2020年是中国北斗发展历程中的重大里程碑，6月16日我国北斗三号30颗卫星组成的星座之最后一颗卫星发射成功，标志着中国北斗系统全球星座布网完成，行将投入全球服务。中国的北斗系统出发点和落脚点都是为全中国、全世界、全人类服务，从此“中国的北斗，世界的北斗”其广大之意真正成为现实。本文有四大重点，它们是：全球卫星导航系统现状、定位导航授时产业发展、2020年导航行业的主要看点，和我国卫星导航未来十年做什么。由此四大重点可以窥豹一斑，从一滴水看太阳的光辉，进入卫星导航这充满神奇色彩的大众科技王国。

　　一、全球卫星导航系统（GNSS）的发展和现状

　　1.概述

　　1957年10月4日，前苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星，远在美国霍普金斯大学应用物理实验室2个年轻学者接收该卫星信号时，发现卫星与接收机之间形成的运动多普勒频移效应，并断言可以用来进行导航定位。在他们的建议下，美国在1964年建成了国际上第一个卫星导航系统即“子午仪”，由6颗卫星构成星座，用于海上军用舰艇船舶的定位导航。1967年，“子午仪”系统解密，也提供给民用。由此可见，从20世纪70年代后期全球定位系统(简称GPS)建设开始，至2020年多星座构成的全球卫星导航系统(简称GNSS)之系统，均属于第二代导航卫星系统，它们包括美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统(BDS)和欧洲的伽利略卫星导航系统(EGNSS，或者Galileo)等4个全球系统，与日本准天顶卫星系统(简称QZSS)和印度导航星座(NavIC)2个区域系统，以及除开中国在BDS中已经包括增强系统外，以上6个国家之中的其它5个（美、俄、欧、印、日），作为GNSS服务提供商均持有相应的星基增强系统，它们分别是：美国广域增强系统(WAAS)、俄罗斯差分改正监测系统（SDCM）、欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）、印度GPS辅助型静地轨道增强导航系统（GAGAN）和日本多功能卫星星基增强系统(MSAS)。而中国由于其卫星导航系统发展之路与其它国家不同，它所建设的北斗二号（BDS-2），就是区域系统，而其建设的北斗三号（BDS-3）还包括星基增强系统功能。综上所述，所谓的第二代导航卫星系统，就是指GNSS，它是泛指的全球卫星导航系统，是个涵盖全球系统、区域系统和星基增强系统在内的系统之系统（体系）的概念。那么会不会有第三代导航卫星系统出现呢？应?糜校蛭幸丫ㄉ枞蛭佬堑己较低车墓遥诳悸腔蛘咄平佬堑己较低车南乱徊酱葱滦卸苹?

图1 全球卫星导航系统（GNSS）的空间轨道示意图

　　2、GNSS发展演变过程及其现状

　　（1）GPS的由来和发展及其现代化

　　美国国防部于1973年决定成立GPS计划联合办公室，由军方联合开发全球测时与测距导航定位系统NAVStar/GPS。整个系统的建设分三阶段实施：第一阶段（1973—1979年），系统原理方案可行性验证阶段（含设备研制）；第二阶段（1979—1983年），系统试验研究（对系统设备进行试验）与系统设备研制；第三阶段（1983-1988），工程发展和完成阶段。1978年发射第一颗GPS卫星，到1994年3月10日完成（21颗工作卫星加3颗备用卫星）的卫星星座配置，1995年4月，美国国防部正式宣布GPS具备完全工作能力。GPS的建设，历经20年，其系统由空间段、运控段、用户段3大部分组成，整个星座额定有24颗卫星，分置在6个中轨道面内，它的优良性能被誉为是一场导航领域的革命。GPS提供标准定位服务(SPS)和精密定位业务（PPS），在包含选择可用性技术(SA)影响时，SPS的定位精度水平为100 m（95%的概率）?缓琒A影响为20~30 m，定时精度340 ns；PPS定位精度可在10 m以内。

　　1996年提出GPS现代化计划，其第一个标志性行动是，从2000年5月1日起，取消GPS卫星人为恶化定位精度的SA技术，致使定位精度有数量级的提升。20多年来，美国持续推进现代化计划，投入200多亿美元的巨资，主要目标是提高空间段卫星和地面段运控的水平，将军民用信号分离，在强化军用功性能的同时，将民用信号从1个增加到4个，除开保留L1频点上的C/A码民用信号外，在原先的L1和L2频点上又加上民用L1C和L2C码，还新增加L5频点民用信号，大大增加了民用信号的冗裕度，从而改进了系统的定位精度、信号的可用性和完好性、服务的连续性，以及抗无线干扰能力。也有助于高精度的实时动态差分(RTK)测量和在长短基线上应用，还有利于飞机的精密进场和着陆、测绘、精细农业、机械控制，与民用室内增强应用，以及地球科学研究。GPS现代化是项系统性工作，它包括：空间卫星段、地面运控段及新的运控系统（OCX）和用户设备段现代化，其核心是增加L5频点和民用信号数量与改变制式，实现与其它GNSS信号的互操作。最后一颗GPSIIIF预计2034年发射，宣告GPS现代化进程结束。

　　（2）GLONASS由来和发展及其现代化

　　1976年苏联政府颁布建立GLONASS的政府令，并成立相应的科学研究机构，进行工程设计。1982年10月12日，成功发射第一颗GLONASS卫星。1996年1月24颗卫星全球组网完成，宣布进入完全工作状态。之后，苏联解体，GLONASS步入艰难维持阶段，2000年年初，该系统仅有7颗正常工作，几近崩溃边缘。2001年8月，俄罗斯政府通过了2002—2011年间的GLONASS恢复和现代化计划。2001年12月发射成功第一颗现代化卫星GLONASS-M。直到2012年该系统回归到24颗卫星完全服务状态。

　　GLONASS至今已经有三代卫星了：第一代卫星是传统的基本型GLONASS卫星；第二代星是GLONASS-M现代化卫星；第三代就是最新开发的GLONASS-K卫星，至目前为止，K星系列又分为K1和K2两种型号。GLONASS星座是由3个轨道面上的24颗卫星构成的。其传统的信号使用频分多址(FDMA)，而不是其他GNSS所用的码分多址(CDMA)。与传统的GPS信号一样，GLONASS信号包括2个伪随机噪声码(PRN)测距码：标准精度ST码和精密精度VT码，调制到L1和L2载波上。GLONASS ST码也已经在GLONASS-M卫星的L2频率上传输。发送的信号像GPS信号一样是右旋圆极化波的。 GLONASS-K1在新的L3频率上传输CDMA信号，GLONASS-K2还将在L1和L2频率上提供CDMA信号，从而实现与其它GNSS的兼容与互操作。GLONASS-K1星的空间信号测距误差约为1 m，而K2星则为0.3 m。

　　（3）BDS的三步走发展进程

　　20世纪后期，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：2000年年底，建成北斗卫星导航试验系统即北斗一号（BDS-1），向中国提供服务；2012年年底，建成北斗二号区域系统，向亚太地区提供服务；并且计划在2020年，建成北斗三号全球系统，向全球提供服务。2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

　　中国坚持“自主、开放、兼容、渐进”原则建设发展BDS：①所谓自主，是坚持自主建设、发展和运行BDS，具备向全球用户独立提供卫星导航服务的能力；②所谓开放，是免费提供公开的卫星导航服务，鼓励开展全方位、多层次、高水平的国际合作与交流；③所谓兼容，是提倡与其他卫星导航系统开展兼容与互操作，鼓励国际合作与交流，致力于为用户提供更好的服务；④所谓渐进，是分步骤推进BDS建设发展，持续提升BDS服务性能，不断推动卫星导航产业全面、协调和可持续发展。

　　目前，我国正在实施北斗三号建设。根据系统建设总体规划，2018年底，完成19颗卫星发射组网，完成基本系统建设，向全球提供服务；在2020年完成由3颗地球静止轨道(GEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和24颗中圆地球轨道(MEO)卫星组成的完整星座，全面建成北斗三号。BDS由空间段、地面段和用户段3部分组成：BDS空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星3种轨道卫星组成混合导航星座；BDS地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站；BDS用户段包括BDS兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用与服务系统等。

　　图2 北斗导航卫星系统组网效果图

　　（4）E-GNSS（伽利略系统）的发展进程

　　欧洲全球卫星导航系统（E-GNSS）就是伽利略（Galileo）。Galileo笫一、第二颗试验卫星GIOV-A和GIOV-B，已于2005年和2008年发射升空，目的是考证关键技术，其后有4颗工作卫星发射，验证Galileo的空间段和地面段的相关技术。一旦这一在轨验证（design and on-orbit verification，IOV）阶段完成，其它卫星则进一步部署，2018—2020年达到24颗卫星构成的完全运行能力（FOC）。

　　Galileo也有空间段、运控段和用户段组成。星座有24颗卫星分置于3个中地球轨道面内。Galileo信号工作的主要频段为E1、E5及E6。它们各自己发射独立的信号。它们的发射的中心频率分别为：1 575.42、1 191.795和1278.75 MHz。其中，E5又分为E5a和E5b 2个子信号。为了实现与GPS的兼容互操作，Galileo的E1和E5a 2个信号的中心频率与GPS的L1和L5相互重合。Galileo提供5种服务，这就是：①公开服务（OS），与GPS的SPS相类似，免费提供；②生命安全服务（SoLS）；③商业服务（CS）；④公共特许服务（PRS）；⑤搜救服务（SAR）。以上所述的前4种是 Galileo的核心服务，最后一种则是支持搜救卫星服务（SARSAT）。

　　Galileo的公开服务提供定位、导航和授时免费服务，供大批量导航市场应用。商业服务是对公开服务的一种增值服务，它具备加密导航数据的鉴别认证功能，为测距和授时专业应用提供有保证的服务承诺。生命安全服务，它可以同国际民航组织(ICAO)标准和推荐条款（SARPS)中的“垂直制导方法”相比拟，并提供完好性信息。公共特许服务是为欧洲/国家安全应用专门设置的，是特许的或关键的应用，以及具有战略意义的活动，其卫星信号更为可靠耐用，受成员国控制。Galileo提供的公开服务定位精度通常为15~20 m（单频）和5~10 m（双频）2种档次。公开特许服务有局域增强时能达到1m，商用服务有局域增强时为10cm-1m。

　　3. BDS的系统特色和性能特点

　　当前BDS是GNSS中最为复杂的系统，它不仅是北斗二号区域系统与北斗三号全球系统过渡性组合，也是融合GEO、IGSO、MEO 3种轨道类型的复杂星座，还是同时提供定位、导航、授时(PNT)服务和通信服务的卫星系统。2019年4月23 日发射的卫星是北斗三号第20颗组网卫星，也是北斗三号首颗IGSO卫星，该卫星将与此前发射的18颗MEO卫星和1颗GEO卫星进行组网。其后还要发射6颗MEO、2颗GEO和2颗IGSO卫星，实现北斗三号30颗卫星全星座组网，为在2020年全面提供全球服务创造条件，届时北斗三号在轨卫星达到30颗，其中3颗GEO，3颗IGSO，加上24颗MEO卫星，是GNSS中额定星座中最大的星座。北斗三号全球服务的性能指标是，空间信号测距误差优于0.5 m，其定位精度单频测量为7 m，双频测量为3 m，测速精度0.2 m/s，授时精度20 ns，可用性99%。而其在亚太区域的服务性能明显优于全球性能。

　　表1   北斗三号系统提供的六种服务及其参与服务的卫星数量分布

　　曹冲简介：

　　曹冲，原中国电波传播研究所研究员级高工，现为中国第二代卫星导航系统重大专项专家委员会委员、中关村公信卫星应用技术产业联盟专家委副主任、北京市中位协北斗时空技术研究院院长、环球新时空信息技术研究院院长、中国卫星导航定位协会首席专家。近二十多年来，主要从事北斗/GNSS卫星应用技术研究和应用与服务产业化推广工作。在卫星导航应用产业科技战略部署和顶层规划，卫星导航科学普及，及卫星导航跨界融合产业化和应用服务市场研究领域有所建树，成为中国北斗/GNSS应用技术推广和产业化发展的积极倡导者、宣传者与践行者，也是中国新时空服务体系及其所推进的智能信息产业和中国服务品牌思想理论、技术实践、产业发展、体系推进创新探索的先行者和不懈开拓者。

　　五十多年来，曹冲主要从事过利用卫星研究电离层、南极脉动极光和电离层探测研究，与导航卫星应用技术及其产业化推广工作，有《中国新时空服务体系概论》、《北斗/GNSS系统概论》、《北斗导航 定位精准时空》、《北斗伴咱走天下》、《卫星导航常用知识问答》、《广东省卫星导航产业发展路线图》等多部著作出版。先后获得包括中科院自然科学一等奖、国家自然科学三等奖、河南省科技进步二等奖、国家科技进步三等奖在内的国家级和省部级科技奖项达10项，其著作《神奇的极光》一文许多年以来分别被高中、中专、职业学校等采用作为语文课本课文。

　　(公信卫星联盟 供稿）