四強爭鋒的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

江蘇省丹陽市第六中學（212300） 趙守拙

古人出行，多根據(jù)太陽、北斗七星等自然物象確定方位。后來中國人發(fā)明了羅盤，給世人遠行和航海帶來了極大方便。隨著科技的發(fā)展，人類又先后發(fā)明了慣性導航、天文導航、無線電導航等多種新技術。但與這些技術相比，衛(wèi)星定位和導航的優(yōu)勢十分明顯，它能夠全天候、全時段、全球性、高精度地提供三維位置、三維速度及精確的時間等信息，是導航技術中的絕對“霸主”。目前世界已有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)包括美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS)、歐盟的“伽利略”（GALILEO）和中國的“北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)”(CNSS)。

四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)的工作原理相近，各版高中地理必修教材均以GPS為例進行了闡述，本文主要對四大系統(tǒng)的淵源、近況及不同特點進行簡單介紹。

一、美國全球定位系統(tǒng)

美國是最早設想利用衛(wèi)星進行定位和導航的國家，其初衷是為遠洋艦隊、彈道導彈精確打擊、收集情報等軍事活動提供服務。美國于1964年建造出世界第一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)——“子午儀”系統(tǒng)。誕生最早的發(fā)明，其缺點往往也最多?！白游鐑x”在時間精度和二維定位等方面的明顯缺陷，促使美國從1974年開始研發(fā)性能更優(yōu)的GPS。上世紀80年代，里根總統(tǒng)的“星球大戰(zhàn)”計劃加速了GPS問世的進程。1994年，包括21顆工作衛(wèi)星和3顆備用星的GPS網絡建成。隨后在南聯(lián)盟、阿富汗、伊拉克等戰(zhàn)爭中，GPS的杰出表現(xiàn)以及其在民間和商業(yè)領域中的廣泛應用，一躍成為壟斷全球的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。很長一段時間內，在世人眼里，GPS幾乎成為衛(wèi)星導航的代名詞。

但是，GPS并非完美無瑕。首先，GPS姓“軍”，是美國獨霸全球戰(zhàn)略的重要組成。因“保密”需要，民用和商用受到了各種限制，尤其在出現(xiàn)軍事危機時，民商用戶可能隨時被中斷服務。其次，GPS的全球覆蓋率為98%，高緯地區(qū)使用不便。第三，GPS衛(wèi)星替補有時間差，一旦某顆工作衛(wèi)星發(fā)生故障，啟用備用衛(wèi)星需要時間。例如2000年，GPS衛(wèi)星曾出現(xiàn)過故障，致使俄克拉荷馬、堪薩斯等地的導航信號消失了18分鐘。其它諸如精確度僅為10米、信號易被干擾、接收機芯片壟斷等問題，也常引起使用者的不滿。

競爭激發(fā)動力。在其它三大導航系統(tǒng)尤其是俄羅斯GLONASS的追趕下，為保持GPS的壟斷地位，美國也在實施GPS的現(xiàn)代化計劃。其目前的衛(wèi)星數(shù)已增至24顆工作星和4顆備用星。下一代GPS監(jiān)測地物的精確率可以達到厘米級水平，信號的發(fā)射功率也將提高100至300倍，并且承諾在民用功能、技術可靠性、免費使用等服務上提升質量。

二、俄羅斯格洛納斯

美蘇爭霸促進了衛(wèi)星導航的發(fā)展。由于衛(wèi)星導航在軍事上極具威懾，前蘇聯(lián)自不甘心落后于美國。1976年，蘇聯(lián)開始建造全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即GLONASS。歷經20年的努力，于1995年開始投入使用。本來設計為24顆衛(wèi)星，但在發(fā)射了第17顆衛(wèi)星后蘇聯(lián)解體，GLONASS隨之處于癱瘓狀態(tài)。在隨后的這段時間里，GPS系統(tǒng)徹底確立了商業(yè)優(yōu)勢，成為衛(wèi)星導航的世界霸主。新世紀以來，俄羅斯在普京總統(tǒng)的強力支持下，歷經10年磨難，耗資100多億美元，終于恢復了GLONASS系統(tǒng)，并于2011年元旦正式運行。俄羅斯近來推出的更現(xiàn)代化的GLONASS-M，以及正在研制的GLONASS-K衛(wèi)星更新星座，導航范圍覆蓋了整個地球表面和近地空間，定位精度達到了1米左右，測速及定時精度上也超過了目前的GPS，并且具有更強的抗干擾能力。軍事專家指出，無論是對付美國導彈防御系統(tǒng)，還是打“太空戰(zhàn)”，該系統(tǒng)都是俄手中的“王牌”之一。

GLONASS的成長史，反映了蘇—俄的衰亡復興史。前蘇聯(lián)解體，GLONASS癱瘓，俄羅斯復興，GLONASS又發(fā)展成為僅次于GPS的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。如今，在其它衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設一拖再拖的情況下，也只有GLONASS能與GPS抗衡，為全球衛(wèi)星導航用戶提供第二種選擇。不過遺憾的是，由于錯過了發(fā)展機遇，即便在俄羅斯境內，GPS的終端也占據(jù)統(tǒng)治地位，按照美國計劃，性能更好的GPS Block III衛(wèi)星在格洛納斯-K衛(wèi)星發(fā)射后不久也會隨之升天。要想從GPS系統(tǒng)手里搶到市場，格洛納斯還有很長的路要走。

三、歐盟伽利略計劃

壟斷導致傲慢，傲慢刺激了伽利略計劃的誕生。新世紀以前，由于世人對GPS的依賴，處于壟斷地位的GPS缺乏了創(chuàng)新動力，一些緯度較高的北歐國家民眾一直對GPS的服務不滿。并且，在科索沃戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭期間，歐洲“盟友”國家的軍隊在使用GPS系統(tǒng)時受到了限制。因此，前法國總統(tǒng)希拉克曾說，如果歐盟不推進自己的衛(wèi)星導航計劃，“歐洲必將成為美國的家臣”。出于打破GPS的壟斷地位和戰(zhàn)略考量，歐盟的GALILEO計劃隨之誕生。本世紀初，歐洲各國投入巨資發(fā)展自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，得到了除美國以外的許多國家的支持，并有包括中國在內的不同地區(qū)多個大國參與其中，這為它占領全球市場奠定了重要的政治基礎。廣大民眾也對這項計劃表示歡迎，因為GALILEO系統(tǒng)的服務定位是以民用為主。

集體的力量是強大的，依照GALILEO的最初設計，該系統(tǒng)比GPS精確度更高，也更可靠，其時間信號精度達到100納秒，定位精度為1米，確定地面位置或近地空間位置要比GPS精確10倍。一個最形象的比喻是：GPS系統(tǒng)只能找到街道，而GALILEO則可以找到家門。面對GALILEO的競爭，美國在無法短時間內彌補GPS不足的情況下，最終還是選擇了相互兼容來確保GPS的絕對收益。

但集體研發(fā)，優(yōu)勢與缺點并存。因美國的不斷施壓和歐洲經濟的衰退，GALILEO計劃執(zhí)行得并不順利，直到2005年，首顆試驗衛(wèi)星才發(fā)射升空，原定2008年投入運營的GALILEO系統(tǒng)，如今僅有4顆衛(wèi)星在軌運行，系統(tǒng)實用化的時間也由計劃的2012年延至2018年以后。而且，由于GALILEO系統(tǒng)的競爭效應，促進了美國GPS的升級并擴大了民用服務面，在全球市場份額占據(jù)方面，GALILEO已被GPS遠遠地甩在了后面。

四、中國北斗導航系統(tǒng)

作為信息技術的后發(fā)國家，同時擁有強大的空間技術，中國研發(fā)自己的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)已成必然。一些事件的發(fā)生，更促成了我國政府決心加快CNSS的研發(fā)：①中俄、中歐、歐俄及俄印等國家間關于衛(wèi)星導航的合作談判基本以失敗而告終。②與中國合作最多的GALILEO計劃一再延期，中國對其發(fā)展前景擔憂。美國對GALILEO計劃更是心懷芥蒂，一方面在技術層面上進行遏制，另一方面又威脅歐洲：如果歐洲允許美國的敵國在戰(zhàn)爭中使用該系統(tǒng)，美國將摧毀其衛(wèi)星星座。③我國軍隊使用GPS時，美國可能關閉區(qū)域內的信號，這曾在我國的軍事演習中發(fā)生過。為了獲得戰(zhàn)略上的獨立性，中國必須堅定不移地發(fā)展北斗系統(tǒng)。

新世紀伊始，中國自主研發(fā)、獨立運行的北斗衛(wèi)星導航項目正式開啟。設計分三步走：第一步，2000～2003年間建成第一代實驗系統(tǒng)，由3顆衛(wèi)星組成，提供區(qū)域性服務；第二步，2007～2012年，由16顆衛(wèi)星組成的北斗導航系統(tǒng)已向亞太大部分地區(qū)（84°E～106°E，55°S～55°N）提供連續(xù)無源定位、導航、授時等服務；第三步，2020年左右完成全部30顆衛(wèi)星的發(fā)射，建成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。目前正在建設中的第二代系統(tǒng)吸取了GPS和GLONASS的優(yōu)點，將衛(wèi)星分布于靜止、同步和中圓三種軌道上，為同一地點的定位提供多顆衛(wèi)星，使其定位精度優(yōu)于10米，授時精度在10納秒以內，測速精度約0.2米/秒。值得一提的是，北斗導航提供了獨一無二的短信服務功能，使得遇險用戶在沒有其它通訊信號的情況下，獲救機率大大提高。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)成為繼GPS、GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在建成時間上趕超了GALILEO系統(tǒng)。目前的北斗系統(tǒng)已在我國森林防火、水利防汛、導航通信、交通運輸、信息采集、監(jiān)控救援、安全保衛(wèi)等領域產生了顯著的經濟效益和社會效益，如在汶川、玉樹、雅安等地的抗震救災中，北斗有出色的表現(xiàn)。為了進一步規(guī)范和監(jiān)督公務車使用情況，目前國內部分省市的公車已加裝了北斗系統(tǒng)。鑒于北斗導航系統(tǒng)對我國民眾未來生活的廣泛影響，建議在高中地理教材中增加相關內容。

北斗衛(wèi)星定位導航原理與功能示意圖

衛(wèi)星導航的民用化、商用化有著廣闊的市場前景，是其發(fā)展的大勢所趨。但GPS先入為主的現(xiàn)實，給北斗系統(tǒng)的民用和商用市場發(fā)展帶來了困難。從國內用戶數(shù)量看，北斗僅占1%，其它份額基本被GPS占有。北斗最初著眼于軍事，后改為軍民兼用，導致了民用發(fā)展上的兩個先天不足：一是民用地面接收設備的研發(fā)和應用嚴重滯后，到目前為止，我國企業(yè)還不具備研發(fā)互操作和多系統(tǒng)兼容芯片的能力，國內芯片市場的95%被GPS占領；二是北斗能夠提供服務的用戶數(shù)量僅為100萬。即便今后擴容成功，在國際市場上，北斗還要與GPS、GALILEO等系統(tǒng)競爭。但是憑借其質量和特色，又有中國這個強大的市場為依托，北斗的發(fā)展前景光明。

隨著時代的發(fā)展，衛(wèi)星導航系統(tǒng)將會廣泛地影響著人們的生產、生活，更會深刻地影響著各國的國防安全和經濟建設。衛(wèi)星導航系統(tǒng)將是一個國家重要的基礎設施，成為綜合國力的重要體現(xiàn)。目前有意開發(fā)此項技術的還有日本、印度等國家。