院士论坛︱杨元喜院士：GNSS互操作若干问题
GNSS兼容与互操作是国际卫星导航领域的热点议题，也是用户实现多系统融合导航必须具备的条件。本文首先介绍了兼容与互操作的基本概念；简要分析了多GNSS系统互操作的基本趋势及GNSS 4大核心系统信号互操作的现状；分析了现有北斗卫星导航系统(BDS)在信号互操作方面存在的问题，指出其对用户接收机制造商和多GNSS用户的影响；分析了坐标基准和坐标框架在互操作方面存在的问题及其可能带来的影响，指出坐标系统的实现、维持甚至更新策略带来的误差都可能给多GNSS互操作及导航定位结果带来影响；讨论了时间基准互操作存在的问题，以及可能的解决措施。最后归纳了本文的主要结论。
兼容与互操作是近十几年来全球导航卫星系统(GNSS)领域的一个研究热点，对卫星导航的理论研究、系统建设和应用推广都具有重要意义，受到了国内外学术界、工业界、政府主管部门乃至相关国际组织的高度重视。目前，兼容与互操作已经成为国际卫星导航委员会(International Committee on Global Navigation Satellite Systems,ICG)的核心议题，并专门成立了相应的工作组，兼容与互操作也是全球GNSS核心供应商双边谈判与多边协调的重要内容，国内外学术刊物和学术会议已发表了大量有关兼容与互操作的理论分析文章。
兼容与互操作是随着GPS和GLONASS的现代化、BDS和Galileo的兴起而面临的新问题，虽然迄今为止尚未给出明确的定义，但概念比较清晰[, , ]：兼容性是指分别或综合使用多个GNSS及增强系统，不会引起不可接受的干扰，也不会伤害其他单一卫星导航系统的操作与服务；互操作是指综合利用多个GNSS及其增强系统，能够在用户层面比单独使用一个系统获得更好的服务，并且不会给接收机生产厂商和用户带来额外的负担和成本。兼容与互操作已经成为GNSS的发展趋势[, ]。
目前，兼容性的分析主要集中在不同系统间信号的相互干扰方面，国际电联2007年提出的干扰估计方法(ITU-RM.1831)已经成为各GNSS兼容性评估的基本准则[]。与兼容性有所不同，互操作涉及面更广，不但与各GNSS的信号密切相关，而且与GNSS采用的空间和时间基准有关，对多系统GNSS用户的影响也更为直接，研究工作更为复杂。
首先，互操作不仅与GNSS信号有关，也与坐标系统、时间基准的定义及实现这些定义的方法有关。更进一步，也与信号、坐标、运行时间偏差有关。可以认为，互操作概念对不同GNSS供应商的影响是不同的，对不同的用户影响也是不同的，不同的互操作要素对接收机厂商的影响也是不同的。
不得不承认，互操作设计对业已建成的GPS几乎没有任何影响。因为：①GPS系统发展历史比较悠久，技术相对成熟，用户极其广泛，已经在世界范围内树立起了行业领导者的地位；②GPS用户涉及的领域非常广泛，已经嵌入到飞机、舰船与武器平台、陆地车辆等各类移动载体，并已渗透到了交通运输、电力系统、移动通信、互联网以及其他穿戴设备，改变GPS的互操作设计困难太大；③国际民用航空组织和国际海事组织已经以GPS和GLONASS导航信号为飞机和舰船活动的标准导航蓝本；④以GPS为主建立的广域和局域差分增强系统(WAAS and LAAS)已经广泛用于航空精密进近，而且这些增强系统之间大多数已经实现了互操作，为民用航空提供了近于无缝的精密导航服务；⑤全球所有GNSS接收机芯片和天线厂商都搭建了GPS接收机生产线，排斥或改建这种产品生产架构都将付出代价；⑥GPS坐标参考系WGS-84尽管与国际大地测量协会(IAG)确定的国际地球参考框架(ITRF)有差别，但是差别较小，而且，近几年GPS所用的WGS-84不断更新，对于大多数用户可以忽略不计，于是不影响GPS在卫星导航定位中的主导地位；⑦GPS的时间系统虽然与国际计量局确定的世界协调时(UTC)有差别，但是美国海军天文台控制的钟组在UTC中具有绝对主导地位，而由美国海军天文台确定的时间系统也是GPS时间的基础。
可以说，尽管卫星导航定位进入GNSS百花齐放时代，但不得不承认GPS已经被广大用户接受，已经占据全球卫星导航市场的主导地位，也已经占据各类导航标准政策的主导地位。于是，其他GNSS不得不与GPS实施兼容与互操作。而且GPS和Galileo已先行一步，已就兼容和互操作达成一致[]，这给BDS带来了更多的挑战。
任何其他GNSS供应商要想占领部分市场，就必须具备如下条件：①提供更高质量的定位、导航和授时(PNT)服务(包括精度、可靠性、操作便捷性、价格等)；②必须与GPS实行兼容与互操作；③提供与GPS不同的特色服务。
即使其他GNSS供应商具备这些条件，用户依然会十分挑剔地审视使用其他GNSS导航信号带来的成本和效益；如果使用多GNSS信号给用户增加过多额外成本，用户仍然会放弃与GPS不能实施互操作的卫星导航系统。
本文讨论了信号、坐标系和时间系统的不一致对GNSS互操作的影响。可以看到，在信号的不一致方面，特别是其频域特性的差异给多系统接收机的设计带来了很大的困难，不利于多系统接收机性能的提高，也不利于功耗、体积、成本的降低。
在坐标系的不一致方面，多GNSS坐标基准定义相近，但选用的参考椭球常数存在差异，坐标基准的实现途径和更新周期均存在较大差异。多GNSS参考椭球的地心引力常数差异及地球的自传角速率差异将导致卫星广播星历2至数十米偏差，而坐标基准的实现误差、更新周期等差异将首先影响卫星轨道，进而对多GNSS用户产生影响。于是，未来可采用多GNSS接收机监测各GNSS的坐标互操作参数，并将BDS跟踪站的坐标更新周期改为每年一次，以便减小地壳形变误差对坐标基准互操作参数的影响。
时间系统的不一致直接影响多GNSS导航定位和授时结果。对于整数时差可以按照系统时间的基本定义直接改正；对时间系统运行误差，则可以在函数模型中增加待定参数进行补偿，或采用系统内差分减弱其影响；也可以通过地面监测站实时进行监测、评估，并向用户发播改正信息。
多GNSS系统的兼容与互操作是未来GNSS发展的主要方向，在BDS全球系统的设计和建设中，应进一步重视信号的互操作设计，尽可能采用与GPS和Gaileo相同的频点、类似的调制、相近的带宽等频域参数，达到与GPS和Galileo系统的高度互操作；坐标系统应尽可能一致，尤其是地面跟踪站尽量保持一致，否则应采用多模GNSS接收机监测其坐标系统偏差，并发播给用户进行改正，或作为用户导航定位参数估计的先验信息；时间系统的不一致，可采用多GNSS跟踪站进行监测和发播，也可通过增加模型参数进行实时估计。
基金项目：国家863计划(2013AA122501);国家自然科学基金(41374019).
第一作者简介：杨元喜(1956-),男,博士,研究员,中国科学院院士,主要从事动态大地测量数据与卫星导航数据处理研究。