美國GPS系統(tǒng)及其國際合作進展

李培升（中國航天工業(yè)科學技術(shù)咨詢有限公司）

美國GPS系統(tǒng)及其國際合作進展

李培升（中國航天工業(yè)科學技術(shù)咨詢有限公司）

當前世界各衛(wèi)星導航系統(tǒng)競相發(fā)展。為適應新的發(fā)展局面，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）供應商紛紛利用各類多雙邊平臺開展國際協(xié)調(diào)，圍繞衛(wèi)星導航領域的國際合作不斷加深。

美國GPS自20世紀90年代建成以來，一方面不斷優(yōu)化星座結(jié)構(gòu)，進行系統(tǒng)升級，保持技術(shù)領先；另一方面也針對國際形勢不斷調(diào)整對外合作戰(zhàn)略，加強與其他系統(tǒng)間的對話與交流，通過各類多雙邊平臺積極擴大國際合作范圍，從而維護其在衛(wèi)星導航領域的主導地位。

GPS地面運行控制系統(tǒng)全球分布圖

1　GPS系統(tǒng)發(fā)展情況

系統(tǒng)現(xiàn)狀

GPS空間段由分布在6個軌道面上的至少24顆衛(wèi)星組成標準星座，原采用“21+3”星座結(jié)構(gòu)，2011 年6月后采用“24+3”結(jié)構(gòu)。截止2015年3月，美國GPS系統(tǒng)共發(fā)射了兩代、七種型號衛(wèi)星，目前在軌衛(wèi)星31顆，其中30顆提供服務，1顆處于維護狀態(tài)。

GPS地面段由1個主控站、1個備用主控站、16個監(jiān)測站和12個地面天線組成。主控站位于哥倫比亞施里弗空軍基地，備用主控站在范登堡空軍基地，16個監(jiān)測站由6個運行控制系統(tǒng)和10個國家地球空間情報局（NGA）監(jiān)測站組成，12個地面天線包括了4 個GPS天線和8個空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)天線。當前的系統(tǒng)運行控制段已完成AEP5.9.2版和LADO2.11.2A版的部署。

GPS具備全天候、全天時提供高精度全球定位、導航和授時服務的能力，可提供標準定位服務（SPS）和精密定位服務（PPS）。目前，GPS提供的導航信號包括傳統(tǒng)信號L1 C/A、L1 P（Y）、L2 P（Y），以及現(xiàn)代化信號L2C、L5、M碼。其中，L2C專用于滿足商業(yè)需求，經(jīng)電離層校正有較高的精度，2005年首次發(fā)射，計劃于2018年實現(xiàn)用24顆衛(wèi)星提供服務；L5用于滿足交通生命安全和相關(guān)完整性的要求，2010年首次發(fā)射，目前已有9顆GPS-2F衛(wèi)星在軌，計劃2021年左右實現(xiàn)用24顆衛(wèi)星提供服務。

2012年，GPS標準定位服務的空間信號用戶測距誤差的均方根值用戶測距誤差已達到0.8m。軍用GPS精密定位服務的空間信號定位精度為0.8m（95%），在對一些GPS誤差校準之后（例如采用與GPS和INS信號相關(guān)的最優(yōu)估計技術(shù)），精度能進一步提高（實際用戶測離誤差約為0.57m，授時精度為10ns）。美國聯(lián)邦航空局（FAA）的測試表明：采用民用GPS接收機可在全球?qū)崿F(xiàn)約3m的定位精度，測速精度0.2m/s，授時精度優(yōu)于20ns。2013年1-8月全球GPS普通用戶的定位性能統(tǒng)計結(jié)果顯示，大約有一半的用戶其平均定位精度可以達到1.56m，而95%的用戶的平均定位精度達到了2.43m。

GPS廣泛應用于軍事、測繪、交通、農(nóng)業(yè)、公共安全與災難救援、娛樂等多個領域。作為全球應用最為廣泛的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，GPS接收機占據(jù)了全球?qū)Ш皆O備近90%的份額。據(jù)統(tǒng)計，2011年全球GPS應用市場規(guī)模達到903.5億美元，同比增長25.8%，GPS民用/商用用戶達到10億。

未來發(fā)展計劃

根據(jù)計劃，2018年將完成8顆GPS-3A衛(wèi)星的發(fā)射；2024年前將完成16顆GPS-3B衛(wèi)星的發(fā)射；2030年前將完成16顆GPS-3C衛(wèi)星的發(fā)射。新一代運行控制段建設將分4個階段進行，第1、2階段將分別于2016、2018年完成，實現(xiàn)增強的控制能力。

預計到2018年，將有24顆衛(wèi)星提供第2種民用信號（L2C），主要用于滿足商業(yè)需求，通過電離層校正，可以提供更高的精度，將為用戶產(chǎn)生50億美元的效益；預計到2021年，將有24顆衛(wèi)星提供第3種民用信號（L5），主要用于滿足日益增長的運輸安全需求，采用受到高度保護的航空無線電服務（ARNS）頻段，通過采用新技術(shù)，可能實現(xiàn)厘米級的全球定位精度；預計到2026年，將有24顆衛(wèi)星提供第4種民用信號（L1C），該信號主要目的是實現(xiàn)與國際伙伴間的互操作，是L1頻段的現(xiàn)代化民用信號，該信號可在惡劣的跟蹤環(huán)境中提高系統(tǒng)性能，可在多種用戶應用中提供更加穩(wěn)健的導航服務。L1C信號將在2017年發(fā)射的GPS-3衛(wèi)星上首次提供。

GPS標準定位服務空間信號性能

GPS精密定位服務空間信號性能

GPS空間信號用戶測距誤差改進情況

2　GPS國際合作進展

在2010年奧巴馬總統(tǒng)簽署的美國國家航天政策中，鼓勵GPS與其他GNSS的國際合作，明確指出：“鼓勵與國外GNSS供應商的兼容和互操作，倡導民用服務透明，確保市場向美國開放。”

該政策還規(guī)定，美國可以通過利用外國的定位、導航和授時服務，以提高和加強GPS的能力。目前，美國已與世界各國建立了廣泛的合作渠道，正在推動建立衛(wèi)星導航國際秩序，試圖將各衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展納入其視野。

歐盟

美國與歐盟及其成員國在2004年簽署了一項歷史性協(xié)議，建立了GPS和歐洲“伽利略”之間的合作，如今已在衛(wèi)星導航領域成為緊密的合作伙伴。合作的目的是為了全球民用用戶的利益，實現(xiàn)GPS和“伽利略”在用戶層面的互操作。該合作還旨在維護全球衛(wèi)星導航市場的公平貿(mào)易。

GPS-“伽利略”合作協(xié)議成立了4個工作組，主要涉及以下4個方面：①射頻兼容性和互操作性；②貿(mào)易和民用應用；③下一代系統(tǒng)的設計和發(fā)展；④有關(guān)GPS和“伽利略”的安全問題。

美歐簽署協(xié)議情況

續(xù) 表

俄羅斯

美國和俄羅斯之間的合作起源于2004年，目標是在應用層面實現(xiàn)GPS和GLONASS系統(tǒng)之間的互操作。為解決此問題，成立了兩個工作組，分別負責2個方面的工作：①射頻信號的兼容和互操作用于增強定位、導航和授時能力;②計劃GPS和GLONASS在搜索和救援能力技術(shù)層面的互操作。

美俄簽署協(xié)議情況

中國

在“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程建設之前，中美在衛(wèi)星導航領域的合作主要以民間形式為主，內(nèi)容側(cè)重在衛(wèi)星導航學術(shù)技術(shù)交流、市場應用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面。

隨著工程的建設發(fā)展，以及國際衛(wèi)星導航格局的演變，中美在衛(wèi)星導航領域政府層面的溝通和合作日趨增多。2007年6月-2009年9月，中美關(guān)于“北斗”和GPS系統(tǒng)共進行了5次頻率協(xié)調(diào)，在國際電信聯(lián)盟（ITU）框架下完成了頻率協(xié)調(diào)工作。2009年以來，美國在全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會（ICG）、衛(wèi)星導航學術(shù)年會等多種場合表示與我國在民用GNSS領域雙邊對話合作意愿。議題主要集中在互操作、GNSS民用服務政策、干擾監(jiān)測與減輕、GNSS在民用交通領域的應用等多個方面。

2014年5月，中美衛(wèi)星導航系統(tǒng)首次會談在北京舉行。 圍繞“北斗”與GPS民用信號兼容與互操作、“北斗”與GPS天基增強系統(tǒng)及其民航應用、監(jiān)測評估、頻譜保護、干擾監(jiān)測與削弱等進行了交流，建立了衛(wèi)星導航合作機制，簽署了《中美民用衛(wèi)星導航系統(tǒng)聯(lián)合合作聲明》。此次會談正式開啟了兩系統(tǒng)衛(wèi)星導航合作的序幕，在兩系統(tǒng)發(fā)展進程中具有重要的里程碑意義。

日本

自1998年以來，美國和日本在衛(wèi)星導航領域建立了成功的合作關(guān)系，兩國元首簽署了利用GPS的聯(lián)合聲明。通過這種關(guān)系，兩國已經(jīng)實現(xiàn)了GPS與日本MSAS系統(tǒng)之間的互操作，雙方還采取措施，確保下一代GPS星座和日本的設計用來補充GPS在東亞地區(qū)的“準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）的互操作。

美日簽署協(xié)議情況

續(xù) 表

印度

2007年，美國與印度簽署了一項聯(lián)合聲明，開始了在GPS及其增強系統(tǒng)方面的合作，主要是努力實現(xiàn)GPS與印度的“GPS和地球?qū)Ш皆鰪娤到y(tǒng)”（GAGAN）之間的互操作。

澳大利亞

2007年，美國與澳大利亞簽署了一項聯(lián)合聲明，開始了在GPS及其增強系統(tǒng)方面的合作，主要是努力實現(xiàn)GPS與澳大利亞“地面增強系統(tǒng)”（GBAS）之間的互操作。

英國

英國作為歐盟的成員國，通過“伽利略”與GPS開展合作；另外，在需要的時候，美國和英國政府會就GPS的相關(guān)事宜進行雙邊討論。

美澳簽署合作文件情況

美英簽署協(xié)議情況

GPS國際合作成果文件一覽表

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會

2005年，通過聯(lián)合國外空司成立了ICG，美國是創(chuàng)始成員。ICG是在聯(lián)合國框架下成立的政府間國際組織，旨在提升與民用衛(wèi)星導航服務相關(guān)的自愿合作，鼓勵全球和區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)供應商之間開展協(xié)調(diào)，以確保更好的兼容性、互操作性和透明度，并在包括發(fā)展中國家在內(nèi)的地區(qū)推動衛(wèi)星導航及其增強服務的普及和使用；同時也致力于通過鼓勵協(xié)調(diào)和作為國際信息交流的焦點，來協(xié)助GNSS用戶發(fā)展計劃和應用。美國是ICG供應商論壇及衛(wèi)星導航服務的全球供應商之間的多邊互動的重要成員。

其他國際組織

除了ICG ，美國還與其他多邊機構(gòu)共同解決衛(wèi)星導航問題，包括國際民用航空組織（ICAO）、國際海事組織（IMO）、國際電信聯(lián)盟（ITU）、聯(lián)合國和平利用外層空間委員會、亞太經(jīng)合組織（A P E C）、北大西洋公約組織、世界貿(mào)易組織（WTO）。

綜上所述，有理由相信美國在衛(wèi)星導航領域的對外合作是依據(jù)戰(zhàn)略互信程度和重要性分為不同等級的。對于歐盟、日本、印度，美國與之深入交流，從系統(tǒng)到應用開展多方面的合作；對于潛在競爭對手的俄羅斯，美國則通過建立溝通機制，保持對話交流，探討共同關(guān)注的技術(shù)層面的問題；對于其他未擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家，美國主打拓展GPS應用，占領市場的方針。同時，美國還積極利用各種國際場合和舞臺，掌握話語權(quán)和行動機會，努力主導ICG活動，提出了兼容與互操作、面向用戶的服務承諾、倡導開放市場、干擾檢測與減輕等主張，從而給新興衛(wèi)星導航系統(tǒng)設置門檻，以便建立以GPS為標準的準則或秩序，保持其優(yōu)勢地位。

3　結(jié)語

長期以來，美國一直試圖建立以其為主導的空間秩序，通過全面利用、控制空間，謀求維持“一超獨霸”的空間地位。美國將衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為其空間實力的核心體現(xiàn)，采取戰(zhàn)略謀劃及體系設計，保持美國在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務、供應和應用方面的領導地位，從而主導全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展。

對于如何對待正在崛起的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，美國國內(nèi)持有不同的看法。2011年，在美國國家PNT咨詢委員會第8次全體會議上，專門對與“北斗”進行合作的問題展開了探討。被譽為“GPS之父”的斯坦福大學名譽教授布拉德福德·帕金森（Bradford W. Parkinson）等人力促與中國開展接觸與交流，并希望以此進一步了解“北斗”系統(tǒng)性能參數(shù)和運行情況；咨詢委員會成員羅伯特·赫曼恩（Robert. Hermann）等人則對與中國合作持謹慎態(tài)度，認為“一個有著35顆衛(wèi)星的中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)將挑戰(zhàn)我們的想象”。

當前，“北斗”區(qū)域系統(tǒng)已經(jīng)組網(wǎng)完成，正在推進全球系統(tǒng)建設。“北斗”系統(tǒng)既是國家重要空間基礎設施，同時也將面向全球、面向國際用戶提供服務，這也體現(xiàn)了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的開放屬性。隨著國際GNSS的發(fā)展，多系統(tǒng)兼容共用成為未來發(fā)展趨勢，“北斗”在成長為“世界的北斗”過程中需不斷參與國際社會活動，積極開展系統(tǒng)間協(xié)調(diào)與合作，這既是全球系統(tǒng)建設的要求，也是國際衛(wèi)星導航領域發(fā)展的必然。因此，積極融入國際社會，主動開展多方位的國際合作已成為“北斗”新階段發(fā)展的必然選擇，這也為“北斗”的國際工作提出了更高要求。

U.S. GPS and Its International Cooperation Progress