功率通量密度EPFD不得超過(guò)-121.5 dBW/MHz/m2，其中單星PFD不超過(guò)-129 dBW/MHz/m2。因此，國(guó)際電聯(lián)不得不每年召開一次609會(huì)議，審定EPFD是否實(shí)際超限。

2000年，RAC 2000規(guī)定：1260～1300 MHz頻段，PFD不得超過(guò)-123 dBW/MHz/m2。

2012年達(dá)成協(xié)議：2483.5～2500 MHz頻段，用于RNSS業(yè)務(wù)的功率通量密度限值為-129 dBW/MHz/m2。

3.4 導(dǎo)航通信組合，提供位置共享

導(dǎo)航與移動(dòng)通信相結(jié)合已成為個(gè)人標(biāo)配信息終端。20世紀(jì)90年代美歐率先炒熱的銥通信系統(tǒng)、全球星、奧德賽、INMARSAT等通信系統(tǒng)，雖然技術(shù)先進(jìn)，由于效費(fèi)比低，敗給了地面光通信及移動(dòng)手機(jī)。2000年以后，銥通信及INMARSAT把業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向位置服務(wù)，獲得再生。2014年3月8日馬航MH370航班失事，美借機(jī)在IMO領(lǐng)域提出了GMDSS全球水上遇險(xiǎn)救援國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定議題，一個(gè)以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為武器的導(dǎo)航通信組合競(jìng)爭(zhēng)游戲，將成為位置信息共享的新戰(zhàn)場(chǎng)。

4 北斗系統(tǒng)前景預(yù)測(cè)

4.1 35顆北斗衛(wèi)星構(gòu)成最佳星座

2007年中國(guó)宣布北斗系統(tǒng)由5顆GEO衛(wèi)星、30顆非GEO衛(wèi)星構(gòu)成。北斗最佳星座將由5顆GEO衛(wèi)星、6顆IGSO衛(wèi)星、24顆MEO衛(wèi)星構(gòu)成。實(shí)行按壽命備份策略，其常態(tài)可用衛(wèi)星不低于35顆，并具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 5顆GEO衛(wèi)星+6顆IGSO衛(wèi)星+少許MEO衛(wèi)星構(gòu)成三大業(yè)務(wù)、四大功能亞太區(qū)域覆蓋，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)服務(wù)區(qū)第一重服務(wù)。5顆GEO衛(wèi)星+6顆IGSO衛(wèi)星同時(shí)構(gòu)成亞太Ka頻段千兆赫茲(GHz)大容量天基通信網(wǎng)絡(luò)，與其他亞太通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，滿足亞太、西太平洋區(qū)域通信需求。

(2) 24顆MEO衛(wèi)星構(gòu)成三大業(yè)務(wù)、四大功能全球覆蓋，并實(shí)現(xiàn)亞太、西太平洋第二重覆蓋。

(3) 亞太地區(qū)雙星座覆蓋，其可靠性達(dá)99.99%，建設(shè)區(qū)域無(wú)線電導(dǎo)航通信備份系統(tǒng)的必要性為0.01%。

(4) 6顆IGSO衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全球RDSS定位報(bào)告及短電文通信業(yè)務(wù)，其用戶容量為24顆MEO衛(wèi)星的10倍，因?yàn)槿胝拘畔⑺俾侍岣吡?倍。

(5) 5顆GEO衛(wèi)星及6顆IGSO衛(wèi)星的熱點(diǎn)區(qū)域功率增強(qiáng)波束可實(shí)現(xiàn)亞太及西太平洋區(qū)域1至2個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋，還可用于對(duì)地球兩極RDSS、MSS業(yè)務(wù)增強(qiáng)，是形成亞太空間戰(zhàn)略平衡的重要砝碼。

(6) 5顆GEO衛(wèi)星及6顆IGSO衛(wèi)星構(gòu)成覆蓋中國(guó)國(guó)土及海洋的多業(yè)務(wù)天基寬帶信息系統(tǒng)，為無(wú)人駕駛平臺(tái)作業(yè)及新概念對(duì)抗創(chuàng)造了廣闊天地。

(7) 北斗系統(tǒng)3種軌道衛(wèi)星星座構(gòu)型形成進(jìn)退自如態(tài)勢(shì)。即使少數(shù)衛(wèi)星功能暫時(shí)受阻，也可支持一場(chǎng)反介入局部沖突。

(8) GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星具有建立以冷原子鐘為主的星基時(shí)間基準(zhǔn)的條件，未來(lái)衛(wèi)星主鐘穩(wěn)定度水平可達(dá)1×10-16。屆時(shí)，可在較弱星間時(shí)間同步精度下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間自主導(dǎo)航。

4.2 北斗全球RNSS/RDSS/MSS三業(yè)務(wù)融合系統(tǒng)，超越國(guó)際多系統(tǒng)組合先例

1997年之前，美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航界出現(xiàn)了以任務(wù)為導(dǎo)向，替代以技術(shù)為導(dǎo)向的系統(tǒng)建設(shè)思路。提出了NavComm導(dǎo)航通信組合概念。主張?jiān)贕PSⅢ衛(wèi)星上設(shè)計(jì)多個(gè)波束：一個(gè)為覆蓋地球的導(dǎo)航波束，一個(gè)或多個(gè)區(qū)域覆蓋可移動(dòng)增強(qiáng)波束用于導(dǎo)航通信信號(hào)功率增強(qiáng)。隨后又推出利用銥通信系統(tǒng)高速率廣播GPS星歷及精密廣域差分信息，從而降低GPS終端冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間，并提高定位精度。還將銥星與GPS相結(jié)合，建成了藍(lán)軍戰(zhàn)場(chǎng)跟蹤系統(tǒng)，滿足了旅級(jí)作戰(zhàn)部隊(duì)快速定位報(bào)告需要。銥星定位報(bào)告響應(yīng)時(shí)間將由數(shù)十秒降低為秒級(jí)，滿足生命救援快速響應(yīng)需求。

美國(guó)多系統(tǒng)并行發(fā)展、多系統(tǒng)終端集成是美國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技先進(jìn)水平的必然結(jié)果，也是超前搶占豐富頻率資源的結(jié)果。顯然，按任務(wù)為導(dǎo)向評(píng)價(jià)，具有成本高、運(yùn)行維護(hù)代價(jià)高的缺點(diǎn)。

中國(guó)與美歐相比，既有巨大經(jīng)濟(jì)落差，又有頻率軌位資源匱乏劣勢(shì)。以任務(wù)為導(dǎo)向的建設(shè)方案不可以按美歐方案復(fù)制，創(chuàng)新是唯一出路。在國(guó)際ITU專家的合作下，打開了另一扇窗戶，實(shí)現(xiàn)了L(1610～1 626.5 MHz)、S(2 483.5～2500 MHz)3種業(yè)務(wù)共享頻道。北斗系統(tǒng)以RDSS業(yè)務(wù)為中心，實(shí)現(xiàn)了定位報(bào)告1 s響應(yīng)時(shí)間、米級(jí)精度位置告警，視場(chǎng)工作衛(wèi)星由5顆(4顆導(dǎo)航，1顆通信)降為3顆。北斗一個(gè)系統(tǒng)完成3個(gè)系統(tǒng)才能完成的任務(wù)，一個(gè)終端完成4個(gè)終端的功能，必然受到用戶青睞。北斗自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視-廣播(BDADS-B)，取代地面常規(guī)ADS-B，與IrADS-B、InADS-B同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，是中國(guó)人的驕傲。北斗的實(shí)用價(jià)值滿足“一帶一路”倡儀，是對(duì)國(guó)際經(jīng)濟(jì)一體化的貢獻(xiàn)[11-13]。

4.3 Bs信號(hào)必將擔(dān)當(dāng)北斗大任

(1) Bs信號(hào)頻率是國(guó)際電聯(lián)ITU唯一認(rèn)可具有三大業(yè)務(wù)的頻率，極其寶貴。

(2) 由于L頻率導(dǎo)航信號(hào)不堪重負(fù)，Bs頻率將是今后多系統(tǒng)頻率爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。中國(guó)北斗處于優(yōu)先地位，不可謙讓。

(3) 是北斗授權(quán)信號(hào)擺脫屈居世界第四的唯一選擇。表4列出了北斗系統(tǒng)在全球四大系統(tǒng)中的軍用帶寬占百分比。

表42020年后四大系統(tǒng)授權(quán)信號(hào)頻帶寬度占有量

Tab.4Authorizedsignalbandwidthoccupancyoffoursystemafter2020

項(xiàng)目系統(tǒng)北斗二號(hào)(2012年)北斗三號(hào)(2020年)GPSⅢGLONASSGalileo授權(quán)信號(hào)個(gè)數(shù)32223授權(quán)信號(hào)總帶寬/MHz4428613440

注：北斗2020年與2012年水平相比，信號(hào)個(gè)數(shù)由3個(gè)降為2個(gè)；信號(hào)帶寬由44 MHz降為28 MHz；屈居四大全球系統(tǒng)第4位。

(4) Bs導(dǎo)航信號(hào)精度高。Bs單頻電離層修正殘差是L1的0.4；B1+Bs雙頻URE為0.566 m，是L雙頻的0.67倍。

4.4 北斗新三頻授權(quán)服務(wù)成就高精度時(shí)空服務(wù)新水平

北斗系統(tǒng)公共服務(wù)三頻信號(hào)為B1C、B2a、B2b，已實(shí)現(xiàn)三頻導(dǎo)航發(fā)射天線相位中心重合。

北斗系統(tǒng)授權(quán)三頻信號(hào)為B1A、B3A、Bs，在三頻導(dǎo)航發(fā)射天線相位中心重合條件下，其優(yōu)點(diǎn)是：

(1) 可成就RTK用戶大范圍快速測(cè)量。載波相位模糊度解算由雙頻40 s縮短為10 s，測(cè)量范圍由雙頻20 km擴(kuò)展至100 km。

(2) 成就航天器全弧段高精度測(cè)控。定軌精度達(dá)厘米級(jí)，控制弧段為全弧段可控，是天基系統(tǒng)組網(wǎng)測(cè)控的新手段[14]。

4.5 天地一體化智能運(yùn)控助北斗服務(wù)不再中斷

北斗系統(tǒng)三大業(yè)務(wù)、四大功能是信息社會(huì)須臾不可或缺的信息資源，服務(wù)必須保證高度穩(wěn)定連續(xù)。運(yùn)控系統(tǒng)智能化是進(jìn)一步探索的新目標(biāo)，主要障礙及努力方向如下：

(1) 維持時(shí)空基準(zhǔn)是首要任務(wù)。維持北斗時(shí)與UTC連續(xù)準(zhǔn)確時(shí)差。星地、星間鏈路及地球時(shí)間錨固站的雙向偽距測(cè)量是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星鐘差與UTC同步的有效措施[15]。

基于地面錨固站維持可監(jiān)測(cè)維持北斗系統(tǒng)全星座的地球坐標(biāo)系，用好錨固站對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)量的定軌數(shù)據(jù)是維持坐標(biāo)基準(zhǔn)的有效措施。地球時(shí)間錨固站和地球坐標(biāo)錨固站可以并址雙站合一工作。全球3～5個(gè)錨固站可實(shí)現(xiàn)時(shí)空基準(zhǔn)穩(wěn)定維持。

(2) 光噴泉原子鐘及星間鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星鐘差亞納秒同步精度。

(3) 基于3種軌道35顆衛(wèi)星冗余覆蓋星座，允許少許衛(wèi)星輪回作星歷指標(biāo)自校與恢復(fù)，不影響系統(tǒng)服務(wù)性能。

(4) 衛(wèi)星軌道自主推算，維持星歷自主發(fā)布。

(5) 地面運(yùn)控僅維持時(shí)空錨固站正常工作即可實(shí)現(xiàn)星座時(shí)空基準(zhǔn)維持。

(6) 星間、星地?cái)?shù)據(jù)鏈自校、恢復(fù)與評(píng)價(jià)由指定的主衛(wèi)星或互備地球站執(zhí)行。

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(責(zé)任編輯：張燕燕)

Innovative Development and Forecast of BeiDou System

TAN Shusen

Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094，China

Due to the strong demand for satellite applications and rapid development of new space technology,the cross-integration of space-based radio systems has become a trend.BeiDou system started from two satellites to build China’s first generation satellite navigation and positioning system with the features of fast location reporting(RDSS)and short message communication(MSS)service.Then BeiDou technology frame combined with RNSS continuous navigation and RDSS location report,was constructed in eight years,and the coverage in Asia-Pacific was completed.Through effective satellite radio frequency compatible design and international coordination,BeiDou system is the first radio satellite system which includes RNSS,RDSS,MSS three major services,approved by International Telecommunication Union(ITU)in the world.This paper expounds the development process,technical frame,main features and prospect of BeiDou system with three major services and four key functions,in the concept of innovation and transcendence.

BeiDou;radio determination satellite service;mobile satellite communication service;radio navigation satellite system

譚述森.北斗系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展與前景預(yù)測(cè)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1284-1289.

10.11947/j.AGCS.2017.20170329.

TAN Shusen.Innovative Development and Forecast of BeiDou System[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1284-1289. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170329.

P228

A

1001-1595(2017)10-1284-06

2017-06-20

修回日期： 2017-07-04

譚述森(1942—)，男，中國(guó)工程院院士，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

Author： TAN Shusen(1942—),male,academician of Chinese Academy of Engineering,majors in the top-level design of the satellite navigation system.

E-mail： zhangtqee@aliyun.com