2023年12月18日发(作者：苑嘉玉)
导航天地Satellite Navigation世界卫星导航系统的最新进展和趋势特点分析文 | 卢鋆1 张弓2 宿晨庚1 1. 北京跟踪与通信技术研究所 2. 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部一、引言当前，我国北斗卫星导航系统（BDS）、美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）以及欧洲伽利略系统（Galileo）四大全球卫星导航系统均已开通全球服务，日本准天顶卫星系统（QZSS）和印度区域导航卫星系统（NavIC）两大区域卫星导航系统也已开通区域服务，各系统在轨运行服务的导航卫星数量近140颗，世界卫星导航正进入多频多星座服务的全球新时代。在全球任何一个地方，可以观测到几十颗导航卫星，用户能享受的定位导航服务更加快捷方便。新时代带来了新的挑战和机遇，为持续提升系统性能和竞争力，美俄欧等各主要卫星导航国家和地区瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务，正在着手开展新技术的研发和验证、规划新一代系统的建设，我国也在积极推动构建以北斗为基石的更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。本文聚焦各系统建设和应用的最新进展，分析了新的发展趋势和特点，以期为我国卫星导航后续发展提供参考。二、美国全球定位系统（GPS）目前，GPS系统共有36颗在轨卫星，其中30颗卫星在轨服务（包括8颗BLOCK IIR、7颗BLOCK IIR-M、12颗BLOCK IIF和3颗GPS III卫星）。GPS系统现状如图1所示。322021年第2
Satellite Navigation导航天地图1 GPS系统现状1. GPS系统建设最新进展GPS系统能力不断提升。随着GPS卫星不断升级换代，空间信号精度不断提升，目前达到0.52m。启动新一代GPS III部署。2020年11月5日，成功发射第4颗GPS III卫星。共计划发射10颗GPS III和22颗GPS IIIF卫星，2034年完成全面部署。计划2023年发射导航技术卫星试验卫星（NTS-3，GEO卫星），验证弹性PNT新概念以及新型原子钟、高增益天线、高功率放大器等新技术，以及基于星间链路的本土操控和自主运行能力，并考虑在GPS IIIF卫星上实施验证后的新技术。加快广域增强系统（WAAS）升级换代。计划用3颗新GEO卫星替代WAAS现有3颗GEO卫星，第一颗新GEO卫星拟于2022年投入使用，同时通过在卫星上提供双频多星座服务、接收机采用先进接收机自主完好性监测（ARAIM）技术实现能力升级。更加注重GPS频谱保护以及兼容与互操作。为保护GPS用户免受有害干扰,美将频谱保护为ICG重要议题积极推动，持续推动GPS与其他GNSS兼容共用。此外，美国内Ligado（用于5G和物联网服务的全国性地面网）L频段网络建议的传输功率超过了GPS兼容阈值，可能会干扰GPS用户使用，美GPS主管部门对此感到担忧。通过政策发布和更新保障其定位、导航和授时（PNT）体系发展。2020年2月12日，美总统签署第13905号行政命令《通过负责任地使用定位、导航与授时服务来增强国家弹性》，旨在确保PNT服务的中断或操纵不会破坏其关键基础设施的可靠性和有效运行。2021年1月15日，特朗普政府在卸任前5天发布7号航天政策令《美国天基定位、导航与授时（PNT）政策》，用于取2021年第233
导航天地Satellite Navigation代2004年版《美国天基PNT政策》，为美国天基PNT计划和活动制定行动指南。系统。总体来看，GPS系统通过保持连续可靠服务、鼓励与其他系统互操作、发布和更新保护民用信号及安全使用的系列政策，保持其在GNSS应用领域的领导和优势地位。2. GPS系统应用GPS系统广泛应用在美国交通部、国土安全局、国防部、国家安全维护等方面。在民用领域，GPS提供L1 C/A、L1C、L2C、L5信号服务，并在门户网站上持续公开发布服务信息，超过95%的设备支持GPS系统。另外，GPS注重星基增强系统的建设和应用，已有超过131000架美国飞机配备WAAS三、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）目前，GLONASS系统共有28颗MEO在轨卫星（26颗GLONASS-M和2颗GLONASS-K），其中24颗在轨服务（均为GLONASS-M）。GLONASS系统现状如图2所示。图2 GLONASS系统现状1. GLONASS系统建设最新进展加速MEO卫星换代和能力升级。2020年10月25日，成功发射第三颗GLONASS-K卫星，计划2021至2023年继续发射8颗该系列卫星。同步研制GLONASS-K2卫星，计划2021年开始发射，2030完成新一代卫星部署。GLONASS-K2卫星采用2个相控阵天线播发FDMA/CDMA信号，播发3个频点CDMA民用信号，强化与其他系统兼容互操作；配置激光和无线电星间链路以及更高精度原子钟；搭载激光发射器、搜救等载荷。342021年第2
Satellite Navigation导航天地构建GLONASS混合星座，强化区域能力。计划增加IGSO和GEO卫星，2020年开始拟用3颗Luch-5M GEO卫星，替代差分改正与监测系统（SDCM）现有3颗卫星，并在东经160°增加1颗GEO卫星，实现双频多星座区域增强；2025年前，发射6颗IGSO轨道的GLONASS-B卫星，播发3个频点民用CDMA信号，东半球服务性能提高25%，GLONASS-B和GLONASS-K2卫星还将增加精密单点定位（PPP）服务能力。地面站数量大幅拓展。GLONASS地面段包括控制中心、8个监测站、3个处理中心、5个注入站和3个激光测距站，同时还建立了全球监测网，包括26个国内站和12个国外站；区域增强站由77个交通部站点和4104个测绘局等站点组成。规划未来10年接收机抗干扰/抗欺骗能力提升路线图。更加注重接收机的抗干扰/抗欺骗能力，以专用接收机为例，从2020年到2030年，抗干扰能力从40dB提升到90dB，抗欺骗成功率从0提升至100%。此外，西方因乌克兰事件对俄实施制裁，GLONASS-K系列卫星继2015年发射后，因电子元器件禁运导致该系列卫星发射推迟5年，直到2020年才再次发射，也证明了其积极推动导航卫星电子部件国产化进程取得一定成效。2. GLONASS系统应用GLONASS系统规划了4类不同精度的民用服务，包括5m的基本开放服务、1m的星基增强服务、0.1m的星基精密单点定位服务、0.03m的地面增强服务。当前，GLONASS已经在俄罗斯得到广泛应用，例如基于GLONASS的联邦汽车运输应急系统（ERA-GLONASS）自2017年起被广泛应用于新的交通设备，大大降低了事故发生率，商业前景广泛；基于GLONASS的货物运输收费系统（PLATON）自2015年开始运行，广泛应用于所有境内高速公路，超过百万辆卡车注册使用，创造了极大的经济价值。未来，随着精度和服务性能的进一步提升，其应用领域将更为广泛和深入，主要包括海上导航、密集市区内的港口航行、精准建筑施工与工程无人机、精准农业、智能交通、智慧城市、内部水路测绘、海/陆架钻探科技等。四、欧洲伽利略系统（Galileo）目前，伽利略系统共有26颗在轨卫星，包括22颗完全运行能力（FOC）卫星和4颗在轨验证（IOV）卫星。伽利略系统现状如图3所示。图3 伽利略系统现状352021年第2
导航天地Satellite Navigation1. 伽利略系统建设最新进展空间信号精度不断提升。2016年提供全球初始运行服务以来，服务能力稳中有升，空间信号精度目前已达0.25m。但是，伽利略系统多次异常使其系统和服务稳定性受到广泛质疑，如2017年1月，伽利略系统组网卫星上的原子钟出现大规模故障，曾一度对系统安全产生极大威胁；2019年7月，伽利略系统服务中断117小时；2020年12月，伽利略系统时间发生异常，持续约3小时。加快发展第二代伽利略（G2G）系统。2025年开始发射过渡卫星或第二代卫星，2035年完成第二代系统部署；届时，将提供更多特色服务，包括高级授时服务、太空服务、高级接收机自主完好性检测服务、紧急警告服务、基于返向链路的创新搜救服务、电离层预测服务等。同时，考虑通过引入低轨“开普勒”（Kepler）星座去地面化，提升星座自主守时能力和系统服务精度。管理机构进一步调整强化。欧盟新成立国防工业和太空总司，全面管理伽利略计划，并将伽利略系统及其增强系统欧洲地球静止卫星导航重叠服务系统（EGNOS）列为世界级的太空计划；同时，新成立了欧洲空间计划局（EUSPA），以替代之前的欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA），进一步强化管理。务信息认证、紧急告警、全球20cm精密单点定位服务等，覆盖高安全、高精度、高效信息播发等不同范畴，以满足各类用户多样化需求。当前，伽利略系统已经应用于各行各业，包括航空航天、航海、无人机、汽车、智能手机等。以大众消费为例，根据其市场调查报告，兼容伽利略系统的智能手机数量将达到15亿部。搜救服务方面，国际搜救组织于2016年12月宣布伽利略系统具备搜救早期服务能力。目前伽利略系统可提供基于SAR信标远程激活渔船的服务，即如果一艘渔船在一段时间内未与其船队进行通信，此船就会被远程激活，以便获取此渔船的位置。未来，其搜救服务还将进一步升级，具备返向链路功能。五、日本准天顶卫星系统（QZSS）目前，QZSS系统由3颗IGSO卫星和1颗GEO卫星提供服务，主要在日本及周边实现对GPS的补充和增强，2018年11月开通服务。QZSS现状如图4所示。2. 伽利略系统应用伽利略系统服务多样，目前已提供公开服务、公共特许服务、搜救服务，2020年后，还将逐步增加公开服务信息认证、商业授权服图4 QZSS系统现状362021年第2
Satellite Navigation导航天地1. QZSS系统建设最新进展信号繁多、服务多样。共播发9种信号，提供7类公开服务，基本服务的空间信号精度为2.6m，此外还提供PPP-RTK体制的厘米级增强（Centimeter
Level Augmentation Service，CLAS）服务，是其最大亮点。同时，还在与欧洲、澳大利亚合作，推动其早期告警服务扩展到更大区域。计划扩大星座规模，从补充增强到独立服务。计划增加三颗QZSS卫星，将现有星座扩展成由7颗卫星组成的星座，服务区域由日本及周边扩展到亚太。2036年，7颗卫星全部升级换代后，空间信号精度将达到0.3m，定位精度达到1m。更新国家太空政策。2020年6月,日本第四次更新其太空政策，QZSS仍是其国家空间基本计划中优先级最高的项目之一。务、厘米级增强服务、灾害与危机管理卫星报告服务（Satellite Report for Disaster and Crisis
Management，DC Report）、星基增强服务、定位技术验证服务（Positioning Technology Verification
Service，PTV）、QZSS安全确认服务（QZSS Safety
Confirmation Service，Q-ANPI）共7类服务，广泛应用于日本境内的多个领域，包括汽车自动驾驶、航行自动驾驶、智能农业、无人机、轨道交通管理系统、自动停泊系统、海洋建设、可穿戴运动设备等。六、印度区域导航卫星系统（NavIC）目前，NavIC系统由3颗GEO卫星和4颗IGSO卫星提供服务，覆盖印度及其岛屿周边地区，2016年已开通服务。未来，印拟增加4颗IGSO卫星，服务区域将扩大至南纬30°～北纬50°、东经30°～130°，服务区可见卫星数量增加到至少6颗，定位精度达到3m；同时，计划增加L1C民用互操作信号，与其他系统加强兼容互操作，还将搭载搜救载荷。NavIC系统现状如图5所示。2. QZSS系统应用QZSS已经提供与GPS民用信号完全兼容的PNT服务、星基增强服务、亚米级增强服图5 NavIC系统现状2021年第237
导航天地Satellite NavigationNavIC系统向用户提供民用标准定位服务（SPS）并向授权用户提供限制服务（RS），单频用户可以使用L5或S频段信号，双频用户使用L5和S频段信号。当前兼容NavIC系统的芯片种类较少，主要包括仅接收NavIC信号的芯片和接收NavIC信号和GPS增强信号的芯片。同时NavIC系统已经应用到印度国内授时、时频同步、卫星发射和跟踪网络、国家电网等行业用户。目前，NavIC系统定位和短消息服务已可以在手机应用程序中使用，支持NavIC的信息接收机可以通过蓝牙连接用户的手机，用户可以在手机上获得使用当地语言的海啸、大浪等预警信息以及政府机构发布的信息。七、北斗卫星导航系统目前，北斗三号全球系统共有30颗在轨卫星（包括24颗MEO卫星、3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星），全部在轨服务。北斗系统现状如图6所示。图6 北斗系统现状1. 北斗系统建设发展最新情况北斗迈进全球服务新时代。北斗三号2009年11月启动建设，历经关键技术攻关、试验卫星工程、最简系统、基本系统、完整系统五个阶段。2020年6月23日，北斗三号系统最后一颗组网卫星成功发射，北斗系统提前半年完成全球星座部署；7月31日， 总书记向世界宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗“三步走”发展战略圆满完成。系统性能世界一流。北斗系统通过全网星间链路，解决了区域布站全球服务的难题。服务承诺指标全球定位精度优于10m，测速精度优于0.2m/s，授时精度优于20ns；亚太地区定位精度优于5m，测速精度优于0.1m/s，授时精度优于10ns。系统功能高度聚合，提供多样化服务。目前，北斗系统已提供导航定位和通信数传两大类、七种服务。包括面向全球范围的定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和国际搜救（SAR）服务，面向中国及周边地区的星基增强（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）和区域短报文通信（RSMC）服务。382021年第2
2. 北斗系统应用北斗系统已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等行业，融入电力、金融、通信等基础设施，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，产生显著的经济和社会效益。支持北斗三号新信号的22nm工艺射频基带一体化芯片，已经进入量产阶段，性能再上新台阶。目前已构建起集芯片、模块、板卡、终端和运营服务为一体的北斗完整产业链，10年来我国卫星导航与位置服务产业总体产值年均增长20%以上，2019年达到3450亿元，2020年有望超4000亿元。以交通农业领域为例，近700万辆道路营运车辆已经安装使用北斗系统，占运营车辆的96%；基于北斗的农机自动驾驶系统推广应用近4.5万台套，节约50%的用工成本；基于北斗的农机作业监管平台和物联网平台为近40万余台套农机设备提供服务，极大提高了作业管理效率。在2020年抗击新冠肺炎疫情中，北斗高精度服务提供精确标绘，有力支撑武汉火神山、雷神山医院10天建成，基于北斗的无人机、无人车纷纷应用到疫区医疗物资配送，实现智能化、精准化。北斗系统已在全球超过一半的国家和地区得到应用，向亿级以上用户提供服务，基于北斗的土地确权、精准农业、数字施工、车辆船舶监管、智慧港口解决方案在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等得到成功应用。此外，北斗持续推进进入民航、海事、搜救卫星、移动通信、电工委员会等国际组织标准。2020年11月，在国际民航组织导航系统专家组第六次全体会上，北斗三号全球系统189项性能指标技术验证全部通过，标志着北斗三号全球系统进入国际民航组织标准工作的最核心和最主要任务圆满完成；2020年，国际电工委员会发布首个北斗船载接收设备检测国际标准，国际移动通信组织发布首批支持北斗三号B1C信号的5G标准，国际海事无Satellite Navigation导航天地线电技术委员会也将发布完全支持北斗三号所有公开信号的RTCM标准协议。八、发展趋势和特点从世界主要卫星导航系统最新发展情况来看，各卫星导航国家和地区对GNSS系统的重视与日俱增，加速谋划系统能力升级换代，加快部署新技术、新卫星、新服务。系统建设和应用总体呈现以下新的趋势和特点。1. 高精度和高完好的民用服务逐渐成为系统标配各系统更加重视通过增加卫星数量、配置更高性能原子钟、扩展监测站数量和范围、优化改进精密定轨和时间同步算法等方面，不断提升空间信号精度和系统定位精度。同时，逐步提供精密定位服务，如伽利略系统将提供全球20cm高精度服务，GLONASS将提供区域10cm高精度服务，QZSS已在本土和周边提供10cm高精度服务。完好性服务方面，各系统加快现有星基增强系统升级换代，由单频单星座向双频多星座发展，并注重星地完好性联合监测，更好保障用户安全可靠应用。2. 多服务、多功能高度聚合成为竞技新方向为更好满足多元化用户需求，多功能高度聚合、提供特色服务，已成为未来赢得用户新的着力点。GPS将在新一代卫星上搭载搜救和新设计的核爆探测载荷；伽利略系统未来还将逐渐推出安全认证、告警服务、电离层预测等特色服务；GLONASS后续卫星也计划提供搜救服务；日、印系统也将陆续推出新服务、新功能。如何实现卫星导航系统的集约高效，实现一星多用、一系统多能成为未来各系统挖潜增效、提升国际竞争力的新方向。3. 构建弹性体系成为GNSS发展新要求弹性是PNT体系的主要特征之一，卫星导航系统作为综合PNT体系的基石，更应该具备弹性特2021年第2期卫星应用39
导航天地Satellite Navigation征，以实现系统可靠安全。通过高中低轨混合星座、高速星间链路等手段构建弹性体系，提升系统的安全性和服务可用性。如GEO可实现本土全时覆盖和操控，IGSO可提升区域能力和遮挡环境下的服务可用性，MEO 更加注重全球覆盖，LEO可完成导航增强和备份。GPS虽已有全球监测和操控能力，但还在积极发展基于星间链路的本土操控和自主运行能力；GLONASS也在发展混合星座体系和星间链路；伽利略系统也在积极研究引入低轨，提升复杂环境下服务的稳健性和系统能力的弹性。九、结束语目前，北斗全球系统已全面建成，正式迈入全球服务新时代，以崭新的姿态走向世界。世界卫星导航系统的最新进展可以为北斗发展提供重要参考。随着各卫星导航系统全面服务，全球卫星导航进入新一轮竞技，2035年也将成为下一个重要里程碑。当前，互联网、云计算、大数据、人工智能、低轨星座等技术的迅猛发展，北斗卫星导航与新领域、新业态融合发展的趋势愈加明显。一方面，要充分发挥北斗系统高精度和特色服务优势，加快北斗应用融合发展；另一方面，北斗系统应抓住当前各类新技术蓬勃发展带来的机遇，通过技术融合，大幅提升服务性能和系统安全性。此外，应做好包括新型原子钟、高速星间链路等对系统服务性能提升有关键影响的核心技术和产品研发和储备，进一402021年第2步提升我国卫星导航领域的全球竞争力。2035年前，我国还将建成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系，未来，北斗系统应着眼世界卫星导航发展前沿，继续创新发展，为全球用户提供基准统一、覆盖无缝、安全可靠、便捷高效的PNT服务，为未来智能化、无人化发展提供核心支撑。参考文献[1]刘春保.2018年国外导航卫星发展综述[J].国际太空,2019(2):42-47.[2]卢鋆,张弓,陈谷仓,等.卫星导航系统发展现状及前景展望[J].航天器工程,2020,29(4):1-10.[3]庄钊文,王飞雪,欧钢,等.北斗卫星导航系统安全和完好性监测现状与发展[J].科技导报,2017,35(10):13-18.[4]郭树人,刘成,高为广,等.卫星导航增强系统建设与发展[J].全球定位系统,2019,44(2):1-12.[5]王冬霞,辛洁,薛峰,等.GNSS星间链路自主导航技术研究进展及展望[J].宇航学报, 2016,37(11):1279-1288.
2023年12月18日发(作者：苑嘉玉)
导航天地Satellite Navigation世界卫星导航系统的最新进展和趋势特点分析文 | 卢鋆1 张弓2 宿晨庚1 1. 北京跟踪与通信技术研究所 2. 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部一、引言当前，我国北斗卫星导航系统（BDS）、美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）以及欧洲伽利略系统（Galileo）四大全球卫星导航系统均已开通全球服务，日本准天顶卫星系统（QZSS）和印度区域导航卫星系统（NavIC）两大区域卫星导航系统也已开通区域服务，各系统在轨运行服务的导航卫星数量近140颗，世界卫星导航正进入多频多星座服务的全球新时代。在全球任何一个地方，可以观测到几十颗导航卫星，用户能享受的定位导航服务更加快捷方便。新时代带来了新的挑战和机遇，为持续提升系统性能和竞争力，美俄欧等各主要卫星导航国家和地区瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务，正在着手开展新技术的研发和验证、规划新一代系统的建设，我国也在积极推动构建以北斗为基石的更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。本文聚焦各系统建设和应用的最新进展，分析了新的发展趋势和特点，以期为我国卫星导航后续发展提供参考。二、美国全球定位系统（GPS）目前，GPS系统共有36颗在轨卫星，其中30颗卫星在轨服务（包括8颗BLOCK IIR、7颗BLOCK IIR-M、12颗BLOCK IIF和3颗GPS III卫星）。GPS系统现状如图1所示。322021年第2
Satellite Navigation导航天地图1 GPS系统现状1. GPS系统建设最新进展GPS系统能力不断提升。随着GPS卫星不断升级换代，空间信号精度不断提升，目前达到0.52m。启动新一代GPS III部署。2020年11月5日，成功发射第4颗GPS III卫星。共计划发射10颗GPS III和22颗GPS IIIF卫星，2034年完成全面部署。计划2023年发射导航技术卫星试验卫星（NTS-3，GEO卫星），验证弹性PNT新概念以及新型原子钟、高增益天线、高功率放大器等新技术，以及基于星间链路的本土操控和自主运行能力，并考虑在GPS IIIF卫星上实施验证后的新技术。加快广域增强系统（WAAS）升级换代。计划用3颗新GEO卫星替代WAAS现有3颗GEO卫星，第一颗新GEO卫星拟于2022年投入使用，同时通过在卫星上提供双频多星座服务、接收机采用先进接收机自主完好性监测（ARAIM）技术实现能力升级。更加注重GPS频谱保护以及兼容与互操作。为保护GPS用户免受有害干扰,美将频谱保护为ICG重要议题积极推动，持续推动GPS与其他GNSS兼容共用。此外，美国内Ligado（用于5G和物联网服务的全国性地面网）L频段网络建议的传输功率超过了GPS兼容阈值，可能会干扰GPS用户使用，美GPS主管部门对此感到担忧。通过政策发布和更新保障其定位、导航和授时（PNT）体系发展。2020年2月12日，美总统签署第13905号行政命令《通过负责任地使用定位、导航与授时服务来增强国家弹性》，旨在确保PNT服务的中断或操纵不会破坏其关键基础设施的可靠性和有效运行。2021年1月15日，特朗普政府在卸任前5天发布7号航天政策令《美国天基定位、导航与授时（PNT）政策》，用于取2021年第233
导航天地Satellite Navigation代2004年版《美国天基PNT政策》，为美国天基PNT计划和活动制定行动指南。系统。总体来看，GPS系统通过保持连续可靠服务、鼓励与其他系统互操作、发布和更新保护民用信号及安全使用的系列政策，保持其在GNSS应用领域的领导和优势地位。2. GPS系统应用GPS系统广泛应用在美国交通部、国土安全局、国防部、国家安全维护等方面。在民用领域，GPS提供L1 C/A、L1C、L2C、L5信号服务，并在门户网站上持续公开发布服务信息，超过95%的设备支持GPS系统。另外，GPS注重星基增强系统的建设和应用，已有超过131000架美国飞机配备WAAS三、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）目前，GLONASS系统共有28颗MEO在轨卫星（26颗GLONASS-M和2颗GLONASS-K），其中24颗在轨服务（均为GLONASS-M）。GLONASS系统现状如图2所示。图2 GLONASS系统现状1. GLONASS系统建设最新进展加速MEO卫星换代和能力升级。2020年10月25日，成功发射第三颗GLONASS-K卫星，计划2021至2023年继续发射8颗该系列卫星。同步研制GLONASS-K2卫星，计划2021年开始发射，2030完成新一代卫星部署。GLONASS-K2卫星采用2个相控阵天线播发FDMA/CDMA信号，播发3个频点CDMA民用信号，强化与其他系统兼容互操作；配置激光和无线电星间链路以及更高精度原子钟；搭载激光发射器、搜救等载荷。342021年第2
Satellite Navigation导航天地构建GLONASS混合星座，强化区域能力。计划增加IGSO和GEO卫星，2020年开始拟用3颗Luch-5M GEO卫星，替代差分改正与监测系统（SDCM）现有3颗卫星，并在东经160°增加1颗GEO卫星，实现双频多星座区域增强；2025年前，发射6颗IGSO轨道的GLONASS-B卫星，播发3个频点民用CDMA信号，东半球服务性能提高25%，GLONASS-B和GLONASS-K2卫星还将增加精密单点定位（PPP）服务能力。地面站数量大幅拓展。GLONASS地面段包括控制中心、8个监测站、3个处理中心、5个注入站和3个激光测距站，同时还建立了全球监测网，包括26个国内站和12个国外站；区域增强站由77个交通部站点和4104个测绘局等站点组成。规划未来10年接收机抗干扰/抗欺骗能力提升路线图。更加注重接收机的抗干扰/抗欺骗能力，以专用接收机为例，从2020年到2030年，抗干扰能力从40dB提升到90dB，抗欺骗成功率从0提升至100%。此外，西方因乌克兰事件对俄实施制裁，GLONASS-K系列卫星继2015年发射后，因电子元器件禁运导致该系列卫星发射推迟5年，直到2020年才再次发射，也证明了其积极推动导航卫星电子部件国产化进程取得一定成效。2. GLONASS系统应用GLONASS系统规划了4类不同精度的民用服务，包括5m的基本开放服务、1m的星基增强服务、0.1m的星基精密单点定位服务、0.03m的地面增强服务。当前，GLONASS已经在俄罗斯得到广泛应用，例如基于GLONASS的联邦汽车运输应急系统（ERA-GLONASS）自2017年起被广泛应用于新的交通设备，大大降低了事故发生率，商业前景广泛；基于GLONASS的货物运输收费系统（PLATON）自2015年开始运行，广泛应用于所有境内高速公路，超过百万辆卡车注册使用，创造了极大的经济价值。未来，随着精度和服务性能的进一步提升，其应用领域将更为广泛和深入，主要包括海上导航、密集市区内的港口航行、精准建筑施工与工程无人机、精准农业、智能交通、智慧城市、内部水路测绘、海/陆架钻探科技等。四、欧洲伽利略系统（Galileo）目前，伽利略系统共有26颗在轨卫星，包括22颗完全运行能力（FOC）卫星和4颗在轨验证（IOV）卫星。伽利略系统现状如图3所示。图3 伽利略系统现状352021年第2
导航天地Satellite Navigation1. 伽利略系统建设最新进展空间信号精度不断提升。2016年提供全球初始运行服务以来，服务能力稳中有升，空间信号精度目前已达0.25m。但是，伽利略系统多次异常使其系统和服务稳定性受到广泛质疑，如2017年1月，伽利略系统组网卫星上的原子钟出现大规模故障，曾一度对系统安全产生极大威胁；2019年7月，伽利略系统服务中断117小时；2020年12月，伽利略系统时间发生异常，持续约3小时。加快发展第二代伽利略（G2G）系统。2025年开始发射过渡卫星或第二代卫星，2035年完成第二代系统部署；届时，将提供更多特色服务，包括高级授时服务、太空服务、高级接收机自主完好性检测服务、紧急警告服务、基于返向链路的创新搜救服务、电离层预测服务等。同时，考虑通过引入低轨“开普勒”（Kepler）星座去地面化，提升星座自主守时能力和系统服务精度。管理机构进一步调整强化。欧盟新成立国防工业和太空总司，全面管理伽利略计划，并将伽利略系统及其增强系统欧洲地球静止卫星导航重叠服务系统（EGNOS）列为世界级的太空计划；同时，新成立了欧洲空间计划局（EUSPA），以替代之前的欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA），进一步强化管理。务信息认证、紧急告警、全球20cm精密单点定位服务等，覆盖高安全、高精度、高效信息播发等不同范畴，以满足各类用户多样化需求。当前，伽利略系统已经应用于各行各业，包括航空航天、航海、无人机、汽车、智能手机等。以大众消费为例，根据其市场调查报告，兼容伽利略系统的智能手机数量将达到15亿部。搜救服务方面，国际搜救组织于2016年12月宣布伽利略系统具备搜救早期服务能力。目前伽利略系统可提供基于SAR信标远程激活渔船的服务，即如果一艘渔船在一段时间内未与其船队进行通信，此船就会被远程激活，以便获取此渔船的位置。未来，其搜救服务还将进一步升级，具备返向链路功能。五、日本准天顶卫星系统（QZSS）目前，QZSS系统由3颗IGSO卫星和1颗GEO卫星提供服务，主要在日本及周边实现对GPS的补充和增强，2018年11月开通服务。QZSS现状如图4所示。2. 伽利略系统应用伽利略系统服务多样，目前已提供公开服务、公共特许服务、搜救服务，2020年后，还将逐步增加公开服务信息认证、商业授权服图4 QZSS系统现状362021年第2
Satellite Navigation导航天地1. QZSS系统建设最新进展信号繁多、服务多样。共播发9种信号，提供7类公开服务，基本服务的空间信号精度为2.6m，此外还提供PPP-RTK体制的厘米级增强（Centimeter
Level Augmentation Service，CLAS）服务，是其最大亮点。同时，还在与欧洲、澳大利亚合作，推动其早期告警服务扩展到更大区域。计划扩大星座规模，从补充增强到独立服务。计划增加三颗QZSS卫星，将现有星座扩展成由7颗卫星组成的星座，服务区域由日本及周边扩展到亚太。2036年，7颗卫星全部升级换代后，空间信号精度将达到0.3m，定位精度达到1m。更新国家太空政策。2020年6月,日本第四次更新其太空政策，QZSS仍是其国家空间基本计划中优先级最高的项目之一。务、厘米级增强服务、灾害与危机管理卫星报告服务（Satellite Report for Disaster and Crisis
Management，DC Report）、星基增强服务、定位技术验证服务（Positioning Technology Verification
Service，PTV）、QZSS安全确认服务（QZSS Safety
Confirmation Service，Q-ANPI）共7类服务，广泛应用于日本境内的多个领域，包括汽车自动驾驶、航行自动驾驶、智能农业、无人机、轨道交通管理系统、自动停泊系统、海洋建设、可穿戴运动设备等。六、印度区域导航卫星系统（NavIC）目前，NavIC系统由3颗GEO卫星和4颗IGSO卫星提供服务，覆盖印度及其岛屿周边地区，2016年已开通服务。未来，印拟增加4颗IGSO卫星，服务区域将扩大至南纬30°～北纬50°、东经30°～130°，服务区可见卫星数量增加到至少6颗，定位精度达到3m；同时，计划增加L1C民用互操作信号，与其他系统加强兼容互操作，还将搭载搜救载荷。NavIC系统现状如图5所示。2. QZSS系统应用QZSS已经提供与GPS民用信号完全兼容的PNT服务、星基增强服务、亚米级增强服图5 NavIC系统现状2021年第237
导航天地Satellite NavigationNavIC系统向用户提供民用标准定位服务（SPS）并向授权用户提供限制服务（RS），单频用户可以使用L5或S频段信号，双频用户使用L5和S频段信号。当前兼容NavIC系统的芯片种类较少，主要包括仅接收NavIC信号的芯片和接收NavIC信号和GPS增强信号的芯片。同时NavIC系统已经应用到印度国内授时、时频同步、卫星发射和跟踪网络、国家电网等行业用户。目前，NavIC系统定位和短消息服务已可以在手机应用程序中使用，支持NavIC的信息接收机可以通过蓝牙连接用户的手机，用户可以在手机上获得使用当地语言的海啸、大浪等预警信息以及政府机构发布的信息。七、北斗卫星导航系统目前，北斗三号全球系统共有30颗在轨卫星（包括24颗MEO卫星、3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星），全部在轨服务。北斗系统现状如图6所示。图6 北斗系统现状1. 北斗系统建设发展最新情况北斗迈进全球服务新时代。北斗三号2009年11月启动建设，历经关键技术攻关、试验卫星工程、最简系统、基本系统、完整系统五个阶段。2020年6月23日，北斗三号系统最后一颗组网卫星成功发射，北斗系统提前半年完成全球星座部署；7月31日， 总书记向世界宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗“三步走”发展战略圆满完成。系统性能世界一流。北斗系统通过全网星间链路，解决了区域布站全球服务的难题。服务承诺指标全球定位精度优于10m，测速精度优于0.2m/s，授时精度优于20ns；亚太地区定位精度优于5m，测速精度优于0.1m/s，授时精度优于10ns。系统功能高度聚合，提供多样化服务。目前，北斗系统已提供导航定位和通信数传两大类、七种服务。包括面向全球范围的定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和国际搜救（SAR）服务，面向中国及周边地区的星基增强（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）和区域短报文通信（RSMC）服务。382021年第2
2. 北斗系统应用北斗系统已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等行业，融入电力、金融、通信等基础设施，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，产生显著的经济和社会效益。支持北斗三号新信号的22nm工艺射频基带一体化芯片，已经进入量产阶段，性能再上新台阶。目前已构建起集芯片、模块、板卡、终端和运营服务为一体的北斗完整产业链，10年来我国卫星导航与位置服务产业总体产值年均增长20%以上，2019年达到3450亿元，2020年有望超4000亿元。以交通农业领域为例，近700万辆道路营运车辆已经安装使用北斗系统，占运营车辆的96%；基于北斗的农机自动驾驶系统推广应用近4.5万台套，节约50%的用工成本；基于北斗的农机作业监管平台和物联网平台为近40万余台套农机设备提供服务，极大提高了作业管理效率。在2020年抗击新冠肺炎疫情中，北斗高精度服务提供精确标绘，有力支撑武汉火神山、雷神山医院10天建成，基于北斗的无人机、无人车纷纷应用到疫区医疗物资配送，实现智能化、精准化。北斗系统已在全球超过一半的国家和地区得到应用，向亿级以上用户提供服务，基于北斗的土地确权、精准农业、数字施工、车辆船舶监管、智慧港口解决方案在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等得到成功应用。此外，北斗持续推进进入民航、海事、搜救卫星、移动通信、电工委员会等国际组织标准。2020年11月，在国际民航组织导航系统专家组第六次全体会上，北斗三号全球系统189项性能指标技术验证全部通过，标志着北斗三号全球系统进入国际民航组织标准工作的最核心和最主要任务圆满完成；2020年，国际电工委员会发布首个北斗船载接收设备检测国际标准，国际移动通信组织发布首批支持北斗三号B1C信号的5G标准，国际海事无Satellite Navigation导航天地线电技术委员会也将发布完全支持北斗三号所有公开信号的RTCM标准协议。八、发展趋势和特点从世界主要卫星导航系统最新发展情况来看，各卫星导航国家和地区对GNSS系统的重视与日俱增，加速谋划系统能力升级换代，加快部署新技术、新卫星、新服务。系统建设和应用总体呈现以下新的趋势和特点。1. 高精度和高完好的民用服务逐渐成为系统标配各系统更加重视通过增加卫星数量、配置更高性能原子钟、扩展监测站数量和范围、优化改进精密定轨和时间同步算法等方面，不断提升空间信号精度和系统定位精度。同时，逐步提供精密定位服务，如伽利略系统将提供全球20cm高精度服务，GLONASS将提供区域10cm高精度服务，QZSS已在本土和周边提供10cm高精度服务。完好性服务方面，各系统加快现有星基增强系统升级换代，由单频单星座向双频多星座发展，并注重星地完好性联合监测，更好保障用户安全可靠应用。2. 多服务、多功能高度聚合成为竞技新方向为更好满足多元化用户需求，多功能高度聚合、提供特色服务，已成为未来赢得用户新的着力点。GPS将在新一代卫星上搭载搜救和新设计的核爆探测载荷；伽利略系统未来还将逐渐推出安全认证、告警服务、电离层预测等特色服务；GLONASS后续卫星也计划提供搜救服务；日、印系统也将陆续推出新服务、新功能。如何实现卫星导航系统的集约高效，实现一星多用、一系统多能成为未来各系统挖潜增效、提升国际竞争力的新方向。3. 构建弹性体系成为GNSS发展新要求弹性是PNT体系的主要特征之一，卫星导航系统作为综合PNT体系的基石，更应该具备弹性特2021年第2期卫星应用39
导航天地Satellite Navigation征，以实现系统可靠安全。通过高中低轨混合星座、高速星间链路等手段构建弹性体系，提升系统的安全性和服务可用性。如GEO可实现本土全时覆盖和操控，IGSO可提升区域能力和遮挡环境下的服务可用性，MEO 更加注重全球覆盖，LEO可完成导航增强和备份。GPS虽已有全球监测和操控能力，但还在积极发展基于星间链路的本土操控和自主运行能力；GLONASS也在发展混合星座体系和星间链路；伽利略系统也在积极研究引入低轨，提升复杂环境下服务的稳健性和系统能力的弹性。九、结束语目前，北斗全球系统已全面建成，正式迈入全球服务新时代，以崭新的姿态走向世界。世界卫星导航系统的最新进展可以为北斗发展提供重要参考。随着各卫星导航系统全面服务，全球卫星导航进入新一轮竞技，2035年也将成为下一个重要里程碑。当前，互联网、云计算、大数据、人工智能、低轨星座等技术的迅猛发展，北斗卫星导航与新领域、新业态融合发展的趋势愈加明显。一方面，要充分发挥北斗系统高精度和特色服务优势，加快北斗应用融合发展；另一方面，北斗系统应抓住当前各类新技术蓬勃发展带来的机遇，通过技术融合，大幅提升服务性能和系统安全性。此外，应做好包括新型原子钟、高速星间链路等对系统服务性能提升有关键影响的核心技术和产品研发和储备，进一402021年第2步提升我国卫星导航领域的全球竞争力。2035年前，我国还将建成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系，未来，北斗系统应着眼世界卫星导航发展前沿，继续创新发展，为全球用户提供基准统一、覆盖无缝、安全可靠、便捷高效的PNT服务，为未来智能化、无人化发展提供核心支撑。参考文献[1]刘春保.2018年国外导航卫星发展综述[J].国际太空,2019(2):42-47.[2]卢鋆,张弓,陈谷仓,等.卫星导航系统发展现状及前景展望[J].航天器工程,2020,29(4):1-10.[3]庄钊文,王飞雪,欧钢,等.北斗卫星导航系统安全和完好性监测现状与发展[J].科技导报,2017,35(10):13-18.[4]郭树人,刘成,高为广,等.卫星导航增强系统建设与发展[J].全球定位系统,2019,44(2):1-12.[5]王冬霞,辛洁,薛峰,等.GNSS星间链路自主导航技术研究进展及展望[J].宇航学报, 2016,37(11):1279-1288.