龐之浩

世界導(dǎo)航衛(wèi)星爭(zhēng)奇斗艷

龐之浩

2015年3月底，世界導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射突然爆發(fā)，多個(gè)國(guó)家不約而同地發(fā)射了各自的導(dǎo)航衛(wèi)星。3月25日，美國(guó)率先用“德爾他”-4火箭發(fā)射了第9顆GPS-2F；3月27日，歐洲用聯(lián)盟-ST/“弗雷蓋特”火箭發(fā)射了第7顆和第8顆“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星；3月28日，印度用“極軌衛(wèi)星”運(yùn)載火箭發(fā)射了“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”-1D；3月30日，我國(guó)首顆“北斗”全球?qū)Ш皆囼?yàn)衛(wèi)星由“長(zhǎng)征”-3C送入傾斜地球同步軌道。

世界各國(guó)井噴式發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星，這似乎意味著全球在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)已空前激烈。

美國(guó)加緊更新

自1978年10月6日第1顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上天以來，美國(guó)已有多種型號(hào)的GPS導(dǎo)航衛(wèi)星入軌。截至2014年底，美國(guó)先后發(fā)射了GPS-1、GPS-2、GPS-2A、GPS-2R、GPS-2RM、GPS-2F共6種衛(wèi)星系列，其中GPS-1為試驗(yàn)星，其他為工作星。

GPS是軍民兩用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但優(yōu)先為軍方服務(wù)。從1990年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)開始到現(xiàn)在，美國(guó)的一切軍事行動(dòng)幾乎都與衛(wèi)星定位系統(tǒng)有關(guān)。在軍事上，它至少有5項(xiàng)重要用途：為艦艇、飛機(jī)等武器平臺(tái)提供導(dǎo)航定位服務(wù)；協(xié)助武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確打擊；協(xié)助部隊(duì)規(guī)劃進(jìn)攻線路；支持人員救援行動(dòng)；提高衛(wèi)星自主定軌能力。導(dǎo)航衛(wèi)星的軍用與民用在技術(shù)原理上并不存在本質(zhì)區(qū)別，但軍用導(dǎo)航衛(wèi)星更強(qiáng)調(diào)信號(hào)的保密性、抗干擾能力和定位精度。

美國(guó)GPS星座由24顆工作衛(wèi)星和數(shù)顆備份衛(wèi)星組成，平均分布在6個(gè)軌道面上。每顆GPS衛(wèi)星都能不斷地以1575.42兆赫和1227.6兆赫兩種頻率同步為用戶發(fā)送測(cè)距信號(hào)和星歷表數(shù)據(jù)。

美國(guó)洛克希德·馬丁公司原計(jì)劃一共為美國(guó)空軍設(shè)計(jì)制造21顆GPS-2R衛(wèi)星，但后來由于在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)現(xiàn)GPS有明顯的軟肋—怕干擾，伊拉克用從俄羅斯購(gòu)買的GPS干擾機(jī)很容易地干擾了美國(guó)衛(wèi)星制導(dǎo)彈藥，使它們沒有打到預(yù)定的目標(biāo)，誤炸事件也屢有發(fā)生，所以美國(guó)將最后8顆GPS-2R進(jìn)行了現(xiàn)代化改進(jìn)，并命名為GPS-2RM，以便為美國(guó)在全球的軍方和民間GPS用戶提供不斷提升的導(dǎo)航能力。8顆GPS-2RM衛(wèi)星現(xiàn)已發(fā)射完畢。

在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)GPS之所以抗干擾能力較差，是由于GPS衛(wèi)星中調(diào)制信號(hào)的軍碼、民碼沒有分離，而捕獲其軍碼又需要民碼來引導(dǎo)，所以GPS接收機(jī)捕獲軍碼時(shí)間較長(zhǎng)，而且民碼較易被干擾。GPS-2RM可以使每顆衛(wèi)星有兩路新的軍用信號(hào)，而且能把軍用信號(hào)與民用信號(hào)徹底分離，實(shí)現(xiàn)了不需民用信號(hào)引導(dǎo)就可直接訪問軍用信號(hào)。這不但增加了軍用信號(hào)的安全性，而且由于實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)射功率的可重新分配，從而實(shí)現(xiàn)了拒絕、阻斷敵方使用GPS系統(tǒng)的能力，具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性能好的優(yōu)勢(shì)。

于2010年開始陸續(xù)發(fā)射的GPS-2F衛(wèi)星，除了具有GPS-2RM的功能外，還增加了1176.45兆赫的民用頻段，信號(hào)功率也提高了10倍，不僅有利于保障民航安全，改善電離層延遲誤差修正，還有利于載波相位模糊度的實(shí)時(shí)解算，削弱多路徑效應(yīng)的影響等。此外，GPS-2F衛(wèi)星還采用星間鏈路和自主導(dǎo)航新技術(shù)，使GPS衛(wèi)星可自主運(yùn)行60～180天。更先進(jìn)的星上原子鐘使衛(wèi)星授時(shí)精度達(dá)到8納秒。GPS-2F衛(wèi)星的抗核打擊能力也有所提高，設(shè)計(jì)壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)到15年，從而降低了成本。

從2017年開始，美國(guó)還將發(fā)射更先進(jìn)的GPS-3A。此后，美國(guó)的GPS布網(wǎng)頻率將會(huì)逐漸加快，衛(wèi)星的定位精度將會(huì)更高、抗干擾能力更強(qiáng)。

“弗雷蓋特”上面級(jí)與聯(lián)盟-ST火箭第3級(jí)分離

大多數(shù)美軍士兵現(xiàn)都配有GPS接收機(jī)

俄羅斯重振旗鼓

自2011年GLONASS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滿星座運(yùn)行以來，俄羅斯每年都持續(xù)發(fā)射新的GLONASS衛(wèi)星，以保證系統(tǒng)信號(hào)的完好性和全球覆蓋。到2014年底，GLONASS系統(tǒng)共有29顆衛(wèi)星，其中23顆衛(wèi)星在軌工作，3顆備用，2顆正在維護(hù)，還有1顆正處于試飛階段。

GLONASS由蘇聯(lián)/俄羅斯國(guó)防部獨(dú)立研制和控制，有24顆以上衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)可提供全球?qū)Ш椒?wù)。1982年10月12日，蘇聯(lián)發(fā)射了首顆GLONASS衛(wèi)星，1995年12月，俄羅斯正式建成了由24顆GLONASS衛(wèi)星構(gòu)成的導(dǎo)航星座，進(jìn)入實(shí)際工程應(yīng)用階段，可為全球海、陸、空以及近地空間的各種軍、民用戶，全天候連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，為俄軍實(shí)施聯(lián)合作戰(zhàn)、精確打擊、提高戰(zhàn)略威懾能力奠定了基礎(chǔ)。

至今，蘇聯(lián)/俄羅斯已發(fā)展了GLONASS、GLONASS-M、GLONASS-K三代導(dǎo)航衛(wèi)星，目前主要使用GLONASS-M。2003年開始發(fā)射的GLONASS-M雖然仍采用老式衛(wèi)星平臺(tái)，但改進(jìn)了星上原子鐘和其他關(guān)鍵元器件，配有升級(jí)型天線饋電系統(tǒng)和額外的民用導(dǎo)航頻率，提高了頻率穩(wěn)定度和系統(tǒng)的精度，衛(wèi)星的工作壽命延長(zhǎng)到7年，對(duì)確保GLONASS空間星座維持21～24顆工作衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)至關(guān)重要。另外，GLONASS-M衛(wèi)星具有更好的信號(hào)特性，能提供第2個(gè)民用導(dǎo)航信道，增強(qiáng)在軍用和民用的定位精度。

前兩代GLONASS衛(wèi)星采用頻分多址技術(shù)，即根據(jù)載波頻率來區(qū)分不同衛(wèi)星。軍用和民用的帶寬分別為5.11兆赫和0.511兆赫，定位精度10米，測(cè)速精度優(yōu)于0.01米/秒，授時(shí)精度為20納秒。現(xiàn)在，俄羅斯對(duì)GLONASS系統(tǒng)采用了軍民合用、不加密的開放政策。

2011年開始發(fā)射的GLONASS-K摒棄了GLONASS衛(wèi)星一貫采用的充氣、承力筒式結(jié)構(gòu)，改用了“快車”-1000平臺(tái)，與之前的GLONASS衛(wèi)星相比發(fā)生了根本變化?！翱燔嚒?1000采用框架式結(jié)構(gòu)，姿態(tài)控制精度為0.1°，位置保持精度為0.05°，在軌工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10～12年，每年只需進(jìn)行1～2次補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射就能保持星座長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。其質(zhì)量約750千克，比以往的衛(wèi)星輕一半以上，可用“聯(lián)盟”-2.1b新型火箭一次發(fā)射2顆，或用“質(zhì)子”火箭以“一箭六星”方式發(fā)射，降低了發(fā)射成本。每顆GLONASS-K可提供5個(gè)民用導(dǎo)航信號(hào)，定位精度達(dá)到5米，提高了它在全球民用導(dǎo)航市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。GLONASS-K不僅使用壽命長(zhǎng)、重量輕，還采用了新型銫原子鐘，定位精度和可靠性大幅提高，并配備有全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)。在衛(wèi)星通信識(shí)別上增加了2個(gè)碼分多址信號(hào)，與GPS之間具有更好的兼容性和可操作性，十分有利于開發(fā)民用市場(chǎng)。2025年前，俄羅斯將把27顆GLONASS-K全部送入太空，定位精度能達(dá)到3米，處于世界領(lǐng)先水平。俄羅斯還將研制更先進(jìn)的GLONASS-KM衛(wèi)星，方案正在制定之中，飛行試驗(yàn)將于2015年開始。

GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星

歐洲好事多磨

歐盟正在研制和發(fā)射的“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是世界上第一個(gè)完全向民用開放的全球性衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有很高的水平。它既可為公眾提供基本信號(hào)，也能為政府和軍方提供高度保密的信號(hào)，使“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品和服務(wù)能夠打入國(guó)際市場(chǎng)，并占有較大份額。歐盟最終將建成獨(dú)立的民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與GPS、GLONASS兼容，能提供局部輔助信息和搜索信息業(yè)務(wù)，綜合性能優(yōu)于現(xiàn)行的GPS。

建造“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是歐洲整體政策的重要組成部分，主要考慮政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)四大要素：在政治方面，它能體現(xiàn)歐洲的獨(dú)立和自主，加強(qiáng)歐洲的凝聚力和向心力，擴(kuò)大歐洲的世界影響，顯示實(shí)力；在經(jīng)濟(jì)方面，它可分享全球的衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)，在產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的每一環(huán)節(jié)上具備全球競(jìng)爭(zhēng)力，提高交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的效率，并增加高技術(shù)高智能人員的就業(yè)崗位；在技術(shù)方面，它可使歐洲的相關(guān)產(chǎn)業(yè)在國(guó)際上居于技術(shù)領(lǐng)先地位，并實(shí)現(xiàn)一系列技術(shù)的綜合探索和發(fā)展；在社會(huì)方面，它能為居民大眾提供更好的新服務(wù)，改進(jìn)運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性，有利于降低環(huán)境污染。

據(jù)了解，雖然“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先是針對(duì)民用的，但是其地面定位服務(wù)的設(shè)計(jì)誤差不超過1米，該系統(tǒng)的一些設(shè)計(jì)也優(yōu)于GPS。2011年9月13日，歐洲議會(huì)通過一項(xiàng)計(jì)劃，批準(zhǔn)了歐盟“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)作細(xì)節(jié)。根據(jù)這項(xiàng)計(jì)劃，“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將兼顧國(guó)防與民用目的。從2014年開始啟用的“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在為民用車輛與船舶提供衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的同時(shí)，也將為歐盟國(guó)家的警察與軍隊(duì)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，并為重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施、交通系統(tǒng)、緊急搜救等提供服務(wù)。因此，“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)必須提供高精準(zhǔn)和高可靠性的信號(hào)。這一計(jì)劃還確定了開發(fā)與此相關(guān)的導(dǎo)航設(shè)備、軟件及服務(wù)商的條件。

“伽利略”星座包括30顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星平均分布在相互間隔120°的3個(gè)傾斜軌道面上，每個(gè)軌道面部署9顆工作星和1顆在軌備份星，可提供全球連續(xù)覆蓋，地面最多可見衛(wèi)星數(shù)達(dá)13顆（截止高度角為5°）。

雖然“伽利略”與G P S、GLONASS都采用時(shí)間測(cè)距原理進(jìn)行導(dǎo)航定位，但它與后兩者相比存在較大的不同，具有一些優(yōu)越性。例如，“伽利略”星座的衛(wèi)星數(shù)量多，軌道位置高，軌道面少，覆蓋面積是GPS的2倍，所以可為更廣泛的人群提供衛(wèi)星導(dǎo)航，而且定位精度更高，抗干擾性更強(qiáng)?！百だ浴钡牧硪粋€(gè)優(yōu)勢(shì)在于，它能夠與GPS、GLONASS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)內(nèi)的相互兼容。

由于“伽利略”是多國(guó)合作項(xiàng)目，所以參與國(guó)經(jīng)常為各自利益相互爭(zhēng)執(zhí)，結(jié)果導(dǎo)致該項(xiàng)目建造日期比原計(jì)劃推遲多年。從2005年起，歐洲先后發(fā)射了GIOVE-A、GIOVE-B兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星，后來又成功把4顆“伽利略”衛(wèi)星送上太空。但是，在2014年8月22日用“聯(lián)盟”-ST火箭發(fā)射第5顆、第6顆“伽利略”衛(wèi)星時(shí)，由于火箭上面級(jí)出現(xiàn)故障，使這兩顆“伽利略”衛(wèi)星未能進(jìn)入預(yù)定軌道。此次事故也導(dǎo)致原定2014年發(fā)射的第7顆、第8顆“伽利略”衛(wèi)星延期到2015年3月才升空。

從目前情況看，“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在2018年完成全星座構(gòu)建的計(jì)劃似乎已無望，可能要等到2020年才行。不過，歐盟現(xiàn)已開始準(zhǔn)備研發(fā)第2代“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，計(jì)劃2022～2025年部署。

日本“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星-1的L頻段天線

印度積極推進(jìn)

從2013年7月2日起，印度先后成功將4顆“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”衛(wèi)星送入太空，達(dá)到讓該衛(wèi)星系統(tǒng)完全生效的最小衛(wèi)星數(shù)量?！坝《葏^(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”采用I-1k平臺(tái)，尺寸為1.58米×1.5米×1.5米，質(zhì)量分別為1432千克、1425.4千克，總功率1660瓦，壽命10年。預(yù)計(jì)在2016年前，印度還將發(fā)射3顆衛(wèi)星，從而建成總共由7顆衛(wèi)星組成的“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”。

“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”與美國(guó)GPS系統(tǒng)類似，通過多顆導(dǎo)航星的測(cè)量值定位，不過重點(diǎn)是為南亞和周圍水域進(jìn)行導(dǎo)航，應(yīng)用于海上交通、車輛與船舶的跟蹤、通信和測(cè)繪等民用領(lǐng)域，信號(hào)能夠覆蓋印度全境。它可為印度本國(guó)和印度大陸周邊1500千米的區(qū)域提供位置信息，可向所有用戶提供標(biāo)準(zhǔn)位置服務(wù)，并向授權(quán)用戶提供受限服務(wù)。它能應(yīng)用于導(dǎo)航服務(wù)、災(zāi)難管理、車輛跟蹤、艦隊(duì)管理、移動(dòng)電話集成、精確授時(shí)、測(cè)繪數(shù)據(jù)采集，為旅行者提供陸地導(dǎo)航援助，為駕駛?cè)藛T提供視頻和語音導(dǎo)航等。

目前，印度境內(nèi)已經(jīng)建立多達(dá)15個(gè)地面站，負(fù)責(zé)導(dǎo)航參數(shù)的生成和傳輸、衛(wèi)星控制、衛(wèi)星測(cè)距與監(jiān)視等?！坝《葏^(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”的7顆衛(wèi)星包括3顆定點(diǎn)在東經(jīng)34°、83°和132°的靜止軌道衛(wèi)星，以及4顆與赤道平面成29°傾角的地球同步軌道衛(wèi)星。通過這樣的軌道設(shè)計(jì)，它能最大限度地提高覆蓋區(qū)域內(nèi)的定位精度，并將所需衛(wèi)星數(shù)量降到最低?！坝《葏^(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”與美國(guó)GPS系統(tǒng)、歐洲“伽利略”星座兼容，未來還能進(jìn)一步擴(kuò)展，向全球提供導(dǎo)航服務(wù)，不過要打造這樣的全球版衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，印度至少還需要再發(fā)射十多顆衛(wèi)星。

日本的“準(zhǔn)天頂”

“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”是日本正在研發(fā)與建設(shè)的天基導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，也是日本建設(shè)自主區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的第一步。2010年9月13日，日本首顆“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星發(fā)射成功，并被命名為“指路”。該衛(wèi)星主承包商為日本三菱電氣公司，采用DS-2000衛(wèi)星平臺(tái)，呈長(zhǎng)方形，長(zhǎng)和寬均為3米左右，高約6米，功率6.7千瓦，質(zhì)量4100千克，設(shè)計(jì)壽命10年。它運(yùn)行在遠(yuǎn)地點(diǎn)38950千米、近地點(diǎn)32618千米、軌道傾角41°、周期23小時(shí)56分鐘的軌道上。在3顆“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星組成“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”后，可為在日本上空運(yùn)行的美國(guó)GPS衛(wèi)星提供輔助和增強(qiáng)功能。這3顆衛(wèi)星都運(yùn)行在傾斜地球同步軌道上，每顆衛(wèi)星每天在日本上空工作8小時(shí)，這樣3顆衛(wèi)星輪換交替，可使日本本土始終有1顆衛(wèi)星停留在靠近天空頂點(diǎn)的地方，從而保證任何時(shí)刻都有1顆“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星在日本的“天頂”當(dāng)班，在大樓林立的城市中心以及山谷地帶的用戶，能夠通過不會(huì)被遮擋的“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星來增強(qiáng)GPS在惡劣環(huán)境下的定位能力。

日本政府決定在2015～2020年期間發(fā)射3顆“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星，形成4顆衛(wèi)星體系，但這需要與美國(guó)的GPS衛(wèi)星配合才能正常運(yùn)行。若要獨(dú)自在日本上空保持不間斷定位，至少需要7顆衛(wèi)星。日本將力爭(zhēng)在2025年之前完成這7顆衛(wèi)星的組網(wǎng)。

結(jié) 語

全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域正呈現(xiàn)擺脫美國(guó)GPS系統(tǒng)一家獨(dú)霸的局面，進(jìn)入多系統(tǒng)共存的時(shí)代，并將提供精度更高、更完備的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)之間兼容與互操作能力的發(fā)展，將使全球衛(wèi)星導(dǎo)航用戶普遍受益。

責(zé)任編輯：劉靖鑫