趙爽（北京空間科技信息研究所）

1 GNSS發(fā)展特點

作為全球化的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，GNSS發(fā)展不是一蹴而就的，有著其自身的發(fā)展規(guī)律和特點，非常值得推敲和研究，其發(fā)展主要表現(xiàn)在以下三點。

從獨立發(fā)展的各自為戰(zhàn),到競爭與兼容共存的博弈

衛(wèi)星導航的發(fā)展要追溯到20世紀60年代，當時美國和蘇聯(lián)都開展了各自的衛(wèi)星導航計劃，不過那個時候衛(wèi)星軌道和頻率資源非常富余，因此衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)出美俄各自為戰(zhàn)，彼此競爭的局面。20世紀90年代末，GNSS系統(tǒng)僅包括一個具有完全運行能力的GPS系統(tǒng)和一個具有部分運行能力的GLONASS系統(tǒng)，運行衛(wèi)星總數(shù)不到40顆，總共只播發(fā)3種衛(wèi)星導航信號，且其中只有1種用于民用導航。

隨著俄羅斯GLONASS的復蘇以及中、歐、日、印等新興衛(wèi)星導航力量的加入，上述局面逐漸被打破。目前，GPS和GLONASS星座總的在軌衛(wèi)星數(shù)量約為60顆（包括在軌工作衛(wèi)星和備份衛(wèi)星），衛(wèi)星的空間段和地面控制段的現(xiàn)代化改造也正在進行中。最新型的導航衛(wèi)星在3種頻率上播發(fā)經(jīng)過編碼的民用信號，下一代的導航衛(wèi)星將播發(fā)8種甚至更多的軍用和民用信號。中國的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)目前已經(jīng)實現(xiàn)了區(qū)域覆蓋運行，并且正在通過不斷發(fā)射新的“北斗”衛(wèi)星逐步將該系統(tǒng)打造成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。歐洲已經(jīng)發(fā)射了4顆在軌驗證衛(wèi)星，實現(xiàn)了Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng)功能化運行的第一步。日本和印度的首顆導航衛(wèi)星也已經(jīng)發(fā)射。以上所有系統(tǒng)的功能衛(wèi)星總數(shù)是10年前的2倍，未來10年還將再翻一番。同時，天基增強系統(tǒng)（SBAS）也取得了顯著發(fā)展，衛(wèi)星總數(shù)也是10年前的2倍多。新的SBAS衛(wèi)星通過兩種載波頻率發(fā)射信號。

現(xiàn)在，在這么多的導航衛(wèi)星和系統(tǒng)面前，有限的頻率資源已經(jīng)顯得捉襟現(xiàn)肘了，各系統(tǒng)間的兼容與互操作將是其共存的大趨勢，其中兼容性是主要的考慮，目的是確保新的衛(wèi)星導航信號和系統(tǒng)出現(xiàn)后不會對現(xiàn)有信號和系統(tǒng)的使用造成明顯影響。而互操作性則是指各衛(wèi)星導航系統(tǒng)間可以互相合作、協(xié)同工作的能力，最終提升用戶的導航性能。各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一些公開信號采用通用的載波頻率，即1575.42MHz和1176.42MHz，并且它們的頻譜也相同，以便實現(xiàn)多系統(tǒng)間的雙頻互操作。

當然，在兼容與互操作的前提下，各系統(tǒng)間在頻率分配、應用市場等諸多問題仍將存在激烈競爭，如何在這樣的競爭中取得先機和勝利，將是一個國家包括經(jīng)濟、技術、國際地位等因素在內的綜合國力的體現(xiàn)。

未來10年各衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號的頻譜分布

衛(wèi)星系統(tǒng)的建設、維護和發(fā)展需要龐大的資金支持

GNSS的建立、維護、發(fā)展需要龐大的資金支持。以美國GPS系統(tǒng)為例，自1973年美國開始研制GPS系統(tǒng)，到1994年全面建成系統(tǒng)實現(xiàn)24顆滿星座運行，耗資約200億美元，而這還不算后續(xù)每年補網(wǎng)發(fā)射、系統(tǒng)維護等資金的費用。實際上，即使是系統(tǒng)建成以后，要維護GNSS的正常運行，其耗資也是巨大的。最近的資料顯示，未來幾年俄羅斯、美國和歐洲都計劃為各自的GNSS發(fā)展注入大量資金，以保障其正常運行和發(fā)展。

根據(jù)2012年1月28日遞交俄羅斯政府申請批準的《GLONASS系統(tǒng)2012－2020年維護、發(fā)展及應用計劃》，2012－2020年間俄羅斯政府預計向GLONASS系統(tǒng)撥款3465億盧布（約合120億美元），平均每年13億多美元。

根據(jù)2011年美國國會預算辦公室的預算報告，美國國防部2012－2025年進行的GPS現(xiàn)代化建設將耗資約220億美元，平均每年15億多美元，這些資金將用于從2012年起40顆GPS－3衛(wèi)星的開發(fā)和購買（包括16顆GPS－3C衛(wèi)星）、控制衛(wèi)星和發(fā)送新信號的軟件開發(fā)，以及成千上萬具有M碼信號處理功能的軍用接收機的開發(fā)和購買。

美國國會預算辦公室預算報告給出的國防部計劃與三種替代方案情況匯總表

GLONASS系統(tǒng)從軍用發(fā)展到軍民兩用

據(jù)2011年12月歐洲媒體報道，歐盟委員會預計將向Galileo及“歐洲地球靜止衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)”（EGNOS）兩個項目額外增加撥款70億歐元（約合91億美元），平均每年13億美元，用于這兩個項目在2014－2020年間空間段及地面基礎設施的建設和運營。

從上述三大系統(tǒng)的資金投入上就可以看出，建設和維持一個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的資金投入是非常龐大的，而美、俄、歐仍不遺余力地大量投入，也足見他們對GNSS的重視程度。

從軍用獨享，轉為軍民共用，并在民用領域大放異彩

盡管發(fā)展GNSS耗資巨大，但是無論投資有多么巨大，作為一個主權獨立的國家，如果不想受制于人，建設和發(fā)展自己的GNSS都是必須的。正如美國加利福尼亞大學微系統(tǒng)實驗室主任Addrei M.Shkel[2009年其受聘為國防高級研究計劃局（DARPA）微系統(tǒng)技術辦公室（MTO）項目主管]在2011年曾撰文指出，“至少1000年內，導航與精密授時能力將一直是衡量國家軍事與經(jīng)濟實力的一個重要因素”。

獨立的GNSS是建設強大國防、維護國家安全的重要手段，美、俄在最初發(fā)展導航衛(wèi)星的初衷都是用于軍用。導航衛(wèi)星可為全球海、陸、空及近地空間的各種用戶提供全天候、連續(xù)提供高精度的各種三維位置、三維速度和時間信息，這樣不僅為海軍艦船、空軍飛機、陸軍坦克、裝甲車、炮車等提供精確導航；也在精密導彈制導、精密敵我態(tài)勢感知、部隊準確的機動和配合、武器系統(tǒng)的精確瞄準等方面廣泛應用。

GNSS市場規(guī)模發(fā)展趨勢預測

全球GNSS市場分布預測（2010－2012年累計收益）

不過，在GNSS建設完成和發(fā)展中，其在民用方面的應用也是越來越受到重視。這方面，美國GPS做得最好，民用發(fā)展與軍用并重，并占據(jù)了全球的大部分市場。而俄羅斯在吸取了美國的經(jīng)驗和自身的教訓后，也逐漸從只重軍用向軍民共用轉變，并努力追趕。而事實也證明，GNSS有著廣泛的民用前景，其應用范圍遍及經(jīng)濟、交通和通信等幾乎所有的民用領域，民用將是未來導航產(chǎn)業(yè)市場競爭的焦點。

根據(jù)歐洲全球衛(wèi)星導航監(jiān)督局（GSA）在2012年發(fā)布的市場預測報告顯示，GNSS民用市場正在快速發(fā)展，截至2016年，市場總規(guī)模預計將以平均每年13%的速度增長。根據(jù)該報告預測，截至2015年全球GNSS市場規(guī)模將超過2000億歐元（約合2600億美元）?？v觀整個GNSS市場的占有份額，道路導航和基于位置服務仍高居榜首，這兩個市場的終端設備銷售額分別占整個GNSS終端設備銷售總金額的54%和44%。而從終端銷售量上看，基于位置服務占到整個GNSS市場的87%。同時，GNSS應用正逐漸向智能手機市場滲透，市場占有率已經(jīng)達到30%，而到2020年這一比例預計將達100%。可以預見，未來GNSS應用將成為人們日常生活中不可或缺的一部分。

2 GNSS未來所面臨的挑戰(zhàn)

未來，GNSS發(fā)展之路并非坦途，仍將面臨著一系列問題和挑戰(zhàn)，其突出表現(xiàn)在以下3個方面。

頻率資源緊缺和信號擁擠為多系統(tǒng)共存提出挑戰(zhàn)

未來一個亟待解決的問題是，為L頻段上出現(xiàn)的越來越多的導航信號尋找“空間”。頻率范圍在1559～1610MHz的高L頻段上的大部分頻譜已經(jīng)被現(xiàn)有的以及未來預計部署的信號所占據(jù)，很難再容納新的信號。一種衡量頻譜利用率的方法是計算這段頻譜上的衛(wèi)星信號數(shù)量，本文統(tǒng)計了高L頻段上的頻譜利用率，參見高L頻段的頻譜利用情況表。

雖然各星座的衛(wèi)星數(shù)量存在一定的不確定性，但高L頻段的頻譜利用情況表中給出的數(shù)量還是具有代表性的。相比新的系統(tǒng)，GPS和GLONASS的衛(wèi)星信號較多，因為這兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星不僅播發(fā)最初的信號，也將播發(fā)現(xiàn)代化信號，而且后者在未來的應用將更加廣泛。根據(jù)該表所示，共計422個衛(wèi)星信號計劃在51MHz寬的高L頻段運行，平均每兆赫茲有8.3個衛(wèi)星信號。其中，1559～1594MHz頻段將包含314個信號，平均每兆赫茲有9.0個衛(wèi)星信號；1594～1610MHz頻段的頻譜利用率相對較低，共108個信號，平均每兆赫茲有6.8個衛(wèi)星信號。

各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)在高L頻段的分布

高L頻段的頻譜利用情況表

為了避免L頻段的頻譜擁擠問題，一種備選的方案是開放使用更高頻率的頻段。近期，國際電信聯(lián)盟（ITU）已經(jīng)開放了2483.5～2500MHz頻段用于衛(wèi)星無線電導航（RNSS）業(yè)務。“北斗”的衛(wèi)星無線電測定（RDSS）使用這一頻段，“印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）的衛(wèi)星導航信號也計劃采用這一頻段。除了這一頻段外，C頻段（5010～5030MHz）也被納入了考慮范圍。

但是，由于這些頻段相對較窄，將限制接收機的性能,同時出于兼容性考慮，也將限制可部署的衛(wèi)星信號的數(shù)量。此外，更高的頻率將增大相位噪聲以及其他信號缺陷，并將增大因接收機移動造成的多普勒頻移和多普勒調頻率的影響。而C頻段信號因下雨、植被、建筑物等遮擋造成的傳播損耗也要比L頻段更為嚴重。

開放L頻段或低S頻段的新頻譜供衛(wèi)星導航使用也是一種有利的選擇，但是當前這些頻段開放的重點對象是移動無線應用，而且目前已分配給RNSS的頻段也面臨被取消的可能，因此，衛(wèi)星導航系統(tǒng)獲得新頻段的可能性很小。

總之，頻譜資源緊缺與信號擁擠仍然是未來GNSS面臨的一大挑戰(zhàn)和需要長遠考慮解決的問題。

GNSS脆弱性和局限性問題為應用安全帶來隱憂

GNSS系統(tǒng)的脆弱性和局限性問題是目前系統(tǒng)建設者和用戶最關心，也最希望解決的問題。所謂GNSS脆弱性，主要是指GNSS系統(tǒng)易受到電子干擾、阻塞、欺騙等影響，特別是在敵方有意干擾的情況下，很難進行正常的定位、導航與授時（PNT）服務的問題。所謂GNSS的局限性是指GNSS系統(tǒng)在地下、水下、山洞、城市峽谷、室內等環(huán)境無法提供服務，或者只能提供非常有限服務的問題。GNSS之所以會存在這樣的問題，究其原因是其系統(tǒng)本身的特性造成的。GNSS系統(tǒng)是通過在軌衛(wèi)星向地面播發(fā)導航定位信號來實現(xiàn)服務，盡管其具有覆蓋面廣的優(yōu)勢，但是由于從太空傳到地面的導航信號非常微弱，如同從一個25W的燈泡照到20000多千米之外的強度，因此該系統(tǒng)很容易被干擾，也無法在嚴重遮擋環(huán)境下使用。

為了解決脆弱性問題，一方面要從GNSS系統(tǒng)內部著手，比如采用先進的抗干擾技術、增強信號功率、點波束技術等；另一方面是從系統(tǒng)外著手，采用其他技術輔助、彌補、備份GNSS能力，如慣性導航等?，F(xiàn)在美國就是按照這兩條途徑解決這一問題。

在開展GPS系統(tǒng)抗干擾能力方面，美國首先在信號上做文章，推出了具有抗干擾能力的M碼信號，這種信號采用“裂頻”機制，可以發(fā)送更大的功率，而不干涉民用接收機。自2005美國發(fā)射第1顆GPS－2RM衛(wèi)星開始，就在這種型號衛(wèi)星及后續(xù)GPS－2F衛(wèi)星上配備了M碼信號的發(fā)射能力。截止到2013年10月，GPS系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星中具備播發(fā)M碼信號能力的衛(wèi)星已經(jīng)達到了11顆，其中包括7顆GPS－2RM衛(wèi)星和4顆GPS－2F衛(wèi)星。另外，根據(jù)美國國防部計劃，即將推出的第3代衛(wèi)星GPS－3不但將進一步提升M碼信號的強度，使其是目前信號強度的3～5倍，而且還將裝備能夠發(fā)射M碼的點波束天線，據(jù)稱該種天線可以在其信號覆蓋范圍（直徑約1000km的圓形區(qū)域）內將GPS信號的強度提升到目前水平的100倍。

采用“裂頻”機制的M碼信號（主瓣分布在頻段兩側）

盡管如此，在過去的幾年中，美軍GPS的抗干擾能力卻并沒有什么起色，究其原因是地面站升級和終端接收設備的發(fā)展及部署要滯后于空間段衛(wèi)星的部署。雖然具備M碼播發(fā)能力的衛(wèi)星早在2005年就出現(xiàn)了，但支持M碼處理的地面站升級工作卻仍未完成，而且能夠接收和處理M碼的終端設備也并沒有列裝配發(fā)。不過，近年出現(xiàn)的GPS干擾問題顯然也給美國軍方敲響了警鐘，加緊了相關工作。比如，據(jù)法國宇航防御網(wǎng)消息，2013年6月美國空軍采用羅克韋爾公司的GPS接收機，首次進行了飛行器的M碼信號導航飛行試驗。據(jù)悉，此次飛行試驗在新墨西哥州阿拉莫戈多附近的霍洛曼空軍基地進行，成功地測試了集成到RQ-11B“大烏鴉”（Raven）無人機系統(tǒng)上的羅克韋爾公司的GB-GRAM-M接收機（M碼GPS接收機），該接收機可通過接收GPS系統(tǒng)的M碼信號為無人機提供精確的PNT信息。此次試驗有助于實現(xiàn)美國國會所委托的“將下一代M碼技術應用于所有美國國防部防御平臺”的發(fā)展目標。

美國在大力發(fā)展GPS本身的抗干擾能力的同時，也注意開發(fā)GPS以外的導航系統(tǒng)，以增強其在對抗環(huán)境下的導航能力。在此背景下，美國DARPA于2010年開展了一項名為“全源定位與導航”（ASPN）的導航技術研究，旨在尋求在沒有GPS的情況下，為任何操作平臺和任何環(huán)境下的軍用用戶提供低成本、高魯棒性、無縫的導航解決方案。ASPN將通過利用不同傳感器的組合獲得輔助導航信息，如將激光雷達、激光測距儀、照相機、磁強計等器件進行組合，從而顯示出增強導航解決方案的質量和魯棒性。同時，ASPN還將根據(jù)具體的局部環(huán)境條件靈活選擇最合適的傳感器提供針對性的導航技術，例如，基于圖像的導航可能在都市環(huán)境的白晝條件下發(fā)揮良好效果；基于重力場的導航雖然精度稍差，但在大洋中可能最有效等。

霍洛曼空軍基地的研究人員準備放飛RQ-11B“大烏鴉”無人機

ASPN概念框圖

在ASPN概念框圖中顯示，ASPN將整合多種傳感器信息，包括GPS、影像、光線測定和測距、磁場、重力及雷達等等。值得注意的是，此處有意把GPS包括在內，因為既然是全源導航，只要GPS信號可用，就應以GPS為主。這樣，這個完整系統(tǒng)結合所有可用信息，當某些傳感器不可用時，仍可使用其他信號源。

要想解決GNSS的局限性問題，主要是需要開展其他PNT系統(tǒng)及技術手段，并以GNSS為核心基石，最終形成一套完整的、互為備份的PNT體系。目前美國已經(jīng)開展了這方面的工作，2008年美國發(fā)布了《美國國家PNT體系研究報告》，2010年發(fā)布了《美國國家PNT體系實施計劃》，力爭發(fā)展以GPS為基石，在最大共性、多現(xiàn)象學、互操作等設計原則下，實現(xiàn)多種PNT源的協(xié)同共用，最終實現(xiàn)美國PNT能力的全面提升，確保美國在全球PNT發(fā)展的領先地位。

降低成本是GNSS長久發(fā)展所必須重視的問題

未來幾年，俄羅斯、美國、歐洲在發(fā)展和維護其GNSS方面都投入了大量的資金，這固然說明了其對于發(fā)展和維護GNSS系統(tǒng)的重視，同時也說明了要發(fā)展和維護GNSS，資金消耗是非常龐大的，會給一個國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟壓力。因此，如何降低系統(tǒng)發(fā)展和維護的成本也是各衛(wèi)星導航大國所要面對的問題和挑戰(zhàn)。如美國空軍提出了一份關于降低美國GPS系統(tǒng)成本的計劃，在這項節(jié)約成本的計劃中，包括采用小型化導航衛(wèi)星，寄宿導航載荷等方案，盡管這項計劃的風險性遭到了美國審計總署（GAO）的質疑，但GAO也承認這是一項降低成本的良好開端。

據(jù)悉，2013年年初，美國空軍研究實驗室已經(jīng)授予ITT Exelis公司一份價值215萬美元的合同，為其研制小型導航衛(wèi)星有效載荷，這項GPS NAVSAT項目旨在提供一種經(jīng)濟可承受的能力，這種小型衛(wèi)星在體積、質量、功率和成本上都將給用戶帶來更大的經(jīng)濟可承受性，衛(wèi)星的小體積將使得其在選擇運載火箭時更具靈活性。GPS NAVSAT項目首個研究階段為期18個月，將找到一種創(chuàng)新方式，通過降低有效載荷質量，縮小尺寸，降低功率，提高GPS系統(tǒng)經(jīng)濟可承受性和可持續(xù)性。GPS NAVSAT既能保持與現(xiàn)有GPS系統(tǒng)類似的性能和能力，同時可在城市或山區(qū)信號受限的環(huán)境下對GPS終端用戶提供輔助。

可以預見，在保障衛(wèi)星導航系統(tǒng)能力不受明顯影響的前提下，隨著技術的不斷進步，采用一箭多星發(fā)射的小型化導航衛(wèi)星將是降低GNSS成本的一條可行途徑。