全球卫星导航系统发展方向研究

刘天雄 周鸿伟 聂欣 卢鋆 刘成

(1 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)(2 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

2020年11月23日，第11届中国卫星导航年会在成都胜利召开，全球卫星导航系统(GNSS)四大核心供应商的主管部门在大会上就系统建设、运行和发展情况给出了详实的介绍，主要包括星座部署、定位精度、信号精度、星基增强、当前状态、未来发展和PNT政策等内容。美国国务院空间事务办公室指出从空间段、控制段、用户段全面实施GPS现代化，其中空间段导航卫星从提高信号精度和信号功率、增加抗干扰功率、提升固有信号完好性、播发第四民用信号L1C、延长工作寿命、配置性能更优星载原子钟等6个方面升级能力。欧盟国防工业与空间局在大会上给出了Galileo第二代系统(G2G)的任务目标和服务模式，全面解读了欧洲对弹性卫星导航系统的理解。俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)给出GLONASS系统的发展路线图，从精度、可用性、稳健性和创新发展4个维度建设下一代的卫星导航系统。

GPS、Galileo和GLONASS系统的国家主管部门的大会报告内容十分精彩，在当前四大GNSS提供全球服务之际，各大系统都在谋划下一代系统升级换代，采用新技术、研发新卫星、构建新体系，GNSS新一轮竞争态势凸显。北斗三号卫星导航系统作为我国第一个面向全球提供公共服务的重大空间基础设施，一方面要制定措施保证系统稳定可靠运行，另一方面要开展下一代系统的关键技术的攻关，确保北斗卫星导航系统的先进性。本文系统地解读了国外卫星导航系统在第11届中国卫星导航年会大会报告，结合当前卫星导航系统的研究热点问题，总结了GNSS的发展趋势，给出了建设下一代北斗系统的建议。

1 系统建设

1.1 星座部署

对于全球卫星导航系统来说，导航信号(SIS)对服务区4重以上覆盖是无线电导航业务(RNSS)的基本要求。卫星导航系统星座设计主要包括单颗导航卫星轨道设计的权衡(轨道高度、轨道倾角、轨道周期)、性能台阶的目标及与纬度的关系、4重以上覆盖、覆盖几何对幅宽的限制、星座覆盖的综合权衡(卫星数量、轨道平面数量、性能台阶、平均响应时间)等因素；基于以上考量，四大全球卫星导航系统均采用地球中圆轨道(MEO)卫星，组成特定的Walker卫星星座，用24颗卫星对全球形成均匀覆盖。例如美国GPS空间星座设计为24颗MEO卫星形成Walker24/6/2星座；俄罗斯GLONASS系统星座设计为24颗MEO卫星形成Walker24/3/2星座；欧洲Galileo系统星座设计为24颗MEO卫星形成Walker24/3/1星座，3个轨道面每个轨道面2颗备份卫星。GPS、Galileo和GLONASS系统星座主要特征总结如表1所示[1]。

表1 GPS、Galileo和GLONASS卫星导航系统星座主要特征Table 1 Main constellation characteristics of GPS, Galileo and GLONASS

同其他星座相比，Walker星座设计能用更少的卫星提供相同的覆盖水平。在星座设计中，另一个重要的问题是要求将轨道参数维持在一个特定范围内，称为“相位保持”，这就要求在一颗卫星工作寿命期间所需机动的频度和幅度最小。为了确保导航星座的可靠性，一般全球卫星导航系统在每个轨道面配置在轨备份卫星，而不是采用一般的Walker星座。例如，GPS空间星座24颗卫星配置在6个轨道面，在其中的3个轨道面中各配置1颗备份卫星，采用非标准Walker24/6/2星座设计方案，6个轨道平面且依次以A、B、C、D、E、F命名，每一个轨道上分布着4颗工作卫星，处于同一个轨道上的卫星，如图1所示[2]。

图1 GPS标称星座导航卫星配置Fig.1 Constellation design of GPS

卫星导航系统与卫星通信系统相比，最明显区别的就是为实现定位服务要求导航卫星4重覆盖，为可靠地保证这种覆盖水平，实际的卫星导航星座可提供4重以上的覆盖。导航星座稳健性要求在每个轨道面配置多颗卫星，而不是一般化的Walker星座，且这些卫星位于不同的轨道面上。例如，第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室给出GPS在轨卫星数量为36颗，30颗在轨工作(Ops capable)，6颗设置为“不健康”(not set healthy)，这30颗工作卫星分别为8颗BLOCK-IIR卫星、7颗BLOCK-IIR-M卫星、12颗BLOCK-IIF卫星、3颗BLOCK-III卫星[3]。目前，欧州航天局给出Galileo系统空间段由30颗卫星组成，星座设计方案是Walker24/3/1，每个轨道面有2颗备份卫星[4]。2019年，在第10届中国卫星导航年会上，欧洲GNSS办公室给出Galileo在轨卫星数量为26颗，其中22颗在轨工作，2颗在轨测试，1颗在轨备份，1颗不可用，Galileo星座导航卫星配置如图2所示[5-6]。第11届中国卫星导航年会上，俄罗斯联邦航天局给出GLONASS在轨卫星数量为28颗，其中24颗在轨工作，2颗在轨测试，1颗在轨备份，1颗在轨维护[7]。由此可知，为了确保系统稳定运行，国外卫星导航系统空间段导航卫星的数量比标称数量多，实际在轨卫星数量如表2所示。

图2 Galileo星座导航卫星配置Fig.2 Constellation design of Galileo

表2 GPS、Galileo和GLONASS卫星导航系统在轨卫星数量Table 2 Number of in-orbit satellites of GPS, Galileo and GLONASS

1.2 定位精度

卫星导航系统利用导航信号传播的到达时间(TOA)来确定用户的位置。基本观测量是导航信号从位置已知的卫星发出时刻到达用户接收该信号时刻所经历的时间，时间乘以信号传播速度，就可以得到卫星和用户之间的距离。用户测量4个位置已知的卫星到接收机之间的距离，通过4个球面交汇就能够确定自己的位置。对于用户来说，评价一个卫星导航系统性能优劣的最直观的指标就是定位精度。定位精度或者说用户接收机解算位置的标准偏差是用户等效测距误差(UERE)和卫星空间几何分布的函数。导航卫星空间几何分布的影响被称为几何精度因子(GDOP)，它反映了由于星座中导航卫星空间几何关系的影响造成的伪距测量与定位精度之间的比例因子，是对用户等效测距误差的放大程度。用户的定位精度(σA)由UERE(σUERE)和GDOP共同决定，UERE包含用户测距误差(URE)和用户设备误差(UEE)2部分误差。URE主要取决于卫星的位置和星钟的精度，不会因为用户位置变化，即与用户位置无关系；而UEE取决与电离层、对流层延迟误差等与空间物理环境相关的误差以及多径、接收机噪声等与用户设备相关的误差，会因为用户所处位置，环境不同而不同。URE定义为导航卫星位置与钟差的实际值与导航电文给出的预测之差，投影在卫星到用户视线上的等效距离误差，反映了预报的导航星历及钟差精度，并最终影响用户定位精度，也称为导航信号测距误差(SISRE)。卫星始终在轨道空间运动，GDOP也是时间的函数，研究表明，对导航卫星星座而言，观测4颗导航卫星时，GDOP典型解为2～3，因此，如果系统的定位精度要求为10 m，则伪UERE必须低于3.3 m，这是对导航系统设计提出要求的最原始依据。

第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室给出GPS信号用户距误差(URE)平均为52.2 cm(RMS)，最好为38.5 cm(RMS)，最差为90.2 cm(RMS)，观测时间段是2019年11月7日—2020年11月7日[3]。也就是说，当GDOP值为3时，GPS的平均定位精度优于5 m(RMS)。欧盟国防工业与空间局给出Galileo系统信号URE为0.25 m(95%)，全球平均定位精度小于1 m[8]，授时精度小于5 ns,观测时间段是2020年7月。俄罗斯联邦航天局给出GLONASS系统信号URE最优为0.63 m，观测时间段是2020年5月13日—21日，公开服务(Open Service)定位精度是5.6 m[7]。由此可知，全球卫星导航系统定位精度已进入米级时代，卫星导航系统的核心技术是高精度时空基准建立维持和传递、进一步提升导航信号精度以及电离层和对流层时延改正精度。国外卫星导航系统服务精度如表3所示。

表3 GPS、Galileo和GLONASS卫星导航系统服务精度Table 3 Positioning accuracy and URE of service of GPS, Galileo and GLONASS

1.3 星基增强

GNSS不能全面满足航空及精密测绘用户的导航性能要求，特别是在涉及生命安全的精密进近和自动着陆导航过程中，GNSS定位精度和完好性指标均不能满足要求。以GPS标准定位服务(SPS)为例，SPS全球平均定位精度水平误差≤9 m(95%置信度)、垂直误差≤15 m(95%置信度)，可以满足民航非精密进近阶段的定位精度要求(220 m)，但不能满足I类精密进近操作(CAT-I)的精密进近垂直精度6.0～4.0 m要求。从完好性指标要求看，GPS可以提供一定程度的完好性服务，GPS在正常运行控制模式下，任意一小时内，当SPS导航信号的瞬时用户测距误差超过导航容差(NTE)时，系统没有及时向用户告警的概率≤1×10-5，延迟告警的最坏情况为6 h，不能满足CAT-I精密进近完好性要求(1-2×10-7/进近，且告警为6 s)[9]。

卫星导航系统是一个以导航卫星为核心的开环系统，导航卫星播发调制有测距码和导航数据的无线电导航信号，用户接收导航信号就能解算自身的位置并获取系统完好性信息。卫星导航增强系统的任务是建立天地一体闭环控制系统，将导航系统的伪距、钟差、轨道、电离层和对流层延迟差分改正数以及系统完好性信息同步播发给用户，由此实现提高系统的定位精度和增强系统的完好性的目标。星基增强系统(SBAS)在广域差分(WAD)系统基础上，利用矢量差分技术和完好性检测技术，提升系统性能。SBAS通过地球静止轨道(GEO)卫星播发差分改正数、完好性信息和测距信号来增强GNSS的性能，是一种广域增强系统。目前提供SBAS服务的有美国广域增强系统(WAAS)，欧洲地球静止轨道卫星导航中继服务系统(EGNOS)，俄罗斯差分校正和监测系统(SDCM)，日本基于多功能运输卫星(MTSAT)的增强系统(MSAS)，印度GPS和GEO地球静止轨道卫星增强导航系统(GAGAN)，各SBAS对美国GPS的L1导航信号进行导航增强，播发GPS L1频点的增强信号[10]。

第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室指出WAAS为北美4700多个民航机场提供带垂直引导的航向道进近程序(LPV)服务，其中1000多个民航机场具备决断高度为200 ft(60.96 m)的带垂直引导的航向道进近程序(LPV-200)能力，达到CAT-I服务水平。为了保持WAAS服务可用性，WAAS正在研发新的3颗GEO卫星，以取代目前北美地区上空租约到期的3颗GEO卫星，计划在2022年发射GEO-7卫星。为了在电离层紊乱期间持续提高WAAS的垂直引导服务水平，目前WAAS正在开展双频多星座(DFMC)和先进接收机自主完好性监测(ARAIM)研发工作[3]。俄罗斯联邦航天局指出SDCM空间段有3颗GEO卫星，其中2颗GEO卫星(Luch-5B和Luch-5V)播发GPS L1导航增强信号，1颗GEO卫星(Luch-5A)开展SBAS研究，SDCM测量俄罗斯上空电离层延迟，评估GLONASS、GPS和SDCM的完好性，提供精度为1.0 m的导航增强服务[7]。目前俄罗斯ISS Reshetnev公司利用Ekspress-1000N三轴稳定卫星平台，研发3颗新一代SDCM静止轨道卫星(Luch-5M)，替代即将到寿的Luch-5A、Luch-5B和Luch-5V卫星，并计划在160°E增加1颗SDCM静止轨道卫星，实现符合国际民航组织(ICAO)标准的DFMC星基增强服务[11]。欧盟国防工业与空间署指出EGNOS提供GPS L1导航信号增强服务,主要为涉及生命安全的应用提供完好性数据，用户主要包括民航机场飞机精确着陆和铁路运输、公路收费以及无人机，同时为精准农业用户提供精度优于0.5 m的导航增强服务[8]。EGNOS为民航提供民航机场提供一类垂直引导进近(APV-1)服务[12]。由此可知，全球卫星导航系统的星基增强系统一方面增强系统完好性为涉及生命安全的民航提供精密进近服务，一方面提高定位精度为精准农业等用户服务。国外卫星导航星基增强系统的服务性能如表4所示。

表4 WAAS、EGNOS和SDCM卫星导航星基增强系统服务性能Table 4 Approach type and positioning accuracy of WAAS, EGNOS and SDCM

2 系统发展

2.1 GPS现代化

第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室指出从空间段、控制段、用户段全面实施GPS现代化，空间段导航卫星的重点是部署10颗GPS BLOCK-III和22颗BLOCK-IIIF卫星，BLOCK-III卫星在提高信号精度和信号功率、增加抗干扰功率、提升固有信号完好性、播发第四民用信号L1C、延长工作寿命、配置性能更优星载原子钟等6个方面实现导航卫星的能力升级和效能提升。BLOCK-IIIF卫星从统一S频段跟踪遥测和遥控、配置搜索救援载荷、安装激光发射器3个方面进一步提升卫星效能。控制段的主要任务是将运行控制系统(OCS)分阶段升级为新一代的运控系统(OCX)，支持空间段GPS BLOCK-III和BLOCK-IIIF卫星的运控。用户段的主要任务是配置接收现代化民用导航信号L1C(支持多GNSS之间的兼容互操作)、L2C(不同的商业应用)、L5(受保护的频带，应用涉及生命安全的服务)的用户终端[3]。

卫星导航系统源于军事需求。GPS BLOCK-III卫星进一步强化GPS的军事装备属性，BLOCK-III卫星的特点是配置数字化载荷、大功率放大器、先进原子钟以及星间链路(Commanding/Crosslinks)，较上一代GPS BLOCK-II卫星，定位精度提高3倍，抗干扰能力改善8倍[13]。与此同时，美国空军研究实验室(AFRL)制定了先锋计划(Vanguard program)，研制导航技术卫星3号(NTS-3)，NTS-3卫星的敏捷波形平台(agile waveform platform)是一个信号数字生成器，可以在轨可编程(reprogramed onboard)，由此可以实现软件更新(update)、修改(modification)以及切换(switch)。利用大型相控阵L频段天线，可以播发多个点波束(multiple spot beams)导航信号，导航天线如图3所示；同时保留当前赋球波束导航信号(earth coverage broadcast capability)，导航信号播发示意如图4所示。NTS-3卫星的任务是测试新型导航信号体制，验证以战时弹性可用为目标的导航战能力、支撑快速多变的战时任务[14]。

图3 NTS-3卫星大型相控阵L频段天线Fig.3 Large phased-array L band antenna of NTS-1

图4 NTS-3卫星导航信号播发示意图Fig.4 SIS broadcast of NTS-1

2.2 第二代Galileo系统

第11届中国卫星导航年会上，欧盟国防工业与空间署指出欧盟二代Galileo系统(G2G)的属性是弹性。G2G服务模式、任务目标已同相关投资方达成一致，服务模式演进包括先进授时服务、空间服务规模、先进接收机自主完好性监测、紧急告警服务、搜索救援(具有返向链路的创新服务)、电离层延迟预测服务、导航信号演进(在用户终端层次提高性能，包括降低功耗、缩短首次定位时间、提高精度、服务鉴权认证等)、第二代搜索救援信标机、播发L3导航信号、公开新的INAV接口控制文件(主要用于生命安全服务)并向后兼容[8]。

针对2019年Galileo系统服务中断问题，问题咨询委员会给出G2G的弹性属性建议。欧盟国防工业与空间局定义G2G的弹性属性包括2个方面。①加强控制段运行控制系统的程序指导，包括5个环节：在系统发生多重故障时，系统要保持导航功能，系统性能允许适度降级(graceful degradation)；改善在轨升级能力；根据现有服务和新的服务，审查保证正常服务的要素冗余情况；审查控制段运行控制的过程和程序；持续加强网络安全。②提高当前定义的授时服务的稳健性[8]。(2019年7月11日，Galileo系统卫星发生导航电文信息中断问题，导致全球范围所有利用Galileo系统进行定位、导航和授时等服务的用户无法获得位置和时间信息。此次服务中断117 h 10min。2019年7月14日4时15分，Galileo系统发布第2次公告称“UTC时间2019年7月12日1时50分起，伽利略系统所有卫星导航信号不能使用，在下一次公告前，所有用户将经历伽利略服务中断”。在2019年ICG大会上，欧盟对此次服务中断的原因解释是“owing to the rejection of expired NAV messages”[15]。)根据欧盟的解释，可以认为2019年Galileo系统服务中断是地面控制中心数据处理软件故障导致，造成处理的卫星精密轨道、精密钟差等导航电文信息错误。此外，时间同步是卫星导航系统正常运行的前提，因此，Galileo地面控制中心的时间统一系统也有可能出现异常，造成控制中心所有业务运行混乱或运行错误。

2.3 GLONASS现代化

第11届中国卫星导航年会上，俄罗斯联邦航天局给出GLONASS系统的发展路线图，从精度、可用性、稳健性和创新发展四个维度建设下一代的卫星导航系统。从为GLONASS-M和GLONASS-K卫星配置星间链路(Inter-Satellite Links)和新一代高精度原子钟、全球部署导航信号监测网络、公布对流层和电离层延迟模型四个维度提升系统精度。创新发展包括发射GLONASS-K2系列导航卫星和研发多频接收机两个环节。系统鲁棒性包括建设导航信号干扰监测和控制系统以及研发弹性导航接收机两个环节。可用性包括为使用无人机立法和为多个通道用户播发导航信息两个环节[7]。

第11届中国卫星导航年会上，俄罗斯联邦航天局阐明GLONASS的现代化包括研制新一代导航卫星和地面控制段两个环节，导航卫星现代化又包括研制GLONASS-K、GLONASS-K2、GLONASS-B和LUCH 4个系列的导航卫星，其中GLONASS-K2系列导航卫星是GLONASS系统创新发展的关键，包括采用Ekspress-1000N三轴稳定卫星平台、卫星设计寿命大于10年、星载原子钟频率稳定度优于5×10-14/天、采用一副相控阵天线播发双频(L1、L2)FDMA体制导航信号和三频(L1、L2、L3)CDMA体制导航信号、配置无线电星间链路天线(Radio cross-links)、激光星间链路天线(Optical cross-links)、双向/单向激光测距设备以及国际搜救卫星系统(COSPAS-SARSAT)搜索救援等载荷[7]。

3 发展趋势

3.1 配置激光星间链路

全球卫星导航系统的特征之一是导航卫星全球组网，借助星间链路技术，一方面可以实现卫星之间的双向距离测量和数据传输，提升卫星广播星历和广播钟差的精度，缩短卫星广播电文的更新周期，从而实现自主导航。具体来说是卫星星间链路收发信机可以观测到星间测距数据，星间测距数据减去利用卫星星历计算得到的星间距离，就可以得到一个距离偏差(O-C)方程；同时，利用星间距离对星历参数作微分而得到偏导数矩阵；由此可以建立反映距离偏差与星历偏差关系的法方程，求解法方程即可以得到星历的改进值，结合改进前的星历初值，就可以在星上完成星历自主生成。另一方面可以实现星地双向同步测量境内卫星钟差，境外卫星弧段利用星间链路“一跳”归算至系统时间。此外，借助星间链路技术，可以实现星座所有卫星之间的遥测遥控等数据的互联互通。配置星间链路是全球卫星导航系统的发展趋势。

第11届中国卫星导航年会上，俄罗斯联邦航天局计划为GLONASS-M和GLONASS-K卫星配置星间链路，现代化的新一代GLONASS-K2系列导航卫星将同时配置无线电星间链路天线、配置激光星间链路天线[7]。为进一步提升GPS的性能，在2017年的CGSIC/ION GNSS年会上，GPS理事会指出新一代的BLOCK-III卫星将配置星间链路[13]。2019年，德国航空航天中心(DLR)和波茨坦地学中心(GFZ)联合开展“开普勒”(Kepler)系统研发，Kepler系统由4～6颗低地球轨道(LEO)卫星组成低轨星座，卫星配置激光星间链路、高精度光钟等载荷。二代Galileo系统也将配置激光星间链路，利用双向激光链路实现中圆地球轨道(MEO)导航卫星和LEO导航增强卫星之间以及MEO导航卫星之间的距离测量、无时间误差的激光链路时间传递和数据传输业务，如图5所示[16-17]。

图5 Kepler星座：MEO导航卫星和LEO卫星(配置高精度光钟)之间的双向激光星间链路Fig.5 Kepler constellation: two way laser cross-link between MEO satellite and LEO satellite

借助激光星间链路、高精度光钟和光频梳技术以及当前的无线电链路，Kepler系统可以和地面运控系统建立并保持的系统时间保持时间同步，成为卫星导航系统的时间和频率中心。利用LEO卫星精密轨道测定技术，借助MEO卫星和LEO卫星之间的激光链路，实现MEO导航卫星厘米级的轨道精度测定。由此，可以系统提高Galileo的定位和授时服务精度。

此外，通过在LEO卫星配置高精度导航监测接收机，可以实现对全球卫星导航系统MEO导航卫星导航信号的天基监测，预测MEO卫星的广播星历和钟差精度、给出导航信号的质量和完好性状态，综合处理形成导航信号精度、导航信号监测精度、导航电文完好性、导航信号完好性以及导航系统完好性信息，通过星间链路传递给MEO卫星，再由MEO卫星播发给地面用户，实现LEO卫星增强全球卫星导航系统的性能。

3.2 提供安全可信导航服务

全球卫星导航系统成为国家安全和经济发展的基础设施，在政治、经济、军事等方面具有重要的意义，世界主要军事大国和经济体都在竞相发展独立自主的卫星导航系统。卫星导航系统全面服务于交通运输、公共安全、救灾减灾、智慧城市、农林牧渔等行业，融入电力系统、通信系统、金融网络等国家核心基础设施建设。卫星导航系统已广泛应用指挥控制、协同作战、武器制导、精确打击，成为主导信息化战争的核心技术之一。然而，卫星导航系统先天的脆弱性(信号落地电平低、穿透能力差)导致其极易受到电磁干扰和电子欺骗威胁，在信号遮挡和多径干扰环境下，严重制约了导航系统的定位、导航和授时(PNT)服务的可用性，卫星导航信号，例如，GPS民用L1 C/A码信号落地电平为-160 dBW[9]，而我们日常使用联通手机信号功率则为-134 dBW，也就是说GPS用户接受到的信号强度大约只有手机信号的1/400，较低的射频干扰信号就可以对GPS下行信号产生较大的干扰。例如，一个10 W的GPS信号干扰机有效辐射干扰信号功率与干扰范围之间的关系如图6所示，图中的3条曲线分别是干扰军码跟踪曲线、干扰民码跟踪曲线和干扰信号捕获曲线，横坐标为给定干扰范围内，纵坐标全面干扰GPS接收机的干扰信号有效功率[18]。

图6 有效辐射干扰信号功率与干扰范围之间的关系Fig.6 Relationship between range to target and Jammer effective radiated power

第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室阐明GPS BLOCK-III卫星要提高导航信号功率、增加抗干扰功率、提升固有信号完好性，实现导航卫星现代化[3]。此外，美军还从给不同用户配置导航信号角度，提升GPS的PNT服务的安全性和可信性，例如，民用导航信号L1C(支持多GNSS之间的兼容互操作)、L2C(支持不同的商业应用)、L5(受保护的频带，应用涉及生命安全的服务)。

第11届中国卫星导航年会上，俄罗斯联邦航天局阐明通过建设导航信号干扰监测和控制系统以及研发弹性导航接收机两个环节提高系统鲁棒性。抗干扰能力可以通过用户接收机输入的干信比(J/S)量化评估，俄罗斯联邦航天局给出的GLONASS用户终端抗干扰指标如表5所示[7]。

表5 GLONASS用户终端抗干扰指标Table 5 Anti-interference index of user terminal of GLONASS

如果知道了导航信号的特征，就可以伪造调制有错误导航电文参数的虚假导航信号，从而欺骗用户接收机错误锁定到虚假的欺骗信号上,并产生错误的定位结果。2011年12月4日，伊朗工程师通过重构GPS信号导航电文数据，诱使美国洛克希德-马丁公司的RQ-170哨兵无人机(UAV)降落到伊朗东北部的喀什马尔市附近，是经典的导航欺骗干扰事件。为了防止这种电子欺骗干扰，美国研发了反电子欺骗(AS)技术。反电子欺骗能力可以通过用户接收机正确解算导航解的概率来量化评估，俄罗斯联邦航天局给出的GLONASS用户终端反电子欺骗指标如表6所示[7]。

表6 GLONASS用户终端反电子欺骗指标Table 6 Anti-spoofing index of user terminal of GLONASS

第11届中国卫星导航年会上，欧盟国防工业与空间署从服务认证和鉴权的角度来提升Galileo系统PNT服务的安全性和可信性。提高可信性的措施是公开服务导航电文鉴权(OSNMA)，目前Galileo系统已经确定了OSNMA的方案，OSNMA模块完成了鉴定和集成，正在开展系统内部测试工作。OSNMA是新起草的智能行车记录仪规则的基础，在OSNMA接收机和应用环节，编制了接收机研制指南、相关OSNMA接收机软件和硬件已上市。计划在2021年开展三方面工作，①巩固当前基础工作成果，确保OSNMA接收机投入使用后的鲁棒性；②在通过公开测试和测试验证后，才能开通OSNMA服务；③公开发布官方导航信号接口控制文件(SIS ICD)和OSNMA接收机研制指南[8]。此外，针对商业服务对安全性的要求，开展提高安全性的措施是商业鉴权服务(CAS)，CAS性能和上线时间已确定，服务模式可行性还在进一步细化，较OSNMA服务，CAS采取对导航信号加密，播发独特的认证信号E6/L6等措施为保险和金融交易等特殊行业用户可以提供更加有力的保护[8]。

3.3 细分民用导航信号

第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室将L2C定义为GPS的第二民用信号，用于不同的商业用户；L5定义为GPS的第三民用信号，用于涉及生命安全的民用航空等用户；L1C定义为GPS的第四民用信号，用于支持GNSS之间的兼容互操作[3]。L1 C/A为GPS的第一民用信号，是当前导航市场的主导信号。俄罗斯联邦航天局阐明GLONASS-K2系列导航卫星是GLONASS系统创新发展的关键环节，为了提升市场占有率，GLONASS-K2系列导航卫星播发L1、L2两路与其他GNSS不一致的频分多址(FDMA)体制导航信号，以维系老用户的权益，同时播发L1、L2、L3三路新的与其他GNSS一致的码分多址(CDMA)导航信号，新的CDMA导航信号是GLONASS系统能否在民用市场取得份额的关键[7]。欧盟国防工业与空间局将Galileo系统1164～1215 MHz的E1/E5双频导航信号定义为第一大众市场信号，1260～1300 MHz的E6/L6频点导航信号服务于高精度用户，提供2 cm高精度定位服务[8]。

3.4 导航与通信业务融合

在全球任何地点、任何时间实现导航信号对地面服务区4重以上覆盖是全球卫星导航系统无线电导航业务的基本要求，由此，GPS、Galileo和GLONASS均采用标称24颗导航卫星的Walker星座设计方案。全球覆盖的卫星星座是一种资源，除了提供定位、导航和授时服务，还可以利用全球覆盖特性，为用户提供其他服务。例如，GPS卫星核爆探测系统(NBDS)载荷配置探测大气层内核爆炸的辐照度仪和用于探测大气层外空间核爆炸的X射线探测器以及用于测试带辐射剂量水平的荷电粒子剂量仪，能够精确测定全球范围内任何地点核武器爆炸的具体位置及发生时间，同时辅助评估核爆当量[19]。

北斗三号全球卫星导航系统为用户提供区域和全球两种类型的短报文通信服务[6]，在通信网络覆盖不到的区域，可以提供应急通信和数据传输的服务，结合北斗系统的定位功能，北斗短报文通信服务在搜索救援、救灾减灾、态势感知、车辆监控等领域发挥重要作用，成为北斗系统的特色服务。文献[6]指出目前北斗短报文通信服务正在申请加入全球海上遇险与安全系统(GMDSS)，2018年6月，国际海事组织批准北斗短报文通信服务加入GMDSS申请，有国际移动卫星组织开展GMDSS技术与运营评估。北斗短报文通信服务开启了卫星导航与卫星通信业务融合的先河，并取得了良好的经济、社会效益，其他全球卫星导航系统纷纷效仿。

Galileo系统配置了搜索救援载荷，支持全球搜索救援业务，简称SAR/Galileo业务，较传统的国际搜救卫星系统的搜索救援业务，SAR/Galileo业务有两大技术突破，①对用户上行救援信号的监测时间由平均45 min减少到到平均30 s，定位精度从典型5 km提高到10 m；②增加卫星对用户信标的返向链路通信功能，从而可以使用户确认系统已经收到求救信息。从2015年底开始,Galileo系统在10颗卫星上搭载了一代SAR载荷[20]。第11届中国卫星导航年会上，欧盟国防工业与空间局指出SAR/Galileo业务已集成到COSPAS-SARSAT系统的搜索救援业务，上行链路性能优良，实现了分钟级遇险信号检测，米级定位精度，并已经在救援过程中挽救了遇险人员。2020年1月21日，SAR/Galileo业务提供返向链路(RLS)服务，系统对用户发出的求救信标予以确认。与此同时，Galileo系统还为车祸遇险人员提供自动通话位置确定服务(eCall)以及E112紧急呼叫位置(E911)确定服务。二代Galileo系统的SAR业务将配置第二代SAR载荷，进一步提升RLS性能[8]。

导航卫星配置的SAR载荷实质是一种通信卫星的透明转发器，接收用户信标机发出的406.05 MHz遇险信号，然后将遇险信号上变频到L频段并播发给地面中轨道搜索地面站(MEOLUT)，MEOLUT据此开展用户的位置解算。早在2000年，美国国家航空航天局(NASA)的戈达德航天飞行中心(GFSC)与能源部的圣地亚国家实验室(SNL)研究在GPS卫星增加SAR转发器载荷的可行性，也就是后来的GPS卫星遇险报警系统(DASS)。2006年，GFSC利用GPS的BLOCK-IIR卫星开展了DASS业务原理验证，2011年1月，有9颗GPS BLOCK-ⅡR卫星搭载了DASS载荷，DASS可以瞬时检测和定位到应急信标发出的遇险信号，极大增强了搜索救援能力。DASS是MEOSAR体制在GPS系统的概念验证，主要验证互操作参数、相关功能、频谱特性、转发器性能和发射机参数，其中互操作参数包括下行链路调制、频率、EIRP和极化以及转发器带宽。DASS的服务不是COSPAS/SARSAT系统的强制要求，DASS数据可提供给COSPAS/SARSAT系统使用[21]。

第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室阐明BLOCK-IIIF系列导航卫星将配置SAR载荷，提供符合国际搜救卫星系统标准的搜索救援服务[3]。俄罗斯联邦航天局阐明GLONASS-K2系列导航卫星将配置搜索救援(SAR)载荷，提供符合国际搜救卫星系统标准的搜索救援服务[7]。

3.5 建设弹性系统

卫星导航系统为用户免费提供高精度的定位、导航和授时(PNT)服务，可以作为国家的时空基准，卫星导航系统与其他产业的关联性和融合性，使卫星导航系统成为现代信息产业、大数据服务和人工智能技术的技术支撑，与国家安全、国民经济和社会民生密切相关。但是卫星导航信号从生成、播发、传播到接收的过程中会受到许多不利影响，特别是导航信号在物理遮挡(森林、城市、室内、地下、水下)、电磁干扰(无意干扰、敌意干扰)等环境下，卫星导航系统的定位精度、连续性、完好性和可用性存在风险甚至是不可用，对于依赖卫星导航系统作为时空基准的用户，将可能面临灾难性的后果。

因此，各大卫星导航系统积极谋划PNT服务在复杂电磁对抗环境下的可用性和可行性，降低对地面系统的依赖，提升系统自主导航能力，并寻求卫星导航服务拒止情况下的备份手段。2014年6月，美国国防先进研究计划局(DARPA)发布了题为“在对抗条件下获得空间时间和定位信息技术”(STOIC)的招标书，拟开发不依赖于GPS，可在对抗环境下使用的PNT系统，要求导航信号覆盖半径不小于1万千米，系统定位精度10 m，授时精度30 ns[1]。针对GPS信号容易受到干扰和欺骗的问题，美国学者指出PNT弹性属性包括3个因素：导航数据可信(trusted data)、导航信号加密(encrypted signals)和导航信号替代(alternative signals)[22]。AFRL研制NTS-3的任务之一是测试新型定位信号体制，验证以战时弹性可用、确保制导航权为目标的导航战能力[23]。

第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室阐明为了满足民用和国家安全的PNT服务需求，首先要保证GPS的稳定运行，其次可以考虑利用国外PNT服务来增强和加强GPS的弹性，此外可以开展国际合作来检测、减缓有害干扰以增强GPS的弹性。2020年2月12日，美国总统签署行政命令来加强美国PNT服务的弹性，该命令旨在通过联邦政府、核心的基础设施运营和管理方负责人地使用PNT服务来增强国家PNT服务的弹性[3]。欧盟国防工业与空间署定义G2G的弹性属性，核心思想是在Galileo系统发生多重故障时，系统要保持功能，系统性能适度降级(graceful degradation)[8]。俄罗斯联邦航天局阐明通过建设导航信号干扰监测和控制系统以及研发弹性导航接收机两个环节提高GLONASS系统鲁棒性[7]。此外，GLONASS系统下一代卫星GLONASS-K2通过FDMA和CDMA两种体制导航信号，一定程度上也能提高系统的弹性。

4 结束语

2020年，四大全球卫星导航系统均已提供服务，目前四大系统都在规划下一代卫星导航系统的建设方案。在第11届中国卫星导航年会上，美国国务院空间事务办公室给出了GPS现代化的方案，俄罗斯联邦航天局给出GLONASS系统的发展路线图，欧盟国防工业与空间局给出二代Galileo系统(G2G)的服务演进特点，定义了G2G的弹性属性。2021年，国家已将北斗产业发展列入国家“十四五”规划重点项目[24]，在要推动北斗产业发展同时，应推动国家综合定位导航授时(PNT)体系建设。从国外导航系统发展方向看，有以下5点建议。

1)四大全球卫星导航系统的性能差异取决于时钟预报误差及电文更新周期

LEO或者GEO卫星配置超高精度原子钟和激光终端，利用双向激光链路实现与MEO导航卫星以及MEO导航卫星之间的距离测量、时间传递和数据传输，利用光频梳技术以及无线电链路和地面运控系统保持时间同步，结合卫星精密轨道测定技术，最终实现卫星导航系统时频基准和空间基准天基化，大幅度减少对地面系统的依赖，实现系统自主导航。不仅可以解决北斗系统不能全球建立导航信号监测站的困境，而且能够实现高精度的自主导航服务。

2)MEO卫星在轨工作状态决定了全球卫星导航系统的稳健性

目前四大全球卫星导航系统的标称Walker星座均由24颗MEO卫星组成，不同的是轨道面的数量和实际在轨备份卫星数量。GPS在轨卫星数量为36颗，其中30颗在轨工作[3]。Galileo系统目前在轨卫星数量为26颗，其中22颗工作，2颗在轨测试，1颗在轨备份[4]。GLONASS在轨卫星数量为28颗，其中24颗工作，2颗在轨测试，1颗在轨备份，1颗在轨维护[7]。文献[6]指出北斗三号全球卫星导航系统采用3GEO+3IGSO+24MEO混合星座构型，利用24颗MEO卫星实现全球覆盖。显然，借鉴GPS的经验，为了确保北斗系统全球PNT服务的可靠性，需要在每个轨道面配置1～2颗备份卫星。同样，3颗GEO卫星为我国及周边地区提供区域短报文(RSMC)、星基增强(SBAS)、精密单点定位(PPP)等导航增强服务，也需要配置1颗在轨备份卫星。

3)下一代卫星导航系统具有弹性特征

在复杂电磁对抗环境下，一方面要强化北斗卫星导航系统的安全性、可用性和可信性，一方面要积极谋划备份手段，确保在复杂电磁对抗环境下用户能够持续获取PNT信息。例如，美军从空间段、控制段、用户段全面实施GPS现代化；并同步发展地基无线电导航系统e-Loran(其特点是信号功率大，战时不易受到干扰，可以弥补GPS的短板)。与此同时，美国又利用新一代铱星通信系统播发卫星授时与定位(STL)脉冲导航信号，为用户提供独立的定位和授时服务。文献[25]指出STL服务的定位精度50 m、授时精度200 ns，STL信号功率比GPS信号高30 dB，故战时具有较强的抗干扰能力。

4)低成本高效益的导航增强是未来发展的必由之路

德国DLR和GFZ利用由4～6颗LEO卫星组成Kepler低轨星座，配置高精度光钟和激光星间链路等载荷，构建下一代Galileo系统的天基时间基准，提升Galileo系统的卫星广播星历和广播钟差的精度，缩短卫星广播电文的更新周期，由此系统提升Galileo系统的系统服务精度。此外，通过在LEO卫星配置高精度导航监测接收机，可以实现对全球卫星导航系统MEO导航卫星导航信号的天基监测，预测MEO卫星的广播星历和钟差精度、给出导航信号的质量和完好性状态，实现LEO卫星增强全球卫星导航系统的性能。文献[13]指出NTS-3卫星采用地球静止轨道设计方案，并计划利用4颗地球静止轨道的NTS-3卫星实现对GPS全球导航增强。美国和欧洲的高轨和低轨导航增强方案均是利用几颗卫星就能实现各自系统的导航性能增强，值得我们学习借鉴。

5)基于LEO通信星座的导航系统、LEO导航增强系统和LEO全球卫星导航系统概念不同

(1)基于LEO通信星座的导航系统：在不影响通信任务的前提下，统筹设计LEO通信卫星的通信信号和导航信号，导航信号包含测距码信号和含有星历等信息的导航电文，用户接受多颗LEO卫星播发的导航信号，利用接收机对多个脉冲导航信号瞬时多普勒圆锥曲面相交点，就可以确定接收机的位置。可以作为当前以MEO卫星为测距源的全球卫星导航系统的备份系统。典型方案是美国基于新一代铱星移动卫星通信系统播发STL脉冲导航信号，为用户提供独立的具有较高精度的定位和授时服务。在不改变铱星通信载荷时频单元划分和通信信号物理层设计的基础上，在铱星通信信号1616～1626.5 MHz频带内，占用后0.5 MHz带宽(1616～1626.5 MHz)资源，单工信道播发STL脉冲导航信号(每1.4 s播发一次)，STL信号具有落地电平高(较GPS信号高30 dB)，因此抗干扰能力强。此外。由于铱星卫星通信信号、STL脉冲导航信号以及GPS信号均采用L频段且频点相近，因此，用户可以用一台接收机(共用射频前端，数字基带处理软件不同)同时接受铱星通信信号、STL导航信号以及GPS信号，十分便捷地实现通导一体化服务。

(2)LEO导航增强系统：LEO卫星配置高精度原子钟和激光星间链路载荷，利用双向激光链路实现MEO导航卫星和LEO导航增强卫星之间以及MEO导航卫星之间的距离测量、无时间误差的激光链路时间传递和数据传输，借助光频梳技术以及无线电链路，LEO卫星星座可以和地面运控系统保持时间同步，并成为卫星导航系统的时频率中心。通过LEO和MEO卫星联合定轨等手段，系统提生高当前全球卫星导航导航系统的服务精度和完好性。典型方案是Kepler低轨星座对二代Galileo系统的导航增强服务。此外，还可以独立设计低成本的LEO卫星星座，卫星时频载荷不再配置高精度高成本的星载原子钟，利用GNSS的播发的高精度授时信号驯服LEO卫星配置的高温晶振，获得LEO卫星的时频基准，同时利用GNSS接收机获取LEO卫星的位置。利用LEO卫星监测以当前全球卫星导航系统的MEO信号，播发MEO导航信号差分改正数和完好性信息，从而实现提升MEO导航信号精度、MEO导航信号全球完好性监测的目的。此外，LEO卫星还可以进一步播发测距信号和含有星历等信息的导航电文的两路简化信号，独立提供高精度导航服务。独立设计低成本的LEO卫星星座，不管是监测MEO信号，还是播发LEO导航信号，其成本和商业模式均值得商榷。

(3)低轨全球卫星导航系统(LEO GNSS)：文献[26]指出商业宽带巨型LEO星座可以配置独立的导航载荷，基于通导融合理念，LEO通信卫星播发猝发类型(burst-type)导航测距信号，用户在一个时间历元接收多个猝发测距信号，通过比较信号接收时延和解调信号给出的星历和钟差，利用标准非线性伪距定位(standard non-linear pseudorange positioning)或者扩展Kalman滤波器技术，实现用户位置和时间估计。