大家 | 谭述森：北斗系统创新发展与前景预测
来源：测绘学报（ID：CN11-2089）
北斗系统创新发展与前景预测
谭述森
作者简介：中国工程院院士，研究方向为卫星导航系统总体设计
摘要随着旺盛的卫星应用社会需求及航天新技术的迅猛发展，天基无线电系统相互交叉融合已成趋势。北斗系统从两颗卫星起步，以快速定位报告（RDSS）与短报文通信（MSS）业务为特色建成中国第一代卫星导航定位系统。随后，用8年时间构建了RNSS连续导航与RDSS定位报告相结合的北斗技术体制，完成了亚太地区覆盖。通过有效的卫星无线电频率兼容设计与国际协调，北斗系统是世界上第一个被国际电信联盟（ITU）规则认可的RNSS、RDSS、MSS三大业务相结合的卫星无线电系统。本文阐述了北斗系统在创新超越理念下的三大业务、四大功能的发展历程、技术体制、主要特点及前景预测。
关键词：北斗系统 卫星无线电测定 卫星移动通信 卫星无线电导航
北斗系统于2000年以2颗卫星小幅起步，建成了具有位置报告、短电文通信等显著特色的北斗试验系统，使我国成为世界上第3个拥有自我卫星导航系统的国家。随后于2012年12月，利用14颗卫星完成了北斗区域系统建设，实现了对亚太地区的连续覆盖，受到ICG认可成为世界四大卫星导航核心供应商之一[1]。
北斗区域导航系统建成运行后，伪距测量精度约为33 cm，载波测量精度约为2 mm；伪距单点定位水平精度优于6 m，高程精度优于10 m；载波相位差分定位精度在超短基线情况下优于1 cm，短基线情况下优于3 cm；单频伪距差分定位精度优于2.5 m，与GPS相比存在较大差距，其主要原因可能为北斗GEO卫星伪距多路径误差较大[2-3]。
1.1 卫星无线电导航历史演变
卫星无线电导航创始于20世纪60年代。早期的卫星导航系统，主要以解决海洋用户平面位置为目标，典型用户是潜艇海洋定位。
苏联1960年代开始设计论证蝉(Tsiklon)系统，到1979年发射了4颗蝉系统卫星[4]。卫星轨道高度1000 km，下行频率150 MHz和400 MHz，采用多普勒原理确定用户平面位置坐标。定位均方根误差为250~300 m，响应时间5~6 min。经大地测量与地球物理学者的努力，精度可提升至80~100 m。随后，蝉系统卫星补充了遇险接收设备，为用户配备了无线电浮标装置，发射121 MHz和406 MHz遇险信号，卫星将接收到的遇险信号中继至地面站，由地面站计算遇险用户位置，用于生命救援[5]。与美国、法国、加拿大合作形成了COSPAS-SARSAT空间搜救系统。同时期，美国建设了海军无线电系统，称为子午仪系统(Transit)[6]。采用与蝉系统相当的轨道高度、工作频率，服务对象为美军核潜艇海上平面位置定位，通过卫星信号多普勒频率测量与卫星广播星历计算，确定用户平面位置。
上述两个系统均不能为用户提供精确的速度与定位时间信息，并且卫星轨道低、稳定性差，难以满足日益旺盛的全球导航需求，因此，两个超级大国很快就开启了新的卫星导航系统论证研究。1973年前后，两国分别提出了GPS和GLONASS方案的雏形。基本定位原理是通过同时对4颗以上卫星信号的伪距测量和多普勒测量，确定用户三维位置、速度矢量与定位时间，形成了PNT服务完整概念。
国际电信联盟(ITU)在1979年召开的WRC-79大会上，为两大系统量身指配了卫星导航L1频段(1559~1610 MHz)，L2频段(1215~1260 MHz)频率。两大系统均采用20 000 km高度左右的中圆轨道(MEO)卫星构成基本星座，时空基准框架均使用世界协调时UTC和地心坐标系。全球卫星导航系统(GNSS)自此逐渐发展起来。目前世界GNSS领域，包括在建的系统，已有GPS、GLONASS、Galileo、北斗(BDS)等四大全球系统，以及QZSS、IRNSS等若干区域系统[7]。
1.2 卫星无线电定位报告历史演变
1978年，美国圣地亚哥机场附近发生飞机相撞事件，造成了167人丧生的历史惨剧。随后，美国学者G.K.O’NEILL博士提出了基于3颗GEO卫星的卫星无线电测定业务(radio determination satellite service，RDSS)的防撞系统方案。1987年国际电信联盟(ITU)确认了该系统地对空频率为1610~1 626.5 MHz，空对地频率为2 483.5~2500 MHz[8-9]。实际发展过程中，美国全球星(Global Star)等四大系统开启了以防撞位置服务为主要业务的MSS服务。2000年，中国成功发射了2颗北斗一号卫星，通过双星定位原理、定位报告业务真正实践了RDSS概念、理论与系统架构。2003年正式建成的北斗一号系统，使得中国成为是世界上第3个拥有自主卫星导航系统的国家。
2014年3月8日，马来西亚航空公司MH370航班失事，239名乘客及机组人员下落不明。此后，中国卫星导航学者提出了北斗全球系统RDSS航行跟踪及遇险救援方案。美国则于2015年，在IMO、ITU等国际组织会议场合，提出了全球水上安全与遇险救援系统(GMDSS)现代化的建议，主要是推动基于铱星系统的生命安全服务。
2 北斗系统创新发展历程北斗系统与子午仪、蝉系统相比，起步晚了30多年，与GPS、GLONASS相比，也晚了20年。时间跨度之大，无论是用户需求还是导航技术均发生了跨时代的变化。解决“我们在哪里？”远比解决“我在哪里？”重要得多。用户信息共享成了导航主要需求。交通拥堵、无人驾驶、飞行器防撞、水上安全遇险等成为关注的重点。遇险定位精度、报告响应时延需求提升为米-秒量级。“GNSS定位+MSS报告”的传统模式面临频率匮乏与成本巨大的难题，中国建设北斗系统，立志创新成为必然。
2.1 构建北斗定位报告体制、一步满足国家急需
1994年1月，国家批准了“双星导航定位系统”立项报告，命名为“北斗一号”。以2颗卫星为代价，建成一个实用化卫星无线系统，拉开了以精确测量时间与空间为目标的卫星无线电系统建设序幕。工程目标清楚表明，定位报告与短报文通信是北斗一号的主要业务。面临的理论挑战、技术难题十分突出。
通过一系列关键技术的突破与工程化实现，北斗一号也取得了大量世界级成就，并形成鲜明特色：① 两颗卫星实现大范围高精度定位授时服务，满足了中国及周边服务；② 双向授时精度10 ns；③ 实现了大容量用户1 s快速定位报告，响应速度居国际领先水平；④ 定位和报告在同一信道完成，用户知道“我在哪里”，还知道“我们在哪里”；⑤ 实现了用户双向报文通信。北斗一号快速定位报告功能，完整地诠释了RDSS业务的丰富内涵和先进特色[10]。
2.2 构建实时连续导航与定位报告融合体制，建成北斗二号区域系统
2004年，“北斗二号”立项，于2012年12月建成了以实时连续导航与实时定位报告相融合的北斗技术体制，实现亚太覆盖的区域卫星导航系统，从根本上摆脱了对国外卫星导航系统的依赖。中国成为全球卫星导航核心供应商之一，为世界卫星导航领域发展作出了贡献。
中国北斗二号弥补了北斗一号在定位连续性、速度测量、服务完好性等方面的不足，总结起来，有如下主要特点：
(1) 全球第一个连续导航与定位报告相融合的技术体制。卫星系统、运控系统、应用终端全面实现了两种体制融合。攻克了多信号兼容、邻频及收发隔离、用户终端小型化难题。解决了导航业务、卫星固定业务、卫星移动业务众多网络频率兼容与业务协调。北斗双模用户机受到广大用户青睐，成为卫星导航与通信综合应用的热门装备。
(2) 全球第一个三轨混合导航星座，实现三星座区域综合PNT服务[11]。按照先服务亚太、再扩至全球的思路，边建边用、突出重点的原则，构建了以5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星(目前已达6颗)、4颗MEO卫星的混合星座。这种星座，在低纬度地区及林区、城市交接区、山川峡谷区性能突出，“一带一路”沿线大部分国家用户可见卫星数维持在7~9颗。表 1是以泰国地区CORS站性能为例，与GPS系统单一星座比较，北斗星座效率明显较高。北斗二号区域系统在世界上率先采用以GEO卫星、IGSO卫星为主体的星座设计方案，后来出现的日本QZSS、印度IRNSS也基本遵循了类似思路。
表 1 泰国地区北斗CORS站精度性能Tab. 1 Accuracy of BeiDou CORS station in Thailand
服务性能 | 系统星座 | ||
北斗区域星座 | GPS全球星座 | 北斗+GPS | |
可见卫星数/颗 | 12~14 | 6~8 | 18~22 |
可用卫星数/颗 | 12~14 | 6~8 | 18~22 |
平均PDOP | 1.58 | 2.77 | 1.27 |
水平精度RMS/m | 1.65 | 3.55 | 1.60 |
三维精度RMS/m | 3.44 | 7.84 | 3.03 |
(3) 全球第一个具备三频完整服务能力的导航系统。北斗系统于2012年具备B1、B2、B3完整三频服务能力，与GPS计划2021年前后实现L1、L2、L5三频服务计划相比，提前了近10年。北斗系统三频导航信号为实现厘米级精度实时定位奠定了基础，计算收敛速度更快、作用范围更广。载波相位模糊度解算时间由GPS双频40 s降为10 s，测量作业距离由双频20 km扩大至三频100 km[1]。
(4) 国际上首次设计星地双向时间同步技术。通过地面对卫星信号的测量和卫星对地面上行信号的测量，卫星钟差测量精度优于1 ns，解决了卫星钟差测量、评估和恢复的难题，提高了定位精度及稳定性。
(5) 精密快速定位报告系统研制成功。在北斗二号系统支持下，采用地面中心处理三频观测数据，在2 min的定位报告响应时间内定位精度优于1.0 m，与现有SBAS广域差分服务相比，作用范围更广，操作简单，不需设基准站，也无需用户端后处理。
(6) 实现了用户快速跟踪与遇险救援报警。系统采用广义RDSS定位报告原理，通过用户及中心系统的观测与处理，用户定位报告精度为米级，报告响应时间为10 s，为用户跟踪、生命救援等应用提供了性能优异的手段。
3.1 频率资源枯竭、导航卫星总数超过极限
传统的L1、L2导航频率上的不同导航信号拥挤重叠。2000年后，ITU登记的卫星数已超过139颗，各大系统导航信号集总功率通量密度EPFD已接近ITU规则限值。频率、功率及轨位的争夺日益激烈。“先占先得”“在轨卫星总数”将成为ITU的新规则。同时，ITU还规定已合法登记并履行在轨运行的频率地位为有效，如无实际在轨卫星，将被删除合法地位。GNSS竞争与合作的局面将继续长期存在。表 2、表 3列出了各大卫星导航系统的卫星数和导航信号参数。
表 2 全球导航卫星总数(截至2016)Tab. 2 Total number of global navigation satellites(As of 2016)
系统 | 参数 | |||
设计卫星数/颗 | 在轨卫星数/颗 | 服务卫星数/颗 | 轨道种类 | |
GPS | 36 | 32 | 32 | MEO |
GLONASS | 24 | 28 | 23 | MEO |
BDS | 35 | 20 | 13 | GEO、IGSO、MEO |
Galileo | 30 | 12 | 0 | MEO |
QZSS | 7 | 1 | 1 | GEO、IGSO |
IRNSS | 7 | - | - | GEO、IGS |
表 3 RNSS频率资源现状Tab. 3 Status of RNSS frequency resources
频段 | 频率 | PFD限值/(dBW/MHz/m2) | ITU指配时间 |
L1 | 1559~1610 MHz，共51 MHz | 1979年 | |
L2 | 1215~1260 MHz，共45 MHz | 1979年 | |
L5 | 1164~1215 MHz，共51 MHz | -110 | 2000年 |
B3 | 1260~1300 MHz，共40 MHz | -123 | 2000年 |
C | 5010~5030 MHz，共20 MHz | 2000年 | |
S | 2 483.5~2500 MHz，共16.5 MHz | -129 | 2012年 |
注：L频段共187 MHz，总需求大于总资源；S频段16.5 MHz，中国北斗在GEO、IGSO、MEO上均完成在轨信号发布；C频段20 MHz，传输损耗大，无法全球应用。 |
3.2 导航信号局域功率增强不可缺少
由于无线电信号的脆弱性及国防规则对功率通量密度值(power flux density, PFD)的限定，导航信号在一般条件下可以正常接收。在复杂电磁环境下，必须增强信号发射功率，以实现抗干扰、抗欺骗。GPS授权信号选用L频段信号进行增强，增强天线口径为3.0 m，可增强15 dB[8]。由于北斗B3、Bs调制性能好，因此B3、Bs局域功率增强性能可与之相当。如果选用较小的2.0 m天线，发射功率增大1倍，也可实现15 dB增强。因此，功率增强不是拦路虎，实现只在朝夕。
3.3 提高单星质量，参与GNSS互操作
北斗是第一个实现与其他三大全球系统兼容与互操作的系统，并可在B1C/L1C/E1信号和B2a/L5/E5信号两个频段上实现与GPS和Galileo的互操作[13]。除此以外寻求在其他信号上的互操作是不现实的。北斗也不可能、不应该成为GPS的增强卫星。按照协调一致的最大与最小信号功率建成自己的系统，可以取得先入为主的国际标准及市场优势。尤其可消除国际用户对北斗信号的信任危机。其关键因素是确保卫星信号的质量，提供即时而准确的完好性标识。
3.4 导航通信组合，提供位置共享
导航与移动通信相结合已成为个人标配信息终端。20世纪90年代美欧率先炒热的铱通信系统、全球星、奥德赛、INMARSAT等通信系统，虽然技术先进，由于效费比低，败给了地面光通信及移动手机。2000年以后，铱通信及INMARSAT把业务转向位置服务，获得再生。2014年3月8日马航MH370航班失事，美借机在IMO领域提出了GMDSS全球水上遇险救援国际标准制定议题，一个以国际标准为武器的导航通信组合竞争游戏，将成为位置信息共享的新战场。
4.1 35颗北斗卫星构成最佳星座
2007年中国宣布北斗系统由5颗GEO卫星、30颗非GEO卫星构成。北斗最佳星座将由5颗GEO卫星、6颗IGSO卫星、24颗MEO卫星构成。实行按寿命备份策略，其常态可用卫星不低于35颗，并具有如下优点：
(1) 5颗GEO卫星+6颗IGSO卫星+少许MEO卫星构成三大业务、四大功能亚太区域覆盖，实现重点服务区第一重服务。5颗GEO卫星+6颗IGSO卫星同时构成亚太Ka频段千兆赫兹(GHz)大容量天基通信网络，与其他亚太通信网实现互联互通，满足亚太、西太平洋区域通信需求。
(2) 24颗MEO卫星构成三大业务、四大功能全球覆盖，并实现亚太、西太平洋第二重覆盖。
(3) 亚太地区双星座覆盖，其可靠性达99.99%，建设区域无线电导航通信备份系统的必要性为0.01%。
(4) 6颗IGSO卫星可实现全球RDSS定位报告及短电文通信业务，其用户容量为24颗MEO卫星的10倍，因为入站信息速率提高了5倍。
(5) 5颗GEO卫星及6颗IGSO卫星的热点区域功率增强波束可实现亚太及西太平洋区域1至2个热点区域覆盖，还可用于对地球两极RDSS、MSS业务增强，是形成亚太空间战略平衡的重要砝码。
(6) 5颗GEO卫星及6颗IGSO卫星构成覆盖中国国土及海洋的多业务天基宽带信息系统，为无人驾驶平台作业及新概念对抗创造了广阔天地。
(7) 北斗系统3种轨道卫星星座构型形成进退自如态势。即使少数卫星功能暂时受阻，也可支持一场反介入局部冲突。
(8) GEO卫星、IGSO卫星具有建立以冷原子钟为主的星基时间基准的条件，未来卫星主钟稳定度水平可达1×10-16。届时，可在较弱星间时间同步精度下实现长时间自主导航。
4.2 北斗全球RNSS/RDSS/MSS三业务融合系统，超越国际多系统组合先例
1997年之前，美国卫星导航界出现了以任务为导向，替代以技术为导向的系统建设思路。提出了NavComm导航通信组合概念。主张在GPSⅢ卫星上设计多个波束：一个为覆盖地球的导航波束，一个或多个区域覆盖可移动增强波束用于导航通信信号功率增强。随后又推出利用铱通信系统高速率广播GPS星历及精密广域差分信息，从而降低GPS终端冷启动首次定位时间，并提高定位精度。还将铱星与GPS相结合，建成了蓝军战场跟踪系统，满足了旅级作战部队快速定位报告需要。铱星定位报告响应时间将由数十秒降低为秒级，满足生命救援快速响应需求。
美国多系统并行发展、多系统终端集成是美国经济、科技先进水平的必然结果，也是超前抢占丰富频率资源的结果。显然，按任务为导向评价，具有成本高、运行维护代价高的缺点。
中国与美欧相比，既有巨大经济落差，又有频率轨位资源匮乏劣势。以任务为导向的建设方案不可以按美欧方案复制，创新是唯一出路。在国际ITU专家的合作下，打开了另一扇窗户，实现了L(1610~1 626.5 MHz)、S(2 483.5~2500 MHz)3种业务共享频道。北斗系统以RDSS业务为中心，实现了定位报告1 s响应时间、米级精度位置告警，视场工作卫星由5颗(4颗导航，1颗通信)降为3颗。北斗一个系统完成3个系统才能完成的任务，一个终端完成4个终端的功能，必然受到用户青睐。北斗自动相关监视-广播(BDADS-B)，取代地面常规ADS-B，与IrADS-B、InADS-B同台竞争，是中国人的骄傲。北斗的实用价值满足“一带一路”倡仪，是对国际经济一体化的贡献[11-13]。
4.3 Bs信号必将担当北斗大任
(1) Bs信号频率是国际电联ITU唯一认可具有三大业务的频率，极其宝贵。
(2) 由于L频率导航信号不堪重负，Bs频率将是今后多系统频率争夺的焦点。中国北斗处于优先地位，不可谦让。
(3) 是北斗授权信号摆脱屈居世界第四的唯一选择。表 4列出了北斗系统在全球四大系统中的军用带宽占百分比。
表 4 2020年后四大系统授权信号频带宽度占有量Tab. 4 Authorized signal bandwidth occupancy of four system after 2020
项目 | 系统 | ||||
北斗二号(2012年) | 北斗三号(2020年) | GPSⅢ | GLONASS | Galileo | |
授权信号个数 | 3 | 2 | 2 | 2 | 3 |
授权信号总带宽/MHz | 44 | 28 | 61 | 34 | 40 |
注：北斗2020年与2012年水平相比，信号个数由3个降为2个；信号带宽由44 MHz降为28 MHz；屈居四大全球系统第4位。 |
(4) Bs导航信号精度高。Bs单频电离层修正残差是L1的0.4；B1+Bs双频URE为0.566 m，是L双频的0.67倍。
4.4 北斗新三频授权服务成就高精度时空服务新水平
北斗系统公共服务三频信号为B1C、B2a、B2b，已实现三频导航发射天线相位中心重合。
北斗系统授权三频信号为B1A、B3A、Bs，在三频导航发射天线相位中心重合条件下，其优点是：
(1) 可成就RTK用户大范围快速测量。载波相位模糊度解算由双频40 s缩短为10 s，测量范围由双频20 km扩展至100 km。
(2) 成就航天器全弧段高精度测控。定轨精度达厘米级，控制弧段为全弧段可控，是天基系统组网测控的新手段[14]。
4.5 天地一体化智能运控助北斗服务不再中断
北斗系统三大业务、四大功能是信息社会须臾不可或缺的信息资源，服务必须保证高度稳定连续。运控系统智能化是进一步探索的新目标，主要障碍及努力方向如下：
(1) 维持时空基准是首要任务。维持北斗时与UTC连续准确时差。星地、星间链路及地球时间锚固站的双向伪距测量是实现卫星钟差与UTC同步的有效措施[15]。
基于地面锚固站维持可监测维持北斗系统全星座的地球坐标系，用好锚固站对卫星观测量的定轨数据是维持坐标基准的有效措施。地球时间锚固站和地球坐标锚固站可以并址双站合一工作。全球3~5个锚固站可实现时空基准稳定维持。
(2) 光喷泉原子钟及星间链路实现卫星钟差亚纳秒同步精度。
(3) 基于3种轨道35颗卫星冗余覆盖星座，允许少许卫星轮回作星历指标自校与恢复，不影响系统服务性能。
(4) 卫星轨道自主推算，维持星历自主发布。
(5) 地面运控仅维持时空锚固站正常工作即可实现星座时空基准维持。
(6) 星间、星地数据链自校、恢复与评价由指定的主卫星或互备地球站执行。
【引文格式】谭述森。北斗系统创新发展与前景预测[J]. 测绘学报，2017，46(10)：1284-1289. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170329
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