来源：测绘学报（ID：CN11-）
北斗系统创新发展与前景预测
谭述森
作者简介：中国工程院院士，研究方向为卫星导航系统总体设计
摘要随着旺盛的卫星应用社会需求及航天新技术的迅猛发展，天基无线电系统相互交叉融合已成趋势。北斗系统从两颗卫星起步，以快速定位报告（RDSS）与短报文通信（MSS）业务为特色建成中国第一代卫星导航定位系统。随后，用8年时间构建了RNSS连续导航与RDSS定位报告相结合的北斗技术体制，完成了亚太地区覆盖。通过有效的卫星无线电频率兼容设计与国际协调，北斗系统是世界上第一个被国际电信联盟（ITU）规则认可的RNSS、RDSS、MSS三大业务相结合的卫星无线电系统。本文阐述了北斗系统在创新超越理念下的三大业务、四大功能的发展历程、技术体制、主要特点及前景预测。
关键词：北斗系统卫星无线电测定卫星移动通信卫星无线电导航
北斗系统于年以2颗卫星小幅起步，建成了具有位置报告、短电文通信等显著特色的北斗试验系统，使我国成为世界上第3个拥有自我卫星导航系统的国家。随后于年12月，利用14颗卫星完成了北斗区域系统建设，实现了对亚太地区的连续覆盖，受到ICG认可成为世界四大卫星导航核心供应商之一[1]。
北斗区域导航系统建成运行后，伪距测量精度约为33cm，载波测量精度约为2mm；伪距单点定位水平精度优于6m，高程精度优于10m；载波相位差分定位精度在超短基线情况下优于1cm，短基线情况下优于3cm；单频伪距差分定位精度优于2.5m，与GPS相比存在较大差距，其主要原因可能为北斗GEO卫星伪距多路径误差较大[2-3]。
1卫星导航理论与实践概述1.1卫星无线电导航历史演变
卫星无线电导航创始于20世纪60年代。早期的卫星导航系统，主要以解决海洋用户平面位置为目标，典型用户是潜艇海洋定位。
苏联年代开始设计论证蝉(Tsiklon)系统，到年发射了4颗蝉系统卫星[4]。卫星轨道高度km，下行频率MHz和MHz，采用多普勒原理确定用户平面位置坐标。定位均方根误差为~m，响应时间5~6min。经大地测量与地球物理学者的努力，精度可提升至80~m。随后，蝉系统卫星补充了遇险接收设备，为用户配备了无线电浮标装置，发射MHz和MHz遇险信号，卫星将接收到的遇险信号中继至地面站，由地面站计算遇险用户位置，用于生命救援[5]。与美国、法国、加拿大合作形成了COSPAS-SARSAT空间搜救系统。同时期，美国建设了海军无线电系统，称为子午仪系统(Transit)[6]。采用与蝉系统相当的轨道高度、工作频率，服务对象为美军核潜艇海上平面位置定位，通过卫星信号多普勒频率测量与卫星广播星历计算，确定用户平面位置。
上述两个系统均不能为用户提供精确的速度与定位时间信息，并且卫星轨道低、稳定性差，难以满足日益旺盛的全球导航需求，因此，两个超级大国很快就开启了新的卫星导航系统论证研究。年前后，两国分别提出了GPS和GLONASS方案的雏形。基本定位原理是通过同时对4颗以上卫星信号的伪距测量和多普勒测量，确定用户三维位置、速度矢量与定位时间，形成了PNT服务完整概念。
国际电信联盟(ITU)在年召开的WRC-79大会上，为两大系统量身指配了卫星导航L1频段(~MHz)，L2频段(5~MHz)频率。两大系统均采用0km高度左右的中圆轨道(MEO)卫星构成基本星座，时空基准框架均使用世界协调时UTC和地心坐标系。全球卫星导航系统(GNSS)自此逐渐发展起来。目前世界GNSS领域，包括在建的系统，已有GPS、GLONASS、Galileo、北斗(BDS)等四大全球系统，以及QZSS、IRNSS等若干区域系统[7]。
1.2卫星无线电定位报告历史演变
年，美国圣地亚哥机场附近发生飞机相撞事件，造成了人丧生的历史惨剧。随后，美国学者G.K.O’NEILL博士提出了基于3颗GEO卫星的卫星无线电测定业务(radiodeterminationsatelliteservice，RDSS)的防撞系统方案。年国际电信联盟(ITU)确认了该系统地对空频率为~.5MHz，空对地频率为.5~0MHz[8-9]。实际发展过程中，美国全球星(GlobalStar)等四大系统开启了以防撞位置服务为主要业务的MSS服务。年，中国成功发射了2颗北斗一号卫星，通过双星定位原理、定位报告业务真正实践了RDSS概念、理论与系统架构。年正式建成的北斗一号系统，使得中国成为是世界上第3个拥有自主卫星导航系统的国家。
年3月8日，马来西亚航空公司MH航班失事，名乘客及机组人员下落不明。此后，中国卫星导航学者提出了北斗全球系统RDSS航行跟踪及遇险救援方案。美国则于年，在IMO、ITU等国际组织会议场合，提出了全球水上安全与遇险救援系统(GMDSS)现代化的建议，主要是推动基于铱星系统的生命安全服务。
2北斗系统创新发展历程北斗系统与子午仪、蝉系统相比，起步晚了30多年，与GPS、GLONASS相比，也晚了20年。时间跨度之大，无论是用户需求还是导航技术均发生了跨时代的变化。解决“我们在哪里？”远比解决“我在哪里？”重要得多。用户信息共享成了导航主要需求。交通拥堵、无人驾驶、飞行器防撞、水上安全遇险等成为