趙爽（北京空間科技信息研究所）

1 GNSS發(fā)展特點

作為全球化的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GNSS發(fā)展不是一蹴而就的，有著其自身的發(fā)展規(guī)律和特點，非常值得推敲和研究，其發(fā)展主要表現(xiàn)在以下三點。

從獨立發(fā)展的各自為戰(zhàn),到競爭與兼容共存的博弈

衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展要追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時美國和蘇聯(lián)都開展了各自的衛(wèi)星導(dǎo)航計劃，不過那個時候衛(wèi)星軌道和頻率資源非常富余，因此衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)出美俄各自為戰(zhàn)，彼此競爭的局面。20世紀(jì)90年代末，GNSS系統(tǒng)僅包括一個具有完全運行能力的GPS系統(tǒng)和一個具有部分運行能力的GLONASS系統(tǒng)，運行衛(wèi)星總數(shù)不到40顆，總共只播發(fā)3種衛(wèi)星導(dǎo)航信號，且其中只有1種用于民用導(dǎo)航。

隨著俄羅斯GLONASS的復(fù)蘇以及中、歐、日、印等新興衛(wèi)星導(dǎo)航力量的加入，上述局面逐漸被打破。目前，GPS和GLONASS星座總的在軌衛(wèi)星數(shù)量約為60顆（包括在軌工作衛(wèi)星和備份衛(wèi)星），衛(wèi)星的空間段和地面控制段的現(xiàn)代化改造也正在進行中。最新型的導(dǎo)航衛(wèi)星在3種頻率上播發(fā)經(jīng)過編碼的民用信號，下一代的導(dǎo)航衛(wèi)星將播發(fā)8種甚至更多的軍用和民用信號。中國的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已經(jīng)實現(xiàn)了區(qū)域覆蓋運行，并且正在通過不斷發(fā)射新的“北斗”衛(wèi)星逐步將該系統(tǒng)打造成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。歐洲已經(jīng)發(fā)射了4顆在軌驗證衛(wèi)星，實現(xiàn)了Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功能化運行的第一步。日本和印度的首顆導(dǎo)航衛(wèi)星也已經(jīng)發(fā)射。以上所有系統(tǒng)的功能衛(wèi)星總數(shù)是10年前的2倍，未來10年還將再翻一番。同時，天基增強系統(tǒng)（SBAS）也取得了顯著發(fā)展，衛(wèi)星總數(shù)也是10年前的2倍多。新的SBAS衛(wèi)星通過兩種載波頻率發(fā)射信號。

現(xiàn)在，在這么多的導(dǎo)航衛(wèi)星和系統(tǒng)面前，有限的頻率資源已經(jīng)顯得捉襟現(xiàn)肘了，各系統(tǒng)間的兼容與互操作將是其共存的大趨勢，其中兼容性是主要的考慮，目的是確保新的衛(wèi)星導(dǎo)航信號和系統(tǒng)出現(xiàn)后不會對現(xiàn)有信號和系統(tǒng)的使用造成明顯影響。而互操作性則是指各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間可以互相合作、協(xié)同工作的能力，最終提升用戶的導(dǎo)航性能。各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一些公開信號采用通用的載波頻率，即1575.42MHz和1176.42MHz，并且它們的頻譜也相同，以便實現(xiàn)多系統(tǒng)間的雙頻互操作。

當(dāng)然，在兼容與互操作的前提下，各系統(tǒng)間在頻率分配、應(yīng)用市場等諸多問題仍將存在激烈競爭，如何在這樣的競爭中取得先機和勝利，將是一個國家包括經(jīng)濟、技術(shù)、國際地位等因素在內(nèi)的綜合國力的體現(xiàn)。

未來10年各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的頻譜分布

衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)、維護和發(fā)展需要龐大的資金支持

GNSS的建立、維護、發(fā)展需要龐大的資金支持。以美國GPS系統(tǒng)為例，自1973年美國開始研制GPS系統(tǒng)，到1994年全面建成系統(tǒng)實現(xiàn)24顆滿星座運行，耗資約200億美元，而這還不算后續(xù)每年補網(wǎng)發(fā)射、系統(tǒng)維護等資金的費用。實際上，即使是系統(tǒng)建成以后，要維護GNSS的正常運行，其耗資也是巨大的。最近的資料顯示，未來幾年俄羅斯、美國和歐洲都計劃為各自的GNSS發(fā)展注入大量資金，以保障其正常運行和發(fā)展。

根據(jù)2012年1月28日遞交俄羅斯政府申請批準(zhǔn)的《GLONASS系統(tǒng)2012－2020年維護、發(fā)展及應(yīng)用計劃》，2012－2020年間俄羅斯政府預(yù)計向GLONASS系統(tǒng)撥款3465億盧布（約合120億美元），平均每年13億多美元。

根據(jù)2011年美國國會預(yù)算辦公室的預(yù)算報告，美國國防部2012－2025年進行的GPS現(xiàn)代化建設(shè)將耗資約220億美元，平均每年15億多美元，這些資金將用于從2012年起40顆GPS－3衛(wèi)星的開發(fā)和購買（包括16顆GPS－3C衛(wèi)星）、控制衛(wèi)星和發(fā)送新信號的軟件開發(fā)，以及成千上萬具有M碼信號處理功能的軍用接收機的開發(fā)和購買。

美國國會預(yù)算辦公室預(yù)算報告給出的國防部計劃與三種替代方案情況匯總表

GLONASS系統(tǒng)從軍用發(fā)展到軍民兩用

據(jù)2011年12月歐洲媒體報道，歐盟委員會預(yù)計將向Galileo及“歐洲地球靜止衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)”（EGNOS）兩個項目額外增加撥款70億歐元（約合91億美元），平均每年13億美元，用于這兩個項目在2014－2020年間空間段及地面基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運營。

從上述三大系統(tǒng)的資金投入上就可以看出，建設(shè)和維持一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的資金投入是非常龐大的，而美、俄、歐仍不遺余力地大量投入，也足見他們對GNSS的重視程度。

從軍用獨享，轉(zhuǎn)為軍民共用，并在民用領(lǐng)域大放異彩

盡管發(fā)展GNSS耗資巨大，但是無論投資有多么巨大，作為一個主權(quán)獨立的國家，如果不想受制于人，建設(shè)和發(fā)展自己的GNSS都是必須的。正如美國加利福尼亞大學(xué)微系統(tǒng)實驗室主任Addrei M.Shkel[2009年其受聘為國防高級研究計劃局（DARPA）微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）項目主管]在2011年曾撰文指出，“至少1000年內(nèi)，導(dǎo)航與精密授時能力將一直是衡量國家軍事與經(jīng)濟實力的一個重要因素”。

獨立的GNSS是建設(shè)強大國防、維護國家安全的重要手段，美、俄在最初發(fā)展導(dǎo)航衛(wèi)星的初衷都是用于軍用。導(dǎo)航衛(wèi)星可為全球海、陸、空及近地空間的各種用戶提供全天候、連續(xù)提供高精度的各種三維位置、三維速度和時間信息，這樣不僅為海軍艦船、空軍飛機、陸軍坦克、裝甲車、炮車等提供精確導(dǎo)航；也在精密導(dǎo)彈制導(dǎo)、精密敵我態(tài)勢感知、部隊準(zhǔn)確的機動和配合、武器系統(tǒng)的精確瞄準(zhǔn)等方面廣泛應(yīng)用。

GNSS市場規(guī)模發(fā)展趨勢預(yù)測

全球GNSS市場分布預(yù)測（2010－2012年累計收益）

不過，在GNSS建設(shè)完成和發(fā)展中，其在民用方面的應(yīng)用也是越來越受到重視。這方面，美國GPS做得最好，民用發(fā)展與軍用并重，并占據(jù)了全球的大部分市場。而俄羅斯在吸取了美國的經(jīng)驗和自身的教訓(xùn)后，也逐漸從只重軍用向軍民共用轉(zhuǎn)變，并努力追趕。而事實也證明，GNSS有著廣泛的民用前景，其應(yīng)用范圍遍及經(jīng)濟、交通和通信等幾乎所有的民用領(lǐng)域，民用將是未來導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)市場競爭的焦點。

根據(jù)歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)督局（GSA）在2012年發(fā)布的市場預(yù)測報告顯示，GNSS民用市場正在快速發(fā)展，截至2016年，市場總規(guī)模預(yù)計將以平均每年13%的速度增長。根據(jù)該報告預(yù)測，截至2015年全球GNSS市場規(guī)模將超過2000億歐元（約合2600億美元）?？v觀整個GNSS市場的占有份額，道路導(dǎo)航和基于位置服務(wù)仍高居榜首，這兩個市場的終端設(shè)備銷售額分別占整個GNSS終端設(shè)備銷售總金額的54%和44%。而從終端銷售量上看，基于位置服務(wù)占到整個GNSS市場的87%。同時，GNSS應(yīng)用正逐漸向智能手機市場滲透，市場占有率已經(jīng)達到30%，而到2020年這一比例預(yù)計將達100%?？梢灶A(yù)見，未來GNSS應(yīng)用將成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧?/p>

2 GNSS未來所面臨的挑戰(zhàn)

未來，GNSS發(fā)展之路并非坦途，仍將面臨著一系列問題和挑戰(zhàn)，其突出表現(xiàn)在以下3個方面。

頻率資源緊缺和信號擁擠為多系統(tǒng)共存提出挑戰(zhàn)

未來一個亟待解決的問題是，為L頻段上出現(xiàn)的越來越多的導(dǎo)航信號尋找“空間”。頻率范圍在1559～1610MHz的高L頻段上的大部分頻譜已經(jīng)被現(xiàn)有的以及未來預(yù)計部署的信號所占據(jù)，很難再容納新的信號。一種衡量頻譜利用率的方法是計算這段頻譜上的衛(wèi)星信號數(shù)量，本文統(tǒng)計了高L頻段上的頻譜利用率，參見高L頻段的頻譜利用情況表。

雖然各星座的衛(wèi)星數(shù)量存在一定的不確定性，但高L頻段的頻譜利用情況表中給出的數(shù)量還是具有代表性的。相比新的系統(tǒng)，GPS和GLONASS的衛(wèi)星信號較多，因為這兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星不僅播發(fā)最初的信號，也將播發(fā)現(xiàn)代化信號，而且后者在未來的應(yīng)用將更加廣泛。根據(jù)該表所示，共計422個衛(wèi)星信號計劃在51MHz寬的高L頻段運行，平均每兆赫茲有8.3個衛(wèi)星信號。其中，1559～1594MHz頻段將包含314個信號，平均每兆赫茲有9.0個衛(wèi)星信號；1594～1610MHz頻段的頻譜利用率相對較低，共108個信號，平均每兆赫茲有6.8個衛(wèi)星信號。

各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高L頻段的分布

高L頻段的頻譜利用情況表

為了避免L頻段的頻譜擁擠問題，一種備選的方案是開放使用更高頻率的頻段。近期，國際電信聯(lián)盟（ITU）已經(jīng)開放了2483.5～2500MHz頻段用于衛(wèi)星無線電導(dǎo)航（RNSS）業(yè)務(wù)?！氨倍贰钡男l(wèi)星無線電測定（RDSS）使用這一頻段，“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）的衛(wèi)星導(dǎo)航信號也計劃采用這一頻段。除了這一頻段外，C頻段（5010～5030MHz）也被納入了考慮范圍。

但是，由于這些頻段相對較窄，將限制接收機的性能,同時出于兼容性考慮，也將限制可部署的衛(wèi)星信號的數(shù)量。此外，更高的頻率將增大相位噪聲以及其他信號缺陷，并將增大因接收機移動造成的多普勒頻移和多普勒調(diào)頻率的影響。而C頻段信號因下雨、植被、建筑物等遮擋造成的傳播損耗也要比L頻段更為嚴重。

開放L頻段或低S頻段的新頻譜供衛(wèi)星導(dǎo)航使用也是一種有利的選擇，但是當(dāng)前這些頻段開放的重點對象是移動無線應(yīng)用，而且目前已分配給RNSS的頻段也面臨被取消的可能，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲得新頻段的可能性很小。

總之，頻譜資源緊缺與信號擁擠仍然是未來GNSS面臨的一大挑戰(zhàn)和需要長遠考慮解決的問題。

GNSS脆弱性和局限性問題為應(yīng)用安全帶來隱憂

GNSS系統(tǒng)的脆弱性和局限性問題是目前系統(tǒng)建設(shè)者和用戶最關(guān)心，也最希望解決的問題。所謂GNSS脆弱性，主要是指GNSS系統(tǒng)易受到電子干擾、阻塞、欺騙等影響，特別是在敵方有意干擾的情況下，很難進行正常的定位、導(dǎo)航與授時（PNT）服務(wù)的問題。所謂GNSS的局限性是指GNSS系統(tǒng)在地下、水下、山洞、城市峽谷、室內(nèi)等環(huán)境無法提供服務(wù)，或者只能提供非常有限服務(wù)的問題。GNSS之所以會存在這樣的問題，究其原因是其系統(tǒng)本身的特性造成的。GNSS系統(tǒng)是通過在軌衛(wèi)星向地面播發(fā)導(dǎo)航定位信號來實現(xiàn)服務(wù)，盡管其具有覆蓋面廣的優(yōu)勢，但是由于從太空傳到地面的導(dǎo)航信號非常微弱，如同從一個25W的燈泡照到20000多千米之外的強度，因此該系統(tǒng)很容易被干擾，也無法在嚴重遮擋環(huán)境下使用。

為了解決脆弱性問題，一方面要從GNSS系統(tǒng)內(nèi)部著手，比如采用先進的抗干擾技術(shù)、增強信號功率、點波束技術(shù)等；另一方面是從系統(tǒng)外著手，采用其他技術(shù)輔助、彌補、備份GNSS能力，如慣性導(dǎo)航等。現(xiàn)在美國就是按照這兩條途徑解決這一問題。

在開展GPS系統(tǒng)抗干擾能力方面，美國首先在信號上做文章，推出了具有抗干擾能力的M碼信號，這種信號采用“裂頻”機制，可以發(fā)送更大的功率，而不干涉民用接收機。自2005美國發(fā)射第1顆GPS－2RM衛(wèi)星開始，就在這種型號衛(wèi)星及后續(xù)GPS－2F衛(wèi)星上配備了M碼信號的發(fā)射能力。截止到2013年10月，GPS系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星中具備播發(fā)M碼信號能力的衛(wèi)星已經(jīng)達到了11顆，其中包括7顆GPS－2RM衛(wèi)星和4顆GPS－2F衛(wèi)星。另外，根據(jù)美國國防部計劃，即將推出的第3代衛(wèi)星GPS－3不但將進一步提升M碼信號的強度，使其是目前信號強度的3～5倍，而且還將裝備能夠發(fā)射M碼的點波束天線，據(jù)稱該種天線可以在其信號覆蓋范圍（直徑約1000km的圓形區(qū)域）內(nèi)將GPS信號的強度提升到目前水平的100倍。

采用“裂頻”機制的M碼信號（主瓣分布在頻段兩側(cè)）

盡管如此，在過去的幾年中，美軍GPS的抗干擾能力卻并沒有什么起色，究其原因是地面站升級和終端接收設(shè)備的發(fā)展及部署要滯后于空間段衛(wèi)星的部署。雖然具備M碼播發(fā)能力的衛(wèi)星早在2005年就出現(xiàn)了，但支持M碼處理的地面站升級工作卻仍未完成，而且能夠接收和處理M碼的終端設(shè)備也并沒有列裝配發(fā)。不過，近年出現(xiàn)的GPS干擾問題顯然也給美國軍方敲響了警鐘，加緊了相關(guān)工作。比如，據(jù)法國宇航防御網(wǎng)消息，2013年6月美國空軍采用羅克韋爾公司的GPS接收機，首次進行了飛行器的M碼信號導(dǎo)航飛行試驗。據(jù)悉，此次飛行試驗在新墨西哥州阿拉莫戈多附近的霍洛曼空軍基地進行，成功地測試了集成到RQ-11B“大烏鴉”（Raven）無人機系統(tǒng)上的羅克韋爾公司的GB-GRAM-M接收機（M碼GPS接收機），該接收機可通過接收GPS系統(tǒng)的M碼信號為無人機提供精確的PNT信息。此次試驗有助于實現(xiàn)美國國會所委托的“將下一代M碼技術(shù)應(yīng)用于所有美國國防部防御平臺”的發(fā)展目標(biāo)。

美國在大力發(fā)展GPS本身的抗干擾能力的同時，也注意開發(fā)GPS以外的導(dǎo)航系統(tǒng)，以增強其在對抗環(huán)境下的導(dǎo)航能力。在此背景下，美國DARPA于2010年開展了一項名為“全源定位與導(dǎo)航”（ASPN）的導(dǎo)航技術(shù)研究，旨在尋求在沒有GPS的情況下，為任何操作平臺和任何環(huán)境下的軍用用戶提供低成本、高魯棒性、無縫的導(dǎo)航解決方案。ASPN將通過利用不同傳感器的組合獲得輔助導(dǎo)航信息，如將激光雷達、激光測距儀、照相機、磁強計等器件進行組合，從而顯示出增強導(dǎo)航解決方案的質(zhì)量和魯棒性。同時，ASPN還將根據(jù)具體的局部環(huán)境條件靈活選擇最合適的傳感器提供針對性的導(dǎo)航技術(shù)，例如，基于圖像的導(dǎo)航可能在都市環(huán)境的白晝條件下發(fā)揮良好效果；基于重力場的導(dǎo)航雖然精度稍差，但在大洋中可能最有效等。

霍洛曼空軍基地的研究人員準(zhǔn)備放飛RQ-11B“大烏鴉”無人機

ASPN概念框圖

在ASPN概念框圖中顯示，ASPN將整合多種傳感器信息，包括GPS、影像、光線測定和測距、磁場、重力及雷達等等。值得注意的是，此處有意把GPS包括在內(nèi)，因為既然是全源導(dǎo)航，只要GPS信號可用，就應(yīng)以GPS為主。這樣，這個完整系統(tǒng)結(jié)合所有可用信息，當(dāng)某些傳感器不可用時，仍可使用其他信號源。

要想解決GNSS的局限性問題，主要是需要開展其他PNT系統(tǒng)及技術(shù)手段，并以GNSS為核心基石，最終形成一套完整的、互為備份的PNT體系。目前美國已經(jīng)開展了這方面的工作，2008年美國發(fā)布了《美國國家PNT體系研究報告》，2010年發(fā)布了《美國國家PNT體系實施計劃》，力爭發(fā)展以GPS為基石，在最大共性、多現(xiàn)象學(xué)、互操作等設(shè)計原則下，實現(xiàn)多種PNT源的協(xié)同共用，最終實現(xiàn)美國PNT能力的全面提升，確保美國在全球PNT發(fā)展的領(lǐng)先地位。

降低成本是GNSS長久發(fā)展所必須重視的問題

未來幾年，俄羅斯、美國、歐洲在發(fā)展和維護其GNSS方面都投入了大量的資金，這固然說明了其對于發(fā)展和維護GNSS系統(tǒng)的重視，同時也說明了要發(fā)展和維護GNSS，資金消耗是非常龐大的，會給一個國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟壓力。因此，如何降低系統(tǒng)發(fā)展和維護的成本也是各衛(wèi)星導(dǎo)航大國所要面對的問題和挑戰(zhàn)。如美國空軍提出了一份關(guān)于降低美國GPS系統(tǒng)成本的計劃，在這項節(jié)約成本的計劃中，包括采用小型化導(dǎo)航衛(wèi)星，寄宿導(dǎo)航載荷等方案，盡管這項計劃的風(fēng)險性遭到了美國審計總署（GAO）的質(zhì)疑，但GAO也承認這是一項降低成本的良好開端。

據(jù)悉，2013年年初，美國空軍研究實驗室已經(jīng)授予ITT Exelis公司一份價值215萬美元的合同，為其研制小型導(dǎo)航衛(wèi)星有效載荷，這項GPS NAVSAT項目旨在提供一種經(jīng)濟可承受的能力，這種小型衛(wèi)星在體積、質(zhì)量、功率和成本上都將給用戶帶來更大的經(jīng)濟可承受性，衛(wèi)星的小體積將使得其在選擇運載火箭時更具靈活性。GPS NAVSAT項目首個研究階段為期18個月，將找到一種創(chuàng)新方式，通過降低有效載荷質(zhì)量，縮小尺寸，降低功率，提高GPS系統(tǒng)經(jīng)濟可承受性和可持續(xù)性。GPS NAVSAT既能保持與現(xiàn)有GPS系統(tǒng)類似的性能和能力，同時可在城市或山區(qū)信號受限的環(huán)境下對GPS終端用戶提供輔助。

可以預(yù)見，在保障衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能力不受明顯影響的前提下，隨著技術(shù)的不斷進步，采用一箭多星發(fā)射的小型化導(dǎo)航衛(wèi)星將是降低GNSS成本的一條可行途徑。