全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的啟示

弋耀武 龔 輝 陳兆源

（空軍工程大學(xué)軍事技能教研室，陜西 西安 710038）

0.引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是利用飛行的衛(wèi)星不斷向地面廣播、發(fā)送特定頻率，并加載一些特殊定位信息的無線電信號來實現(xiàn)定位、導(dǎo)航和授時的導(dǎo)航定位系統(tǒng)；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也稱GNSS（Global Navigation Satellite System），是一個各個層面、多種系統(tǒng)、不同定位模式的復(fù)雜組合系統(tǒng)，能為地空領(lǐng)域的用戶提供不同天候、連續(xù)時段、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)[1]。從廣義上看，具有全球型、區(qū)域型和增強型等幾種類型，全球型的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),以及中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；區(qū)域型的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)和印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2，3]；增強型的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）、歐洲靜地導(dǎo)航重疊服務(wù)（EGNOS）、日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)（MSAS）、印度的GPS輔助靜地軌道增強導(dǎo)航系統(tǒng)（GAGAN）、中國的北斗星基增強系統(tǒng)（BDSBAS）等[3]。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)處于一個全新的多系統(tǒng)并存階段，分析和研究現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展歷程，總結(jié)其發(fā)展過程中的優(yōu)缺點，吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，將對我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展起到積極作用。為使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠更合理地發(fā)展、更廣泛地應(yīng)用、更全面地保障國家安全，文章在介紹國外全球型和區(qū)域型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的特點，探討衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)對我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的啟示。

1.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 GPS系統(tǒng)（Global Positioning System）

GPS是美國國防部從1973年開始建設(shè)的，為了能實時連續(xù)提供三維位置及精確時間的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其建設(shè)歷程分為三個階段：第一階段（1973—1978年）為可行性研究階段，研制、測試地面接收機，測試第一代試驗衛(wèi)星；第二階段（1979—1984年）為全面研制階段，研究、制造各種用途的接收機、發(fā)射了BLOCK 1試驗衛(wèi)星，開放二維定位服務(wù)給部分特許用戶；第三階段（1985—1995年）為實用組網(wǎng)階段，24顆衛(wèi)星完整星座組網(wǎng)成功，實現(xiàn)全面運行[2]。經(jīng)過20多年的建設(shè)，GPS系統(tǒng)達到了計劃時的目的，雖然GPS系統(tǒng)在當(dāng)時已處于霸主地位，但仍然存在一些技術(shù)缺陷，同時美國國防現(xiàn)代化發(fā)展對GPS系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。因此，美國在1999年提出了GPS現(xiàn)代化計劃；

GPS現(xiàn)代化是為了提升GPS在軍事及民用領(lǐng)域的性能，維持其在全球的領(lǐng)先地位，其三個目標(biāo)是：一、保護美國及友邦對GPS在軍事上的應(yīng)用；二、阻止敵對方國家和組織利用GPS；三、使民用GPS導(dǎo)航功能得以繼續(xù)和平使用。隨著2000年5月美國關(guān)閉GPS的選擇可用性（SA），將GPS民用信號定位誤差從100米降低到10米，從此開啟了GPS的全面現(xiàn)代化進程。

GPS系統(tǒng)空間星座部分的現(xiàn)代化，同樣是三個階段：第一階段（2005—2009年），發(fā)射BLOCK IIR-M系列衛(wèi)星，增加第二個民用信號L2C和軍用M碼信號，M碼具有加強的抗干擾能力；第二階段（2010—2016年），發(fā)射BLOCKIIF系列衛(wèi)星，新增第三個民用信號L5，加強了所有信號的質(zhì)量、強度和準(zhǔn)確性，升級了原子鐘；第三階段（2018年至今），發(fā)射GPSIII系列衛(wèi)星，新增第4個民用信號L1C，能與其他GNSS互操作，增強信號的可靠性、準(zhǔn)確性和完整性，定位精度將為當(dāng)前的三倍，未來將繼續(xù)發(fā)射GPS-IIIF系列衛(wèi)星，計劃2026年發(fā)射首顆GPS-IIIF衛(wèi)星，2034年完成部署，增加激光反射測距技術(shù)和國際搜救服務(wù)等[4，5]。

截至2021年1月9日，GPS空間星座部分有31顆在軌工作衛(wèi)星，包含11顆GPS-IIR、7顆GPS-IIRM、12顆GPSIIF和1顆GPS-III衛(wèi)星（還有1顆GPS-III衛(wèi)星在軌測試），均為中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星。它們發(fā)揮著發(fā)送測距信號、時間信號、衛(wèi)星瞬時坐標(biāo)位置等信息的作用[5]。GPS的地面控制段由1個主控站、1個備用主控站、11個注入站及16個監(jiān)測站構(gòu)成[6]。主控站的作用是命令、控制GPS衛(wèi)星星座，使用監(jiān)測站數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的精確位置，編制導(dǎo)航電文、監(jiān)控衛(wèi)星廣播和系統(tǒng)完整性，診斷衛(wèi)星星座的健康狀況、衛(wèi)星維護及異常處理，必要時糾正衛(wèi)星位置；注入站的作用有向衛(wèi)星注入主控站傳來的指令、導(dǎo)航電文等，收集遙測數(shù)據(jù)；監(jiān)測站作用有跟蹤過境的GPS衛(wèi)星，采集導(dǎo)航信息、大氣數(shù)據(jù)和載波測量值，把觀測值傳輸給主控站。GPS用戶部分的主要設(shè)備是GPS接收機和天線，接收來自衛(wèi)星的無線電信號、取得所需的導(dǎo)航定位信息和觀測信息，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理完成定位、導(dǎo)航、授時任務(wù)。GPS的功能包括定位、導(dǎo)航、授時，統(tǒng)稱為PNT。GPS提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和精密定位服務(wù)，面向民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)利用的是C/A碼（L1）、L2C、L5、L1C，精密定位服務(wù)對應(yīng)軍事部門，運用的是P碼和M碼。GPS的特點有各種天候條件、全方位覆蓋，確定三維位置、速度、時間，精度高，效率快，應(yīng)用廣泛以及可移動定位[7]。

1.2 格洛納斯系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）

俄羅斯的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)稱為格洛納斯，是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在俄語中的縮寫。格洛納斯于1976年開始研制，1982年10月發(fā)射了第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星，可惜這顆衛(wèi)星設(shè)計的壽命只有一年，最后并沒有投入運行，1996年格洛納斯形成了用24顆衛(wèi)星組成的完整星座。但是隨著俄羅斯經(jīng)濟不斷走低，該系統(tǒng)也逐漸退化。到2002年正常工作的衛(wèi)星甚至只剩下7顆，2002年之后，俄羅斯發(fā)射了格洛納斯M系列衛(wèi)星，使情況得到改善，2011年格洛納斯重新實現(xiàn)了全球覆蓋，隨后便進入現(xiàn)代化進程，開發(fā)具有增強功能的新一代格洛納斯K系列衛(wèi)星，改進地面控制部分，并拓展民用領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。

截至2020年4月，GLONASS系統(tǒng)空間星座部分有30顆在軌衛(wèi)星，包括3顆（GEO）地球靜止軌道衛(wèi)星、27顆（MEO）中圓地球軌道衛(wèi)星，其中MEO衛(wèi)星在軌運行24顆，在軌備份2顆，在軌測試或維護1顆。GLONASS系統(tǒng)空間MEO衛(wèi) 星 現(xiàn) 代 化 按 照GLONASS-M、GLONASS-K、GLONASS-K2三個階段推進，計劃于2025年開始使用GLONASS-K、GLONASS-K2衛(wèi)星，2030年前發(fā)射26顆全新GLONASS-K2衛(wèi)星，在軌完全替代現(xiàn)有的GLONASS-M衛(wèi)星。俄羅斯加快MEO衛(wèi)星更新?lián)Q代的同時，計劃增加IGSO和GEO衛(wèi)星，構(gòu)建GLONASS混合星座，全面提升系統(tǒng)性能[5]。GLONASS地面部分包括1個系統(tǒng)控制中心，3個處理中心，3個激光測距站，5個注入站，8個監(jiān)測站，38個全球監(jiān)測站；區(qū)域增強站包含77個交通站和4104個測繪局站。格洛納斯提供兩種導(dǎo)航信號：標(biāo)準(zhǔn)精密導(dǎo)航信號（SP）及高精密導(dǎo)航信號（HP）[6-8]。

1.3 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system）

伽利略系統(tǒng)是歐洲的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它是由歐盟和歐洲空間局一起建設(shè)的第一個具有商業(yè)性質(zhì)的完全民用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1999年2月該計劃公布，完整的伽利略星座由30顆MEO衛(wèi)星組成，包括24顆工作衛(wèi)星、6顆備用衛(wèi)星[1，2]。2003年伽利略計劃開始實施并進行了關(guān)鍵算法驗證，2005—2008年伽利略系統(tǒng)GIOV-A和GIOV-B兩顆試驗衛(wèi)星升空，試驗考證了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，2013年伽利略系統(tǒng)完成了在軌4顆完全工作衛(wèi)星和地面段的聯(lián)合試驗，2014—2016年達到初始運行能力，但由于資金及歐盟內(nèi)部分歧等問題，尚未達到完全運行能力狀態(tài)。截至2020年4月，伽利略系統(tǒng)空間段共有26顆在軌衛(wèi)星，其中22顆完全運行能力衛(wèi)星、4顆在軌驗證衛(wèi)星[4，5]。地面部分包括2個主控站、6個遙測遙控站、10個上行站和約40個監(jiān)測站。在完全建成后，除了已有的公共特許服務(wù)（PRS）、開放服務(wù)（OS）、搜救服務(wù)（SAR），伽利略系統(tǒng)還將提供高精度服務(wù)（HAS）和商業(yè)身份驗證（CAS），伽利略系統(tǒng)能較好地與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)操作，它有E1和E5a兩個信號的中心頻率與GPS的L1和L5重合，一個E5b信號的中心頻率與格洛納斯的G3重合，通過互操作可提高定位精度[2]。第二代伽利略系統(tǒng)計劃2025年發(fā)射第二代衛(wèi)星，2035年完成第二代系統(tǒng)建設(shè)[4]。

1.4 日本的QZSS系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system）

QZSS系統(tǒng)的意思為準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)，由于日本多山、城市高樓密集，衛(wèi)星信號受干擾，常會發(fā)生用戶同時看到的GPS衛(wèi)星數(shù)量不足4顆，從而無法定位的情況[9]。因此日本分別于2010年9月和2017年6月、8月、10月發(fā)射了4顆衛(wèi)星，其中3顆為傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星、1顆為地球靜止軌道衛(wèi)星，組成了QZSS系統(tǒng)結(jié)合GPS一同使用，2018年11月1日正式開通。傾斜地球同步軌道在地球上的投影為八字形，上小下大，覆蓋東亞和大洋洲部分地區(qū)，小圈位于日本的準(zhǔn)天頂方向。這樣的布局保證在任一時刻至少有一顆QZSS衛(wèi)星在日本的天頂方向附近，解決了衛(wèi)星信號受阻擋的問題。QZSS系統(tǒng)的地面段各站位于其服務(wù)涉及地區(qū)，分布于日本、印度、泰國、澳大利亞、夏威夷、關(guān)島等地[10]。

QZSS系統(tǒng)播發(fā)5種頻率8種信號，服務(wù)多樣[10]。除了定位、導(dǎo)航、授時以外，QZSS還提供星基增強服務(wù)、亞米級增強服務(wù)、厘米級增強服務(wù)、定位技術(shù)驗證服務(wù)、災(zāi)害和危機管理衛(wèi)星報告服務(wù)、安全確認(rèn)服務(wù)等。QZSS計劃到2024年將發(fā)展為一個由7顆衛(wèi)星組成的導(dǎo)航定位系統(tǒng)[11]。

1.5 印度的IRNSS系統(tǒng)（Indian regional navigational satellite system）

印度的IRNSS系統(tǒng)即印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，是印度獨立建設(shè)的，目的是為印度領(lǐng)土以及距其1500千米范圍內(nèi)的用戶提供精度優(yōu)于20米的定位服務(wù)。2006年5月印度批準(zhǔn)了該項計劃，從2013年7月發(fā)射第一顆IRNSS-1A導(dǎo)航衛(wèi)星到2018年4月成功發(fā)射第8顆IRNSS-1I導(dǎo)航衛(wèi)星，印度共發(fā)射了9顆組網(wǎng)衛(wèi)星，其中2017年8月31日發(fā)射的IRNSS-1H導(dǎo)航衛(wèi)星未能進入預(yù)定軌道，宣告失敗。2016年4月29日印度將IRNSS更名為NavIC[12]。

目前IRNSS系統(tǒng)空間段共有8顆衛(wèi)星，其中3顆GEO衛(wèi)星和4顆IGSO衛(wèi)星提供服務(wù)，另1顆IGSO衛(wèi)星由于星載原子鐘失效用來發(fā)播短報文。IRNSS的地面段由1個導(dǎo)航中心、2個飛行器控制中心、2個網(wǎng)絡(luò)授時中心、4個測距站和16個測距與完好性檢測站組成。IRNSS提供兩種類型服務(wù)，面向所有用戶的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）、面向授權(quán)用戶的授權(quán)服務(wù)（RS）。未來印度計劃增加5顆IGSO衛(wèi)星，來提高IRNSS服務(wù)的可靠性，同時擴大服務(wù)區(qū)域[13]。

2.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的特點

通過分析國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀，我們可以看出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)是一個復(fù)雜全面的整體系統(tǒng)工程，具有全方位、多學(xué)科、高融合等特點。

全方位，是指從國際大環(huán)境、區(qū)域國家關(guān)系，再到一個國家的自身政治、經(jīng)濟、國防、民生等因素都需要全方面分析的總體性、系統(tǒng)性的工程。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)影響著一個國家的各個方面。

多學(xué)科，是指在系統(tǒng)建設(shè)過程中，從理論構(gòu)想提出，到硬件設(shè)備生產(chǎn)，再到系統(tǒng)軟件應(yīng)用，它需要各個學(xué)科綜合起來發(fā)揮合力。僅僅原子鐘的頻率切換技術(shù)這一個技術(shù)難關(guān)就需要微波電路、模擬電路、數(shù)字信號處理、量子物理等多個領(lǐng)域的專家和研究人員聯(lián)合起來一起攻克，可見衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)是一個涉及多學(xué)科領(lǐng)域的艱難工程。

高融合，是指系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展需要將質(zhì)量、技術(shù)、運行、保密、經(jīng)費、知識產(chǎn)權(quán)、國際合作與交流、標(biāo)準(zhǔn)化等各方面進行高度融合，將多個維度的制度、管理結(jié)合起來才能支撐完成的。只有各領(lǐng)域緊密結(jié)合，才能將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展得更好，發(fā)揮系統(tǒng)強大的功能。

3.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的啟示

通過分析國際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展尤其是我國自己的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)注意以下問題：

（1）從系統(tǒng)發(fā)展理念的角度考慮，系統(tǒng)的發(fā)展設(shè)計要與時俱進，洞察世界局勢，結(jié)合我國綜合國力以及實際國情來制定發(fā)展計劃。這樣在星座建設(shè)和更新過程中，才能提高經(jīng)濟效率，避免發(fā)射失敗、經(jīng)濟浪費的情況，這是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

（2）從系統(tǒng)建設(shè)連續(xù)性角度考慮，導(dǎo)航衛(wèi)星需要持續(xù)研究、更新發(fā)展，堅持空間組網(wǎng)星座的可持續(xù)建設(shè)，才能避免半途而廢、走彎路，避免被淘汰，才能提供跟隨時代變化所需的服務(wù)功能，這是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)因素。

（3）從系統(tǒng)的完整性、可靠性、穩(wěn)定性角度考慮，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，是導(dǎo)航系統(tǒng)長久使用的關(guān)鍵性要求，這是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展需要考慮的重要因素。

（4）從系統(tǒng)價值體現(xiàn)的角度考慮，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是花費巨大的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，如何將傾盡心血建成的系統(tǒng)使用好、應(yīng)用好，最大化地發(fā)揮效能服務(wù)社會，如何設(shè)計生產(chǎn)出種類齊全、更加實用的終端設(shè)備并廣泛應(yīng)用，這是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的核心目的。

4.結(jié)束語

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)處于全面發(fā)展、多系統(tǒng)共存、各有特色的局面，回顧分析各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展過程，總結(jié)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的特點，試圖從多個維度借鑒國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的經(jīng)驗，歸納出對我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展的有益啟示。