世界衛星導航系統的最新進展和趨勢特點分析

2024年1月8日發(作者：黨組織生活會)

導航天地Satellite Navigation世界衛星導航系統的最新進展和趨勢特點分析文 | 盧鋆1 張弓2 宿晨庚1 1. 北京跟蹤與通信技術研究所 2. 中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部一、引言當前，我國北斗衛星導航系統（BDS）、美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯系統（GLONASS）以及歐洲伽利略系統（Galileo）四大全球衛星導航系統均已開通全球服務，日本準天頂衛星系統（QZSS）和印度區域導航衛星系統（NavIC）兩大區域衛星導航系統也已開通區域服務，各系統在軌運行服務的導航衛星數量近140顆，世界衛星導航正進入多頻多星座服務的全球新時代。在全球任何一個地方，可以觀測到幾十顆導航衛星，用戶能享受的定位導航服務更加快捷方便。新時代帶來了新的挑戰和機遇，為持續提升系統性能和競爭力，美俄歐等各主要衛星導航國家和地區瞄準更高服務精度、更加多樣功能、更加可靠服務，正在著手開展新技術的研發和驗證、規劃新一代系統的建設，我國也在積極推動構建以北斗為基石的更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。本文聚焦各系統建設和應用的最新進展，分析了新的發展趨勢和特點，以期為我國衛星導航后續發展提供參考。二、美國全球定位系統（GPS）目前，GPS系統共有36顆在軌衛星，其中30顆衛星在軌服務（包括8顆BLOCK IIR、7顆BLOCK IIR-M、12顆BLOCK IIF和3顆GPS III衛星）。GPS系統現狀如圖1所示。322021年第2

Satellite Navigation導航天地圖1 GPS系統現狀1. GPS系統建設最新進展GPS系統能力不斷提升。隨著GPS衛星不斷升級換代，空間信號精度不斷提升，目前達到0.52m。啟動新一代GPS III部署。2020年11月5日，成功發射第4顆GPS III衛星。共計劃發射10顆GPS III和22顆GPS IIIF衛星，2034年完成全面部署。計劃2023年發射導航技術衛星試驗衛星（NTS-3，GEO衛星），驗證彈性PNT新概念以及新型原子鐘、高增益天線、高功率放大器等新技術，以及基于星間鏈路的本土操控和自主運行能力，并考慮在GPS IIIF衛星上實施驗證后的新技術。加快廣域增強系統（WAAS）升級換代。計劃用3顆新GEO衛星替代WAAS現有3顆GEO衛星，第一顆新GEO衛星擬于2022年投入使用，同時通過在衛星上提供雙頻多星座服務、接收機采用先進接收機自主完好性監測（ARAIM）技術實現能力升級。更加注重GPS頻譜保護以及兼容與互操作。為保護GPS用戶免受有害干擾,美將頻譜保護為ICG重要議題積極推動，持續推動GPS與其他GNSS兼容共用。此外，美國內Ligado（用于5G和物聯網服務的全國性地面網）L頻段網絡建議的傳輸功率超過了GPS兼容閾值，可能會干擾GPS用戶使用，美GPS主管部門對此感到擔憂。通過政策發布和更新保障其定位、導航和授時（PNT）體系發展。2020年2月12日，美總統簽署第13905號行政命令《通過負責任地使用定位、導航與授時服務來增強國家彈性》，旨在確保PNT服務的中斷或操縱不會破壞其關鍵基礎設施的可靠性和有效運行。2021年1月15日，特朗普政府在卸任前5天發布7號航天政策令《美國天基定位、導航與授時（PNT）政策》，用于取2021年第233

導航天地Satellite Navigation代2004年版《美國天基PNT政策》，為美國天基PNT計劃和活動制定行動指南。系統。總體來看，GPS系統通過保持連續可靠服務、鼓勵與其他系統互操作、發布和更新保護民用信號及安全使用的系列政策，保持其在GNSS應用領域的領導和優勢地位。2. GPS系統應用GPS系統廣泛應用在美國交通部、國土安全局、國防部、國家安全維護等方面。在民用領域，GPS提供L1 C/A、L1C、L2C、L5信號服務，并在門戶網站上持續公開發布服務信息，超過95%的設備支持GPS系統。另外，GPS注重星基增強系統的建設和應用，已有超過131000架美國飛機配備WAAS三、俄羅斯格洛納斯系統（GLONASS）目前，GLONASS系統共有28顆MEO在軌衛星（26顆GLONASS-M和2顆GLONASS-K），其中24顆在軌服務（均為GLONASS-M）。GLONASS系統現狀如圖2所示。圖2 GLONASS系統現狀1. GLONASS系統建設最新進展加速MEO衛星換代和能力升級。2020年10月25日，成功發射第三顆GLONASS-K衛星，計劃2021至2023年繼續發射8顆該系列衛星。同步研制GLONASS-K2衛星，計劃2021年開始發射，2030完成新一代衛星部署。GLONASS-K2衛星采用2個相控陣天線播發FDMA/CDMA信號，播發3個頻點CDMA民用信號，強化與其他系統兼容互操作；配置激光和無線電星間鏈路以及更高精度原子鐘；搭載激光發射器、搜救等載荷。342021年第2

Satellite Navigation導航天地構建GLONASS混合星座，強化區域能力。計劃增加IGSO和GEO衛星，2020年開始擬用3顆Luch-5M GEO衛星，替代差分改正與監測系統（SDCM）現有3顆衛星，并在東經160°增加1顆GEO衛星，實現雙頻多星座區域增強；2025年前，發射6顆IGSO軌道的GLONASS-B衛星，播發3個頻點民用CDMA信號，東半球服務性能提高25%，GLONASS-B和GLONASS-K2衛星還將增加精密單點定位（PPP）服務能力。地面站數量大幅拓展。GLONASS地面段包括控制中心、8個監測站、3個處理中心、5個注入站和3個激光測距站，同時還建立了全球監測網，包括26個國內站和12個國外站；區域增強站由77個交通部站點和4104個測繪局等站點組成。規劃未來10年接收機抗干擾/抗欺騙能力提升路線圖。更加注重接收機的抗干擾/抗欺騙能力，以專用接收機為例，從2020年到2030年，抗干擾能力從40dB提升到90dB，抗欺騙成功率從0提升至100%。此外，西方因烏克蘭事件對俄實施制裁，GLONASS-K系列衛星繼2015年發射后，因電子元器件禁運導致該系列衛星發射推遲5年，直到2020年才再次發射，也證明了其積極推動導航衛星電子部件國產化進程取得一定成效。2. GLONASS系統應用GLONASS系統規劃了4類不同精度的民用服務，包括5m的基本開放服務、1m的星基增強服務、0.1m的星基精密單點定位服務、0.03m的地面增強服務。當前，GLONASS已經在俄羅斯得到廣泛應用，例如基于GLONASS的聯邦汽車運輸應急系統（ERA-GLONASS）自2017年起被廣泛應用于新的交通設備，大大降低了事故發生率，商業前景廣泛；基于GLONASS的貨物運輸收費系統（PLATON）自2015年開始運行，廣泛應用于所有境內高速公路，超過百萬輛卡車注冊使用，創造了極大的經濟價值。未來，隨著精度和服務性能的進一步提升，其應用領域將更為廣泛和深入，主要包括海上導航、密集市區內的港口航行、精準建筑施工與工程無人機、精準農業、智能交通、智慧城市、內部水路測繪、海/陸架鉆探科技等。四、歐洲伽利略系統（Galileo）目前，伽利略系統共有26顆在軌衛星，包括22顆完全運行能力（FOC）衛星和4顆在軌驗證（IOV）衛星。伽利略系統現狀如圖3所示。圖3 伽利略系統現狀352021年第2

導航天地Satellite Navigation1. 伽利略系統建設最新進展空間信號精度不斷提升。2016年提供全球初始運行服務以來，服務能力穩中有升，空間信號精度目前已達0.25m。但是，伽利略系統多次異常使其系統和服務穩定性受到廣泛質疑，如2017年1月，伽利略系統組網衛星上的原子鐘出現大規模故障，曾一度對系統安全產生極大威脅；2019年7月，伽利略系統服務中斷117小時；2020年12月，伽利略系統時間發生異常，持續約3小時。加快發展第二代伽利略（G2G）系統。2025年開始發射過渡衛星或第二代衛星，2035年完成第二代系統部署；屆時，將提供更多特色服務，包括高級授時服務、太空服務、高級接收機自主完好性檢測服務、緊急警告服務、基于返向鏈路的創新搜救服務、電離層預測服務等。同時，考慮通過引入低軌“開普勒”（Kepler）星座去地面化，提升星座自主守時能力和系統服務精度。管理機構進一步調整強化。歐盟新成立國防工業和太空總司，全面管理伽利略計劃，并將伽利略系統及其增強系統歐洲地球靜止衛星導航重疊服務系統（EGNOS）列為世界級的太空計劃；同時，新成立了歐洲空間計劃局（EUSPA），以替代之前的歐洲全球導航衛星系統管理局（GSA），進一步強化管理。務信息認證、緊急告警、全球20cm精密單點定位服務等，覆蓋高安全、高精度、高效信息播發等不同范疇，以滿足各類用戶多樣化需求。當前，伽利略系統已經應用于各行各業，包括航空航天、航海、無人機、汽車、智能手機等。以大眾消費為例，根據其市場調查報告，兼容伽利略系統的智能手機數量將達到15億部。搜救服務方面，國際搜救組織于2016年12月宣布伽利略系統具備搜救早期服務能力。目前伽利略系統可提供基于SAR信標遠程激活漁船的服務，即如果一艘漁船在一段時間內未與其船隊進行通信，此船就會被遠程激活，以便獲取此漁船的位置。未來，其搜救服務還將進一步升級，具備返向鏈路功能。五、日本準天頂衛星系統（QZSS）目前，QZSS系統由3顆IGSO衛星和1顆GEO衛星提供服務，主要在日本及周邊實現對GPS的補充和增強，2018年11月開通服務。QZSS現狀如圖4所示。2. 伽利略系統應用伽利略系統服務多樣，目前已提供公開服務、公共特許服務、搜救服務，2020年后，還將逐步增加公開服務信息認證、商業授權服圖4 QZSS系統現狀362021年第2

Satellite Navigation導航天地1. QZSS系統建設最新進展信號繁多、服務多樣。共播發9種信號，提供7類公開服務，基本服務的空間信號精度為2.6m，此外還提供PPP-RTK體制的厘米級增強（Centimeter

Level Augmentation Service，CLAS）服務，是其最大亮點。同時，還在與歐洲、澳大利亞合作，推動其早期告警服務擴展到更大區域。計劃擴大星座規模，從補充增強到獨立服務。計劃增加三顆QZSS衛星，將現有星座擴展成由7顆衛星組成的星座，服務區域由日本及周邊擴展到亞太。2036年，7顆衛星全部升級換代后，空間信號精度將達到0.3m，定位精度達到1m。更新國家太空政策。2020年6月,日本第四次更新其太空政策，QZSS仍是其國家空間基本計劃中優先級最高的項目之一。務、厘米級增強服務、災害與危機管理衛星報告服務（Satellite Report for Disaster and Crisis

Management，DC Report）、星基增強服務、定位技術驗證服務（Positioning Technology Verification

Service，PTV）、QZSS安全確認服務（QZSS Safety

Confirmation Service，Q-ANPI）共7類服務，廣泛應用于日本境內的多個領域，包括汽車自動駕駛、航行自動駕駛、智能農業、無人機、軌道交通管理系統、自動停泊系統、海洋建設、可穿戴運動設備等。六、印度區域導航衛星系統（NavIC）目前，NavIC系統由3顆GEO衛星和4顆IGSO衛星提供服務，覆蓋印度及其島嶼周邊地區，2016年已開通服務。未來，印擬增加4顆IGSO衛星，服務區域將擴大至南緯30°～北緯50°、東經30°～130°，服務區可見衛星數量增加到至少6顆，定位精度達到3m；同時，計劃增加L1C民用互操作信號，與其他系統加強兼容互操作，還將搭載搜救載荷。NavIC系統現狀如圖5所示。2. QZSS系統應用QZSS已經提供與GPS民用信號完全兼容的PNT服務、星基增強服務、亞米級增強服圖5 NavIC系統現狀2021年第237

導航天地Satellite NavigationNavIC系統向用戶提供民用標準定位服務（SPS）并向授權用戶提供限制服務（RS），單頻用戶可以使用L5或S頻段信號，雙頻用戶使用L5和S頻段信號。當前兼容NavIC系統的芯片種類較少，主要包括僅接收NavIC信號的芯片和接收NavIC信號和GPS增強信號的芯片。同時NavIC系統已經應用到印度國內授時、時頻同步、衛星發射和跟蹤網絡、國家電網等行業用戶。目前，NavIC系統定位和短消息服務已可以在手機應用程序中使用，支持NavIC的信息接收機可以通過藍牙連接用戶的手機，用戶可以在手機上獲得使用當地語言的海嘯、大浪等預警信息以及政府機構發布的信息。七、北斗衛星導航系統目前，北斗三號全球系統共有30顆在軌衛星（包括24顆MEO衛星、3顆GEO衛星、3顆IGSO衛星），全部在軌服務。北斗系統現狀如圖6所示。圖6 北斗系統現狀1. 北斗系統建設發展最新情況北斗邁進全球服務新時代。北斗三號2009年11月啟動建設，歷經關鍵技術攻關、試驗衛星工程、最簡系統、基本系統、完整系統五個階段。2020年6月23日，北斗三號系統最后一顆組網衛星成功發射，北斗系統提前半年完成全球星座部署；7月31日，習近平總書記向世界宣布北斗三號全球衛星導航系統正式開通，標志著北斗“三步走”發展戰略圓滿完成。系統性能世界一流。北斗系統通過全網星間鏈路，解決了區域布站全球服務的難題。服務承諾指標全球定位精度優于10m，測速精度優于0.2m/s，授時精度優于20ns；亞太地區定位精度優于5m，測速精度優于0.1m/s，授時精度優于10ns。系統功能高度聚合，提供多樣化服務。目前，北斗系統已提供導航定位和通信數傳兩大類、七種服務。包括面向全球范圍的定位導航授時（RNSS）、全球短報文通信（GSMC）和國際搜救（SAR）服務，面向中國及周邊地區的星基增強（SBAS）、地基增強（GAS）、精密單點定位（PPP）和區域短報文通信（RSMC）服務。382021年第2

2. 北斗系統應用北斗系統已全面服務交通運輸、公共安全、救災減災、農林牧漁、城市治理等行業，融入電力、金融、通信等基礎設施，廣泛進入大眾消費、共享經濟和民生領域，深刻改變著人們的生產生活方式，產生顯著的經濟和社會效益。支持北斗三號新信號的22nm工藝射頻基帶一體化芯片，已經進入量產階段，性能再上新臺階。目前已構建起集芯片、模塊、板卡、終端和運營服務為一體的北斗完整產業鏈，10年來我國衛星導航與位置服務產業總體產值年均增長20%以上，2019年達到3450億元，2020年有望超4000億元。以交通農業領域為例，近700萬輛道路營運車輛已經安裝使用北斗系統，占運營車輛的96%；基于北斗的農機自動駕駛系統推廣應用近4.5萬臺套，節約50%的用工成本；基于北斗的農機作業監管平臺和物聯網平臺為近40萬余臺套農機設備提供服務，極大提高了作業管理效率。在2020年抗擊新冠肺炎疫情中，北斗高精度服務提供精確標繪，有力支撐武漢火神山、雷神山醫院10天建成，基于北斗的無人機、無人車紛紛應用到疫區醫療物資配送，實現智能化、精準化。北斗系統已在全球超過一半的國家和地區得到應用，向億級以上用戶提供服務，基于北斗的土地確權、精準農業、數字施工、車輛船舶監管、智慧港口解決方案在東盟、南亞、東歐、西亞、非洲等得到成功應用。此外，北斗持續推進進入民航、海事、搜救衛星、移動通信、電工委員會等國際組織標準。2020年11月，在國際民航組織導航系統專家組第六次全體會上，北斗三號全球系統189項性能指標技術驗證全部通過，標志著北斗三號全球系統進入國際民航組織標準工作的最核心和最主要任務圓滿完成；2020年，國際電工委員會發布首個北斗船載接收設備檢測國際標準，國際移動通信組織發布首批支持北斗三號B1C信號的5G標準，國際海事無Satellite Navigation導航天地線電技術委員會也將發布完全支持北斗三號所有公開信號的RTCM標準協議。八、發展趨勢和特點從世界主要衛星導航系統最新發展情況來看，各衛星導航國家和地區對GNSS系統的重視與日俱增，加速謀劃系統能力升級換代，加快部署新技術、新衛星、新服務。系統建設和應用總體呈現以下新的趨勢和特點。1. 高精度和高完好的民用服務逐漸成為系統標配各系統更加重視通過增加衛星數量、配置更高性能原子鐘、擴展監測站數量和范圍、優化改進精密定軌和時間同步算法等方面，不斷提升空間信號精度和系統定位精度。同時，逐步提供精密定位服務，如伽利略系統將提供全球20cm高精度服務，GLONASS將提供區域10cm高精度服務，QZSS已在本土和周邊提供10cm高精度服務。完好性服務方面，各系統加快現有星基增強系統升級換代，由單頻單星座向雙頻多星座發展，并注重星地完好性聯合監測，更好保障用戶安全可靠應用。2. 多服務、多功能高度聚合成為競技新方向為更好滿足多元化用戶需求，多功能高度聚合、提供特色服務，已成為未來贏得用戶新的著力點。GPS將在新一代衛星上搭載搜救和新設計的核爆探測載荷；伽利略系統未來還將逐漸推出安全認證、告警服務、電離層預測等特色服務；GLONASS后續衛星也計劃提供搜救服務；日、印系統也將陸續推出新服務、新功能。如何實現衛星導航系統的集約高效，實現一星多用、一系統多能成為未來各系統挖潛增效、提升國際競爭力的新方向。3. 構建彈性體系成為GNSS發展新要求彈性是PNT體系的主要特征之一，衛星導航系統作為綜合PNT體系的基石，更應該具備彈性特2021年第2期衛星應用39

導航天地Satellite Navigation征，以實現系統可靠安全。通過高中低軌混合星座、高速星間鏈路等手段構建彈性體系，提升系統的安全性和服務可用性。如GEO可實現本土全時覆蓋和操控，IGSO可提升區域能力和遮擋環境下的服務可用性，MEO 更加注重全球覆蓋，LEO可完成導航增強和備份。GPS雖已有全球監測和操控能力，但還在積極發展基于星間鏈路的本土操控和自主運行能力；GLONASS也在發展混合星座體系和星間鏈路；伽利略系統也在積極研究引入低軌，提升復雜環境下服務的穩健性和系統能力的彈性。九、結束語目前，北斗全球系統已全面建成，正式邁入全球服務新時代，以嶄新的姿態走向世界。世界衛星導航系統的最新進展可以為北斗發展提供重要參考。隨著各衛星導航系統全面服務，全球衛星導航進入新一輪競技，2035年也將成為下一個重要里程碑。當前，互聯網、云計算、大數據、人工智能、低軌星座等技術的迅猛發展，北斗衛星導航與新領域、新業態融合發展的趨勢愈加明顯。一方面，要充分發揮北斗系統高精度和特色服務優勢，加快北斗應用融合發展；另一方面，北斗系統應抓住當前各類新技術蓬勃發展帶來的機遇，通過技術融合，大幅提升服務性能和系統安全性。此外，應做好包括新型原子鐘、高速星間鏈路等對系統服務性能提升有關鍵影響的核心技術和產品研發和儲備，進一402021年第2步提升我國衛星導航領域的全球競爭力。2035年前，我國還將建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系，未來，北斗系統應著眼世界衛星導航發展前沿，繼續創新發展，為全球用戶提供基準統一、覆蓋無縫、安全可靠、便捷高效的PNT服務，為未來智能化、無人化發展提供核心支撐。參考文獻[1]劉春保.2018年國外導航衛星發展綜述[J].國際太空,2019(2):42-47.[2]盧鋆,張弓,陳谷倉,等.衛星導航系統發展現狀及前景展望[J].航天器工程,2020,29(4):1-10.[3]莊釗文,王飛雪,歐鋼,等.北斗衛星導航系統安全和完好性監測現狀與發展[J].科技導報,2017,35(10):13-18.[4]郭樹人,劉成,高為廣,等.衛星導航增強系統建設與發展[J].全球定位系統,2019,44(2):1-12.[5]王冬霞,辛潔,薛峰,等.GNSS星間鏈路自主導航技術研究進展及展望[J].宇航學報, 2016,37(11):1279-1288.