目前世界上主要的四大導航系統分別為北斗、GPS、GLONASS和GALILEO。與其他三大導航系統相比，北斗獨有的功能為短報文通信、三頻導航和雙向授時功能。短報文通信功能能夠使用戶無需借助其他通信手段實現位置共享和管控，三頻導航使高精度（厘米級）用戶載波整周模糊度固定成功率提高15%，有利于提升用戶的定位成功率。北斗二代具有多功能融合的特點，同時平面和高程信號指標與美、俄相當，使其在亞太地區擁有較好的比較優勢。另外，北斗的位置報告功能是區別于GPS的特色之一，該功能使用戶能夠在第一時間向指揮部門傳遞位置和現場信息。

 

　　隨著社會經濟的發展，時空信息服務為經濟發展與轉型起到了巨大的帶動作用。以新興互聯網產業為例，截至2017年5月底，百度的LBS開放平臺每天響應來自第三方超過800億次定位請求。PC地圖月在線用戶4億，無限地圖活躍用戶數過億，POI數據近億。導航與位置服務已經成為移動互聯網的基本功能，并正在成為人們重要的日常信息消費服務項目。

 

　　一、 引言

 

　　時空信息服務具有重要的戰略意義，是人類社會有序運行的基礎支撐，也是人類活動拓展的重要保證。以戰爭形態的演變為例，在第二次世界大戰期間，打擊一個目標需要出動1500架戰機，使用9000枚炸彈，打擊精度為1公里；到了2005年，打擊一個目標僅需要出動一架戰機，使用1枚制導炸彈，打擊精度3米，戰爭效率大幅提升。時空信息網絡是構建現代聯合作戰體系的核心要素，是目前國家爭奪戰略制高點的重要領域。

 

　　衛星導航系統是國家的重要基礎設施，具有高精度、全天候、大范圍、低成本的優勢，故而成為陸海天定位、導航與授時的首選。科索沃戰爭后，受到現代化戰爭模式的激發，俄羅斯堅定地恢復發展GLONASS，總統和政府多次發布命令制定相關政策措施。同樣受到激發的歐盟，盡管遭到美國的強烈反對，也開始突破美國阻撓，堅定實施GALILEO計劃。中國北斗一代于2003年投入運營，主要面向國內用戶，解決了有無問題；北斗二代于2012年投入使用，面向亞太地區用戶提供服務；正在建設的北斗三代將于2020年面向全球用戶提供服務。

 

　　二、 機遇與挑戰

 

　　北斗系統的建設工作推進十分迅速，但在系統服務與產業制造等方面還存在一系列挑戰。北斗系統特有的有源定位RDSS服務需求旺盛，但目前仍存在大規模應用能力有限的問題；在民用和境外服務領域，尚需軍民分離的安全機制；在產業推廣方面，用戶終端體積較大，功耗和成本較高。在無源定位RNSS領域，90%的大眾市場仍為GPS占據。北斗系統除了需要進一步提高信號精度外，市場推廣也需要進一步突破瓶頸。

 

　　與全球無縫監測的GPS相比，北斗的監測范圍較小，因此較難實現高精度測控。在相同空間范圍，如頑固多徑與惡劣的空間環境中，北斗的信號誤差較大；同時受工業能力所限，北斗的設備完備性稍差。因此，我們必須通過不斷創新和增強信號，提升北斗的綜合性能與水平。

 

　　2004年8月，國務院批準北斗二代立項，同時將其列入國家重大科技專項。2012年，BD-2開通服務，在國防及國民經濟建設中發揮了重要作用，但面對激烈的國際競爭環境，北斗系統的服務性能迫切需要提升。2013年起，科技部863立項“空間信號提升”和“分米級星級廣域差分”，推動突破北斗高精度星基廣域差分等關鍵技術，并于2015年進行了一系列工程建設，對北斗導航業務系統進行升級。

 

　　三、 關鍵技術

 

　　北斗系統采用了雙向時間同步與精密定軌融合體制，通過基于星座整體求解及預測系統差約束以及基于時間調整的協議控制等快速處理方法，實現快速、穩定、精化北斗導航參數的播發。

 

　　基于一個導航系統中集成基本導航服務、廣域差分服務及一體化系統工程的實現，北斗系統的服務性能得到了整體提升，并成為亞太地區定位精度最高、服務種類最多的衛星導航定位系統。研究人員提出衛星軌道、鐘差實時改正、格網電離層以及分區綜合改正融合的四重參數疊加精密定位方法。通過廣域差分參數模型、電文結構與播發策略，解決了在現有北斗協議中實現分米級服務的難題，并實現了普通導航、廣域差分和精密定位一體化功能，同時無需增加任何成本。以軌道鐘差歷元變化為條件約束的軌道鐘差解算方法，解決了將高精度載波相位觀測數據用于高可靠、高精度導航業務處理的難題，在此解算方法基礎上成功研制了北斗基本導航與廣域差分并行處理軟件，實現了空間信號精度優于0.2米。四重疊加參數的用戶實時動態精密定位算法，通過構建無電離層組合觀測及系統誤差精確消除的定位模型，解決了北斗高可靠性、高精度實時動態導航定位的難題，實現了單頻接收機定位精度優于1米，雙頻精度優于0.5米（95%）。

 

　　四、 運行與服務現狀

 

　　北斗二代是世界首個集基本導航服務、差分服務于一體的RNSS服務系統，并具有高性能RDSS服務功能。該系統首次實現了數字多波束跟蹤測量、高精度測距、激光雙向時差測量等一批高精度、高可靠地面設備研制的技術突破，確保了系統高精度指標的實現，大大提升了國內高精度設備的研發能力和水平。科研人員攻克了衛星在軌運行中出現的偽距波動、姿軌控模式動偏轉零偏、單粒子導致導航業務中斷等重難點問題，實現了整個系統的性能提升，進一步增強了北斗系統的核心競爭力。

 

　　北斗二號投入運行五年來從未發生過服務中斷，定位精度穩中有升，服務性能與GPS相當，在亞太地區已達到國際先進水平。2017年，國內衛星導航及位置服務產業的總體產值突破了2550億元，年均增長率超過20%，預期將進一步增長。

 

　　五、 天地融合時空綜合網

 

　　隨著天地融合時空增強網絡體系建設的逐步推進，北斗系統將為國家經濟與社會發展做出重要貢獻。無縫高精度定位技術能夠為工業4.0建設提供有力支撐，從根本上提升行業技術水準，催生新的應用。該技術將有效滿足天基覆蓋不足與戰略應急補充的需求，提高各軍兵種武器平臺在復雜戰場環境中對定位授時的高精度、高可靠性作戰應用性能的需求，提供戰時精確作戰、精準管控和精益訓練的保障能力，在衛星導航受到嚴重影響的極端條件下，仍能為重點方向與武器平臺提供導航定位服務。

 

　　天地融合定位授時網以天基北斗與地基一體化增強為基礎，并融合各類新興PNT技術與網絡通信技術，利用量子時頻傳遞手段構建時空基準服務的“位置網”，具備全球導航、戰區增強、融合應用導航、戰場導航對抗和深空特殊導航等能力。深空導航系統由6-9顆中高軌衛星（加深空導航載荷）以及3-4個太空導航站構成，主要為深空用戶提供導航授時服務，并為時空信息網自主運行提供空間基準。北斗高軌星座GEO RDSS可提供6個點波束，覆蓋中國周邊、南海及兩個島鏈；中軌衛星MEO搭載短報文載荷，通過星間鏈路可實現全球短報文通信，并利用Ka頻段實現衛星間的互聯互通。低軌衛星LEO與移動參考站的配合，可有效改進北斗系統的性能，提升高精度PPP應用能力，增強導航信號的抗干擾能力，并聯合地基增強系統實現無縫定位。地面網絡由原子鐘組和地面光纖網組成，通過遠距離光纖時頻傳遞實現地面原子鐘組的時間同步，并向類星增強系統傳遞高精度時頻信號。類星增強系統依托光纖時頻網絡維持高精度時頻基準，從而實現室內外高精度無縫導航授時，并實現全時空基準全域服務。另外，通過利用量子地磁傳感器、量子MEMS陀螺和量子隨機數發生器等創新型芯片傳感器，能夠有效回避多徑、非視距與干擾等傳統方式難以克服的問題。通過這些新型傳感器，可將定位匹配精度提升至0.5米，同時可以保證連續可靠的數據輸出，用于組網探測和形變監測。

 

　　六、 結語

 

　　精密定位服務是物聯網、中國制造2025和工業4.0的基礎技術。天地融合時空信息網將有效推動數字中國、智慧社會建設和無人駕駛等新興業態的發展，促進人工智能和大數據技術的廣泛應用，對國家安全和經濟社會的持續發展發揮重大的支撐作用。