全球?qū)Ш降脑砗蛢r(jià)值

文/李晨風(fēng)

從美國全球定位系統(tǒng)開始，世界主要航天國家紛紛邁進(jìn)了衛(wèi)星導(dǎo)航的門檻。但是從方案選擇上來說，有四個(gè)國家選擇了全球系統(tǒng)，兩個(gè)國家選擇的區(qū)域系統(tǒng)。這其中的區(qū)別是什么呢？

GNSS是什么

全球系統(tǒng)的全稱是“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”，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(jīng)典、使用時(shí)間最長、用戶最多的GNSS，也就是美國的 GPS。它的原理正如我們?cè)谇拔闹兴f，是把路基無線電導(dǎo)航臺(tái)站搬到天上，然而不同的是，陸基導(dǎo)航臺(tái)站是不會(huì)動(dòng)的，而天基導(dǎo)航衛(wèi)星是在高速運(yùn)動(dòng)的。這會(huì)不會(huì)對(duì)實(shí)際使用產(chǎn)生什么困擾呢？我們?cè)趯W(xué)習(xí)物理運(yùn)動(dòng)學(xué)的時(shí)候，首先都會(huì)被老師樹立起這樣一個(gè)概念：運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，運(yùn)動(dòng)或者不運(yùn)動(dòng)是比較于參照物來說的。那么無論船只、車輛、衛(wèi)星還是行人，相對(duì)于路基無線電導(dǎo)航臺(tái)站來說，都是運(yùn)動(dòng)的。假設(shè)地球并不存在，飛機(jī)、船只、車輛和人員都存在于虛空當(dāng)中，那么就可以假設(shè)導(dǎo)航衛(wèi)星是不動(dòng)的。而實(shí)際上這些導(dǎo)航用戶在高速運(yùn)動(dòng)，這樣我們要做的工作就很明顯，無非是把衛(wèi)星和用戶的相對(duì)速度都通過地球這個(gè)參照物來進(jìn)行換算而已。

▲GPS-IIR-M衛(wèi)星

原理雖然簡單，工程實(shí)現(xiàn)上卻要面對(duì)一個(gè)極為困難的問題。陸基導(dǎo)航臺(tái)站的位置是固定的，測定它的精確位置相對(duì)比較容易。然而，要想測定高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星的瞬時(shí)位置，可就沒那么容易了。

現(xiàn)在我們知道了導(dǎo)航衛(wèi)星的位置，如果能夠測量出接收機(jī)到導(dǎo)航衛(wèi)星的距離，就可以進(jìn)行位置的計(jì)算。只要知道接收機(jī)到其中三顆衛(wèi)星的距離，就可以在空間畫三個(gè)球面。從理論上說，這三個(gè)球面會(huì)有一個(gè)交點(diǎn)，它就是接收機(jī)的空間位置。不過在實(shí)際操作中，由于無線電傳播路程上會(huì)受到各類干擾，加上星上時(shí)鐘、接收機(jī)時(shí)鐘都會(huì)存在一定誤差，所以只靠三顆衛(wèi)星得到的位置數(shù)據(jù)是非常不準(zhǔn)確的，要接收更多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來進(jìn)行相互驗(yàn)算，最后得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)。

RNSS是什么

區(qū)域系統(tǒng)的全稱是“區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”，英文縮寫為RNSS。其中的R表示“區(qū)域”（ regional）。顧名思義，RNSS是為有限區(qū)域提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。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(qū)域提供服務(wù)的，也屬于RNSS。但是靜止軌道衛(wèi)星有個(gè)與生俱來的缺陷，就是對(duì)高緯度地區(qū)的服務(wù)很差。稍微出現(xiàn)地物遮擋的情況，接收機(jī)就看不到衛(wèi)星了。解決問題的辦法，是采用所謂的傾斜同步軌道。

▲日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星軌跡

▲日本準(zhǔn)天頂星座全圖

▲印度區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)構(gòu)成

我們知道靜止軌道的特點(diǎn)是軌道傾角為0°，這樣衛(wèi)星所處的經(jīng)度是不會(huì)發(fā)生變化的。如果我們改變一顆靜止軌道衛(wèi)星的軌道傾角，衛(wèi)星就會(huì)在定點(diǎn)經(jīng)度附近來回晃動(dòng)。不過在地面上看來，衛(wèi)星就是飛行在一條8字型的軌道上。這樣，高緯度的地區(qū)也能享受到衛(wèi)星從頭頂飛過的服務(wù)，不太需要擔(dān)心地物遮擋了。如果能在這個(gè)8字型軌道上部署足夠多的衛(wèi)星，就能實(shí)現(xiàn)持續(xù)覆蓋服務(wù)。印度的“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）和中國北斗二代的部分衛(wèi)星就采取了這樣的軌道設(shè)計(jì)。

這里要特別討論一下日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）。日本國土比較小，幾乎都處在高緯度地區(qū)。如果采用傾斜同步軌道，那么在多數(shù)時(shí)間里，軌道上的多數(shù)衛(wèi)星都在日本的視野之外。因此，準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)采用了1顆靜止軌道衛(wèi)星加6顆傾斜同步軌道衛(wèi)星的方案。后者的軌道傾角達(dá)到43°，有點(diǎn)類似于蘇聯(lián)發(fā)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(shí)保持日本上空有一顆衛(wèi)星的仰角不低于60°。

區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的工作原理和全球?qū)Ш较到y(tǒng)一樣，也是通過精確測量衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離，然后根據(jù)衛(wèi)星的精確軌道數(shù)據(jù)，來推算接收機(jī)的位置。不過由于區(qū)域系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量比較少，所以在受到干擾或者遮擋的時(shí)候，容易因?yàn)榭梢娦l(wèi)星數(shù)量太少而導(dǎo)致定位精度嚴(yán)重下降。所以無論印度的還是日本的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，都是對(duì)四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)的補(bǔ)充和增強(qiáng)。印度和日本之所以要搞這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，有著各自的原因。印度是因?yàn)閲τ邢蓿貌怀瞿敲炊噱X來搞自己的全球系統(tǒng)。日本則是因?yàn)閼?zhàn)敗國地位，只能搞美國允許的衛(wèi)星系統(tǒng)。準(zhǔn)天頂系統(tǒng)雖然名義上是一種區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，但實(shí)際上主要任務(wù)是播發(fā)GPS的增強(qiáng)信號(hào)，這對(duì)美國是有利的。

為什么要搞GNSS？

從上面的表述中可以發(fā)現(xiàn)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)無論是難度還是投資，都要比區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)大得多。四大全球系統(tǒng)都要保持30顆左右的衛(wèi)星在軌運(yùn)行。僅僅是用來部署星座的火箭發(fā)射次數(shù)就要比區(qū)域系統(tǒng)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(wǎng)。

▲格洛納斯M衛(wèi)星

▲北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

為了進(jìn)一步提高測控精度，全球系統(tǒng)的運(yùn)營方還彼此合作。美俄曾經(jīng)相互在對(duì)方領(lǐng)土上部署了測量站，用于更好地支持衛(wèi)星軌道測量和信號(hào)改正。雙方關(guān)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(tǒng)普京批準(zhǔn)了《俄中和平使用北斗和格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的合作協(xié)定》，俄中兩國將至少在對(duì)方境內(nèi)部署3個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面站，中國境內(nèi)的“格洛納斯”站將部署在上海、烏魯木齊和長春。俄羅斯境內(nèi)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(qū)域系統(tǒng)不需要這樣的麻煩，日本和印度各自在國內(nèi)設(shè)站觀測，就能滿足要求。

那么，為什么要搞全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)呢？這與各國的國際利益和國際責(zé)任有直接關(guān)系。首先我們要認(rèn)識(shí)到，對(duì)于現(xiàn)代生產(chǎn)、生活來說，衛(wèi)星導(dǎo)航是一種不可缺少的基礎(chǔ)性服務(wù)。即使不討論軍事應(yīng)用，沒有衛(wèi)星導(dǎo)航，我們所習(xí)慣的快遞、外賣，效率都會(huì)變得極為低下。電力、通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步很難達(dá)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(gè)問題就是：誰來提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)？

美國是公認(rèn)的全球帝國，因此需要給全球的美國軍隊(duì)提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，把這種服務(wù)開放給全球民用，一方面起到了推行美國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(zé)任。如果不能在導(dǎo)航衛(wèi)星這樣的戰(zhàn)略性天基基礎(chǔ)設(shè)施上具備獨(dú)立自主的地位，很多時(shí)候就要被迫屈從于美國霸權(quán)。在這個(gè)問題上，西歐國家作為美國的盟友，吃過的苦頭實(shí)在是太多了。俄羅斯、中國這樣被美國當(dāng)作戰(zhàn)略對(duì)手的國家，就更不可能依靠GPS，必須搞自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。需要知道的是，伽利略系統(tǒng)在啟動(dòng)之初，遭到了美國政府的強(qiáng)烈反對(duì)和全力打壓。作為伽利略系統(tǒng)的主要發(fā)起方和歐洲航空航天的領(lǐng)袖，法國非常堅(jiān)決地頂住了美國人的壓力，也帶動(dòng)了其他歐洲國家持續(xù)跟進(jìn)。這是戰(zhàn)后為數(shù)不多的、歐洲堅(jiān)持自己高技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略方向不動(dòng)搖的案例之一。