四強爭鋒的全球衛星導航系統

江蘇省丹陽市第六中學（212300） 趙守拙

古人出行，多根據太陽、北斗七星等自然物象確定方位。后來中國人發明了羅盤，給世人遠行和航海帶來了極大方便。隨著科技的發展，人類又先后發明了慣性導航、天文導航、無線電導航等多種新技術。但與這些技術相比，衛星定位和導航的優勢十分明顯，它能夠全天候、全時段、全球性、高精度地提供三維位置、三維速度及精確的時間等信息，是導航技術中的絕對“霸主”。目前世界已有的衛星導航系統包括美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS)、歐盟的“伽利略”（GALILEO）和中國的“北斗衛星導航系統”(CNSS)。

四大衛星導航系統的工作原理相近，各版高中地理必修教材均以GPS為例進行了闡述，本文主要對四大系統的淵源、近況及不同特點進行簡單介紹。

一、美國全球定位系統

美國是最早設想利用衛星進行定位和導航的國家，其初衷是為遠洋艦隊、彈道導彈精確打擊、收集情報等軍事活動提供服務。美國于1964年建造出世界第一個衛星導航系統——“子午儀”系統。誕生最早的發明，其缺點往往也最多。“子午儀”在時間精度和二維定位等方面的明顯缺陷，促使美國從1974年開始研發性能更優的GPS。上世紀80年代，里根總統的“星球大戰”計劃加速了GPS問世的進程。1994年，包括21顆工作衛星和3顆備用星的GPS網絡建成。隨后在南聯盟、阿富汗、伊拉克等戰爭中，GPS的杰出表現以及其在民間和商業領域中的廣泛應用，一躍成為壟斷全球的衛星導航系統。很長一段時間內，在世人眼里，GPS幾乎成為衛星導航的代名詞。

但是，GPS并非完美無瑕。首先，GPS姓“軍”，是美國獨霸全球戰略的重要組成。因“保密”需要，民用和商用受到了各種限制，尤其在出現軍事危機時，民商用戶可能隨時被中斷服務。其次，GPS的全球覆蓋率為98%，高緯地區使用不便。第三，GPS衛星替補有時間差，一旦某顆工作衛星發生故障，啟用備用衛星需要時間。例如2000年，GPS衛星曾出現過故障，致使俄克拉荷馬、堪薩斯等地的導航信號消失了18分鐘。其它諸如精確度僅為10米、信號易被干擾、接收機芯片壟斷等問題，也常引起使用者的不滿。

競爭激發動力。在其它三大導航系統尤其是俄羅斯GLONASS的追趕下，為保持GPS的壟斷地位，美國也在實施GPS的現代化計劃。其目前的衛星數已增至24顆工作星和4顆備用星。下一代GPS監測地物的精確率可以達到厘米級水平，信號的發射功率也將提高100至300倍，并且承諾在民用功能、技術可靠性、免費使用等服務上提升質量。

二、俄羅斯格洛納斯

美蘇爭霸促進了衛星導航的發展。由于衛星導航在軍事上極具威懾，前蘇聯自不甘心落后于美國。1976年，蘇聯開始建造全球衛星導航系統，即GLONASS。歷經20年的努力，于1995年開始投入使用。本來設計為24顆衛星，但在發射了第17顆衛星后蘇聯解體，GLONASS隨之處于癱瘓狀態。在隨后的這段時間里，GPS系統徹底確立了商業優勢，成為衛星導航的世界霸主。新世紀以來，俄羅斯在普京總統的強力支持下，歷經10年磨難，耗資100多億美元，終于恢復了GLONASS系統，并于2011年元旦正式運行。俄羅斯近來推出的更現代化的GLONASS-M，以及正在研制的GLONASS-K衛星更新星座，導航范圍覆蓋了整個地球表面和近地空間，定位精度達到了1米左右，測速及定時精度上也超過了目前的GPS，并且具有更強的抗干擾能力。軍事專家指出，無論是對付美國導彈防御系統，還是打“太空戰”，該系統都是俄手中的“王牌”之一。

GLONASS的成長史，反映了蘇—俄的衰亡復興史。前蘇聯解體，GLONASS癱瘓，俄羅斯復興，GLONASS又發展成為僅次于GPS的衛星導航系統。如今，在其它衛星導航系統建設一拖再拖的情況下，也只有GLONASS能與GPS抗衡，為全球衛星導航用戶提供第二種選擇。不過遺憾的是，由于錯過了發展機遇，即便在俄羅斯境內，GPS的終端也占據統治地位，按照美國計劃，性能更好的GPS Block III衛星在格洛納斯-K衛星發射后不久也會隨之升天。要想從GPS系統手里搶到市場，格洛納斯還有很長的路要走。

三、歐盟伽利略計劃

壟斷導致傲慢，傲慢刺激了伽利略計劃的誕生。新世紀以前，由于世人對GPS的依賴，處于壟斷地位的GPS缺乏了創新動力，一些緯度較高的北歐國家民眾一直對GPS的服務不滿。并且，在科索沃戰爭和阿富汗戰爭期間，歐洲“盟友”國家的軍隊在使用GPS系統時受到了限制。因此，前法國總統希拉克曾說，如果歐盟不推進自己的衛星導航計劃，“歐洲必將成為美國的家臣”。出于打破GPS的壟斷地位和戰略考量，歐盟的GALILEO計劃隨之誕生。本世紀初，歐洲各國投入巨資發展自己的衛星導航系統，得到了除美國以外的許多國家的支持，并有包括中國在內的不同地區多個大國參與其中，這為它占領全球市場奠定了重要的政治基礎。廣大民眾也對這項計劃表示歡迎，因為GALILEO系統的服務定位是以民用為主。

集體的力量是強大的，依照GALILEO的最初設計，該系統比GPS精確度更高，也更可靠，其時間信號精度達到100納秒，定位精度為1米，確定地面位置或近地空間位置要比GPS精確10倍。一個最形象的比喻是：GPS系統只能找到街道，而GALILEO則可以找到家門。面對GALILEO的競爭，美國在無法短時間內彌補GPS不足的情況下，最終還是選擇了相互兼容來確保GPS的絕對收益。

但集體研發，優勢與缺點并存。因美國的不斷施壓和歐洲經濟的衰退，GALILEO計劃執行得并不順利，直到2005年，首顆試驗衛星才發射升空，原定2008年投入運營的GALILEO系統，如今僅有4顆衛星在軌運行，系統實用化的時間也由計劃的2012年延至2018年以后。而且，由于GALILEO系統的競爭效應，促進了美國GPS的升級并擴大了民用服務面，在全球市場份額占據方面，GALILEO已被GPS遠遠地甩在了后面。

四、中國北斗導航系統

作為信息技術的后發國家，同時擁有強大的空間技術，中國研發自己的全球衛星導航系統已成必然。一些事件的發生，更促成了我國政府決心加快CNSS的研發：①中俄、中歐、歐俄及俄印等國家間關于衛星導航的合作談判基本以失敗而告終。②與中國合作最多的GALILEO計劃一再延期，中國對其發展前景擔憂。美國對GALILEO計劃更是心懷芥蒂，一方面在技術層面上進行遏制，另一方面又威脅歐洲：如果歐洲允許美國的敵國在戰爭中使用該系統，美國將摧毀其衛星星座。③我國軍隊使用GPS時，美國可能關閉區域內的信號，這曾在我國的軍事演習中發生過。為了獲得戰略上的獨立性，中國必須堅定不移地發展北斗系統。

新世紀伊始，中國自主研發、獨立運行的北斗衛星導航項目正式開啟。設計分三步走：第一步，2000～2003年間建成第一代實驗系統，由3顆衛星組成，提供區域性服務；第二步，2007～2012年，由16顆衛星組成的北斗導航系統已向亞太大部分地區（84°E～106°E，55°S～55°N）提供連續無源定位、導航、授時等服務；第三步，2020年左右完成全部30顆衛星的發射，建成全球衛星導航系統。目前正在建設中的第二代系統吸取了GPS和GLONASS的優點，將衛星分布于靜止、同步和中圓三種軌道上，為同一地點的定位提供多顆衛星，使其定位精度優于10米，授時精度在10納秒以內，測速精度約0.2米/秒。值得一提的是，北斗導航提供了獨一無二的短信服務功能，使得遇險用戶在沒有其它通訊信號的情況下，獲救機率大大提高。

北斗衛星導航系統成為繼GPS、GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統，在建成時間上趕超了GALILEO系統。目前的北斗系統已在我國森林防火、水利防汛、導航通信、交通運輸、信息采集、監控救援、安全保衛等領域產生了顯著的經濟效益和社會效益，如在汶川、玉樹、雅安等地的抗震救災中，北斗有出色的表現。為了進一步規范和監督公務車使用情況，目前國內部分省市的公車已加裝了北斗系統。鑒于北斗導航系統對我國民眾未來生活的廣泛影響，建議在高中地理教材中增加相關內容。

北斗衛星定位導航原理與功能示意圖

衛星導航的民用化、商用化有著廣闊的市場前景，是其發展的大勢所趨。但GPS先入為主的現實，給北斗系統的民用和商用市場發展帶來了困難。從國內用戶數量看，北斗僅占1%，其它份額基本被GPS占有。北斗最初著眼于軍事，后改為軍民兼用，導致了民用發展上的兩個先天不足：一是民用地面接收設備的研發和應用嚴重滯后，到目前為止，我國企業還不具備研發互操作和多系統兼容芯片的能力，國內芯片市場的95%被GPS占領；二是北斗能夠提供服務的用戶數量僅為100萬。即便今后擴容成功，在國際市場上，北斗還要與GPS、GALILEO等系統競爭。但是憑借其質量和特色，又有中國這個強大的市場為依托，北斗的發展前景光明。

隨著時代的發展，衛星導航系統將會廣泛地影響著人們的生產、生活，更會深刻地影響著各國的國防安全和經濟建設。衛星導航系統將是一個國家重要的基礎設施，成為綜合國力的重要體現。目前有意開發此項技術的還有日本、印度等國家。