赵爽（北京空间科技信息研究所）

1 GNSS发展特点

作为全球化的卫星导航系统，GNSS发展不是一蹴而就的，有着其自身的发展规律和特点，非常值得推敲和研究，其发展主要表现在以下三点。

从独立发展的各自为战,到竞争与兼容共存的博弈

卫星导航的发展要追溯到20世纪60年代，当时美国和苏联都开展了各自的卫星导航计划，不过那个时候卫星轨道和频率资源非常富余，因此卫星导航系统发展呈现出美俄各自为战，彼此竞争的局面。20世纪90年代末，GNSS系统仅包括一个具有完全运行能力的GPS系统和一个具有部分运行能力的GLONASS系统，运行卫星总数不到40颗，总共只播发3种卫星导航信号，且其中只有1种用于民用导航。

随着俄罗斯GLONASS的复苏以及中、欧、日、印等新兴卫星导航力量的加入，上述局面逐渐被打破。目前，GPS和GLONASS星座总的在轨卫星数量约为60颗（包括在轨工作卫星和备份卫星），卫星的空间段和地面控制段的现代化改造也正在进行中。最新型的导航卫星在3种频率上播发经过编码的民用信号，下一代的导航卫星将播发8种甚至更多的军用和民用信号。中国的“北斗”卫星导航系统目前已经实现了区域覆盖运行，并且正在通过不断发射新的“北斗”卫星逐步将该系统打造成全球卫星导航系统。欧洲已经发射了4颗在轨验证卫星，实现了Galileo卫星导航系统功能化运行的第一步。日本和印度的首颗导航卫星也已经发射。以上所有系统的功能卫星总数是10年前的2倍，未来10年还将再翻一番。同时，天基增强系统（SBAS）也取得了显著发展，卫星总数也是10年前的2倍多。新的SBAS卫星通过两种载波频率发射信号。

现在，在这么多的导航卫星和系统面前，有限的频率资源已经显得捉襟现肘了，各系统间的兼容与互操作将是其共存的大趋势，其中兼容性是主要的考虑，目的是确保新的卫星导航信号和系统出现后不会对现有信号和系统的使用造成明显影响。而互操作性则是指各卫星导航系统间可以互相合作、协同工作的能力，最终提升用户的导航性能。各大卫星导航系统的一些公开信号采用通用的载波频率，即1575.42MHz和1176.42MHz，并且它们的频谱也相同，以便实现多系统间的双频互操作。

当然，在兼容与互操作的前提下，各系统间在频率分配、应用市场等诸多问题仍将存在激烈竞争，如何在这样的竞争中取得先机和胜利，将是一个国家包括经济、技术、国际地位等因素在内的综合国力的体现。

未来10年各卫星导航系统信号的频谱分布

卫星系统的建设、维护和发展需要庞大的资金支持

GNSS的建立、维护、发展需要庞大的资金支持。以美国GPS系统为例，自1973年美国开始研制GPS系统，到1994年全面建成系统实现24颗满星座运行，耗资约200亿美元，而这还不算后续每年补网发射、系统维护等资金的费用。实际上，即使是系统建成以后，要维护GNSS的正常运行，其耗资也是巨大的。最近的资料显示，未来几年俄罗斯、美国和欧洲都计划为各自的GNSS发展注入大量资金，以保障其正常运行和发展。

根据2012年1月28日递交俄罗斯政府申请批准的《GLONASS系统2012－2020年维护、发展及应用计划》，2012－2020年间俄罗斯政府预计向GLONASS系统拨款3465亿卢布（约合120亿美元），平均每年13亿多美元。

根据2011年美国国会预算办公室的预算报告，美国国防部2012－2025年进行的GPS现代化建设将耗资约220亿美元，平均每年15亿多美元，这些资金将用于从2012年起40颗GPS－3卫星的开发和购买（包括16颗GPS－3C卫星）、控制卫星和发送新信号的软件开发，以及成千上万具有M码信号处理功能的军用接收机的开发和购买。

美国国会预算办公室预算报告给出的国防部计划与三种替代方案情况汇总表

GLONASS系统从军用发展到军民两用

据2011年12月欧洲媒体报道，欧盟委员会预计将向Galileo及“欧洲地球静止卫星导航增强系统”（EGNOS）两个项目额外增加拨款70亿欧元（约合91亿美元），平均每年13亿美元，用于这两个项目在2014－2020年间空间段及地面基础设施的建设和运营。

从上述三大系统的资金投入上就可以看出，建设和维持一个全球卫星导航系统的资金投入是非常庞大的，而美、俄、欧仍不遗余力地大量投入，也足见他们对GNSS的重视程度。

从军用独享，转为军民共用，并在民用领域大放异彩

尽管发展GNSS耗资巨大，但是无论投资有多么巨大，作为一个主权独立的国家，如果不想受制于人，建设和发展自己的GNSS都是必须的。正如美国加利福尼亚大学微系统实验室主任Addrei M.Shkel[2009年其受聘为国防高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室（MTO）项目主管]在2011年曾撰文指出，“至少1000年内，导航与精密授时能力将一直是衡量国家军事与经济实力的一个重要因素”。

独立的GNSS是建设强大国防、维护国家安全的重要手段，美、俄在最初发展导航卫星的初衷都是用于军用。导航卫星可为全球海、陆、空及近地空间的各种用户提供全天候、连续提供高精度的各种三维位置、三维速度和时间信息，这样不仅为海军舰船、空军飞机、陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导航；也在精密导弹制导、精密敌我态势感知、部队准确的机动和配合、武器系统的精确瞄准等方面广泛应用。

GNSS市场规模发展趋势预测

全球GNSS市场分布预测（2010－2012年累计收益）

不过，在GNSS建设完成和发展中，其在民用方面的应用也是越来越受到重视。这方面，美国GPS做得最好，民用发展与军用并重，并占据了全球的大部分市场。而俄罗斯在吸取了美国的经验和自身的教训后，也逐渐从只重军用向军民共用转变，并努力追赶。而事实也证明，GNSS有着广泛的民用前景，其应用范围遍及经济、交通和通信等几乎所有的民用领域，民用将是未来导航产业市场竞争的焦点。

根据欧洲全球卫星导航监督局（GSA）在2012年发布的市场预测报告显示，GNSS民用市场正在快速发展，截至2016年，市场总规模预计将以平均每年13%的速度增长。根据该报告预测，截至2015年全球GNSS市场规模将超过2000亿欧元（约合2600亿美元）。纵观整个GNSS市场的占有份额，道路导航和基于位置服务仍高居榜首，这两个市场的终端设备销售额分别占整个GNSS终端设备销售总金额的54%和44%。而从终端销售量上看，基于位置服务占到整个GNSS市场的87%。同时，GNSS应用正逐渐向智能手机市场渗透，市场占有率已经达到30%，而到2020年这一比例预计将达100%。可以预见，未来GNSS应用将成为人们日常生活中不可或缺的一部分。

2 GNSS未来所面临的挑战

未来，GNSS发展之路并非坦途，仍将面临着一系列问题和挑战，其突出表现在以下3个方面。

频率资源紧缺和信号拥挤为多系统共存提出挑战

未来一个亟待解决的问题是，为L频段上出现的越来越多的导航信号寻找“空间”。频率范围在1559～1610MHz的高L频段上的大部分频谱已经被现有的以及未来预计部署的信号所占据，很难再容纳新的信号。一种衡量频谱利用率的方法是计算这段频谱上的卫星信号数量，本文统计了高L频段上的频谱利用率，参见高L频段的频谱利用情况表。

虽然各星座的卫星数量存在一定的不确定性，但高L频段的频谱利用情况表中给出的数量还是具有代表性的。相比新的系统，GPS和GLONASS的卫星信号较多，因为这两个系统的卫星不仅播发最初的信号，也将播发现代化信号，而且后者在未来的应用将更加广泛。根据该表所示，共计422个卫星信号计划在51MHz宽的高L频段运行，平均每兆赫兹有8.3个卫星信号。其中，1559～1594MHz频段将包含314个信号，平均每兆赫兹有9.0个卫星信号；1594～1610MHz频段的频谱利用率相对较低，共108个信号，平均每兆赫兹有6.8个卫星信号。

各大卫星导航系统在高L频段的分布

高L频段的频谱利用情况表

为了避免L频段的频谱拥挤问题，一种备选的方案是开放使用更高频率的频段。近期，国际电信联盟（ITU）已经开放了2483.5～2500MHz频段用于卫星无线电导航（RNSS）业务。“北斗”的卫星无线电测定（RDSS）使用这一频段，“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）的卫星导航信号也计划采用这一频段。除了这一频段外，C频段（5010～5030MHz）也被纳入了考虑范围。

但是，由于这些频段相对较窄，将限制接收机的性能,同时出于兼容性考虑，也将限制可部署的卫星信号的数量。此外，更高的频率将增大相位噪声以及其他信号缺陷，并将增大因接收机移动造成的多普勒频移和多普勒调频率的影响。而C频段信号因下雨、植被、建筑物等遮挡造成的传播损耗也要比L频段更为严重。

开放L频段或低S频段的新频谱供卫星导航使用也是一种有利的选择，但是当前这些频段开放的重点对象是移动无线应用，而且目前已分配给RNSS的频段也面临被取消的可能，因此，卫星导航系统获得新频段的可能性很小。

总之，频谱资源紧缺与信号拥挤仍然是未来GNSS面临的一大挑战和需要长远考虑解决的问题。

GNSS脆弱性和局限性问题为应用安全带来隐忧

GNSS系统的脆弱性和局限性问题是目前系统建设者和用户最关心，也最希望解决的问题。所谓GNSS脆弱性，主要是指GNSS系统易受到电子干扰、阻塞、欺骗等影响，特别是在敌方有意干扰的情况下，很难进行正常的定位、导航与授时（PNT）服务的问题。所谓GNSS的局限性是指GNSS系统在地下、水下、山洞、城市峡谷、室内等环境无法提供服务，或者只能提供非常有限服务的问题。GNSS之所以会存在这样的问题，究其原因是其系统本身的特性造成的。GNSS系统是通过在轨卫星向地面播发导航定位信号来实现服务，尽管其具有覆盖面广的优势，但是由于从太空传到地面的导航信号非常微弱，如同从一个25W的灯泡照到20000多千米之外的强度，因此该系统很容易被干扰，也无法在严重遮挡环境下使用。

为了解决脆弱性问题，一方面要从GNSS系统内部着手，比如采用先进的抗干扰技术、增强信号功率、点波束技术等；另一方面是从系统外着手，采用其他技术辅助、弥补、备份GNSS能力，如惯性导航等。现在美国就是按照这两条途径解决这一问题。

在开展GPS系统抗干扰能力方面，美国首先在信号上做文章，推出了具有抗干扰能力的M码信号，这种信号采用“裂频”机制，可以发送更大的功率，而不干涉民用接收机。自2005美国发射第1颗GPS－2RM卫星开始，就在这种型号卫星及后续GPS－2F卫星上配备了M码信号的发射能力。截止到2013年10月，GPS系统的在轨卫星中具备播发M码信号能力的卫星已经达到了11颗，其中包括7颗GPS－2RM卫星和4颗GPS－2F卫星。另外，根据美国国防部计划，即将推出的第3代卫星GPS－3不但将进一步提升M码信号的强度，使其是目前信号强度的3～5倍，而且还将装备能够发射M码的点波束天线，据称该种天线可以在其信号覆盖范围（直径约1000km的圆形区域）内将GPS信号的强度提升到目前水平的100倍。

采用“裂频”机制的M码信号（主瓣分布在频段两侧）

尽管如此，在过去的几年中，美军GPS的抗干扰能力却并没有什么起色，究其原因是地面站升级和终端接收设备的发展及部署要滞后于空间段卫星的部署。虽然具备M码播发能力的卫星早在2005年就出现了，但支持M码处理的地面站升级工作却仍未完成，而且能够接收和处理M码的终端设备也并没有列装配发。不过，近年出现的GPS干扰问题显然也给美国军方敲响了警钟，加紧了相关工作。比如，据法国宇航防御网消息，2013年6月美国空军采用罗克韦尔公司的GPS接收机，首次进行了飞行器的M码信号导航飞行试验。据悉，此次飞行试验在新墨西哥州阿拉莫戈多附近的霍洛曼空军基地进行，成功地测试了集成到RQ-11B“大乌鸦”（Raven）无人机系统上的罗克韦尔公司的GB-GRAM-M接收机（M码GPS接收机），该接收机可通过接收GPS系统的M码信号为无人机提供精确的PNT信息。此次试验有助于实现美国国会所委托的“将下一代M码技术应用于所有美国国防部防御平台”的发展目标。

美国在大力发展GPS本身的抗干扰能力的同时，也注意开发GPS以外的导航系统，以增强其在对抗环境下的导航能力。在此背景下，美国DARPA于2010年开展了一项名为“全源定位与导航”（ASPN）的导航技术研究，旨在寻求在没有GPS的情况下，为任何操作平台和任何环境下的军用用户提供低成本、高鲁棒性、无缝的导航解决方案。ASPN将通过利用不同传感器的组合获得辅助导航信息，如将激光雷达、激光测距仪、照相机、磁强计等器件进行组合，从而显示出增强导航解决方案的质量和鲁棒性。同时，ASPN还将根据具体的局部环境条件灵活选择最合适的传感器提供针对性的导航技术，例如，基于图像的导航可能在都市环境的白昼条件下发挥良好效果；基于重力场的导航虽然精度稍差，但在大洋中可能最有效等。

霍洛曼空军基地的研究人员准备放飞RQ-11B“大乌鸦”无人机

ASPN概念框图

在ASPN概念框图中显示，ASPN将整合多种传感器信息，包括GPS、影像、光线测定和测距、磁场、重力及雷达等等。值得注意的是，此处有意把GPS包括在内，因为既然是全源导航，只要GPS信号可用，就应以GPS为主。这样，这个完整系统结合所有可用信息，当某些传感器不可用时，仍可使用其他信号源。

要想解决GNSS的局限性问题，主要是需要开展其他PNT系统及技术手段，并以GNSS为核心基石，最终形成一套完整的、互为备份的PNT体系。目前美国已经开展了这方面的工作，2008年美国发布了《美国国家PNT体系研究报告》，2010年发布了《美国国家PNT体系实施计划》，力争发展以GPS为基石，在最大共性、多现象学、互操作等设计原则下，实现多种PNT源的协同共用，最终实现美国PNT能力的全面提升，确保美国在全球PNT发展的领先地位。

降低成本是GNSS长久发展所必须重视的问题

未来几年，俄罗斯、美国、欧洲在发展和维护其GNSS方面都投入了大量的资金，这固然说明了其对于发展和维护GNSS系统的重视，同时也说明了要发展和维护GNSS，资金消耗是非常庞大的，会给一个国家带来巨大的经济压力。因此，如何降低系统发展和维护的成本也是各卫星导航大国所要面对的问题和挑战。如美国空军提出了一份关于降低美国GPS系统成本的计划，在这项节约成本的计划中，包括采用小型化导航卫星，寄宿导航载荷等方案，尽管这项计划的风险性遭到了美国审计总署（GAO）的质疑，但GAO也承认这是一项降低成本的良好开端。

据悉，2013年年初，美国空军研究实验室已经授予ITT Exelis公司一份价值215万美元的合同，为其研制小型导航卫星有效载荷，这项GPS NAVSAT项目旨在提供一种经济可承受的能力，这种小型卫星在体积、质量、功率和成本上都将给用户带来更大的经济可承受性，卫星的小体积将使得其在选择运载火箭时更具灵活性。GPS NAVSAT项目首个研究阶段为期18个月，将找到一种创新方式，通过降低有效载荷质量，缩小尺寸，降低功率，提高GPS系统经济可承受性和可持续性。GPS NAVSAT既能保持与现有GPS系统类似的性能和能力，同时可在城市或山区信号受限的环境下对GPS终端用户提供辅助。

可以预见，在保障卫星导航系统能力不受明显影响的前提下，随着技术的不断进步，采用一箭多星发射的小型化导航卫星将是降低GNSS成本的一条可行途径。