摘  要

隨著旺盛的衛星應用社會需求及航天新技術的迅猛發展，天基無線電系統相互交叉融合已成趨勢。北斗系統從兩顆衛星起步，以快速定位報告（RDSS）與短報文通信（MSS）業務為特色建成中國第一代衛星導航定位系統。隨后，用8年時間構建了RNSS連續導航與RDSS定位報告相結合的北斗技術體制，完成了亞太地區覆蓋。通過有效的衛星無線電頻率兼容設計與國際協調，北斗系統是世界上第一個被國際電信聯盟（ITU）規則認可的RNSS、RDSS、MSS三大業務相結合的衛星無線電系統。本文闡述了北斗系統在創新超越理念下的三大業務、四大功能的發展歷程、技術體制、主要特點及前景預測。

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.

北斗系統于2000年以2顆衛星小幅起步，建成了具有位置報告、短電文通信等顯著特色的北斗試驗系統，使我國成為世界上第3個擁有自我衛星導航系統的國家。隨后于2012年12月，利用14顆衛星完成了北斗區域系統建設，實現了對亞太地區的連續覆蓋，受到ICG認可成為世界四大衛星導航核心供應商之一[1]。

北斗區域導航系統建成運行后，偽距測量精度約為33 cm，載波測量精度約為2 mm；偽距單點定位水平精度優于6 m，高程精度優于10 m；載波相位差分定位精度在超短基線情況下優于1 cm，短基線情況下優于3 cm；單頻偽距差分定位精度優于2.5 m，與GPS相比存在較大差距，其主要原因可能為北斗GEO衛星偽距多路徑誤差較大[2-3]。

1 衛星導航理論與實踐概述

1.1 衛星無線電導航歷史演變

衛星無線電導航創始于20世紀60年代。早期的衛星導航系統，主要以解決海洋用戶平面位置為目標，典型用戶是潛艇海洋定位。

蘇聯1960年代開始設計論證蟬(Tsiklon)系統，到1979年發射了4顆蟬系統衛星[4]。衛星軌道高度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。定位均方根誤差為250~300 m，響應時間5~6 min。經大地測量與地球物理學者的努力，精度可提升至80~100 m。隨后，蟬系統衛星補充了遇險接收設備，為用戶配備了無線電浮標裝置，發射121 MHz和406 MHz遇險信號，衛星將接收到的遇險信號中繼至地面站，由地面站計算遇險用戶位置，用于生命救援[5]。與美國、法國、加拿大合作形成了COSPAS-SARSAT空間搜救系統。同時期，美國建設了海軍無線電系統，稱為子午儀系統(Transit)[6]。采用與蟬系統相當的軌道高度、工作頻率，服務對象為美軍核潛艇海上平面位置定位，通過衛星信號多普勒頻率測量與衛星廣播星歷計算，確定用戶平面位置。

上述兩個系統均不能為用戶提供精確的速度與定位時間信息，并且衛星軌道低、穩定性差，難以滿足日益旺盛的全球導航需求，因此，兩個超級大國很快就開啟了新的衛星導航系統論證研究。1973年前后，兩國分別提出了GPS和GLONASS方案的雛形。基本定位原理是通過同時對4顆以上衛星信號的偽距測量和多普勒測量，確定用戶三維位置、速度矢量與定位時間，形成了PNT服務完整概念。

國際電信聯盟(ITU)在1979年召開的WRC-79大會上，為兩大系統量身指配了衛星導航L1頻段(1559~1610 MHz)，L2頻段(1215~1260 MHz)頻率。兩大系統均采用20 000 km高度左右的中圓軌道(MEO)衛星構成基本星座，時空基準框架均使用世界協調時UTC和地心坐標系。全球衛星導航系統(GNSS)自此逐漸發展起來。目前世界GNSS領域，包括在建的系統，已有GPS、GLONASS、Galileo、北斗(BDS)等四大全球系統，以及QZSS、IRNSS等若干區域系統[7]。

1.2 衛星無線電定位報告歷史演變

1978年，美國圣地亞哥機場附近發生飛機相撞事件，造成了167人喪生的歷史慘劇。隨后，美國學者G.K.O’NEILL博士提出了基于3顆GEO衛星的衛星無線電測定業務(radio determination satellite service，RDSS)的防撞系統方案。1987年國際電信聯盟(ITU)確認了該系統地對空頻率為1610~1 626.5 MHz，空對地頻率為2 483.5~2500 MHz[8-9]。實際發展過程中，美國全球星(Global Star)等四大系統開啟了以防撞位置服務為主要業務的MSS服務。2000年，中國成功發射了2顆北斗一號衛星，通過雙星定位原理、定位報告業務真正實踐了RDSS概念、理論與系統架構。2003年正式建成的北斗一號系統，使得中國成為是世界上第3個擁有自主衛星導航系統的國家。

2014年3月8日，馬來西亞航空公司MH370航班失事，239名乘客及機組人員下落不明。此后，中國衛星導航學者提出了北斗全球系統RDSS航行跟蹤及遇險救援方案。美國則于2015年，在IMO、ITU等國際組織會議場合，提出了全球水上安全與遇險救援系統(GMDSS)現代化的建議，主要是推動基于銥星系統的生命安全服務。

2 北斗系統創新發展歷程

北斗系統與子午儀、蟬系統相比，起步晚了30多年，與GPS、GLONASS相比，也晚了20年。時間跨度之大，無論是用戶需求還是導航技術均發生了跨時代的變化。解決“我們在哪里？”遠比解決“我在哪里？”重要得多。用戶信息共享成了導航主要需求。交通擁堵、無人駕駛、飛行器防撞、水上安全遇險等成為關注的重點。遇險定位精度、報告響應時延需求提升為米-秒量級。“GNSS定位+MSS報告”的傳統模式面臨頻率匱乏與成本巨大的難題，中國建設北斗系統，立志創新成為必然。

2.1 構建北斗定位報告體制、一步滿足國家急需

1994年1月，國家批準了“雙星導航定位系統”立項報告，命名為“北斗一號”。以2顆衛星為代價，建成一個實用化衛星無線系統，拉開了以精確測量時間與空間為目標的衛星無線電系統建設序幕。工程目標清楚表明，定位報告與短報文通信是北斗一號的主要業務。面臨的理論挑戰、技術難題十分突出。

通過一系列關鍵技術的突破與工程化實現，北斗一號也取得了大量世界級成就，并形成鮮明特色：① 兩顆衛星實現大范圍高精度定位授時服務，滿足了中國及周邊服務；② 雙向授時精度10 ns；③ 實現了大容量用戶1 s快速定位報告，響應速度居國際領先水平；④ 定位和報告在同一信道完成，用戶知道“我在哪里”，還知道“我們在哪里”；⑤ 實現了用戶雙向報文通信。北斗一號快速定位報告功能，完整地詮釋了RDSS業務的豐富內涵和先進特色[10]。

2.2 構建實時連續導航與定位報告融合體制，建成北斗二號區域系統

2004年，“北斗二號”立項，于2012年12月建成了以實時連續導航與實時定位報告相融合的北斗技術體制，實現亞太覆蓋的區域衛星導航系統，從根本上擺脫了對國外衛星導航系統的依賴。中國成為全球衛星導航核心供應商之一，為世界衛星導航領域發展作出了貢獻。

中國北斗二號彌補了北斗一號在定位連續性、速度測量、服務完好性等方面的不足，總結起來，有如下主要特點：

(1) 全球第一個連續導航與定位報告相融合的技術體制。衛星系統、運控系統、應用終端全面實現了兩種體制融合。攻克了多信號兼容、鄰頻及收發隔離、用戶終端小型化難題。解決了導航業務、衛星固定業務、衛星移動業務眾多網絡頻率兼容與業務協調。北斗雙模用戶機受到廣大用戶青睞，成為衛星導航與通信綜合應用的熱門裝備。

(2) 全球第一個三軌混合導航星座，實現三星座區域綜合PNT服務[11]。按照先服務亞太、再擴至全球的思路，邊建邊用、突出重點的原則，構建了以5顆GEO衛星、5顆IGSO衛星(目前已達6顆)、4顆MEO衛星的混合星座。這種星座，在低緯度地區及林區、城市交接區、山川峽谷區性能突出，“一帶一路”沿線大部分國家用戶可見衛星數維持在7~9顆。表 1是以泰國地區CORS站性能為例，與GPS系統單一星座比較，北斗星座效率明顯較高。北斗二號區域系統在世界上率先采用以GEO衛星、IGSO衛星為主體的星座設計方案，后來出現的日本QZSS、印度IRNSS也基本遵循了類似思路。

(3) 全球第一個具備三頻完整服務能力的導航系統。北斗系統于2012年具備B1、B2、B3完整三頻服務能力，與GPS計劃2021年前后實現L1、L2、L5三頻服務計劃相比，提前了近10年。北斗系統三頻導航信號為實現厘米級精度實時定位奠定了基礎，計算收斂速度更快、作用范圍更廣。載波相位模糊度解算時間由GPS雙頻40 s降為10 s，測量作業距離由雙頻20 km擴大至三頻100 km[1]。

(4) 國際上首次設計星地雙向時間同步技術。通過地面對衛星信號的測量和衛星對地面上行信號的測量，衛星鐘差測量精度優于1 ns，解決了衛星鐘差測量、評估和恢復的難題，提高了定位精度及穩定性。

(5) 精密快速定位報告系統研制成功。在北斗二號系統支持下，采用地面中心處理三頻觀測數據，在2 min的定位報告響應時間內定位精度優于1.0 m，與現有SBAS廣域差分服務相比，作用范圍更廣，操作簡單，不需設基準站，也無需用戶端后處理。

(6) 實現了用戶快速跟蹤與遇險救援報警。系統采用廣義RDSS定位報告原理，通過用戶及中心系統的觀測與處理，用戶定位報告精度為米級，報告響應時間為10 s，為用戶跟蹤、生命救援等應用提供了性能優異的手段。

3 世界衛星導航發展現狀與趨勢

3.1 頻率資源枯竭、導航衛星總數超過極限

傳統的L1、L2導航頻率上的不同導航信號擁擠重疊。2000年后，ITU登記的衛星數已超過139顆，各大系統導航信號集總功率通量密度EPFD已接近ITU規則限值。頻率、功率及軌位的爭奪日益激烈。“先占先得”“在軌衛星總數”將成為ITU的新規則。同時，ITU還規定已合法登記并履行在軌運行的頻率地位為有效，如無實際在軌衛星，將被刪除合法地位。GNSS競爭與合作的局面將繼續長期存在。表 2、表 3列出了各大衛星導航系統的衛星數和導航信號參數。

3.2 導航信號局域功率增強不可缺少

由于無線電信號的脆弱性及國防規則對功率通量密度值(power flux density, PFD)的限定，導航信號在一般條件下可以正常接收。在復雜電磁環境下，必須增強信號發射功率，以實現抗干擾、抗欺騙。GPS授權信號選用L頻段信號進行增強，增強天線口徑為3.0 m，可增強15 dB[8]。由于北斗B3、Bs調制性能好，因此B3、Bs局域功率增強性能可與之相當。如果選用較小的2.0 m天線，發射功率增大1倍，也可實現15 dB增強。因此，功率增強不是攔路虎，實現只在朝夕。

3.3 提高單星質量，參與GNSS互操作

北斗是第一個實現與其他三大全球系統兼容與互操作的系統，并可在B1C/L1C/E1信號和B2a/L5/E5信號兩個頻段上實現與GPS和Galileo的互操作[13]。除此以外尋求在其他信號上的互操作是不現實的。北斗也不可能、不應該成為GPS的增強衛星。按照協調一致的最大與最小信號功率建成自己的系統，可以取得先入為主的國際標準及市場優勢。尤其可消除國際用戶對北斗信號的信任危機。其關鍵因素是確保衛星信號的質量，提供即時而準確的完好性標識。

3.4 導航通信組合，提供位置共享

導航與移動通信相結合已成為個人標配信息終端。20世紀90年代美歐率先炒熱的銥通信系統、全球星、奧德賽、INMARSAT等通信系統，雖然技術先進，由于效費比低，敗給了地面光通信及移動手機。2000年以后，銥通信及INMARSAT把業務轉向位置服務，獲得再生。2014年3月8日馬航MH370航班失事，美借機在IMO領域提出了GMDSS全球水上遇險救援國際標準制定議題，一個以國際標準為武器的導航通信組合競爭游戲，將成為位置信息共享的新戰場。

4 北斗系統前景預測

4.1 35顆北斗衛星構成最佳星座

2007年中國宣布北斗系統由5顆GEO衛星、30顆非GEO衛星構成。北斗最佳星座將由5顆GEO衛星、6顆IGSO衛星、24顆MEO衛星構成。實行按壽命備份策略，其常態可用衛星不低于35顆，并具有如下優點：

(1) 5顆GEO衛星+6顆IGSO衛星+少許MEO衛星構成三大業務、四大功能亞太區域覆蓋，實現重點服務區第一重服務。5顆GEO衛星+6顆IGSO衛星同時構成亞太Ka頻段千兆赫茲(GHz)大容量天基通信網絡，與其他亞太通信網實現互聯互通，滿足亞太、西太平洋區域通信需求。

(2) 24顆MEO衛星構成三大業務、四大功能全球覆蓋，并實現亞太、西太平洋第二重覆蓋。

(3) 亞太地區雙星座覆蓋，其可靠性達99.99%，建設區域無線電導航通信備份系統的必要性為0.01%。

(4) 6顆IGSO衛星可實現全球RDSS定位報告及短電文通信業務，其用戶容量為24顆MEO衛星的10倍，因為入站信息速率提高了5倍。

(5) 5顆GEO衛星及6顆IGSO衛星的熱點區域功率增強波束可實現亞太及西太平洋區域1至2個熱點區域覆蓋，還可用于對地球兩極RDSS、MSS業務增強，是形成亞太空間戰略平衡的重要砝碼。

(6) 5顆GEO衛星及6顆IGSO衛星構成覆蓋中國國土及海洋的多業務天基寬帶信息系統，為無人駕駛平臺作業及新概念對抗創造了廣闊天地。

(7) 北斗系統3種軌道衛星星座構型形成進退自如態勢。即使少數衛星功能暫時受阻，也可支持一場反介入局部沖突。

(8) GEO衛星、IGSO衛星具有建立以冷原子鐘為主的星基時間基準的條件，未來衛星主鐘穩定度水平可達1×10-16。屆時，可在較弱星間時間同步精度下實現長時間自主導航。

4.2 北斗全球RNSS/RDSS/MSS三業務融合系統，超越國際多系統組合先例

1997年之前，美國衛星導航界出現了以任務為導向，替代以技術為導向的系統建設思路。提出了NavComm導航通信組合概念。主張在GPSⅢ衛星上設計多個波束：一個為覆蓋地球的導航波束，一個或多個區域覆蓋可移動增強波束用于導航通信信號功率增強。隨后又推出利用銥通信系統高速率廣播GPS星歷及精密廣域差分信息，從而降低GPS終端冷啟動首次定位時間，并提高定位精度。還將銥星與GPS相結合，建成了藍軍戰場跟蹤系統，滿足了旅級作戰部隊快速定位報告需要。銥星定位報告響應時間將由數十秒降低為秒級，滿足生命救援快速響應需求。

美國多系統并行發展、多系統終端集成是美國經濟、科技先進水平的必然結果，也是超前搶占豐富頻率資源的結果。顯然，按任務為導向評價，具有成本高、運行維護代價高的缺點。

中國與美歐相比，既有巨大經濟落差，又有頻率軌位資源匱乏劣勢。以任務為導向的建設方案不可以按美歐方案復制，創新是唯一出路。在國際ITU專家的合作下，打開了另一扇窗戶，實現了L(1610~1 626.5 MHz)、S(2 483.5~2500 MHz)3種業務共享頻道。北斗系統以RDSS業務為中心，實現了定位報告1 s響應時間、米級精度位置告警，視場工作衛星由5顆(4顆導航，1顆通信)降為3顆。北斗一個系統完成3個系統才能完成的任務，一個終端完成4個終端的功能，必然受到用戶青睞。北斗自動相關監視-廣播(BDADS-B)，取代地面常規ADS-B，與IrADS-B、InADS-B同臺競爭，是中國人的驕傲。北斗的實用價值滿足“一帶一路”倡儀，是對國際經濟一體化的貢獻[11-13]。

4.3 Bs信號必將擔當北斗大任

(1) Bs信號頻率是國際電聯ITU唯一認可具有三大業務的頻率，極其寶貴。

(2) 由于L頻率導航信號不堪重負，Bs頻率將是今后多系統頻率爭奪的焦點。中國北斗處于優先地位，不可謙讓。

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

(4) Bs導航信號精度高。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 北斗新三頻授權服務成就高精度時空服務新水平

北斗系統公共服務三頻信號為B1C、B2a、B2b，已實現三頻導航發射天線相位中心重合。

北斗系統授權三頻信號為B1A、B3A、Bs，在三頻導航發射天線相位中心重合條件下，其優點是：

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

(2) 成就航天器全弧段高精度測控。定軌精度達厘米級，控制弧段為全弧段可控，是天基系統組網測控的新手段[14]。

4.5 天地一體化智能運控助北斗服務不再中斷

北斗系統三大業務、四大功能是信息社會須臾不可或缺的信息資源，服務必須保證高度穩定連續。運控系統智能化是進一步探索的新目標，主要障礙及努力方向如下：

(1) 維持時空基準是首要任務。維持北斗時與UTC連續準確時差。星地、星間鏈路及地球時間錨固站的雙向偽距測量是實現衛星鐘差與UTC同步的有效措施[15]。

基于地面錨固站維持可監測維持北斗系統全星座的地球坐標系，用好錨固站對衛星觀測量的定軌數據是維持坐標基準的有效措施。地球時間錨固站和地球坐標錨固站可以并址雙站合一工作。全球3~5個錨固站可實現時空基準穩定維持。

(2) 光噴泉原子鐘及星間鏈路實現衛星鐘差亞納秒同步精度。

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

(4) 衛星軌道自主推算，維持星歷自主發布。

(5) 地面運控僅維持時空錨固站正常工作即可實現星座時空基準維持。

(6) 星間、星地數據鏈自校、恢復與評價由指定的主衛星或互備地球站執行。

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本文轉自 測繪學報

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