全球衛星導航系統建設發展的啟示

弋耀武 龔 輝 陳兆源

（空軍工程大學軍事技能教研室，陜西 西安 710038）

0.引言

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

1.全球衛星導航系統的發展及現狀

1.1 GPS系統（Global Positioning System）

GPS是美國國防部從1973年開始建設的，為了能實時連續提供三維位置及精確時間的衛星導航系統。其建設歷程分為三個階段：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、發射了BLOCK 1試驗衛星，開放二維定位服務給部分特許用戶；第三階段（1985—1995年）為實用組網階段，24顆衛星完整星座組網成功，實現全面運行[2]。經過20多年的建設，GPS系統達到了計劃時的目的，雖然GPS系統在當時已處于霸主地位，但仍然存在一些技術缺陷，同時美國國防現代化發展對GPS系統的性能提出了更高的要求。因此，美國在1999年提出了GPS現代化計劃；

GPS現代化是為了提升GPS在軍事及民用領域的性能，維持其在全球的領先地位，其三個目標是：一、保護美國及友邦對GPS在軍事上的應用；二、阻止敵對方國家和組織利用GPS；三、使民用GPS導航功能得以繼續和平使用。隨著2000年5月美國關閉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的全面現代化進程。

GPS系統空間星座部分的現代化，同樣是三個階段：第一階段（2005—2009年），發射BLOCK IIR-M系列衛星，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），發射BLOCKIIF系列衛星，新增第三個民用信號L5，加強了所有信號的質量、強度和準確性，升級了原子鐘；第三階段（2018年至今），發射GPSIII系列衛星，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、準確性和完整性，定位精度將為當前的三倍，未來將繼續發射GPS-IIIF系列衛星，計劃2026年發射首顆GPS-IIIF衛星，2034年完成部署，增加激光反射測距技術和國際搜救服務等[4，5]。

截至2021年1月9日，GPS空間星座部分有31顆在軌工作衛星，包含11顆GPS-IIR、7顆GPS-IIRM、12顆GPSIIF和1顆GPS-III衛星（還有1顆GPS-III衛星在軌測試），均為中圓地球軌道（MEO）衛星。它們發揮著發送測距信號、時間信號、衛星瞬時坐標位置等信息的作用[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個監測站構成[6]。主控站的作用是命令、控制GPS衛星星座，使用監測站數據計算衛星的精確位置，編制導航電文、監控衛星廣播和系統完整性，診斷衛星星座的健康狀況、衛星維護及異常處理，必要時糾正衛星位置；注入站的作用有向衛星注入主控站傳來的指令、導航電文等，收集遙測數據；監測站作用有跟蹤過境的GPS衛星，采集導航信息、大氣數據和載波測量值，把觀測值傳輸給主控站。GPS用戶部分的主要設備是GPS接收機和天線，接收來自衛星的無線電信號、取得所需的導航定位信息和觀測信息，并經數據處理完成定位、導航、授時任務。GPS的功能包括定位、導航、授時，統稱為PNT。GPS提供標準定位服務和精密定位服務，面向民用的標準定位服務利用的是C/A碼（L1）、L2C、L5、L1C，精密定位服務對應軍事部門，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，應用廣泛以及可移動定位[7]。

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

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

截至2020年4月，GLONASS系統空間星座部分有30顆在軌衛星，包括3顆（GEO）地球靜止軌道衛星、27顆（MEO）中圓地球軌道衛星，其中MEO衛星在軌運行24顆，在軌備份2顆，在軌測試或維護1顆。GLONASS系統空間MEO衛 星 現 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衛星，2030年前發射26顆全新GLONASS-K2衛星，在軌完全替代現有的GLONASS-M衛星。俄羅斯加快MEO衛星更新換代的同時，計劃增加IGSO和GEO衛星，構建GLONASS混合星座，全面提升系統性能[5]。GLONASS地面部分包括1個系統控制中心，3個處理中心，3個激光測距站，5個注入站，8個監測站，38個全球監測站；區域增強站包含77個交通站和4104個測繪局站。格洛納斯提供兩種導航信號：標準精密導航信號（SP）及高精密導航信號（HP）[6-8]。

1.3 伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system）

伽利略系統是歐洲的衛星導航系統，它是由歐盟和歐洲空間局一起建設的第一個具有商業性質的完全民用的衛星導航系統。1999年2月該計劃公布，完整的伽利略星座由30顆MEO衛星組成，包括24顆工作衛星、6顆備用衛星[1，2]。2003年伽利略計劃開始實施并進行了關鍵算法驗證，2005—2008年伽利略系統GIOV-A和GIOV-B兩顆試驗衛星升空，試驗考證了系統的關鍵技術，2013年伽利略系統完成了在軌4顆完全工作衛星和地面段的聯合試驗，2014—2016年達到初始運行能力，但由于資金及歐盟內部分歧等問題，尚未達到完全運行能力狀態。截至2020年4月，伽利略系統空間段共有26顆在軌衛星，其中22顆完全運行能力衛星、4顆在軌驗證衛星[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個監測站。在完全建成后，除了已有的公共特許服務（PRS）、開放服務（OS）、搜救服務（SAR），伽利略系統還將提供高精度服務（HAS）和商業身份驗證（CAS），伽利略系統能較好地與其它衛星導航系統操作，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]。第二代伽利略系統計劃2025年發射第二代衛星，2035年完成第二代系統建設[4]。

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

QZSS系統的意思為準天頂衛星系統，由于日本多山、城市高樓密集，衛星信號受干擾，常會發生用戶同時看到的GPS衛星數量不足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月發射了4顆衛星，其中3顆為傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星、1顆為地球靜止軌道衛星，組成了QZSS系統結合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，小圈位于日本的準天頂方向。這樣的布局保證在任一時刻至少有一顆QZSS衛星在日本的天頂方向附近，解決了衛星信號受阻擋的問題。QZSS系統的地面段各站位于其服務涉及地區，分布于日本、印度、泰國、澳大利亞、夏威夷、關島等地[10]。

QZSS系統播發5種頻率8種信號，服務多樣[10]。除了定位、導航、授時以外，QZSS還提供星基增強服務、亞米級增強服務、厘米級增強服務、定位技術驗證服務、災害和危機管理衛星報告服務、安全確認服務等。QZSS計劃到2024年將發展為一個由7顆衛星組成的導航定位系統[11]。

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

印度的IRNSS系統即印度區域導航衛星系統，是印度獨立建設的，目的是為印度領土以及距其1500千米范圍內的用戶提供精度優于20米的定位服務。2006年5月印度批準了該項計劃，從2013年7月發射第一顆IRNSS-1A導航衛星到2018年4月成功發射第8顆IRNSS-1I導航衛星，印度共發射了9顆組網衛星，其中2017年8月31日發射的IRNSS-1H導航衛星未能進入預定軌道，宣告失敗。2016年4月29日印度將IRNSS更名為NavIC[12]。

目前IRNSS系統空間段共有8顆衛星，其中3顆GEO衛星和4顆IGSO衛星提供服務，另1顆IGSO衛星由于星載原子鐘失效用來發播短報文。IRNSS的地面段由1個導航中心、2個飛行器控制中心、2個網絡授時中心、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，面向所有用戶的標準定位服務（SPS）、面向授權用戶的授權服務（RS）。未來印度計劃增加5顆IGSO衛星，來提高IRNSS服務的可靠性，同時擴大服務區域[13]。

2.全球衛星導航系統發展的特點

通過分析國外衛星導航系統的發展及現狀，我們可以看出衛星導航系統的發展建設是一個復雜全面的整體系統工程，具有全方位、多學科、高融合等特點。

全方位，是指從國際大環境、區域國家關系，再到一個國家的自身政治、經濟、國防、民生等因素都需要全方面分析的總體性、系統性的工程。衛星導航系統的建設影響著一個國家的各個方面。

多學科，是指在系統建設過程中，從理論構想提出，到硬件設備生產，再到系統軟件應用，它需要各個學科綜合起來發揮合力。僅僅原子鐘的頻率切換技術這一個技術難關就需要微波電路、模擬電路、數字信號處理、量子物理等多個領域的專家和研究人員聯合起來一起攻克，可見衛星導航系統的建設是一個涉及多學科領域的艱難工程。

高融合，是指系統的建設與發展需要將質量、技術、運行、保密、經費、知識產權、國際合作與交流、標準化等各方面進行高度融合，將多個維度的制度、管理結合起來才能支撐完成的。只有各領域緊密結合，才能將衛星導航系統發展得更好，發揮系統強大的功能。

3.全球衛星導航系統的發展對北斗導航系統發展的啟示

通過分析國際衛星導航系統的發展過程，發現衛星導航系統的發展尤其是我國自己的北斗導航系統發展應注意以下問題：

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

（2）從系統建設連續性角度考慮，導航衛星需要持續研究、更新發展，堅持空間組網星座的可持續建設，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功能，這是北斗導航系統發展的基礎因素。

（3）從系統的完整性、可靠性、穩定性角度考慮，系統的穩定性、可靠性，是導航系統長久使用的關鍵性要求，這是北斗導航系統發展需要考慮的重要因素。

（4）從系統價值體現的角度考慮，衛星導航系統是花費巨大的復雜綜合系統，如何將傾盡心血建成的系統使用好、應用好，最大化地發揮效能服務社會，如何設計生產出種類齊全、更加實用的終端設備并廣泛應用，這是北斗導航系統發展的核心目的。

4.結束語

全球衛星導航系統已經處于全面發展、多系統共存、各有特色的局面，回顧分析各種衛星導航系統的發展過程，總結衛星導航系統建設的特點，試圖從多個維度借鑒國外衛星導航系統發展的經驗，歸納出對我國北斗導航系統后續發展的有益啟示。