全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展到什么程度了?

作者單位為國家測繪地理信息局測繪發(fā)展研究中心

一、全球?qū)Ш叫l(wèi)星總體情況

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)信息化建設(shè)的重要組成部分和推進(jìn)力量，直接關(guān)系到國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。自20世紀(jì)70 年代全球定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)，經(jīng)過近40年的快速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)及其產(chǎn)品已在車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反應(yīng)、工程測量、變形監(jiān)測、地殼運(yùn)動監(jiān)測、市政規(guī)劃控制、遠(yuǎn)洋船最佳航程航線測定、船只實(shí)時調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海平面升降監(jiān)測、飛機(jī)導(dǎo)航、航空遙感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護(hù)探測等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了重要作用。

目前，國際上共有六大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，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(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (IRNSS)、日本準(zhǔn)天頂(QZSS)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其中，GPS、GLONASS、GALILEO和“北斗”是全球范圍的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，IRNSS和QZSS是區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。最近幾年，世界各國紛紛加快了衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建設(shè)步伐，截至2016年4月1日，全球共有在軌運(yùn)行導(dǎo)航衛(wèi)星97顆（詳情見表1）。

表1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在軌運(yùn)行情況

二、美國GPS系統(tǒng)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1973年12月，美國國防部批準(zhǔn)陸、海、空三軍聯(lián)合研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——全球定位系統(tǒng)（GPS）。自1978年首顆GPS衛(wèi)星升空至今，GPS共發(fā)展了三代，第一代為試驗(yàn)衛(wèi)星；第二代為工作衛(wèi)星和現(xiàn)代化改進(jìn)衛(wèi)星；第三代即為正在發(fā)展的GPS Ⅲ系列衛(wèi)星(見表2)。

表2 GPS衛(wèi)星發(fā)展情況

GPS是軍民兩用衛(wèi)星，能在任何時間對地球任何位置進(jìn)行精確定位。其中，GPS BlockⅡR 于1997年開始取代舊的BlockⅡ、ⅡA定位衛(wèi)星，第一顆BLOCKⅡR-M兩頻道軍用星于2004年發(fā)射，下一代第三頻道BLOCKⅡF星于2006年發(fā)射（設(shè)計(jì)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(fā)射任務(wù)中的第11顆衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。同時，美國空軍官員在BLOCKⅡF第11顆衛(wèi)星發(fā)射前的一次會議上宣稱，該系列的最后一顆衛(wèi)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(xué)委員會的特別任務(wù)組，就提出建設(shè)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(wèi)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(wèi)星測試平臺導(dǎo)航有效載荷的熱真空試驗(yàn)。2012年10月，洛克希德·馬丁公司完成了整個GPS Ⅲ計(jì)劃中前3顆衛(wèi)星的研制，并為發(fā)射做好了全天24小時的彩排。根據(jù)相關(guān)計(jì)劃，GPS Ⅲ的首顆衛(wèi)星SV1原定2014年發(fā)射，但是截至目前仍未發(fā)射。預(yù)計(jì)將在完成現(xiàn)代化改進(jìn)衛(wèi)星BLOCKⅡF的最后一顆衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)之后，開啟GPS Ⅲ的發(fā)射計(jì)劃。據(jù)悉，GPSⅢ衛(wèi)星包括GPSⅢA、GPSⅢB和GPSⅢC等三個型號；其定位精度將由現(xiàn)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(shí)現(xiàn)民用頻段和軍用頻段的分離等。

三、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)軍方迫切需要一個衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(SRNS)用于規(guī)劃中的新一代彈道導(dǎo)彈的精確導(dǎo)引。而當(dāng)時已有的Tsiklon衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(dá)到導(dǎo)航定位的目的。為此，1968-1969年，前蘇聯(lián)國防部、科學(xué)院和海軍的一些研究所聯(lián)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(tǒng)的需求文件編制完成。進(jìn)一步研究之后，前蘇聯(lián)在1976年頒布法令建立GLONASS系統(tǒng)(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)。

1976年，前蘇聯(lián)正式啟動了格洛納斯項(xiàng)目。1982年10月12日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆GLONASS試驗(yàn)衛(wèi)星，正式開啟全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)建設(shè)之路。從1982年到1987年間，格洛納斯系統(tǒng)共計(jì)成功發(fā)射了包括早期原型衛(wèi)星在內(nèi)的30顆衛(wèi)星，實(shí)際平均壽命不過22個月，最終在軌可用衛(wèi)星只有9顆。從1988年開始，前蘇聯(lián)進(jìn)一步改進(jìn)衛(wèi)星版本（衛(wèi)星重量1400千克，采用三軸穩(wěn)定技術(shù)和精密銫原子鐘，設(shè)計(jì)壽命提高到36個月），直到1993年9月24日該系統(tǒng)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(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成的星座的組網(wǎng)工作。當(dāng)時GLONASS沒有加SA干擾，其民用精度優(yōu)于加SA的GPS，不過，俄羅斯方面遲遲都沒有開發(fā)民用市場，再加上經(jīng)濟(jì)形勢變化帶來的后續(xù)衛(wèi)星補(bǔ)足的擱置，使得其應(yīng)用普及情況遠(yuǎn)不及GPS。

之后在21世紀(jì)前幾年，GLONASS在軌可用衛(wèi)星越來越少，一度都不到10顆在工作，不能獨(dú)立組網(wǎng)。隨著2003年伊拉克戰(zhàn)爭爆發(fā)帶來的沖擊思考以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢的逐漸好轉(zhuǎn)，俄羅斯重啟GLONASS星座組網(wǎng)進(jìn)程。2009年1月底，GLONASS信號再次覆蓋俄羅斯全境，在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到18顆，全部都是第二代“格洛納斯－M”衛(wèi)星，正式開始為俄羅斯全境提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)。截至2012年2月1日，俄羅斯正式建成GLONASS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，共有31顆衛(wèi)星在軌，24顆正常運(yùn)行，3顆即將投入運(yùn)行，2顆處于維護(hù)中，1顆正在試驗(yàn)，1顆備用。

目前，俄羅斯正在加快推進(jìn)GLONASS的現(xiàn)代化進(jìn)程，其中，2011年2月26日成功發(fā)射了首顆“格洛納斯－K”全球?qū)Ш较到y(tǒng)衛(wèi)星。其是俄羅斯生產(chǎn)的第三代全球?qū)Ш较到y(tǒng)衛(wèi)星，比第二代“格洛納斯－M”衛(wèi)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(dá)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(wèi)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(zhǔn)了《GLonASS 系統(tǒng)2012-2020 年維護(hù)、發(fā)展以及應(yīng)用計(jì)劃》，總投資高達(dá)3465 億盧布(約合120億美元)，用于未來2012-2020 年GLONASS系統(tǒng)的維護(hù)、發(fā)展、應(yīng)用。到2020 年將GLonASS 系統(tǒng)星座在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量增加至30 顆，使導(dǎo)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(tǒng)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)90年代后期，歐盟就著手制定伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃，計(jì)劃到2008年建成由27顆工作星+3顆備份星組成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2002年，伽利略計(jì)劃被歐盟正式批準(zhǔn)為戰(zhàn)略科研項(xiàng)目。但是隨后由于技術(shù)、資金等多方面問題，導(dǎo)致該項(xiàng)目進(jìn)展緩慢，按照目前的進(jìn)度和最新計(jì)劃，“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)計(jì)到2020年左右建成，比最初預(yù)期的推遲近10年。

Galileo 系統(tǒng)是世界上第一個基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命不少于12年。在實(shí)際建設(shè)進(jìn)程方面，2005年12月28日，伽利略計(jì)劃的首顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“GIOVE—B”發(fā)射升空。隨后從2011年開始至今，陸續(xù)成功發(fā)射了12顆Galileo衛(wèi)星（詳情見表3）。根據(jù)歐空局官網(wǎng)信息，預(yù)計(jì)Galileo 系統(tǒng)將從2016年開始陸續(xù)提供公開服務(wù)(免費(fèi))、公共特許服務(wù)、搜索與救援服務(wù)等三種服務(wù)，等到2020 年系統(tǒng)完全建成后，還將提供高精度的授權(quán)商業(yè)服務(wù)和生命安全服務(wù)等服務(wù)。

表3 歐洲Galileo衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)程情況

五、中國“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2007 年發(fā)射第1顆中圓地球軌道衛(wèi)星(COMPASS-M1)，到2012年系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由14 顆衛(wèi)星構(gòu)成的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。截至2016年4月1日，已經(jīng)成功發(fā)射22顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，18顆在軌正常運(yùn)行。

預(yù)計(jì)到2020年，將全面建成“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航全球系統(tǒng)，形成全球覆蓋能力。建成后將為全球用戶提供衛(wèi)星定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，并為我國及周邊地區(qū)用戶提供定位精度1m 的廣域差分服務(wù)和120個漢字/次的短報(bào)文通信服務(wù)。

六、印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(IRNSS)

根據(jù)印度空間研究組織網(wǎng)2006年7月6日報(bào)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(fā)本國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(IRNSS)。印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(IRNSS)由3 顆GEO衛(wèi)星(分別定位于東經(jīng)34°、83°和132°) 和4顆傾角為29°(近地點(diǎn)250km，遠(yuǎn)地點(diǎn)24000km)的IGSO衛(wèi)星組成， 衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命將不少于7年，覆蓋范圍為東經(jīng)40～140°和緯度±40°之間大約1500公里內(nèi)的區(qū)域，包括南亞次大陸及周邊地區(qū)，提供的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)定位精度優(yōu)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(fā)射6顆IRNSS衛(wèi)星(見表4)，最后1顆IRNSS衛(wèi)星也將在今年內(nèi)發(fā)射，預(yù)計(jì)2016年全面完成IRNSS星座組網(wǎng)計(jì)劃，并開始提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)。

表4 印度IRNSS建設(shè)情況

七、日本“準(zhǔn)天頂”( Quasi-Zenith) 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

2000年6月，日本宇宙開發(fā)委員會提交了一份題為《改進(jìn)日本航天開發(fā)體制，擴(kuò)展航天利用新領(lǐng)域》的報(bào)告，決定執(zhí)行空間基礎(chǔ)設(shè)施(I—SPACE)計(jì)劃。“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正是“I—SPACE”計(jì)劃要重點(diǎn)開發(fā)的三個系統(tǒng)之一，其是一個兼具導(dǎo)航定位、移動通信和廣播功能的衛(wèi)星系統(tǒng)，旨在為在日本上空運(yùn)行的美國GPS衛(wèi)星提供“輔助增強(qiáng)”功能，提高導(dǎo)航定位信號接收的質(zhì)量和精度，使民用信號的精度從十米級別提升至一米以內(nèi)。

根據(jù)早些時候的系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃，該系統(tǒng)由3顆“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星和1顆靜止衛(wèi)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(wèi)星定位系統(tǒng)作為國家的基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)受到日本政府的高度重視。如果把日本現(xiàn)在開發(fā)中的‘準(zhǔn)天頂’衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量從3顆追加到6顆，再加上1顆靜止衛(wèi)星就能構(gòu)成日本自主的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”。

2010年9月11日，日本在種子島宇宙中心使用H-2A火箭發(fā)射了首顆本國自主研發(fā)的“準(zhǔn)天頂”定位衛(wèi)星“引路號”，設(shè)計(jì)壽命為10年。截至到2016年4月1日，日本還只是發(fā)射了一顆“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星，根據(jù)日本政府先前的計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2020年將建成由6顆“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星和1顆靜止衛(wèi)星組成的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。