除了GPS和“北斗”，一種基于通信衛(wèi)星的“經濟型”導航系統(tǒng)，亦有望成為中國用戶的新選擇

《財經》記者 李虎軍

幾乎在一夜之間，衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)就從軍事領域，走進了普通人的生活。如今在市場上，不僅裝有車載GPS(全球定位系統(tǒng))的家用轎車比比皆是，可供登山等戶外運動愛好者使用的手持式設備也已風靡一時。

迄今為止，美國GPS仍然占據著中國衛(wèi)星導航市場的絕對份額。但由中國自主研發(fā)的北斗導航定位衛(wèi)星系統(tǒng)，也正在迅速起飛:據新華社等媒體報道，“北斗二代”建設已進入攻堅階段，2009年將有多顆衛(wèi)星發(fā)射升空。

然而，在參與歐洲伽利略(GALILEO)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及繼續(xù)推進“北斗”之外，中國在衛(wèi)星導航領域還有著另外一個秘密武器——CAPS。

這個已經進行多年的“經濟型”衛(wèi)星導航項目，其進展在很長時間內一直難以被公眾所知曉。直到2008年12月，在《中國科學G輯》組織出版的一份?？希芯咳藛T集中報告了該系統(tǒng)的研制進展之后，人們才有機會掀開其面紗的一角。

CAPS橫空出世

所謂CAPS，是“中國區(qū)域定位系統(tǒng)”的簡稱。這種全新衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研制，始于六年多以前的一次“頭腦風暴”。

2002年11月初，位于現在的北京奧運村附近的中國科學院國家天文臺，時任臺長的中國科學院院士艾國祥找到同事施滸立和顏毅華，在一間普通的辦公室討論一個宏大的命題:如何開發(fā)“經濟型”衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

之所以有這樣的一個想法，是因為當時最為成功的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即美國的GPS，從研制到最終投入使用，花費了20多年的時間和數以百億計的美元。而前蘇聯也投入巨資研制格洛納斯(GLONASS)， 其導航星座至今仍不完整。

雖然中國已經決定加入“伽利略計劃”，同時也啟動了雄心勃勃的“北斗系統(tǒng)”，但研究人員還是希望嘗試一些新的想法，看能否有更經濟實惠的方式來實現區(qū)域導航定位。

這場思想的碰撞持續(xù)了好些天，中國科學院國家授時中心李志剛等科學家后來也被邀請加入。

中國科學院國家天文臺研究員施滸立告訴《財經》記者，上述這些衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，均可稱為直播式衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。也就是說，導航電文及測距碼在衛(wèi)星上直接產生，然后下行廣播給用戶定位。因此，都需要發(fā)射專門的導航衛(wèi)星來承擔這一任務。通常需要30顆左右的導航衛(wèi)星才能覆蓋全球。

在思維碰撞中，艾國祥及其同事提出了轉發(fā)式衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的理念，即導航電文及測距碼在地面產生，上行至衛(wèi)星，利用衛(wèi)星上的信號轉發(fā)器，再下行廣播給用戶定位。這樣，系統(tǒng)就可以少發(fā)射甚至不發(fā)射專門的導航衛(wèi)星，而利用商用的通信衛(wèi)星組成導航星座。

如果這一設想實現，顯然可以極大地降低導航系統(tǒng)的部署時間和成本。因為一般而言，空間設備研制周期長、投資大，星載設備尤其如此。以作為導航的時間和頻率基準的星載原子鐘為例，其價格昂貴、研制難度大，目前只有美國等極少數國家完全掌握這一技術;而且，即使研制成功，往往精度也要略微遜色。

轉發(fā)式衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，則可以將原子鐘安置在地面導航站。李志剛研究員在接受《財經》記者采訪時表示:“這樣就回避了星載原子鐘的技術瓶頸?！?/p>

這種新的導航系統(tǒng)理念，一經提出，很快得到了中國科學院、科學技術部、國家自然科學基金委員會，以及解放軍總裝備部的支持。

2005年6月，中國科學院國家天文臺、國家授時中心、上海微小衛(wèi)星中心、微電子所和自動化所等研究機構，與衛(wèi)通集團等其他國內機構，合作研制出轉發(fā)式中國區(qū)域定位系統(tǒng)(CAPS)的驗證系統(tǒng)，并通過國家有關部門的驗收。其粗碼信號的定位精度達到20米左右，精碼則達到10米左右，已經與GPS民用碼的精度相當。

據了解，這個驗證系統(tǒng)的研制僅用了不到兩年的時間，經費則不到美國研制GPS的千分之一。當然，這一成功，很大程度上也有賴于中國天文系統(tǒng)在長期基礎研究中所積累的信號被動接收、微弱信號檢測、衛(wèi)星測軌定軌等技術的應用。

退役衛(wèi)星“第二春”

在CAPS驗證系統(tǒng)的研制過程中，研究人員首先租用了在軌的商用同步通信衛(wèi)星上的信號轉發(fā)器，組成驗證系統(tǒng)的星座。不過，由于租用的衛(wèi)星都處于地球同步軌道上，難以實現三維定位。

研究人員最初的設想是，發(fā)射傾斜軌道的通信衛(wèi)星組成導航星座，來解決三維定位的問題。后來，他們卻在不經意間找到了一種更省錢的辦法，那就是開發(fā)退役衛(wèi)星的“第二春”。

中國衛(wèi)通集團退休專家陳吉斌參與了CAPS系統(tǒng)的研制。這位原亞太衛(wèi)星公司副總裁告訴《財經》記者，退役衛(wèi)星上的設備并未損壞，只是燃料快消耗完了。

不過，為了保證業(yè)務不間斷，衛(wèi)星公司必須在衛(wèi)星壽命結束前的一段時間里，發(fā)射新的同步通信衛(wèi)星完成更替。也就是說，衛(wèi)星退役前還有一定的剩余燃料。

研究人員通過多次討論，提出了一個巧妙的思路:利用退役衛(wèi)星上的剩余燃料和轉發(fā)器資源， 將其納入導航星座。

因為當地球同步通信衛(wèi)星正常運行時，需要在經度和緯度方向同時保持姿態(tài);而如果將其作為導航衛(wèi)星使用，只需要對經度方向進行保持和調整，緯度方向則任其自由漂移，這樣反而可以改善導航星座的空間布局。

陳吉斌對《財經》記者表示，與同時調控衛(wèi)星的經緯度方向相比，該調整模式所消耗的燃料僅為原來的十分之一;這樣，那些剩余的燃料，就足以支持衛(wèi)星的長時間使用。

于是，2005年，CAPS項目組從亞太衛(wèi)星公司購買了退役衛(wèi)星亞太1號。這顆衛(wèi)星的燃料原本只剩下幾個月，但被“征用”至今已有四年多，仍然運轉良好。2008年，項目組又購買了另一顆退役衛(wèi)星:亞太1A號。這顆衛(wèi)星的剩余燃料更多，預計可供CAPS使用約十年。

代表項目組去洽談退役衛(wèi)星購買事宜的，是國家天文臺高級工程師蔡賢德。他對《財經》記者直言，這樣的生意很好談，“像我們這樣的買家太少了”。因為對于衛(wèi)星公司來說，不僅多了一筆預算外的收入，還省去了處理退役衛(wèi)星這種“太空垃圾”的麻煩。

項目組在《中國科學G輯》發(fā)表的論文中表示，今后幾年內， 中國還陸續(xù)會有鑫諾1號、鑫諾3號、中衛(wèi)1號、亞洲2號等衛(wèi)星退役，這些退役衛(wèi)星的剩余價值均可得到利用。隨著這些通信衛(wèi)星陸續(xù)加入導航星座，整個系統(tǒng)的精度也將得到進一步提高。

此外，在蔡賢德看來，退役通信衛(wèi)星的變廢為寶，也有助于維護中國的“空間主權”。

因為就像土地一樣，空間的軌(道)位(置)，同樣是非常寶貴的資源，退役衛(wèi)星如再利用，就可以繼續(xù)占據原有的軌位甚至新的軌位。

市場能否“芝麻開門”

與直播式衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)相比，CAPS還有一個優(yōu)勢，那就是導航通信一體化。

據陳吉斌介紹，通信衛(wèi)星上的轉發(fā)器很多，借助這些豐富的轉發(fā)器資源，研制出可雙向通信的接收機，就可以使系統(tǒng)實現導航通信一體化。

早在2006年，CAPS的導航通信一體化試驗，就在車輛行進中和船舶海上航行中試驗取得成功。此后，相關的試驗及應用也一直在開展。

相比之下，現有的GPS只有導航定位功能，無法在系統(tǒng)內解決回傳通信問題。因此，當車輛在野外行駛時，用戶中心無法知道其下屬車輛的情況;在戰(zhàn)場上，上級指揮機關無法知道戰(zhàn)場的態(tài)勢;導彈發(fā)射以后，也無法評估打擊效果。

在導航星座布置上，CAPS也比較靈活，可以根據情況選擇地球同步軌道衛(wèi)星、傾斜軌道衛(wèi)星、中高度軌道衛(wèi)星等。即可以不搞全球星座均衡布局，而是從區(qū)域應用實際需求出發(fā)考慮最優(yōu)星座布局。

此外，轉發(fā)式衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的是C波段，可租用的衛(wèi)星資源豐富。

“GPS等系統(tǒng)使用的是L波段，頻段資源少，幾乎沒有伸腳的地方了?！辈藤t德對《財經》記者解釋說。

李志剛還告訴《財經》記者，從理論上講，CAPS的定位精度今后有可能高于GPS。因為影響定位精度的因素，主要包括原子鐘和衛(wèi)星軌道測量;而地面原子鐘在精度上可以比星載原子鐘高出一兩個數量級，且易于維護和更新。

他和同事利用新的時間比對技術，已經獲得了優(yōu)于兩米的衛(wèi)星軌道測量精度;這一精度，已經與GPS可以提供的衛(wèi)星軌道測量精度相當。

武漢大學測繪學院教授劉基余告訴《財經》記者，中國科學家能夠在條件有限的情況下，自主開發(fā)這樣一個具有重要科學意義和工程實用價值的導航系統(tǒng)，實屬難能可貴。

不過，他也提醒說，CAPS要想在精度乃至綜合性能上與其他導航系統(tǒng)競爭，還有很多工作要做。

CAPS項目組成員在接受《財經》記者采訪時也承認，CAPS需要修正誤差的環(huán)節(jié)，就比GPS多一些。

此外，盡管整個CAPS系統(tǒng)的建設費用低出一大截，但對于用戶來說，其接收終端的價格與GPS不會相差太多。這或許會影響其在市場上的吸引力。

但項目組認為，CAPS這種的系統(tǒng)仍然有著廣闊前景。畢竟，像美國GPS這樣龐大的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，不是所有國家都有財力承擔的。而且GPS系統(tǒng)是30年前的技術方案，在伊拉克戰(zhàn)爭中已經暴露出抗干擾差等缺陷。

對于希望開發(fā)國內衛(wèi)星導航產業(yè)的國家而言，尤其是中小國家，CAPS無疑是個不錯的“候選者”。在項目組看來，CAPS的投入成本低、建設周期短，大約只需要30億元人民幣和兩三年時間，就能迅速建設一個覆蓋三分之一地球、且包括中國國土在內的系統(tǒng)。

“建設(CAPS)這樣的系統(tǒng)，將來不一定非要成為國家行為。有魄力的大公司，說不定也可以投資?！笔G立說。

一位長期從事衛(wèi)星導航定位研究的專家則向記者表示，考慮到國家戰(zhàn)略需求和技術成熟程度等因素，“北斗系統(tǒng)”理應成為中國衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)建設的主打。而CAPS這一系統(tǒng)，也值得繼續(xù)探索和試驗?！?/p>

本刊實習記者程晗對此文亦有貢獻