李培升（中國(guó)航天工業(yè)科學(xué)技術(shù)咨詢有限公司）

美國(guó)GPS系統(tǒng)及其國(guó)際合作進(jìn)展

李培升（中國(guó)航天工業(yè)科學(xué)技術(shù)咨詢有限公司）

當(dāng)前世界各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)競(jìng)相發(fā)展。為適應(yīng)新的發(fā)展局面，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）供應(yīng)商紛紛利用各類多雙邊平臺(tái)開展國(guó)際協(xié)調(diào)，圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的國(guó)際合作不斷加深。

美國(guó)GPS自20世紀(jì)90年代建成以來，一方面不斷優(yōu)化星座結(jié)構(gòu)，進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，保持技術(shù)領(lǐng)先；另一方面也針對(duì)國(guó)際形勢(shì)不斷調(diào)整對(duì)外合作戰(zhàn)略，加強(qiáng)與其他系統(tǒng)間的對(duì)話與交流，通過各類多雙邊平臺(tái)積極擴(kuò)大國(guó)際合作范圍，從而維護(hù)其在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

GPS地面運(yùn)行控制系統(tǒng)全球分布圖

1　GPS系統(tǒng)發(fā)展情況

系統(tǒng)現(xiàn)狀

GPS空間段由分布在6個(gè)軌道面上的至少24顆衛(wèi)星組成標(biāo)準(zhǔn)星座，原采用“21+3”星座結(jié)構(gòu)，2011 年6月后采用“24+3”結(jié)構(gòu)。截止2015年3月，美國(guó)GPS系統(tǒng)共發(fā)射了兩代、七種型號(hào)衛(wèi)星，目前在軌衛(wèi)星31顆，其中30顆提供服務(wù)，1顆處于維護(hù)狀態(tài)。

GPS地面段由1個(gè)主控站、1個(gè)備用主控站、16個(gè)監(jiān)測(cè)站和12個(gè)地面天線組成。主控站位于哥倫比亞施里弗空軍基地，備用主控站在范登堡空軍基地，16個(gè)監(jiān)測(cè)站由6個(gè)運(yùn)行控制系統(tǒng)和10個(gè)國(guó)家地球空間情報(bào)局（NGA）監(jiān)測(cè)站組成，12個(gè)地面天線包括了4 個(gè)GPS天線和8個(gè)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)天線。當(dāng)前的系統(tǒng)運(yùn)行控制段已完成AEP5.9.2版和LADO2.11.2A版的部署。

GPS具備全天候、全天時(shí)提供高精度全球定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的能力，可提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和精密定位服務(wù)（PPS）。目前，GPS提供的導(dǎo)航信號(hào)包括傳統(tǒng)信號(hào)L1 C/A、L1 P（Y）、L2 P（Y），以及現(xiàn)代化信號(hào)L2C、L5、M碼。其中，L2C專用于滿足商業(yè)需求，經(jīng)電離層校正有較高的精度，2005年首次發(fā)射，計(jì)劃于2018年實(shí)現(xiàn)用24顆衛(wèi)星提供服務(wù)；L5用于滿足交通生命安全和相關(guān)完整性的要求，2010年首次發(fā)射，目前已有9顆GPS-2F衛(wèi)星在軌，計(jì)劃2021年左右實(shí)現(xiàn)用24顆衛(wèi)星提供服務(wù)。

2012年，GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的空間信號(hào)用戶測(cè)距誤差的均方根值用戶測(cè)距誤差已達(dá)到0.8m。軍用GPS精密定位服務(wù)的空間信號(hào)定位精度為0.8m（95%），在對(duì)一些GPS誤差校準(zhǔn)之后（例如采用與GPS和INS信號(hào)相關(guān)的最優(yōu)估計(jì)技術(shù)），精度能進(jìn)一步提高（實(shí)際用戶測(cè)離誤差約為0.57m，授時(shí)精度為10ns）。美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的測(cè)試表明：采用民用GPS接收機(jī)可在全球?qū)崿F(xiàn)約3m的定位精度，測(cè)速精度0.2m/s，授時(shí)精度優(yōu)于20ns。2013年1-8月全球GPS普通用戶的定位性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，大約有一半的用戶其平均定位精度可以達(dá)到1.56m，而95%的用戶的平均定位精度達(dá)到了2.43m。

GPS廣泛應(yīng)用于軍事、測(cè)繪、交通、農(nóng)業(yè)、公共安全與災(zāi)難救援、娛樂等多個(gè)領(lǐng)域。作為全球應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS接收機(jī)占據(jù)了全球?qū)Ш皆O(shè)備近90%的份額。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年全球GPS應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到903.5億美元，同比增長(zhǎng)25.8%，GPS民用/商用用戶達(dá)到10億。

未來發(fā)展計(jì)劃

根據(jù)計(jì)劃，2018年將完成8顆GPS-3A衛(wèi)星的發(fā)射；2024年前將完成16顆GPS-3B衛(wèi)星的發(fā)射；2030年前將完成16顆GPS-3C衛(wèi)星的發(fā)射。新一代運(yùn)行控制段建設(shè)將分4個(gè)階段進(jìn)行，第1、2階段將分別于2016、2018年完成，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的控制能力。

預(yù)計(jì)到2018年，將有24顆衛(wèi)星提供第2種民用信號(hào)（L2C），主要用于滿足商業(yè)需求，通過電離層校正，可以提供更高的精度，將為用戶產(chǎn)生50億美元的效益；預(yù)計(jì)到2021年，將有24顆衛(wèi)星提供第3種民用信號(hào)（L5），主要用于滿足日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸安全需求，采用受到高度保護(hù)的航空無線電服務(wù)（ARNS）頻段，通過采用新技術(shù)，可能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的全球定位精度；預(yù)計(jì)到2026年，將有24顆衛(wèi)星提供第4種民用信號(hào)（L1C），該信號(hào)主要目的是實(shí)現(xiàn)與國(guó)際伙伴間的互操作，是L1頻段的現(xiàn)代化民用信號(hào)，該信號(hào)可在惡劣的跟蹤環(huán)境中提高系統(tǒng)性能，可在多種用戶應(yīng)用中提供更加穩(wěn)健的導(dǎo)航服務(wù)。L1C信號(hào)將在2017年發(fā)射的GPS-3衛(wèi)星上首次提供。

GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)空間信號(hào)性能

GPS精密定位服務(wù)空間信號(hào)性能

GPS空間信號(hào)用戶測(cè)距誤差改進(jìn)情況

2　GPS國(guó)際合作進(jìn)展

在2010年奧巴馬總統(tǒng)簽署的美國(guó)國(guó)家航天政策中，鼓勵(lì)GPS與其他GNSS的國(guó)際合作，明確指出：“鼓勵(lì)與國(guó)外GNSS供應(yīng)商的兼容和互操作，倡導(dǎo)民用服務(wù)透明，確保市場(chǎng)向美國(guó)開放?！?/p>

該政策還規(guī)定，美國(guó)可以通過利用外國(guó)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，以提高和加強(qiáng)GPS的能力。目前，美國(guó)已與世界各國(guó)建立了廣泛的合作渠道，正在推動(dòng)建立衛(wèi)星導(dǎo)航國(guó)際秩序，試圖將各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展納入其視野。

歐盟

美國(guó)與歐盟及其成員國(guó)在2004年簽署了一項(xiàng)歷史性協(xié)議，建立了GPS和歐洲“伽利略”之間的合作，如今已在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域成為緊密的合作伙伴。合作的目的是為了全球民用用戶的利益，實(shí)現(xiàn)GPS和“伽利略”在用戶層面的互操作。該合作還旨在維護(hù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的公平貿(mào)易。

GPS-“伽利略”合作協(xié)議成立了4個(gè)工作組，主要涉及以下4個(gè)方面：①射頻兼容性和互操作性；②貿(mào)易和民用應(yīng)用；③下一代系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展；④有關(guān)GPS和“伽利略”的安全問題。

美歐簽署協(xié)議情況

續(xù) 表

俄羅斯

美國(guó)和俄羅斯之間的合作起源于2004年，目標(biāo)是在應(yīng)用層面實(shí)現(xiàn)GPS和GLONASS系統(tǒng)之間的互操作。為解決此問題，成立了兩個(gè)工作組，分別負(fù)責(zé)2個(gè)方面的工作：①射頻信號(hào)的兼容和互操作用于增強(qiáng)定位、導(dǎo)航和授時(shí)能力;②計(jì)劃GPS和GLONASS在搜索和救援能力技術(shù)層面的互操作。

美俄簽署協(xié)議情況

中國(guó)

在“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程建設(shè)之前，中美在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的合作主要以民間形式為主，內(nèi)容側(cè)重在衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)技術(shù)交流、市場(chǎng)應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面。

隨著工程的建設(shè)發(fā)展，以及國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航格局的演變，中美在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域政府層面的溝通和合作日趨增多。2007年6月-2009年9月，中美關(guān)于“北斗”和GPS系統(tǒng)共進(jìn)行了5次頻率協(xié)調(diào)，在國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）框架下完成了頻率協(xié)調(diào)工作。2009年以來，美國(guó)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)（ICG）、衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)等多種場(chǎng)合表示與我國(guó)在民用GNSS領(lǐng)域雙邊對(duì)話合作意愿。議題主要集中在互操作、GNSS民用服務(wù)政策、干擾監(jiān)測(cè)與減輕、GNSS在民用交通領(lǐng)域的應(yīng)用等多個(gè)方面。

2014年5月，中美衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)首次會(huì)談在北京舉行。 圍繞“北斗”與GPS民用信號(hào)兼容與互操作、“北斗”與GPS天基增強(qiáng)系統(tǒng)及其民航應(yīng)用、監(jiān)測(cè)評(píng)估、頻譜保護(hù)、干擾監(jiān)測(cè)與削弱等進(jìn)行了交流，建立了衛(wèi)星導(dǎo)航合作機(jī)制，簽署了《中美民用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)合合作聲明》。此次會(huì)談?wù)介_啟了兩系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航合作的序幕，在兩系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程中具有重要的里程碑意義。

日本

自1998年以來，美國(guó)和日本在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域建立了成功的合作關(guān)系，兩國(guó)元首簽署了利用GPS的聯(lián)合聲明。通過這種關(guān)系，兩國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了GPS與日本MSAS系統(tǒng)之間的互操作，雙方還采取措施，確保下一代GPS星座和日本的設(shè)計(jì)用來補(bǔ)充GPS在東亞地區(qū)的“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）的互操作。

美日簽署協(xié)議情況

續(xù) 表

印度

2007年，美國(guó)與印度簽署了一項(xiàng)聯(lián)合聲明，開始了在GPS及其增強(qiáng)系統(tǒng)方面的合作，主要是努力實(shí)現(xiàn)GPS與印度的“GPS和地球?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)”（GAGAN）之間的互操作。

澳大利亞

2007年，美國(guó)與澳大利亞簽署了一項(xiàng)聯(lián)合聲明，開始了在GPS及其增強(qiáng)系統(tǒng)方面的合作，主要是努力實(shí)現(xiàn)GPS與澳大利亞“地面增強(qiáng)系統(tǒng)”（GBAS）之間的互操作。

英國(guó)

英國(guó)作為歐盟的成員國(guó)，通過“伽利略”與GPS開展合作；另外，在需要的時(shí)候，美國(guó)和英國(guó)政府會(huì)就GPS的相關(guān)事宜進(jìn)行雙邊討論。

美澳簽署合作文件情況

美英簽署協(xié)議情況

GPS國(guó)際合作成果文件一覽表

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)

2005年，通過聯(lián)合國(guó)外空司成立了ICG，美國(guó)是創(chuàng)始成員。ICG是在聯(lián)合國(guó)框架下成立的政府間國(guó)際組織，旨在提升與民用衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)相關(guān)的自愿合作，鼓勵(lì)全球和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)供應(yīng)商之間開展協(xié)調(diào)，以確保更好的兼容性、互操作性和透明度，并在包括發(fā)展中國(guó)家在內(nèi)的地區(qū)推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航及其增強(qiáng)服務(wù)的普及和使用；同時(shí)也致力于通過鼓勵(lì)協(xié)調(diào)和作為國(guó)際信息交流的焦點(diǎn)，來協(xié)助GNSS用戶發(fā)展計(jì)劃和應(yīng)用。美國(guó)是ICG供應(yīng)商論壇及衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的全球供應(yīng)商之間的多邊互動(dòng)的重要成員。

其他國(guó)際組織

除了ICG ，美國(guó)還與其他多邊機(jī)構(gòu)共同解決衛(wèi)星導(dǎo)航問題，包括國(guó)際民用航空組織（ICAO）、國(guó)際海事組織（IMO）、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)、亞太經(jīng)合組織（A P E C）、北大西洋公約組織、世界貿(mào)易組織（WTO）。

綜上所述，有理由相信美國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的對(duì)外合作是依據(jù)戰(zhàn)略互信程度和重要性分為不同等級(jí)的。對(duì)于歐盟、日本、印度，美國(guó)與之深入交流，從系統(tǒng)到應(yīng)用開展多方面的合作；對(duì)于潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的俄羅斯，美國(guó)則通過建立溝通機(jī)制，保持對(duì)話交流，探討共同關(guān)注的技術(shù)層面的問題；對(duì)于其他未擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，美國(guó)主打拓展GPS應(yīng)用，占領(lǐng)市場(chǎng)的方針。同時(shí)，美國(guó)還積極利用各種國(guó)際場(chǎng)合和舞臺(tái)，掌握話語權(quán)和行動(dòng)機(jī)會(huì)，努力主導(dǎo)ICG活動(dòng)，提出了兼容與互操作、面向用戶的服務(wù)承諾、倡導(dǎo)開放市場(chǎng)、干擾檢測(cè)與減輕等主張，從而給新興衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置門檻，以便建立以GPS為標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)則或秩序，保持其優(yōu)勢(shì)地位。

3　結(jié)語

長(zhǎng)期以來，美國(guó)一直試圖建立以其為主導(dǎo)的空間秩序，通過全面利用、控制空間，謀求維持“一超獨(dú)霸”的空間地位。美國(guó)將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為其空間實(shí)力的核心體現(xiàn)，采取戰(zhàn)略謀劃及體系設(shè)計(jì)，保持美國(guó)在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)、供應(yīng)和應(yīng)用方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，從而主導(dǎo)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展。

對(duì)于如何對(duì)待正在崛起的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，美國(guó)國(guó)內(nèi)持有不同的看法。2011年，在美國(guó)國(guó)家PNT咨詢委員會(huì)第8次全體會(huì)議上，專門對(duì)與“北斗”進(jìn)行合作的問題展開了探討。被譽(yù)為“GPS之父”的斯坦福大學(xué)名譽(yù)教授布拉德福德·帕金森（Bradford W. Parkinson）等人力促與中國(guó)開展接觸與交流，并希望以此進(jìn)一步了解“北斗”系統(tǒng)性能參數(shù)和運(yùn)行情況；咨詢委員會(huì)成員羅伯特·赫曼恩（Robert. Hermann）等人則對(duì)與中國(guó)合作持謹(jǐn)慎態(tài)度，認(rèn)為“一個(gè)有著35顆衛(wèi)星的中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將挑戰(zhàn)我們的想象”。

當(dāng)前，“北斗”區(qū)域系統(tǒng)已經(jīng)組網(wǎng)完成，正在推進(jìn)全球系統(tǒng)建設(shè)?！氨倍贰毕到y(tǒng)既是國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也將面向全球、面向國(guó)際用戶提供服務(wù)，這也體現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開放屬性。隨著國(guó)際GNSS的發(fā)展，多系統(tǒng)兼容共用成為未來發(fā)展趨勢(shì)，“北斗”在成長(zhǎng)為“世界的北斗”過程中需不斷參與國(guó)際社會(huì)活動(dòng)，積極開展系統(tǒng)間協(xié)調(diào)與合作，這既是全球系統(tǒng)建設(shè)的要求，也是國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展的必然。因此，積極融入國(guó)際社會(huì)，主動(dòng)開展多方位的國(guó)際合作已成為“北斗”新階段發(fā)展的必然選擇，這也為“北斗”的國(guó)際工作提出了更高要求。

U.S. GPS and Its International Cooperation Progress