全球導航的原理和價值

文/李晨風

從美國全球定位系統開始，世界主要航天國家紛紛邁進了衛星導航的門檻。但是從方案選擇上來說，有四個國家選擇了全球系統，兩個國家選擇的區域系統。這其中的區別是什么呢？

GNSS是什么

全球系統的全稱是“全球導航衛星系統”，英文簡寫為GNSS。其中的G是“global”（全球）的首字母。

我們先來看一看最經典、使用時間最長、用戶最多的GNSS，也就是美國的 GPS。它的原理正如我們在前文中所說，是把路基無線電導航臺站搬到天上，然而不同的是，陸基導航臺站是不會動的，而天基導航衛星是在高速運動的。這會不會對實際使用產生什么困擾呢？我們在學習物理運動學的時候，首先都會被老師樹立起這樣一個概念：運動是相對的，運動或者不運動是比較于參照物來說的。那么無論船只、車輛、衛星還是行人，相對于路基無線電導航臺站來說，都是運動的。假設地球并不存在，飛機、船只、車輛和人員都存在于虛空當中，那么就可以假設導航衛星是不動的。而實際上這些導航用戶在高速運動，這樣我們要做的工作就很明顯，無非是把衛星和用戶的相對速度都通過地球這個參照物來進行換算而已。

▲GPS-IIR-M衛星

原理雖然簡單，工程實現上卻要面對一個極為困難的問題。陸基導航臺站的位置是固定的，測定它的精確位置相對比較容易。然而，要想測定高速運動的衛星的瞬時位置，可就沒那么容易了。

現在我們知道了導航衛星的位置，如果能夠測量出接收機到導航衛星的距離，就可以進行位置的計算。只要知道接收機到其中三顆衛星的距離，就可以在空間畫三個球面。從理論上說，這三個球面會有一個交點，它就是接收機的空間位置。不過在實際操作中，由于無線電傳播路程上會受到各類干擾，加上星上時鐘、接收機時鐘都會存在一定誤差，所以只靠三顆衛星得到的位置數據是非常不準確的，要接收更多的衛星數據來進行相互驗算，最后得到一個比較準確的位置數據。

RNSS是什么

區域系統的全稱是“區域導航衛星系統”，英文縮寫為RNSS。其中的R表示“區域”（ regional）。顧名思義，RNSS是為有限區域提供導航服務的衛星系統。這就帶來了有趣的問題。如前所述，GEOSTAR和北斗一代都是為有限區域提供服務的，也屬于RNSS。但是靜止軌道衛星有個與生俱來的缺陷，就是對高緯度地區的服務很差。稍微出現地物遮擋的情況，接收機就看不到衛星了。解決問題的辦法，是采用所謂的傾斜同步軌道。

▲日本準天頂衛星軌跡

▲日本準天頂星座全圖

▲印度區域導航系統構成

我們知道靜止軌道的特點是軌道傾角為0°，這樣衛星所處的經度是不會發生變化的。如果我們改變一顆靜止軌道衛星的軌道傾角，衛星就會在定點經度附近來回晃動。不過在地面上看來，衛星就是飛行在一條8字型的軌道上。這樣，高緯度的地區也能享受到衛星從頭頂飛過的服務，不太需要擔心地物遮擋了。如果能在這個8字型軌道上部署足夠多的衛星，就能實現持續覆蓋服務。印度的“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）和中國北斗二代的部分衛星就采取了這樣的軌道設計。

這里要特別討論一下日本的準天頂衛星系統（QZSS）。日本國土比較小，幾乎都處在高緯度地區。如果采用傾斜同步軌道，那么在多數時間里，軌道上的多數衛星都在日本的視野之外。因此，準天頂衛星系統采用了1顆靜止軌道衛星加6顆傾斜同步軌道衛星的方案。后者的軌道傾角達到43°，有點類似于蘇聯發明的“閃電”軌道。如果從地面看，它們畫出的8字型北部小、南部大。小圈覆蓋日本上空，大圈則覆蓋澳大利亞。這樣可以隨時保持日本上空有一顆衛星的仰角不低于60°。

區域導航衛星系統的工作原理和全球導航系統一樣，也是通過精確測量衛星和接收機之間的距離，然后根據衛星的精確軌道數據，來推算接收機的位置。不過由于區域系統的衛星數量比較少，所以在受到干擾或者遮擋的時候，容易因為可見衛星數量太少而導致定位精度嚴重下降。所以無論印度的還是日本的區域導航系統，都是對四大全球導航系統的補充和增強。印度和日本之所以要搞這樣的衛星系統，有著各自的原因。印度是因為國力有限，拿不出那么多錢來搞自己的全球系統。日本則是因為戰敗國地位，只能搞美國允許的衛星系統。準天頂系統雖然名義上是一種區域導航系統，但實際上主要任務是播發GPS的增強信號，這對美國是有利的。

為什么要搞GNSS？

從上面的表述中可以發現，全球導航衛星系統無論是難度還是投資，都要比區域衛星導航系統大得多。四大全球系統都要保持30顆左右的衛星在軌運行。僅僅是用來部署星座的火箭發射次數就要比區域系統多得多。為了精確控制和測定它們的軌道，美國、俄羅斯、中國和歐洲都部署了全球覆蓋的地面站網。

▲格洛納斯M衛星

▲北斗衛星導航系統示意圖

為了進一步提高測控精度，全球系統的運營方還彼此合作。美俄曾經相互在對方領土上部署了測量站，用于更好地支持衛星軌道測量和信號改正。雙方關系惡化之后，這樣的合作就停止了。不過西方不亮東方亮，俄羅斯總統普京批準了《俄中和平使用北斗和格洛納斯衛星導航系統的合作協定》，俄中兩國將至少在對方境內部署3個衛星導航系統地面站，中國境內的“格洛納斯”站將部署在上海、烏魯木齊和長春。俄羅斯境內的“北斗”站將部署在奧布寧斯克、伊爾庫茨克和堪察加彼得羅巴甫洛夫斯克。而區域系統不需要這樣的麻煩，日本和印度各自在國內設站觀測，就能滿足要求。

那么，為什么要搞全球導航衛星系統呢？這與各國的國際利益和國際責任有直接關系。首先我們要認識到，對于現代生產、生活來說，衛星導航是一種不可缺少的基礎性服務。即使不討論軍事應用，沒有衛星導航，我們所習慣的快遞、外賣，效率都會變得極為低下。電力、通信網絡的時間同步很難達到今天這樣的高效率和高可靠，暢想中的無人駕駛、無人物流更是無從談起。

下一個問題就是：誰來提供全球導航衛星系統服務？

美國是公認的全球帝國，因此需要給全球的美國軍隊提供定位、導航和授時服務，把這種服務開放給全球民用，一方面起到了推行美國技術標準的作用，另一方面也是炫耀美國的國力。俄羅斯、歐洲和中國同樣有自己的全球利益和全球責任。如果不能在導航衛星這樣的戰略性天基基礎設施上具備獨立自主的地位，很多時候就要被迫屈從于美國霸權。在這個問題上，西歐國家作為美國的盟友，吃過的苦頭實在是太多了。俄羅斯、中國這樣被美國當作戰略對手的國家，就更不可能依靠GPS，必須搞自己的全球導航衛星系統。需要知道的是，伽利略系統在啟動之初，遭到了美國政府的強烈反對和全力打壓。作為伽利略系統的主要發起方和歐洲航空航天的領袖，法國非常堅決地頂住了美國人的壓力，也帶動了其他歐洲國家持續跟進。這是戰后為數不多的、歐洲堅持自己高技術發展戰略方向不動搖的案例之一。