導航衛星

科學知識 9547 301 2016-06-01

衛星導航系統,即“全球衛星導航系統“。主要采用最新GPS技術在導航通訊領域的最新應用系統。衛星導航全球性大眾化民用,剛剛開始,有百種應用類型。衛星導航的生命期至少還有50年,GPS概念的提出已有三十年,真正應用只有十來年,現在GPS現代化,GPS III新階段,延續到2020年。GPS國際協會已統計出GPS的117種不同類型的應用。蜂窩通信的集成和汽車應用還是當前最大的兩個市場。

衛星導航系統已經在大量應用中廣泛使用,而且總的發展趨勢是為實時應用提供高精度服務。

基本信息

  • 中文名稱

    衛星導航系統

  • 全名

    全球衛星導航系統

  • 技術

    GPS技術

  • 生命期

    至少還有50年

  • 兩個市場

    蜂窩通信的集成和汽車應用

  • 現狀

    大量應用中廣泛使用

目錄
1​基本簡介
2發展歷程
3系統處理
4主要特點
5降耗技術
6近期進展
7目前技術
8發展現狀
9發展趨勢
10相關事件

​基本簡介

導航衛星導航衛星

衛星:圍繞行星運動的天體。本身不發光。太陽系除水星、金星尚未發現衛星外,其他行星已發現有衛星,已證實的地球有一顆衛星、火星有二顆、木星六十三顆、土星三十三顆、天王星二十七顆、海王星十三顆、冥王星一顆,還有一些尚待證實。

導航:引導飛行器或船舶沿一定航線從一點運動到另一點的方法。分兩類:(1)自主式導航。用飛行器或船舶上的設備導航,有慣性導航、多普勒導航和天文導航等;(2)非自主式導航。用飛行器或船舶上的設備與有關的地面或空中設備相配合導航,有無線電導航、衛星導航。在軍事上,還要配合完成武器投射、偵察、巡邏、反潛和援救等任務。

導航衛星是為航天、航空、航海、各類導彈、地面部隊乃至民用等方面提供導航信號和數據的航天器。它的應用幾乎是無限的,是一種現代化的導航工具。

導航衛星上裝備指令接收機、多普勒發射機、相位調制編碼器和原子鐘等,它與地面控制站和用戶的接收導航設備共同組成衛星導航系統。其作用是,以固定的頻率按規定的時間間隔向地面發送導航信號,告訴地面用戶“它”此時在天上的位置和發信時刻。地面用戶用相應的無線電接收設備和計時器接收這些數據,并經自動化處理后,就能確定自己的準確位置。它的優點是:克服了天文導航對氣象條件的依賴和無線電導航在中遠距離范圍誤差較大的缺點,為用戶提供了全天候的精確導航數據。

發展歷程

導航衛星導航衛星

20 世紀初無線電技術的興起,給導航技術帶來了根本性的變革。人們開始采用無線電導航儀代替古老的磁羅盤。由于無線電波不受天氣好壞的影響,它在白天夜里都可以傳播,所以信號的收、發可以全天候。用無線電導航的作用距離可達幾千公里,并且精度比磁羅盤高,因此被廣泛使用。但是,無線電波在大氣中傳播幾千公里過程中,受電離層折射和地球表面反射的干擾較大,所以,它的精度還不是很理想。

當今,每天都有數以百計的船舶航行在茫茫的海洋里。不幸的是全世界大型輪船中,每年都有幾百艘在海上遇險。其中有半數事故是由于航行原因造成的,使世界商船隊里每年都有幾十艘船沉沒!

最常見的一種事故就是擱淺。它在沉沒的船只中,所占比例比較大。例如,從1969年至1973年間,由于擱淺造成了4000艘船的不幸,其中218艘船已完全報廢。另一種航海事故是碰撞,特別是海岸附近、窄水道區和港口通道上,更容易發生,當然,這與船只不斷增加也有關。例如,通過英吉利海峽的艦船,一晝夜就有400~500艘,由于晝夜或濃霧中航行,船只碰撞的危險時刻存在,難怪海員們說這里是危險的航道。

雖然航海技術和設備在不斷完善,但仍不能滿足今大的要求。現在航道上出現的差錯,不僅給船只和乘員帶來巨大的危險,而且常常給周圍環境、海洋中的動物世界帶來巨大的危害。從超級油輪上流出的石油,有時把沿海幾公里的水面都給蓋住了,并引起幾千種海洋動物和鳥類的死亡……

正因為如此,人們請求衛星來幫忙。1958年初,美國科學家在跟蹤第一顆人造地球衛星時,無意中發現收到的無線電信號有多普勒效應,即衛星飛近地面接收機時,收到的無線電信號頻率逐漸升高;衛星遠離后,頻率就變低。這一有趣的發現,揭開了人類利用人造地球衛星進行導航定位的新紀元。衛星定位導航,是由地面物體通過無線電信號溝通自己與衛星之間的距離,再用距離變化率計算出自己在地球或空間的位置,進而確定自己的航向。

這種設在天上的無線電導航臺,就是現在的導航衛星,也可以說是當今的“羅盤”。目前已有不少國家利用人造地球衛星導航。這種導航方法的優點主要是:可以為全球船舶、飛機等指明方向,導航范圍遍及世界各個角落;可全天候導航,在任何惡劣的氣象條件下,晝夜均可利用衛星導航系統為船舶指明航向;導航精度遠比磁羅盤高,誤差只有幾十米;操作自動化程度高,不必使用任何地圖即可直接讀出經、緯度;導航設備小,很適宜在艦船上安裝使用。于是,衛星導航系統應運而生了。

美國海軍從1959年開始發射導航衛星.其子午儀導航衛星曾為北極星導彈核潛艇在遠洋航行中導過航.美國已建立起衛星導航系統, 它由地面站、導航衛星網、船舶導航設備三部分組成.一些國家的衛星導航系統被廣泛應用于海洋石油勘探、海洋水文測量等各種船舶上.衛星導航在天文學、地學研究中也起了不少作用。

美國于1960年 4月,發射了世界上第一顆導航衛星“子午儀”1B。

1964年7月組成導航衛星網正式投入使用,主要是為核潛艇提供全天候導航定位。蘇聯在“宇宙”號衛星系列中,混編有類似“子午儀”這類導航衛星。為發展三維、全球、實時和高精度的導航衛星系統,美國于70年代初,開始研制第二代導航衛星“導航星”

預計于80年代中后期組網為全球定位系統。

2003年12月,由俄國應用力學科研生產聯合公司研制的新一代衛星交付聯邦航天局和國防部試用,為2008年全面更新Glonass系統作準備。在技術方面,GLONASS系統的抗干擾能力比GPS要好,但其單點定位精確度不及GPS系統。

2004年,印度和俄羅斯簽署了《關于和平利用俄全球導航衛星系統的長期合作協議》,正式加入了GLONASS系統,計劃聯合發射18顆導航衛星。

2006年12月25日,俄羅斯用質子-K運載火箭發射了3顆格洛納斯-M衛星,使格洛納斯系統的衛星數量達到17顆。

系統處理

1、減少被跟蹤衛星數。因處理負荷與被跟蹤衛星數有直接比例關系,此舉將減少保持位置所需的周期數。

2、減少系統處理的信號工作量。例如,在每三個采樣中只處理一個采樣將減少為有效保持位置必須處理的數據量。此舉將影響系統精度,但若系統業已在跟蹤很強信號,則犧牲的這點精度不足為慮。

3、減少定位速率。該標準定位速率是1定位/秒。并非所有應用需要該速率,例如,有些應用1定位/10秒這樣一個速率就夠了。

導航衛星導航衛星

4、平均和濾波器數據。平均在降低精度的同時,也降低了錯誤幅值。取決于應用,平均可保守也可激進。

5、利用空閑周期獲得精度。有時,基帶處理負荷不重。與其讓這些周期閑置,GNSS子系統可動態要求這些周期來處理所需的更多信號以重新獲取精度,否則精度會降低。

6、選擇用同相/正交(in-phase /quadrature——I/Q)格式而非原始信號傳遞數據的射頻。通過用硬件執行I/Q基帶轉換步驟,則分擔了應用主處理器的一些處理工作。該方法的一個主要缺陷是它在射頻和處理器間的接口生成兩倍需下載的數據量,從而要求一個比處理器所支持的更高速接口。

7、采用航位推算和插補。僅通過運行時鐘,系統可根據最后掌握的位置、方向和速度來估計用戶的大概位置。航位推算可長期保持相當精度。

8、選用更高性能處理器。若沒有足夠的未利用周期,根據應用,則可能真需要把目前所用的應用處理器升級至下一檔可用的速度,此舉可能比使用一款硬件基帶處理器便宜。如手機應用處理器一般批量大、且采用最新和最具成本效益的工藝技術實現的,從而降低了成本。考慮到基帶處理器相對低的批量,一般會有更長的優化周期。這樣,與基于硬件的基帶處理器相比,采用運行于更小規模應用主處理器上的軟件的基帶成本和功耗都會更低。

9、屏蔽延遲。在需要時間恢復足夠精度的這些場合,由用戶來屏蔽延遲是重要的。諸如需太長時間首次獲取信號的明晰可感的延遲會給用戶視覺造成極其負面的影響。例如,當確定基于GNSS設備的質量時,許多用戶將專注于類似原初位置獲取等單一特性來評估整個GNSS質量。若首次獲取位置耗時過長,許多用戶將不會勞神比較整個精度到底多高。因此,在無論系統到底干什么的情況下,盡快獲取首次位置都是很重要的。例如,需要用戶暫停視頻、返回菜單然后選擇GNSS位置映像屏幕的過程為GNSS子系統恢復精度、降低獲感等待時間額外提供了一段時間。

主要特點

全球定位系統的主要特點:

(1)全球、 全天候工作。

①定位精度高。單擊定位精度優于10m,采用差分定位,精度可達厘米級和毫米級。

②功能多,應用廣。

GPS系統的特點:高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等。

1、定位精度高

應用實踐已經證明,GPS相對定位精度在50KM以內可達10-6,100-500KM可達10-7,1000KM可達10-9。在300-1500M工程精密定位中,1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm,與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較,其邊長較差最大為0.5mm,校差中誤差為0.3mm。

2、觀測時間短

隨著GPS系統的不斷完善,軟件的不斷更新,目前,20KM以內相對靜態定位,僅需15-20分鐘;快速靜態相對定位測量時,當每個流動站與基準站相距在15KM以內時,流動站觀測時間只需1-2分鐘,然后可隨時定位,每站觀測只需幾秒鐘。

降耗技術

1、系統級感知。GNSS子系統應訪問系統級狀態以便根據這些狀態采取行動。若PND確定用戶并沒主動看屏幕,當它關閉顯示器背光時也還會“通知”GNSS子系統同時減少位置處理負載。當用戶接著使用設備時,位置會被刷新。

導航衛星導航衛星

2、保持GNSS時鐘。當關斷GNSS接收器系統或將其設置為待機(休眠)模式時,只關斷射頻部分但保持GNSS時鐘。因時鐘也耗電,所以該技術實際需要更大功耗,但當系統喚醒時,因其不必重新獲取時間,它支持更快的信號獲取。該技術可直接與業已在設備中實現的任何降耗功能直接對接。

3、 儲存關于最后一次已知位置的足夠信息。任何時間,該設備都有關于其大概位置的數據、時間或參考,因系統了解大致答案,所以信號獲取被提速。

4、存儲衛星軌道數據。導航時,GNSS接收器需了解其全部跟蹤衛星的軌道參數(年鑒和星歷)。在存儲該軌道數據時,會有接收器短時關閉、而以前使用的相同衛星仍可用的場合。在這種情況,該接收器可熱啟動、把從潛態到首次定位所需時間從30多秒減少至3秒內。

5、編程射頻以輸出更少數據。當試圖在最惡劣工作條件下保持精度時,將完整GNSS信號送至主處理器會有好處,這樣當突然有可用資源時就可利用這些信號,而若沒有可用資源時將丟棄這些采樣。但該方法以全速驅動射頻/處理器接口。通過降低來自射頻的信號速率、當有更多資源可用時,處理器雖失去了處理更多采樣的能力但卻保存了功率。

6、采用智能航位推算。當位置更容易估算時(如行駛在高速公路且半英里內沒有出口的場合),可采用犧牲精度以減小處理負載的航位推算及其它技術。通過采用航位推算技術有效進行交叉定位計算或降低信號速率,信號處理負載可被降低且保持足夠精度。基于軟件方法的靈活性使實現諸如此類的降耗特性簡單可行。

近期進展

(1)預算和集資

導航衛星導航衛星

Galileo系統將耗資約24-30億歐元,估計能從EU、ESA和各國運輸部門集資約15億歐元,其余靠招募私營公司投資,募集工作有待稍盾進行。前期預算已從EU和EC的TEN項目中撥款7.4億歐元,供1999年一2006年內使用,如果EU批準上馬建設順利的話,首批Galileo衛星將于2003年升空,系統有望在2008年初步運行,正式運行不遲于2010年。建立后每年運行費估計為1.4-2.05億歐元。

(2)管理體系

推行一種公方和私方共同聯營體制(public private partenership)。公方由 EU和ESA牽頭成立一個指導委員會(Galileo steering committee)負責法律框架工作和總體籌建,私方成立一個合伙公司(Galileo Vehicle Company)。為支持指導委員會的工作,由EU成立一個項目管理董事會(program management boare)和項目執行秘書處(pragramexcutivescretary)負責整個籌建工作。建成以后可能將建立一個管理委員會(Administration),對收費服務將授權給某個服務營銷公司經營。今年初已開始了對PPP入伙的私方進行財政和資格審查,和對項目設計招標。

(3)策劃研究

目前正在定義階段,尚未進入實施階段,其前期策劃研究工作已組成兩個班子分頭進行。一方面EU的歐洲運輸部長級會議上決定指配4000萬歐元進行Galileo定義研究,包括可行性、設計、能力、結構、可靠性、控制等方面。另一方面ESA撥出4000萬歐元進行GalileoSat項目研究,重點為空間段,星上載荷等。雙方均將在2000年12月提出報告。此外,1999年10月歐洲工業界自籌組成了一個歐洲GNSS設備和服務工業組織(OREGIN),協會性質,配合Galileo計劃提供技術支援和市場策略,支持用戶設備和服務供應上的標準化和審批程序。目前已有37家公司參加,并擬定了一個向私方征集Galileo系統投資入伙的計劃書。

(4)服務等級

有開放式自由取用的服務(OAS)和兩級受控入網服務兩種,具體情況如下:OAS一面向大眾用戶,不收費。空間信號和GPS-L2信號兼容,單頻或雙頻接收。對用戶不提供服務保障,可能受到故意降級,系統對空間信號的質量不承擔責任。一級CAS一面向商業,例如車輛自動導航等。向用戶收費,將授權私人公司經營,公司對服務負責,但具體責任范圍未定。二級CAS一面向對信號可靠性要求更高的用戶,例如航空,將包括提供衛星空間信號完好性服務,向用戶收費。Galileo計劃的技術方案Galileo計劃的技術細節,有待定義階段的研究報告中確定,其中某些問題還涉及國際協調(例如時基頻譜),以及和美國、俄羅斯磋商(例如兼容問題)。

目前技術

衛星導航系統從美國的子午儀、全球定位系統及其現代化,最后到第三代全球定位系統,不斷地在演變,還在探索新一代的系統。除了衛星及其載荷性能改進外,地面運控系統也在做現代化改造,以提高定位精度和實時監控能力。俄羅斯的格洛納斯系統在恢復之中,并在實施現代化計劃。伽利略系統雖然在建設中,但歐洲已經在策劃第二代伽利略系統。中國的北斗衛星導航系統,從有源雙星定位的北斗一號試驗系統,步入無源定位的北斗二號先區域、后全球的新的發展階段。由于用戶與市場的客觀需求和國際競爭的需要,衛星導航系統的功能和性能在不斷改進提高。以精度而言,全球定位系統從100余米提高到10米量級,導航衛星系統實現兼容與互用后可提高到1米左右。最值得指出的是,衛星導航系統的指標體系有了重大變化,以全球定位系統為例,原先指標參量主要為精度、可用性、連續性和完好性,第三代全球定位系統階段除了高精度要求外,還有可確保的可用性、可控的完好性、抗干擾功率增強、導航擔保、增強安全性、后向兼容、系統自生存性,以及民用信號從1個變成4個。伽利略系統的服務理念與全球定位系統相比有了進一步深化,其信號編碼體制有明顯創新,得到公認,并衍生多個應用品種。

導航衛星導航衛星

衛星導航應用技術的進步是以接收機為核心的,20多年來,接收機技術、接收機芯片技術以摩爾定律在發展,在進步,性能成十上百倍地提高,重量成百上千倍地減輕,價格成千上萬倍地降低,民用接收機技術大大地帶動了軍用技術的快速進步。同時,車輛導航儀、個人導航儀、手持機、定位手機、導航手機、行駛記錄儀、監控終端等等應用終端以更加豐富多彩、功能強大而馳名,受到廣大用戶的青睞。此外,各種各樣的應用與服務系統,如移動位置服務系統、車輛信息系統、實時智能交通信息系統、不停車收費系統、車隊管理系統、物流運輸系統,以及多種多樣的專業應用系統,日新月異地進入市場和產業,形成明顯的生產力,對于提高生產效率,提升服務 水平,改善生活質量,推動經濟發展,發揮著積極作用。技術發展的重大傾向是衛星導航系統應用業已拓展到PNT或PNOT(Position、Navigation、Orientation、Timing,定位、導航、定向、定時)全領域,并且以它為中心逐步實現與通信、互聯網、慣性導航傳感器、時鐘等等的融合與集成,將多種多樣的信息來源與信息通道實現一體化整合,真正達到全球任何時間、任何地方(海陸空天與地下和水下)的PNT應用與服務,已經成為人們未來十年追求的目標。

衛星導航系統及其技術發展的動力來源正在發生著微妙的變化。全球定位系統建設初期主要動力來自軍用需求,來自技術牽引,任務與目標相對集中,隨著系統變成軍民兩用進程的發展,市場與產業的廣泛需求越來越豐富,越來越多樣化,應用與服務需求逐步上升為主要矛盾,成為矛盾的重要方面。這使得發展驅動力從主要來自使命牽引轉變為主要來自需求推動,也就是更多地來自于產業、市場和用戶的需求。所以,無論第三代全球定位系統和伽利略系統的設計建設,多將需求調研作為一個重要方面加以研究,從而實現系統指標體系的重大調整,使之更加切合實際,更加有用。這種轉變是帶有根本性意義的,是科技發展的方向性問題,會對產業發展產生深遠影響。這種轉變給我們新興國家以機會,有更多的發展余地,有更多的市場開拓空間。這種轉變也給我們提出了更高的要求,要緊跟用戶需求,研發生產出更多更好切合實際應用的高效產品,實現雙贏和多贏,讓用戶得到看得見摸得著的實實在在的好處,實現增值服務。

發展現狀

一、導航衛星系統自主

導航技術的發展現狀

從20世紀80年代開始,美國就對GPS 2R衛星的自主導航技術進行了系統的研究。1985年初,美國空軍航天系統部委托IBM公司進行了一項深入開發自主導航系統算法的研究。1987年5月,空軍航天系統部發出了有效載荷箱的招標合同,隨后3個競標承包商(斯坦福電信公司、洛克韋爾國際公司的衛星和空間電子部、國際電話電報公司國際通信部)設計了GPS 2R自主導航有效載荷的基本單元,并在20個月內交付了功能試驗模型。在目前的導航衛星系統中,只有GPS 2R和2F衛星采用了自主導航技術。

導航衛星導航衛星

GPS 2R自主導航系統有3大設計特色,每顆GPS衛星均有計算能力,具有超高頻(UHF)星間鏈路測量系統,具有UHF星間鏈路通信系統。通過采用自主導航技術,GPS 2R衛星的生存能力將大大提高,主要表現在:能從比較嚴重的核打擊中恢復工作,通過部件設計和采取冗余手段提高了可靠性,在沒有地面測控支持的條件下播發180天的GPS衛星位置和時鐘數據,用戶測距誤差(URE)可達6米(1σ)。

1996年,洛克韋爾公司贏得了GPS 2F衛星的研制合同,計劃于2005年進行首次發射。GPS 2F衛星能通過星間鏈路收發指令及遙測數據。GPS 3已于2001年開始了實質性的研制,計劃于2012年首次發射。GPS 3系統將采用新的高速上行鏈路/下行鏈路和星間鏈路通信結構,這將使GPS 3衛星運行發生變革。GPS 3衛星至少有5點不同于以前的型號:高速遙測、跟蹤和指令(TTamp;C)上行鏈路和下行鏈路,高速、定向星間鏈路;高功率點波束天線,完好性功能;為主載荷保留額外空間。

二、導航衛星系統自主

導航關鍵技術

1、星間鏈路技術

星間鏈路可以通過光或無線電波建立。光鏈路可以提供超過1吉比/秒的數據率。光鏈路理論上可以提供次毫米的測距精度。然而,光鏈路更新周期長、體積大、功耗高。

目前,射頻星間鏈路有著廣泛的飛行經驗,而光學鏈路正在進行在軌試驗。銥星星座已經運行達4年之久,星間全部采用Ka波段鏈路連接。跟蹤與數據中繼衛星(TDRS)可在地球同步軌道和近地軌道之間建立一個以IP為基礎的鏈路網絡。“軍事星”已經成功地使用60吉赫的鏈路。歐洲的半導體星間激光鏈路試驗(Silex)已經獲得成功。光學鏈路能滿足GPS今后幾十年數據增加的需要,但風險也比較高。

GPS 2R衛星有效載荷的重要改進之一是增加了星間鏈路,以提供各衛星之間的通信和測距。每顆GPS 2R衛星上都裝有一個具有星間鏈路通信與測距功能的星間鏈路轉發器數據單元(CTDU)。由于GPS星座系統中目前仍在軌工作的GPS 2A衛星沒有星間鏈路功能,因此只有GPS星座布滿具有星間鏈路功能的衛星時才能提供在沒有地面測控支持的6個月內保持自主導航的能力。

2、星載原子鐘技術

時頻分系統是整個導航衛星有效載荷的心臟,它提供確保GPS導航精度所需的精確時間。為了保證關鍵部件中有一個出現故障時系統仍能正常工作,GPS 2R最初計劃每顆衛星搭載2臺銣鐘和1臺銫鐘,并且這3臺鐘互為備份。但GPS2R銫鐘承包商在隨后幾年內沒有成功地生產出宇航質量的產品,GPS 2R衛星選擇了3臺銣鐘結構。在軌測試表明,銣鐘的性能比規定的要出色。GPS 2F衛星選擇由3臺銫鐘和1臺銣鐘組成的鐘結構。GPS 2F銫鐘將基于商用數字鐘設計的數字電子方法生產。GPS 2F銫鐘的數字控制式結構增加了鐘的重復生產性和可靠性,并減少了銫鐘對溫度的敏感性。

3、完好性監測技術

導航衛星系統在失去地面測控支持的情況下,必須具有自主監測功能,能夠生成、處理和發射完好性信息,并向用戶廣播。用戶失效概率由用戶定位時所用到的所有系統部件的失效概率決定。通常情況下,用戶只是應用系統的一部分。用戶完好性風險由用戶所用的系統部件的失效率和所有用于完好性監測的部件共同決定。

發展趨勢

衛星導航產業與互聯網、移動通信并稱為世界上三大IT產業,中國北斗衛星導航應用系統是攸關國家安全、經濟安全和公共安全的重大技術支撐系統和戰略威懾基礎資源,是體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標志,也是服務人民大眾、提升生活質量的重要工具。2012年12月27日,中國北斗衛星導航系統正式完成系統組網,具備向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務的能力。2012年,廣東、陜西、山東、上海、重慶、四川、新疆等多個省市紛紛成立了北斗衛星導航示范產業園或北斗示范應用產業推進辦公室,北斗衛星導航應用市場正在全面鋪開。

北斗衛星導航產品正朝著集成化、微小型化的趨勢發展,未來將會嵌入到通信、計算機、安全和消費類電子產品中,并將廣泛應用于車輛導航、手機定位、電子地圖等領域。為此,集定位、無線通信、互聯網、物聯網于一體的應用將是下一代導航產業發展的主要特征。同時,智能產業與時空信息密切相關,能提供位置和時間信息的北斗衛星導航技術必將被用于智能網絡、智能傳感、智能交通、智能通信、智能物流、智能社區、智能電網等所有智能產業中,并形成各種前所未有的新型商業模式,這將為公司的長期可持續發展提供充足動力和巨大市場機遇。

中國公司應該堅持以核心關鍵技術為主導的自主創新,以“適度多元、整合資源、升級產業”為發展方針,憑借人才和技術優勢,以“衛星應用”與“軟件和集成電路”為產業基礎,致力于打造具有核心技術優勢的“元器件-終端-系統”協調發展的衛星導航應用產業基地,發展成為高端集成電路及衛星導航應用領域的世界級優秀企業。

1、導航衛星系統自主導航技術將使系統的星歷自主更新能力、抗摧毀能力和星歷精度進一步得到提高,滿足逐步增加的需求。

導航衛星導航衛星

2、星間鏈路技術將是GPS研究的重點,星間鏈路頻譜選擇和抗干擾研究將進一步加強,星間鏈路以高可靠性運行。

3、雙向鏈路將被采用。新的高速上行鏈路/下行鏈路和星間鏈路通信結構將被采用,這將有可能引起導航衛星系統的運行發生變革。

4、自主導航仿真、頻率調整、干擾和激光鏈路仿真等研究工作將得到進一步加強。

5、采用成熟的性能優良的商用數字電子技術生產宇航質量的先進數字原子鐘。星載原子鐘的穩定度得到進一步提高,老化系數更小,質量更輕,體積更小,可批量生產。

6、新型空間原子鐘的研制進展順利。到2007年左右數字銣鐘和激光泵銫鐘將在GPS衛星上使用,2009年左右空間線性離子阱系統將在GPS衛星上使用。可能在GPS衛星上使用的其它鐘技術還有:小型空間氫激射器、激光冷卻銫鐘和雙管銣激射器等。

7、導航衛星系統完好性監測技術得到進一步完善。通過執行中斷監控、檢測、確認、告警和糾正來提供導航解決方案的完好性。

相關事件

2009年3月中旬,來自中國和歐洲航天部門的官員們行色匆匆,趕赴德國慕尼黑,就爭執了半年的導航衛星放射頻率“重疊”問題展開第二輪談判。雙方唇槍舌劍,激烈交鋒。歐方官員以頻率是從美國人手里花“血本”獲得,而且歐洲人的“伽利略”系統早已按此頻率進行技術設計現已無法修改為由,力壓中國“北斗”二號系統“搬遷”到其他頻道上;中方則依據國際上通行的衛星發射頻率原則——“誰先用誰先得”的“所有權取得”,對自己的權益寸步不讓,對歐方的要求據理力爭。會談最終毫無進展,等待下一輪談判。

“伽利略”衛星導航系統目前已陷入困境,不僅經費難以為繼,連頻率也被“北斗二代”優先占用。“伽利略”衛星導航系統目前已陷入困境,不僅經費難以為繼,連頻率也被“北斗二代”優先占用。

在全球衛星導航系統的建設一事上,中國和歐洲從最初的合作,逐步走向競爭,反映了中歐之間深層次的結構性矛盾和戰略利益沖突,而沖突背后,則揭示了歐洲一直以來對華所抱持的傲慢和排斥心態。關于這場并不為國內人所熟知的爭執,其實由來已久,要厘清來龍去脈,還得從最開始的中歐合作簽約談起。

蜜月期(2003年-2004年)中歐優勢互補 反對單極世界

2003年的歐洲,處處彌漫著反美反戰情緒。美國執意執行單邊主義外交政策,不顧國際社會反對,悍然發動伊拉克戰爭,歐洲人感受到了“單極世界”引起的潛在危險。時任法國總統希拉克,主張建立“多極化世界”,他的呼聲得到時任德國總理施羅德的堅決支持。在這樣的背景下,歐盟決定把中國納入歐盟2002年就已啟動的“伽利略”計劃中,中國成為第一個非歐盟的參與國。消息傳開,震驚美國。

一直以來,美國的全球衛星定位系統GPS在民用導航領域獨步天下,即便同時代有俄羅斯的“格洛納斯”系統與之競爭,但“格洛納斯”年久失修,導航衛星殘缺不全,早已淡出國際市場,根本不具備與GPS一比高下的能力。歐盟發起的“伽利略”全球衛星導航計劃,被認為是結束美國“獨霸”局面的最有力挑戰。按設計,“伽利略”將一共由30顆“中軌道”和“靜軌道”導航衛星覆蓋全球,其定位精度超過了GPS,在兼容性和精確度等設計方面也優于GPS。為了打破GPS的壟斷地位,“伽利略”的“公共管理服務”系統擬使用的頻率故意選擇了與美國GPS相近的頻率,這樣的安排有可能沖淡GPS的頻道效果,令美國人坐立不安。

早在幾年前,中國在區域衛星導航和定位系統上已有長足發展,2000年相繼發射了兩顆靜地軌道的導航實驗衛星,2003年4月又發射了第三顆“靜軌道”衛星,基本形成了覆蓋全中國的區域導航和定位系統,這一系統被稱為“北斗”一號。

當時的“北斗”系統尚屬實驗開發階段,其技術參數落后于GPS,也落后于2002年歐盟決定啟動的“伽利略”系統,而且更重要的一點是,“北斗”一號只屬于區域性,其商用價值并不高。在這樣背景下,歐洲人主動“邀請”中方加入全球衛星導航系統,中方欣然受之,雙方一拍即合。

歐洲把中國納入,不僅使歐洲一些國家的領導人賺足了政治資本,也使“伽利略”計劃捉襟見肘的財政狀況得到極大緩解,更給“伽利略”進入中國誘人的市場打下了基礎。2003年底,在中方實際完成了區域導航系統“北斗”一號之后,中歐草簽合作協議。2004年中歐正式簽署技術合作協議,中方承諾投入2.3億歐元的巨額資金,第一筆7000萬歐元的款項很快就打到歐方賬戶上。

中國與歐盟合作,既有戰略利益也有實際的好處。有人評論,中歐在高端技術上的合作,實質上打破了美國主導的歐洲對華武器禁運,也相當于廢棄了針對中國這樣特定國家的歐美武器貿易條例(ITAR),為最終從法律層面解除對華武器禁運撕開了一個口子。由于衛星導航在現代戰爭中扮演越來越重大的角色,美國甚至揚言,美國如感覺受到威脅,則有權擊毀“伽利略”衛星。

轉折期(2005年-2007年)歐洲政治轉向 聯美排擠中國

中國的“北斗”衛星依照“誰先用誰先得”的原則,已使用了原本“伽利略”系統計劃使用的頻率。中國的“北斗”衛星依照“誰先用誰先得”的原則,已使用了原本“伽利略”系統計劃使用的頻率。

2005年,“伽利略”首顆“中軌道”實驗衛星“GLOVE-A”搭乘俄羅斯“聯盟”號運載火箭順利升空。雖然這只是一顆實驗性衛星,并非是要最終布置的30顆導航衛星之一,但“GLOVE-A”的發射,標志著歐盟“伽利略”計劃從設計向運轉方向轉變。

然而,進入2005年,歐洲政治開始轉向,之前“親華”的德國總理施羅德黯然退隱,由來自右翼政黨的親美政治家默克爾擔任德國新總理,而法國也進入了領導人交替的時代,希拉克的影響力逐漸下降,親美政治人物尼古拉·薩科齊于2007年開始擔任法國總統。

親美政治人物紛紛上臺,給歐盟致力于建立“多極世界”的愿望變得暗淡,歐洲迅速向美國靠攏。在這樣的背景下,歐洲航天局與美國“修好”,同意修正之前擬定的與美國GPS相近的發射頻率,以便投入使用后產生信號沖突的可能性降至最低限度。但這樣的技術重新修正,卻花掉了預算之外的一大筆錢。作為回報,美國同意在技術上支持“伽利略”的開發。

恰恰在這個時候開始,歐盟為“伽利略”計劃的財政和利益分配吵成一團。也是從這個時候開始,歐盟開始排擠中國。

眼看著投入巨額資金,卻得不到與之相稱的對待,甚至待遇還低于沒有投入一分一厘的其他非歐盟國家,如印度等國,令中國大為不滿。中國不但進不到“伽利略”計劃的決策機構,甚至在技術合作開發上也被歐洲航天局故意設置的障礙所阻擋,中方除了掛得一個參與人的“好名聲”之外,其他一無所得,反而要擔負巨額資金投入,這樣的“結局”令中方十分不滿。

在此背景下,中國開始把注意力轉移到沉寂數年的“北斗”系統上。2007年發射的第四顆“北斗”一號導航衛星,替換了退役的衛星,“北斗”系統開始激活。到2007年底,中國成功發射了第一顆“中軌道”導航系統,標志著“北斗”系統在技術和規劃上的重大突破。

本來中國誠心與歐盟合作,一開始就定位“北斗”為區域導航系統,給“伽利略”計劃留下了毫無保留的施展空間。但是,事與愿違,歐方“骨子里”并沒有放棄輕視中國、壓制中國的心態,合作不到幾年,短暫的“蜜月期”一過,中歐雙方就合作開發問題常生沖突,中國抽身離去,留下為經費吵成一團的歐盟各國。

競爭期(2008年-2009年)“北斗”橫空出世 技壓“歐系”衛星

“北斗一代”衛星導航系統已經投入使用多年,而“北斗二代”衛星已經開始發射升空。圖為中國在抗震救災期間使用“北斗一代”導航系統。“北斗一代”衛星導航系統已經投入使用多年,而“北斗二代”衛星已經開始發射升空。圖為中國在抗震救災期間使用“北斗一代”導航系統。

由于實質參與歐洲“伽利略”衛星導航系統受挫,中國決定“單干”。2006年11月,中國對外宣布,將在今后幾年內發射導航衛星,開發自己的全球衛星導航和定位系統,到2007年底,有關覆蓋全球的北斗二號系統計劃已經浮出水面。

此時,歐盟還在內耗中沒有脫開身。直到2008年4月27日,“伽利略”系統的第二顆實驗衛星才升空,此時距上次發射已經有差不多四年時間,這樣的進度,比最初的計劃推遲了整整五年。

“北斗”二號橫空出世,不僅使歐洲“伽利略”系統準備與美國GPS一爭高下的愿望大打折扣,也沖淡了“伽利略”未來的市場前景。“北斗”二號在技術上比“伽利略”更先進,定位精度甚至達到0.5米級,令歐洲人深受震撼。另一方面,之前“伽利略”計劃的推出,刺激了美國和俄羅斯加快技術更新,新一代GPS和新一代“格洛納斯”的定位精度等技術指標均很快反超“伽利略”,“伽利略”逐漸喪失了技術相對領先的優勢。為轉變被動局面,歐洲人別無他法,只有增加財政投入,而此時歐洲航天局為了排擠中國,已經以法律形式規定所有開發資金均來源于歐盟公共資金,這就意味著,要想增大投入,還得在內部無休止地“吵”下去。

歐洲人開始酸溜溜地說,中國“北斗”二號的技術“偷竊”自歐盟“伽利略”計劃,這樣的無聊之辭已經成為歐洲人自大自負又一例證。出于戰略的需要,中國并沒有完全放棄與歐盟“伽利略”計劃的合作,但這已經不能阻擋中國推出自主全球導航系統的步伐。

按照國際電信聯盟通用的程序,中國已經向該組織通報了準備使用的衛星發射頻率,這一頻率正好是歐洲“伽利略”系統準備用于“公共管理服務”的頻率。

頻道是稀有資源。占得先機的美國和俄羅斯分別擁有最好的使用頻率,中國所看中的頻率被認為是美國和俄羅斯之后的“次優”頻率。

按照“誰先使用誰先得”的國際法原則,中國和歐盟成了此頻率的競爭者。然而,中國將在2009年發射三顆“北斗”二代衛星,正式啟用該頻率,而歐盟連預定的三顆實驗衛星都沒有射齊,注定要在這場“出乎意料”的競賽中敗下陣來,從而失去對頻率的所有權。

中歐圍繞“伽利略”開發的曲折過程生動地證明,中歐只有真誠合作,平等相待,才能給雙方都帶來長遠利益。歐洲如不放棄自負自大的心態,繼續歧視和壓制中國,那么,最后受損失的還是歐洲自己。 [1]