江蘇省丹陽(yáng)市第六中學(xué)（212300） 趙守拙

古人出行，多根據(jù)太陽(yáng)、北斗七星等自然物象確定方位。后來(lái)中國(guó)人發(fā)明了羅盤(pán)，給世人遠(yuǎn)行和航海帶來(lái)了極大方便。隨著科技的發(fā)展，人類又先后發(fā)明了慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航等多種新技術(shù)。但與這些技術(shù)相比，衛(wèi)星定位和導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)十分明顯，它能夠全天候、全時(shí)段、全球性、高精度地提供三維位置、三維速度及精確的時(shí)間等信息，是導(dǎo)航技術(shù)中的絕對(duì)“霸主”。目前世界已有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS)、歐盟的“伽利略”（GALILEO）和中國(guó)的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”(CNSS)。

四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理相近，各版高中地理必修教材均以GPS為例進(jìn)行了闡述，本文主要對(duì)四大系統(tǒng)的淵源、近況及不同特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

一、美國(guó)全球定位系統(tǒng)

美國(guó)是最早設(shè)想利用衛(wèi)星進(jìn)行定位和導(dǎo)航的國(guó)家，其初衷是為遠(yuǎn)洋艦隊(duì)、彈道導(dǎo)彈精確打擊、收集情報(bào)等軍事活動(dòng)提供服務(wù)。美國(guó)于1964年建造出世界第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——“子午儀”系統(tǒng)。誕生最早的發(fā)明，其缺點(diǎn)往往也最多?！白游鐑x”在時(shí)間精度和二維定位等方面的明顯缺陷，促使美國(guó)從1974年開(kāi)始研發(fā)性能更優(yōu)的GPS。上世紀(jì)80年代，里根總統(tǒng)的“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃加速了GPS問(wèn)世的進(jìn)程。1994年，包括21顆工作衛(wèi)星和3顆備用星的GPS網(wǎng)絡(luò)建成。隨后在南聯(lián)盟、阿富汗、伊拉克等戰(zhàn)爭(zhēng)中，GPS的杰出表現(xiàn)以及其在民間和商業(yè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，一躍成為壟斷全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在世人眼里，GPS幾乎成為衛(wèi)星導(dǎo)航的代名詞。

但是，GPS并非完美無(wú)瑕。首先，GPS姓“軍”，是美國(guó)獨(dú)霸全球戰(zhàn)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(xiàn)軍事危機(jī)時(shí)，民商用戶可能隨時(shí)被中斷服務(wù)。其次，GPS的全球覆蓋率為98%，高緯地區(qū)使用不便。第三，GPS衛(wèi)星替補(bǔ)有時(shí)間差，一旦某顆工作衛(wèi)星發(fā)生故障，啟用備用衛(wèi)星需要時(shí)間。例如2000年，GPS衛(wèi)星曾出現(xiàn)過(guò)故障，致使俄克拉荷馬、堪薩斯等地的導(dǎo)航信號(hào)消失了18分鐘。其它諸如精確度僅為10米、信號(hào)易被干擾、接收機(jī)芯片壟斷等問(wèn)題，也常引起使用者的不滿。

競(jìng)爭(zhēng)激發(fā)動(dòng)力。在其它三大導(dǎo)航系統(tǒng)尤其是俄羅斯GLONASS的追趕下，為保持GPS的壟斷地位，美國(guó)也在實(shí)施GPS的現(xiàn)代化計(jì)劃。其目前的衛(wèi)星數(shù)已增至24顆工作星和4顆備用星。下一代GPS監(jiān)測(cè)地物的精確率可以達(dá)到厘米級(jí)水平，信號(hào)的發(fā)射功率也將提高100至300倍，并且承諾在民用功能、技術(shù)可靠性、免費(fèi)使用等服務(wù)上提升質(zhì)量。

二、俄羅斯格洛納斯

美蘇爭(zhēng)霸促進(jìn)了衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展。由于衛(wèi)星導(dǎo)航在軍事上極具威懾，前蘇聯(lián)自不甘心落后于美國(guó)。1976年，蘇聯(lián)開(kāi)始建造全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即GLONASS。歷經(jīng)20年的努力，于1995年開(kāi)始投入使用。本來(lái)設(shè)計(jì)為24顆衛(wèi)星，但在發(fā)射了第17顆衛(wèi)星后蘇聯(lián)解體，GLONASS隨之處于癱瘓狀態(tài)。在隨后的這段時(shí)間里，GPS系統(tǒng)徹底確立了商業(yè)優(yōu)勢(shì)，成為衛(wèi)星導(dǎo)航的世界霸主。新世紀(jì)以來(lái)，俄羅斯在普京總統(tǒng)的強(qiáng)力支持下，歷經(jīng)10年磨難，耗資100多億美元，終于恢復(fù)了GLONASS系統(tǒng)，并于2011年元旦正式運(yùn)行。俄羅斯近來(lái)推出的更現(xiàn)代化的GLONASS-M，以及正在研制的GLONASS-K衛(wèi)星更新星座，導(dǎo)航范圍覆蓋了整個(gè)地球表面和近地空間，定位精度達(dá)到了1米左右，測(cè)速及定時(shí)精度上也超過(guò)了目前的GPS，并且具有更強(qiáng)的抗干擾能力。軍事專家指出，無(wú)論是對(duì)付美國(guó)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，還是打“太空戰(zhàn)”，該系統(tǒng)都是俄手中的“王牌”之一。

GLONASS的成長(zhǎng)史，反映了蘇—俄的衰亡復(fù)興史。前蘇聯(lián)解體，GLONASS癱瘓，俄羅斯復(fù)興，GLONASS又發(fā)展成為僅次于GPS的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。如今，在其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)一拖再拖的情況下，也只有GLONASS能與GPS抗衡，為全球衛(wèi)星導(dǎo)航用戶提供第二種選擇。不過(guò)遺憾的是，由于錯(cuò)過(guò)了發(fā)展機(jī)遇，即便在俄羅斯境內(nèi)，GPS的終端也占據(jù)統(tǒng)治地位，按照美國(guó)計(jì)劃，性能更好的GPS Block III衛(wèi)星在格洛納斯-K衛(wèi)星發(fā)射后不久也會(huì)隨之升天。要想從GPS系統(tǒng)手里搶到市場(chǎng)，格洛納斯還有很長(zhǎng)的路要走。

三、歐盟伽利略計(jì)劃

壟斷導(dǎo)致傲慢，傲慢刺激了伽利略計(jì)劃的誕生。新世紀(jì)以前，由于世人對(duì)GPS的依賴，處于壟斷地位的GPS缺乏了創(chuàng)新動(dòng)力，一些緯度較高的北歐國(guó)家民眾一直對(duì)GPS的服務(wù)不滿。并且，在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)期間，歐洲“盟友”國(guó)家的軍隊(duì)在使用GPS系統(tǒng)時(shí)受到了限制。因此，前法國(guó)總統(tǒng)希拉克曾說(shuō)，如果歐盟不推進(jìn)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃，“歐洲必將成為美國(guó)的家臣”。出于打破GPS的壟斷地位和戰(zhàn)略考量，歐盟的GALILEO計(jì)劃隨之誕生。本世紀(jì)初，歐洲各國(guó)投入巨資發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，得到了除美國(guó)以外的許多國(guó)家的支持，并有包括中國(guó)在內(nèi)的不同地區(qū)多個(gè)大國(guó)參與其中，這為它占領(lǐng)全球市場(chǎng)奠定了重要的政治基礎(chǔ)。廣大民眾也對(duì)這項(xiàng)計(jì)劃表示歡迎，因?yàn)镚ALILEO系統(tǒng)的服務(wù)定位是以民用為主。

集體的力量是強(qiáng)大的，依照GALILEO的最初設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)比GPS精確度更高，也更可靠，其時(shí)間信號(hào)精度達(dá)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(gè)最形象的比喻是：GPS系統(tǒng)只能找到街道，而GALILEO則可以找到家門(mén)。面對(duì)GALILEO的競(jìng)爭(zhēng)，美國(guó)在無(wú)法短時(shí)間內(nèi)彌補(bǔ)GPS不足的情況下，最終還是選擇了相互兼容來(lái)確保GPS的絕對(duì)收益。

但集體研發(fā)，優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)并存。因美國(guó)的不斷施壓和歐洲經(jīng)濟(jì)的衰退，GALILEO計(jì)劃執(zhí)行得并不順利，直到2005年，首顆試驗(yàn)衛(wèi)星才發(fā)射升空，原定2008年投入運(yùn)營(yíng)的GALILEO系統(tǒng)，如今僅有4顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)用化的時(shí)間也由計(jì)劃的2012年延至2018年以后。而且，由于GALILEO系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，促進(jìn)了美國(guó)GPS的升級(jí)并擴(kuò)大了民用服務(wù)面，在全球市場(chǎng)份額占據(jù)方面，GALILEO已被GPS遠(yuǎn)遠(yuǎn)地甩在了后面。

四、中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

作為信息技術(shù)的后發(fā)國(guó)家，同時(shí)擁有強(qiáng)大的空間技術(shù)，中國(guó)研發(fā)自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成必然。一些事件的發(fā)生，更促成了我國(guó)政府決心加快CNSS的研發(fā)：①中俄、中歐、歐俄及俄印等國(guó)家間關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航的合作談判基本以失敗而告終。②與中國(guó)合作最多的GALILEO計(jì)劃一再延期，中國(guó)對(duì)其發(fā)展前景擔(dān)憂。美國(guó)對(duì)GALILEO計(jì)劃更是心懷芥蒂，一方面在技術(shù)層面上進(jìn)行遏制，另一方面又威脅歐洲：如果歐洲允許美國(guó)的敵國(guó)在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用該系統(tǒng)，美國(guó)將摧毀其衛(wèi)星星座。③我國(guó)軍隊(duì)使用GPS時(shí)，美國(guó)可能關(guān)閉區(qū)域內(nèi)的信號(hào)，這曾在我國(guó)的軍事演習(xí)中發(fā)生過(guò)。為了獲得戰(zhàn)略上的獨(dú)立性，中國(guó)必須堅(jiān)定不移地發(fā)展北斗系統(tǒng)。

新世紀(jì)伊始，中國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航項(xiàng)目正式開(kāi)啟。設(shè)計(jì)分三步走：第一步，2000～2003年間建成第一代實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由3顆衛(wèi)星組成，提供區(qū)域性服務(wù)；第二步，2007～2012年，由16顆衛(wèi)星組成的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已向亞太大部分地區(qū)（84°E～106°E，55°S～55°N）提供連續(xù)無(wú)源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)；第三步，2020年左右完成全部30顆衛(wèi)星的發(fā)射，建成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前正在建設(shè)中的第二代系統(tǒng)吸取了GPS和GLONASS的優(yōu)點(diǎn)，將衛(wèi)星分布于靜止、同步和中圓三種軌道上，為同一地點(diǎn)的定位提供多顆衛(wèi)星，使其定位精度優(yōu)于10米，授時(shí)精度在10納秒以內(nèi)，測(cè)速精度約0.2米/秒。值得一提的是，北斗導(dǎo)航提供了獨(dú)一無(wú)二的短信服務(wù)功能，使得遇險(xiǎn)用戶在沒(méi)有其它通訊信號(hào)的情況下，獲救機(jī)率大大提高。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為繼GPS、GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在建成時(shí)間上趕超了GALILEO系統(tǒng)。目前的北斗系統(tǒng)已在我國(guó)森林防火、水利防汛、導(dǎo)航通信、交通運(yùn)輸、信息采集、監(jiān)控救援、安全保衛(wèi)等領(lǐng)域產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，如在汶川、玉樹(shù)、雅安等地的抗震救災(zāi)中，北斗有出色的表現(xiàn)。為了進(jìn)一步規(guī)范和監(jiān)督公務(wù)車使用情況，目前國(guó)內(nèi)部分省市的公車已加裝了北斗系統(tǒng)。鑒于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)我國(guó)民眾未來(lái)生活的廣泛影響，建議在高中地理教材中增加相關(guān)內(nèi)容。

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理與功能示意圖

衛(wèi)星導(dǎo)航的民用化、商用化有著廣闊的市場(chǎng)前景，是其發(fā)展的大勢(shì)所趨。但GPS先入為主的現(xiàn)實(shí)，給北斗系統(tǒng)的民用和商用市場(chǎng)發(fā)展帶來(lái)了困難。從國(guó)內(nèi)用戶數(shù)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(dǎo)致了民用發(fā)展上的兩個(gè)先天不足：一是民用地面接收設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用嚴(yán)重滯后，到目前為止，我國(guó)企業(yè)還不具備研發(fā)互操作和多系統(tǒng)兼容芯片的能力，國(guó)內(nèi)芯片市場(chǎng)的95%被GPS占領(lǐng)；二是北斗能夠提供服務(wù)的用戶數(shù)量?jī)H為100萬(wàn)。即便今后擴(kuò)容成功，在國(guó)際市場(chǎng)上，北斗還要與GPS、GALILEO等系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)。但是憑借其質(zhì)量和特色，又有中國(guó)這個(gè)強(qiáng)大的市場(chǎng)為依托，北斗的發(fā)展前景光明。

隨著時(shí)代的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)廣泛地影響著人們的生產(chǎn)、生活，更會(huì)深刻地影響著各國(guó)的國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將是一個(gè)國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，成為綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)。目前有意開(kāi)發(fā)此項(xiàng)技術(shù)的還有日本、印度等國(guó)家。