一、引言
卫星导航定位系统是以人造卫星作为导航台的星基无线电定位系统,能为全球陆、海、空、天的各类军用和民用载体提供全天候、24小时的三维位置、速度和时间信息。卫星导航定位系统与各个领域息息相关。有鉴于此,美国、俄罗斯、欧盟和日本等发达国家和地区都纷纷投入到这类系统的研制当中。
目前国外已投入使用的卫星导航定位系统有两个,即美国的“全球定位系统”(GPS)和俄罗斯的“全球导航卫星系统”(GLONASS)。欧盟和日本出于自身利益,分别于2002年3月和8月宣布将建立自己的卫星导航定位系统。
二、原理及特点
卫星导航定位系统一般由空间部分、地面支撑系统和用户设备三个独立的部分组成。其基本定位原理是:卫星星座在高空绕地球旋转的同时不断发送编码信号;每个卫星内有四个原子钟以确保时间准确;接收装置通过比较接收到的各卫星信号时间的差值,可以计算出经度、纬度、高度以及时间和速度等精确信息。
卫星导航定位系统特点主要有以下几点:(1)定位精度高。单机定位精度在10米以内;采用差分定位,精度可达厘米级和毫米级。(2)观测时间短,操作简便。一般定位工作可在几十秒内完成,各种装置的操作控制日趋智能化和简单化。(3)覆盖全球,全天候作业。卫星导航定位系统能为全球用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间信息,不受天气的影响。(4)功能多,用途广。卫星导航定位系统已进入测量、监控和通信等各种行业,应用领域不断扩大。
三、美国的GPS系统
及其进展
1、研制背景及政策回顾
美国从1973起开始研制GPS系统。经过三个阶段的研究试验,该系统于1988年定型投产,1993年12月达到初始工作能力。整个研发工作历时20年,耗资170亿美元。GPS系统由均匀分布在6个轨道平面内的24颗卫星组成。
GPS研制初期完全是基于军事需要,后来发现民用市场潜力巨大,又逐渐建立了民用市场。美国军方为GPS设计了两种伪随机代码,即P码(精测码)和C/A(粗测码),并明确宣布P码只供美国及盟国的军事和特殊用户使用,C/A码无差别地供世界用户使用。C/A码接收机的定位精度也达到了10米。美国担心敌国会利用此码对其构成威胁,于是增加了选择可用性措施,简称SA,人为降低了C/A码的定位精度。
在形成上述政策的同时,美国不得不注意到民用利益的损害,加上欧盟宣布建立“伽利略”系统,促使美国对民用GPS政策做出了调整。美国向国际民用社团承诺,将提供连续的GPS服务,并宣布将逐渐取消SA。
2、加强GPS的军事应用
新出现的信息战学说改变了美国认为GPS只适于导航的看法。他们意识到,GPS不仅对于交通运输来说十分重要,而且对于目标瞄准、精确制导武器的使用、指挥与控制系统的通信以及授时系统都至关重要。因此美国于1996年制定了“GPS导航作战”计划,加强了GPS的军事应用。
海湾战争为GPS提供了大展身手的舞台。GPS的贡献主要表现在三个方面:第一,在空袭作战中,它促成了更为准确的轰炸。不管是在轰炸机上使用,还是集成在“防区外对陆攻击导弹”(SLAM)上使用,GPS都提高了杀伤率。第二,在特种作战中,GPS展示了全新应用。特种部队要完成各种隐蔽任务,不管是侦察、通信还是搜索救援,GPS提供的定位导航信息都能使危险减小,使任务成功率上升。第三,也是GPS最为重要的贡献,是在指挥和控制方面。GPS为部队提供了当前的准确位置,为校准火炮火力和空中轰炸提供了精确定位,为部队补给提供准确定位,使得美国和多国部队得以快速结束战争。
在阿富汗战争中,装有GPS辅助制导装置的“联合直接攻击弹药”(JDAM)被大量使用,并取得极大成功。该精确制导炸弹能全天候使用,被认为是GPS制导炸弹的成功范例之一。据称有了GPS修正,JDAM打击目标的精度从过去的30米提高到了现在的10~13米。
总之,GPS可以支持各种军事任务。它在军事方面的具体应用包括:(1)提高了飞机的导航精度和侦察的定位精度;(2)改善了敌后渗透能力,提高了救援能力;(3)为地图绘制和雷区绘标提供了准确的方法;(4)为精确制导武器提供了精确的导航数据;(5)提供公共坐标系以协调各种军事行动;(6)有助于武器试验的进行。
3、提高卫星功率,保证系统的稳固性
随着军事部门对GPS依赖性的增加,美国国防部正计划提高GPS卫星的功率。它计划投资2亿美元来对最新的GPS卫星进行改进,以提高卫星功率。这项工作是由国防部长拉姆斯菲尔德提出的保卫美国本土不受“太空珍珠港式”偷袭的计划的一部分。新卫星所发送的信号强度与目前的信号强度相比,将提高8倍多。增强后的信号足以抵御敌方释放的电子干扰。按计划,到2006年将有足够的新卫星部署在轨道上,以便使装备有GPS接收机的美军能够在地面上的任何地方接收到增强的信号。
与此同时,美国还在进行其他研究,以确保GPS系统的坚固性。如美国国防部高级研究项目局(DARPA)正在研究全球定位实验项目和GPS虚拟星座方案。如果这两项实验成功,装载在无人驾驶飞行器或地面上的虚拟星座就可以转发高功率的加密GPS信号,以压制敌方的干扰信号。
4、改进代码,提高安全性
2002年初,美国空军同洛克希德·马丁公司签订了一项价值5300万美元的合同,用以改进尚未发射的12颗GPS-IIR型卫星,在这些卫星上加载第二个民用代码L2和新的军用代码M码信号。
原来GPS卫星使用的信号为P(Y)军用代码和L1民用代码。军用代码M码和第二个民用代码L2以及第三个民用代码L5属于新代码。M码可以改善信号处理技术,增强抗干扰能力,使剩余的GPS-ⅡR卫星现代化。在2002财年的预算中,美国国防部追加了900万美元用于开发新的军用M码。第二个民用代码L2将被用于危急时刻,第三个民用代码L5则将为航空业提供备份的导航信号,并可使双频接收机直接测量出电离层延时,从而避免信号抖动。
5、改进GPS-Ⅱ,建立GPS-Ⅲ星座
如上所述,JDAM安装GPS辅助制导装置后,其打击精度由过去的30米提高到了10~13米。美国空军希望通过改进GPS-Ⅱ和增强GPS-Ⅲ使JDAM等武器的定位精度再次提高,达到1~3米。
美国空军同波音公司签定了GPS-Ⅱ改进合同,也就是要研制GPS-ⅡF卫星。这些卫星将在2005年或2006年发射。波音公司除了进行ⅡF卫星的研制外,还将改进GPS地面控制系统,使之能使用新的信号,并增加基于新信号的应用产品。与现有的GPS-ⅡR卫星相比,ⅡF卫星增加了新的军用代码M码和民用代码L2,因而安全性和精度更高。
美国空军接下来还准备发射GPS-Ⅲ星座。它将继续加强M码信号的功率,具体做法是添加额外的点波束,给正在工作或关注的特别地区输入更多的功率。2002年底之前,空军计划签署两份为期12个月、价值1600万美元的合同,用于Ⅲ型卫星系统的研究。洛克希德·马丁公司、波音公司和光谱宇宙公司都在竞争GPS-Ⅲ项目。该项目合同金额达150亿美元,任务是开发和建造GPS-Ⅲ卫星星座和地面控制站。GPS-Ⅲ的抗干扰能力将比现役卫星提高100~150倍。
GPS-Ⅲ计划将开发新一代的GPS卫星体系结构,争取利用其现代化的性能满足20~30年后的需要。预计将用至少27颗新建的GPS卫星代替现在星群中的卫星,最少有6颗GPS卫星用于备份。GPS-Ⅲ型卫星的设计必须使用高功率M码以应付潜在干扰。GPS-Ⅲ计划的另一重要方面是要缩减总体费用,很有可能采取购买卫星的方式来实现此目标,如购买改进的小型GPS卫星,以适应日益变化的系统要求。2004财年美国空军将挑选一组承包商来完成GPS-Ⅲ卫星的设计、研制和生产。
四、俄罗斯的GLONASS
系统及其进展
1、研制背景
GLONASS是前苏联从80年代初开始建设的、与美国GPS系统相类似的卫星定位系统。它也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。该系统于1996年1月18日投入运行,现在由俄罗斯航空航天局管理。
GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成,均匀分布在3个近圆形的轨道平面上,每个轨道面8颗卫星,轨道高度19100公里,运行周期11小时15分,轨道倾角64.8度。三个轨道平面的方案使卫星功能在极地地区的几何分布较6个轨道平面好,因此对于在高纬度活动的用户和国家有利。
GLONASS系统的具体性能参数参见表1和表2。
2、GLONASS的更新换代
GLONASS星座的建成,打破了长期以来美国GPS系统一统天下的局面,为形成多系统兼容共用的局面奠定了基础,是所有非卫星导航定位系统拥有国和国际民间组织期望的好事。但是由于俄罗斯的经济困难,人们似乎感觉到GLONASS缺乏安全性。该卫星星座全部到位后,退役的卫星并未得到及时更新,星座中工作卫星数量曾一度减至6颗。1999年2月18日,俄总统叶利钦决定同意军民共享GLONASS,希望借此筹集资金挽救困难重重的该导航系统。他责成俄航空航天局和俄军方共同确定哪些民用组织可以使用该系统以及怎样使用该系统。他还授权建立军民联合机构来控制、维护和使用GLONASS。
俄于1990年开始研制GLONASS-M型卫星,以更新GLONASS系统。GLONASS-M卫星重1480公斤,设计寿命5年以上。该卫星将改善星载原子钟,提高频率稳定度和时间精度,使定位精度提高到10~15米,定时精度提高到20~30纳秒,速度精度达到0.01米/秒。另外,俄还计划将系统发播频率改为GPS的频率,现已得到美罗克韦尔公司的技术支持。
负责制造GLONASS-M卫星的俄应用力学科研生产联合体总设计师阿尔巴特·科兹洛夫声称,新一代GLONASS-M卫星的使用期限可长达7年,而目前GLONASS卫星的使用期限只有3年。当然,使用期限延长一倍意味着其成本也会加倍。
2001年12月1日,俄使用质子K火箭发射了3颗GLONASS卫星,拉开了GLONASS卫星更新计划的序幕。俄官员称,搁置6年的GLONASS系统现已得到政府的固定投资承诺。预计到2006年系统可恢复满星座运行状态。该更新计划是根据俄政府2001年8月颁布的一项法令而制定的。2002年12月还用质子K火箭发射了另外3颗GLONASS卫星。
俄已开始考虑在GLONASS-M卫星之后再研制下一代GLONASS-K型卫星。俄计划在GLONASS-K卫星上发射民用第二频率,卫星重量也增加到2000公斤,预计2005年开始发射。每颗GLONASS-K卫星的在轨工作寿命延长到10年。在轨使用寿命更长的新一代GLONASS卫星星座可以缓解系统资源不足的压力。
对俄罗斯来说,更新GLONASS最大的困难是资金问题。根据美国的报道,俄曾经向中国方面提出共同出资更新GLONASS系统和共享数据的建议,但是中国方面只对建立地面接收站表示了兴趣,两国高层领导没有就此做进一步接触。俄还曾建议与欧盟共有这个系统,并提供有价值的信息或技术以换取发射新卫星的费用,但由于欧盟决心启动“伽利略”计划,此建议未被采纳。不过我们不能排除俄罗斯与欧盟进行技术合作的可能。
五、欧盟的“伽利略”
计划及其进展
长期以来,欧洲的卫星定位服务一直由美国的GPS系统提供。尽管美国免费为欧洲提供这套系统的定位服务,但欧洲人一直希望研制一套独立的卫星定位系统,以摆脱对美国的依赖。2002年3月26日,欧盟各国运输部长聚集布鲁塞尔,正式启动了“伽利略”卫星导航计划。
1、启动“伽利略”计划的目的
建立“伽利略”系统的目的是使欧洲在工业和军事方面享有更多的自主权。自从美国在阿富汗战争期间有选择地关闭GPS信号起,欧洲对美国会随时根据需要中断卫星定位信号的担心就不再是杞人忧天了。欧洲计划成立一个在军事行动中更为可靠的、拥有自己的卫星定位系统的快速反应部队。一旦该系统建成,将打破由美国垄断全球卫星定位技术的局面,为欧盟在外交和军事领域挑战美国的霸权创造积极条件,并将对欧洲一体化进程产生深远的意义。
2、“伽利略”计划的发展历程
“伽利略”计划自1999年起开始正式讨论,但一直因政治和经济等因素而被搁置。英国和德国等欧盟成员国认为,既然有美国提供的免费GPS,就不必再耗巨资来建立一个同样的系统。以法国为代表的国家则强调建立欧洲独立的卫星定位系统的重要性。2001年12月,在美国的压力下,英、德等6国建议再度推迟“伽利略”系统的研发工作,使得“伽利略”计划几乎流产。
在法国等国家的坚持下,各国首脑进行了几个月的磋商,持反对意见和消极态度的欧盟成员国先后发生了立场上的转变。2002年3月15~16日,欧盟各国首脑在巴塞罗那的峰会上都表示支持“伽利略”计划的实施,并要求欧盟运输部长会议批准此项计划。在26日的欧盟运输部长会议上,各国部长仅花了不到半小时的时间,便为“伽利略”系统亮起绿灯,并同意给该项目的研制阶段注入4.5亿欧元的资金,“伽利略”计划正式启动。
3、“伽利略”计划方案
“伽利略”系统的造价在32~36亿欧元之间,预计2008年正式投入使用。欧盟和欧空局作为创始成员,将参加该系统的研制。“伽利略”系统的建造分两步进行。第一步是研制阶段。欧空局和欧盟将为此投资11亿欧元,用于4颗卫星的建造与发射。根据达成的协议,欧盟将在布鲁塞尔成立一个公共公司,负责“伽利略”系统的开发、研制与测试。有8家私营公司参加这一项目。第二步是部署阶段。欧盟将投资22亿欧元,从2006年开始再发射26颗卫星。计划使用联盟/ST和阿里安5ECB运载火箭发射这些卫星。每颗卫星重约640公斤。此后,欧盟可能还需要继续向该计划投资,直到“伽利略”卫星导航系统可以获得足够的收益、能维持系统的正常运营为止。
按照目前的设想,“伽利略”卫星导航系统将由30颗中地球轨道卫星(轨道高度23616公里,其中包括27颗工作卫星和3颗备用卫星)及相应的地面接收站组成。“伽利略”系统的设计误差范围仅有1米,其精度远远超过误差10米左右的美国GPS系统,而且运作安全稳定,尤其适合飞机导航等高技术项目的要求。另外,“伽利略”系统的用途十分广泛,除对固定和移动的民用设施定位和对汽车、轮船及飞机等交通工具进行导航外,还可运用在地质勘探、考古和天气预报等多个领域。当然,它还具有为军舰和远程部队提供导航、甚至跟踪导弹等军用潜能,但这些功能目前暂不列入开发计划。与美国GPS和俄罗斯GLONASS系统明显不同的是,“伽利略”导航系统是完全基于民用用户的,而军事方面的应用处于次要地位。
4、美国对“伽利略”计划的反应
虽然欧洲对“伽利略”计划的顺利启动给予了高度评价,欧委会甚至将该计划的意义同手表的发明和20世纪90年代初移动电话的发明相提并论,但美国得知欧盟筹建新的卫星定位系统后非常震惊,认为欧盟与美国同属“盟邦”,无须“另起炉灶”。布什政府更是声称,欧盟“没有迫切的需要”来发展“伽利略”系统,搞这样一个系统是“多此一举”。美国还提出了一些相应措施:2000年5月,美决定即刻将某些尖端技术免费向民众开放,使民用定位的精度从100米提高到优于10米。与此同时,美国还宣布在2010年之前,将再投资10亿多美元建成精度更高的新一代GPS系统。
美国发现这些措施对欧盟国家并不具有说服力后,又采取了其他方式施压。去年底,美国国防部副部长保罗·沃尔福威茨曾专门致函欧盟成员国国防部长,称美国担心“伽利略”系统的频谱会干扰美国GPS的军用信号。这实际上是试图变相影响欧盟的决策。
诸如此类的努力均未奏效后,去年3月欧盟运输部长会议召开前夕,美国国务院等先后发表声明,不再明确提出反对,转而谈论要推进“伽利略”计划与GPS之间的兼容与合作。但与此同时,美国也为双方合作开列出了一些附加条件,比如要求“伽利略”计划为欧洲和美国等非欧洲制造商及用户提供享有技术信息的同等权以及要求“伽利略”计划的使用规定和设计标准不应造成强迫用户使用欧洲导航卫星系统的后果,等等。
在欧盟运输部长会议正式决定启动“伽利略”计划的当日,美国国务院发言人在记者招待会上重申了美国的上述附加条件。他说,美国将继续就这些问题与欧盟协商,以寻求双方合作的途径。美国提出这些附加条件,目的显然是想使未来卫星导航及定位领域的美欧竞争朝着有利于自己的方向发展。不难预料,虽然欧洲人自己的导航卫星系统就要扬帆起航,但美欧在这一领域的摩擦还远没有结束。美国决不会轻易放弃自己的独霸地位。
六、日本的卫星定位
系统及其最新进展
日本一直使用美国的GPS对本国车船进行定位。2001年6月起,日本政府用一年的时间对美国GPS系统进行了全面调研。结果表明,美国系统的精度会随季节、纬度和时间不同而变化,10月的冲绳定位误差最大,有时误差可达28米。为减小误差,增加日本在亚太地区的影响力,提高日本的国际地位,日本于2002年8月开始酝酿建立自己的卫星定位系统。
日本自民党议员团体要求在2003年的预算中为卫星定位系统增加80亿日元的“调研费”。增加的预算将列入综合科学技术会议的研究开发计划中。目前由各省厅和产业界团体组成的协商会——新一代定位通信系统推进议员联盟也已成立,议员额福志郎任会长。
日本计划于2008年研制出自己的卫星定位系统,并投入使用。新一代定位系统将包括多颗卫星,其中一颗常年覆盖日本上空,成为高精度定位和移动通信的中心。日本声称,日本的卫星定位系统是对美国GPS系统的补充,而不是要取代美国系统。日本要实现这一计划,其技术方面仍存在困难,必须与美国合作。对此美国没有明确表示意见。
七、结束语
谁掌握了空间,谁就会在未来战争中处于优势地位。美国一方面大力提高现有GPS的性能,另一方面又费心阻止其他国家和地区涉足卫星导航定位,其根本目的就是不想失去空间优势和收入颇丰的民用GPS市场。欧洲意识到这一点,力排万难,启动了自己的卫星导航系统计划,以摆脱美国的控制。俄罗斯也不甘落后。为了维持战略平衡,在空间上牵制美国,它也准备投资改造现有的GLONASS系统。日本瞄准了巨大的空间市场,也涉足于卫星定位领域,以求得政治效益和经济效益。卫星导航定位系统已受到了前所未有的关注。无论世界局势如何变幻,我国在重大的战略性关键技术上必须保持独立性。否则,安全与发展将无从谈起。