“北斗”卫星导航系统面临不可错失的战略机遇期

廖春发 赵爽（北京空间科技信息研究所）

卫星导航系统是国家重要的战略性空间资产，同时也是确保国家安全、经济利益和战略独立性的关键空间基础设施。当前，全球导航卫星系统（GNSS）进入了多星座既竞争又合作的新阶段，美、俄、中、欧“一超三强”的竞争格局正在全球形成。各主要航天大国在卫星导航领域竞争的重点是：争夺国家优势地位、抢占技术制高点和全球市场份额，而各大国间开展合作的热点是兼容与互操作。中国“北斗”卫星导航系统（以下简称“北斗”系统）从提供区域服务向全球服务转型的关键时期面临不可错失的战略机遇期，这一机遇期短则2～3年，长则7～8年，可谓稍纵即逝，不可错失。

1 “北斗”系统关键技术获突破性进展，国外高度评价“北斗”卫星性能

2012年中国通过4次发射将6颗“北斗”导航卫星送入不同轨位，创造了历年发射之最。为鼓励国内外相关企业参与“北斗”卫星用户终端研发，推动“北斗”的广泛应用，2012年12月27日，中国卫星导航系统管理办公室公布了“北斗”卫星导航系统空间信号接口控制文件（ICD）正式版，并宣布自即日起“北斗”系统开始向亚太地区提供区域服务。目前，“北斗”区域系统由5颗地球静止轨道（GEO）卫星、5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和4颗中圆轨道（MEO）卫星组成，可提供优于10m的定位精度、优于0.2m/s的测速精度和优于50ns的授时精度。

以上事实表明，中国已掌握了建设卫星导航系统所必须的、具有自主知识产权的核心技术，并已突破了下一步发展“北斗”全球系统所需的许多关键技术，包括多轨道多星组网、一箭双星精确入轨、精确测轨和轨道同步技术，尤其是西方国家严密控制的高精度星载原子钟技术和卫星组件抗辐射加固技术。同时，在“北斗”用户终端研制上还突破了芯片、模块、电子地图等多项关键技术，形成了一系列具有自主知识产权的卫星导航产品。目前，具有自主知识产权的“北斗”/“全球定位系统”（GPS）双模芯片已经在车载终端中得到了实际应用，区域示范项目正在稳步推进。交通运输部正在9个省市的三类车辆中强制推广应用“北斗”系统。

“北斗”系统的这些重大进展不仅使国外竞争对手敬畏，也得到了国外同行的高度赞誉。据GNSS内参网站透露，2013年1月8日欧洲GNSS接收机制造商Septentrio公司借助最新公布的ICD文件，成功地跟踪到“北斗”系统的信号，并通过GPS+“全球导航卫星系统”（GLONASS）+“北斗”三星座算法成功进行了位置/速度/时间（PVT）计算。该公司对“北斗”系统的性能表示“非常惊讶，其性能超出预计，表征出一个相当成熟的星座特征”，而且“北斗”系统对于其定位接收机性能的改善超出了Septentrio公司对于一个正在部署中的导航星座的期望，尽管其解决方案中并没有用到差分修正，但总体定位结果已经显示出引入“北斗”星座后性能的改善。即使是以目前“北斗”星座部署状态，Septentrio公司正在研制的多星座接收机在欧洲地区上空可观测到的卫星数量也可达到26颗，其中包括2颗“北斗”IGSO卫星和2颗“北斗”MEO卫星。Septentrio公司表示，“北斗”系统对于多星座接收机的使用者而言，将获得更好的性能，例如城市地区的导航和信号完好性等。

2 GNSS建设进入既竞争又合作的新阶段，中国面临新机遇

近年来，美、俄、欧、中等航天大国或组织正在加快各自卫星导航系统的建设步伐，呈现出多系统并存、既有竞争又有合作的态势。预计在2020年左右，美国新一代导航卫星GPS－3、俄罗斯新一代导航卫星GLONASS－K和欧洲正在部署的“伽利略”（Galileo）卫星都将投入运营。当前，各主要航天大国在GNSS系统建设中竞争的重点是抢占技术制高点和对兼容互操作及规则标准的话语权。

在这场博弈中，美国无论在技术上，还是在规则标准上都处于遥遥领先的地位；欧盟Galileo计划虽然进展缓慢，一波三折，但由于技术起点较高，仍有可能后来居上；俄罗斯正汲取以往的教训，加强GLONASS卫星的应用开发，加速新一代卫星的研发和部署，力图在卫星系统性能上赶超美国。2013年1月12日，俄罗斯航天局发布《2013－2020年俄罗斯航天活动》文件，宣布未来8年将发射13颗GLONASS－M卫星和22颗GLONASS－K卫星，俄罗斯的国家目标是：到2015年使GLONASS系统的定位精度达到1.4m，2020年达到0.6m。中国将开始发展“北斗” 全球系统，预计到2020年建成由5颗GEO卫星、27颗MEO卫星和3颗IGSO卫星组成的“北斗”全球系统。由此可见，从现在起到2020年的8年中，中国在这场四大供应国争夺技术制高点和兼容互操作等规则标准话语权的激烈竞争中既面临战略机遇又面临巨大挑战。

“北斗”/GPS双模兼容接收机模块

3 “一超三强”竞争格局正在全球形成，中国开局良好，但挑战与机遇并存

冷战时期，美国和苏联为争夺霸权，历经20多年先后建成了GPS和GLONASS全球卫星导航系统。但在2001年，GLONASS系统却处于瘫痪状态，而美国GPS却因在几场局部战争中的杰出表现和在国计民生中的广泛应用备受青睐，成为卫星导航领域的唯一超级大国。21世纪的前10年，欧洲、俄罗斯和中国为打破GPS的垄断地位和出于各自的战略考量，竞相投入巨资发展或重建本国的导航卫星系统；日本和印度也在积极发展区域卫星导航系统。在这场航天大国综合实力竞争的博弈中，全球GNSS及其产业正从一家独霸向美、俄、中、欧“一超三强”多系统兼容互操作的世界新格局发展。各航天大国间争夺的重点是国家优势地位。在未来的6～8年内，谁能拥有高性能、抗干扰、确保国家安全的卫星导航技术和能力，谁就能在军事和外交上拥有更多的话语权；谁能向全球民用用户提供兼容互操作的卫星导航资源，谁就能分享全球卫星导航市场份额的更大蛋糕。

“北斗”/GPS导航仪

在这一新格局的驱动下，美国为确保其优势地位，即使国家财政紧缩，仍在继续投入100多亿美元发展第三代GPS系统，完成GPS现代化计划；俄罗斯也决定在2020年前继续为GLONASS系统的现代化和应用开发投入3265亿卢布（约合107亿美元），力图重振航天强国地位；而欧盟在前期已经投入50亿欧元的情况下还将在2014－2020年期间继续投入63亿欧元完成Galileo系统的建设。目前Galileo系统发展仍处于只有4颗在轨卫星的验证阶段，预计在2014－2015年建成18颗卫星组网的初始星座，2019－2020年完成30颗卫星组网的Galileo全球系统。

中国用短短几年时间完成了“北斗”区域系统的建设任务。该系统的快速发展，不仅使中国在亚洲的中、印、日区域系统的“三国演义”竞争中赢得了遥遥领先地位，而且在未来中、美、俄、欧GNSS四大全球供应国竞争中成为四分天下有其一的国家，并在中国乃至全球市场的GNSS用户终端产品制造、集成和服务领域占有重要的一席之地。总的来说，中国在这场竞争中，有了良好开局，不仅建成了区域卫星导航系统，突破了卫星导航系统发展所必须的关键技术，而且赶上了与美、俄、欧三大系统兼容互操作这趟“班车”。但未来8年建设“北斗”全球系统过程中仍将面临更多机会与挑战，例如，继续完善空间星座，逐步提高空间信号精度，改进和完善公开服务信号的可靠性、可用性和完好性；而最大的挑战是务必抓住当前机遇，加速与国外卫星导航系统的兼容互操作进程，加快“北斗”应用产品和服务的开发，开拓国内市场，布局亚太市场。

4 兼容互操作已成为大势所趋，中国面临稍纵即逝的战略机遇期

当今世界，卫星导航系统兼容互操作已成为大势所趋。中国始终坚持“北斗是中国的，也是世界的”理念；坚持开放合作，努力形成资源共享、优势互补、兼容互操作的GNSS系统发展格局。

由此可见，坚持走与国外系统兼容互操作的卫星导航国际化发展道路是中国的战略选择，也是当前各主要航天大国对全球卫星导航系统发展的共识。所谓互操作性是指在用户层面上共同使用中国与外国的天基定位、导航和授时服务的民用部分，并为用户提供优于单个系统所能提供的服务或信号的能力；通俗地说就是在用户层面上利用能同时接收“北斗”、GPS、GLONASS或Galileo等多系统卫星的兼容互操作接收机，实现定位、导航和授时的解决方案，这种方案通常需要采用卫星导航频段中某一相同的中心频率（如1575.42MHz）和信号结构[如多元二进制偏置载波（MBOC）]，以及采用相同标准、具有互操作功能的接收机。兼容性是指单独或共同使用中国和国外的天基定位、导航和授时服务时，彼此不会产生对服务或信号的相互干扰。时至今日，美国、俄罗斯、欧洲和中国的卫星导航系统均已基本实现兼容性，但却尚未实现系统级在用户层面上的互操作性。

在美、俄、欧、中四大系统互操作方面，中国虽与其他国家开展了广泛交流和合作，并与欧洲进行了多次专家层面的协调，但迄今仍未与任何国家签署具有法律约束力的政府间合作协议。值得我们特别关注的是，美欧已在2004年达成GPS与Galileo系统互操作协议，双方专家经协商同意在未来GPS－3卫星的L1C民用信号和正在部署的Galileo卫星开放服务E1信号上选用相同的1575.42MHz中心频率和相同的MBOC信号结构，解决两大系统间的互操作难题。与此同时，俄罗斯也已决定将其GLONASS系统融入美欧系统中。2004年美俄两国政府签署联合声明，双方同意在新一代卫星系统的信号设计时要确保兼容互操作，而且俄罗斯与欧洲间的兼容互操作协商也已取得进展。2008年2月15日，俄罗斯宣布GLONASS系统将增加两个能与美欧系统兼容互操作的码分多址（CDMA）信号，均采用MBOC调制方案，第1个信号L1OCM中心频率为1575.42MHz（与GPS和Galileo系统的互操作民用信号中心频率相同）、调制方式为BOC（2,2），第2个信号L5OCM中心频率1176.45MHz（与GPS的L5频段信号中心频率相同）、调制方式为BOC（4,4），从而使GLONASS系统与GPS、Galileo系统具有更好的兼容互操作性。按目前规划，俄罗斯将从2015年以后发射的GLONASS－KM卫星上增加上述两个互操作信号。俄罗斯政府部门正在与美、欧、中、印等国家和组织就GNSS兼容互操作及其接收机标准问题保持双边或多边的接触。

“北斗”系统应用于森林火灾的预警和监测

整装待发的“北斗”导航卫星

如果未来几年美、俄、欧三大卫星导航系统之间实现互操作，那么到2020年太空中将有数十颗导航卫星可以同时发送兼容互操作的民用信号，全球用户均可采用相同标准的接收设备免费共享美、俄、欧卫星的开放服务。假如中国“北斗”系统被排除在与其他系统兼容互操作之外，那么中国将可能错失分享全球乃至本国GNSS市场的战略机遇。由此可见，中国与美、俄、欧进行互操作谈判并达成协议的最佳机遇期窗口只有2～3年。这一机遇稍纵即逝，不可错失！

5 结论

综上所述，当前美、欧、俄、中四大系统间的兼容互操作问题，从表面上看是一种国际合作，但其实质却是各航天大国间在兼容互操作这一民用卫星导航技术领域的新一轮竞争，同时又是全球GNSS兼容互操作用户终端产品研发，技术标准、游戏规则制定及其专利等知识产权的竞争，最终结果将导致全球GNSS市场的重新洗牌，因而也是打破GPS垄断全球的最佳机遇期。

尽管“北斗”系统融入GNSS体系对中国来说是利大于弊，但主动权并非完全由中国掌控。如果中国能在未来2～3年内采取果断措施，与美、欧等主要国家达成兼容互操作协议，并在“北斗”全球系统星座中增加能与美、欧、俄卫星系统兼容互操作的民用信号，那么中国才能成为真正融入GNSS体系的四大供应国。

目前，中国已具备了研发和大批量生产GNSS卫星导航产品的技术和能力，一旦达成兼容互操作协议，中国航天制造业一定能够生产无需支付昂贵专利费的、价廉质优的兼容互操作接收机，从而分享国内和国际两大市场的丰厚利益，那么中国将有可能成为最大的赢家。