盧鋆 張弓 陳谷倉 高為廣 宿晨庚

(1 北京跟蹤與通信技術研究所, 北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部, 北京 100094)(3 中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室, 北京 100094)

當前，各主要航天大國均在積極發(fā)展衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括我國北斗系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、美國全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯格洛納斯(GLONASS)以及歐洲伽利略(Galileo)四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以及印度導航星座(Navigation with Indian Constellation，NavIc)和日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)兩個區(qū)域系統(tǒng)，均已向用戶提供服務[1]。北斗2018年12月完成基本系統(tǒng)建設，并開通了全球服務。2020年6月23日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射第55顆北斗導航衛(wèi)星，北斗全球星座部署圓滿收官，并將提供更加多樣的定位、導航與授時服務(PNT)。

為持續(xù)提升服務性能、滿足用戶更加專業(yè)和多元的需求，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)均加緊推動新一代規(guī)劃部署，我國也正在積極論證下一代北斗系統(tǒng)發(fā)展，推動構建以北斗為核心基石的更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系[2-4]?；诖?，本文系統(tǒng)梳理了各國衛(wèi)星導航系統(tǒng)最新進展和后續(xù)計劃，分析了各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的技術演變特點和發(fā)展趨勢，重點從高性能服務趨于標配、彈性對抗成為發(fā)展重點、多功能聚合逐漸成為新方向、兼容互操作是今后GNSS合作共用的主流趨勢等方面進行了綜合論述，并提出了對我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展建議，以期對北斗系統(tǒng)的后續(xù)工作提供參考。

1 各國GNSS進展及特點

1.1 美國GPS系統(tǒng)

1)持續(xù)提升GPS性能，極力保持領先地位

目前，GPS系統(tǒng)空間段共有31顆在軌工作衛(wèi)星(截至2020年4月)，包括11顆GPS-IIR衛(wèi)星、7顆GPS-IIRM衛(wèi)星、12顆GPS-IIF衛(wèi)星和1顆GPS-III衛(wèi)星(還有1顆GPS-III衛(wèi)星在軌測試)。隨著GPS系統(tǒng)發(fā)展和衛(wèi)星升級換代，系統(tǒng)保持連續(xù)穩(wěn)定運行，服務精度不斷提升，目前空間信號精度均值為0.51 m。值得注意的是，衛(wèi)星工作壽命遠遠超出預期，如1990-1997年發(fā)射的GPS-IIA衛(wèi)星，近期有2顆剛設置為不健康狀態(tài)，在軌工作壽命達26年，衛(wèi)星壽命長一定程度上體現(xiàn)了美國導航衛(wèi)星研制的能力水平，一方面也限制了其星座的快速升級和新信號的全球部署。如首顆播發(fā)新的軍用M碼信號衛(wèi)星發(fā)射至今已15年，還未達到滿星座狀態(tài)；首顆發(fā)射面向生命安全用戶的民用L5信號衛(wèi)星發(fā)射至今10年，在軌衛(wèi)星僅14顆[5-6]。

2018年12月，美國啟動新一代GPS III系統(tǒng)部署，包括10顆GPS III衛(wèi)星和22顆GPS IIIF衛(wèi)星。目前，已發(fā)射兩顆GPS III衛(wèi)星，計劃2023年完成10顆GPS III衛(wèi)星部署，2026年發(fā)射首顆GPS IIIF衛(wèi)星，2034年完成部署。GPS III系統(tǒng)能力全面升級，衛(wèi)星載荷數(shù)字化程度大幅提高，GPS III、IIIF衛(wèi)星數(shù)字化程度分別可達70%、100%，信號精度提升到當前的3倍，信號完好性、抗干擾能力進一步提升，具有導航信號關閉、增加和調整的在軌可重編程功能。配置高速星間鏈路，以確保在GPS海外站被摧毀或者喪失能力時，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。同時，配置更高性能的星載原子鐘，增加第4個民用互操作信號L1C、新的激光反射器(以提高定軌能力)、L頻段搜救載荷、新設計的核爆探測載荷等。衛(wèi)星壽命15年。同時，美國也啟動了GPS運行控制系統(tǒng)賽博安全能力的研發(fā)部署，加快升級改造現(xiàn)有地面運控系統(tǒng)，包括下一代運行控制系統(tǒng)(Next Generation Operational Control System，OCX)的升級[7-8]。通過星地能力全面升級，鞏固和強化美國在全球衛(wèi)星導航領域的主導地位和優(yōu)勢。此外，美在推動公開信號空間服務域(Space Service Volume，SSV)的同時，也提出了軍碼SSV的空間現(xiàn)代化倡議。

2)與銥星系統(tǒng)融合服務，提供獨立備份定位授時能力

美國波音公司、斯坦福大學基于低軌通信星座對類GPS低軌衛(wèi)星導航系統(tǒng)、高完好性GPS(iGPS)進行了深入研究。iGPS修改了銥星下行信號體制，利用空閑通信時隙和頻率資源播發(fā)測距信號，并調制銥星衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的導航電文，通過將多個窄帶信號擴展為寬帶信號，提升測距精度。從目前公開的文獻來看，iGPS并沒有在低軌通信星座中實現(xiàn)，而是采用了Satelles公司設計的信號體制。

美國GPS與新一代銥星系統(tǒng)融合，通過銥星播發(fā)導通信號，提供STL(Satellites Time and Location)服務。根據(jù)Satelles公司發(fā)布的最新測試結果，STL信號較GPS信號增強30～40 dB，定位精度30～50 m[9]，授時精度200 ns，能提升復雜電磁環(huán)境下衛(wèi)星導航服務的可用性，并在服務拒止情況下提供備份手段。

3)重啟導航新技術試驗計劃，在軌驗證新概念和新技術

美國積極探索未來衛(wèi)星導航新概念、新技術，特別是彈性PNT技術，時隔近40年再次啟動導航技術衛(wèi)星試驗項目，計劃2023年發(fā)射導航技術衛(wèi)星-3(NTS-3)衛(wèi)星(GEO)。NTS-3衛(wèi)星驗證多層彈性PNT體系概念與技術，主要包括3方面：①搭載先進的光銣鐘和冷原子銫鐘，性能較GPS III衛(wèi)星原子鐘分別提升3倍、5倍；②配置在軌可編程數(shù)字波形生成器、高增益天線、氮化鎵高功率放大器等，進行信號靈活調整和功率增強技術驗證；③進行新型星間鏈路技術驗證，旨在僅利用美國本土地面站實現(xiàn)系統(tǒng)運行控制，增強系統(tǒng)的彈性和抗毀性。

1.2 俄羅斯GLONASS系統(tǒng)

1)重建服務體系，提供多層次精度服務

目前，空間段共有30顆在軌衛(wèi)星(截至2020年4月)，包括3顆GEO衛(wèi)星、27顆MEO衛(wèi)星，其中MEO衛(wèi)星，在軌運行24顆(包括2019年12月和2020年3月發(fā)射的兩顆衛(wèi)星)，在軌備份2顆，在軌測試或維護1顆。

GLONASS系統(tǒng)在前期僅提供RNSS服務基礎上，將差分改正與監(jiān)測系統(tǒng)(SDCM)、地面增強設施等納入體系，可為各類用戶提供不同精度的4類民用服務，包括水平5 m、高程9 m的基本開放服務、1 m的星基增強服務、0.1 m的精密單點定位(PPP)服務、0.03 m的相對測量導航(基于載波相位測量和地面參考站)服務。

2)加速衛(wèi)星更新?lián)Q代，持續(xù)提升系統(tǒng)性能

GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)代化的MEO衛(wèi)星按照GLONASS-M、GLONASS-K、GLONASS-K2三個版本演進。2025年開始，使用GLONASS-K、GLONASS-K2衛(wèi)星，2030年前發(fā)射26顆全新GLONASS-K2衛(wèi)星，在軌完全替代現(xiàn)有GLONASS-M衛(wèi)星。GLONASS-K2衛(wèi)星，采用2個相控陣天線播發(fā)FDMA/CDMA信號，播發(fā)3個頻點的CDMA民用信號，加強與其他GNSS兼容互操作；配置激光星間鏈路和更高精度原子鐘，支持高頻度的星歷和鐘差數(shù)據(jù)更新；搭載激光發(fā)射器、搜救等載荷。GLONASS現(xiàn)代化衛(wèi)星演進如表1所示[10-11]。

表1 GLONASS現(xiàn)代化衛(wèi)星演進Table 1 Evolution of GLONASS satellites

3)構建中高軌混合星座，提供差異化多樣服務

俄羅斯加快MEO衛(wèi)星更新?lián)Q代的同時，計劃增加IGSO和GEO衛(wèi)星，構建GLONASS混合星座，全面提升系統(tǒng)性能。2020年開始，擬用3顆Luch-5M GEO衛(wèi)星，替代現(xiàn)有SDCM 3顆衛(wèi)星，并在160°E增加1顆GEO衛(wèi)星，實現(xiàn)雙頻多星座增強，并進一步擴展地面監(jiān)測資源，從25個國內站、10個海外站，增加到45個國內站、12個海外站。2025年前，發(fā)射6顆IGSO軌道的GLONASS-B衛(wèi)星，播發(fā)L1OC、L2OC、L3OC信號，東半球服務性能將提高25%。衛(wèi)星基于GLONASS-K平臺，3個軌道面，2條星下點軌跡，軌道傾角64.8°，偏心率0.072，運行周期23.9 h。

1.3 歐洲伽利略系統(tǒng)

1)加快完善組網(wǎng)部署，提供高性能多樣化服務

目前，Galileo系統(tǒng)空間段共有26顆在軌衛(wèi)星(截至2020年4月)，包括4顆在軌驗證(IOV)衛(wèi)星，22顆完全運行能力(FOC)衛(wèi)星。自2016年提供全球初始運行服務以來，系統(tǒng)運行不斷穩(wěn)定和完善，空間信號精度不斷提升，目前已達0.25 m；計劃2020年具備完全運行服務能力。2019年，Galileo系統(tǒng)因精密時間設施相關問題，出現(xiàn)長達110多小時的服務中斷，可靠性受到業(yè)界和廣大用戶質疑。后續(xù)，隨著衛(wèi)星陸續(xù)到壽，伽利略2020-2024年還將發(fā)射12～14顆衛(wèi)星，近一步提升系統(tǒng)性能和可用性[12-13]。Galileo在軌衛(wèi)星狀況如圖1所示。

圖1 Galileo在軌衛(wèi)星狀況Fig.1 Galileo current constellation

Galileo系統(tǒng)服務多樣，目前已提供公開服務(伽利略E1C與GPS L1C為美歐聯(lián)合設計的互操作信號)、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(yè)授權認證服務、緊急告警服務、全球20 cm精密單點定位服務，覆蓋高安全、高精度、高效信息播發(fā)等不同范疇，可滿足各類用戶的多樣化需求。

2)規(guī)劃部署第二代伽利略系統(tǒng)，系統(tǒng)能力全面升級

Galileo系統(tǒng)積極規(guī)劃部署第二代伽利略系統(tǒng)(G2G)，計劃2025年開始發(fā)射4～8顆過渡衛(wèi)星，2027年開始發(fā)射第二代伽利略衛(wèi)星，2035年具備全面運行能力。第二代Galileo系統(tǒng)將提供更高的精度、完好性和連續(xù)性；具備自主運行、抗干擾、抗欺騙能力；衛(wèi)星壽命更長；系統(tǒng)與服務更加安全；同時具有更好的兼容與可擴展性。同時，系統(tǒng)還將演進發(fā)展以下服務：重構改進信號提高服務性能(首次定位時間、精度、安全認證等)、高級授時服務、空間服務域(SSV)、基于反向鏈路的新型搜救服務、電離層預報服務、面向生命安全用戶的高級接收機自主完好性監(jiān)測服務。

3)基于Kepler計劃研發(fā)，開展前沿技術在軌試驗

歐洲德國航空航天中心(DLR)、波茨坦地學中心(GFZ)等單位正在聯(lián)合開展Kepler系統(tǒng)的研發(fā)，Kepler星座由4～6顆LEO衛(wèi)星組成，采用激光星間鏈路、光鐘和光頻梳建立更高精度的天基時間基準，極大減少對地面的依賴，可僅一個地面站維持星座自主運行；雙向激光鏈路完成測量、時間同步和通信，實現(xiàn)厘米級定軌，MEO無需配置原子鐘實現(xiàn)長期運行，完好性告警時間3 s。計劃2023年、2025年，分別在LEO和MEO衛(wèi)星上進行試驗。

1.4 中國北斗系統(tǒng)

北斗三號全球系統(tǒng)于2017年11月發(fā)射首顆組網(wǎng)衛(wèi)星，至今共完成18箭30星發(fā)射，包括24顆MEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和3顆GEO衛(wèi)星。2020年6月23日，組網(wǎng)部署的最后一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，標志著北斗全球系統(tǒng)星座部署圓滿完成。

北斗三號全球系統(tǒng)采用混合星座構型，播發(fā)B1、B2、B3三個頻點信號，服務高度聚合[14]，如表2所示。

表2 BDS信號及其對應服務Table 2 BDS signals and corresponding services

后續(xù)將繼續(xù)提升系統(tǒng)能力和服務性能，進一步推動高精度、高完好、導通融合等多樣化特色服務在全球落地，為未來智能化、無人化發(fā)展提供核心支撐。

1.5 日印區(qū)域導航系統(tǒng)

1.5.1 日本QZSS系統(tǒng)

目前，QZSS空間段由3顆QZO衛(wèi)星和1顆GEO衛(wèi)星組成，均在軌工作，具體信息見表3所示。主要在日本及附近區(qū)域實現(xiàn)對GPS的補充和增強，與GPS、伽利略等信號和服務兼容互操作程度均很高。

表3 QZSS當前星座構成Table 3 QZSS current constellation

播發(fā)9種信號，提供7類公開服務，包括與GPS民用信號完全兼容的PNT服務、星基增強服務、亞米級增強服務、厘米級增強服務(Centimeter Level Augmentation Service，CLAS)、災害與危機管理衛(wèi)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)，見表4。其中，采用PPP-RTK體制的CLAS服務，是其在精度增強方面的最大亮點和特色[15]。

表4 QZSS信號及其對應服務Table 4 QZSS signals and corresponding services

QZSS將于2020年發(fā)射QZS-1R衛(wèi)星，取代2010年發(fā)射和使用至今的QZS-1衛(wèi)星。2022年至2023年，將發(fā)射另外3顆QZSS衛(wèi)星(QZS-5、QZS-6和QZS-7)，最終建設完成由7顆衛(wèi)星組成的完整系統(tǒng)，覆蓋區(qū)域將大幅擴展，精度進一步提升，并具備授權安全認證等反欺騙手段。

1.5.2 印度NavIC系統(tǒng)

系統(tǒng)由3顆GEO衛(wèi)星和4顆IGSO衛(wèi)星組成，在L5、S頻段提供標準定位服務和授權服務，覆蓋印度及其島嶼周邊地區(qū)；同時，增加了短消息服務，支持通過互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡接口發(fā)送短消息。目前，7顆衛(wèi)星均已在軌工作，2016年已開通服務。2017年，NavIC系統(tǒng)遭遇嚴重問題，7顆在軌衛(wèi)星共21臺銣原子鐘，有7臺出現(xiàn)故障，嚴重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

后續(xù)，擬增加4顆IGSO衛(wèi)星。經(jīng)分析仿真，服務區(qū)域將擴大至30°S～50°N、30°E～130°E，服務區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)量增加到至少6顆，進一步提升導航服務精度和連續(xù)性；同時，計劃增加L1C民用互操作信號，與其他GNSS系統(tǒng)同頻點信號實現(xiàn)兼容互操作。此外，新的NavIC衛(wèi)星上，將搭載搜救載荷。NavIC系統(tǒng)覆蓋區(qū)域和可見衛(wèi)星數(shù)如圖2所示。

圖2 NavIC系統(tǒng)覆蓋區(qū)域和可見衛(wèi)星數(shù)Fig.2 Coverage area and number of visible satellites for NavIC system

2 發(fā)展趨勢分析

2.1 高性能服務趨于標配

隨著全球用戶對高性能定位導航授時服務需求的不斷增加，以及技術的發(fā)展進步，高精度、高完好逐漸成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的標配。

高精度服務方面，各系統(tǒng)在其建設發(fā)展中通過增加衛(wèi)星數(shù)量、配置更高性能的原子鐘、擴展監(jiān)測站數(shù)量和范圍、優(yōu)化改進精密定軌和時間同步等模型和算法等，不斷提升定位精度。目前的四大全球系統(tǒng)空間信號精度(SISRE)實測結果見表5，北斗、Galileo系統(tǒng)以及較新的GPS IIF、GPS III衛(wèi)星相當，均小于1 m；GPS IIR，GPS IIR-M衛(wèi)星由于在軌時間較長，空間信號精度較新的衛(wèi)星差，約為1～3 m；GLONASS系統(tǒng)空間信號精度約為2～6 m。同時，各系統(tǒng)還在進一步提升空間信號精度，逐步逼近理論極限。此外，各系統(tǒng)還可提供更高精度的精密單點定位服務，包括北斗提供基于B2b信號的靜態(tài)厘米級、動態(tài)分米級PPP服務；Galileo系統(tǒng)提供基于E6B信號的全球PPP服務，定位精度20 cm；俄羅斯提供0.1 m的PPP服務；日本QZSS以密集地面站為基礎提供快速收斂(1 min)的厘米級PPP服務[16-18]。

表5 全球系統(tǒng)空間信號精度Table 5 Signal in Space (SIS) performance of global satellite navigation systems

高完好性服務方面，各大系統(tǒng)更加注重用戶的使用安全和應用體驗，將衛(wèi)星或地面完好性監(jiān)測作為標準配置，并向雙頻多星座發(fā)展。如北斗自嵌有生命安全領域的星基增強服務，俄羅斯已經(jīng)將SDCM納入到GLONASS體系，并將用全新的4顆GEO衛(wèi)星替代現(xiàn)有衛(wèi)星；日本QZSS一體化規(guī)劃和提供SBAS服務；新一代GPS和Galileo衛(wèi)星也考慮了自主完好性監(jiān)測和告警能力[19]。

2.2 彈性對抗成為發(fā)展重點

PNT服務更加強調彈性和靈活性，提升復雜電磁環(huán)境下服務可用性，降低對全球地面站的依賴，提升系統(tǒng)自主運行能力，并尋求服務拒止情況下的備份手段和能力。

(1)提升軍民用服務的彈性和能力。為更好的滿足復雜電磁環(huán)境下，特別是軍事任務不斷變化的使用需求，各大系統(tǒng)特別是美國GPS將衛(wèi)星載荷數(shù)字化、高功率、抗干擾、抗欺騙作為新的增量予以重點發(fā)展。如，GPS IIIF衛(wèi)星將大幅提升點波束功率增強能力，全球范圍內可在指定范圍區(qū)域實施針對性功率增強；采用在軌可重編程的數(shù)字化載荷，數(shù)字化率達到100%；NTS-3衛(wèi)星將配置高增益天線，具備受到攻擊、空間環(huán)境擾動以及其他干擾后可恢復(彈回)功能。新一代GLONASS-K2衛(wèi)星，整星功率較GLONASS-K衛(wèi)星提高近3倍；第二代Galileo系統(tǒng)也重點考慮了抗干擾以及安全認證抗欺騙，鑒于衛(wèi)星導航在國防和經(jīng)濟社會命脈的廣泛應用，保安全、抗欺騙，不單是授權信號，也涵蓋開放信號。

(2)發(fā)展高速星間鏈路，提升自主運行能力。為進一步降低對地面的依賴，提升系統(tǒng)安全性，各系統(tǒng)進一步發(fā)展星間鏈路，通過星間測量和傳輸，提升系統(tǒng)服務能力。如，GPS在現(xiàn)有星間鏈路基礎上，進一步升級能力，在具備自主運行能力的同時，降低對海外站的依賴，實現(xiàn)僅依賴國內站情況下對對星座的實時監(jiān)控和全網(wǎng)操作；新一代GLONASS-K2衛(wèi)星將增加激光星間鏈路；Galileo系統(tǒng)，也計劃在下一代衛(wèi)星上配置星間鏈路，自主運行成為新一代系統(tǒng)的重要技術特征[20]；星間鏈路發(fā)展情況如表6所示。

表6 星間鏈路發(fā)展情況Table 6 Development of inter satellite link

(3)通過多系統(tǒng)多手段體系融合，提升系統(tǒng)彈性。各國正在考慮通過融合低軌衛(wèi)星星座等手段來提升系統(tǒng)的彈性。如美國充分挖掘低軌衛(wèi)星系統(tǒng)在導航備份方面的作用，與新一代銥星系統(tǒng)融合，提供STL獨立備份PNT能力；歐洲提出的增加低軌Kepler衛(wèi)星，采用激光星間鏈路，光鐘和光頻梳建立更高精度天基時間基準，也是希望通過增加低軌衛(wèi)星對Galileo中軌星座自主運行的支持。

2.3 多功能聚合成為競技新方向

為了更好滿足多元化用戶需求，多功能高度聚合、提供特色服務，已成為各衛(wèi)星導航系統(tǒng)競技的新方向。目前，各導航系統(tǒng)多功能聚合情況如表7所示。北斗系統(tǒng)多功能聚合特色明顯，其它幾大全球系統(tǒng)，GPS在新一代衛(wèi)星中搭載搜救和新設計的核爆探測載荷；伽利略系統(tǒng)未來還將逐漸推出公開服務導航信息認證、商業(yè)授權認證和緊急告警等特色服務；GLONASS后續(xù)衛(wèi)星計劃提供搜救服務。兩個區(qū)域系統(tǒng)，QZSS通過L1S信號提供DC報告服務，防災組織可發(fā)送諸如地震、海嘯等災害信息，也可以發(fā)布緊急疏散等相關指令信息；使用QZS-3衛(wèi)星S頻段的Q-ANPI服務，可提供一種緊急信息傳送手段。利用QZS-2、QZS-3和QZS-4衛(wèi)星上的L5S信號，還可通過國際合作為國際用戶提供PTV服務，支撐高精度定位新技術的星地試驗。NavIC系統(tǒng)也可提供導航服務和通信服務，并和地面互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通。

表7 各衛(wèi)星導航系統(tǒng)多功能聚合情況Table 7 Multi-functional integration of satellite navigation system

相較于傳統(tǒng)的服務，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的多樣化服務各具特色，而且根據(jù)用戶特點和需求進行了升級和改進。如北斗和伽利略系統(tǒng)的搜救服務，用戶的定位精度從傳統(tǒng)的搜索與救援衛(wèi)星(SARSAT)系統(tǒng)的5 km提高到100 m，定位時間從以前30 min，提高到95%以上時間可在5 min內收到信標確認信息，縮短了遇險信標位置檢測時間；并且實現(xiàn)了反向鏈路，可向用戶發(fā)送接收遇險電文的確認信息，提升了搜救效率和成功率。目前，北斗短報文服務正積極申請加入全球海上遇險與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System， GMDSS)，2018年6月，國際海事組織批準北斗短報文服務加入GMDSS申請，后面將進一步由國際移動衛(wèi)星組織開展技術與運營評估。

2.4 多服務兼容共用成為主流

隨著四大全球系統(tǒng)和兩個區(qū)域系統(tǒng)相繼提供全球服務，兼容與互操作成為多GNSS系統(tǒng)并存和提供聯(lián)合優(yōu)質服務的重要要求。以RNSS服務為例，按照服務空域不同，分為近地服務域(TSV，8000 km以下)互操作、空間服務域(SSV，8000～36 000 km)和深空服務域(DSV)。

各大系統(tǒng)通過加強兼容互操作，可有效改善觀測幾何，提高全球任何地區(qū)的定位精度，提升全球導航服務可用性。以近地服務為例，四大系統(tǒng)及星座組合的三維位置幾何精度衰減因子(PDOP)值仿真結果如表8所示。根據(jù)表中的仿真結果，各星座系統(tǒng)聯(lián)合服務后，PDOP平均值可達到0.78，相較于單BDS，服務性能提升53.0%、相較于單GPS，服務性能提升51.3%、相較于GLONASS，服務性能提升59.6%、相較于單Galileo系統(tǒng)，服務性能提升54.3%。四大系統(tǒng)聯(lián)合服務，GNSS服務性能提升更加顯著。如考慮最壞情況，聯(lián)合服務后性能提升將更大。

表8 四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)及星座組合的PDOP值Table 8 PDOP for four satellite navigation systems and constellation combination

目前，北斗已實現(xiàn)與GPS的兼容互操作，與GLONASS的兼容，正在與美協(xié)調北斗B2a信號和GPS L5信號的互操作，以及與歐的頻率兼容；美歐、美日、歐日也都完成兼容互操作協(xié)調。美國新一代衛(wèi)星上增加L1C信號，俄羅斯計劃在新一代衛(wèi)星將增加L1OC、L2OC等信號，印度后續(xù)衛(wèi)星將增加L1C信號，增強與其他系統(tǒng)兼容互操作。

近年來，空間活動不斷增多，空間和深空服務域互操作成為研究熱點。依靠單個系統(tǒng)，空間范圍的服務可用性較差，而通過多系統(tǒng)合作，可視衛(wèi)星數(shù)量會大幅增加，能夠實現(xiàn)中高軌范圍乃至深空范圍的定位授時服務。2018年聯(lián)合國全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會第十三屆大會，各系統(tǒng)共同協(xié)調編制的GNSS SSV互操作手冊正式發(fā)布，目前正在進一步研究DSV的互操作問題。

隨著服務多樣化發(fā)展，兼容共用范疇更加擴展，在RNSS基礎上，還逐步擴展到SBAS、SAR等各類服務。星基增強互操作工作組(SBAS IWG)，制定了多頻多星座(DFMC)SBAS的定義文檔和接口控制文件，從單頻單系統(tǒng)向雙頻多系統(tǒng)(DFMC)過渡，各系統(tǒng)根據(jù)文檔要求進行升級，實現(xiàn)各SBAS的兼容互操作，某種意義上實現(xiàn)SBAS服務全球覆蓋。各大系統(tǒng)搭載搜救載荷，從S頻段逐步轉到L頻段，通過頻率分配使用或協(xié)調實現(xiàn)兼容，通過共同進入COSPAS-SARSAT標準實現(xiàn)互操作，聯(lián)合為用戶提供更加可靠、便捷的搜救服務。

除星座互補、信號兼容互操作外，時間和坐標也是兼容與互操作的重要內容。各系統(tǒng)在電文中播發(fā)與協(xié)調世界時(UTC)的偏差，與UTC建立聯(lián)系，實現(xiàn)向UTC的統(tǒng)一溯源；各系統(tǒng)坐標系向最新版的國際地球參考框架(ITRF)對齊，并可在電文中播發(fā)與其他系統(tǒng)的時間偏差和坐標轉換參數(shù)。

3 結束語

目前，衛(wèi)星導航已進入多系統(tǒng)共同服務嶄新時代，各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)都在積極規(guī)劃和部署后續(xù)的升級換代，實施新概念、新技術、新體系的在軌驗證。北斗系統(tǒng)即將全面建成，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展特點和趨勢對北斗系統(tǒng)的發(fā)展具有重要參考意義，結合本文分析，對北斗系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展提出建議，具體如下。

1)全面提升以四性為核心的系統(tǒng)服務性能

各衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球同臺競技，提供全球領先的服務能力是每個GNSS努力的方向。目前，北斗三號在系統(tǒng)定位精度方面，得益于先進導航信號體制和獨具特色的混合星座方案，全球范圍與其他GNSS相當、亞太地區(qū)精度更高；服務可用性，隨著星座的完善逐步提升；連續(xù)性和完好性方面，有待系統(tǒng)滿星座運行后，進行長期檢驗和評估。

從目前各系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢來看，全面提升系統(tǒng)服務精度、可用性、連續(xù)性、完好性是GNSS的發(fā)展之本。今年上半年，北斗完成最后一顆GEO衛(wèi)星發(fā)射，形成滿星座完整運行能力。后續(xù)，應持續(xù)補充完善北斗三號星座，加強系統(tǒng)運行控制和管理，確保連續(xù)穩(wěn)定高質量服務；同時，針對下一代系統(tǒng)發(fā)展，建議考慮增加如激光等新型星間鏈路，優(yōu)化升級導航信號電文、編碼等，實現(xiàn)更高的測距和時間同步精度，配置更加先進、更高精度的星載鐘，搭載激光反射器，進一步提升定軌精度；增加衛(wèi)星在軌壽命、可靠性和可重構能力，提升系統(tǒng)建設和維持的費效比。同時，結合國內低軌星座大發(fā)展的契機，利用低軌衛(wèi)星幾何圖形變化快、全球天基覆蓋、成本低易于批量生產(chǎn)等特點進行低軌導航增強，實現(xiàn)北斗系統(tǒng)服務精度躍級發(fā)展，也可輔助可用性、完好性等性能的提升。

2)重點提升對用戶需求和任務變化的適應能力

用戶需求不斷演變，如何在不斷延長的衛(wèi)星和星座生命周期內升級新技術、適應任務變化、提升系統(tǒng)服務的靈活性也是衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的重要要求?？臻g段方面，應大幅提升衛(wèi)星載荷的數(shù)字化程度，支撐信號的增加、關閉和靈活調整，使得操作者可快速開發(fā)和部署新信號，同時考慮開放和授權信號的賦形波束和點波束配置，提升信號功率和固放效率。增加激光等新型星間鏈路，在提升精度的同時，減少對地面的依賴，增強自主運行能力，實現(xiàn)少量地面站條件下或不依賴于地面的長期運行。地面段方面，提升地面段的智能化運維和網(wǎng)絡安全，確保在網(wǎng)絡攻擊情況下的安全性。為滿足不同用戶多樣化需求，可進一步擴展服務功能，更好地融合導航和通信功能，提升系統(tǒng)服務的聚合性，包括不同精度的PNT服務，以及不同速率用戶接入和信息分發(fā)的靈活性，實現(xiàn)服務功能的精細化、多樣化，提升國際競爭力。

3)大幅增強系統(tǒng)導航對抗攻防能力

未來，空間地面電磁環(huán)境日益復雜，有意或無意干擾將長期存在，由于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的先天脆弱性，以及衛(wèi)星導航更多的應用于國防安全和經(jīng)濟社會命脈各領域，其系統(tǒng)安全和對抗頑存能力就顯得尤為重要。下一步，應加強功率增強能力，實現(xiàn)全球范圍功率增強以及重點區(qū)域的指向性增強，實現(xiàn)區(qū)域可調、功率可調；對開放和授權信號，均增加相應安全認證手段，防止欺騙干擾；增強星座自主運行能力。此外，可與低軌通信衛(wèi)星星座結合，充分利用其頻譜資源、功率資源、星地系統(tǒng)資源特點以及落地功率、信息傳輸速率高的優(yōu)勢，提升室內和復雜環(huán)境下PNT服務的可獲得性，增強PNT服務的彈性。