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国之重器!从北斗系统建设发展纵论世界卫星导航新格局
来源:安徽京准电子科技 | 作者:安徽京准科技 | 发布时间: 2020-05-13 | 431 次浏览 | 分享到:
世纪初,世界卫星导航领域建成并提供服务的卫星导航系统,主要有美国GPS、俄罗斯GLONASS和我国北斗卫星导航系统。其中,美国GPS系统向全球提供服务;俄罗斯GLONASS早期也可提供全球服务,后期因经济衰退,卫星补网出现困难,最少时只有7颗卫星在轨;我国完成北斗一号建设,向我国及周边用户提供服务。


      世纪初,世界卫星导航领域建成并提供服务的卫星导航系统,主要有美国GPS、俄罗斯GLONASS和我国北斗卫星导航系统。其中,美国GPS系统向全球提供服务;俄罗斯GLONASS早期也可提供全球服务,后期因经济衰退,卫星补网出现困难,最少时只有7颗卫星在轨;我国完成北斗一号建设,向我国及周边用户提供服务。 

  10年前,GLONASS系统逐渐恢复全球服务能力,北斗二号系统开始为亚太大部分地区提供试运行服务,欧洲也逐步加快推进Galileo系统建设,四大卫星导航系统格局初显。 

  当前,美国GPS、俄罗斯GLONASS、我国北斗和欧洲Galileo等四大卫星导航系统已提供全球服务,印度Navlc(印度导航星座)和日本QZSS(准天顶系统)两个区域系统也向用户提供区域服务,世界卫星导航新格局基本显现,新格局呈现新看点。 

    

  1、四大全球系统同台竞技,精度比肩 

  卫星导航系统的定位精度主要由两方面因素决定,一是位置精度衰减因子(PDOP),二是用户等效测距误差(UERE)。PDOP主要取决于星座的覆盖特性,目前四大全球卫星导航系统,PDOP均值相当,一般为2左右。UERE由空间段卫星轨道钟差、传输段的电离层和对流层误差、用户段接收机噪声和多径误差等三部分构成。其中空间段轨道钟差可用用户测距误差(User Range Error, URE)来衡量,这是评估空间信号精度的重要指标,也是国际上各大系统性能竞技的主要标准。 

  美国GPS系统20世纪70年代开始研制,1994年全面建成。当前,GPS系统共有35颗卫星在轨,30颗正常运行。GPS系统空间信号精度均值为0.5米(最差为0.66米,最好为0.36米)。 


▲GPS空间信号精度

  俄罗斯GLONASS系统于1976年启动,1995年实现完整星座部署。目前,GLONASS将其星基增强系统(SDCM,差分改正监测系统)纳入体系,系统共有3颗地球静止轨道(GEO)、27颗中圆地球轨道(MEO)卫星在轨。GLONASS系统定位精度水平优于5米,高程优于9米,与其他系统定位精度相当。考虑到各大系统卫星星座基本完备,PDOP均值相当,扣除传输段和用户段的误差因素,可知GLONASS系统的空间信号精度基本与其他全球系统相当。 


▲GLONASS空间信号精度

  北斗系统目前共有46颗卫星在轨,包括28颗北斗三号卫星和18颗北斗二号卫星,卫星在轨运行良好,空间信号质量优异,北斗三号信号精度优于北斗二号信号精度。目前,北斗三号卫星空间信号精度均值为0.41m。在当前星座条件下,B1IB3I信号,定位精度水平约3.6m,高程约6.6m,测速精度约0.05m/s,授时精度9.8ns95%置信度),亚太地区精度提升约30%B1CB2a信号,定位精度水平约2.4m,高程约4.3m,测速精度约0.06m/s,授时精度19.9ns95%置信度)。相对于美国GPS,俄罗斯GLONASS等系统,北斗系统的空间信号精度相当,定位、测速和授时能力都非常优异。相信,随着北斗卫星星座的逐步完善和入网卫星的进一步增加,北斗系统的服务精度将进一步提升。 


北斗系统空间信号精度

  Galileo目前共有22颗卫星在轨,包括4颗初始运行能力(IOC)的卫星和18颗完全运行能力(FOC)的卫星。服务性能方面,Galileo系统当前空间信号精度均值为0.27m,授时精度为16.8ns。值得关注的是,Galileo系统在2017年,18颗卫星72台原子钟中,高达9台出现故障(含铷钟、氢钟);2019年更是出现长达117小时的服务中断,影响了服务的可靠性,更是增加了用户对使用其服务的疑虑。 


▲Galileo 空间信号精度

  综上,四大全球系统的空间信号精度相当,均为0.5米左右,四大全球导航系统能力比肩。 

    

  2、世界卫星导航多系统共存格局基本形成,兼容互操作成为共识和发展主流 

  兼容共用,更专业的说法是兼容与互操作,这是国际卫星导航领域从单一GPS到多GNSS(全球卫星导航系统)时代发展的重要趋势。 

  兼容,是指独立或联合使用多个全球和区域卫星导航系统及其增强系统,不给单个系统的导航服务带来不可接受的影响(有害干扰);互操作,是指通过使用多个全球和区域卫星导航/增强系统及其开放服务,能在用户层面比单独依赖单个系统的开放信号获得更好的能力。兼容是互操作的前提;为保证自主知识产权,开放信号的互操作可以在有各自独特设计的基础上,实现频谱的相似性,同时实现星座互补、时间互操作、坐标相互转换,为用户提供更好的服务。 

  世界各卫星导航系统一直在加强兼容与互操作国际协调,联合国框架下推动成立全球卫星导航系统国际委员会(ICG)的重要宗旨,就是为了增强兼容与互操作,推动全球应用。以美国为例,20077月,美国GPS系统与欧洲Galileo系统签署兼容与互操作协议,将MBOC611/11)调制信号作为其互操作民用信号;日本QZSS系统的主要功能即是对GPS的区域补充与增强;201912月,美国宣布将印度NavlC区域导航系统,在继欧洲Galileo和日本QZSS之后,同视为其同盟导航系统。 

  我国北斗系统也一直注重和加强与世界主要卫星导航系统的兼容与互操作协调。201711月,中美双方签署北斗与GPS民用信号兼容与互操作联合声明,北斗和GPS在国际电信联盟(ITU)框架下实现射频兼容,北斗B1CGPS L1C信号实现互操作,用户在联合使用北斗B1CGPS L1C信号时,无需增加成本,就可以享受到更好的服务。中俄成立卫星导航重大战略合作项目委员会,已举行11次全方位交流协调,签署北斗和格洛纳斯兼容与互操作谅解备忘录、联合声明等成果文件,明确了两系统射频兼容、星座互补。2008年以来,中欧成立兼容与互操作工作组,共进行7轮谈判和多次非正式交流,并在ITU框架下完成首轮频率兼容协调,正在持续开展深入协调。 

  四大全球系统,通过加强兼容互操作,可有效改善观测几何,提高全球任何地区的定位精度,提升全球导航服务可用性。从仿真结果来看(仿真起始时间2020110时,仿真步长60s,时间1天;PDOP值按5度仰角计算,格网点5*5度),北斗自身服务性能优良;同时,为更好的提升多系统导航定位能力,北斗系统对GNSS服务性能提升非常显著。北斗系统对全世界导航的精度、稳定性、可靠性的贡献率可达到20%以上。 

  目前,北斗应用已深入到人们生产生活的方方面面。由于我国已经跟美国GPS、俄罗斯GLONASS等世界主要系统都完成了兼容共用协调,所以大多数用户设备都是包含北斗在内的多系统应用,用户很多地方使用的导航信号,都有来自北斗的服务。 

  经常会有人问,北斗是否会取代GPS。一般意义上来说,目前,多系统兼容共用是主流趋势,多系统可以为用户提供更优质的服务。北斗系统倡导与其他系统加强兼容与互操作,致力于为全球用户提供更好的服务。从服务能力上来说,北斗系统作为世界一流卫星导航系统,具备独立提供连续稳定可靠高质量服务的能力,北斗二号自开通服务以来,已连续7年服务无中断,北斗三号也已连续服务一周年。随着北斗全球系统的全面建成,北斗系统能力将进一步提升,自主、开放、兼容、渐进发展的北斗,将会以更加优异的表现,成为国人的不二之选。 

    

  3北斗+”引领“GNSS+”,多样化服务成新一轮竞技焦点 

  根据20191227日国新办北斗新闻发布会公布的北斗应用服务体系,2020年,北斗全球系统将可向用户全面提供定位导航授时、短报文通信、国际搜救、精密单点定位和星基增强等多种服务。北斗系统创新性采用导航通信融合的技术体制,其多样化的服务,引领着世界卫星导航的发展。 

  近期,在联合国全球卫星导航国际委员会(ICG)第十四届大会了解到,世界其他系统也在积极发展多样化服务。美国GPS的第三代GPS III卫星,播发可与其他GNSS互操作的第4个民用信号(L1C),提供更高的精度与原子钟服务,后期GPS IIIF将提供搜救服务。未来美国还将对其星基增强系统WAAS当前其使用的3GEO卫星进行更新换代,通过提供双频多星座服务、增强完好性监测服务进行现代化更新。 

  GLONASS将提供4类民用服务,即基本开放服务、高可靠和精度服务、基于载波相位测量与参考站的导航服务、高精度精密单点定位(PPP)服务。同时,GLONASS建有GNSS监测与性能评估系统,独立监测系统性能,并评估用户层性能。 

  伽利略系统将具备4种新服务,包括公开服务导航信息认证、高精度(目标为0.2米)、商业认证、紧急告警(与日、印合作)服务。搜救服务方面,国际搜救组织于201612月宣布伽利略具备搜救早期服务能力,目前已完成返向链路功能演示测试,2020年将提供正式服务。 

  综上,各大卫星导航系统供应商都在积极致力于拓宽卫星导航的服务范畴,以更好的满足用户多样化需求。服务的多样化已成为未来全球卫星导航系统的发展趋势和竞技比拼的新大招。在此趋势下,中国的北斗系统的基本服务能力与各大卫星导航系统相当,跻身世界一流系统行列;同时,可提供短报文通信、国际搜救、精密单点定位和星基增强等多样化的特色服务,在服务多样化的浪潮中积极发挥引领作用,可以说为世界卫星导航发展贡献了中国方案、中国智慧。 

    

  4、各系统加速更新换代,瞄准2035年前后开启新一轮华山论剑 

  2020年,是四大全球卫星导航系统全部完成全球部署、提供服务的新起点,世界卫星导航发展将迈入新纪元;同时,这也是四大系统瞄准2035年前后形成新能力,开始升级换代的新起点。 

  美国计划2034年完成22GPS IIIF卫星部署,巩固其在定位导航授时领域的领先地位。目前,正在抓紧时间研制和发射GPS III卫星,2018年成功发射首颗GPS IIIA卫星;计划2023年完成10GPS IIIA卫星部署,2034年完成22GPS IIIF卫星部署。同时,美国丝毫不放松新技术和新平台的验证工作,为下一代甚至未来几代GPS做准备。在1977年发射导航技术卫星(NTS-2)卫星演示铯钟和全球数据采集网络之后,时隔38年美国再次启动导航技术卫星计划,即NTS-3卫星计划,计划2022年发射NTS-3卫星并开展在轨试验。 


美国GPS现代化进程

  俄罗斯GLONASS计划2030年建成以GLONASS-KM为主体的卫星星座。俄罗斯不断出台文件以及政策,确保GLONASS系统的可持续发展;同时,计划2025年之前发射6颗高轨卫星GLONASS-B3个轨道平面,轨道倾角64.8°,离心率0.072,播发L1/L2/L3 OC信号),使东半球性能提升25% 


▲GLONASS未来发展规划

  北斗全球系统将于2020年全面建成,提供更加优质、更加多样的服务。2035年,将建设完善以北斗为核心,多种手段相互补充、备份、增强的国家综合定位导航授时体系。 


北斗系统未来发展

  欧洲计划2035年左右具备第二代Galileo系统的完全服务能力。20202024年发射4颗第三批完全运行能力(FOC)卫星,2025年开始向更高精度、更多服务的第二代伽利略系统过渡,同时开始发射第二代卫星,将于2030年具备第二代系统初始服务能力,2035年左右具备完全服务能力。 


▲Galileo 空间信号精度

    

  5、高可靠连续服务成为全球服务时代的高标杆,高稳定运行是重中之重 

  GNSS步入全球应用服务时代,卫星导航系统作为提供时空信息服务的基础设施,提供一流的能力重要,提供一流的服务更重要。高可靠连续服务和高稳定运行能力,成为全球卫星导航系统全面服务时代到来行业的重要标杆,这将是全球服务时代到来比拼的关键。同时,各星基增强系统作为给民航等生命安全用户提供差分增强和高完好服务的基础设施,其连续稳定运行就显得更为重要。 

  20197月,欧洲Galileo系统服务一度中断。在ICG第十四届大会上,Galileo服务中断事件成为各方关注焦点。会上欧方单位代表作报告,称此次服务中断,是由于地面段升级造成精密时间设施故障,精度未超出承诺的URE 7米的指标,但服务连续性、可用性超出指标要求。可以想象,Galileo系统在此次服务中断过程中发现问题、协调解决问题链条和周期较长,才会导致长达117小时的服务中断。 

  北斗全球服务同样面临可靠连续稳定服务的高要求。对系统服务的需求,不仅体现在对导航系统星地运行的高要求,还需要在平稳过渡、系统升级、备份设计、运行管理机制、技术保障等环节扎扎实实做好工作,确保用户权益,避免出现类似问题,也避免在国际社会造成负面影响。 

    

  6GNSS新时代催生新应用,传统应用和新兴应用全面开花 

  北斗系统现已广泛应用于交通运输、公共安全、农林渔业、水文监测、气象预报、通信时统、电力调度、救灾减灾等众多领域。同时,基于北斗的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用,广泛进入大众消费、共享经济和民生领域,深刻改变着人们的生产生活方式。 


北斗系统广泛应用于日常生活各领域

  在交通运输方面,北斗系统广泛应用于重点运输过程监控、公路基础设施安全监控、港口高精度实时定位调度监控等领域。截至目前,中国境内有超过700万辆营运车辆、3万辆邮政和快递车辆,36个城市的约8万辆公交车、3200余座内河导航设施、2900余座海上导航设施已应用北斗系统,建成全球最大的营运车辆动态监管系统,有效提升了监控管理效率和道路运输安全水平。 

  在减灾救灾方面,目前已推广北斗终端超过4.5万台。受灾地区可以利用北斗短报文功能及时上报位置信息、突发灾害信息和灾区救助信息等信息;各级民政部门通过北斗终端可以进行救灾物资的查询管理和监控,大幅提升了全国救灾物资管理与调运水平。 

  北斗除了为传统应用领域注入新血液,还在各类新兴产业中大放异彩。未来北斗将与5G移动通信、窄带物联网(NB-IoT)低功耗广域网技术、人工智能技术等领域深度融合,不仅促进5G芯片中嵌入北斗高精度定位能力,助力手机、汽车、机器人和物联网终端实现自动地图生成、智能路径规划、自动环境识别、远程平台监控等功能,还将打造资产跟踪、人员定位、蜂窝辅助定位、冷链运输、智能井盖等各种精品应用。 

  在国际应用方面,北斗系统已在东盟国家的土地确权、精准农业、仓储物流,西亚国家的建筑施工,南亚国家的机场授时、海上打桩,东欧国家的电力巡检,非洲国家的国土测量等不同领域广泛应用。 

    

  2020年,北斗系统将全面建成,向全球用户提供更加优质、更加完善的时空信息服务。北斗将圆梦全球,但梦想不止于此,追梦永不止步。面向新时代,特别是2035年前建设完善更加泛在、更加融合、更加智能综合时空体系的新要求,北斗人将继续前行。 

  雄关漫道真如铁,即将迈步从头跃。历史只会眷顾坚定者、奋进者、搏击者,而不会等待犹豫者、懈怠者、畏难者。站在新的历史起点,北斗人将不忘初心,接续奋斗,做新时代努力奔跑的追梦人,在未来的岁月里继续让中国梦、航天梦、北斗梦焕发更加绚丽的时代光彩。