全球衛星導航定位系統發展到什么程度了?

作者單位為國家測繪地理信息局測繪發展研究中心

一、全球導航衛星總體情況

衛星導航定位系統是國民經濟信息化建設的重要組成部分和推進力量，直接關系到國家安全、經濟發展。自20世紀70 年代全球定位系統(GPS)的出現，經過近40年的快速發展，衛星導航定位技術及其產品已在車輛導航、應急反應、工程測量、變形監測、地殼運動監測、市政規劃控制、遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調度與導航、海洋救援、海平面升降監測、飛機導航、航空遙感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等諸多領域得到廣泛應用，發揮了重要作用。

目前，國際上共有六大衛星導航定位系統，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、中國的“北斗”，以及印度區域導航衛星系統 (IRNSS)、日本準天頂(QZSS)衛星導航定位系統。其中，GPS、GLONASS、GALILEO和“北斗”是全球范圍的衛星導航定位系統，IRNSS和QZSS是區域衛星導航定位系統。最近幾年，世界各國紛紛加快了衛星導航定位系統的建設步伐，截至2016年4月1日，全球共有在軌運行導航衛星97顆（詳情見表1）。

表1 全球導航衛星系統在軌運行情況

二、美國GPS系統發展歷程及現狀

1973年12月，美國國防部批準陸、海、空三軍聯合研制第二代衛星導航系統——全球定位系統（GPS）。自1978年首顆GPS衛星升空至今，GPS共發展了三代，第一代為試驗衛星；第二代為工作衛星和現代化改進衛星；第三代即為正在發展的GPS Ⅲ系列衛星(見表2)。

表2 GPS衛星發展情況

GPS是軍民兩用衛星，能在任何時間對地球任何位置進行精確定位。其中，GPS BlockⅡR 于1997年開始取代舊的BlockⅡ、ⅡA定位衛星，第一顆BLOCKⅡR-M兩頻道軍用星于2004年發射，下一代第三頻道BLOCKⅡF星于2006年發射（設計壽命延長，有更快的處理器和新的民用信號）。至2015年10月31日，美國空軍完成了BLOCKⅡF星12顆發射任務中的第11顆衛星發射任務。同時，美國空軍官員在BLOCKⅡF第11顆衛星發射前的一次會議上宣稱，該系列的最后一顆衛星將在2016年上半年完成。

除此之外，早在2005年11月23日，美國國防科學委員會的特別任務組，就提出建設第三代GPS（GPS Ⅲ）的建議。2008年5月，美國著名的航空航天制造商洛克希德·馬丁公司獲得GPS ⅢA衛星合同，就此正式開啟了第三代GPS之路。2012年11月，洛克希德·馬丁公司完成GPSⅢ非飛行衛星測試平臺導航有效載荷的熱真空試驗。2012年10月，洛克希德·馬丁公司完成了整個GPS Ⅲ計劃中前3顆衛星的研制，并為發射做好了全天24小時的彩排。根據相關計劃，GPS Ⅲ的首顆衛星SV1原定2014年發射，但是截至目前仍未發射。預計將在完成現代化改進衛星BLOCKⅡF的最后一顆衛星發射任務之后，開啟GPS Ⅲ的發射計劃。據悉，GPSⅢ衛星包括GPSⅢA、GPSⅢB和GPSⅢC等三個型號；其定位精度將由現有的6米（20英尺）提升至0.63米；抗干擾能力提高近8倍；徹底實現民用頻段和軍用頻段的分離等。

三、俄羅斯GLONASS系統發展歷程及現狀

早在20世紀60年代，前蘇聯軍方迫切需要一個衛星無線電導航系統(SRNS)用于規劃中的新一代彈道導彈的精確導引。而當時已有的Tsiklon衛星導航系統接收站需要好幾分鐘的觀測才能確定一個位置，因此不能達到導航定位的目的。為此，1968-1969年，前蘇聯國防部、科學院和海軍的一些研究所聯合起來要為海、陸、空、天武裝力量建立一個單一的解決方案。1970年這個系統的需求文件編制完成。進一步研究之后，前蘇聯在1976年頒布法令建立GLONASS系統(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)。

1976年，前蘇聯正式啟動了格洛納斯項目。1982年10月12日，前蘇聯成功發射第一顆GLONASS試驗衛星，正式開啟全球衛星導航定位系統建設之路。從1982年到1987年間，格洛納斯系統共計成功發射了包括早期原型衛星在內的30顆衛星，實際平均壽命不過22個月，最終在軌可用衛星只有9顆。從1988年開始，前蘇聯進一步改進衛星版本（衛星重量1400千克，采用三軸穩定技術和精密銫原子鐘，設計壽命提高到36個月），直到1993年9月24日該系統開始服役，再到1996年1月18日俄羅斯官方正式宣布完成由24顆GLONASS導航衛星構成的星座的組網工作。當時GLONASS沒有加SA干擾，其民用精度優于加SA的GPS，不過，俄羅斯方面遲遲都沒有開發民用市場，再加上經濟形勢變化帶來的后續衛星補足的擱置，使得其應用普及情況遠不及GPS。

之后在21世紀前幾年，GLONASS在軌可用衛星越來越少，一度都不到10顆在工作，不能獨立組網。隨著2003年伊拉克戰爭爆發帶來的沖擊思考以及經濟發展形勢的逐漸好轉，俄羅斯重啟GLONASS星座組網進程。2009年1月底，GLONASS信號再次覆蓋俄羅斯全境，在軌運行衛星數量達到18顆，全部都是第二代“格洛納斯－M”衛星，正式開始為俄羅斯全境提供衛星導航定位服務。截至2012年2月1日，俄羅斯正式建成GLONASS系統，實現全球覆蓋，共有31顆衛星在軌，24顆正常運行，3顆即將投入運行，2顆處于維護中，1顆正在試驗，1顆備用。

目前，俄羅斯正在加快推進GLONASS的現代化進程，其中，2011年2月26日成功發射了首顆“格洛納斯－K”全球導航系統衛星。其是俄羅斯生產的第三代全球導航系統衛星，比第二代“格洛納斯－M”衛星服役期限更長，從原來的5至7年延長至10年至12年；重量更輕，從原先的1415公斤減輕至935公斤；星載原子鐘精度將達到1E-14秒，為提高定位精度提供了潛力。同時，為了便于和GPS兼容，“格洛納斯-K”衛星除了使用“格洛納斯-M”上的L1和L2頻段頻分多址信號外，還增加了碼分多址的L1、L2、L3信號。

此外，2012年，俄羅斯政府批準了《GLonASS 系統2012-2020 年維護、發展以及應用計劃》，總投資高達3465 億盧布(約合120億美元)，用于未來2012-2020 年GLONASS系統的維護、發展、應用。到2020 年將GLonASS 系統星座在軌運行衛星數量增加至30 顆，使導航定位精度從9英尺（約2.7米）提升至2英尺（約0.6米）。

四、歐洲Galileo 系統發展歷程及現狀

早在20世紀90年代后期，歐盟就著手制定伽利略衛星導航系統計劃，計劃到2008年建成由27顆工作星+3顆備份星組成的全球衛星導航定位系統。2002年，伽利略計劃被歐盟正式批準為戰略科研項目。但是隨后由于技術、資金等多方面問題，導致該項目進展緩慢，按照目前的進度和最新計劃，“伽利略”衛星導航系統預計到2020年左右建成，比最初預期的推遲近10年。

Galileo 系統是世界上第一個基于民用的全球衛星導航定位系統，衛星設計壽命不少于12年。在實際建設進程方面，2005年12月28日，伽利略計劃的首顆實驗衛星“GIOVE—A”被順利送入太空軌道，2008年4月27日伽利略第二顆實驗衛星“GIOVE—B”發射升空。隨后從2011年開始至今，陸續成功發射了12顆Galileo衛星（詳情見表3）。根據歐空局官網信息，預計Galileo 系統將從2016年開始陸續提供公開服務(免費)、公共特許服務、搜索與救援服務等三種服務，等到2020 年系統完全建成后，還將提供高精度的授權商業服務和生命安全服務等服務。

表3 歐洲Galileo衛星發射進程情況

五、中國“北斗”衛星導航系統

“北斗”衛星導航定位系統是中國自主建設、獨立運行，并與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航定位系統。2007 年發射第1顆中圓地球軌道衛星(COMPASS-M1)，到2012年系統實現了由14 顆衛星構成的區域導航系統。截至2016年4月1日，已經成功發射22顆北斗導航衛星，18顆在軌正常運行。

預計到2020年，將全面建成“北斗”衛星導航全球系統，形成全球覆蓋能力。建成后將為全球用戶提供衛星定位、導航和授時服務，并為我國及周邊地區用戶提供定位精度1m 的廣域差分服務和120個漢字/次的短報文通信服務。

六、印度區域衛星導航系統(IRNSS)

根據印度空間研究組織網2006年7月6日報道，印度空間研究組織(ISRO)2006年7月4日宣布，印度將籌劃研發本國衛星導航系統——印度區域導航衛星系統(IRNSS)。印度區域衛星導航系統(IRNSS)由3 顆GEO衛星(分別定位于東經34°、83°和132°) 和4顆傾角為29°(近地點250km，遠地點24000km)的IGSO衛星組成， 衛星的設計壽命將不少于7年，覆蓋范圍為東經40～140°和緯度±40°之間大約1500公里內的區域，包括南亞次大陸及周邊地區，提供的標準服務定位精度優于10m(境外2000公里范圍20m)。

從2013年7月2日開始至2016年4月1日，印度已先后成功發射6顆IRNSS衛星(見表4)，最后1顆IRNSS衛星也將在今年內發射，預計2016年全面完成IRNSS星座組網計劃，并開始提供衛星導航定位服務。

表4 印度IRNSS建設情況

七、日本“準天頂”( Quasi-Zenith) 衛星導航系統

2000年6月，日本宇宙開發委員會提交了一份題為《改進日本航天開發體制，擴展航天利用新領域》的報告，決定執行空間基礎設施(I—SPACE)計劃。“準天頂”衛星導航系統正是“I—SPACE”計劃要重點開發的三個系統之一，其是一個兼具導航定位、移動通信和廣播功能的衛星系統，旨在為在日本上空運行的美國GPS衛星提供“輔助增強”功能，提高導航定位信號接收的質量和精度，使民用信號的精度從十米級別提升至一米以內。

根據早些時候的系統建設計劃，該系統由3顆“準天頂”衛星和1顆靜止衛星組成。2008年11月，日本官房長官河村建夫在東京召開的“2008年GPS/GNSS國際會議”上曾表示，“衛星定位系統作為國家的基礎設施，已經受到日本政府的高度重視。如果把日本現在開發中的‘準天頂’衛星導航系統的衛星數量從3顆追加到6顆，再加上1顆靜止衛星就能構成日本自主的區域衛星導航系統”。

2010年9月11日，日本在種子島宇宙中心使用H-2A火箭發射了首顆本國自主研發的“準天頂”定位衛星“引路號”，設計壽命為10年。截至到2016年4月1日，日本還只是發射了一顆“準天頂”衛星，根據日本政府先前的計劃，預計到2020年將建成由6顆“準天頂”衛星和1顆靜止衛星組成的區域導航定位系統。