谈到中国北斗卫星导航系统建设及应用，就不能不提到刘经南院士。他是中国提出分布式广域差分技术的第一人，在GPS技术领域的研究中创造了数个第一：创立了我国第一个国家卫星定位系统工程技术研究中心；研制出了我国第一个卫星定位商品化的“GPS快速静态定位软件”；提出了GPS网随机模型质量控制概念、有关理论和处理方法，成功地解决了大规模、高精度GPS网整体平差工程的一系列理论与实际问题；负责我国第一个GPS永久跟踪站（武汉）的建立、长年运行和维护，提出了一套永久站的技术标准。本刊记者在南京召开的第五届中国卫星导航学术年会上采访到了刘经南院士。

　　本刊记者：请您介绍一下您参与北斗建设和发展的经历。

　　刘经南：从武汉测绘学院天文大地测量专业本科毕业后，我做了11年的外业测绘工作。36岁那年，我重回武汉测绘学院读研究生，选择了卫星测量基准的地心坐标系与常规测量的地面大地坐标系的转换关系这一当时的前沿作为我学术研究方向，跟着导师做深入的探索，终于第一次证明了国际上三个坐标转换模型的等价性，纠正了国际上对坐标转换模型有优劣之分的传统看法，解决了大地测量坐标系理论研究领域的一系列难题。

　　20世纪80年代中期，全球卫星定位系统（GPS）接收机及其相应技术传入中国，我国逐步成为GPS的用户大国。GPS是世界上第一套覆盖全球范围的、由美国国防部和运输部共同管理的卫星定位、导航、授时、守时系统，其在军事上具有重要价值；GPS接收机能在全球任何地点、任何时间提供静止和动态用户的地理位置与时间，其定位精度、动态响应时间和作用空间几乎可以满足任何要求；作为一门迅速兴起、影响广泛的高新技术，GPS便成为国际性的热门研究的新兴领域。1986年，我被调回母校，开始了对卫星大地测量的科研攻关和GPS技术的研究。那时，大多数人都在研究像“确定卫星在天空中的轨道位置”这样最复杂、最尖端的前沿问题和“用于飞机、火箭上的卫星定位方法”等热点问题。我却选择了与国民经济密切相关的学术领域——卫星定位网，即GPS网，进行了持续不断的探究，终于研制出我国第一个GPS商品化软件——GPS卫星定位数据处理综合软件。此后，我亲自去做产品的市场推广，在全国各地举办学习班，帮助解决用户应用中遇到的问题，国内外数百家单位采用了这种软件，占据国内80%以上的市场，这个研究成果还获得国家科技进步二等奖，并作为专有技术出口到日本。

　　上世纪九十年代，我国提出了建立卫星导航系统的设想，准备搞北斗一代，我参加了论证，在原国防科工委支持下，主持了一个广域差分的项目。当时，GPS信号受到美国政府故意对民用用户降低信号精度的干扰，只有美国和其盟友才能无限制地使用GPS系统。而国内高精度用户的市场需求却越来越多，中国必须要有自主的卫星导航系统。结合中国当时的实际情况，我率先提出建立广域差分GPS系统以对抗美国政府技术限制的思路，并制订出建设中国广域差分GPS系统的初步方案。

　　差分GPS是用于局部区域改进导航精度的一种技术，可分局域差分GPS和广域差分GPS两个类型。广域差分指的是较大范围内（几千公里）提供精度一致的差分GPS服务系统，它可提高GPS定位的精度。广域差分的概念是由GPS系统总设计师最先提出来的，我是在国内最早把它具体化的人。我的提议方案得到了原国防科工委的项目支持，通过进行大量的科研和技术攻关，发现广域差分GPS实时定位系统中对数据通讯链的要求很高，而当时我国数据通信技术和经费条件根本满足不了要求，我在学生研究发现GPS卫星钟误差特性基础上，首次提出分布式广域差分概念和技术。

　　中国分布式广域差分的思路，就是把卫星的广播星历由当时80～100米提高到2～3米的接近精密星历的精度，测出和消除美国政府对卫星钟的人为抖动干扰，把卫星钟误差处理由30～50纳秒提高到在2～3个纳秒的水平上，并根据星历、钟差、电离层这三个误差的时变特征不同，可实行分布式求解和向用户发送。卫星钟差变化快，每几秒钟就要计算一次并向用户发送，电离层误差每15分钟计算并发送一次就行，而轨道精确修正，30分钟一次都可以。分开解算，会大大减少对计算机性能和通讯频率的要求，这在当时的中国，技术和经济上都可实现，也很节约资源。我们按照这一方案开展实验，由北京发信号到南海接收，近3000千米的差分距离，都能实现3米～5米的实时定位精度。因此，在国防科工委领导支持下，我建议在北斗一代上实施广域差分体系，使北斗一代不仅是具有自身区域的导航试验系统，同时还能对GPS进行广域差分来提高精度，满足用户的需求。2000年，第一颗北斗区域实验卫星发射时，就采取了广域差分这个功能，现在北斗二代区域系统仍旧保留这个功能。这是我最早参与北斗工作时所做的研究，我们的研究成果能用在北斗一代上，能为已发射的国家北斗导航卫星广域差分系统的建设提供最早的、完整的技术思路，我感到幸运，但具体的工程实施是由后来总装备部、航天和总参等部门实现的。

　　我比较全面地参与了北斗二代系统的立项论证、方案论证，并亲自承担了一些科研项目。那时国家号召有关大学参与星座设计，我带领后来并入武汉大学的研究团队，也设计过第一期的星座方案，根据设计做了仿真，看哪种星座最节省资源，并提出一些建议。我们提出的星座方案是3GEO（地球静止轨道卫星）+3IGSO（地球同步轨道卫星）+8MEO（中高度圆轨道卫星）卫星。现在的北斗二代区域星座方案采取的5GEO+5IGSO+4EMO方式，这个方案更经济且效果更好。

　　当中国提出要建北斗全球系统时，我全面参与了“中国二代导航系统的建设”重大专项。“中国二代导航系统”有三大内涵：一是北斗的全球系统星座加区域星座设计方案，要在中国及周边实施北斗的广域差分定位，还要在中国以及周边实施短报文位置服务，在全球实施20米左右的标准服务；第二个内涵是中国二代要在北斗全球系统基础上，在亚太地区实施广域精密定位，也就是实现米级、亚米级、分米级精度的实时定位；与此同时，中科院也提出一个利用通信卫星转发式的信号接收方式来实现导航定位的方案，我们把这三个方案糅合在一起，就叫中国二代导航系统。

　　在参与北斗全球系统和北斗二代系统的建设中，我们做了很多具体工程实践。在北斗区域星座开始布设时就同步开展了广域精密定位的研究。项目属国家重大专项，也获得了国家863计划重点项目的经费支持。我们在国内和亚太地区都做了广域精密定位的实验，能实现米级和亚米级精度的车道级导航管理，满足对高速公路上车辆轨迹的监测要求；交通部门发通知要求，“两客一危”车辆都要安装北斗定位装置；此外，也做了实时厘米级和分米级精度的动态定位实验。

　　武汉大学有全球科技合作的基础，在参与了北斗全球系统和北斗区域系统的基础项目和前沿项目的基础上，我们还迅速布局了北斗全球性基准站网，也就是卫星跟踪网。北斗全球卫星基准网有两大作用：一是可以在全球范围内监测北斗卫星轨道的运行状态。我们利用学校在国外建网方便的机会，在海外布设了10多个网站，在国内布了8个网站，组成了20多个站的全球网，这样就能保证北斗全球监测的精确性，及时发现它存在的问题，给北斗广播星历精度评定提供标准。第二个作用，是北斗全球跟踪网为广域精密定位研究和工程试验提供了平台和基础设施。我们可以利用它算出北斗卫星中的精密星历、北斗星钟的精密钟差、亚太大气层中的各种误差，对信号进行精准修正，从米级达到亚米级，甚至达到厘米级水平。这就为中国北斗全球系统实现亚太地区广域精密定位的增强目标打下了良好的基础。

　　北斗作为一个GNSS导航系统的标准服务定位的精度是10米左右，定时精度是20个纳秒左右，但这种服务越来越不能满足很多用户的需求，用户对定位和同步时间的要求越来越精准，一定要有高精度的服务。例如，物联网对通信的时间同步的要求将从目前的微秒级提高到纳秒级，就将是近4个量级的的提高。现在，全球高精度用户只占到24%左右，这几年上升很快，未来十年左右将上升到65%～75%。为了满足高精度用户需求，就要建立高精度增强系统，这个系统本身就是北斗系统的补充或者就是北斗系统的地面系统。

　　北斗系统总设计师孙家栋院士曾经对我们初步建立的地基增强试验网进行考察，当北斗系统还只有8颗星时，就能证明利用地基增强北斗相对静态定位可以达到毫米级精度水平，实时动态可以达到亚米级精度水平，也可以到厘米级精度水平，用单频可以达到米级精度。孙院士2011年参观后，十分兴奋，说了这句话：“看来北斗地基增强系统的确能够提供北斗系统高精度服务，也应该成为北斗导航系统的一部分”。我非常同意孙院士的这句话，就是要把地基增强作为北斗系统的高精度服务部分。

　　在汇报了北斗地基增强系统的建设思路后，孙院士要求我们布设地基增强示范网，并提出至少要布网30到40个站，让我们做全面的工程化实验。在他的鼓励下，湖北测绘地理信息局组织力量和经费，投资1000多万元在湖北省建立了30个准基站的地基增强系统，其中有6个点是为广域精密定位增强系统服务，站点距离为200～300公里，满足分米和亚米级精度服务要求，另外24个点，站间距为50～60公里，满足厘米级精度服务要求。布网实验中，我们又发现了一些新的特性和功能，如北斗的全星座三频功能使得动态定位初始化时间大大缩短，显著提高了动态定位实时性。我们立即催促一些国内北斗接收机开发商马上开发北斗三频接收机，这应是当前主导型高精度接收机，能尽早利用北斗这个频率资源优势，并通过地基增强网的测试帮他们不断改进三频接收机性能。GPS第三阶段也在搞三频星座，但它现在的三频星不到一半，预计要到2030年才能全部实现，而我们比美国早了十几年，这正是我们的优势。2012年，在北斗卫星导航第三次年会上，我正式提出“北斗的三频全系统星座是相对GPS的优势”这个观点，并谈到了三频技术的整体优势。中国很多的企业和厂商很快跟进，北京的和芯星通、上海司南相继生产出了北斗三频接收机。我们用这两家企业的北斗三频接收机在湖北地基增强网里面做实验，原来的精密定位的标准初始化时间是30秒～1分钟，但用上北斗的三频只要16秒，北斗三频加上GPS双频初始化时间只要5秒，如果单用GPS双频精密定位也要40秒左右，这就是多模三频接收机的优势，精度虽也有提升但幅度不显著。现在多模三频GNSS接收机就非常时髦了，湖北地基增强示范网的基准站也全部采用了国产多模北斗三频接收机。

　　本刊记者：起步较晚的“北斗”一直在坚持走一条有中国特色的道路。在您看来，北斗的特色都体现在哪些方面？

　　刘经南：相对于GPS来说，北斗目前还是个区域系统，2020年才能实现全球系统，它的区域系统的优势已经显现。北斗系统最明显的特点，一是全星座的三频区域系统。北斗独特的全星座三频设计，使作用距离、初始化时间、模糊度确定、系统可靠性、精度稳定性等方面都优于双频，这也是目前北斗系统较GPS的一大优势。

　　二是北斗的设计是把标准服务和区域精密定位服务融合为一体，都在这一个星座里面。北斗现在就有广域差分功能。只要对广域差分修正信号稍作改进就可以进行广域精密定位，再把我们这套方法加进去，在亚太地区就可以实现亚米级精度实时定位水平。它是世界上唯一的把全球星座和区域星座结合的星座，既可以保证全球的精度和可用性，还可以包括中国及亚太地区的高精度和高可用性。

　　三是北斗的区域服务系统在中国及周边（赤道以北）区域，除了被动式导航以外，还继承了北斗一代的基于无线电收发测距的主动式导航功能，北斗集成了主动式和被动式定位导航两种方式并把这两者和短报文服务融为一体，可满足特殊用户需要。

　　四是北斗的短报文功能强。北斗具有短消息收发功能，可以写120个汉字短消息，可以和互联网互通。当导航卫星与简单的数字通信系统相结合，就具备了区域的搜救功能，被动式再加上短报文就可以进行精确的位置和事件报告。这一功能已经在救灾和海域护航搜救等方面发挥了重要作用。

　　现在，我们建议要把北斗的这种搜救功能扩展到全球系统中去。下一步，我们对全球系统的描述就是北斗是全球主动式与被动式导航相结合的系统，它能够实现全球的三频高精度定位，同时实现亚太地区的广域精密定位，利用北斗现有的成熟技术，把被动式定位功能和短报文功能放到全球星座上面去，就能实现全球的搜救功能。把北斗的这四大优势全部推广出去，就能实现全球广域精密定位，就能实现中国真正有意义的划时代的不同于其他系统的全球卫星体系。

　　本刊记者：相信您在关注系统建设的同时一定也在关注全球系统将来的应用情况。北斗卫星导航天上布网与地下建站相结合，都是为了让北斗获得更好的应用。您认为北斗卫星导航系统产业化应用推广的困难在哪里？

　　刘经南：美国GPS的应用遥遥领先，正在经历现代化即GPS-III，预计最早可2025年完成；俄罗斯GLONASS正在升级换代之中，预计2020年完成复兴计划；欧洲GALILEO正在部署验证系统，预计2018年完成。中国的北斗，2012年底已经完成覆盖我国及周边地区区域的导航服务，2020年要完成全球的部署。北斗系统若要抢占市场，走向世界，面临着激烈竞争和诸多挑战。

　　由于人们认识上的误区，北斗的推广应用开始时会有难度。目前大家不了解北斗，认为北斗的精度和性能不如GPS好，不了解就会产生误解。第二个误区就是过去一直都在用的GPS已经占领中国95%的市场，大家认为如果把北斗再加进去就要增加钱和负担，因而并不愿意改变现状。事实上，早期北斗的研究费用是高一点，但现在GPS芯片已经很便宜，北斗系统的加入并不需要增加多少费用，费用只是略高一点而已，用户是可以接受的。北斗系统是个自主可控的系统，而GPS虽也算是美国的全球商业化系统，但仍受美国国防部控制，受美国政府政策变化控制，不能做到自主可控，从信息安全的角度来看这就是问题。北斗加GPS不仅可以解决国家信息安全的问题，还可以提高性能，把精度提高10%～15%左右。

　　北斗提供的位置服务，是时空服务的基础，与时间、空间位置相关的需求都可以用北斗来满足，北斗可以应用在人类所有的活动上，比如经济、社会、军事、文化、娱乐、体育等。北斗的授时功能已经在科学、金融和电力及通信中得到应用；北斗的定位和通信功能在渔业、森林防火、水域及海洋信息监测、大气环境监测等方面取得了广泛的应用，在汶川、舟曲的救灾过程中也发挥了很大作用。北斗应用不仅在地面，在空间，在离地球36000公里甚至更远的太空都能用。

　　北斗要想应用到各个领域，就要涉及这些领域信息获取时间、安全、速度等等因素，但它也会受到干扰，会出故障，这是所有卫星系统的致命问题，也就是卫星系统的脆弱性。信号容易受干扰，一到森林地区，城市区域信号就会被遮挡，受到限制。所以，今天我们要发展一套抗脆弱性的技术和一种不受干扰能在室内定位的技术，这个技术还得与北斗卫星导航系统是互联互通的，是无缝对接的。作为“十二五”专项规划的主要成果之一，科技部正在实施的“羲和系统”就是一套与卫星导航系统能无缝对接的室内外定位一体化系统，它以北斗/GNSS、移动通信、互联网和卫星通信系统为基础，融合广域实时精密定位和室内定位等技术，实现室内外协同实时精密定位，具备室外亚米级、城市室内优于3米的无缝定位导航能力。

　　在一些领域的应用上，比如在交通方面的应用上，北斗既能保证安全，但由于某种原因的失效，又不能保证系统百分之百安全，未来出现问题后的责任事故的界面分析是个难点。目前，卫星信号的完备性还只能达到97%～99%，针对这个缺陷就要有错误预警系统。只要出现问题就得有赔偿问题，像付费服务出问题就要赔偿，这样的政策我们国家没有跟上。因为GPS是免费提供服务，现在GPS不用承担赔偿责任，出了问题由用户自己承担。北斗现在也是免费服务，自然不承担赔偿，但未来北斗的授权服务、安全服务如果用在商业化服务上就可以收费，同时也就要承担责任。这也是推广应用中的主要问题。

　　本刊记者：您一直活跃在中国GNSS技术应用研究的前沿领域，请您对北斗的未来进行一下预测。

　　刘经南：现在全球卫星导航定位技术的应用领域已经无所不在。北斗卫星导航系统更重要的应用仍在民用。作为GNSS中的一员，尽管北斗全球系统仍在建设中，但卫星导航精确定位的高科技成果，早已植入我们的生活，并在电子政务和电子商务、国土资源管理、城市规划与现状监控、应急系统的建立、灾害监测、交通、物流管理等方面都有广泛的应用。

　　正是有了自主研发的后发优势，北斗卫星导航系统的推广应用，将会给我们的吃穿住行带来新的变化。面向未来，北斗系统和其应用都需要持续的发展，以满足用户更高的使用要求。这就需要国家持续的经费投入、人才培养、产业推广，以确保我国北斗卫星导航系统在未来发展与国际竞争中占据有利地位。北斗系统未来的发展方向是与多种移动通讯网络、互联网整合，成为物联网的时空基准和其信息感知的时间和位置传感器。一方面在国家经济、社会和国防建设中发挥不可替代的作用；一方面进入千家万户，成为大众不可或缺的消费品，融入公众的电话、手提电脑、手表、交通工具等大量的消费类电子产品，提供个人位置服务的应用，方便人们的日常生活。我相信，在不久的将来，我们的衣食住行都将进入导航时代。未来，中国北斗卫星导航系统将以具备世界先进水平的性能，进入国际全球卫星导航系统的大家庭。

　　对北斗的未来我就用两句话来概括：未来市场无限大，应用领域无限广。感谢你的采访！