图文来源：上海卫星导航定位产业技术创新战略联盟
2022 年第8期 / 总第 178期
总编专栏
美国 GPS 存在军用明显滞后民用的现象 (曹冲)
专家视角
北斗卫星导航时间频率系统介绍 (沈学民、董日昌)
大事速报
中国将构建环月球通信导航卫星星座
中国北斗应用大会暨中国卫星导航与位置服务第十一届年会将于 9 月在郑州举办
北斗助力天津智慧仓库实现“全态势感知和无人化操作”
北斗赋能深中通道跨海筑路精准施工
时空道宇与 u-blox 达成战略合作
美国问责局发布《GPS 现代化—— 及时部署军事用户设备需要完整准确的信息和详细的测试计划》报告
Xona 公司太空演示器通过发射前测试
美计划发射试验卫星演示 GPS 替代方案等军用太空技术
上海专讯
海积信息多款产品入选《全国水利系统招标产品重点采购目录》
创新热点
华为寻星专利公开，可应用于卫星通信系统
总编专栏
美国 GPS 存在军用明显滞后民用的现象
曹 冲
GPS 系统的组成， 一如既往分为空间段、运控段和用户段三个部分。而军 用的主要方面是海陆空与单兵个人。GPS 系统是 1995 年宣布投入完全运营， 而 1996 年又宣告进行现代化。而军用尚未形成系统化推进。
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这就是说， 近 20 年来， 美国国防部(DOD) 围绕 M (军) 码能力开展了数十亿 美元的 GPS 现代化和持续性保障工作。作为一种仅限军方使用的 GPS 加固解 决方案， M 码一旦完全激活， 将提供更强大、更加密的抗干扰、防欺骗、网络 安全信号。其“系统体系”需要三个相互关联的组成部分才能有效工作：一是 支持广播的卫星(太空)；二是一个经过大修和更新的地面运控系统， 用于管 理复杂的软件(控制)；三是作战人员接收 PNT 信息并将其投入战区的用户设 备(用户)。
自 2005 年以来， 所发的 GPS 卫星已经能够传输 M 码信号，但 GPS 地面 控制段不具备用户访问 M 码的功能。将 M 码功能集成到 GPS 中需要发射新 的 M 码功能卫星，以及开发一个能够发射和控制现有和新的、更强大和功能 更强的卫星的地面控制系统。这项 M 码整合工作包括两方面的工作：(1)带 有 GPS III 和 GPS IIIF 卫星计划的空间段，该计划将取代接近预期使用寿命的现有卫星；(2)使用 GPS 新一代操作控制系统(OCX)控制卫星的地面段。 为了让作战人员利用由空间段传输并由地面段控制的 M 码信号， 陆军、海军、 海军陆战队和空军将需要使用具有 M 码功能的用户设备升级现有武器系统。国防部计划在大约 700 种不同类型的武器系统中增加具有 M 码功能的用户设 备，如飞机、地面车辆、舰船和其他设备。这些服务将为系统配备现代化的、 支持 M 码的GPS 接收机。最终， 在这 700 种武器系统中， 国防部购买的 GPS接收机总数可能接近 100 万个。
GPS 用户设备由三个关键部件组成——一是微电子专用集成电路芯片，二 是使用该芯片组成的卡，三是能够使用该卡的接收器。每个部件的开发和制造 都是整个现代化工作的关键部分。GPS 现代化的一个关键因素是专用集成电路 (ASIC)的开发，这是一种微电子组件，使用户设备能够解码和处理 GPS 信 号。生产 GPS 接收卡的三家承包商雷神公司、 BAE 系统公司和哈里斯公司随 后将该芯片集成到一个卡中，该卡将 M 码和其他GPS 信号转换为PNT 信息。然后，这些服务将把每个专用 M 码卡集成到一个接收机中，该接收机提供与 主武器系统的接口，从而能够向用户显示 PNT 信息。
GPS 计划在提供 M 代码功能方面取得了进展，但风险依然存在。在过去 的一年里，美国天军在 GPS 行动计划内的项目实现了里程碑式的成就，但每 个部分都还面临着重大风险。空间段的 M 码广播功能已接近全面运行， 天军 官员表示， 地面控制段预计将在 2023 年初达到全面的 M 码功能。问题主要出 在军用用户终端的 MGUE 增量 1 和 MGUE 增量 2 计划的实现。而实际上问题 在总体的管理上。美国国防部正在就规划能够接收和使用先进的 GPS M 码信 号的野战设备做出关键决策。国防部首席信息官的 PNT 数据存储库，是国防 部和国会国防委员会维持监督和促进跨国防部武器系统 M 码集成规划的关键 工具。随着接收机 M 码卡可用， 这些数据可以通过正式流程进行细化和验证，以反映运营需求。如果没有完整、一致和最新的数据， 国防部就无法有效地规 划和预算在无数需要这种关键能力的武器系统中部署 M 码。同样，国会国防 委员会没有足够的信息来促进监督， 例如跟踪进展和做出资助决定。此外， 由 于用户设备开发的延迟，在操作环境中测试 M 码能力的服务计划尚未完全制 定。国防部要求在部署前进行操作测试计划， 以确保设备按预期运行。如果没 有这样的计划(尤其是优先系统) 国防部可能无法按计划为作战人员提供关键能力。
专家视角
北斗卫星导航时间频率系统介绍
沈学民 董日昌
沈学民，博士， 毕业于中国科技大学无线电专业。现 任北斗三号卫星系统副总设计师、上海方位角数据科技有 限公司首席科学家，二级研究员、博导、享受国务院津贴。 曾在德国 KFA 国立原子核研究中心、英国 Culam 国家实 验室任助理研究员。曾任中国科学院技术物理所副所长、 上海微小卫星工程中心主任、载人航天工程神舟三号载荷 系统、神舟七号伴星指挥、风云二号、三号、四号卫星载 荷系统总指挥等职。曾荣获国家科技进步奖二等奖 2 次、 上海科技进步奖一等奖 1 次、国防科工委科学技术进步奖 一等奖 1 次、中科院突出贡献奖 2 次。
董日昌，博士， 毕业于中科院上海光机所， 现任中科院微小卫星创新研究院(上海微小卫星工程中心) 副研究 员， 导航卫星系统主任设计师。参与中科院北斗三号导航卫星研制，承担上海市“扬 帆计划”、国家自然科学基金青年项目等研究课题，入选中科院特聘研究骨干岗位。
一、概述
全球导航卫星系统(GNSS)可以为陆海空天各类用户提供全天时、全天 候的高精度定位、导航和授时服务，是目前应用最广泛的时空信息基础设施。2020 年 7 月 31 日，北斗三号卫星导航系统正式开通， 融入国民经济、社会发 展和国防建设的各个领域。
卫星导航的基本原理是用户测量多星到达伪距(星地时间差) 求解位置和 钟差。因此，时间频率维持和同步精度直接决定了卫星导航系统的服务精度。 北斗系统时间(BDT) 是整个系统的时间基准， 所有地面站和卫星的时间都必须和 BDT 同步，而 BDT 又需要和世界标准时(UTC)保持整秒同步。
二、北斗三号时频系统架构
卫星导航系统的时频体系也包括三部分：星载时频系统、地面运控时频系 统和用户时频系统。这三部分是一个有机的整体， 通过无线、有线时间比对技 术实现三者的时间同步关系；同时各部分又具有一定的自主守时能力。星载时 频系统包括星载原子钟组、星上时频传递链路及星载时频处理单元。地面运控 时频系统主要包括超高精度大型守时原子钟组、综合原子时处理与驾驭设备、 站间/星地比对溯源设备、GNSS 时差监测设备等，是卫星导航时频系统的核 心。用户北斗接收机时频系统包括铷钟或恒温晶振、时频处理模块等， 通过接 收卫星信号解算星地钟差驾驭本地接收机时频信号。
图 1：卫星导航时频系统示意图
目前， 世界各大卫星导航系统均配置星载时频生成与维持系统。星载时频 生成与维持系统均以星载原子钟信号为频率参考基准， 采用低噪声频率综合技 术生成导航卫星中所需的各时频基准信号， 通过高精度相位测量技术实现时频 基准信号相位、频率、频率漂移率的自主精密测量、监测和控制， 完成时频基 准的生成与维持、信号传递及主备份设备的无缝切换等功能。
图 2：导航卫星时频生成与维持系统框图
三、北斗三号时频系统性能评估
北斗三号导航卫星首次配置了国产高精度星载氢原子钟，稳定达到 E- 15/ 天的量级，实现广播星历的钟差误差小于 5ns ，平均 RMS 统计精度优于 2ns， 平均 95%统计精度约为3ns，各项统计指标均优于北斗二号导航卫星。
图 3：北斗广播星历钟差精度统计
图 4：北斗星载原子钟稳定度
四、导航卫星时频系统未来发展
导航卫星时频系统的发展对提升卫星导航系统服务性能至关重要。世界各 大 GNSS 系统均积极布局新技术的研发计划， 如研究新型星载原子钟技术、高 精度时频传递链路技术和星载综合原子时技术。其中， 星载综合原子时技术包 括单星最小钟组驾驭技术和星座综合原子时建立技术。通过星内和星间时频测 量比对技术实现不同星钟的高精度测量， 进一步利用统计算法完成综合原子时计算，最后结合钟差预报模型实现高精度天基时间基准建立与维持。
图 5：未来导航星载时频系统架构
五、 结束语
国家的“十四五”规划纲要明确提出深化北斗系统推广应用、推动北斗产 业高质量发展， 将北斗应用作为十四五的重要方向之一。上海市多部门联合发 布《上海市北斗产业高质量发展三年行动计划(2021-2023 年)》，为实现北斗 导航卫星时频系统技术的成果转化和产业化提供了有利的政策环境。2035 年前还将建成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。上海拥有一批一流高校、研究所， 在时频系统各个环节拥有完整的产 学研基础，相信未来可以为北斗导航时频系统发展与应用贡献上海力量。
大事速报——国内
中国将构建环月球通信导航卫星星座
近日， 国家航天局副局长吴艳华表示， 根据“嫦娥五号”带回的月壤进行 的最新研究显示，月球正面的年龄比此前已经取回的月球样品年轻 10 亿年，目前中国正在论证构建环月球通信导航卫星星座。未来，“嫦娥六号”将前往 月球背面取样返回。目前世界各国都没有从月背取的样品， 所以更具备研究价 值。为解决在月背取样的中继通讯和导航问题，中国将牵头论证一个月球的中 继通讯导航系统，这是一个欢迎全球共建的小星座系统。中国将争取在明年或 者后年发射中继通讯卫星， 并于 2024 年或者 2025 年发射“嫦娥六号”。
中国北斗应用大会暨中国卫星导航与位置服务第十一届年会
将于 9 月在郑州举办为落实国家“十四五”时期北斗产业发展目标， 推进北斗规模应用市场化、 产业化、国际化发展，中国卫星导航定位协会定于 2022 年 9 月 20-22 日在河 南郑州国际会展中心举办中国北斗应用大会暨中国卫星导航与位置服务第十 一届年会。
在本届年会中，将报告上年度产业发展情况及 2022 年产业发展预期，邀 请行业内的院士及专家围绕产业制造、行业服务、大众应用、政策法规等方面 做主题报告， 并举办高端论坛及分论坛， 表彰先进集体及个人， 颁发“2022 年 度卫星导航定位科学技术奖”。会议同期还将举办中国卫星导航与位置服务展 览会、 2022 年“北斗乐跑 ﹒ 科普中国”大赛和第五届“北斗之星”创新创业大 赛决赛。
北斗助力天津智慧仓库实现“全态势感知和无人化操作”
近日，在国网天津电力供应链服务智慧园区，运用北斗的“全态势感知、 无人化操作”的智慧仓库正开展试运行。该仓库充分运用北斗、大数据、移动 互联等技术，整合了运力、道路勘探、运输监控等信息，实现配送及时预约、 车辆智能调度、物资智慧装载、路径最优推荐、定位实时监控等功能， 打造了天津市全域“即时达”和辐射“京津冀”核心区域 4 小时应急配送圈， 形成了 “采检储运”一体化供应链运营模式。
据了解，与传统仓库相比，运用了北斗的智慧仓库缩短出入库作业时长 20%以上， 提升装卸车作业效率30%以上， 投运后将有效提升天津能源电力领 域的物资仓储配送效率， 支撑电力“双碳”先行示范区建设， 赋能供应链、产 业链发展，助力京津冀协同发展。
北斗赋能深中通道跨海筑路精准施工
近日， 深中通道(深圳- 中山) 伶仃洋大桥猫道实现全线贯通， 标志着大桥 空中施工通道搭设完成。运用北斗系统， 深中通道沉管隧道实现了精准建设施 工。深中通道项目全长约 24 公里， 是粤港澳大湾区“A”字型交通主骨架的关 键一横，串联起“深莞惠”与“珠江中”两大城市群。
据了解， 深中通道沉管隧道是世界范围内在建跨海通道工程综合难度和规 模最大的钢壳沉管隧道。要完成精准对接， 需克服繁忙航路、基槽长距离横拖、 复杂风浪流等不利建设条件， 可谓是在伶仃洋中“涉险滩、闯急流”。“沉管运 输安装一体船”是解决这一问题的关键， 可以单船连续完成沉管的出坞、浮运、 定位安装等施工作业，运用北斗系统对安装全过程进行动态监测，同时在 40 米深的水下，将沉管沉放到海床上，实现了精准对接。
据了解， 深中通道作为珠江口跨海的“内环通道”，项目建成后将对优化 交通网络， 以及推进珠三角东西两岸产业实现互联互通以及各类要求的高效配 置具有重大意义。
时空道宇与 u-blox 达成战略合作
近日，浙江时空道宇科技有限公司宣布与瑞士无线定位模块和芯片企业 u- blox 达成战略合作，将结合各自在高精位置服务和无线通信领域的技术优势， 合力打造全栈式高精定位软硬件解决方案，并基于时空道宇低轨未来出行星 座，在导航增强及融合定位应用等领域进行全面合作，加速相关产品的落地， 深入高级别智能驾驶前沿技术的探索和创新。除此之外， 双方将共同探索高精 定位产品和技术在中国及欧洲市场的应用和推广， 推进多行业和规模化应用发 展。
大事速报——国际
美国问责局发布《GPS 现代化——及时部署军事用户设备需要完整准确的信息和详细的测试计划》报告
2022 年 5 月 9 日，美国问责局发布《GPS 现代化——及时部署军事用户 设备需要完整准确的信息和详细的测试计划》报告， 指出美国防部正在致力于 M 码在武器系统的部署应用，并利用其 2015 年建立的 PNT 数据存储库跟踪 M 码的进度。由于数据库中的时间框架和预算数据等信息并不完整和准确， 使 美军难以制定 M 码设备测试计划， 不能确定 M 码设备的部署方式和时间， 尤 其是针对优选武器系统的 M 码设备的部署计划，可能导致无法按期为作战人 员提供关键能力。问责局针对此类问题向国防部及陆海空军种提出了七项建议。
其中四项建议针对国防部和陆海空军种的数据库维护和信息完整准确性， 要求确保 GPS 现代化数据库中的信息足以支撑 M 码预算规划和部署的优先 级，并定期对这些信息进行验证。另外三项建议针对陆海空军种的 M 码设备 测试， 问责局建议， M 码设备确定可用后， 军方应确定优选武器系统的作战测 试计划。
Xona 公司太空演示器通过发射前测试
Xona 太空系统公司宣布，公司首个太空演示器 Huginn 在成功完成测试后 已交付给 Spaceflight Inc.进行最终集成， 并计划于 5 月在 SpaceX 的“运输者 5 号”(Transporter 5) 任务中发射。Xona 是一家航空航天初创公司， 开发近地轨 道的精密导航和授时系统，计划建设独立的高性能卫星导航授时系统， 满足智 能系统的需求。
正准备发射的 Huginn 太空器是该公司两项任务中的第一项。另一项任务 Pulsar 的架构使用低地球轨道上的卫星， 比中地球轨道上的 GPS 卫星更接近地 球。Pulsar 计划通过将安全和信号设计与 Xona 正在申请专利的分布式原子钟 架构相结合来提供高性能导航和授时服务， 以实现来自低成本卫星的强大精确 导航服务。其精确的低轨 PNT 服务利用小型卫星技术的进步，为用户提供传 统 GNSS 的安全和强大的替代方案。
在 Huginn 的发射任务完成后，Xona 团队将把重点转移到第二次演示任务 以及 Block I Pulsar 系统的开发上。
最终的 Pulsar 星座将由数百颗低轨卫星组成，提供安全强大的精密 PNT 服务， 满足自动驾驶汽车、精准农业、建筑、增强现实、关键基础设施等先进 应用的需求。
美计划发射试验卫星演示 GPS 替代方案等军用太空技术
据 SpaceNews 网站 2022 年 5 月 9 日消息，美国国防承包商 CACI 公司正 在资助一项实验，演示用于军事用途的太空技术，包括 GPS 导航替代方案和 电子信号监视。CACI 公司将在一颗York Space 卫星上搭载两个演示有效载荷， 该卫星计划于 2023 年 1 月利用 SpaceX“运输者 7 号”(Transporter 7) 火箭飞 往近地轨道。实验中的导航和电子战有效载荷都是由 CesiumAstro 公司的软件 定义无线电构建的。
CACI 公司总裁表示， 该公司正在研究一种 PNT (定位、导航和授时) 解 决方案，它将在竞争空间环境工作。它不会完全取代 GPS，但当 GPS 信号受 到干扰或攻击时， 它将对那里的系统提供支持。此次将接受测试的导航技术称 为双向时间传递， 这项技术已经在地面授时应用中使用了多年。空间中的双向 时间传递是指卫星发送授时信号，地面或飞机上的接收机同时向卫星发回信 号。如果实验成功， CACI 计划向军方和其他政府机构提供双向时间传递 PNT 服务。这种 GPS 替代方案的一个潜在客户是美国太空发展局，该机构正在寻 找 PNT 替代系统， 以确保其低地球轨道上的传感器卫星能够在不依赖 GPS 的 情况下准确跟踪敌方导弹。此次实验任务的另一个有效载荷是电子信号监视有 效载荷。CACI 将利用美国地面特种作战部队目前使用的电子战传感器系统来 收集信号情报。
上海专讯
海积信息多款产品入选《全国水利系统招标产品重点采购目录》
日前，水利部发布了 2022 年度《全国水利系统招标产品重点采购目录》， 其中海积信息的 GNSS 监测接收机(HG-BX-RAG360/HG-H1-DMS)、北斗数 传终端(HG-RD-TAI340/HG-RD-DTE100)、遥测终端机(HG-TY501)、雨量计 (HG-YL02)、渗压计等设备入选该名单，并荣获相关证书。
图 6：海积信息入选证书
据悉， 为了进一步规范和搭建全国水利系统产品招标和选购工作的媒体平 台，水利部直属的中央一级专业科技出版社—— 中国水利水电出版社成立水利 专家评审委员会， 对自愿申请入选《全国水利系统产品招标重点推荐目录》 的 产品进行了全面的评审。《全国水利系统招标产品重点采购目录》是由中国水 利水电出版社邀请水利系统专家经过严格审核后编制而成的。《目录》的编制 也为进一步规范全国水利系统产品招标和选购工作， 为各级水利管理机构提供 选购真实可靠的水利产品提供了保障。
创新热点
华为寻星专利公开，可应用于卫星通信系统
据了解， 该寻星方法包括以下特征：根据移动终端的位置信息、可用卫星 的位置信息以及三维 3D 地图信息， 确定移动终端与可用卫星之间的直视径是 否已被障碍物遮挡；若直视径已被障碍物遮挡， 则根据 3D 地图信息， 确定目 标区域的位置信息等。
报送单位：上海市发展改革委、市经济信息化委、市科委和有关应用主管委办
抄送单位：上海卫星导航定位产业技术创新战略联盟成员及有关合作单位等
支持单位：上海市北斗导航研发与转化功能性平台
总编：曹冲
责任编辑：叶子
审核：陆星海
校对、发行：杨必玮
本期主要信息来源：
北斗网，泰伯网， GPSWorld ，InsideGNSS ，央广网，卫星界公众平台，中国卫星导航定位协会，科技日报，人民网，时空道宇，中电科， 海积信息， IT 之家
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上海卫星导航定位产业技术创新战略联盟编
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