全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的近期進(jìn)展<1>

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的近期進(jìn)展<1>（周其煥）
    摘要：20世紀(jì)末衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展勢(shì)態(tài)出現(xiàn)了GLONASS星座維持困難，GPS推行現(xiàn)代化計(jì)劃和
歐洲Galileo計(jì)劃出臺(tái)三大新聞。有望于2010年左右Galileo星座和GPS星座形成互補(bǔ)和互為
余度。最近美國(guó)國(guó)會(huì)削減 GPS預(yù)算，對(duì)GPS民用進(jìn)展上投下陰影，GPS單一導(dǎo)航手段暫難實(shí)行，
有利于歐洲爭(zhēng)取時(shí)間，積極籌措Galileo系統(tǒng)。
    關(guān)鍵詞：全球?qū)Ш蕉ㄎ欢〞r(shí)衛(wèi)星系統(tǒng)，GPS，GLONASS，Galileo。
    發(fā)展勢(shì)態(tài)和需求升級(jí)
    21世紀(jì)衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展形勢(shì)將如何？從1998年以來(lái)美國(guó)、俄羅斯和歐洲諸國(guó)間的競(jìng)爭(zhēng)和角
逐中看，消極方面由于俄羅斯經(jīng)濟(jì)困難，GLONASS在軌衛(wèi)星大量空缺，敗下陣來(lái)，不僅鞏固
了GPS充當(dāng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和獨(dú)霸市場(chǎng)的地位，進(jìn)而縱容其壟斷和排它思想。在ICO通信衛(wèi)星被迫放
棄其兼容導(dǎo)航業(yè)務(wù)以后，美國(guó)長(zhǎng)期奉行一套強(qiáng)硬的GPS民用政策，不僅堅(jiān)持采用SA降精度策
略，且不支持任何國(guó)家再建和GPS平行系統(tǒng)。積極方面由于歐洲國(guó)家不愿在全球?qū)Ш筋I(lǐng)域喪
失市場(chǎng)，受制于人，長(zhǎng)期以來(lái)立意投建自己的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。1998年內(nèi)歐洲聯(lián)盟（EU）聯(lián)
合有關(guān)組織多次和美國(guó)、俄羅斯進(jìn)行新系統(tǒng)的談判，由于歐洲組織及其成員國(guó)內(nèi)部協(xié)調(diào)一致
以及實(shí)現(xiàn)新計(jì)劃的決心，迫使美國(guó)GPS民用政策上有所軟化。美國(guó)在勉強(qiáng)同意歐洲建立與GPS
兼容的獨(dú)立平行系統(tǒng)的同時(shí)，又加速了GPS民用改善上的開(kāi)放，以期加強(qiáng)GPS競(jìng)爭(zhēng)地位。繼而
又宣布GPS將延續(xù)免費(fèi)提供服務(wù)，藉以反襯出歐洲新計(jì)劃將征收用戶費(fèi)的劣勢(shì)，阻止其集資
效果。
    在此激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)中有斗爭(zhēng)有聯(lián)合，既有相互排斥又能兼容，雖然離合多態(tài)難以預(yù)測(cè)，
但從今年以來(lái)歐洲聯(lián)盟（EU）、歐洲空間局（EAS）、歐洲安全航行組織（Eurocontrol）對(duì)
新提出的Galtileo。計(jì)劃的各種聯(lián)合行動(dòng)正在緊鑼密鼓地進(jìn)行著，有跡象說(shuō)明Galileo計(jì)劃
得以在新世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)的可能性。因而使人們對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展看好。
    需求牽引上目前發(fā)生如下的重大需求升級(jí)。一是車輛導(dǎo)航和汽車應(yīng)用，已成為潛在的大
用戶，應(yīng)和汽車工業(yè)、汽車電子工業(yè)合伙生產(chǎn)車載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，并提供配套服務(wù)。二是
和移動(dòng)通信的結(jié)合，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）決定E－911手持電話將安裝GPS接收設(shè)備提
供自動(dòng)位置識(shí)別（ALI）功能，并建立公眾安全應(yīng)答點(diǎn)（PSAP），可以由應(yīng)急調(diào)度員對(duì)蜂窩
呼叫機(jī)的申請(qǐng)求助者定位進(jìn)行幫助。目前已選定三家芯片制造商開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，從2001年開(kāi)始發(fā)
售新機(jī)，2002年達(dá)到95%的E－911手機(jī)內(nèi)置GPS接收機(jī)。三是增強(qiáng)對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)的利用，要解決
全球時(shí)間和頻率基準(zhǔn)以及同步源的問(wèn)題。要求有一個(gè)統(tǒng)一的全球無(wú)隙高精度時(shí)間基準(zhǔn)，能對(duì)
目前更快更復(fù)雜的國(guó)際數(shù)字電信網(wǎng)提供同步、同時(shí)為電力網(wǎng)等各種領(lǐng)域提供精確同步。
    1998年秋季提創(chuàng)全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)成為一個(gè)“開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的共用事業(yè)和全球資
源。GNSS空間信號(hào)不是某個(gè)國(guó)家所有的，而是自由地、公開(kāi)地發(fā)射，面向全球，公共可取用
的通用射頻信號(hào)。這個(gè)創(chuàng)議頗為理想化，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難，雖然提供有償服務(wù)可以從服務(wù)中
回收成本和運(yùn)行費(fèi)用，但服務(wù)供應(yīng)者和用戶之間的責(zé)任、義務(wù)和權(quán)益關(guān)系的公平建立。都有
待解決。Galileo。如能建成，將首當(dāng)其沖解決這些問(wèn)題，領(lǐng)先實(shí)現(xiàn)開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的公共資
源。
    美國(guó)GPS現(xiàn)代化和增發(fā)民用第二頻率
    GPS在以往20多年廣泛應(yīng)用中充分體現(xiàn)了它的成熟性和卓越性能，尤其在靜態(tài)非實(shí)時(shí)定
位應(yīng)用中成績(jī)斐然，然而在動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)時(shí)號(hào)航應(yīng)用上問(wèn)題較多，在民航應(yīng)用上止步不前，其
原因不外技術(shù)方面和政策方面。
    技術(shù)上由于單頻制的L1不受頻譜保護(hù)，易受干擾，沒(méi)有頻率余度，單頻制不能完全修正
電離層延時(shí)誤差，加上降精度的選擇可用性（SA）后不能滿足向機(jī)場(chǎng)送近時(shí)的精度要求，美
國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）提倡的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）僅僅是一種權(quán)宜之計(jì)。廣域差分技術(shù)是
針對(duì)SA的，在新技術(shù)發(fā)展中生產(chǎn)關(guān)系阻礙生產(chǎn)力發(fā)展（出現(xiàn)了SA）又要爭(zhēng)破束縛（出現(xiàn)了
WDGPS）而形成了一對(duì)畸形產(chǎn)物，是美國(guó)軍民之間矛盾引起的否定的否定。它是一種勞民傷
財(cái)?shù)挠袪?zhēng)議的措施，當(dāng)SA取消之后，WDGPS將無(wú)所作為。此外，人們對(duì)GPS能否實(shí)現(xiàn)單一導(dǎo)航
手段發(fā)生了懷疑，由于GPS空間信號(hào)微弱（到達(dá)地面時(shí)-160dBW），容易受到抑制式干擾而
喪失定位能力，并且將影響大片覆蓋面積，因而尚需其它獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)的支持，尤其是尚需
地面無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，留作熱備份。這種雙軌制運(yùn)行使得用戶集團(tuán)（航空公司）增
加費(fèi)用，無(wú)利可圖。
    政策上GPS雖然名義上是軍民共享的雙用途系統(tǒng)，但實(shí)質(zhì)上GPS的擁有，GPS的發(fā)展，控
制和運(yùn)行全部由國(guó)防部（DOD）包攬，這是各國(guó)民航不敢貿(mào)然采用，不敢依賴于此單國(guó)軍事
系統(tǒng)的根本原因。美國(guó)DOD在導(dǎo)航戰(zhàn)演習(xí)中屢次對(duì)GPS施放故意干擾，民航用戶曾遭遇到中
斷定位的事故，不僅在用戶中引起震驚，并且也體現(xiàn)了美國(guó)軍民之間的矛盾。
    GPS民用政策上最大的突破在于增發(fā)了第二民用頻率，自從1997年2月戈?duì)柛笨偨y(tǒng)宣布
此決定以后，在安排頻譜選擇頻點(diǎn)上出現(xiàn)了困難，DOT與DOD之間意見(jiàn)分歧。1998年3月聲稱
在第二民用頻率尚未選定之前，臨時(shí)采用L2軍用頻率上加發(fā)第二民用信號(hào)作為過(guò)渡，直至
1999年1月才宣布第二民用頻率L5已選定為1176.45MHz，將從第七顆2F衛(wèi)星上開(kāi)始實(shí)現(xiàn)，使
兩年來(lái)爭(zhēng)議不休的問(wèn)題終于在DOD讓步而圓滿解決。
    已選定的L5處于960－1215MHz航空無(wú)線電導(dǎo)航服務(wù)（ARNS）頻段內(nèi)，它是航空測(cè)距儀
（DME）和塔康（TACAN）專用頻段，這個(gè)頻段是國(guó)際上受保護(hù)的，L5將比L1和L2更為安全
可靠。
    L5仍為CDMA擴(kuò)頻信號(hào)比之L1信號(hào)將有如下幾點(diǎn)改進(jìn)：
    （1）加大頻帶寬度，希望獲得±12MHz帶寬，目前尚未最后確定，因?yàn)橐�向�?guó)際電信
聯(lián)盟（ITU）申請(qǐng)，待世界無(wú)線電大會(huì)（ WRC－2000）上通過(guò)，估計(jì)難子得到如此寬的頻帶。
    （2）提高碼片率到10.23MCPS，碼周期約1ms，碼長(zhǎng)10230比特，以利提高測(cè)距精度，
降低噪聲，更好的交叉相關(guān)特性，減少多徑干擾；
    （3）增加發(fā)射功率，將比L1信號(hào)提高6dB，使之能適應(yīng)于較差的電磁環(huán)境下接收；
    （4）相分復(fù)用 QPSK調(diào)制的正交發(fā)射信號(hào)，I相上加50bps導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制，Q相上不加數(shù)
據(jù)調(diào)制，利用Q相信號(hào)可以作更為精確的相位跟蹤，有利于載波相位測(cè)量。
    （5）改進(jìn)的數(shù)據(jù)奇偶檢查，采用類似WAAS的循環(huán)冗余檢查（CRC），以代替全部24位
數(shù)據(jù)TLM字和HOW字上的奇偶檢查。
    此外，進(jìn)入21世紀(jì)前頁(yè)，民用GPS將有如下改善措施：
    （1）10年免費(fèi)服務(wù)的承諾將于2003年期滿，美國(guó)已表態(tài)將在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)延長(zhǎng)免費(fèi)
服務(wù)期限；
    （2）撤除SA的承諾將在2006年前兌現(xiàn)，勢(shì)在必行。屆時(shí)將使維持空間信號(hào)質(zhì)量，使民
用碼測(cè)距的用戶偽距誤差（URE）從24.6米（1σ值）回降到4.3米（1σ值），因而使水平
定位誤差從100米（95%概率）降低到21米（95%概率）以內(nèi)；
    （3）2005年以后上天的ZF衛(wèi)星增發(fā)L5至2010年--2012年間逐步充滿軌道，屆時(shí)民用GPS
將有一個(gè)安全服務(wù)信號(hào)，并能實(shí)現(xiàn)雙頻和三頻接收；
    （4）通過(guò) GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，在GPS空間段、地面段改善和升級(jí)后GPS空間信號(hào)的URE將
降低到2.5米甚至于1.9米（1σ值），因而水平定位精度將進(jìn)一步提高到10－5米（95%概率）。
這時(shí)一般導(dǎo)航均可采用單純GPS接收機(jī)（無(wú)增強(qiáng)、無(wú)差分支助），其精度足以滿足通常的應(yīng)
用。利用載波相位測(cè)量技術(shù)的水平定位精度能提高到次米級(jí)，以至厘米級(jí)。
    甚然，GPS在拋開(kāi)電磁環(huán)境和安全余度問(wèn)題時(shí)，可以達(dá)到預(yù)期可用性和精度指標(biāo)，但是
目前許多專家指出星基系統(tǒng)空間信號(hào)的脆弱性和易感性，以及單系統(tǒng)單星座不能符合航空
安全保證和單一導(dǎo)航手段的問(wèn)題，使得 GPS面向?qū)Ш綉?yīng)用上遇到了挑戰(zhàn)。