文 | 盧鋆 申建華

1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 2. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室

21世紀初，世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域建成并提供服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要有美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。其中，美國GPS系統(tǒng)向全球提供服務(wù)；俄羅斯GLONASS早期也可提供全球服務(wù)，后期因經(jīng)濟衰退，衛(wèi)星補網(wǎng)出現(xiàn)困難，最少時只有7顆衛(wèi)星在軌；我國完成北斗一號建設(shè)，向我國及周邊用戶提供服務(wù)。10年前，GLONASS系統(tǒng)逐漸恢復(fù)全球服務(wù)能力，北斗二號系統(tǒng)開始為亞太大部分地區(qū)提供試運行服務(wù)，歐洲也逐步加快推進伽利略系統(tǒng)（Galileo）建設(shè)，四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)格局初顯。

2020年6月，北斗發(fā)射最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，全球星座部署完成。7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗和歐洲Galileo四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均已提供全球服務(wù)，印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）和日本準天頂系統(tǒng)（QZSS）兩個區(qū)域系統(tǒng)也向用戶提供區(qū)域服務(wù)，世界衛(wèi)星導(dǎo)航新格局基本顯現(xiàn)，呈現(xiàn)出六大新看點。

一、四大全球系統(tǒng)同臺競技，精度比肩

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度主要由兩方面因素決定，一是位置精度衰減因子（PDOP），二是用戶等效測距誤差（UERE）。PDOP主要取決于星座的覆蓋特性，目前四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的PDOP均值相當，一般為2左右。UERE由空間段衛(wèi)星軌道鐘差、傳輸段的電離層和對流層誤差、用戶段接收機噪聲和多徑誤差三部分構(gòu)成，其中空間段軌道鐘差以用戶測距誤差（URE）來衡量，也是評估國際各大系統(tǒng)空間信號能力的主要標準。

俄羅斯GLONASS系統(tǒng)將其星基增強系統(tǒng)—差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）納入體系，共有3顆GEO衛(wèi)星和23顆MEO衛(wèi)星正常運行。GLONASS系統(tǒng)定位精度水平優(yōu)于5m，高程優(yōu)于9m，與其他系統(tǒng)定位精度相當[2]。考慮到各大系統(tǒng)衛(wèi)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，GLONASS系統(tǒng)的URE基本與其他全球系統(tǒng)相當。

北斗系統(tǒng)目前共48顆衛(wèi)星在軌運行，包括30顆北斗三號衛(wèi)星和18顆北斗二號衛(wèi)星，衛(wèi)星在軌運行良好，空間信號質(zhì)量優(yōu)異，北斗三號信號精度優(yōu)于北斗二號信號精度。目前，北斗三號衛(wèi)星URE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(qū)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）[3]。相比GPS、GLONASS等系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)的URE相當，定位、測速和授時能力均非常優(yōu)異。隨著北斗衛(wèi)星星座的逐步完善，北斗系統(tǒng)的服務(wù)精度將進一步提升。

歐洲Galileo系統(tǒng)目前共22顆衛(wèi)星在軌提供服務(wù)，包括4顆初始運行能力（IOC）的衛(wèi)星和18顆完全運行能力（FOC）的衛(wèi)星。服務(wù)性能方面，Galileo系統(tǒng)當前URE均值為0.27m，授時精度為16.8ns[4]。值得關(guān)注的是，2017年Galileo系統(tǒng)18顆衛(wèi)星72臺原子鐘里有9臺出現(xiàn)故障（含銣鐘、氫鐘）；2019年出現(xiàn)了長達117小時服務(wù)中斷，影響了服務(wù)的可靠性，增加了用戶對使用其服務(wù)的疑慮。

圖1是四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)URE監(jiān)測對比。

圖1 四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)URE監(jiān)測對比

綜上，四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，北斗系統(tǒng)與GPS、Galileo系統(tǒng)的URE相當，均為0.5m左右，強于GLONASS系統(tǒng)。

二、兼容與互操作成為發(fā)展主流

兼容與互操作，是國際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域從單一GPS到多全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）時代發(fā)展的重要趨勢。兼容，是指獨立或聯(lián)合使用多個全球和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/增強系統(tǒng)，不會給單個系統(tǒng)的導(dǎo)航服務(wù)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(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航/增強系統(tǒng)及其開放服務(wù)，能在用戶層面比依賴單個系統(tǒng)的開放信號獲得更好的能力。兼容是互操作的前提，為保證自主知識產(chǎn)權(quán)，開放信號的互操作可以在各自獨特設(shè)計的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)頻譜的相似性，同時實現(xiàn)星座互補、時間互操作、坐標相互轉(zhuǎn)換，為用戶提供更好的服務(wù)[5]。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一直在加強兼容與互操作協(xié)調(diào)。在聯(lián)合國框架下推動成立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會（ICG）的重要宗旨，就是為了增強兼容與互操作，推動全球應(yīng)用。以美國為例，2007年7月，美國GPS系統(tǒng)與歐洲Galileo系統(tǒng)簽署兼容與互操作協(xié)議，將MBOC（6，1，1/11）調(diào)制信號作為其互操作民用信號；將日本QZSS系統(tǒng)作為GPS系統(tǒng)的區(qū)域補充與增強；2019年12月，美國宣布將印度IRNSS系統(tǒng)視為其“同盟”導(dǎo)航系統(tǒng)。

腦癱是一種致殘性慢性病，除了醫(yī)療康復(fù)外，需要長期、有效的家庭康復(fù)保駕護航，才能保證兒童康復(fù)的療效，讓更多兒童回歸家庭和社會。把醫(yī)院的醫(yī)療康復(fù)延續(xù)到家里，這更符合目前我國的基本國情。已有大量研究表明家庭康復(fù)在腦癱患兒的康復(fù)訓(xùn)練中有顯著重要性，醫(yī)院加家庭康復(fù)訓(xùn)練的強化訓(xùn)練模式是兒童腦癱康復(fù)行之有效的方法[11-13],堅持家庭康復(fù)的腦癱患兒療效比不堅持家庭康復(fù)的更好。父母的心理狀況不良，將會影響家庭康復(fù)的執(zhí)行，進而影響腦癱兒童康復(fù)療效。對腦癱患兒父母進行心理干預(yù)可以更好地提高患兒康復(fù)療效[14]。關(guān)注腦癱患兒父母的心理狀況及影響因素，出臺救助政策、完善社會服務(wù)支持、積極開展家長工作等有深遠意義。

我國北斗系統(tǒng)也一直注重和加強與世界主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作協(xié)調(diào)。2017年11月，中美雙方簽署《北斗與GPS民用信號兼容與互操作聯(lián)合聲明》，北斗和GPS在國際電聯(lián)（ITU）框架下實現(xiàn)射頻兼容，北斗B1C和GPS L1C信號實現(xiàn)互操作，用戶在聯(lián)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(wù)。2015年，中俄成立衛(wèi)星導(dǎo)航重大戰(zhàn)略合作項目委員會，目前已舉行了十余次全方位交流協(xié)調(diào)，簽署了北斗和GLONASS兼容與互操作聯(lián)合聲明、合作協(xié)議等成果文件，明確了兩系統(tǒng)射頻兼容、星座互補。2008年以來，中歐成立兼容與互操作工作組，共進行7輪談判和多次非正式交流，并在ITU框架下完成首輪頻率兼容協(xié)調(diào)，正在持續(xù)開展深入?yún)f(xié)調(diào)。

四大全球系統(tǒng)通過加強兼容與互操作，可有效改善觀測幾何，提高全球任何地區(qū)的定位精度，提升全球?qū)Ш椒?wù)可用性[6]。從仿真結(jié)果來看（仿真起始時間2020年1月1日0時，仿真步長60s，時間1天；PDOP值按5°仰角計算，格網(wǎng)點5°×5°），北斗系統(tǒng)自身服務(wù)性能優(yōu)良，北斗系統(tǒng)對GNSS服務(wù)性能提升非常顯著，精度、穩(wěn)定性、可靠性的貢獻率可達到20%以上（表1）。

三、多樣化服務(wù)成為新一輪競技焦點

目前，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商都在積極致力于拓寬衛(wèi)星導(dǎo)航的服務(wù)范疇，以更好的滿足用戶多樣化需求，多樣化服務(wù)已成為未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和競技比拼的“新大招”。

美國GPS系統(tǒng)的GPS－3衛(wèi)星播發(fā)與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(wù)，GPS－3衛(wèi)星后繼型號GPS－3F衛(wèi)星將提供搜救服務(wù)。未來，美國還將對其星基增強系統(tǒng)——廣域增強系統(tǒng)（WAAS）當前使用的3顆GEO衛(wèi)星進行更新?lián)Q代，可提供雙頻多星座服務(wù)、增強完好性監(jiān)測服務(wù)等。

GLONASS系統(tǒng)將提供四類民用服務(wù)，即基本開放服務(wù)、高可靠和精度服務(wù)、基于載波相位測量與參考站的導(dǎo)航服務(wù)、高精度精密單點定位（PPP）服務(wù)。同時，GLONASS系統(tǒng)建有GNSS監(jiān)測與性能評估系統(tǒng)，可獨立監(jiān)測系統(tǒng)性能，并評估用戶層性能。

Galileo系統(tǒng)將具備四種新服務(wù)，包括公開服務(wù)導(dǎo)航信息認證、高精度（目標為0.2m）、商業(yè)認證、緊急告警（與日本、印度合作）服務(wù)。此外，國際搜救衛(wèi)星組織（COSPAS）已宣布Galileo系統(tǒng)具備搜救早期服務(wù)能力，現(xiàn)已完成反向鏈路功能演示測試，將于2020年提供正式的搜救服務(wù)。

北斗系統(tǒng)的基本服務(wù)能力與各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相當，已躋身世界一流系統(tǒng)行列。同時，北斗系統(tǒng)創(chuàng)新性采用導(dǎo)航通信融合的技術(shù)體制，將面用戶全面提供定位導(dǎo)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(wù)，在服務(wù)多樣化的浪潮中發(fā)揮積極作用。

四、各系統(tǒng)瞄準2035年前后形成新能力

2020年是四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全部完成全球部署和提供服務(wù)的新起點，世界衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展將邁入新階段。同時，這也是四大系統(tǒng)瞄準2035年前后形成新能力，開始升級換代的新起點。

美國計劃于2034 年左右完成GPS－3系列衛(wèi)星的發(fā)射，構(gòu)成全部由GPS－3系列衛(wèi)星組成的星座，鞏固其在定位導(dǎo)航授時領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。目前，美國正在抓緊研制和發(fā)射GPS－3衛(wèi)星，計劃2023年完成10顆GPS－3衛(wèi)星部署，2034年完成22顆GPS－3F衛(wèi)星部署。同時，美國也未放松新技術(shù)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(fā)射NTS－2衛(wèi)星演示銫鐘和全球數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)之后，時隔38年美國再次啟動“導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星計劃”，計劃2022年發(fā)射NTS－3衛(wèi)星并開展在軌試驗[1]（圖2）。NTS－3衛(wèi)星主要驗證GPS未來發(fā)展所需的有效載荷關(guān)鍵技術(shù)，包括在軌數(shù)字波形生成器、高增益區(qū)域增強天線、氮化鎵高效放大器等，提升GPS系統(tǒng)全球競爭能力。

圖2 美國NTS-3衛(wèi)星在軌示意圖

俄羅斯計劃在2030年建成以GLONASS－KM為主體的衛(wèi)星星座。俄羅斯不斷出臺文件以及政策，確保GLONASS系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展；同時，計劃于2025年之前發(fā)射6顆高軌衛(wèi)星GLONASS－B（3個軌道平面，軌道傾角64.8°，離心率0.072，播發(fā)L1/L2/L3OC信號），使東半球星座覆蓋性能提升25%[2]。

2020年6月23日，北斗三號系統(tǒng)最后一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署全面完成，可面向全球用戶提供更加優(yōu)質(zhì)、更加多樣的服務(wù)。到2035年，將建設(shè)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(dǎo)航授時（PNT）體系（圖3）。通過技術(shù)先進、安全可靠、兼容互用的新一代北斗系統(tǒng)，融合增強、多手段補充和備份系統(tǒng)建設(shè)，建成基準統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的北斗綜合PNT體系，滿足國家安全、經(jīng)濟社會時空信息保障需求。

圖3 北斗系統(tǒng)未來發(fā)展示意圖

歐洲計劃在2035年左右具備第二代Galileo系統(tǒng)的完全服務(wù)能力：2020-2024年發(fā)射4顆第三批完全運行能力（FOC）衛(wèi)星，2025年開始向更高精度、更多服務(wù)的第二代Galileo系統(tǒng)過渡，同時開始發(fā)射第二代衛(wèi)星， 2030年具備第二代系統(tǒng)初始服務(wù)能力，2035年左右具備完全服務(wù)能力[4]。

五、高可靠連續(xù)服務(wù)成為重要標桿

進入全球應(yīng)用服務(wù)時代，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為提供時空信息服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，具備一流的能力重要，提供一流的服務(wù)更重要。高可靠連續(xù)服務(wù)和高穩(wěn)定運行能力，成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球服務(wù)時代進行比拼的關(guān)鍵。同時，各星基增強系統(tǒng)作為給民航等生命安全用戶提供差分增強和高可靠完好服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，其連續(xù)穩(wěn)定運行就顯得更為重要。

2019年7月，歐洲Galileo系統(tǒng)服務(wù)一度中斷。歐方稱此次服務(wù)中斷，是由于地面段升級造成精密時間設(shè)施故障，精度未超出承諾的URE 7m的指標，但服務(wù)連續(xù)性、可用性超出指標要求。Galileo系統(tǒng)在此次服務(wù)中斷過程中發(fā)現(xiàn)問題、協(xié)調(diào)解決問題鏈條和周期較長，才會導(dǎo)致長時間的服務(wù)中斷。因此，提供高可靠連續(xù)服務(wù)和高穩(wěn)定運行能力已成為當前各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)注的焦點。

在提升系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，GPS系統(tǒng)注重增強服務(wù)，其增強包括廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、連續(xù)運行參考站（CORS）、全球差分GPS（GDGPS）、國際GNSS服務(wù)（IGS）、全國差分GPS系統(tǒng)（NDGPS）、商用精密增強系統(tǒng)等。WAAS系統(tǒng)當前可為北美航空用戶提供高可靠服務(wù)，后續(xù)將通過GPS利用雙頻提供更高可靠性服務(wù)，并將對當前使用的3顆GEO衛(wèi)星進行更新?lián)Q代，通過提供雙頻多星座服務(wù)、增強完好性監(jiān)測服務(wù)進行WAAS系統(tǒng)的現(xiàn)代化更新。

近年來，GLONASS系統(tǒng)通過地面設(shè)備部分現(xiàn)代化、引入具有增強性能的新星載原子頻率標準、引入先進的衛(wèi)星控制和指令、定軌和定時技術(shù)、基于射頻和光學(xué)波段的星際交互、GLONASS時間標度與UTC（SU）的同步小于2ns等方式，不斷提高系統(tǒng)定位的準確性以及完好性，優(yōu)化衛(wèi)星的可見度，提高當前應(yīng)用效率，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。

北斗全球服務(wù)同樣面臨可靠連續(xù)穩(wěn)定服務(wù)的高要求。北斗對系統(tǒng)服務(wù)的需求，不僅體現(xiàn)在對導(dǎo)航系統(tǒng)星地運行的高要求，同時在平穩(wěn)過渡、系統(tǒng)升級、備份設(shè)計、運行管理機制、技術(shù)保障等環(huán)節(jié)做好工作，確保用戶權(quán)益，避免出現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)中斷的問題，也避免在國際社會造成負面影響。作為世界一流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)具備獨立提供連續(xù)穩(wěn)定可靠高質(zhì)量服務(wù)的能力，北斗二號自開通服務(wù)以來，已連續(xù)7年服務(wù)無中斷，北斗三號也已連續(xù)服務(wù)1周年。

六、傳統(tǒng)應(yīng)用和新興應(yīng)用全面開花

目前，北斗系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交通運輸、公共安全、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)等眾多領(lǐng)域。同時，基于北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航服務(wù)已被電子商務(wù)、移動智能終端制造、位置服務(wù)等廠商采用，廣泛進入大眾消費、共享經(jīng)濟和民生領(lǐng)域，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式（圖4）。

圖4 北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于日常生活各個領(lǐng)域

在交通運輸方面，北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于重點運輸過程監(jiān)控、公路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控、港口高精度實時定位調(diào)度監(jiān)控等領(lǐng)域。中國境內(nèi)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余座內(nèi)河導(dǎo)航設(shè)施、2900余座海上導(dǎo)航設(shè)施已應(yīng)用北斗系統(tǒng)，建成全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，有效提升了監(jiān)控管理效率和道路運輸安全水平。

在減災(zāi)救災(zāi)方面， 已推廣北斗終端超過4.5萬臺。受災(zāi)地區(qū)可以利用北斗短報文功能及時上報位置信息、突發(fā)災(zāi)害信息和災(zāi)區(qū)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(zāi)物資的查詢管理和監(jiān)控，大幅提升了全國救災(zāi)物資管理與調(diào)運水平。

在新興應(yīng)用方面，未來北斗將與5G移動通信、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)等領(lǐng)域深度融合，不僅促進5G芯片中嵌入北斗高精度定位能力，助力手機、汽車、機器人和物聯(lián)網(wǎng)終端實現(xiàn)自動地圖生成、智能路徑規(guī)劃、自動環(huán)境識別、遠程平臺監(jiān)控等功能，還將打造資產(chǎn)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(yīng)用。

在國際應(yīng)用方面，北斗系統(tǒng)已在東盟國家的土地確權(quán)、精準農(nóng)業(yè)、倉儲物流，西亞國家的建筑施工，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(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時，北斗系統(tǒng)已經(jīng)獲得了國際民航、國際海事、3GPP移動通信、國際海運等國際組織認可，相關(guān)標準均已獲得通過，相關(guān)產(chǎn)品輸出全球30多個國家和地區(qū)。

七、結(jié)語

目前，各國都在部署或完善全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，積極推進新一代衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。其中，美俄兩國加快星座建設(shè)和衛(wèi)星改進，促進現(xiàn)代化衛(wèi)星全面占據(jù)星座主導(dǎo)地位。同時，各大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也在推動與其他系統(tǒng)的融合，以實現(xiàn)更優(yōu)的性能，并在全球定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的基礎(chǔ)上推出更加多樣化的應(yīng)用服務(wù)。未來，各大系統(tǒng)將開啟更加激烈的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)競爭和服務(wù)競爭。