引言

　　隨著衛星導航系統的發展壯大，衛星導航系統進入了與定位、導航、授時、移動通信和因特網等多源信息載體融合的新時期，衛星導航系統成了國民經濟發展的重要基礎設施。一直以來，我國探索和發展擁有自主知識產權的衛星導航系統，隨著北斗衛星導航系統的成功建設，使我國成為了擁有自主建設、獨立運行衛星導航系統的國家，填補了我國衛星導航領域的空白。該系統可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務，能與其他衛星導航系統兼容，是我國重要空間基礎設施。為此，對北斗衛星導航系統的現狀及發展前景進行分析具有重要意義。

　　一、衛星導航系統發展現狀

　　目前，國際上有四大成熟的衛星導航系統，分別為全球定位系統、全球衛星導航系統、伽利略衛星導航系統和北斗衛星導航系統。

　　（一）全球定位系統（GPS）

　　GPS的研究源于美國的子午儀衛星定位系統。20世紀末，美國為實現在陸海空三大領域進行實時、全天候和全球性的導航服務，聯合陸海空三軍研制了新一代的衛星定位系統GPS，并于1994年建成并覆蓋全球范圍，計劃2030年，投入使用第三代GPS系統。

　　目前，GPS技術已經發展成為國際性高新技術產業，實現多領域、多模式、多用途、多機型的服務，許多國家都在使用GPS終端設備，包括我們國家目前也在使用[1]。

　　（二）全球衛星導航系統（GLONASS）

　　GLONASS最早開發于蘇聯時期。1993年，俄羅斯開始獨自建立本國的全球衛星導航系統；2007年，導航系統開始運營，服務范圍在俄羅斯境內；2009年，服務范圍拓展到全球；2011年，在全球正式運行。

　　GLONASS與GPS一樣可為全球海陸空以及近地空間的各種用戶提供全天候、連續高精度的三維位置、三維速度和時間信息。其與GPS的兼容使用，可以提供更好的精度幾何因子，消除GPS的SA影響，進一步提高定位精度[2]。

　　（三）伽利略衛星導航系統

　　伽利略衛星導航系統是由歐盟研制和建立的全球衛星導航定位系統。1999年，由歐洲委員會公布，2002年正式啟動，2016年投入使用[2]。

　　伽利略衛星導航系統可提供高精度、高可靠性的定位服務，實現覆蓋全球的導航和定位功能，是全球首個民用的導航系統，屬于非軍方控制、管理。其還能夠和其他成熟導航系統實現多系統的兼容，可同時采集并組合各個系統的數據來實現定位導航的要求[1]。

　　（四）北斗衛星導航系統

　　北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System）是我國自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施[1]。

　　1985年至1994年，我國進入自主衛星導航系統的演示論證期。1994年至2002年，進入北斗衛星導航實驗系統研制的建設期。 1994年，啟動北斗一號系統工程建設。北斗一號系統可提供定位、授時、廣域差分和短報文通信的服務，實現有源定位。2003年，增加發射的衛星進一步增強系統的性能。2004年，啟動北斗二號系統工程建設。該系統保留了北斗一號系統的雙向位置報告等功能，與GPS系統在很多方面都有著相似之處，且增加了無源定位體系。2009年，啟動北斗三號系統建設。2012年，完成14顆衛星的組網，建成了覆蓋亞太區域、形成區域無源服務能力的北斗區域衛星導航系統。2018年底，完成19顆衛星的組網，實現中國北斗三號基本系統的組網建設，北斗三號系統由區域擴展為全球服務，北斗衛星導航系統正式邁入全球時代[1-3]。

　　目前，正在實施北斗三號系統建設。2019年，北斗衛星導航系統計劃發射8～10顆北斗導航衛星，將繼續進行高密度全球組網建設，進一步完善全球系統星座布局。計劃2020年年底前，完成30顆衛星發射組網，全面建成北斗三號系統，形成全球無源服務能力，達到世界一流水平[2-3]。2035年，我國還將圍繞北斗衛星導航系統這個核心內容，完成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時（PNT）體系。

　　結合國情，我國積極探索衛星導航系統的建設道路，已逐步形成了“三步走”的發展戰略。第一步：2000年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務。第二步：2012年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務。第三步：計劃在2020年前后，建成北斗全球系統，向全球提供服務[1]。目前，正在實施第三步發展戰略。

　　二、北斗衛星導航系統關鍵技術的發展

　　北斗衛星導航系統服務區為全球，包括“一帶一路”國家和地區在內的世界各地。目前，根據全球范圍測試評估結果，在北斗三號系統基本建成，并提供全球服務期間，北斗衛星導航系統整體運行穩定，在全球區域的定位精度優于10米（預期的定位精度10米），在亞太區域的定位精度優于5米（預期的定位精度5米），符合預期設定的指標。

　　（一）北斗衛星導航系統構成

　　北斗衛星導航系統由三大部分組成，包括空間星座（空間段）、地面控制（地面段）和用戶終端（用戶段）[1]。

　　1. 空間星座（空間段） 　　 空間星座是若干衛星持續發射載有導航電文的無線電波，由地球上的各種接收機來接收信息并進行應用。若干衛星是混合導航星座，由靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星三種軌道衛星組成。截止2018年12月，北斗衛星導航系統有15顆北斗二號和18顆北斗三號衛星在軌工作，為全球提供服務。

　　2. 地面控制（地面段）

　　地面控制包括主控站、時間同步/注入站和監測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設施，用來追蹤及控制北斗導航衛星的運轉。地面控制主要是監視系統狀態，調度衛星；通過收集到的衛星數據，計算導航信息，修正與維護每顆衛星的各項參數數據等，使空間星座的衛星能正常運行。

　　主控站：主要是收集數據、處理數據，根據數據分析的結果，完成規劃及調度，實現系統正常運行的控制和管理。收集時間同步/注入站、監測站的數據，通過處理，形成衛星導航電文，向衛星注入導航電文參數，監測衛星有效載荷等。

　　時間同步/注入站：根據主控站的統一調度，完成主要任務，包括注入衛星導航電文參數，交換與主控站的數據、同步測量時間等。

　　監測站：連續跟蹤監測導航衛星，接收導航信號，將導航信號發送給主控站，提供觀測數據生成導航電文。

　　3. 用戶終端（用戶段）

　　用戶終端包括基礎產品、終端設備、應用系統與應用服務等。其中，基礎產品包括兼容其他衛星導航系統的芯片、模塊、天線等。用戶終端主要是追蹤北斗導航衛星，通過對接收機所在位置的坐標、移動速度及時間的實時計算，服務于各領域的需求，滿足行業需要[1-3]。

　　（二）北斗衛星導航系統的功能

　　北斗衛星導航系統具有開放、穩定、可靠的定位定向、實時導航、精密測速、精確授時、位置報告、短信服務等功能，能為全球的用戶提供。目前，北斗衛星導航系統的服務區域為全球，定位精度10米（95%），測速精度0.2米/秒（95%），授時精度20納秒（95%）[1-3]。其中，在亞太地區，定位精度5米（95%）。

　　1. 定位功能

　　長時間以來，我國主要依靠GPS開展各類導航任務，隨著北斗衛星導航系統的廣泛應用，完全依靠GPS的時代已結束。目前，北斗衛星導航系統的定位誤差小于10米，部分精度可達到厘米甚至毫米級（基于授權和有標校站的支持）。終端可自動匯報位置（根據授權情況），可實時了解終端動態，有利于指揮機構的廣泛應用。

　　2. 導航功能

　　導航是北斗最重要的功能，與GPS相似。為了解決單一信號的不足，提高導航的精度和可靠性，北斗衛星導航系統允許一臺終端機分別接收不同的衛星導航信號，測速精度可達0.2米/秒，以達到配合不同衛星導航的終端，能進行陸海空的全天候導航。

　　3. 授時功能

　　北斗衛星導航系統為更好滿足用戶需求，提供了高精度的授時服務，精度可達到50ns，對時間同步要求高的行業有非常重要的作用，如通信、金融、電力等高時間要求的行業。

　　4. 短報文功能

　　短報文功能是北斗衛星導航系統特有的功能，其他衛星導航系統不具備此功能。該功能可雙向報文通信，一次可傳輸40～60個漢字的短報文信息。在用戶授權并完成配置后，終端與指揮機可進行信息傳輸，實現點對點通信，不受距離限制，可有效應對遠距離通信或無線電盲區通信，能在航空、航海、搶險救災等活動發揮重要作用。

　　三、北斗衛星導航系統的應用

　　隨著北斗衛星導航系統覆蓋亞太地區，并開啟了全球組網時代，北斗衛星導航系統在基礎理論、應用開發、服務領域等方面取得了很大的進步。伴隨系統服務能力的逐步提升，北斗衛星導航系統正在大眾定位、智慧城市、交通運輸、農業漁業、公共安全、減災救災、氣象探測、通信和電力等眾多領域得到應用，并呈現出更為廣泛應用的趨勢[1-9]。

　　個人位置服務方面，北斗衛星導航系統廣泛應用于智能手機、汽車導航定位服務等領域，預計到2020年，北斗衛星導航系統將可在全球實現個人的位置服務。

　　智慧城市方面，北斗衛星導航系統應用于環衛保障車輛在線監管、實時公交綜合信息發布、公務車管理、120急救指揮調度、燃氣行業等領域。

　　交通運輸方面，北斗衛星導航系統廣泛應用于設施安全監控、運輸過程監控、港口實時定位調度監控等領域。據統計，國內營運車輛、郵政和快遞車輛、中心城市公交車、內河導航設施、海上導航設施已逐步應用北斗導航系統，有效提升了營運車輛的監控管理效率和道路運輸安全水平。

　　農、林、漁業方面，基于北斗衛星導航系統的農機作業監管平臺，北斗衛星導航系統可對農機進行遠程管理，實施精準作業。充分發揮北斗衛星導航系統的定位與短報文通信功能，提高森林防火的管理水平。通過對船位的實時監控，可實時了解漁船出入港信息，提高漁業管理部門的服務能力。

　　公共安全方面，結合北斗衛星導航系統精確定位及其特有的短報文通信功能，可為公安提供可視化的警力資源調度及應急通信保障等應用，實現了警力資源動態調度、一體化指揮，提高了響應速度與執行效率。

　　救災減災方面，北斗衛星導航系統基于其精確定位技術，及時上報與共享災情信息，實時進行指揮和調度，短報文通信功能能實現應急通信，顯著提高了救災減災的決策部署能力及反應能力。

　　氣象測報方面，由一系列氣象測報型北斗終端設備形成的系統應用，提高了國內高空氣象探空系統的觀測精度、自動化水平和應急觀測能力。

　　通信方面，突破光纖拉遠等關鍵技術，形成一體化衛星授時系統，開展北斗雙向授時應用。

　　電力應用方面，基于北斗衛星導航系統的授時應用，同步應用電力時間，保障電力保護系統、電力異常事故分析系統、電力預警系統的安全、穩定運行。 　　 總之，北斗衛星導航系統已逐步融入我國的現代化建設和百姓的日常生活，面對未來，北斗衛星導航系統將持續提升服務性能，擴展服務功能，增強連續穩定運行能力。北斗衛星導航系統還計劃2020年繼續完成高密度全球組網工作，進一步提升全球基本導航和區域短報文通信服務能力，并實現全球短報文通信、星基增強、國際搜救、精密單點定位等服務能力[3]。

　　四、北斗衛星導航系統發展前景分析

　　目前的北斗衛星導航系統具有以下特點：一是北斗衛星導航系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區性能優勢更為明顯；二是北斗衛星導航系統提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度；三是北斗衛星導航系統創新融合了導航與通信能力，具備基本導航、短報文通信、星基增強、國際搜救、精密單點定位等多種服務能力[1-3]。

　　北斗衛星導航系統的建設實踐，實現了在區域內快速形成服務能力、逐步擴展為全球服務的發展路徑，豐富了世界衛星導航事業的發展模式，但與國外成熟的衛星導航系統相比，起步晚的北斗衛星導航系統還存在以下問題：一是北斗衛星導航系統及終端建設還處于發展過程中，整個產業鏈還不是很成熟；二是北斗衛星導航系統的技術尚處于發展和研究階段，缺乏較為強勢的技術力量；三是受GPS導航設備廣泛使用和國內GPS成熟應用技術的影響，北斗衛星導航系統的快速發展存在一定的難度。

　　未來世界各地的星際導航服務將呈現出全時空、全區域、無盲區、高精度的特點，北斗衛星導航系統需進一步提高定位精度，消除定位盲區，增強抗干擾能力，多系統融合發展，更好滿足各種類型的導航和定位需求，有效提高應用效率，才能在未來的星際導航服務上發揮越來越重要的作用。

　　五、結語

　　北斗衛星導航系統在國內各領域取得了長足發展，面對未來星際導航系統的挑戰，還需繼續努力，一要大力推進北斗全球衛星導航系統建設，繼續完善全球系統的星座布局；二要全面提升系統性能，著力推動北斗系統的廣泛應用，提高北斗系統的應用效率；三要繼續做好與其他熱門導航系統的兼容共用，深化衛星導航的國際合作，合力推動世界衛星導航的發展。