北斗卫星导航系统的新进展

关于北斗卫星导航系统的发展与思考2007年2月3日，我国成功发射第4颗“北斗”卫星，终于打破了西方在太空信息领域的垄断，形成了美、俄、欧、中在卫星导航系统上“四强争雄”的格局。我国自行研制生产的“北斗”卫星导航系统,不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力,而且在定位性能上也有所创新。美国国防部从1973年开始实施的GPS系统，是世界上第一个全球卫星导航系统，在相当长的一段时间内垄断了全球军用和民用卫星导航市场。现运行的GPS系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。长期以来，美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号。也就是说，地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人能掌握，其他国家只知道个大概。为了打破美国欧洲各国推出了“伽利略”系统，该系统在许多方面都具有优势，如卫星数量多达30颗，轨道位置比GPS高，信号的最高精度也比GPS高10倍，确定物体的误差范围在1米之内。该系统的另一个优势在于，它能够以美国的GPS、俄罗斯的“格洛纳斯”系统实现多系统内的相互兼容。俄罗斯的“格洛纳斯”卫星定位系统，是由军方负责研制和控制的军民两用系统。据悉，由24颗卫星组成的“格洛纳斯”全球导航系统有工作卫星21颗，分布在3个轨道平面上，另有3颗备用卫星。尽管“格洛纳斯”的定位精度比GPS系统“、伽利略”系统都略低，但其抗干扰能力却是最强的。从目前看，美国的GPS无疑还占据着主导地位，但其优势正逐步被其他三大系统所取代。四大系统各有优劣，GPS胜在成熟和长期的垄断“伽利略”胜在精准，“格洛纳斯”的最大价值就在于其抗干扰能力强，而中国的“北斗”卫星导航系统的优势则在于互动性和开放性。太空卫星导航“四强争雄”的局面已经基本形成。1.导航发展史的启示美苏两国以多普勒原理建成了两个类似的初级卫星导航系统。管美国GPS联合办公室首位负责人帕金森与苏联学者纳尔托布对谁发明了第一个卫星导航系统存在争议，但双方不谋而合地在1960年代分别建设了两个类似的卫星导航系统。个是美国于1963年建成的子午仪，一个是苏联1979年建成的圣卡达。它们的共同点是：都采用1000km高度圆轨道卫星，使用150MHz和400MHz甚高频导航信号，min-6min完成一次定位，1.5小时至2小时进行一次二维定位，精度均在80m-100m。美苏两国以RNSS原理相继建成了第二代卫星无线电导航系统。为了统一无线电导航手段，取代奥米加、罗兰C等众多地基导航系统，并实现高精度、连续、三维定位与测速，美国国防部于1973年批准了GPS计划，设计了GPS方案:轨道高度为20230km；卫星数为24颗，分布在3个轨道面上(后来修改为6个轨道平面)；用户可同时看到6-11颗卫星；导航频率有2个，L11575.42MHz，L2为1227.60MHz；采用RNSS伪距定位原理。该系统于1994年建成，定位精度：PPS服务为8米(SEP)，SPS服务为100米。从第一颗试验卫星起算到全球系统建成共发射了41颗卫星。苏联于20世纪70年代建设GLONASS系统。轨道高度为19100km，卫星数24颗，3个轨道面。导航频率2个:L1为1602.0-1615.5MHz，L2为1246.0-1256.5MHz，也是采用伪距定位原理，于1995年曾布满星座，但目前仅20%的时间提供三维服务。从第一颗试验卫星开始到全球系统布满共发射76颗卫星。导航发展史启示：(1)两代系统替换式发展，虽然显示了天基无线电导航的优越性，却延缓了卫星导航发展进程。两代系统的定位原理由多普勒定位改为伪距定位，卫星轨道高度由1000km升高至20000km左右，导航频率由甚高频升至L频段。两代系统毫无兼容性可继承，造成用户导航中断，资源浪费，延缓了卫星导航的发展进程。为实现全球覆盖，GPS发射了41颗卫星，GLONASS发射了76颗卫星。从卫星导航起步到全球系统建成，两大系统各花了约36年，工程之浩大不可小视。(2)只解决了用户在何时、何地的定位和授时问题，未解决位置数据共享，没给导航与通信集成留有余地。(3)军民信号同频点共用，导航战施展受限，只能以BOC调制重新设计M码军用信号。(4)未解决动态用户定时问题。(5)未解决卫星时间同步与精密轨道确定的高度依赖性，任一卫星的原子钟性能下降，均影响其他卫星的时间同步和轨道精度。2.北斗以两颗卫星小幅起步揭开了中国卫星导航序幕北斗卫星导航系统以卫星无线电测定(RDSS)为原理的试验系统解决了用户的急需。中国的北斗试验系统选择了卫星无线电测定原理，即通过两颗地球静止轨道卫星，由用户以外的中心控制系统完成经卫星至用户的询问式距离测量，并计算出用户的三维坐标，再通知用户。在此过程中，同时完成了位置报告和用户位置信息共享。其优点如下：(1)定位与通信相结合，位与位置报告同时完成，解决了是谁、在何时、在何处的相关问题。(2)以2-3颗卫星为代价，启动了卫星导航试验，促进了中国卫星导航事业的早日起步。第一代多普勒卫星导航系统发射了4-6颗卫星才实现系统服务，GPS发射了41颗，GLONASS发射了76颗才完成第二代系统组网，如此巨大的投资不符合当时中国国情。所以，以RDSS为原理起步，并同时搭载RNSS试验载荷进行全球卫星导航系统的试验是适合的。我国于2000年成功发射了两颗北斗导航试验卫星，建成了北斗导航试验系统，具备了定位、授时、报文通信和GPS广域差分功能，在电信、水利、交通运输、渔业、勘测、森林防火、测绘和国土安全等诸多领域发挥了作用。(3)北斗试验系统创建的双向授时方法，解决了动态用户的高精度授时。北斗卫星导航系统完成了RDSS与RNSS相集成等一系列关键技术试验。在北斗导航试验卫星上，通过搭载RNSS载荷，完成了卫星无线电测定与卫星无线电导航集成一体的一系列关键技术的星地试验，使中国北斗卫星导航系统不但具有GPS等流行系统的RNSS功能，还具有通信及位置报告功能。为中国北斗导航系统完成的关键技术试验还有：(1)双向伪距时间同步，解决了地面站间及地面站与卫星间高精度时间同步。(2)导航信号频率和信号体制试验。(3)GEO卫星高精度轨道确定。北斗卫星导航系统正式启用了系统网络资料。2000年4月，针对国际电联WAC-2000大会扩展卫星无线电导航频率议题，中国以COMPASS作为卫星网络名称，以北斗卫星导航作为系统名称，向国际电联正式申报了COMPASS-58.75E，COMPASS-80E，COMPASS-110.5E，COMPASS-140E，COMPASS-M，COMPASS-H及COMPASS-160E网络资料。通过北斗导航试验卫星完成上述资料应用，至2007年4月已完成了上述6个网络资料的启用，并已在国际电联备案，为中国卫星导航赢得了空间及频率资源，同时也为北斗卫星导航系统完成了顶层设计及关键技术验证试验。中国北斗导航试验系统以区域卫星导航为目标，以当时中国国情可以承受的经济及技术能力，创建了中国第一个卫星无线电系统，为中国现代化北斗系统建设拉开了序幕。3.北斗卫星导航系统符合需求增长趋势和卫星导航发展方向需求增长趋势：(1)从个体用户定位测速向用户信息共享发展。无论是航空、航海、陆上车辆用户，还是空间用户，均需要实现用户与用户之间，用户与调度指挥者之间的导航信息共享，以防止拥堵、相撞,并提高交通航路效率。虽然通信接入的方式很多，方便了不少用户，但正因为接入方式多，造成了系统总效能的下降，需要寻求统一的标准。北斗卫星导航系统RDSS功能从用户层面解决了导航与通信的集成。(2)单一服务方式向多类型服务方式发展。GPS和GLONASS都是从以军用为目标的单一授权服务逐步转向民用开放服务。由于民用开放式服务等级少，因此在是否降低民用服务精度上举棋不定；GALILEO一开始就明确提出有开放式(OS)、生命安全(SOL)、商业(CS)及公共事业(PRS)服务，并以不同的信号调制、信号与信息加密方式，向不同用户提供不同精度等级，不同安全级别的服务。中国北斗采取了GALILEO类似的等级划分，逐步实现公开民用服务、授权民用服务、生命安全服务，并以不同的信号频率和调制方式加以区别。在后续卫星上，首先应在B2中心频率上实现与生命安全相适的高精度、连续性、完好性服务，满足航空I类精密进近(CAT-1)需求，并与GALILEOE5b的OS和SOL服务形成兼容能力，为形成北斗GNSS奠定充分条件。卫星导航发展方向：(1)少数几个全球卫星导航系统将分享全部卫星导航最佳资源充分研究及实践证明，最佳卫星导航频率和轨道资源包括：L波段导航频率，1164-1610MHz；中圆轨道(MEO)卫星星座，轨道半长轴a为25000km至30000km，其中最佳方案为3个轨道平面和30颗卫星星座。在占据最佳导航资源的情况下，采用最佳方案均可实现垂直与平面精度优于5.5米，可用度优于99.7%的指标，与CAT-1要求十分接近，仅需增强完好性即可满足CAT-1的要求。国际电联相关研究小组的工作表明，上述资源可以满足3-4全球卫星导航系统需要，因为更多的系统加入，用户视野内的卫星数增加，非观测卫星信号将作为被观测卫星信号干扰，使观测精度下降。根据国际频率协调规则，后来系统应消除对先前系统的干扰，那么，后来系统将无法获得最佳频率资源，即使另选频率，后来系统也难以生存。从频率及空间资源出发，当今的北斗(COMPASS)、GPS、GLONASS、GLILEO四大系统将占有几乎全部最佳资源。另外,四大系统已经形成强大的兼容共用能力,瓜分全球无线电导航市场，从经济利益出发，后来系统缺乏竞争生存空间。尽管C频段5010MHz-5030MHz可用于卫星导航，但目前难以同L频段导航系统形成竞争能力。(2)区域系统只能充当GNSS系统增强角色在上世纪末，针对GPS的性能增强，曾经发展了几个GPS增强系统，如美国的WAAS、日本的QZSS、欧洲的EGNOS、印度的IRNSS，但均未形成有效工作能力。在2000年WAC-2000大会之后,日本、印度、尼日利亚都向国际电联申报了导航频率。这些国家都是基于GPS民用服务建设自己增强系统。要么和GPS兼容，要么靠近GPS的L5民用频率进行频率协调，无法获得一个完整自主卫星导航系统频率。中国北斗GEO卫星不但能用于增强自身能力。而且能把GPS、GALILEO、GLONASS联成全球卫星导航系统(GNSS)。(3)北斗是GNSS的重要组成部分20世纪90年代，国际民航组织出于对GPS、GLONASS不能成为全球导航卫星系统的担忧，曾倡导由地区民间组织建设一个不受国家控制的全球导航卫星系统(GNSS)，INMARSAT中高轨道(ICO)想担当此任。由于美国投资者不热心，GNSS至今尚无方案。欧洲、日本、印度等国均把对GPS、GLONASS的增强作为本地区。本国的GNSS计划亦加以建设。当今中国北斗，欧洲GALILEO以全球系统面貌出现，可增强的系统由两个扩大到四个，有充分条件通过兼容增强形成GNSS的能力。以后的GNSS不再是一滚满足航空服务的独立系统，而是四大系统兼容共用形成的全球卫星导航系统。北斗是全球GNSS的重要成员。针对日益激烈的国际竞争形势，面对我国在导航系统建设方面存在不同意见和方案选择，应以极大的忧患意识统一思想和行动。(4)高纬度地区覆盖缺省是国土安全及经济安全的最大隐患中国北斗试验系统由于选择了地球静止轨道为空间段，北纬50度以北基本不能覆盖，后续建议的几个无线电导航系统都只把注意力放在中纬度地区，包括罗兰C建议等。长期发展下去，对于我国国土安全和经济安全十分不利。加速全球系统的建设是解决高纬度地区覆盖的根本方法。所以，加速北斗全球系统的建设是国家国土安全和经济安全的战略选择。(5)北斗最佳备份方案是实现多系统兼容如上所述，国际上将有四个全球卫星导航系统分属多极世界中、美、俄、欧大国控制。多数情况下，至少两大国之间形成的暂时联盟不会取消给对方的公开服务承诺。这就是说，有三个系统可为中国提供兼容服务，成为免费后备保障系统