美国GPS及其国际合作进展

国外航天 · 2016-11-22 23:44:07

当前世界各卫星导航系统竞相发展。为适应新的发展局面，各GNSS供应商纷纷利用各类多双边平台开展国际协调，围绕卫星导航领域的国际合作也在不断加深。美国GPS自上世纪90年代建成以来，一方面不断优化星座结构，进行系统升级，保持技术领先；另一方面也针对国际形势不断调整对外合作战略，加强与其他系统间的对话与交流，通过各类多双边平台积极扩大国际合作范围，从而维护其在卫星导航领域的主导地位。　　（一）GPS系统发展情况　　1、系统进展　　GPS空间段由分布在6个轨道面上的至少24颗卫星组成标准星座，原采用21+3星座结构，2011年6月后采用24+3结构。截止2014年3月，美国GPS系统共发射了两代、七种型号、共计67颗卫星，在轨卫星36颗，31颗卫星提供服务。　　GPS的地面段由1个主控站1个备用主控站、16个监测站和12个地面天线组成。主控站位于哥伦比亚施里弗空军基地，备用主控站在范登堡空军基地，16个监测站由6个运行控制系统和10个NGA监测站组成，12个地面天线包括了4个GPS天线和8个空军卫星控制网天线。当前的系统运行控制段已完成AEP5.9.2版和LADO2.11.2A版的部署。

图1 GPS地面运行控制系统全球分布图　　GPS具备全天候、全天时提供高精度全球定位、导航和授时服务的能力，可提供标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。目前GPS提供的导航信号包括传统信号L1 C/A、L1 P（Y）、L2 P（Y），以及现代化信号L2C、L5、M码。其中，L2C专用于满足商业需求，经电离层校正有较高的精度；L5用于满足交通生命安全和相关完整性的要求，2009年首次发射。　　2012年，GPS标准定位服务的空间信号用户测距误差的均方根值用户测距误差已达到0.8米（见图2）。军用GPS精密定位服务中空间信号定位精度为0.8米（95%）（见图3），在对一些GPS误差校准之后（例如采用与GPS和INS信号相关的最优估计技术）精度能将进一步提高。（实际用户测离误差约为0.57米，授时精度为10纳秒。）美国联邦航空局（FAA）的测试表明：采用民用GPS接收机可在全球实现约3米的定位精度，测速精度0.2米/秒，授时精度优于20纳秒。2013年1月至8月全球GPS普通用户的定位性能统计结果显示，大约有一半的用户其平均定位精度可以达到1.56米，而95%的用户的平均定位精度达到了2.43米（如图4）。

GPS广泛应用于军事、测绘、交通、农业、公共安全与灾难救援、娱乐等多个领域。作为全球应用最为广泛的卫星导航系统，带动GPS接收机占据了全球导航设备近90%的份额。据统计，2011年全球GPS应用市场规模达到903.5亿美元，同比增长25.8%。GPS民用/商用用户达到10亿。　　2、未来发展计划　　第一颗GPS IIIA卫星计划于2016年发射。根据计划2018年完成8颗GPS IIIA卫星的发射；2024年前完成16颗GPS IIIB卫星的发射；2030年前完成16颗GPS IIIC卫星的发射。新一代运行控制段建设将分4个阶段进行，第1、2阶段将分别于2016、2018年完成，实现增强的控制能力。　　预计到2018年，将有24颗卫星可提供第二种民用信号（L2C），主要用于满足商业需求，通过电离层校正，可以提供更高的精度，将产生50亿美元的用户生产效益；预计到2021年，将有24颗卫星可以提供第三种民用信号（L5），主要用于满足日益增长的运输安全需求，采用受到高度保护的航空无线电服务（ARNS）频段，通过采用新技术，可能实现厘米级的全球定位精度；预计到2026年，将有24颗卫星提供第四种民用信号（L1C），该信号主要目的是实现与国际伙伴间的互操作，是L1频段的现代化民用信号，该信号可在恶劣的跟踪环境中提高系统性能，可在多种用户应用中提供更加稳健的导航服务，将在2017年发射的GPSⅢ卫星上首次提供。　　（二）GPS国际合作进展　　2010年奥巴马总统签署的国家太空政策鼓励GPS与其他全球卫星导航系统（GNSS）的国际合作，其中明确：“鼓励与国外GNSS供应商的兼容和互操作，倡导民用服务透明，确保市场向美国开放”。　　该政策还规定，美国可以通过利用外国的定位、导航和授时服务，以提高和加强GPS的能力。目前，美国已与世界各国建立了广泛的合作渠道，正在推动建立卫星导航国际秩序，试图将各卫星导航系统发展纳入其视野。　　1、欧盟　　美国和欧盟及其成员国在2004年签署了一项历史性协议，建立了GPS和欧洲伽利略之间的合作，如今已在卫星导航领域成为紧密的合作伙伴。合作的目的是为了全球民用用户的利益，实现GPS和伽利略在用户水平的互操作。该合作还旨在维护全球卫星导航市场的公平贸易。　　GPS-伽利略合作协议成立了四个工作组：（1）射频兼容性和互操作性；（2）贸易和民用应用；（3）下一代系统的设计和发展，以及有关GPS和Galileo的安全问题。　　表1 美欧签署协议情况

2、俄罗斯　　美国和俄罗斯之间的合作起源于2004年，目标是在应用层面实现GPS和俄罗斯GLONASS系统之间的互操作。为解决此问题，成立了两个工作组：（1）射频信号的兼容和互操作用于增强定位、导航和授时能力;（2）计划GPS和GLONASS在搜索和救援能力技术层面的互操作。　　表2 美俄签署协议情况

3、中国　　在北斗系统工程建设之前，中美在卫星导航领域的合作主要以民间形式为主，内容侧重在卫星导航学术技术交流、市场应用、产业发展等方面。　　随着工程的建设发展，以及国际卫星导航格局的演变，中美在卫星导航领域政府层面的沟通和合作日趋增多。2007年6月至2009年9月，中美关于北斗和GPS系统共进行了五次频率协调，在国际电信联盟（ITU）框架下完成了频率协调工作。2009年以来，美在ICG、卫星导航学术年会等多种场合表示与我在民用GNSS领域双边对话合作意愿。议题主要集中在互操作、GNSS民用服务政策、干扰监测与减轻、GNSS在民用交通领域的应用等多个方面。　　4、日本　　自1998年以来美国和日本在卫星导航领域建立了成功的合作关系，两国元首签署了利用GPS的联合声明。通过这种关系，两国已经实现了GPS与日本MSAS系统（类似于美国的广域增强系统WAAS的地球同步卫星）之间的互操作，双方还采取措施，确保下一代GPS星座和日本的设计用来补充GPS在东亚地区的区域星座准天顶卫星系统（QZSS）的互操作。　　表3 美日签署协议情况

5、印度　　美国在2007年与印度签署了一项联合声明开始了在GPS和GPS增强系统方面的合作。合作现在主要是努力实现GPS与印度的GPS和地球导航增强系统（GAGAN）之间的互操作。　　表4 美印签署协议情况

6、澳大利亚　　美国在2007年与澳大利亚签署了一项联合声明开始了在GPS和GPS增强系统方面的合作。合作现在主要是努力实现GPS与澳大利亚地面增强系统（GBAS）之间的互操作。　　表5 美澳签署合作文件情况

7、英国　　英国作为欧盟的成员国，通过GPS与伽利略的合作开展。另外，在需要的时候，美国和英国政府会就GPS的相关事宜进行双边讨论。　　表6 美英签署协议情况

8、全球卫星导航系统国际委员会　　2005年，通过联合国外空司成立了ICG，美国是创始成员。ICG是在联合国框架下成立的政府间国际组织，旨在提升与民用卫星导航服务相关的自愿合作，鼓励全球及区域卫星导航系统以及增强系统供应商之间开展协调以确保更好的兼容性、互操作性和透明度，并在包括发展中国家在内的地区推动卫星导航及其增强服务的普及和使用；同时也致力于通过鼓励协调和作为国际信息交流的焦点，来协助GNSS用户发展计划和应用。美国是ICG供应商论坛及卫星导航服务的全球供应商之间的多边互动的重要成员。　　9、其他国际组织　　除了ICG，美国还与其他多边机构共同解决卫星导航问题，包括：国际民用航空组织（ICAO）、国际海事组织（IMO）、国际电信联盟（ITU）、联合国和平利用外层空间委员会、亚太经合组织（APEC）、北大西洋公约组织、世界贸易组织（WTO）。　　综上所述，有理由相信美在卫星导航领域的对外合作依据战略互信程度和重要性分为不同等级。对于欧盟、日本、印度深入交流，从系统到应用开展多方面的合作；对于潜在竞争对手俄罗斯，则通过建立沟通机制，保持对话交流，探讨共同关注的技术层面的问题；对于其他未拥有卫星导航系统的国家，主打拓展GPS应用，占领市场。同时，美国还积极利用各种国际场合和舞台，掌握话语权和行动机会，努力主导ICG活动，提出了兼容与互操作、面向用户的服务承诺、倡导开放市场、干扰检测与减轻等主张，从而给新兴系统设置门槛，从而建立以GPS为标准的准则或秩序，保持其优势地位。GPS国际合作成果文件一览表如下表示。

（三）小结　　长期以来，美国一直试图建立以其为主导的空间秩序，通过全面利用、控制空间，谋求维持“一超独霸”空间地位。查阅相关资料不难发现，美国将卫星导航系统作为其空间实力的核心体现，采取战略谋划及体系设计，保持美国在全球导航卫星系统服务、供应和应用方面的领导地位，从而主导全球卫星导航系统发展。　　对于如何对待正在崛起的北斗卫星导航系统，美国国内持有不同的看法。2011年在美国国家PNT咨询委员会第8次全体会议上，专门对此进行了探讨。被誉为“GPS之父”的斯坦福大学名誉教授Bradford W. Parkinson等人力促与中国开展接触与交流，并希望以此进一步了解北斗系统性能参数和运行情况；咨询委员会成员Robert. Hermann等人则对与中国合作持谨慎态度，认为“一个有着35颗卫星的中国卫星导航系统将挑战我们的想象”。　　当前，北斗区域系统已经组网完成，正在推进全球系统建设。未来既是国家重要空间基础设施同时也将面向全球、面向国际用户提供服务，这也体现了卫星导航系统的开放属性。随着国际GNSS的发展，多系统兼容共用也成了未来发展趋势，北斗在成长为世界的北斗过程中需不断参与国际社会活动，积极开展系统间协调与合作，这既是全球系统建设的要求，也是国际卫星导航领域发展的必然。因此，积极融入国际社会，主动开展多方位的国际合作已成为北斗新阶段发展的必然选择，这也为北斗的国际工作提出了更高要求。

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