“北斗”衛星導航系統面臨不可錯失的戰略機遇期

廖春發 趙爽（北京空間科技信息研究所）

衛星導航系統是國家重要的戰略性空間資產，同時也是確保國家安全、經濟利益和戰略獨立性的關鍵空間基礎設施。當前，全球導航衛星系統（GNSS）進入了多星座既競爭又合作的新階段，美、俄、中、歐“一超三強”的競爭格局正在全球形成。各主要航天大國在衛星導航領域競爭的重點是：爭奪國家優勢地位、搶占技術制高點和全球市場份額，而各大國間開展合作的熱點是兼容與互操作。中國“北斗”衛星導航系統（以下簡稱“北斗”系統）從提供區域服務向全球服務轉型的關鍵時期面臨不可錯失的戰略機遇期，這一機遇期短則2～3年，長則7～8年，可謂稍縱即逝，不可錯失。

1 “北斗”系統關鍵技術獲突破性進展，國外高度評價“北斗”衛星性能

2012年中國通過4次發射將6顆“北斗”導航衛星送入不同軌位，創造了歷年發射之最。為鼓勵國內外相關企業參與“北斗”衛星用戶終端研發，推動“北斗”的廣泛應用，2012年12月27日，中國衛星導航系統管理辦公室公布了“北斗”衛星導航系統空間信號接口控制文件（ICD）正式版，并宣布自即日起“北斗”系統開始向亞太地區提供區域服務。目前，“北斗”區域系統由5顆地球靜止軌道（GEO）衛星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和4顆中圓軌道（MEO）衛星組成，可提供優于10m的定位精度、優于0.2m/s的測速精度和優于50ns的授時精度。

以上事實表明，中國已掌握了建設衛星導航系統所必須的、具有自主知識產權的核心技術，并已突破了下一步發展“北斗”全球系統所需的許多關鍵技術，包括多軌道多星組網、一箭雙星精確入軌、精確測軌和軌道同步技術，尤其是西方國家嚴密控制的高精度星載原子鐘技術和衛星組件抗輻射加固技術。同時，在“北斗”用戶終端研制上還突破了芯片、模塊、電子地圖等多項關鍵技術，形成了一系列具有自主知識產權的衛星導航產品。目前，具有自主知識產權的“北斗”/“全球定位系統”（GPS）雙模芯片已經在車載終端中得到了實際應用，區域示范項目正在穩步推進。交通運輸部正在9個省市的三類車輛中強制推廣應用“北斗”系統。

“北斗”系統的這些重大進展不僅使國外競爭對手敬畏，也得到了國外同行的高度贊譽。據GNSS內參網站透露，2013年1月8日歐洲GNSS接收機制造商Septentrio公司借助最新公布的ICD文件，成功地跟蹤到“北斗”系統的信號，并通過GPS+“全球導航衛星系統”（GLONASS）+“北斗”三星座算法成功進行了位置/速度/時間（PVT）計算。該公司對“北斗”系統的性能表示“非常驚訝，其性能超出預計，表征出一個相當成熟的星座特征”，而且“北斗”系統對于其定位接收機性能的改善超出了Septentrio公司對于一個正在部署中的導航星座的期望，盡管其解決方案中并沒有用到差分修正，但總體定位結果已經顯示出引入“北斗”星座后性能的改善。即使是以目前“北斗”星座部署狀態，Septentrio公司正在研制的多星座接收機在歐洲地區上空可觀測到的衛星數量也可達到26顆，其中包括2顆“北斗”IGSO衛星和2顆“北斗”MEO衛星。Septentrio公司表示，“北斗”系統對于多星座接收機的使用者而言，將獲得更好的性能，例如城市地區的導航和信號完好性等。

2 GNSS建設進入既競爭又合作的新階段，中國面臨新機遇

近年來，美、俄、歐、中等航天大國或組織正在加快各自衛星導航系統的建設步伐，呈現出多系統并存、既有競爭又有合作的態勢。預計在2020年左右，美國新一代導航衛星GPS－3、俄羅斯新一代導航衛星GLONASS－K和歐洲正在部署的“伽利略”（Galileo）衛星都將投入運營。當前，各主要航天大國在GNSS系統建設中競爭的重點是搶占技術制高點和對兼容互操作及規則標準的話語權。

在這場博弈中，美國無論在技術上，還是在規則標準上都處于遙遙領先的地位；歐盟Galileo計劃雖然進展緩慢，一波三折，但由于技術起點較高，仍有可能后來居上；俄羅斯正汲取以往的教訓，加強GLONASS衛星的應用開發，加速新一代衛星的研發和部署，力圖在衛星系統性能上趕超美國。2013年1月12日，俄羅斯航天局發布《2013－2020年俄羅斯航天活動》文件，宣布未來8年將發射13顆GLONASS－M衛星和22顆GLONASS－K衛星，俄羅斯的國家目標是：到2015年使GLONASS系統的定位精度達到1.4m，2020年達到0.6m。中國將開始發展“北斗” 全球系統，預計到2020年建成由5顆GEO衛星、27顆MEO衛星和3顆IGSO衛星組成的“北斗”全球系統。由此可見，從現在起到2020年的8年中，中國在這場四大供應國爭奪技術制高點和兼容互操作等規則標準話語權的激烈競爭中既面臨戰略機遇又面臨巨大挑戰。

“北斗”/GPS雙模兼容接收機模塊

3 “一超三強”競爭格局正在全球形成，中國開局良好，但挑戰與機遇并存

冷戰時期，美國和蘇聯為爭奪霸權，歷經20多年先后建成了GPS和GLONASS全球衛星導航系統。但在2001年，GLONASS系統卻處于癱瘓狀態，而美國GPS卻因在幾場局部戰爭中的杰出表現和在國計民生中的廣泛應用備受青睞，成為衛星導航領域的唯一超級大國。21世紀的前10年，歐洲、俄羅斯和中國為打破GPS的壟斷地位和出于各自的戰略考量，競相投入巨資發展或重建本國的導航衛星系統；日本和印度也在積極發展區域衛星導航系統。在這場航天大國綜合實力競爭的博弈中，全球GNSS及其產業正從一家獨霸向美、俄、中、歐“一超三強”多系統兼容互操作的世界新格局發展。各航天大國間爭奪的重點是國家優勢地位。在未來的6～8年內，誰能擁有高性能、抗干擾、確保國家安全的衛星導航技術和能力，誰就能在軍事和外交上擁有更多的話語權；誰能向全球民用用戶提供兼容互操作的衛星導航資源，誰就能分享全球衛星導航市場份額的更大蛋糕。

“北斗”/GPS導航儀

在這一新格局的驅動下，美國為確保其優勢地位，即使國家財政緊縮，仍在繼續投入100多億美元發展第三代GPS系統，完成GPS現代化計劃；俄羅斯也決定在2020年前繼續為GLONASS系統的現代化和應用開發投入3265億盧布（約合107億美元），力圖重振航天強國地位；而歐盟在前期已經投入50億歐元的情況下還將在2014－2020年期間繼續投入63億歐元完成Galileo系統的建設。目前Galileo系統發展仍處于只有4顆在軌衛星的驗證階段，預計在2014－2015年建成18顆衛星組網的初始星座，2019－2020年完成30顆衛星組網的Galileo全球系統。

中國用短短幾年時間完成了“北斗”區域系統的建設任務。該系統的快速發展，不僅使中國在亞洲的中、印、日區域系統的“三國演義”競爭中贏得了遙遙領先地位，而且在未來中、美、俄、歐GNSS四大全球供應國競爭中成為四分天下有其一的國家，并在中國乃至全球市場的GNSS用戶終端產品制造、集成和服務領域占有重要的一席之地。總的來說，中國在這場競爭中，有了良好開局，不僅建成了區域衛星導航系統，突破了衛星導航系統發展所必須的關鍵技術，而且趕上了與美、俄、歐三大系統兼容互操作這趟“班車”。但未來8年建設“北斗”全球系統過程中仍將面臨更多機會與挑戰，例如，繼續完善空間星座，逐步提高空間信號精度，改進和完善公開服務信號的可靠性、可用性和完好性；而最大的挑戰是務必抓住當前機遇，加速與國外衛星導航系統的兼容互操作進程，加快“北斗”應用產品和服務的開發，開拓國內市場，布局亞太市場。

4 兼容互操作已成為大勢所趨，中國面臨稍縱即逝的戰略機遇期

當今世界，衛星導航系統兼容互操作已成為大勢所趨。中國始終堅持“北斗是中國的，也是世界的”理念；堅持開放合作，努力形成資源共享、優勢互補、兼容互操作的GNSS系統發展格局。

由此可見，堅持走與國外系統兼容互操作的衛星導航國際化發展道路是中國的戰略選擇，也是當前各主要航天大國對全球衛星導航系統發展的共識。所謂互操作性是指在用戶層面上共同使用中國與外國的天基定位、導航和授時服務的民用部分，并為用戶提供優于單個系統所能提供的服務或信號的能力；通俗地說就是在用戶層面上利用能同時接收“北斗”、GPS、GLONASS或Galileo等多系統衛星的兼容互操作接收機，實現定位、導航和授時的解決方案，這種方案通常需要采用衛星導航頻段中某一相同的中心頻率（如1575.42MHz）和信號結構[如多元二進制偏置載波（MBOC）]，以及采用相同標準、具有互操作功能的接收機。兼容性是指單獨或共同使用中國和國外的天基定位、導航和授時服務時，彼此不會產生對服務或信號的相互干擾。時至今日，美國、俄羅斯、歐洲和中國的衛星導航系統均已基本實現兼容性，但卻尚未實現系統級在用戶層面上的互操作性。

在美、俄、歐、中四大系統互操作方面，中國雖與其他國家開展了廣泛交流和合作，并與歐洲進行了多次專家層面的協調，但迄今仍未與任何國家簽署具有法律約束力的政府間合作協議。值得我們特別關注的是，美歐已在2004年達成GPS與Galileo系統互操作協議，雙方專家經協商同意在未來GPS－3衛星的L1C民用信號和正在部署的Galileo衛星開放服務E1信號上選用相同的1575.42MHz中心頻率和相同的MBOC信號結構，解決兩大系統間的互操作難題。與此同時，俄羅斯也已決定將其GLONASS系統融入美歐系統中。2004年美俄兩國政府簽署聯合聲明，雙方同意在新一代衛星系統的信號設計時要確保兼容互操作，而且俄羅斯與歐洲間的兼容互操作協商也已取得進展。2008年2月15日，俄羅斯宣布GLONASS系統將增加兩個能與美歐系統兼容互操作的碼分多址（CDMA）信號，均采用MBOC調制方案，第1個信號L1OCM中心頻率為1575.42MHz（與GPS和Galileo系統的互操作民用信號中心頻率相同）、調制方式為BOC（2,2），第2個信號L5OCM中心頻率1176.45MHz（與GPS的L5頻段信號中心頻率相同）、調制方式為BOC（4,4），從而使GLONASS系統與GPS、Galileo系統具有更好的兼容互操作性。按目前規劃，俄羅斯將從2015年以后發射的GLONASS－KM衛星上增加上述兩個互操作信號。俄羅斯政府部門正在與美、歐、中、印等國家和組織就GNSS兼容互操作及其接收機標準問題保持雙邊或多邊的接觸。

“北斗”系統應用于森林火災的預警和監測

整裝待發的“北斗”導航衛星

如果未來幾年美、俄、歐三大衛星導航系統之間實現互操作，那么到2020年太空中將有數十顆導航衛星可以同時發送兼容互操作的民用信號，全球用戶均可采用相同標準的接收設備免費共享美、俄、歐衛星的開放服務。假如中國“北斗”系統被排除在與其他系統兼容互操作之外，那么中國將可能錯失分享全球乃至本國GNSS市場的戰略機遇。由此可見，中國與美、俄、歐進行互操作談判并達成協議的最佳機遇期窗口只有2～3年。這一機遇稍縱即逝，不可錯失！

5 結論

綜上所述，當前美、歐、俄、中四大系統間的兼容互操作問題，從表面上看是一種國際合作，但其實質卻是各航天大國間在兼容互操作這一民用衛星導航技術領域的新一輪競爭，同時又是全球GNSS兼容互操作用戶終端產品研發，技術標準、游戲規則制定及其專利等知識產權的競爭，最終結果將導致全球GNSS市場的重新洗牌，因而也是打破GPS壟斷全球的最佳機遇期。

盡管“北斗”系統融入GNSS體系對中國來說是利大于弊，但主動權并非完全由中國掌控。如果中國能在未來2～3年內采取果斷措施，與美、歐等主要國家達成兼容互操作協議，并在“北斗”全球系統星座中增加能與美、歐、俄衛星系統兼容互操作的民用信號，那么中國才能成為真正融入GNSS體系的四大供應國。

目前，中國已具備了研發和大批量生產GNSS衛星導航產品的技術和能力，一旦達成兼容互操作協議，中國航天制造業一定能夠生產無需支付昂貴專利費的、價廉質優的兼容互操作接收機，從而分享國內和國際兩大市場的豐厚利益，那么中國將有可能成為最大的贏家。