北斗卫星导航系统的全球新能力| 卢鋆
Global Capabilities of BeiDou Navigation Satellite System
Jun Lu, Xia Guo, Chengeng Su*
Satellite Navigation(2020)1: 27
引用文章:
Lu, J., Guo, X. & Su, C. Global Capabilities of BeiDou Navigation Satellite System. Satell Navig 1, 27 (2020). https://doi.org/10.1186/s43020-020-00025-9.
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Editorial Summary
Global Capabilities of BDS
The BeiDou Navigation Satellite System(BDS) has completed the constellation deployment and achieved the capabilities of global coverage, global first-class accuracy for Positioning, Navigation and Timing (PNT), global Inter-Satellite Links (ISL) networking, and global featured services. The authors deeply talked about the various capabilities, performance of services, as well as development plans and goals of BDS. They also clarified that BDS will promote the construction of the comprehensive PNT infrastructure in the new era and play a more active role in international cooperation with other GNSS providers. The content is meaningful and provides some useful advice for the future research and cooperation to better serve the world.
本文亮点
上世纪90年代以来，我国卫星导航从无到有、从有到优、从弱到强，再到成功实现全球组网，首次全面分析北斗全球时代下，北斗实现星座覆盖全球、精度比肩全球、星链连接全球、特色引领全球、服务惠及全球的新能力。
本文详细介绍了北斗基本导航服务（RNSS）、区域短报文通信（RMCS）、全球短报文通信（GMCS）、星基增强（SBAS）、国际搜救（SAR）、精密单点定位（PPP）等六种星基服务和一大地基增强服务。
本文介绍了我国未来还将建设北斗综合时空体系，推动国民经济社会发展各领域广泛应用，为全球用户带来更多福祉。
内容简介
本文介绍了自20世纪末，中国为探索适合本国国情的卫星导航系统发展道路，逐步制定的“三步走”发展规划：第一步，建成北斗一号系统，向中国提供服务；第二步，2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；第三步，建成北斗三号系统，为全球提供服务。
当前，北斗系统进入全球新时代，具备新能力，实现北斗星座覆盖全球、北斗精度比肩全球、北斗星链连接全球、北斗特色引领全球、北斗服务惠及全球。北斗星座覆盖全球。2018年底，北斗三号基本系统完成建设，开始提供全球服务。2019年至2020年，成功实施8箭11星的高密度发射。随着2020年6月23日最后一颗北斗三号卫星的成功发射，标志着北斗系统完成全球星座部署，空间信号精度可用性等指标均为全球一流水平。
北斗精度比肩全球。目前，基于北斗全球连续监测评估系统，对世界四大全球卫星导航系统的空间信号精度用户测距误差（SISRE）结果进行实测。其中，北斗、欧洲Galileo系统、以及美国GPS较新的IIF、III系列卫星的精度相当，均小于1m；美国GPS IIR、IIR-M卫星由于在轨时间较长，信号精度较新的卫星差，约为1-3m；俄罗斯GLONASS系统卫星信号精度约为2-6m。北斗星链连接全球。全球卫星导航系统需要全球分布的地面监测站进行卫星的全弧段观测，以支持卫星轨道的精确测定。美、俄、欧基本都采用全球或大范围建站的途径来满足全球连续观测要求。美国GPS系统监测站全球分布，包括科罗拉多、迪戈加西亚、阿森松、卡瓦加林、夏威夷等监测站；俄罗斯国土东西跨度大，基本可解决GLONASS系统全球观测问题；欧洲Galileo系统在海外殖民地建站，实现全球观测。我国北斗系统当前主要是立足国内建站，这就需要通过星间链路实现全球观测和运维支持。
在北斗导航卫星之间建立星间链路，可实现星间数据传输和精密测量，可大幅提高卫星测定轨精度，提升电文注入频度，并减少对海外布站的依赖，有效降低系统的运行管理成本。自2015年3月30日发射的第17颗北斗导航卫星开始，北斗卫星就搭载了星间链路载荷。目前，北斗三号所有卫星均配置星间链路载荷，完成星间链路全球组网。
北斗特色引领全球。北斗系统具备导航定位和通信数传两大功能，提供七种服务。具体包括：面向全球范围，提供定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和国际搜救（SAR）三种服务；在中国及周边地区，提供星基增强（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）和区域短报文通信（RSMC）四种服务（详见表1）。其中，RNSS服务和GAS服务已向全球开通。2020年，SBAS、PPP、RSMC、GSMC和SAR等多项星基服务也即将开始提供。北斗三号≈RNSS+RMCS+GMCS+SBAS+SAR+PPP。
表 1 北斗系统服务规划
I.RNSS服务性能指标
北斗系统利用3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星、24颗MEO卫星，向位于地表及其以上1000千米空间的全球用户提供RNSS免费服务。主要性能详见表2。表 2 北斗系统RNSS服务主要性能指标
II.SBAS服务性能指标
北斗系统利用GEO卫星，向中国及周边地区用户提供符合国际民航组织标准的单频增强和双频多星座增强免费服务，旨在实现具有垂直引导能力的一类进近（APV-I）指标和一类精密进近（CAT-I）指标。III.PPP服务性能指标北斗系统利用GEO卫星，向中国及周边地区用户提供高精度定位免费服务。主要性能详见表3。
表 3 北斗系统PPP服务主要性能指标
IV.RSMC服务性能指标北斗系统利用GEO卫星，向中国及周边地区用户提供区域短报文通信服务。主要性能详见表4。
表 4 北斗系统RSMC服务主要性能指标
V.GSMC服务性能指标北斗系统利用MEO卫星，向位于地表及其以上1000千米空间的特许用户提供全球短报文通信服务。主要性能详见表5。表 5 北斗系统GSMC服务主要性能指标
VI.SAR服务性能指标北斗系统利用MEO卫星，按照国际搜救卫星组织标准，与其他搜救卫星系统联合向全球航海、航空和陆地用户提供免费遇险报警服务，并具备返向链路确认服务能力。主要性能详见表6。表 6 北斗系统SAR服务主要性能指标
VII.GAS服务性能指标
除了上述6项星基服务外，BDS还可利用移动通信网络或互联网向参考站网覆盖范围内的用户提供米、分米、厘米、毫米等高精度定位的地基增强服务。主要性能详见表7。表 7 北斗系统GAS服务主要性能指标
目前，各主要卫星导航系统多功能聚合情况如表8所示。
表 8 世界各主要卫星导航系统特色服务提供情况*美国、欧盟、印度分别独立建设了WAAS、EGNOS和GAGAN星基增强系统。俄罗斯已将SDCM纳入GLONASS体系，QZSS未来也将提供星基增强服务。
作者简介
卢鋆 高级工程师/博士
本文第一作者北京跟踪与通信技术研究所
▍作者简介卢鋆，通信与信息系统专业博士，北京跟踪与通信技术研究所高级工程师，北斗地面试验验证系统副总设计师、国际合作专家组副组长，长期从事北斗系统总体设计、北斗国际兼容互操作协调、系统试验验证等工作。获多项省部级科技进步成果奖，为主申请国家发明专利和国家标准近10项，发表论文20余篇。
撰稿：郭夏
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
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