全球導航衛星系統發展的

□ 廖春發

上世紀90年代中期，美國和前蘇聯歷經20多年努力先后建成了各自的全球導航衛星系統，但在2000年后，GLONASS系統卻隨蘇聯的解體而處于癱瘓狀態，而美國GPS卻因在幾場局部戰爭中的杰出表現和在民用中的廣泛應用備受青睞，成為壟斷全球的霸主。進入21世紀的前10多年時間里，歐盟、俄羅斯和中國為打破GPS的壟斷地位和出于各自的戰略考量，競相投入巨資發展本國的衛星導航系統；與此同時，美國為保持其技術上的領先地位和市場上的壟斷優勢，也在實施導航戰策略指導下的GPS現代化計劃。在這場充滿航天大國間綜合國力競爭的全球博弈中，全球GNSS及其產業正從一家獨霸向四強并存、多系統兼容互操作的世界新格局發展，出現了類似于當前世界格局發展的可喜變化，成為多極世界格局的縮影。當前全球GNSS正面臨產業在轉型，系統在升級，技術要創新的戰略機遇期，對我國來說既是千載難逢的機遇，但更多

“四強爭霸”與“三國演義”

上世紀90年代中期，美國和前蘇聯歷經20多年努力先后建成了各自的全球導航衛星系統，但在2000年后，GLONASS系統卻隨蘇聯的解體而處于癱瘓狀態，而美國GPS卻因在幾場局部戰爭中的杰出表現和在民用中的廣泛應用備受青睞，成為壟斷全球的霸主。進入21世紀的前10多年時間里，歐盟、俄羅斯和中國為打破GPS的壟斷地位和出于各自的戰略考量，競相投入巨資發展本國的衛星導航系統；與此同時，美國為保持其技術上的領先地位和市場上的壟斷優勢，也在實施導航戰策略指導下的GPS現代化計劃。在這場充滿航天大國間綜合國力競爭的全球博弈中，全球GNSS及其產業正從一家獨霸向四強并存、多系統兼容互操作的世界新格局發展，出現了類似于當前世界格局發展的可喜變化，成為多極世界格局的縮影。當前全球GNSS正面臨產業在轉型，系統在升級，技術要創新的戰略機遇期，對我國來說既是千載難逢的機遇，但更多

在這一新格局的驅動下，美國用10多年時間、耗資106億美元基本完成了第二代GPS的升級換代，俄羅斯在普京的強力支持下也歷經10年磨難，耗資100多億美元，終于恢復了陷于癱瘓的GLONASS系統；而歐盟的伽利略系統卻在這場舉世矚目的大國博弈中處于明顯的劣勢，原定2008年投入運營的伽利略衛星系統，如今僅有2顆驗證衛星和1顆技術試驗衛星在軌運行；中國也用10年時間建成了北斗區域導航衛星系統，完成了從北斗雙星有源導航定位向無源導航定位的轉型。我國北斗系統的發展，不僅使中國在亞洲中印日區域衛星導航的“三國演義”競爭中處于遙遙領先地位，而且在未來中、美、俄、歐GNSS四強競爭中成為四分天下有其一的國家，成為中國從航天大國走向航天強國的重要標志，并在中國乃至全球市場的GNSS用戶終端產品制造、集成和服務領域占有重要的一席之地。

回首過去40多年GNSS的發展歷程，美國、俄羅斯和歐盟發展天基PNT系統中的許多經驗教訓值得我們認真汲取和反思，其中包括美國GPS現代化的經驗以及俄羅斯GLONASS起死回生的教訓和歐洲伽利略計劃艱難曲折經歷的反思。

GNSS或天基PNT系統是確保國家安全不可或缺的戰略性資源，獨立自主地掌握和擁有這一高新技術不是所有國家能夠做到的事情。也就是說研發和部署這一系統的本身已經很困難，除了需要投入巨資外，還必須攻克一道道技術難關。而且在整個GNSS建設和運營過程中，尤其是在參與兼容互操作的多邊或雙邊談判與協調中,還充滿大國間政治、軍事、經濟、科技和外交綜合實力的博弈、對抗和競爭。國外發展GNSS的曲折經歷表明：建成全球系統雖然很難，但要長期穩定運行和最大限度地發揮其軍事、經濟和科技效益，更是難上加難。它不僅是國家意志，尤其是一代又一代領導人意志的體現，更是國家綜合國力競爭的體現。為此，綜合國外發展天基PNT系統的經驗教訓，得出以下重要結論、反思與啟示。

GLONASS衛星星座示意圖

GPS衛星星座

天基PNT系統的本質屬性是“軍”而不是“民”更不是“商”

歐盟發展伽利略系統過程中遇到的種種曲折經歷表明，盡管衛星導航系統可以在民用和商用領域已得到比軍事更廣泛的應用，且其經濟、社會效益巨大，但它決不可能像商用衛星系統那樣運作和管控，也無法按歐盟預先設想的公私伙伴關系運營。因為它本質上的屬性是姓“軍，而不姓“民”，更不姓“商”。因此，這種軍民兩用系統只能采取由政府長期穩定投資，軍方管控的軍民結合管理體制來運作。軍用上要確保獨立自主，民用上必須開放、透明，并與國際GNSS兼容互操作。

此外，天基PNT系統雖然可以通過用戶段的兼容互操作實現民用市場的國際合作，但空間段和地面控制段部分不可能通過國際合作方式共建共享，只能獨立自主管控。中俄、中歐、歐俄及俄印等國家間相關合作談判均以失敗而告終就是明證。歐盟已經認識到，不能依賴私營企業融資來建立和長期運營伽利略系統，也不能依靠非歐盟國家的國際合作模式發展和運營伽利略系統，更不要對伽利略的直接經濟效益有太高的期望值，因為衛星導航產業從廣義上說更像氣象衛星和互聯網一樣，是一種公共事業。其效益和回報主要體現在各行各業的間接回報上。

北斗導航衛星

GPS衛星導航系統終端

建成一個GNSS系統需用20年，恢復或更新換代至少也需要10-20年

美俄兩國在冷戰時期獨立完成研發、試驗和部署各自全球導航衛星系統歷經了大約20年，歐盟完成同樣這件事，看來也不會少于20年。而美國更新換代第二代GPS系統（包括GPS-2R、2RM和2F），迄今也已歷經20年；俄羅斯恢復GLONASS用了10年。美國發展GPS的經驗證明，保持GPS長期、穩定運行的重要前提是必須堅持探索論證一代、研發生產一代和部署運行一代同步進行，各代之間還必須保持前后兼容。

歐洲伽利略衛星系統

高可靠、長壽命對確保導航衛星星座的長期穩定運行至關重要

美國GPS-2A的設計壽命為7.5年，但12顆GPS-2A衛星實際在軌工作的平均壽命超過15年，目前最長壽命已達19.5年。新一代GPS-2R、2RM和2F的設計壽命為15年。由于GPS衛星的實際工作壽命遠遠超過設計壽命，大大降低了星座維持費用，也使GPS現代化在進度不斷推遲、預算超支的情況下也能保證系統正常運行。反觀俄羅斯GLONASS系統，早期衛星僅有3年工作壽命，系統投入運行不足3年就有一半衛星需要替換，且有許多衛星帶病服役，這也是造成該系統過早陷于癱瘓的原因之一。當然，長壽命、高可靠的導航衛星必須建立在長壽命、高可靠、抗輻射電子元器件的微電子工業基礎之上。俄羅斯的微電子技術，尤其是在星鐘等關鍵技術方面當年未取得長壽命、高可靠、抗輻射的突破，也是其過早陷于癱瘓的另一原因。

美國的下一代GPS導航定位衛星

不注重應用的系統決不可能持續發展，不能融入GNSS世界體系的系統無法分享國際和國內市場

注重應用，增強抗干擾能力和兼容互操作能力是世界GNSS發展的大勢所趨。衛星導航信號極易受干擾，其微弱程度就好比一個25瓦燈泡的光從2萬千米的太空照射到地球表面。為了減緩GPS的脆弱性，美國正在采取各種措施增強GPS抗干擾能力，尋求GPS備用手段，探索開發新的導航技術。未來戰爭中，抗干擾能力是衛星導航系統能否生存的關鍵。

勿容置疑的是，美國GPS依靠其技術優勢和市場先機，仍然是當今的領導者，俄羅斯、中國和歐盟雖然可以打破美國的全球壟斷地位，但卻無法取代GPS，只能在新的起跑線上融入以GPS為主導的GNSS世界體系，共享未來國內外市場的巨大蛋糕。俄羅斯早期不重視GLONASS應用及其產業發展的教訓,和美國GPS在軍用和民用兩大領域的巨大成功形成鮮明對照，表明國家在衛星導航系統的巨大投資必須獲得合理回報，否則不可能長期穩定和可持續發展。而這種發展決不能獨善其身，在民用領域要更加開放、透明，遵循國際游戲規則，要和加入WTO一樣融入美、歐、俄正在規劃的GNSS世界體系，努力在GNSS國際委員會(ICG)的框架和國際舞臺上爭取更多話語權及其新標準、新規則的制定權。歐盟曾經想要在世界衛星導航技術及市場上與美國分庭抗禮，甚至試圖聯合中俄，將美國擠出歐洲市場，但最終卻事與愿違，經過3年談判達成的歐美衛星導航協議迫使歐盟妥協，不僅無法擠走美國，還不得不在GNSS體系框架內與美國分享歐洲市場，而且還將伽利略系統納入了美國導航戰的軌道。俄羅斯也痛定思痛，不得不改變其頻分多址的信號結構，轉向與美歐系統兼容互操作的GNSS體系。

美國GPS導航衛星

美國GPS IIF衛星

深刻認識天基PNT系統的脆弱性和固有局限性

美國實施GPS現代化的主要驅動因素是發現GPS太重要，且又太脆弱，一旦受到“天災”或“人禍”的干擾，尤其是敵對國家或恐怖組織的故意干擾，將會造成嚴重后果，因此美國軍方從建立GPS系統之日起就時刻不忘增強其抗干擾能力，減緩其脆弱性；并針對其固有局限性（即無法在地下、水下、室內和高樓遮擋的城區以及在4萬千米以外太空和干擾環境下獲得PNT服務），己經或正在采取各種措施逐步解決上述難題，其中正在實施的國家PNT體系結構就是這種努力的最新嘗試。

俄羅斯GLONASS衛星

若干重要反思與啟示

經過10多年的連續跟蹤研究，得出的重要反思與啟示是：天基PNT系統是不可或缺的戰略資源，為了獲得戰略上的獨立性，中國決不能長期依賴國外導航衛星系統，必須堅定不移發展北斗全球導航衛星系統；為了獲得經濟上的利益和國際競爭力，北斗導航衛星系統決不能孤立于國際GNSS體系之外，必須成為與美、俄、歐GNSS系統相互兼容與互操作的四大供應商之一；為了確保國家安全，滿足用戶在任何地點、任何環境和任何高度上的PNT需求，中國決不能完全依賴天基PNT系統，必須保留某種PNT能力作為國家的戰略備份手段、并采用綜合的PNT體系結構逐步解決天基PNT能力不足問題。

天基PNT雖是PNT體系結構的基石，但隨著技術發展和PNT應用的深入，天基PNT系統既無法滿足目前武器制導和潛艇導航的需求，也難以滿足未來20年的用戶需求，因此我國應從戰略高度統籌規劃各種不同PNT技術與能力的開發，協調天基和陸基PNT及其他自主PNT技術的發展，支持各種不同PNT手段的相互集成與融合，支持各種不同PNT信息源和信息路徑的融合與應用開發。同時也可以從根本上解決對天基PNT系統的嚴重依賴。

未來20年，各種PNT技術與軍民商用戶部門相互集成和融合的程度將會比現在更深更廣，因此必須開發更多、更好的PNT能力和解決方案，解決城市峽谷和建筑物內部的應用難題；此外，隨著PNT系統面臨的威脅(干擾、欺騙等)越來越大，且所用威脅技術日趨成熟，PNT信息完好性對所有用戶的重要性將會與日俱增。

從國際政治、經濟和技術發展趨勢分析，可以得出如下結論：

政治上，由于有更多國家發展本國或本地區專用的天基PNT系統，天基PNT系統將被視為不可或缺的國家基礎設施；

經濟利益上，全球商業利益將會超過軍事利益，美國PNT用戶設備在全球市場中的領導地位將受到嚴重挑戰；

技術上，PNT技術將繼續向微電子機械系統(MEMS)、芯片級原子鐘(CSAC)和納米技術方向發展，上述微小型化技術的發展將使PNT用戶設備的能力發生革命性的變化。

GNSS接收機將向更便宜、更加微小型和更靈巧方向發展。其應用的深度、廣度和普及程度將深刻影響到人們的日常生活，甚至人的隱私。一種微型GNSS跟蹤裝置將會安裝或粘在幾乎所有有價值的目標上，能夠秘密而惡意地跟蹤別人。人們出于保護自己不被惡意跟蹤，將會采取各種干擾措施，從而對一些正在使用GNSS的關鍵系統或基礎設施造成危害。因此，如何解決亇人隱私與確保GNSS系統安全之間的平衡問題將會越來越迫切。

我國北斗衛星導航定位系統軌道分布設想圖