全面分析北斗卫星导航系统的现状及发展前景
引言
随着卫星导航系统的发展壮大，卫星导航系统进入了与定位、导航、授时、移动通信和因特网等多源信息载体融合的新时期，卫星导航系统成了国民经济发展的重要基础设施。一直以来，我国探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统，随着北斗卫星导航系统的成功建设，使我国成为了拥有自主建设、独立运行卫星导航系统的国家，填补了我国卫星导航领域的空白。该系统可为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，能与其他卫星导航系统兼容，是我国重要空间基础设施。为此，对北斗卫星导航系统的现状及发展前景进行分析具有重要意义。
一、卫星导航系统发展现状
目前，国际上有四大成熟的卫星导航系统，分别为全球定位系统、全球卫星导航系统、伽利略卫星导航系统和北斗卫星导航系统。
（一）全球定位系统（GPS）
GPS的研究源于美国的子午仪卫星定位系统。20世纪末，美国为实现在陆海空三大领域进行实时、全天候和全球性的导航服务，联合陆海空三军研制了新一代的卫星定位系统GPS，并于1994年建成并覆盖全球范围，计划2030年，投入使用第三代GPS系统。
目前，GPS技术已经发展成为国际性高新技术产业，实现多领域、多模式、多用途、多机型的服务，许多国家都在使用GPS终端设备，包括我们国家目前也在使用[1]。
（二）全球卫星导航系统（GLONASS）
GLONASS最早开发于苏联时期。1993年，俄罗斯开始独自建立本国的全球卫星导航系统；2007年，导航系统开始运营，服务范围在俄罗斯境内；2009年，服务范围拓展到全球；2011年，在全球正式运行。
GLONASS与GPS一样可为全球海陸空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续高精度的三维位置、三维速度和时间信息。其与GPS的兼容使用，可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的SA影响，进一步提高定位精度[2]。
（三）伽利略卫星导航系统
伽利略卫星导航系统是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统。1999年，由欧洲委员会公布，2002年正式启动，2016年投入使用[2]。
伽利略卫星导航系统可提供高精度、高可靠性的定位服务，实现覆盖全球的导航和定位功能，是全球首个民用的导航系统，属于非军方控制、管理。其还能够和其他成熟导航系统实现多系统的兼容，可同时采集并组合各个系统的数据来实现定位导航的要求[1]。
（四）北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施[1]。
1985年至1994年，我国进入自主卫星导航系统的演示论证期。1994年至2002年，进入北斗卫星导航实验系统研制的建设期。 1994年，启动北斗一号系统工程建设。北斗一号系统可提供定位、授时、广域差分和短报文通信的服务，实现有源定位。2003年，增加发射的卫星进一步增强系统的性能。2004年，启动北斗二号系统工程建设。该系统保留了北斗一号系统的双向位置报告等功能，与GPS系统在很多方面都有着相似之处，且增加了无源定位体系。2009年，启动北斗三号系统建设。2012年，完成14颗卫星的组网，建成了覆盖亚太区域、形成区域无源服务能力的北斗区域卫星导航系统。2018年底，完成19颗卫星的组网，实现中国北斗三号基本系统的组网建设，北斗三号系统由区域扩展为全球服务，北斗卫星导航系统正式迈入全球时代[1-3]。
目前，正在实施北斗三号系统建设。2019年，北斗卫星导航系统计划发射8～10颗北斗导航卫星，将继续进行高密度全球组网建设，进一步完善全球系统星座布局。计划2020年年底前，完成30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统，形成全球无源服务能力，达到世界一流水平[2-3]。2035年，我国还将围绕北斗卫星导航系统这个核心内容，完成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时（PNT）体系。
结合国情，我国积极探索卫星导航系统的建设道路，已逐步形成了“三步走”的发展战略。第一步：2000年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务。第二步：2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务。第三步：计划在2020年前后，建成北斗全球系统，向全球提供服务[1]。目前，正在实施第三步发展战略。
二、北斗卫星导航系统关键技术的发展
北斗卫星导航系统服务区为全球，包括“一带一路”国家和地区在内的世界各地。目前，根据全球范围测试评估结果，在北斗三号系统基本建成，并提供全球服务期间，北斗卫星导航系统整体运行稳定，在全球区域的定位精度优于10米（预期的定位精度10米），在亚太区域的定位精度优于5米（预期的定位精度5米），符合预期设定的指标。
（一）北斗卫星导航系统构成
北斗卫星导航系统由三大部分组成，包括空间星座（空间段）、地面控制（地面段）和用户终端（用户段）[1]。
1. 空间星座（空间段） 空间星座是若干卫星持续发射载有导航电文的无线电波，由地球上的各种接收机来接收信息并进行应用。若干卫星是混合导航星座，由静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成。截止2018年12月，北斗卫星导航系统有15颗北斗二号和18颗北斗三号卫星在轨工作，为全球提供服务。
2. 地面控制（地面段）
地面控制包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施，用来追踪及控制北斗导航卫星的运转。地面控制主要是监视系统状态，调度卫星；通过收集到的卫星数据，计算导航信息，修正与维护每颗卫星的各项参数数据等，使空间星座的卫星能正常运行。
主控站：主要是收集数据、处理数据，根据数据分析的结果，完成规划及调度，实现系统正常运行的控制和管理。收集时间同步/注入站、监测站的数据，通过处理，形成卫星导航电文，向卫星注入导航电文参数，监测卫星有效载荷等。
时间同步/注入站：根据主控站的统一调度，完成主要任务，包括注入卫星导航电文参数，交换与主控站的数据、同步测量时间等。
监测站：连续跟踪监测导航卫星，接收导航信号，将导航信号发送给主控站，提供观测数据生成导航电文。
3. 用户终端（用户段）
用户终端包括基础产品、终端设备、应用系统与应用服务等。其中，基础产品包括兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等。用户终端主要是追踪北斗导航卫星，通过对接收机所在位置的坐标、移动速度及时间的实时计算，服务于各领域的需求，满足行业需要[1-3]。
（二）北斗卫星导航系统的功能
北斗卫星导航系统具有开放、稳定、可靠的定位定向、实时导航、精密测速、精确授时、位置报告、短信服务等功能，能为全球的用户提供。目前，北斗卫星导航系统的服务区域为全球，定位精度10米（95%），测速精度0.2米/秒（95%），授时精度20纳秒（95%）[1-3]。其中，在亚太地区，定位精度5米（95%）。
1. 定位功能
长时间以来，我国主要依靠GPS开展各类导航任务，随着北斗卫星导航系统的广泛应用，完全依靠GPS的时代已结束。目前，北斗卫星导航系统的定位误差小于10米，部分精度可达到厘米甚至毫米级（基于授權和有标校站的支持）。终端可自动汇报位置（根据授权情况），可实时了解终端动态，有利于指挥机构的广泛应用。
2. 导航功能
导航是北斗最重要的功能，与GPS相似。为了解决单一信号的不足，提高导航的精度和可靠性，北斗卫星导航系统允许一台终端机分别接收不同的卫星导航信号，测速精度可达0.2米/秒，以达到配合不同卫星导航的终端，能进行陆海空的全天候导航。
3. 授时功能
北斗卫星导航系统为更好满足用户需求，提供了高精度的授时服务，精度可达到50ns，对时间同步要求高的行业有非常重要的作用，如通信、金融、电力等高时间要求的行业。
4. 短报文功能
短报文功能是北斗卫星导航系统特有的功能，其他卫星导航系统不具备此功能。该功能可双向报文通信，一次可传输40～60个汉字的短报文信息。在用户授权并完成配置后，终端与指挥机可进行信息传输，实现点对点通信，不受距离限制，可有效应对远距离通信或无线电盲区通信，能在航空、航海、抢险救灾等活动发挥重要作用。
三、北斗卫星导航系统的应用
随着北斗卫星导航系统覆盖亚太地区，并开启了全球组网时代，北斗卫星导航系统在基础理论、应用开发、服务领域等方面取得了很大的进步。伴随系统服务能力的逐步提升，北斗卫星导航系统正在大众定位、智慧城市、交通运输、农业渔业、公共安全、减灾救灾、气象探测、通信和电力等众多领域得到应用，并呈现出更为广泛应用的趋势[1-9]。
个人位置服务方面，北斗卫星导航系统广泛应用于智能手机、汽车导航定位服务等领域，预计到2020年，北斗卫星导航系统将可在全球实现个人的位置服务。
智慧城市方面，北斗卫星导航系统应用于环卫保障车辆在线监管、实时公交综合信息发布、公务车管理、120急救指挥调度、燃气行业等领域。
交通运输方面，北斗卫星导航系统广泛应用于设施安全监控、运输过程监控、港口实时定位调度监控等领域。据统计，国内营运车辆、邮政和快递车辆、中心城市公交车、内河导航设施、海上导航设施已逐步应用北斗导航系统，有效提升了营运车辆的监控管理效率和道路运输安全水平。
农、林、渔业方面，基于北斗卫星导航系统的农机作业监管平台，北斗卫星导航系统可对农机进行远程管理，实施精准作业。充分发挥北斗卫星导航系统的定位与短报文通信功能，提高森林防火的管理水平。通过对船位的实时监控，可实时了解渔船出入港信息，提高渔业管理部门的服务能力。
公共安全方面，结合北斗卫星导航系统精确定位及其特有的短报文通信功能，可为公安提供可视化的警力资源调度及应急通信保障等应用，实现了警力资源动态调度、一体化指挥，提高了响应速度与执行效率。
救灾减灾方面，北斗卫星导航系统基于其精确定位技术，及时上报与共享灾情信息，实时进行指挥和调度，短报文通信功能能实现应急通信，显著提高了救灾减灾的决策部署能力及反应能力。
气象测报方面，由一系列气象测报型北斗终端设备形成的系统应用，提高了国内高空气象探空系统的观测精度、自动化水平和应急观测能力。
通信方面，突破光纤拉远等关键技术，形成一体化卫星授时系统，开展北斗双向授时应用。
电力应用方面，基于北斗卫星导航系统的授时应用，同步应用电力时间，保障电力保护系统、电力异常事故分析系统、电力预警系统的安全、稳定运行。 总之，北斗卫星导航系统已逐步融入我国的现代化建设和百姓的日常生活，面对未来，北斗卫星导航系统将持续提升服务性能，扩展服务功能，增強连续稳定运行能力。北斗卫星导航系统还计划2020年继续完成高密度全球组网工作，进一步提升全球基本导航和区域短报文通信服务能力，并实现全球短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等服务能力[3]。
四、北斗卫星导航系统发展前景分析
目前的北斗卫星导航系统具有以下特点：一是北斗卫星导航系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区性能优势更为明显；二是北斗卫星导航系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度；三是北斗卫星导航系统创新融合了导航与通信能力，具备基本导航、短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等多种服务能力[1-3]。
北斗卫星导航系统的建设实践，实现了在区域内快速形成服务能力、逐步扩展为全球服务的发展路径，丰富了世界卫星导航事业的发展模式，但与国外成熟的卫星导航系统相比，起步晚的北斗卫星导航系统还存在以下问题：一是北斗卫星导航系统及终端建设还处于发展过程中，整个产业链还不是很成熟；二是北斗卫星导航系统的技术尚处于发展和研究阶段，缺乏较为强势的技术力量；三是受GPS导航设备广泛使用和国内GPS成熟应用技术的影响，北斗卫星导航系统的快速发展存在一定的难度。
未来世界各地的星际导航服务将呈现出全时空、全区域、无盲区、高精度的特点，北斗卫星导航系统需进一步提高定位精度，消除定位盲区，增强抗干扰能力，多系统融合发展，更好满足各种类型的导航和定位需求，有效提高应用效率，才能在未来的星际导航服务上发挥越来越重要的作用。
五、结语
北斗卫星导航系统在国内各领域取得了长足发展，面对未来星际导航系统的挑战，还需继续努力，一要大力推进北斗全球卫星导航系统建设，继续完善全球系统的星座布局；二要全面提升系统性能，着力推动北斗系统的广泛应用，提高北斗系统的应用效率；三要继续做好与其他热门导航系统的兼容共用，深化卫星导航的国际合作，合力推动世界卫星导航的发展。
