全文刊载于《前瞻科技》创刊号“航天科学与技术专刊”

文章摘要

通过回顾总结国内外卫星导航系统的发展过程，分析提出卫星导航系统的技术特征与指标。从技术途径、系统服务的角度聚焦于空间星座、时空基准、导航信号、导航增强、多功能融合方面，系统梳理卫星导航系统的现状和建设发展过程中的技术创新，展望其发展趋势和相关关键技术方向，以期为中国卫星导航系统建设及定位导航授时体系构建提供支持。

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2020年，北斗三号卫星导航系统全面完成组网建设部署并正式开通全球服务，北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）、美国全球定位系统（Global Positioning System, GPS）、俄罗斯格洛纳斯（Global Navigation Satellite System, GLONASS）以及欧洲伽利略（Galileo）四大全球卫星导航系统和印度导航星座（NavIc）、日本准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System, QZSS）两大区域卫星导航系统等共同为用户提供定位导航授时（Positioning Navigation and Timing, PNT）服务，卫星导航系统与技术的发展进入了新阶段。

卫星导航系统以其定位、导航、授时等功能成为交通、通信、电力、金融、搜救等领域和基础设施的重要组成部分，在社会经济运行中扮演着越来越重要的角色，产生了十分可观的经济效益。作为高科技、高复杂、高成本、高效益的国之重器，卫星导航系统已成为国家科技实力和经济实力的象征之一，在国防建设、武器装备中发挥着不可或缺的作用，促使世界大国均建设独立自主的卫星导航系统，并持续投入技术创新，以保持其系统的先进性和应用的规模化。

本文回顾总结国内外卫星导航系统的发展过程，重点从空间星座、时空基准、导航信号、导航增强、多功能融合方面，分析归纳卫星导航系统的技术特征与指标，并系统梳理各卫星导航系统的现状和建设发展过程中的技术创新，展望卫星导航系统的未来发展趋势及相关关键技术方向，可为中国卫星导航系统建设及PNT体系构建提供支持。

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卫星导航系统的发展

1.1 基于多普勒频移测量的卫星导航系统

1957年10月4日，苏联发射世界第一颗人造地球卫星Sputnik-1。卫星入轨后，科学家意外发现：当卫星过境时，地面站测量可检测到明显的无线电信号多普勒频移信息，该信息可用于卫星轨道确定。该发现及研究成果推动了美国海军设计建设世界上第一个卫星导航系统——子午（Transit）卫星系统并将其用于解决海上舰船在水面定位导航的问题，开启了人类利用人造卫星进行导航定位的新纪元。

从1958年概念提出到1964年系统开始运行，美国在6年时间内迅速将子午卫星系统实现。系统空间段由运行在约1000 km高度近极轨道的5颗左右卫星构成，定位导航服务具有全天候、全球导航的特点，缺点是一次定位通常需要15 min的累计观测，无法实时连续定位，且平均2次定位间隔时间约为90 min。同期，苏联1967年开始研究部署用于海军的导航通信系统山雀（Parus），其系统中卫星轨道类型、信号频率、卫星数量、定位方式等方面均与美国子午卫星系统类似，该系统于1974年进入民用领域并改名为蝉系统（Cicada）。20世纪60年代，中国也基于无线电信号多普勒频移测量原理提出了发展卫星导航系统的计划，并将其命名为“灯塔计划”，开展了全面的研究工作。

1.2 基于四星测量的卫星导航系统

基于多普勒频移测量的卫星导航系统适合海上舰船，因为其用户定位更新需求不频繁，但不适合要求频繁或连续定位的飞机和移动用户。

为了满足用户连续、实时、精确导航的需求，人们开始探索基于无线电信号传输时间和星地时间同步的被动式卫星测距技术。1962年美国空军启动名为“621B”的项目，1964—1966年期间，科学家首次提出四星距离交会测量定位体制。与621B工程同期，美国海军于1964年开启了TIMATION项目，并在1974年发射的NTS-1卫星上搭载2台铷钟，首次开展星载原子钟在轨实验。621B工程与TIMATION项目二者相互竞争、相互促进，共同催生了目前广泛应用的基于四星距离交会测量定位体制的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）。

同期，苏联也研制部署了GLONASS卫星导航系统。GLONASS系统定位方式与GPS相同，但在导航信号体制方面采用频分多址模式，其优点是无线电信号抗干扰及对弱信号的捕获跟踪性能更好，缺点是增加用户接收机射频前端设计和精密定位数据处理的复杂度，提高终端硬件制作成本。

1.3 基于高轨道卫星的星基增强导航系统

随着卫星导航系统在越来越多领域中广泛应用，系统提供的基本GNSS性能已无法满足某些特定应用场景下用户的需求。人们通过技术进步与创新，提出并实现了面向民航、海事等生命安全重点用户领域的广域差分与完好性增强等技术手段。

目前，星基增强系统（Satellite-Based Augmentation System, SBAS）主要有美国广域增强系统（Wide Area Augmentation System, WAAS）、俄罗斯差分校正和监测系统（System for Differential Corrections and Monitoring, SDCM）、欧洲静地卫星导航重叠服务系统（European Geostationary Navigation Overlay Service, EGNOS）、日本多功能卫星增强系统（Multi-functional Satellite Augmentation System, MSAS）、印度GPS辅助型静地轨道增强导航系统（GPS Aided GEO Augmented Navigation, GAGAN），这些系统均通过独立于GNSS外的高轨卫星播发定位导航的差分改正参数，对某一区域服务范围进行GNSS系统定位精度和完好性增强。

国外SBAS采用卫星的情况见表1。

表1 国外SBAS卫星使用情况

1.4 功能融合、特色服务的卫星导航系统

卫星导航系统具有统一、精确、易用、广泛的独特优势，作为信息化社会基础的时间空间基准服务已深度融入到社会的各行各业中，在空间信息网络中的重要地位日益凸显，催生着其在定位授时功能的基础上进行融合创新，并发展符合新用户需求的各类特色服务。

在功能融合、特色服务方面，北斗系统进行一系列开创性探索，引领了卫星导航领域的发展。北斗一号系统采用双星有源无线电测定业务（Radio-Determination Satellite Service, RDSS）体制，创新性地实现定位服务和通信系统融合，其最大特点在于实现定位授时服务的同时，兼具位置报告及短报文通信，投资少、效果明显。北斗二号系统在北斗一号系统基础上保留RDSS体制，增加四星测量的无源定位体制，短报文通信性能进一步增强，于2012年建成并正式运行，提供连续稳定的服务，已在各行各业广泛应用。

北斗三号全球系统在导航与通信融合方面进一步拓展与升级，并依托星间链路组成的空间网络发展多种特色功能。在基本的卫星无线电导航业务（Radio Navigation Satellite System, RNSS）基础上，卫星内嵌SBAS、精密单点定位（Precise Point Positioning, PPP）服务，满足不同领域用户的完好性与高精度需求；通信功能方面实现区域短报文、全球短报文以及国际搜救功能，形成更为实用的特色服务体系，实现更加多样化的高性能服务。

美国、欧盟、俄罗斯、日本等在发展独立自主的卫星导航系统建设中，也根据自身需求和特点在PNT服务基础上形成了全球搜救、高精度定位等多样化特色服务。

1.5 多星座兼容的卫星导航系统

随着自动驾驶、移动物联网、5G等技术的发展，智能时代已经来临，人类对于精准时空信息的需求愈发强烈，卫星导航系统作为最重要的时空基础设施，可为各类智能应用场景广泛赋能。目前，各大卫星导航系统在轨运行卫星数量已达140余颗，相互并存也相互竞争，通过时空基准、信号体制的创新设计，实现了不同系统的兼容互操作和融合处理，共同为人类提供更加优质的PNT服务。图1为空间星座导航卫星累计发射数量的统计。

图1 空间星座导航卫星累计发射数量

与此同时，各系统地面系统能力大幅提升，数以万计的地面监测站覆盖全球，低成本高性能接收设备不断涌现，卫星导航信号和信息数据处理技术不断创新，使卫星导航进入多星座全球服务新时代。

为持续提升服务性能、满足用户更加专业和多元的需求，各主要卫星导航国家正着手开展新一代系统建设和新一轮竞技。美国计划2022年发射NTS-3卫星，开展导航新技术在轨试验，保持其在卫星导航系统创新的最前沿并且提供未来场景所需的先进能力；俄罗斯计划2030年建成以GLONASS-KM为主体的卫星星座；欧盟计划2025—2035年完成第2代Galileo系统建设；中国也正在积极论证下一代北斗系统，计划2035年前构建以北斗系统为核心的“更加泛在、更加融合、更加智能”的综合PNT体系。

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卫星导航系统技术特征与指标

2.1 卫星导航系统组成与技术特征

基于四星测量体制的卫星导航系统包括空间段、地面段和用户段3个组成部分。空间段由不同类型轨道上运行的若干颗卫星所构成的星座组成，完成双频或多频导航测距信号以及电文信息的播发；地面段包括主控站、全球或区域分布的注入站和监测站等若干地面站，负责监控和维持系统健康，采集、计算和上注导航电文；用户段包括各类导航信号接收处理芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等（图2）。

图2 卫星导航系统组成

需要指出的是，空间段是衔接地面控制与用户终端的关键桥梁，直接关系到系统的服务范围、工作模式及性能指标，因此也成为了各卫星导航系统建设发展的核心和技术持续创新的重点。

卫星导航系统利用空间分布的多颗卫星组成星座，在统一时间和坐标系中通过地面站对卫星位置与轨道精确测量，通过卫星以播发无线电导航信号为载体，将时空基准信息传递给覆盖范围内的用户。相对于其他空间基础设施，其系统具有高精度测量、高稳定传输、高完好信号等技术特点。

衡量卫星导航系统服务性能的关键特征技术指标包括服务精度、完好性、连续性和可用性等，主要涉及空间星座、时空基准、导航信号、导航增强和多功能融合等方面，这些性能指标的提升始终伴随着用户需求的演化和核心技术的创新与突破。

通过对上述技术特征与系统指标分析可知，空间星座会影响系统功能与性能的全部指标，时空基准、导航信号主要影响服务精度，导航增强对于服务区域内服务精度和完好性贡献大，而多功能融合技术则进一步拓展了卫星导航系统的空间段卫星种类和服务能力，不仅影响全部的指标，而且可满足用户的多元化需求。

2.2 技术特征描述与指标

2.2.1 空间星座（导航星座）

导航星座是指分布在相似或互补轨道上，共享控制、协同完成导航任务的若干颗卫星。导航星座的指标参数主要关注在轨可用卫星数量和空间精度衰降因子（Position Dilution of Precision, PDOP）。其中，可用卫星数量决定星座导航信号的覆盖性，PDOP则是衡量卫星导航系统定位精确度和观测值几何强度的重要指标，通常由标准单点定位观测方程确定。

2.2.2 时空基准

时空基准是卫星导航系统提供位置服务的重要基础。卫星导航系统的时间基准是通过地面运控站的高精度原子钟组维持，并实现向协调世界时的溯源。空间基准通过分布于全球或区域的大量地面监测站构建空间坐标系统，并通过并址站与国际地球参考框架对齐。导航星座作为向用户提供服务的时空基准传递枢纽，利用地面站的监测数据，采用动力学定轨方法可实现导航星座整网的轨道测定与预报，估计导航卫星的原子钟与地面时间基准的钟差，从而将地面维持的时空基准传递至导航星座。

时空基准影响系统服务的核心指标参数可反映在空间信号测距误差上，其反映了卫星位置误差和卫星钟差误差在视线方向上的综合影响。作为时频系统核心的原子钟，主要技术指标包括频率准确度、稳定度和漂移率，其反映了一定时间间隔内时频信号的质量。

2.2.3 导航信号

卫星导航信号是指由空间段卫星所播发的无线电广播信号，是唯一能同时在空间段、地面段和用户段建立联系的核心链路，卫星导航信号的优劣直接影响用户对系统服务的体验效果，决定着用户等效距离误差（User Equivalent Range Error, UERE）的大小，反映着信号频谱资源的占用情况，是多星座兼容服务的重要内容。

卫星导航信号分为载波、伪码和导航电文3个层面。其中，载波对应的关键要素为载波频点和调制方式，伪码对应的关键要素为扩频码速率、码型和码长，导航电文则对应着信息速率、信道编码和符号速率。信号结构则将最终决定信号的性能，包括兼容性、互操作性、抗多径能力、码跟踪性能、载波跟踪性能、捕获性能和解调性能等，如图3所示。

图3 导航信号结构与信号性能的关系

以伪距测量精度为例，采用非相干延迟锁定环（Delay Locked Loop, DLL）进行码相位跟踪，在环路噪声带宽BL和预检测积分时间Tcoh一定的情况下，扩频码速率fc越高、载噪比C/N0越高，则测距精度越高。

2.2.4 导航增强

卫星导航增强是为进一步提升基本导航服务性能而产生的技术手段，可分为信息增强和信号增强两大类。信息增强按照内容的不同又可分为精度增强和完好性增强。

当前，卫星导航系统更关注于服务范围、信号落地功率和精密定位收敛性能等方面的增强。其中，服务范围按大小可分为局域和广域（或全球）；功率增强侧重于信号遮挡等复杂环境下服务连续性和可用性的提升；收敛性能增强旨在实现秒级、分钟级条件下的快速厘米级或分米级高精度定位。

2.2.5 多功能融合

多功能融合是卫星导航系统在发展过程中为满足多元化用户需求，提供特色服务而产生的技术，涉及平台层面和信号层面的融合。平台层面融合是指共享同一卫星平台，通过搭载不同的有效载荷，提供多样化服务；信号层面融合是指通过对信号体制的深度设计，优化信号体制，实现多功能一体化灵活配置，提升系统效费比与核心竞争力。

当然，影响卫星导航系统服务性能的因素实际上不局限于上述5个方面，特别是对于地面段和用户段的核心技术而言，本文重点关注系统层和空间段内容。

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卫星导航系统现状与技术创新

3.1 空间星座现状和技术创新

3.1.1 空间星座现状

当前，四大全球卫星导航系统实际星座PDOP值及在轨服务卫星数量如表2所示。

表2 四大全球卫星导航系统实际星座PDOP值及

在轨服务卫星数量

GPS、GLONASS和Galileo系统星座均采用中圆轨道高度星座，实现全球服务范围内导航信号大于4重的均匀覆盖；北斗系统采用中圆地球轨道（Medium Earth Orbit, MEO）卫星和地球静止轨道（Geostationary Orbit, GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO）卫星组成的混合星座，在实现全球服务的基础上，提升区域范围内的服务性能，如图4所示。

图4 四大卫星导航系统星座平均PDOP值分布（2022年1月1日）

GPS星座长期保持30颗左右在轨服务卫星，GLONASS和Galileo也通过持续发射卫星，完善在轨星座，保证卫星导航系统星座的PDOP值。北斗系统通过“三步走”发展战略将服务区域扩展到全球，完成完整星座组网。

3.1.2 空间星座技术创新

在空间星座数量方面，各卫星导航系统在其建设发展过程中不断增加卫星数量，以扩大服务区域，提升目标区域服务信号的连续性和可用性，同时改善星座几何结构，提高定位精度。

在采用的轨道类型和星座设计方面，北斗系统在发展过程中立足国情，突出重点，国际上首创混合星座设计，采用GEO、MEO和IGSO三种类型轨道组合，保证全球服务的同时，有效增加了亚太地区的可见卫星数，为亚太地区提供更优质的服务。日本QZSS、印度NavIC在区域系统建设中也采取混合星座方案，GPS、GLONASS在后续发展中也规划了GEO、IGSO卫星。

近年来，随着低轨通信星座的创新概念与方案不断涌现，将低轨卫星星座用于独立定位或导航增强系统也成为研究新热点。

3.2 时空基准现状和技术创新

3.2.1 时空基准现状

当前，时空基准均建立在地面，各卫星导航系统依靠地面全球或区域监测站的观测数据精确测定导航星座卫星的轨道和钟差，并通过空间段卫星播发广播星历和钟差（包含在导航电文中）实现高精度时空基准向用户的传递。为实现卫星时间对系统基准时间的精确预报，导航卫星均配置了星载原子钟，主要包括铷原子钟、铯原子钟和被动型氢钟。四大全球系统广播星历和钟差确定方式、更新频度、星载原子钟配置和性能等如表3所示。

表3 时空基准传递维持策略与空间信号精度

3.2.2 时空基准技术创新

1）广播星历和钟差确定及更新

GPS和Galileo全球卫星导航系统依靠全球监测站，确保其卫星在全球范围内精确的广播星历和钟差。在发展过程中，通过大幅增加国内外地面监测站数量、精化轨道力学模型、优化电文参数、加快更新频度等持续提升广播星历和钟差精度。为提供高精度的民用服务性能，Galileo系统精细设计了电文更新频度。目前，GPS空间信号精度已由2001年的1.6 m提高至0.51 m，Galileo系统自2016年提供全球初始运行服务以来，空间信号精度已由1 m提高至0.27 m。

北斗系统立足区域建站思路，北斗全球系统采用“地面区域监测站+星间链路”方案，通过配置Ka频段星间链路载荷，实现全网卫星之间的高精度测量与通信，与地面区域监测站一起进行联合定轨和钟差确定，提高空间信号精度。

此外，通过星间链路可以实现境外卫星广播星历上注，对提高更新频度，缩短卫星星历数据龄期具有重要意义。

2）星载原子钟性能逐步提升

星载原子钟至今已有近50年的研制、使用历史。随着卫星导航系统发展和卫星升级，星载原子钟性能逐步提升。

星载铷钟以铷原子基态超精细能级跃迁谱线作为鉴频标准锁定晶振的输出频率，具有技术成熟、产品体积小等优势，得到广泛应用。北斗、Galileo卫星配置的星载铷钟，其稳定度达到10-14/d量级，GPS Block III卫星上的铷钟天稳进入10-15量级，其性能水平不断提高。

氢钟采用氢原子基态作为钟跃迁，可获得极高的频率稳定度和极低的漂移率。根据不同的技术方案，氢钟分为主动型氢钟和被动型氢钟。Galileo卫星和北斗导航卫星上均配置了被动型星载氢钟，其典型频率稳定度和漂移率分别达到5×10-15/d和1×10-15/d，从而使导航卫星具备极好的天尺度守时能力。

铯钟具有漂移率小的优势，可作为天基守时设备。

3.3 导航信号现状和技术创新

3.3.1 民用导航信号现状

各国卫星导航系统的导航信号体制设计中，均考虑了公开服务的导航信号（民码）和授权服务的导航信号（军码）设计。目前，四大卫星导航系统的民用导航信号状况如下。

北斗系统在B1、B2、B3三个频点播发4种民用RNSS导航信号，为B1I、B3I、B1C、B2a。GPS在L1、L2、L5三个频段播发4种民用RNSS导航信号，为L1C/A、L2C、L5和L1C信号。GLONASS在L1、L2、L3三个频段播发3种民用RNSS导航信号，为L1OF、L2OF和L3OC。伽利略系统在E1、E5两个频段播发3种民用RNSS导航信号，为E1、E5a和E5b。

四大全球卫星导航系统民用导航信号中心频率和调制方式等参数详见表4。

表4 四大全球卫星导航系统民用导航信号体制设计

3.3.2 导航信号技术创新

1）GPS通过增量方式实现信号现代化

GPS通过多代卫星的升级，以增量方式增加L1M、L2M、L2C、L5和L1C等现代化导航信号。新一代的Block III卫星上实现播发3个频点共8个信号。其中，民用信号扩展为三频，充分体现美国加强GPS在民用市场占据主导地位的决心。

同时，新增3个民用信号各有特点。L2C信号采用低码速率以及时分技术，即考虑系统间兼容性，又定位于低端消费电子类市场，显著降低接收机成本和功耗需求。L5C信号采用更大带宽的正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying, QPSK）调制，提升GPS的频谱占有率，满足三频民用需求，并瞄准航空等与生命安全相关的服务；划分信号导频分量，引入卷积编码，增加码长，增强使用可靠性。军用信号采用二进制偏移载波（Binary Offset Carrier, BOC）调制，实现军民信号频谱分离，抗干扰能力更强。

2）GLONASS在频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）基础上增加码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）现代化信号

为进一步扩展应用市场，GLONASS系统在FDMA体制信号基础上增加CDMA体制信号，以加强系统间兼容性（表5）。

表5 GLONASS信号现代化演进

3）Galileo后发优势直接采用现代化信号

Galileo系统利用后发优势，从设计之初就开始研究性能更优的现代化导航信号，导航信号的设计采用大量的新技术，加之精化星历与钟差参数更新策略，达到最优的UERE，具有独特性。

系统通过增加信号频点数提供用户快速整周模糊解算的能力，采用BOC及类BOC调制技术实现系统间兼容，划分信号导频分量以提升接收跟踪的稳健性，采用分层码结构及更长的码长改善信号互相关性能，使用信道编码降低解调门限。设计的复合BOC（Multiplexed BOC, MBOC）调制方式作为互操作信号被GPS采纳；发明了恒包络交替BOC （Alternative BOC, AltBOC） 调制，可实现与GPS L5信号互操作，并能提供更优的服务性能。

4）北斗系统逐渐形成独具特色的导航信号体制

北斗二号系统导航信号采用技术相对成熟的QPSK调制方式，未划分导频分量。北斗三号系统在频率资源、卫星资源约束下进行现代化升级与优化设计，综合考虑性能提升、兼容互操作、多样化服务等要求，主要特点如下。

（1）兼顾平稳过渡要求，新增导航信号采用全新设计，发明正交复用BOC（Quadrature Multiplexed BOC, QMBOC）调制方式，兼顾高性能和低成本。

（2）增加导频通道以提高弱信号接收灵敏度。B1C信息速率为50 bps，导频和数据功率配比为3∶1，满足单频测距精度和跟踪稳健性需求；B2a信息速率为100 bps，导频和数据功率配比为1∶1，兼顾完好性、信息传输可靠性和跟踪稳健性需求。

（3）采用多进制低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code, LDPC）信道编码，纠错能力更强，提升弱信号解调性能。优化导航电文结构，电文编排更灵活。B1C电文B-CNAV1采用混合帧结构，有利于升级扩展；B2a电文B-CNAV2面向生命安全用户设计，采用数据块结构，支持高完好性服务功能。

（4）北斗三号系统对不同轨道卫星信号功能进行重新定位，用于支持多样化服务。IGSO和MEO卫星以RNSS服务为主，兼顾返向链路功能，即通过信息速率较高的B2b信号作为返向链路向遇险用户发送报警信息、报警位置确认或救援行动确认等应答信息。GEO卫星信号通过一体化设计，可同时支持RNSS、SBAS和PPP等特色服务。

3.4 导航增强现状和技术创新

3.4.1 导航增强现状

以测绘领域为代表的高精度定位需求和以航空为代表的高完好性导航需求，是卫星导航增强技术与系统建设的主要方向。此外，为满足遮挡和强干扰环境条件下的卫星导航定位需求，信号功率增强技术逐渐应用到GNSS以及低轨星座建设中，以提高城市峡谷、室内等遮挡环境以及电磁干扰场景下的导航信号穿透和抗干扰能力，保证基本导航服务。表6描述当前卫星导航增强的主要技术体制特点。

表6 卫星导航增强的主要技术体制特点

3.4.2 导航增强技术创新

1）技术体制创新

最早导航增强技术的出现是为了应对美国GPS的选择可用性政策，利用基准站与用户之间的几何相似性，通过测站间伪距差分达到消除公共测量误差提升伪距定位精度目的，即差分GPS（Differential GPS, DGPS）技术。针对DGPS大范围增强需要布设大量的基准站的情况，广域DGPS（Wide Area DGPS, WADGPS）技术应运而生，其采用地球同步轨道卫星来播发GPS等导航卫星的改正数产品，定位精度约1~3 m，满足民用航空领域对精度的要求，同时可提供安全完好性服务，当GNSS异常或故障时能及时检测并向用户告警，保障航空等生命安全领域用户的安全。利用载波相位观测值可以实现分米级到毫米级的高精度增强，其关键在于模糊度参数求解。实时动态定位（Real-Time Kinematic, RTK）通过用户与基准站之间载波相位测量值差分，消除了绝大多数与传播路径相关和与卫星轨道钟差相关的公共偏差，能够实现瞬时厘米级定位。

随着卫星精密定轨和钟差估计技术的发展、载波相位观测值的使用、各类误差模型的精化以及最优参数估计方法的确立，不受限于站间距离、能够在广域范围内提供分米至厘米级高精度服务的非差定位系统应运而生，即PPP系统。针对PPP受各类硬件延迟偏差影响，使得模糊度通常仅作为浮点常数估计，精度和可靠性不高，随后发展了载波相位小数偏差估计分离技术以及非差模糊度固定技术，实现了PPP模糊度解算（PPP Ambiguity Resolution, PPP-AR），显著提升了解的精度与可靠性；另外，为解决PPP收敛时间长的瓶颈，发展了基于区域密集地面站大气信息增强的精密单点实时动态定位（PPP-RTK）技术，能够实现一分钟甚至数秒的快速厘米级动态定位。

当前，低轨星座因其快速的几何图形变化给快速模糊度解算和精密定位快速收敛带来显著优势而受到广泛关注。

2）播发手段创新

传统的导航增强信息主要利用地面互联网、无线电台、移动通信网络或通信卫星的广播信道传输给用户。北斗系统在顶层设计上将SBAS、PPP纳入系统六大星基服务，通过GNSS星座的GEO卫星的导航信号播发SBAS和PPP所需的各类增强信息，显著提升了中国及周边地区用户的定位性能和使用便捷性。日本QZSS也基于其L6D信号实现了星基PPP-RTK厘米级增强服务（Centimeter-Level Augmentation Service, CLAS）。

目前，Galileo、GLONASS均提出将在统一卫星导航系统平台播发高精度增强服务。表7描述各系统星基精密单点定位服务。

表7 各系统星基精密单点定位服务

3.5 多功能融合现状

3.5.1 导航通信功能融合

北斗系统利用混合星座特点和体制优势，一体化设计集成定位导航授时、全球短报文通信、国际搜救、区域短报文通信、精密单点定位、星基增强、地基增强7大服务。

日本QZSS在分级定位、导航与授时服务的基础上，根据本国地震、海啸等灾害多发的特点，一体化设计和提供了灾害与危机管理报告、QZSS安全确认等特色服务。印度NavIC也利用IRNSS-1A卫星发送短报文。

3.5.2 多GNSS系统融合

随着四大全球系统和两个区域系统相继开通，多GNSS系统并存融合成为联合提供优质服务的重要手段。以RNSS服务为例，按照服务空域不同，分为近地服务域（Terrestrial Service Volume, TSV, 8000 km以下）、空间服务域（Space Service Volume, SSV, 8000~36000 km）和深空服务域（Deep-space Service Volume, DSV, 36000 km以上）互操作。对于近地服务域，北斗B1C和B2a信号实现系统间兼容与互操作，互操作信号间载波频率相同、带宽一致、频谱相似，用户可以低复杂度联合接收多系统互操作信号，通过可视卫星数增加和PDOP值改善获得更高可用性和更优性能。

对于空间服务域和深空服务域，依靠单个系统服务可用性较差，而通过多系统融合，可视卫星数量会大幅增加，能够实现中高轨范围乃至深空范围的定位授时服务。2018年联合国全球卫星导航系统国际委员会第十三届大会上，各系统共同协调编制的GNSS SSV互操作手册正式发布，不断推进研究DSV的互操作问题。

3.5.3 GNSS与全球卫星搜救系统融合

早期全球卫星搜救系统（COSPAS-SARSAT）主要通过极轨道低轨（Low Earth Orbit, LEO）卫星搜救系统和GEO卫星搜救系统，为全球航海、航空和陆地上的用户提供免费的遇险报警服务。随着GNSS快速发展，在中轨导航卫星上搭载搜救载荷的优势日趋明显，COSPAS-SARSAT组织已将中轨卫星搜救系统作为未来发展方向，目前四大全球系统均具备搜救功能，中轨卫星搜救系统现状和特征如表8所示。

表8 中轨卫星搜救系统现状和特征

传统的卫星搜救系统定位精度为公里级，通过GNSS搜救和定位功能结合，可将定位精度提升到米级，并提供返向链路服务，极大提高搜救精度和效率。目前新一代信标标准支持遇险信标利用GNSS确定自身的位置，该位置信息属于遇险信息的一部分。

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发展趋势和相关关键技术方向

卫星导航技术及系统自诞生之时，其应用领域及需求就日益增长，极其广泛，采用的无线电信号测量体制和空间万公里星座发挥了重要作用。然而，上述体制方式也存在着固有不足，无法适应人类活动范围由地表扩展到太空深处的泛在应用需求，难以提供信息化社会向智能化演进进程中无线电抗干扰、防欺骗、高精度、快收敛和服务差异化等方面的基础支撑，在满足国家经济高增速发展转向高质量发展所面临的融合创新需求方面存在差距。

可以看到，卫星导航系统更新换代如何满足新需求、匹配新技术节奏已成为当今卫星导航系统发展的重要问题。如何从空间基础设施安全性和用户“上帝”需求的视角，更具有体系化、前瞻性地谋划下一代卫星导航系统是各国都面临的主要挑战。

当前，万物互联、万物智能的时代已初现端倪，各行业和大众用户对精准泛在时空信息服务的需求愈发强烈，构建以卫星导航系统为核心基石的时空基准网和导航信息服务网，围绕“更加泛在、更加融合、更加智能”综合时空体系的目标，打造“更精、更强、更广、更智能”的卫星导航系统服务能力成为未来发展的重要方向。在具体的技术路线上，正逐渐形成以下几个方面的发展趋势。

4.1 扩展多层次的空间星座

中轨道GNSS卫星是全球卫星导航服务的基础，随着卫星导航系统和技术的发展，单一的工作轨道难以满足人类对多样化时空信息服务的需求，更新扩展中高轨导航星座、借助蓬勃发展的低轨星座实现导航增强或独立定位、开拓地月新空间导航等，形成多层次空间星座成为新的方向。

1）不断更新扩展的中高轨导航星座

北斗系统率先设计采用混合星座，GPS、GLONASS、Galileo、QZSS、NavIC等世界各主要卫星导航系统也均在规划部署新的中高轨导航卫星，在未来10年中，预计导航星座卫星数量将进一步增加，卫星将继续升级换代。更新扩展中高轨导航星座可扩大服务区域、增强系统弹性、进一步提升服务性能，特别是重点地区的服务性能。

2）蓬勃发展的低轨星座

为了使全球范围内任何人、任何地点均能享受快速廉价、全球无缝的宽带互联网及移动通信服务，解决目前卫星导航系统首次精密定位时间长的问题，实现天地融合万物互联，基于低轨星座的卫星互联网通信技术与导航增强技术飞速发展。一方面，通过通导融合信号设计，可以实现导航信号的播发，如低轨铱星系统的定位授时信号可独立为全球提供20~50 m定位和亚微秒授时服务；另一方面，也可直接从通信信号中提取出用于导航的测距和时间信息，实现机会信号定位，如Khalife等在“星链星座”通信信号结构未知的情况下，实现载波相位跟踪测量，并利用6颗低轨卫星，在800 s累计观测和高度计的辅助作用下，实现7.7 m的水平独立定位精度。

除了独立定位以外，低轨星座具有几何图形变化快、落地信号功率强、全球覆盖等天然优势，能够对GNSS进行信息增强和信号增强，全面提升卫星导航系统的精度、完好性、可用性和抗干扰能力，可为联合精密定轨、快速精密定位、天基监测、受限环境中的定位等带来新的发展机遇，有望服务于未来以电网、银行、军事等为代表的高价值安全用户，以及以自动驾驶、无人机为代表的实时精密定位用户。

3）开拓地月新空间导航

近年来，随着人类探月活动与深空探测的频繁和深化开展，卫星导航系统的服务范围也将从地球和近地空间向地月空间方面发展。地月新空间导航大体可分为以下4个技术方向：一是基于GNSS的地月导航，即利用当前GNSS卫星，通过搭载高灵敏度GNSS接收机，获得地月空间航天器导航定位授时结果，为地月航天器提供便捷灵活、低成本的自主导航方案；二是地月空间卫星有源定位导航，即基于星间双向测量信息，实现地月空间两个航天器轨道的相互确定，为航天器提供优于百米的定轨服务，定轨精度收敛需要约7 d时间；三是建立月球导航卫星系统，即通过建立和维持近月空间与GNSS相似的时空基准，提供全月高精度导航服务；四是研究宇宙界脉冲星特性，突破X射线脉冲星导航应用技术，服务于地月新空间定位导航授时。

在扩展多层次空间星座中，需要关注并研究混合星座系统架构和服务性能设计技术、低轨导航增强技术、低轨星座独立定位技术、地月空间卫星导航技术、X射线脉冲星导航应用技术等。

4.2 构建天地一体的时空基准

导航星座搭载更高精度原子钟、高精度的观天测地设备和星间测量通信一体化载荷，构建并维持天地一体化的时空基准是提升卫星导航系统安全弹性的重要手段。卫星导航系统未来的时空基准主要发展趋势体现在以下4个方面。

1）研发轻小精稳的星载原子钟

原子钟为导航系统提供了高精度的时间频率基准，要求精度更高、稳定性更优。同时，卫星载荷要求星载原子钟的重量更轻、体积更小、可靠性更高。未来，星载铷钟、铯钟和氢钟的性能指标可进一步提升。同时，需要同步发展汞离子钟、冷/热原子微波钟和光钟等精度更高、稳定性更优、体积小、重量轻的新型原子钟。

2）构建高精度的星间激光链路

星间激光链路具有测量精度高、数据速率高、传输功率低、波束发散小等特点，可以实现卫星之间皮秒甚至更高精度的时间测量和大容量数据的传输。星间高精度的时间测量，可以有效提升导航卫星的轨道位置和相关时间信息的精度。提升星间大容量数据传输能力，强化卫星导航系统的网络属性，可促进导航、通信融合的多样化服务，突破更新、更准的PNT性能。

3）建立天基自主维持的时间基准

建立多颗导航星的高精度原子钟组成钟组，通过星间激光链路实现钟组内的星钟高精度时间比对，采用综合原子时算法实现连续稳定高精度的天基守时系统，从而降低对地面时间系统的依赖。另外，利用宇宙界周期稳定和轮廓稳定的脉冲星作为天然信标，精密修正相对论后，可以构建更加稳定的脉冲星守时系统。

4）时空信息的多源融合快速处理

将星地和星间测量网络的多源数据融合，可以减少地面监测站的数量，提供长期在轨的自主时空维持能力，降低地面运控系统的压力。采用信号滤波实时估计、高频导航电文等方法实现时空信息的快速更新，可有效减小卫星轨道位置和相关时延的预报误差，提升时空信息的服务性能指标。

在构建天地一体的时空基准中，需要关注并研究新型时空基准体系、空间冷原子钟技术、激光星间链路技术、天基自主守时技术、脉冲星守时技术、多源时空信息融合快速处理技术等。

4.3 发展灵活安全的导航信号

全球卫星导航信号设计必须遵循已有的约束条件，具备国际可协调性。同时，作为系统和用户纽带，日新月异的应用催生出越来越多的功能需求和应用场景，大众用户、高精度用户、基础设施和国防装备等对导航信号提出了新的需求。未来的导航信号应具备灵活、安全等特性，其主要发展趋势如下。

1）提供信号后向兼容成为新一代卫星发展要求

未来的导航信号需具备服务类型多、精度高、健壮性强、抗干扰能力强等特点，在发展过程中应满足提供目前GNSS广大已有用户优质服务的同时，进行无感升级。在不断延长的卫星和星座生命周期内，升级新技术和信号、适应任务变化、提升系统服务的灵活性成为卫星导航系统发展的重要要求。因此，新卫星应可在轨通过射频波段直接数字合成方法实现100%数字化，支持方便、灵活、快速修改导航信号的调制方式、码速率、编码方式、数据速率、频率、电文信息等。

2）民用信号安全认证受到广泛重视

民用卫星导航信号特点是开放接入，信号体制完全公开，在技术层面任何用户（包括恶意攻击者）都可以生成类似信号，因此民用导航用户可能会面临各类欺骗攻击和威胁。

为了提高导航信号抗欺骗性能，保证用户使用安全，各GNSS系统可采用信息鉴权认证或部分扩频码加密方式，在不影响基本用户使用的情况下，保证用户接收到真实完整的导航信息。GPS、Galileo、QZSS均计划增加导航电文数据或扩频码认证手段。

3）开发扩展新的导航信号频谱资源

当前卫星导航采用的L频段资源越来越拥挤，已几乎无法容纳更多的导航信号。面对日益紧张的信号频率资源，研究新的导航频谱资源扩展，开发更高频率的导航信号，可以有效避开L波段的资源拥堵和专利纠纷，实现多任务融合与任务拓展需求，也可使系统在新信号升级和推广方面更加容易。

在发展灵活安全的导航信号中，需要关注并研究新型导航信号体制设计技术、导航信号兼容与互操作技术、GNSS信号认证与评估技术、数字化载荷技术、灵活波束天线技术等。

4.4 提供泛在便捷的增强手段

卫星导航的精准性、完好性、连续性、可用性直接决定了其科学和工程应用价值，现有增强系统大多是按需独立建立，呈现补丁式、碎片式发展，功能单一，应用领域有限，难以保证全球、无缝、统一、安全的卫星导航服务。

1）实现全球无缝的增强信息播发

虽然多个国家系统已建设完成并相继提供星基增强和地基增强服务，但尚未完成服务范围的联通“拼接”，WAAS重点服务北美地区，计划向南美扩展；EGNOS重点服务欧洲地区，计划向非洲扩展；MSAS和GAGAN都提出向东南亚甚至澳洲扩展；中国北斗SBAS则主要服务亚太地区。

此外，常规星基增强系统均采用GEO卫星，但信号波束仅能覆盖南北纬72°以下区域，现有提供星基完好性增强服务的系统中仅日本的QZSS能够覆盖北极地区，如何保障北冰洋航海和极地民航安全尤为重要，因此，未来星基增强平台也将由单一的GEO卫星向极轨道LEO、倾斜的IGSO、MEO和大椭圆轨道（High Elliptical Orbit, HEO）卫星等多样化平台发展。

2）构建快收敛、高可用的信号增强体系

5G技术和低轨导航增强星座因其能对现有的GNSS的服务能力形成优势互补而备受关注，有望成为未来增强系统的最优解决方案。

构建GNSS+5G+低轨星座的导航增强体系，相互赋能，彼此增强。GNSS为5G基站和低轨星座提供高精度时空基准，而5G和低轨星座分别作为地基增强和星基增强平台又能为GNSS转发高速的误差修正信息，同时也能克服GNSS系统所固有的局限性和脆弱性——5G信号将高精度时空服务从开阔的室外环境扩展到城市峡谷、室内、地下等遮蔽空间，实现室内外无缝统一的高精度导航定位；低轨星座则将高精度、高功率、高完好性增强服务拓展至全球范围，并利用自身空间几何图形变化快的优势真正解决了广域精密定位收敛时间长的核心难题。

通过GNSS、5G及低轨星座三者有机协同所构成的高中低地一体化通信与导航信息网络，可极大地促进相关技术和产业的发展，突破单一导航技术手段的局限性，在自动驾驶、智能交通、精准导航等诸多领域具有广阔的应用前景。

3）面向精密定位的完好性评价体系

随着高精度、高完好需求向卫星导航应用各领域的不断扩展，需要关注以信号载波相位观测值为基础的PPP完好性。例如，对民航用户而言，其更关注进近阶段垂直告警门限，而自动驾驶对水平告警门限则提出了更高的要求。民航对精度要求不高，通常可采用伪距差分的方式进行完好性指标监测，其对亚米级以下的小故障监测效果差甚至无法探测，而这对于有实时车道级导航精度需求的自动驾驶用户而言无法满足要求。目前实时精密轨道和钟差产品未给出完好性标识，未来相应的服务模式、指标体系、算法流程均需做出重大调整。

在提供泛在便捷的增强手段中，需要关注并研究多种导航与通信技术的融合与增强体系、GNSS快速精密定位技术、室内外无缝定位技术、双频多星座星基增强技术、PPP完好性监测技术等。

4.5 融合通信遥感的多样化服务

当前，各卫星导航系统正逐步形成体系化的特色服务能力，系统融合也从导航通信简单集成向通导遥一体化按需服务转变。未来，以GNSS为基础的基础设施将提供融合通信遥感的多样化服务，实现更智能的导航信息服务，深度融入各行各业、大众消费用户、基础设施和国防装备中，在陆、海、空、天形成分类分层次智能感知、定位导航和位置信息传输分发。其主要发展趋势如下。

1）通导遥的顶层规划融合

建设融合通信、导航、遥感等功能服务的系统，从卫星星座和卫星平台的空间系统、测控与运行管理的地面系统、以及运载火箭发射系统、用户融合服务等顶层规划与设计中实现融合。

2）空间星座融合

空间星座融合，要求卫星承担通信、导航、遥感、计算处理等不同的功能角色，通过卫星平台集成通信、导航、遥感等多功能载荷实现空间系统的融合。另外，考虑到不同功能的特殊要求和不同技术特征，可以将通信卫星、导航卫星、遥感卫星分组承担各自功能，通过星间网络实现数据交互、在轨处理与服务融合。

3）用户服务融合

卫星导航系统作为空间基础设施的重要支撑与组成部分，通过导航与通信的服务融合，可实现协同导航、位置实时共享等便捷的位置服务；通过导航与遥感的服务融合，将真正实现位置服务到用户时空信息的实时服务；通信与遥感的服务融合，将实现远程实时的态势感知服务。

在融合通信遥感的多样化服务中，需要关注并研究天地一体化信息网络时空基准与通信技术、多源成像数据在轨处理技术、天基资源调度与网络安全技术、多载荷集成的一体化卫星平台技术、用户终端集成技术等。

5

结束语

卫星导航系统已然成为一个前沿科学技术的代表作，获益于科学进步和技术创新，卫星导航系统得到持续发展，不断提升了卫星导航系统的服务性能。卫星导航系统与经济社会在深度和广度上又不断融合发展，从深层次催生了更多更高的功能性能要求和系统建设发展。

北斗卫星导航系统是在借鉴国际上卫星导航系统的先进技术，充分考虑到中国国情，开展众多创新性工作的基础上，独立自主建设的全球卫星导航系统。北斗系统的开通运行丰富了卫星导航服务类型，提升了用户使用性能，促进了卫星导航系统与技术的发展。

当前，世界卫星导航已进入多系统共同服务崭新时代，各大卫星导航系统相互参考借鉴，在演进发展方向上逐渐出现同质化倾向，因此，实施新一轮的概念、技术、体系创新正当其时。

卫星导航系统发展特点和趋势对北斗系统的发展具有重要参考意义。在新时代下，构建以卫星导航系统为核心的综合导航定位和授时体系，建设发展下一代北斗系统，应贯彻创新超越、国际领先的发展理念，从扩展多层次空间星座、发展灵活安全的导航信号、构建天地一体的时空基准、提供泛在便捷的增强手段和融合通信遥感的多样化服务等方面实施创新，加强自主可控技术与产品的研发，攻克关键技术，实现“更加泛在、更加融合、更加智能”综合时空体系的目标。

END

引用本文

谢军, 郑晋军, 张弓, 马福建, 赵兴隆. 卫星导航系统发展现状与未来趋势[J].前瞻科技,2022,1(1):94-111;
doi:10.3981/j.issn.2097-0781.2022.01.009