兼容与互操作是近十几年来全球导航卫星系统(GNSS)领域的一个研究热点，对卫星导航的理论研究、系统建设和应用推广都具有重要意义，受到了国内外学术界、工业界、政府主管部门乃至相关国际组织的高度重视。目前，兼容与互操作已经成为国际卫星导航委员会(International Committee on Global Navigation Satellite Systems,ICG)的核心议题，并专门成立了相应的工作组，兼容与互操作也是全球GNSS核心供应商双边谈判与多边协调的重要内容，国内外学术刊物和学术会议已发表了大量有关兼容与互操作的理论分析文章^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]}。

兼容与互操作是随着GPS和GLONASS的现代化、BDS和Galileo的兴起而面临的新问题，虽然迄今为止尚未给出明确的定义，但概念比较清晰^{[1, 2, 8]}：兼容性是指分别或综合使用多个GNSS及增强系统，不会引起不可接受的干扰，也不会伤害其他单一卫星导航系统的操作与服务；互操作是指综合利用多个GNSS及其增强系统，能够在用户层面比单独使用一个系统获得更好的服务，并且不会给接收机生产厂商和用户带来额外的负担和成本。兼容与互操作已经成为GNSS的发展趋势^{[1, 9]}。

目前，兼容性的分析主要集中在不同系统间信号的相互干扰方面，国际电联2007年提出的干扰估计方法(ITU-RM.1831)已经成为各GNSS兼容性评估的基本准则^[10]。与兼容性有所不同，互操作涉及面更广，不但与各GNSS的信号密切相关，而且与GNSS采用的空间和时间基准有关，对多系统GNSS用户的影响也更为直接，研究工作更为复杂。

首先，互操作不仅与GNSS信号有关，也与坐标系统、时间基准的定义及实现这些定义的方法有关。更进一步，也与信号、坐标、运行时间偏差有关。可以认为，互操作概念对不同GNSS供应商的影响是不同的，对不同的用户影响也是不同的，不同的互操作要素对接收机厂商的影响也是不同的。

不得不承认，互操作设计对业已建成的GPS几乎没有任何影响。因为：①GPS系统发展历史比较悠久，技术相对成熟，用户极其广泛，已经在世界范围内树立起了行业领导者的地位；②GPS用户涉及的领域非常广泛，已经嵌入到飞机、舰船与武器平台、陆地车辆等各类移动载体，并已渗透到了交通运输、电力系统、移动通信、互联网以及其他穿戴设备，改变GPS的互操作设计困难太大；③国际民用航空组织和国际海事组织已经以GPS和GLONASS导航信号为飞机和舰船活动的标准导航蓝本；④以GPS为主建立的广域和局域差分增强系统(WAAS and LAAS)已经广泛用于航空精密进近，而且这些增强系统之间大多数已经实现了互操作，为民用航空提供了近于无缝的精密导航服务；⑤全球所有GNSS接收机芯片和天线厂商都搭建了GPS接收机生产线，排斥或改建这种产品生产架构都将付出代价；⑥GPS坐标参考系WGS-84尽管与国际大地测量协会(IAG)确定的国际地球参考框架(ITRF)有差别，但是差别较小，而且，近几年GPS所用的WGS-84不断更新，对于大多数用户可以忽略不计，于是不影响GPS在卫星导航定位中的主导地位；⑦GPS的时间系统虽然与国际计量局确定的世界协调时(UTC)有差别，但是美国海军天文台控制的钟组在UTC中具有绝对主导地位，而由美国海军天文台确定的时间系统也是GPS时间的基础。

可以说，尽管卫星导航定位进入GNSS百花齐放时代，但不得不承认GPS已经被广大用户接受，已经占据全球卫星导航市场的主导地位，也已经占据各类导航标准政策的主导地位。于是，其他GNSS不得不与GPS实施兼容与互操作。而且GPS和Galileo已先行一步，已就兼容和互操作达成一致^[11]，这给BDS带来了更多的挑战。

任何其他GNSS供应商要想占领部分市场，就必须具备如下条件：①提供更高质量的定位、导航和授时(PNT)服务(包括精度、可靠性、操作便捷性、价格等)；②必须与GPS实行兼容与互操作；③提供与GPS不同的特色服务。

即使其他GNSS供应商具备这些条件，用户依然会十分挑剔地审视使用其他GNSS导航信号带来的成本和效益；如果使用多GNSS信号给用户增加过多额外成本，用户仍然会放弃与GPS不能实施互操作的卫星导航系统。

互操作对GNSS的基本要求是，不同系统的信号应该尽可能相似，特别是与信号频率相关的特征应该高度相似。导航信号的中心频点不一致和带宽不一致，不仅影响系统间的兼容性，实际上对互操作性的影响更大。

卫星导航信号的主要特征包括载波频率、调制方式、信号带宽、信号功率、极化方式、多址方式、扩频码、电文格式、电文纠错码等。从用户终端的角度看，为了研制性能好、功耗低、体积小、成本低的多系统接收设备，总是希望上述参数尽可能相似，以便更多地共享接收机中的硬件和软件。特别是载波频率、信号带宽、调制方式、多址方式等与信号频谱特征密切相关的主要特性，最好应该完全一致，这也是ICG所倡导的发展方向，即GNSS的互操作。

典型的，以GPS L1 C/A信号和BDS B1 Ⅰ信号为例，由于这两个信号在载波、带宽(扩频码速率)、扩频码、电文格式、纠错编码等方面的差异，目前L1 C/A和B1 Ⅰ双系统接收机实际上就是安装在同一机箱内的两台不同的接收机(当然，供电、晶振等外围部件是共用的)，基本上等同于体制完全不同的双系统接收机，难以开发出低成本、低功耗的接收机产品(包括芯片和整机)。

不同的信号特征给接收机带来的主要影响有：

(1) 由于频点不同，不利于天线的小型化和低成本。如GPS的L1 C/A和BDS的B1 Ⅰ双系统接收机需要宽带接收天线来覆盖两个频点，显然减小天线的尺寸变得相当困难，而且也不利于提高驻波比、增益等关键指标。如果这两个信号还需要与其他信号(如L2、B2 Ⅰ等)一起构成双频或者多频高精度测量接收机，则更不利于天线相位中心等重要指标的提高。

(2) 由于频点和带宽的不同，射频部分通常需要双通道接收，实际上等同于需要两个不同的射频单元。当然，考虑到L1 C/A和B1 Ⅰ频点比较接近，也可以采用一个宽带射频来同时接收这两个信号，但是不利于接收机的抗干扰性能，且信噪比也有损失。于是，在民用低成本接收机中基本都不采用这种方案。如果这两个信号还需要与其他信号(如L2、B2 Ⅰ等)一起构成双频或者多频高精度测量型接收机，则更不利于射频通道时延一致性等指标的提高，增加了设计制造高精度测量型接收机的难度。

(3) 由于频点不同，需要两片模数转换芯片(ADC)，或者一片高速ADC，于是，必然导致接收机功耗和体积的增大，很难降低成本。

(4) 这两个信号的不同带宽(扩频码速率)、扩频码码型、电文格式等，需要设计两套不同的基带信号处理算法，显然需要占用更多的计算和存储资源。当然，由于数字信号处理技术已经非常成熟，嵌入式处理器的性能已经很强，对基带信号处理带来的影响有一定程度的降低。

(5) 对导航解算和自主完好性监测等方面带来的影响不大，基本可以忽略。

由此可见，不同的信号特征(频点、带宽等)对天线、射频、ADC等接收机前端和基带信号处理影响很大，而对导航信息处理的影响相对较小^[12]。

当然，L1 C/A和B1 Ⅰ不同的载波频率给多系统接收机也带来一些额外的好处，主要有：

(1) 信号间的射频干扰较小，有利于信号的接收处理。

(2) 两个频点同时被无意干扰造成多系统接收机无法工作的概率较低，或者有意干扰方要同时对两个频点实施干扰而付出的代价较大，从这个角度来说，这样的多系统接收机具有更好的抗干扰能力。

从上面的分析可以看到，由于历史原因，BDS区域系统的信号与GPS信号的差异很大，特别是载波频率和带宽等频域特性的显著差异，两者之间的互操作性很差，导致了BDS和GPS双系统接收机设计上的困难，也不利于双系统接收机性能的提高和功耗、体积、成本的降低，严重制约BDS的应用推广和产业化。

上述分析结果对我们的启发是，正在建设中的BDS全球系统信号设计应在兼容性的基础上特别重视互操作的设计，需要在保持信号自身特色和独立性的同时，采用与GPS和Galileo相同的频点、类似的调制、相近的带宽，在频域特性上尽可能与GPS和Galileo保持一致，以增强其互操作性^{[13, 14]}。当然，GPS未来的核心信号是L1C，BDS全球信号的互操作设计应面向未来，重点实现与L1C的高度互操作。

从4大GNSS相应坐标系定义看，目前各导航卫星系统的坐标系统的定义基本一致。但与IERS定义的参数均有差异。各GNSS地心引力常数和地球自转角速度见表 1，参考椭球的几何常数见表 2。

从GPS、GLONASS、BDS和Galileo所使用的参考椭球常数看，使用多GNSS融合导航定位存在如下影响：

(1) 早期GPS地面控制系统曾经采用地心引力常数值3.986 005×10^-14，该值与其他GNSS系统存在差异，用户接收机普遍采用了这一数值。1994年后，GPS地面控制系统在计算卫星轨道时采用的地心引力常数GM为3.986 004 418×10^-14，该值与IERS推荐值相同。地心引力常数的这一改变消除了地面控制系统轨道1.2 m的径向偏差。为了避免GPS接收机软件的改动，同时确保GPS卫星的定轨精度，GPS系统在广播星历参数拟合时仍采用原值3.986 005×10^-14[15]。注意到，由于地心引力常数的差异，可导致卫星广播星历近2 m的误差^[16]。

(2) GPS卫星星历采用的地球自转角速度ω与IERS推荐值相同，为7 292 115.0×10^-11 rad/s，由于地球自转角速度随时间变化，考虑到赤经岁差的影响，国际天文学联合会最新的推荐的ω值为7 292 115.146 7×10^-11 rad/s^[15]。为了与卫星应用保持一致性，GPS地面控制系统在进行广播星历参数拟合时采用7 292 115.146 7×10^-11 rad/s。如果误用列出的地球自转速率的差异可引起广播星历数十米误差^[16]。

(3) 各GNSS坐标系统采用的参考椭球长半轴几乎都不相同，而且均与IERS推荐值存在差异，相对于IERS推荐的参考椭球长半轴a=6 378 136.6 m，GPS和BDS参考椭球差了0.4 m，GLONASS参考椭球差了-0.6 m，Galileo参考椭球差了-1.1 m，GPS和BDS与Galileo参考椭球差了1.5 m。但是参考椭球的长半轴和扁率的差异一般不会影响用户的定位结果。因为用户由卫星广播星历计算卫星坐标时，不涉及参考椭球的几何参数。

(4) BDS、GPS、GLONASS采用的地球椭球扁率也与IERS规定值不同，但这些常数差对卫星星历影响不大。对地图投影的影响一般在毫米量级，不影响用户使用^[17]。

(5) 特别强调，尽管各GNSS坐标系统的定义差不明显影响融合导航定位结果，但是，各坐标系统实现的差别对导航定位结果影响明显。因为GNSS坐标系统实现和维持所带来的误差直接影响卫星轨道精度，而卫星轨道误差对用户单点定位结果的影响是系统性的。

(6) 此外，现有BDS跟踪站利用GPS进行坐标联测，容易带来联测误差；而且仅采用GPS观测进行BDS坐标系统的更新，不利于BDS与其他GNSS坐标系互操作参数的测定与预报。

(7) BDS坐标系更新周期与GPS有相当大的差距。为保持卫星轨道及用户坐标参数反映实际地球动力学效应，GPS控制系统每年更新一次坐标框架的坐标值；而北斗系统的跟踪站坐标数年更新一次，其板块运动及其他系统误差将影响跟踪站的坐标精度，进而影响卫星轨道的测定精度和卫星星历的精度。

为了控制坐标基准差异对多GNSS融合导航定位互操作的影响，可采用如下措施：

(1) 由于现有4大核心卫星导航系统采用了不同的坐标框架，于是坐标框架的相对偏差将影响各卫星星座的互操作。解决这类互操作有两种策略：对于单点定位和实时导航，可以在观测模型中设置互操作参数，并在融合定位时估计这类参数^[18]；对于事后处理的高精度定位用户，可以采用相对定位方式削弱这类互操作参数的影响。但是必须注意，各GNSS系统必须选择各自的参考卫星进行差分，才能消除坐标互操作参数的影响。

(2) 利用多GNSS进行融合定位时，用户一般由卫星广播星历计算卫星坐标，于是只使用参考椭球常数中的地心引力常数GM和地球自转角速度ω，这两个参数必须保持与相应卫星导航系统提供的ICD文件中的数值一致，由此得到的地面站位置即为相应卫星导航系统坐标系统下的位置。

(3) 实践中，应该采用多GNSS接收机同时接收GPS、GLONASS、BDS和Galileo等卫星信号，综合测定跟踪站的地心坐标，计算各GNSS系统存在的坐标系统误差，并发播给用户作为先验参数，供用户在多模融合导航定位时参考。

(4) 采用多模GNSS跟踪信息，并联合ITRF跟踪站和IGS跟踪站板块运动信息，可以求解BDS各卫星监测站或跟踪站地壳运动参数，为每年北斗跟踪站的坐标更新提供基础，同样也为测定各卫星坐标系的互操作参数提供基础数据。

(5) 必须注意，如果将不同GNSS测定的地面点三维坐标转换成大地经纬度和大地高，则使用不同的参考椭球参数会产生明显差异。所以在我国若要求将多GNSS测定的点位坐标转换成大地坐标时，则一定要采用CGCS 2000椭球参数，而不是使用各GNSS所对应的其他参考椭球参数，如此才能确保不同卫星系统定位结果的坐标系统一致性。

(6) 如果各GNSS均采用相同的坐标系定义，采用相同的跟踪站进行卫星轨道测定和卫星星历拟合，采用相同的ICD文件格式，则4大核心供应商的卫星星座将是一个整体星座，用户将不再需要考虑坐标系统的互操作问题。实时单点定位也将不再需要互操作参数，差分定位将不再需要各GNSS系统分别选用各自的参考星组成差分观测方程，但是，实现这一步十分艰难，基本不可行。

GPS、GLONASS、BDS、Galileo 4大系统对应的时间系统定义差别较大，具体情况的比较分析见表 3。

表 3所列的各GNSS系统时间参数定义差异，将直接影响用户采用多GNSS联合导航定位授时的结果^{[21, 22]}。

(1) GPS、Galileo、BDS 3大系统都采用连续的原子时标，无闰秒，系统间的偏差包括两部分：①各系统在不同的UTC时间定义起点时间，而导致整秒偏差，BDT与GPST、GST的整秒差为14秒，而GST与GPST不存在整秒差^[20]；②由于各系统时间由各自的原子钟组生成，在长期的运行过程中会产生微小的偏差，一般称之为“秒内偏差”，通常为几十纳秒量级。这里仅给出2015年11月BDT与GPST之间的秒内偏差，见图 1。BDT与GPST之间的秒内偏差达十多纳秒甚至更大，会直接将影响授时和导航定位，也会影响卫星轨道测定。

图 1 2015年11月12—30日 BDT与GPST之间的秒内偏差 Fig. 1 Bias between BDT and GPST in Nov. 12—30,2015

图选项

(2) GLONASS系统的基准时间(GLNT)与UTC(SU)+3h同步，而且与UTC一起进行动态闰秒，因此，GLONASS系统与其他系统时间的偏差存在3方面的影响，即：①由于GLNT与UTC同步，而且考虑俄罗斯与UTC的时差，于是产生整小时偏差，GLNT与GPST、GST和BDT系统时间的整小时偏差为3 h；②整秒偏差部分：由于GLNT与UTC同步闰秒，而且整秒偏差不是一个固定常数，需根据BIPM发布的闰秒公告具体计算，截至2015年，GLNT包含的闰秒数为36，与BDT的整秒差为3 s，与GPST、GST的整秒差为17 s；③秒内偏差部分，GLNT系统钟组运行产生的误差，该偏差需要通过动态监测链路来实时获取。这3类偏差有的直接影响授时，有的影响时间同步，有的影响多GNSS联合导航定位^{[23, 24]}。

(3) 在多系统兼容互操作中，系统时差将直接影响定位、测速和授时(PVT)结果。对于秒以下偏差部分，对定位误差的影响可达10 m乃至数十米，对授时的影响可达数10 ns。在进行系统时差精确测定和修正后，定位误差的影响一般可优于1 m，授时误差可小于3 ns。

(4) 对于标准时间用户，需使用系统时间与UTC(k)之间的偏差修正参数来获取用户所在国家的标准时间。应注意，通过不同系统所获取的标准时间是不同的，如：通过GPS获得的标准时间是UTC(USNO)，通过BDS获得的是UTC(BSNC)。

对于时间系统互操作参数的影响可根据误差性质和来源分别进行处理：

(1) 整秒偏差在授时时可以直接消除。

(2) 对于秒内偏差，通过系统内差分可减弱秒内偏差的影响，但在多GNSS数据融合时，必须顾及这类误差的影响。特别需要注意的是，秒内偏差随时间变化，需要通过实时监测才可获取。

(3) 为保障多系统兼容与互操作，需要获取精确的秒内偏差参数，该偏差参数的获取主要有两种途径：从系统发播的导航电文中获取，或由用户自身解算。由系统发播的时差参数精度和可靠性一般较高，建议优先使用；如果由用户自行解算，则在双系统时差解算中，至少需要增加1个关于时差的未知参数，相当于需要额外增加一颗星的观测量，且观测误差、观测模型会影响解算结果精度。当然，采用序贯平差或Kalman滤波解算，则在多历元数据处理后模型中增加少数待定时间参数，不会明显影响导航定位参数的解算效率^[18]。

(4) GPS和Galileo已经协商建立双方的监测链路并通过导航电文发播。BDS、GLONASS导航电文中均有系统时差参数设计，但目前GNSS时差参数尚未正式发播。也可通过UTC/UTCr、IGS等数据实现系统时差的间接换算或解算，但应注意加强不确定度分析，特别是B类不确定度的评估与分析。

本文讨论了信号、坐标系和时间系统的不一致对GNSS互操作的影响。可以看到，在信号的不一致方面，特别是其频域特性的差异给多系统接收机的设计带来了很大的困难，不利于多系统接收机性能的提高，也不利于功耗、体积、成本的降低。

在坐标系的不一致方面，多GNSS坐标基准定义相近，但选用的参考椭球常数存在差异，坐标基准的实现途径和更新周期均存在较大差异。多GNSS参考椭球的地心引力常数差异及地球的自传角速率差异将导致卫星广播星历2至数十米偏差，而坐标基准的实现误差、更新周期等差异将首先影响卫星轨道，进而对多GNSS用户产生影响。于是，未来可采用多GNSS接收机监测各GNSS的坐标互操作参数，并将BDS跟踪站的坐标更新周期改为每年一次，以便减小地壳形变误差对坐标基准互操作参数的影响。

时间系统的不一致直接影响多GNSS导航定位和授时结果。对于整数时差可以按照系统时间的基本定义直接改正；对时间系统运行误差，则可以在函数模型中增加待定参数进行补偿，或采用系统内差分减弱其影响；也可以通过地面监测站实时进行监测、评估，并向用户发播改正信息。

多GNSS系统的兼容与互操作是未来GNSS发展的主要方向，在BDS全球系统的设计和建设中，应进一步重视信号的互操作设计，尽可能采用与GPS和Gaileo相同的频点、类似的调制、相近的带宽等频域参数，达到与GPS和Galileo系统的高度互操作；坐标系统应尽可能一致，尤其是地面跟踪站尽量保持一致，否则应采用多模GNSS接收机监测其坐标系统偏差，并发播给用户进行改正，或作为用户导航定位参数估计的先验信息；时间系统的不一致，可采用多GNSS跟踪站进行监测和发播，也可通过增加模型参数进行实时估计。