北斗性能提升与天地融合时空网

　　目前世界上主要的四大导航系统分别为北斗、GPS、GLONASS和GALILEO。与其他三大导航系统相比，北斗独有的功能为短报文通信、三频导航和双向授时功能。短报文通信功能能够使用户无需借助其他通信手段实现位置共享和管控，三频导航使高精度（厘米级）用户载波整周模糊度固定成功率提高15%，有利于提升用户的定位成功率。北斗二代具有多功能融合的特点，同时平面和高程信号指标与美、俄相当，使其在亚太地区拥有较好的比较优势。另外，北斗的位置报告功能是区别于GPS的特色之一，该功能使用户能够在第一时间向指挥部门传递位置和现场信息。

 

　　随着社会经济的发展，时空信息服务为经济发展与转型起到了巨大的带动作用。以新兴互联网产业为例，截至2017年5月底，百度的LBS开放平台每天响应来自第三方超过800亿次定位请求。PC地图月在线用户4亿，无限地图活跃用户数过亿，POI数据近亿。导航与位置服务已经成为移动互联网的基本功能，并正在成为人们重要的日常信息消费服务项目。

 

　　一、 引言

 

　　时空信息服务具有重要的战略意义，是人类社会有序运行的基础支撑，也是人类活动拓展的重要保证。以战争形态的演变为例，在第二次世界大战期间，打击一个目标需要出动1500架战机，使用9000枚炸弹，打击精度为1公里；到了2005年，打击一个目标仅需要出动一架战机，使用1枚制导炸弹，打击精度3米，战争效率大幅提升。时空信息网络是构建现代联合作战体系的核心要素，是目前国家争夺战略制高点的重要领域。

 

　　卫星导航系统是国家的重要基础设施，具有高精度、全天候、大范围、低成本的优势，故而成为陆海天定位、导航与授时的首选。科索沃战争后，受到现代化战争模式的激发，俄罗斯坚定地恢复发展GLONASS，总统和政府多次发布命令制定相关政策措施。同样受到激发的欧盟，尽管遭到美国的强烈反对，也开始突破美国阻挠，坚定实施GALILEO计划。中国北斗一代于2003年投入运营，主要面向国内用户，解决了有无问题；北斗二代于2012年投入使用，面向亚太地区用户提供服务；正在建设的北斗三代将于2020年面向全球用户提供服务。

 

　　二、 机遇与挑战

 

　　北斗系统的建设工作推进十分迅速，但在系统服务与产业制造等方面还存在一系列挑战。北斗系统特有的有源定位RDSS服务需求旺盛，但目前仍存在大规模应用能力有限的问题；在民用和境外服务领域，尚需军民分离的安全机制；在产业推广方面，用户终端体积较大，功耗和成本较高。在无源定位RNSS领域，90%的大众市场仍为GPS占据。北斗系统除了需要进一步提高信号精度外，市场推广也需要进一步突破瓶颈。

 

　　与全球无缝监测的GPS相比，北斗的监测范围较小，因此较难实现高精度测控。在相同空间范围，如顽固多径与恶劣的空间环境中，北斗的信号误差较大；同时受工业能力所限，北斗的设备完备性稍差。因此，我们必须通过不断创新和增强信号，提升北斗的综合性能与水平。

 

　　2004年8月，国务院批准北斗二代立项，同时将其列入国家重大科技专项。2012年，BD-2开通服务，在国防及国民经济建设中发挥了重要作用，但面对激烈的国际竞争环境，北斗系统的服务性能迫切需要提升。2013年起，科技部863立项“空间信号提升”和“分米级星级广域差分”，推动突破北斗高精度星基广域差分等关键技术，并于2015年进行了一系列工程建设，对北斗导航业务系统进行升级。

 

　　三、 关键技术

 

　　北斗系统采用了双向时间同步与精密定轨融合体制，通过基于星座整体求解及预测系统差约束以及基于时间调整的协议控制等快速处理方法，实现快速、稳定、精化北斗导航参数的播发。

 

　　基于一个导航系统中集成基本导航服务、广域差分服务及一体化系统工程的实现，北斗系统的服务性能得到了整体提升，并成为亚太地区定位精度最高、服务种类最多的卫星导航定位系统。研究人员提出卫星轨道、钟差实时改正、格网电离层以及分区综合改正融合的四重参数叠加精密定位方法。通过广域差分参数模型、电文结构与播发策略，解决了在现有北斗协议中实现分米级服务的难题，并实现了普通导航、广域差分和精密定位一体化功能，同时无需增加任何成本。以轨道钟差历元变化为条件约束的轨道钟差解算方法，解决了将高精度载波相位观测数据用于高可靠、高精度导航业务处理的难题，在此解算方法基础上成功研制了北斗基本导航与广域差分并行处理软件，实现了空间信号精度优于0.2米。四重叠加参数的用户实时动态精密定位算法，通过构建无电离层组合观测及系统误差精确消除的定位模型，解决了北斗高可靠性、高精度实时动态导航定位的难题，实现了单频接收机定位精度优于1米，双频精度优于0.5米（95%）。

 

　　四、 运行与服务现状

 

　　北斗二代是世界首个集基本导航服务、差分服务于一体的RNSS服务系统，并具有高性能RDSS服务功能。该系统首次实现了数字多波束跟踪测量、高精度测距、激光双向时差测量等一批高精度、高可靠地面设备研制的技术突破，确保了系统高精度指标的实现，大大提升了国内高精度设备的研发能力和水平。科研人员攻克了卫星在轨运行中出现的伪距波动、姿轨控模式动偏转零偏、单粒子导致导航业务中断等重难点问题，实现了整个系统的性能提升，进一步增强了北斗系统的核心竞争力。

 

　　北斗二号投入运行五年来从未发生过服务中断，定位精度稳中有升，服务性能与GPS相当，在亚太地区已达到国际先进水平。2017年，国内卫星导航及位置服务产业的总体产值突破了2550亿元，年均增长率超过20%，预期将进一步增长。

 

　　五、 天地融合时空综合网

 

　　随着天地融合时空增强网络体系建设的逐步推进，北斗系统将为国家经济与社会发展做出重要贡献。无缝高精度定位技术能够为工业4.0建设提供有力支撑，从根本上提升行业技术水准，催生新的应用。该技术将有效满足天基覆盖不足与战略应急补充的需求，提高各军兵种武器平台在复杂战场环境中对定位授时的高精度、高可靠性作战应用性能的需求，提供战时精确作战、精准管控和精益训练的保障能力，在卫星导航受到严重影响的极端条件下，仍能为重点方向与武器平台提供导航定位服务。

 

　　天地融合定位授时网以天基北斗与地基一体化增强为基础，并融合各类新兴PNT技术与网络通信技术，利用量子时频传递手段构建时空基准服务的“位置网”，具备全球导航、战区增强、融合应用导航、战场导航对抗和深空特殊导航等能力。深空导航系统由6-9颗中高轨卫星（加深空导航载荷）以及3-4个太空导航站构成，主要为深空用户提供导航授时服务，并为时空信息网自主运行提供空间基准。北斗高轨星座GEO RDSS可提供6个点波束，覆盖中国周边、南海及两个岛链；中轨卫星MEO搭载短报文载荷，通过星间链路可实现全球短报文通信，并利用Ka频段实现卫星间的互联互通。低轨卫星LEO与移动参考站的配合，可有效改进北斗系统的性能，提升高精度PPP应用能力，增强导航信号的抗干扰能力，并联合地基增强系统实现无缝定位。地面网络由原子钟组和地面光纤网组成，通过远距离光纤时频传递实现地面原子钟组的时间同步，并向类星增强系统传递高精度时频信号。类星增强系统依托光纤时频网络维持高精度时频基准，从而实现室内外高精度无缝导航授时，并实现全时空基准全域服务。另外，通过利用量子地磁传感器、量子MEMS陀螺和量子随机数发生器等创新型芯片传感器，能够有效回避多径、非视距与干扰等传统方式难以克服的问题。通过这些新型传感器，可将定位匹配精度提升至0.5米，同时可以保证连续可靠的数据输出，用于组网探测和形变监测。

 

　　六、 结语

 

　　精密定位服务是物联网、中国制造2025和工业4.0的基础技术。天地融合时空信息网将有效推动数字中国、智慧社会建设和无人驾驶等新兴业态的发展，促进人工智能和大数据技术的广泛应用，对国家安全和经济社会的持续发展发挥重大的支撑作用。