全球导航的原理和价值

文/李晨风

从美国全球定位系统开始，世界主要航天国家纷纷迈进了卫星导航的门槛。但是从方案选择上来说，有四个国家选择了全球系统，两个国家选择的区域系统。这其中的区别是什么呢？

GNSS是什么

全球系统的全称是“全球导航卫星系统”，英文简写为GNSS。其中的G是“global”（全球）的首字母。

我们先来看一看最经典、使用时间最长、用户最多的GNSS，也就是美国的 GPS。它的原理正如我们在前文中所说，是把路基无线电导航台站搬到天上，然而不同的是，陆基导航台站是不会动的，而天基导航卫星是在高速运动的。这会不会对实际使用产生什么困扰呢？我们在学习物理运动学的时候，首先都会被老师树立起这样一个概念：运动是相对的，运动或者不运动是比较于参照物来说的。那么无论船只、车辆、卫星还是行人，相对于路基无线电导航台站来说，都是运动的。假设地球并不存在，飞机、船只、车辆和人员都存在于虚空当中，那么就可以假设导航卫星是不动的。而实际上这些导航用户在高速运动，这样我们要做的工作就很明显，无非是把卫星和用户的相对速度都通过地球这个参照物来进行换算而已。

▲GPS-IIR-M卫星

原理虽然简单，工程实现上却要面对一个极为困难的问题。陆基导航台站的位置是固定的，测定它的精确位置相对比较容易。然而，要想测定高速运动的卫星的瞬时位置，可就没那么容易了。

现在我们知道了导航卫星的位置，如果能够测量出接收机到导航卫星的距离，就可以进行位置的计算。只要知道接收机到其中三颗卫星的距离，就可以在空间画三个球面。从理论上说，这三个球面会有一个交点，它就是接收机的空间位置。不过在实际操作中，由于无线电传播路程上会受到各类干扰，加上星上时钟、接收机时钟都会存在一定误差，所以只靠三颗卫星得到的位置数据是非常不准确的，要接收更多的卫星数据来进行相互验算，最后得到一个比较准确的位置数据。

RNSS是什么

区域系统的全称是“区域导航卫星系统”，英文缩写为RNSS。其中的R表示“区域”（ regional）。顾名思义，RNSS是为有限区域提供导航服务的卫星系统。这就带来了有趣的问题。如前所述，GEOSTAR和北斗一代都是为有限区域提供服务的，也属于RNSS。但是静止轨道卫星有个与生俱来的缺陷，就是对高纬度地区的服务很差。稍微出现地物遮挡的情况，接收机就看不到卫星了。解决问题的办法，是采用所谓的倾斜同步轨道。

▲日本准天顶卫星轨迹

▲日本准天顶星座全图

▲印度区域导航系统构成

我们知道静止轨道的特点是轨道倾角为0°，这样卫星所处的经度是不会发生变化的。如果我们改变一颗静止轨道卫星的轨道倾角，卫星就会在定点经度附近来回晃动。不过在地面上看来，卫星就是飞行在一条8字型的轨道上。这样，高纬度的地区也能享受到卫星从头顶飞过的服务，不太需要担心地物遮挡了。如果能在这个8字型轨道上部署足够多的卫星，就能实现持续覆盖服务。印度的“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）和中国北斗二代的部分卫星就采取了这样的轨道设计。

这里要特别讨论一下日本的准天顶卫星系统（QZSS）。日本国土比较小，几乎都处在高纬度地区。如果采用倾斜同步轨道，那么在多数时间里，轨道上的多数卫星都在日本的视野之外。因此，准天顶卫星系统采用了1颗静止轨道卫星加6颗倾斜同步轨道卫星的方案。后者的轨道倾角达到43°，有点类似于苏联发明的“闪电”轨道。如果从地面看，它们画出的8字型北部小、南部大。小圈覆盖日本上空，大圈则覆盖澳大利亚。这样可以随时保持日本上空有一颗卫星的仰角不低于60°。

区域导航卫星系统的工作原理和全球导航系统一样，也是通过精确测量卫星和接收机之间的距离，然后根据卫星的精确轨道数据，来推算接收机的位置。不过由于区域系统的卫星数量比较少，所以在受到干扰或者遮挡的时候，容易因为可见卫星数量太少而导致定位精度严重下降。所以无论印度的还是日本的区域导航系统，都是对四大全球导航系统的补充和增强。印度和日本之所以要搞这样的卫星系统，有着各自的原因。印度是因为国力有限，拿不出那么多钱来搞自己的全球系统。日本则是因为战败国地位，只能搞美国允许的卫星系统。准天顶系统虽然名义上是一种区域导航系统，但实际上主要任务是播发GPS的增强信号，这对美国是有利的。

为什么要搞GNSS？

从上面的表述中可以发现，全球导航卫星系统无论是难度还是投资，都要比区域卫星导航系统大得多。四大全球系统都要保持30颗左右的卫星在轨运行。仅仅是用来部署星座的火箭发射次数就要比区域系统多得多。为了精确控制和测定它们的轨道，美国、俄罗斯、中国和欧洲都部署了全球覆盖的地面站网。

▲格洛纳斯M卫星

▲北斗卫星导航系统示意图

为了进一步提高测控精度，全球系统的运营方还彼此合作。美俄曾经相互在对方领土上部署了测量站，用于更好地支持卫星轨道测量和信号改正。双方关系恶化之后，这样的合作就停止了。不过西方不亮东方亮，俄罗斯总统普京批准了《俄中和平使用北斗和格洛纳斯卫星导航系统的合作协定》，俄中两国将至少在对方境内部署3个卫星导航系统地面站，中国境内的“格洛纳斯”站将部署在上海、乌鲁木齐和长春。俄罗斯境内的“北斗”站将部署在奥布宁斯克、伊尔库茨克和堪察加彼得罗巴甫洛夫斯克。而区域系统不需要这样的麻烦，日本和印度各自在国内设站观测，就能满足要求。

那么，为什么要搞全球导航卫星系统呢？这与各国的国际利益和国际责任有直接关系。首先我们要认识到，对于现代生产、生活来说，卫星导航是一种不可缺少的基础性服务。即使不讨论军事应用，没有卫星导航，我们所习惯的快递、外卖，效率都会变得极为低下。电力、通信网络的时间同步很难达到今天这样的高效率和高可靠，畅想中的无人驾驶、无人物流更是无从谈起。

下一个问题就是：谁来提供全球导航卫星系统服务？

美国是公认的全球帝国，因此需要给全球的美国军队提供定位、导航和授时服务，把这种服务开放给全球民用，一方面起到了推行美国技术标准的作用，另一方面也是炫耀美国的国力。俄罗斯、欧洲和中国同样有自己的全球利益和全球责任。如果不能在导航卫星这样的战略性天基基础设施上具备独立自主的地位，很多时候就要被迫屈从于美国霸权。在这个问题上，西欧国家作为美国的盟友，吃过的苦头实在是太多了。俄罗斯、中国这样被美国当作战略对手的国家，就更不可能依靠GPS，必须搞自己的全球导航卫星系统。需要知道的是，伽利略系统在启动之初，遭到了美国政府的强烈反对和全力打压。作为伽利略系统的主要发起方和欧洲航空航天的领袖，法国非常坚决地顶住了美国人的压力，也带动了其他欧洲国家持续跟进。这是战后为数不多的、欧洲坚持自己高技术发展战略方向不动摇的案例之一。