我国卫星导航应用模式发展方向浅析

摘 要：随着全球卫星导航系统的迅速发展，导航信息在全球各行业领域得到了大范围的应用，传统的自主导航加通信手段已经不能全面满足社会各方面对卫星导航服务的需求。本文通过对现有卫星导航系统信息应用模式的分析与比对，结合我国实际行业需求和北斗区域卫星导航系统具有短报文通信功能的特点，研究并提出了适用于我国的卫星导航信息应用与服务模式及发展方向。

关键词：卫星导航系统；导航信息应用；服务模式

1 引言

卫星导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。该系统在国民经济众多领域应用非常广泛，已形成庞大的卫星导航产业，随着北斗区域卫星导航系统开通运行，在我国及周边地区、海域已经能够实现连续实时三维定位测速能力、高精度授时能力和部分地区的用户位置报告及双向报文通信能力，我国的卫星导航应用领域即将迈入一个新的发展阶段。

从GPS发展的过程来看，以军民两用乃至民用为主的指导策略已经成为GPS从诞生、起步、扩大到垄断的成功经验。通过全球民用市场的开发，GPS积累了丰富的应用经验和技术，并转而应用于军事领域。

中国是发展中国家应用GPS最早的国家，目前GPS在我国民用市场占据了95%左右的市场份额[3]，其低廉的成本和先入为主的现状成为限制我国北斗区域卫星导航系统发展的主要障碍。为打破GPS在我国民用导航领域的垄断地位，实现北斗区域卫星导航系统在我国乃至全球应用的快速发展，需要充分发挥北斗区域卫星导航系统独有的技术特点，研究中国独特的导航信息应用与服务模式。

2 GPS、GLONASS、GALILEO系统

2.1 GPS系统

GPS是全球应用最广的卫星导航系统，GPS 系统是美国国防部在20世纪70年代开发的一个天基无线电定位、导航与授时系统。GPS系统不仅给军方提供了强大支持，而且主导了全球民用卫星导航市场。

GPS系统的导航应用主要包括：（1）陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等；（2）海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；（3）航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

2.2 GLONASS系统

俄罗斯的全球定位系统 GLONASS开始建设于上世纪七十年代，可覆盖俄罗斯全境。目前在轨19颗星，但由于经费不足最少时只有6颗在运行。

GLONASS系统的导航应用与GPS类似，主要应用于车辆调度、船只导航等方面，但远不如GPS应用广泛，主要在俄罗斯境内使用。

值得注意的是，俄罗斯政府的关于卫星导航政策的基本原则中明确，把发展俄罗斯全球导航卫星系统与外国导航系统的一体化，以确保俄罗斯全球导航卫星系统与全球定位系统，以及未来的伽利略系统的匹配性和可互用性作为重点方向。同时把俄罗斯全球导航卫星系统的建立及进一步发展，确立为俄罗斯联邦经济现代化的一个优先重点[2]。

2.3 GALILEO系统

为减少对美国GPS系统的依赖，欧盟于2002年决定启动“伽利略”导航卫星计划。该计划总投资预计 36 亿欧元，由分布在3个轨道上的30颗卫星组成。

GALILEO系统在建立之初就已经明确以民用为目的，其服务主要包括：（1）公开服务。能够免费提供用户使用的定位、导航、时间信号和固定用户的精时间服务；（2）商业服务。相对于公开服务提供了附加的功能，包括加密附加数据、精确的局部差分应用、定位应用和无线通信网络的良好性领航信号等；（3）生命保险服务。与GPS系统结合后有效性超过99.9%，包括船舶进港、机车控制、交通工具控制、机器人技术等；（4）公众控制服务。用于欧洲国家安全、紧急救援等；（5）局部组件提供的导航服务。对单频用户提供差分修正；（6）寻找救援服务。提高目前寻找救援工作的定位精度和确定时间。

2.4 三大导航系统比对分析

从以上GPS、GLONASS、GALILEO系统的应用方向和发展趋势来看，主要有以下几个特点：

（1）卫星应用产业发展完善。

卫星应用产业是国家战略性高技术产业。应用卫星研制生产已形成系列化，正在从试验应用型向业务服务型转变，卫星应用已成为经济建设、社会发展和政府决策的重要支撑。GPS已经建立了完整的卫星运营服务、地面设备与用户终端制造、系统集成及信息综合服务产业链，卫星应用产业发展迅速。

（2）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。虽然采用了通信接入的方式，暂时满足了用户需求，但通信手段的多样化造成了系统总效能的下降，需要寻求统一的标准。

（3）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。但由于起始设计的限制，民用开放式服务等级少，在精度控制方面缺乏更多手段[4]；GALILEO一开始就明确提出多种民用服务，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。

（4）多系统兼容是未来发展方向。

能够接收一个以上卫星系统信号的多系统兼容接收机能够大大提高卫星导航系统的完好性、精确性和可靠性。各导航系统终端设备生产厂家已经开始着力发展研制兼容性更强，功能更加完善的导航终端。

3 北斗区域卫星导航系统

北斗区域卫星导航系统于2004年开始建设，系统在轨星座由5颗GEO 卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星组成，完成中国及周边地区覆盖，计划于2020年建成全球卫星导航系统，在中国及周边区域提供RDSS（Radio Determination Satellite Service，卫星无线电测定业务）服务能力。

3.1 主要特色

相对于目前GPS系统、GLONASS系统和建设中的GALILEO系统，北斗区域卫星导航系统在设计之初就拥有着自己的优势。

（1）通过北斗卫星试验系统完成了顶层设计及关键技术验证试验，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导航系统，为北斗区域卫星导航系统打好了基础，完成了技术积累。

北斗区域卫星导航系统继承了试验系统，实现了定位与通信相结合的一体化设计，定位与位置报告同时完成，建立了用户信息共享的统一标准。创建了双向定时方法， 解决了动态用户的高精度授时。

（2）通过北斗导航试验卫星完成了卫星无线电导航频率申报和启用，为中国卫星导航赢得了空间及频率资源，同时也为北斗区域卫星导航系统兼容GPS、GLONASS、GALILEO系统创造了基本条件[4]。

（3）采用了用户等级划分，逐步实现公开民用服务、授权民用服务、高级民用服务，并以不同的信号频率和调制方式加以区别，提供不同精度和安全级别的服务。

3.2 发展方向

北斗区域卫星导航系统的发展应当在顺应全球卫星导航系统发展大方向的基础上，充分发挥自身特色，逐步发展建设成北斗全球卫星导航系统。

主要包括以下几个发展方向：

（1）实现多系统兼容，实现四大卫星导航系统信号共用；

（2）发挥特色功能作用，除导航、定位外，大力发展通信、定时等功能的应用；

（3）通过多种方式拓展系统功能，如移动通信、互联网络、Wi-Fi、伪卫星等；

（4）建设局域增强系统，实现高精度定位服务；

（5）开展组合定位研究，充分利用多源信号完成导航定位服务。

4 我国导航应用服务发展模式

我国从20世纪90年代中期以来，卫星导航产业经历了孕育、萌芽、快速发展、初步形成比较完整的产业链等几个阶段，即将步入加速腾飞期。在90年代的萌芽期，国内相继注册登记的与卫星导航相关的企业有近百家。2000年以后，我国卫星导航产业进入了快速发展时期。2005年前后，我国卫星导航产业内的企业已经达到2500多家。目前，企业总数已经达到6200多家。形成了包括卫星导航系统、基础类产品、终端产品、系统集成和运营服务等组成的相对完整的产业链，为进一步快速腾飞奠定了重要基础。

4.1 建立卫星应用产业发展体系

坚持远近结合、军民结合、自主研制与国际合作相结合的原则，以国民经济、社会发展和公共安全重大需求为牵引，以业务化和规模化发展为目标，以强化自主创新能力和公共服务能力建设、推进卫星应用公共资源的共享、培育卫星应用企业集群和产业链为重点，以体制机制创新和开放式发展为途径，以加强卫星应用和培育卫星应用市场为突破口，加强国家对卫星应用产业的宏观管理和政策引导，统筹规划与建设卫星及其应用系统，加大对卫星应用产业扶持力度，促使卫星应用产业成为加强与改善政府宏观管理和科学决策的重要手段，不断提高卫星应用业务化运行能力，形成具有国内外市场竞争力的新兴产业。

从2006年开始，原信息产业部、国家发展改革委、科学技术部、商务部、国家知识产权局、原国防科学技术工业委员会、科技部、工信部、财政部等单位先后多份关于重点发展我国卫星导航产业的通知，并将卫星导航作为新兴产业列入空间海洋发展“十二五”规划中，给予大力扶持和专项资金支持，为我国卫星应用产业创建了良好的发展环境。

4.2 行业用户建立示范工程，全力推广应用

2007年11月18日，国家发展和改革委员会、原国防科学技术工业委员会印发的《关于促进卫星应用产业发展的若干意见的通知》明确提出“对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域，须逐步过渡到采用北斗卫星导航兼容其他卫星导航系统的服务体制，鼓励其他行业和领域采用北斗卫星导航兼容其他卫星导航系统的服务体制。”

具体而言，发挥北斗区域卫星导航系统的特点，重点在以下几个行业建立示范工程。

（1）交通行业

交通运输部通知，规定从 2012 年起“两客一危”（长途客车、客运包车和危险货物运输车）车辆必须安装卫星定位装置。2010 年国内公路危化品车辆、大型客车共约37 万辆；如计及其他类型的专用货车、普通货车、中小型客车，规模则达1133 万辆；通过提供GPS兼容系统，北斗系统能够快速提高渗透率，最终在技术与价格上与GPS 形成竞争态势，是北斗产业链从专业迈向大众市场的契机。

（2）海洋渔业

北斗导航定位系统为渔业船舶提供通信联络、监控和救助功能，提高渔船的远航和外海作业能力。大中型渔船由于行驶范围较大，要求加装兼容GPS的北斗终端设备。2010年全国海洋大中型捕捞渔船数量为9.08万艘。农林部渔业局的“十二五”规划细则指出要为90%以上渔船配备必要的安全通信、避碰设备，北斗导航终端应成为首选。从军事角度讲，沿海106万艘装备了北斗终端的渔船将能够极大地扩展我国海防预警范围，意义极为重大。

（3）电信、电力、银行、传媒等行业

移动通信网的运行，电力的调度与切换，银行和证券的结算，广播电视的播出等均需要时间同步设备，国内上述行业的时间同步系统的时钟源大都采用GPS 系统作为主时钟源。3G/4G 通信网络以及数字电网的时间同步精度的要求更高，北斗系统双向定时服务能够保证10ns的精度，国家安全的需要使得北斗系统替代GPS授时成为必然，结合可靠性方面的考虑，基于多系统兼容的卫星授时方式成为优选。

4.3 面向大众市场，大力发展多种服务模式

4.2.1 发展多模终端设备

北斗多模导航终端进入大众市场为大势所趋。虽然目前GPS占了中国95%左右的市场，但未来北斗多模终将是大势所趋。

核心原因是，多模系统兼容GPS和北斗的各自优势，用户可以自由选择、自由切换。同时GPS 系统无法覆盖国内偏远地区，而多模导航应用范围更广、系统精度更高。虽然北斗多模是大势所趋，但由于目前北斗多模导航终端成本相对较高，大众接受还有难度。大规模应用取决于成本降低的速度。

为实现北斗卫星导航定位系统在民用领域的产业化，系统用户终端关键元器件必须解决国产化问题。北斗系统用户终端设备关键元器件研制要列入国家发展计划，投入资金，组织有基础的部门联合攻关，以解决系统用户机主要元部件依赖进口、用户设备价格居高不下的局面，使系统用户机的关键元器件与北斗系统一样拥有自主知识产权。只有这样，才能研制出性能好、价格廉的终端用户机，也只有这样才能使北斗系统在与国外卫星导航定位系统应用的竞争中取胜。

4.2.2 建立多手段服务机制

建立北斗导航信息通畅的服务渠道，按级别提供对应的服务：

（1）公共服务

建立北斗导航信息公共服务网站，提供GPS、GLONASS、GALILEO、北斗系统的卫星预报星历，预报钟差、电离层模型、格网等导航信息，对用户提供免费查询和下载服务。

（2）授权服务

通过安全网站向授权用户提供北斗监测接收机原始测量信息、公共误差修正参数、精密星历、精密钟差等信息，为长期用户提供数据推送服务，制定标准数据接口，提供云计算服务等。

（3）广域差分服务

提供广域差分增强服务，为用户提供精度在厘米级别的高精度定位服务。同时监测各种误差改正精度实现系统完好性监测，提高报警能力。

（4）信息扩展服务

与中国移动、联通、电信等通信公司合作，实现北斗RDSS短报文与手机短信、CDMA、Wi-Fi等通信网络的互联互通，北斗RDSS通信链路将得到极大的扩展。

配置伪卫星，提高定位精度、改善卫星导航系统的完好性和可用性[5]。

4.4 立足长远，研究未来导航服务新方法

随着北斗区域卫星导航系统和GALILEO系统的即将建成，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（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）的能力。以后的GNSS将是四大系统兼容共用形成的全球导航卫星系统[4]。

因此，未来导航服务能力的首要研究方向依然是如何兼容共用四大导航系统。

（1）GNSS组合定位技术

与现有的兼容接收机工作原理不同，GNSS的兼容共用是一种全新的概念，可以称为组合导航技术，通过分析CDOP值与卫星数目的关系，确定选星数目以及设计星座选择算法，并对各系统不同的导航电文进行时空统一以及观测向量的误差修正，最后完成定位解算[1]。组合导航技术拥有反应时间短，定位精度高，可用性好等优点，将成为GNSS必然的发展方向。

（2）卫星信号干扰监测/定位技术

卫星信号干扰是卫星导航应用的心腹大患，为解决GNSS卫星信号干扰问题，需要建立全国范围的信号干扰监测系统，监测可能出现的干扰信号，对干扰源进行定位，并及时上报处理，确保GNSS的正常使用。卫星信号干扰监测是确保GNSS连续可用的必需手段，是未来导航服务的关键环节。

（3）室内导航和室内外导航的无缝融合技术

由于GNSS信号容易受到遮挡和多路径等传播因素的影响，因此在城市密集城区和室内封闭空间无法保证可靠的定位精度和可用性[6]。需要研究卫星导航与无线/有线通信的融合、与自主导航系统的融合，实现室内外导航定位的无缝融合和平滑对接，实现真正意义上的泛在定位服务。

5 结束语

卫星导航定位系统是国家信息基础设施之一，是实现社会信息化的重要工具，也是国家科技水平和经济实力的象征。北斗卫星导航定位系统的建成并投入使用，打破了美国等发达国家垄断卫星导航定位技术的局面，提高了我国经济社会的信息化水平。北斗系统的应用发展涉及到国家各个领域。我们期望政府高度重视北斗系统的应用和生存发展，采取有力措施推进系统应用，社会各界携起手来共同努力，建设具有中国特色的北斗卫星导航产业，使北斗系统更好地为我国的国民经济建设服务。

References （参考文献）：

[1] Li Chuan， Xu Fan Jiang， Liu Li Xiang， Zhou Ya Wen， Research on Data Processing for COMPASS/GPS/GLONASS Integrated Positioning， CSNC 2011，

李川，徐帆江，刘立祥，周文亚，COMPASS/GPS/GLONASS卫星组合定位数据处理研究，第二届中国卫星导航学术年会 2011.

[2] A37-WP/1951， TE/109， 22/9/10， 国际民用航空组织大会第37次会议工作文件.

[3] Tang Jin Yuan， Yu Lu， Wang Si Chen， Analysis of COMPASS Navigation Satellite System application status， GNSS World of China， 2008.2， P26-30，

唐金元，于潞，王思臣，北斗卫星导航定位系统应用现状分析，全球定位系统，2008.2，P26-30.

[4] TAN Shu-sen， Development and Thought of Compass Navigation Satellite System， Journal of Astronautics， 2008.3， P391-396，

谭述森，北斗卫星导航系统的发展与思考，宇航学报，2008.3，P391-396

[5] Geng Jian Ping， Tang Xian Hong， Study on Positioning of Pseudolite-Assisted Beidou-2 Satellite Navigation System， CSNC 2010，

耿建平，唐先红，第二代北斗卫星导航系统伪卫星辅助定位技术研究，第一届中国卫星导航学术年会，2010.

[6] Tian Hui， Xia Lin Yuan， Mo Zhi Ming， Wu Dong Jin， Signals of Opportunity Assisted Ubiquitous Positioning and Its Key Elements for Outdoor /Indoor Environment， Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2009.11， P1372-1376，

田辉，夏林元，莫志明，吴东金，泛在无线信号辅助的室内外无缝定位方法与关键技术，武汉大学学报・信息科学版，2009.11，P1372-1376.

作者简介：

曹纪东（1976-），男，汉族，高级工程师，陕西宝鸡人，1998年毕业于西安电子科技大学科技信息专业，毕业后一直从事我国卫星导航系统的开发研究，先后参与了北斗卫星导航试验系统、北斗区域卫星导航系统的研制建设。