国外卫星导航应用产业发展研究

● 文| 北京空间科技信息研究所 刘春保

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国外卫星导航应用产业发展研究

● 文| 北京空间科技信息研究所 刘春保

一、全球卫星导航应用产业概况

经过近二十年的发展，北美、欧洲及日本卫星导航应用市场逐渐走向成熟，2010年后，全球民用卫星导航市场进入了平稳发展期，年复合增长率10%左右。对位置服务、交通运输、测量测绘与农业GNSS应用的统计与研究表明，2013年全球民用卫星导航应用市场规模已经超过2200亿欧元（约2800亿美元），至2022年将达到3500亿欧元（约4460亿美元），全球在用卫星导航设备有望达到70亿部。

虽然，卫星导航民用市场的规模早已远远超过了军用市场，2013年全球军用卫星导航市场的规模不超过12亿美元，不足民用市场的0.5%。但其重要军事空间系统的角色不会改变。

凭借技术与先发优势，美国一直处于卫星导航应用产业的领先或主导地位，是全球卫星导航应用基础设施最完善、应用最广泛、市场最成熟、技术水平最高的国家，形成了完整的卫星导航应用产业链，是全球卫星导航应用发展的最大受益者，也是卫星导航应用产业发展最重要的推动力量。

欧洲是全球卫星导航应用的第二大市场，其产业的规模与技术水平仅次于美国，是卫星导航应用发展的重要推动力量。在卫星导航芯片、模块、整机、软件及行业应用领域均具有可与美国媲美的能力。伽利略全球导航卫星系统的发展使欧洲卫星导航应用获得了欧盟各国政府的全面支持，完整的卫星导航应用产业链基本形成。

俄罗斯是最早完成全球导航卫星系统建设的国家之一，但是因对卫星导航应用与产业的重视不足，2000年前，俄罗斯卫星导航应用产业几乎是一片空白。进入21世纪，特别是南奥塞梯战争后，卫星导航应用受到了俄政府的高度重视，加大了资金投入，卫星导航应用产业的发展全面启动。

日本卫星导航应用产业的发展水平与欧洲相当，已经形成了较为成熟的卫星导航应用产业。并在芯片、接收机等领域拥有一定的技术优势。准天顶系统为日本卫星导航应用产业的发展创造了新的机会。目前，日本正通过政府间合作与社团、企业的共同努力在亚太地区推广准天顶系统的应用，拓展准天顶系统的国际市场。

印度卫星导航应用产业的发展水平远低于上述国家。虽在软件领域拥有一定的技术优势，但在芯片、接收机等硬件领域存在较大差距，产业链不完整，卫星导航应用产业尚处于发展初期。

二、美国

自20世纪90年代GPS系统部署完成，并投入运行、服务以来，美国已经建立起包括导航卫星与运行控制段研制与部署、用户设备研发与制造、内容与服务等在内的完整的卫星导航与应用产业链（见图1）。

图1 美国卫星导航与应用产业链构成

截至2014年12月，美国GPS系统在轨卫星32颗，空间信号用户测距误差0.8m，授时精度20ns。现代化计划完成后，GPS系统拥有星上信号功率可调、点波束增强、高速星间星地链路等能力，定位精度将达到0.5m，授时精度1.3ns，在全球卫星导航领域处于领先地位。

除GPS系统外，美国已经发展了广域增强系统（WAAS）、国家差分GPS（NDGPS）系统、连续运行参考站（CORS）网络、全球差分GPS（GDGPS）等GPS增强系统，罗兰-C（LORAN-C）与e-LORAN等无线电远程导航系统，美国无线电授时网络精确授时系统，以及NASA的深空网（DSN）深空通信导航系统等定位导航授时基础设施和先进的惯性、图像匹配、地形匹配等导航技术。

1995年完成GPS系统的部署，并陆续部署了各种增强系统，为美国定位导航授时产业的发展提供了得天独厚的条件，造就了如高通、博通、瑟福、天宝等全球领先的GPS芯片、基带产品、用户设备和服务提供商，催生了以GPS应用为核心的卫星导航应用产业，居全球领先地位。

美国在卫星导航应用领域的领先地位表现为技术与产品领先性，产业的规模化，以及完整的卫星导航应用服务体系及对全球卫星导航应用领域的强大影响力。

在基础产品领域，美国涌现了如博通、高通、瑟福等技术领先、竞争力强、市场占有率高的优势企业；在终端产品领域，美国占据了卫星导航终端制造业的主导地位，天宝、佳明、苹果、贾瓦德等成为各自行业的领军企业；在行业应用与系统集成领域，美国拥有全球最大的卫星导航行业应用市场，在交通运输、精细农业和基础设施建设等领域拥有全球最大的应用市场与应用系统、装备制造商，产生了显著的经济与社会效益。2014年美国商业GPS应用效益超过650亿美元，见表1。

表1　 2014年美国卫星导航应用装备支出与效益　　亿美元

强大的研发、创新能力奠定了美国在卫星导航应用领域的技术优势。从表2可知，在代表卫星导航应用产业基础产品技术水平的天线、射频前端和基带三个领域，美国的专利申请量分别为41.3%、41.4%和38.7%，占有绝对优势（见表3、表4）。

按专利申请人排名和产业链专利申请量分析，在全球30强中美国占有7家，其中高通公司以855项遥遥领先；在按产业链的专利申请量分布中，美国公司在射频前端、基带、定位和手机应用中均排名前列。

表2　全球卫星导航专利申请量区域分布

表3　卫星导航领域排名前30的重要专利申请人

表4　按产业链的专利申请量分析

三、俄罗斯

进入21世纪，GLONASS系统的恢复与应用的发展成为俄罗斯政府的重要目标，《GLONASS系统2012～2020年维护、发展以及应用计划》首次将应用与GLONASS系统的维持与发展放在相同的高度，详见图2。

图2　 GLONASS系统2012～2020年计划资金投入

预计至2015年俄罗斯将完成6种新型芯片组的研制，并投入市场；2020年达到39种；军用GLONASS导航应用装备达到43种；内政部、联邦监狱和联邦药物管制局等部门也将完成56种GLONASS导航产品的研发。

然而，凭借技术与资金优势，欧美卫星导航企业已经研发了多种兼容或支持GLONASS导航信号的双模、多模芯片和整机产品，兼容或支持GLONASS信号的卫星导航产品已接近50%，并已进入俄罗斯市场，使俄罗斯卫星导航应用产业面临巨大的技术、成本与性能的挑战，见图3。

图3　市场在售接收机不同GNSS系统的所占比例

同时，俄罗斯政府正在对其数字导航地图，进行全面更新和扩充；但其投入还有较大差距。俄罗斯每1km2电子地图的投入只有7美元，而美国则为116美元。

因此，俄罗斯企业要想突出重围，除政府的支持外，服务与技术创新或成为俄罗斯卫星导航应用产业发展的两个重要支点。

四、欧洲

欧洲是全球卫星导航应用第二大市场，其规模与水平仅次于美国，完整的卫星导航应用产业链基本形成（见图4），是卫星导航应用发展的重要推动力量。在卫星导航芯片、模块、整机、软件及行业应用领域均具有可与美国媲美的实力，产生了如意法半导体（ST Micro）、U-Blox、TomTom等全球领先的卫星导航芯片与用户设备制造商。

图4　欧洲卫星导航与应用产业链构成

欧洲卫星导航应用产业的发展受益于欧盟及各国政府的高度重视、强大的技术基础、资金优势与广阔的市场。发展自主卫星导航系统与应用产业是欧盟及欧洲各国增强经济、外交的独立性，促进经济发展的重要政策。英国CSR公司收购美国瑟福公司表明了欧洲企业欲借助卫星导航应用业务，提升全球竞争力的愿望。

欧洲卫星导航应用已经在智能交通、基础设施、精细农业、税收管理与征收等领域获得了广泛应用。欧洲卫星导航应用企业普遍拥有较强的研发与创新能力（见表2、表3、表4），在导航天线、射频前端、基带等领域的专利申请量均排名世界前列； Tele Atlas公司是全球第二大导航电子地图提供商，占据了欧洲和非洲市场。

2012年欧洲卫星导航应用设备的出货量达到2.18亿部，销售收入109亿欧元。伽利略系统的建设将推动与促进欧洲卫星导航应用产业与市场的发展，至2020年，年出货量有望达到5亿部，销售收入超过200亿欧元。

五、日本

日本是亚洲卫星导航应用发展最早的国家，产业发展水平位于美国之后，总体水平与欧洲相当，应用市场已趋成熟，形成了较为完整的卫星导航应用产业链（图5）。

日本是一个人口密集、资源匮乏的岛国，其经济发展与日常生活对航空与海洋运输的依赖性很高。因此，日本政府高度重视卫星导航系统和应用的发展，部署了GPS天基增强系统－MASA，正在发展拥有GPS增强与自主能力的准天顶区域导航卫星系统。凭借其在电子、通信与信息等领域的优势，日本已经形成了包括卫星导航芯片、天线、接收设备、导航电子地图，以及交通运输、基础设施建设、精细农业、位置服务等卫星导航应用产业链。

日本卫星导航应用企业具有较强的研发与创新能力，在全球前30名重要专利申请人中占据了12家（见表2、表3、表4）。与欧美企业相比，日本企业在涉及卫星导航核心技术的天线、射频前端与基带等领域的专利申请量较少（见表5），而在导航电子地图、智能手机等应用领域具有较大优势。整体而言日本卫星导航应用产业的竞争力稍逊于欧洲。

图5　 日本卫星导航与应用产业链构成

表5　按专利申请人的技术分支分布

六、印度

出于国家安全与经济发展的要求，印度非常重视高精度卫星导航能力的发展，已经部署了GPS增强系统－GAGAN；正在发展完全自主的卫星导航系统－印度区域导航卫星系统（IRNSS），计划于2015年完成由7颗卫星组成的IRNSS系统的部署。截至2014年底，已发射了3颗IRNSS卫星。

然而，由于基础工业能力的限制，印度尚未形成完整的卫星导航产业链，特别是在硬件方面存在较大差距。全球卫星导航领域排名前30的重要专利申请人中没有一家印度企业也是对上述情况的一种诠释。

七、国外卫星导航应用市场未来发展

1.位置服务领域

位置服务应用设备包括智能手机、平板电脑、数码相机、笔记本电脑、健康跟踪设备以及移动数据服务等。未来位置服务市场将呈现如下趋势：

1）移动应用更加多样化，如摄像机图像中将集成位置信息；

2）传统上与位置无关的设备正在逐渐应用GNSS；

3）用户个体拥有的GNSS设备数量增加，设备市场覆盖范围向发展中国家扩展。

性能的提升和新型服务平台将促进位置服务设备的销售和市场的增长。2012年位置服务设备在GNSS拓展市场中的比例已达到20%。过去五年中，位置服务设备的出货量已从每年1.5亿部增长到8亿部。未来10年其复合年增长率有望达到10%。智能手机将占据该市场份额的90%；平板电脑、数码相机、便携电脑、健身器材、人员跟踪、可穿戴设备等都将具有位置服务能力。

2.交通运输领域

交通运输领域包括公路、铁路、航空与航空等四个分类市场，涉及物联网、智能交通系统、智慧城市等。随着多系统共存时代的来临、增强系统建设的发展，卫星导航服务的可用性、稳健性和完好性将不断提升；卫星导航、惯性导航及其与通信、网络的融合也将更好地解决物理遮蔽、位置共享、互联互通和安全相关的问题，更好地满足交通运输领域的定位导航授时需求。

位置共享、安全监管压力的增加、购买力的提升、数据服务与产品价格的降低是公路交通领域卫星导航应用发展的重要推动因素。嵌入式与车载设备或将成为车辆的标准装备，智能手机也将更多地用于道路导航与位置服务；而在智能交通系统中，卫星导航应用将远超出车辆导航的范畴。

铁路系统将是卫星导航、惯性导航、传感器及其与通信、网络融合的重要受益者，可有效地解决隧道、站台、崇山峻岭等无法使用卫星导航服务的问题，将在高密度、低密度铁路线指挥与控制系统、资产管理、乘客信息系统、主干线信号系统等领域获得广泛应用；同时安全相关卫星导航应用技术有助于提升现有铁路安全技术水平。

航海与水面运输系统同样受益于卫星导航、惯性导航、传感器及其与通信、网络的融合，以及未来卫星导航系统提供的搜索与救援服务等将有效地推动航海与水面运输系统卫星导航应用的发展，在缩短海难救援响应时间、保证人员安全、降低生态灾难等方面具有重要意义。

航空运输系统将受益于各种增强系统的发展与卫星导航服务完好性水平的提升。未来的飞行全过程将从传统导航方式向GNSS导航解决方案过渡，促进GNSS航空电子设备使用的增长。卫星导航是国际民航组织建立的基于性能的导航标准中不可或缺的组成部分。

3.农业领域

美国的调查表明，卫星导航在农业领域的应用将使成本降低10%，效益增加10%，使卫星导航应用具有强大的吸引力；而技术进步和经营规模的扩大是卫星导航应用增长的关键推动因素。自动驾驶和可变速率技术等可进一步提高生产率的解决方案可提升应对成本上涨、资源短缺和粮食需求等方面的挑战的能力。

未来农业领域卫星导航将呈如下趋势：发达国家的大型农场和大部分种植业将更多采用卫星导航服务；工业化程度较低的地区的卫星导航应用也将随精细农业的发展而迅速崛起；对地观测和卫星导航的结合将推动集成应用的发展。

4.测量测绘领域

卫星导航服务的高精度特征是其在测量测绘领域应用的基础。测量测绘领域卫星导航应用的增加主要因素是社会经济的快速增长。欧美以外地区卫星导航测量测绘市场的增长速度将高于欧美市场，主要原因是上述地区工程建设项目较多，并缺乏其他替代手段和地面网络支持。

八、结束语

凭借技术、人才和资本的优势，美、欧、日占据着卫星导航应用产业的主导地位，并将继续引领全球卫星导航应用产业的发展。然而，卫星导航应用与技术是涉及国家安全与经济发展的重要领域，自主的卫星导航系统与应用产业已经成为主要航天国家的重要选择，通过政策法律、准入许可、标准规范等方式保护、促进自主卫星导航应用产业的发展，以实现保障国家安全，促进经济发展的目标。

参考文献

[1]GSA.GNSS MARKET REPORT,ISSUE 3._www.gsa. europa.eu,October 2013.

[2]杨铁军.产业专利分析报告（第20册）―卫星导航终端.知识产权出版社,2014.

[3]Strategic defence Intelligence.The Global Military GPS/GNSS Market 2013-2023 - Country Analysis:Market Profile._www.reportlinker. com.March 2014.

[4]刘春保.国外卫星导航应用产业发展研究.北斗产业化发展论坛会刊，2014.