衛星導航中國蹊徑

衛星導航中國蹊徑

除了GPS和「北斗」，一種基於通信衛星的「經濟型」導航系統，亦有望成為中國用戶的新選擇

幾乎在一夜之間，衛星導航定位系統就從軍事領域，走進了普通人的生活。如今在市場上，不僅裝有車載GPS（全球定位系統）的家用轎車比比皆是，可供登山等戶外運動愛好者使用的手持式設備也已風靡一時。　　迄今為止，美國GPS仍然佔據著中國衛星導航市場的絕對份額。但由中國自主研發的北斗導航定位衛星系統，也正在迅速起飛：據新華社等媒體報道，「北斗二代」建設已進入攻堅階段，2009年將有多顆衛星發射升空。　　然而，在參與歐洲伽利略（GALILEO）全球衛星定位系統以及繼續推進「北斗」之外，中國在衛星導航領域還有著另外一個秘密武器——CAPS。　　這個已經進行多年的「經濟型」衛星導航項目，其進展在很長時間內一直難以被公眾所知曉。直到2008年12月，在《中國科學G輯》組織出版的一份專刊上，研究人員集中報告了該系統的研製進展之後，人們才有機會掀開其面紗的一角。CAPS橫空出世　　所謂CAPS，是「中國區域定位系統」的簡稱。這種全新衛星導航系統的研製，始於六年多以前的一次「頭腦風暴」。　　2002年11月初，位於現在的北京奧運村附近的中國科學院國家天文台，時任台長的中國科學院院士艾國祥找到同事施滸立和顏毅華，在一間普通的辦公室討論一個宏大的命題：如何開發「經濟型」衛星導航系統。　　之所以有這樣的一個想法，是因為當時最為成功的衛星定位系統，即美國的GPS，從研製到最終投入使用，花費了20多年的時間和數以百億計的美元。而前蘇聯也投入巨資研製格洛納斯（GLONASS）, 其導航星座至今仍不完整。　　雖然中國已經決定加入「伽利略計劃」，同時也啟動了雄心勃勃的「北斗系統」，但研究人員還是希望嘗試一些新的想法，看能否有更經濟實惠的方式來實現區域導航定位。　　這場思想的碰撞持續了好些天，中國科學院國家授時中心李志剛等科學家後來也被邀請加入。　　中國科學院國家天文台研究員施滸立告訴《財經》記者，上述這些衛星導航定位系統，均可稱為直播式衛星導航定位系統。也就是說，導航電文及測距碼在衛星上直接產生，然後下行廣播給用戶定位。因此，都需要發射專門的導航衛星來承擔這一任務。通常需要30顆左右的導航衛星才能覆蓋全球。　　在思維碰撞中，艾國祥及其同事提出了轉髮式衛星導航定位系統的理念，即導航電文及測距碼在地面產生，上行至衛星，利用衛星上的信號轉發器，再下行廣播給用戶定位。這樣，系統就可以少發射甚至不發射專門的導航衛星，而利用商用的通信衛星組成導航星座。　　如果這一設想實現，顯然可以極大地降低導航系統的部署時間和成本。因為一般而言，空間設備研製周期長、投資大，星載設備尤其如此。以作為導航的時間和頻率基準的星載原子鐘為例，其價格昂貴、研製難度大，目前只有美國等極少數國家完全掌握這一技術；而且，即使研製成功，往往精度也要略微遜色。　　轉髮式衛星導航定位系統，則可以將原子鐘安置在地面導航站。李志剛研究員在接受《財經》記者採訪時表示：「這樣就迴避了星載原子鐘的技術瓶頸。」　　這種新的導航系統理念，一經提出，很快得到了中國科學院、科學技術部、國家自然科學基金委員會，以及解放軍總裝備部的支持。　　2005年6月，中國科學院國家天文台、國家授時中心、上海微小衛星中心、微電子所和自動化所等研究機構，與衛通集團等其他國內機構，合作研製出轉髮式中國區域定位系統(CAPS)的驗證系統，並通過國家有關部門的驗收。其粗碼信號的定位精度達到20米左右，精碼則達到10米左右，已經與GPS民用碼的精度相當。　　據了解，這個驗證系統的研製僅用了不到兩年的時間，經費則不到美國研製GPS的千分之一。當然，這一成功，很大程度上也有賴於中國天文系統在長期基礎研究中所積累的信號被動接收、微弱信號檢測、衛星測軌定軌等技術的應用。退役衛星「第二春」　　在CAPS驗證系統的研製過程中，研究人員首先租用了在軌的商用同步通信衛星上的信號轉發器，組成驗證系統的星座。不過，由於租用的衛星都處於地球同步軌道上，難以實現三維定位。　　研究人員最初的設想是，發射傾斜軌道的通信衛星組成導航星座，來解決三維定位的問題。後來，他們卻在不經意間找到了一種更省錢的辦法，那就是開發退役衛星的「第二春」。　　中國衛通集團退休專家陳吉斌參與了CAPS系統的研製。這位原亞太衛星公司副總裁告訴《財經》記者，退役衛星上的設備並未損壞，只是燃料快消耗完了。　　不過，為了保證業務不間斷，衛星公司必須在衛星壽命結束前的一段時間裡，發射新的同步通信衛星完成更替。也就是說，衛星退役前還有一定的剩餘燃料。　　研究人員通過多次討論，提出了一個巧妙的思路：利用退役衛星上的剩餘燃料和轉發器資源, 將其納入導航星座。　　因為當地球同步通信衛星正常運行時，需要在經度和緯度方向同時保持姿態；而如果將其作為導航衛星使用，只需要對經度方向進行保持和調整，緯度方向則任其自由漂移，這樣反而可以改善導航星座的空間布局。　　陳吉斌對《財經》記者表示，與同時調控衛星的經緯度方向相比，該調整模式所消耗的燃料僅為原來的十分之一；這樣，那些剩餘的燃料，就足以支持衛星的長時間使用。　　於是，2005年，CAPS項目組從亞太衛星公司購買了退役衛星亞太1號。這顆衛星的燃料原本只剩下幾個月，但被「徵用」至今已有四年多，仍然運轉良好。2008年，項目組又購買了另一顆退役衛星：亞太1A號。這顆衛星的剩餘燃料更多，預計可供CAPS使用約十年。　　代表項目組去洽談退役衛星購買事宜的，是國家天文台高級工程師蔡賢德。他對《財經》記者直言，這樣的生意很好談，「像我們這樣的買家太少了」。因為對於衛星公司來說，不僅多了一筆預算外的收入，還省去了處理退役衛星這種「太空垃圾」的麻煩。　　項目組在《中國科學G輯》發表的論文中表示，今後幾年內, 中國還陸續會有鑫諾1號、鑫諾3號、中衛1號、亞洲2號等衛星退役，這些退役衛星的剩餘價值均可得到利用。隨著這些通信衛星陸續加入導航星座，整個系統的精度也將得到進一步提高。　　此外，在蔡賢德看來，退役通信衛星的變廢為寶，也有助於維護中國的「空間主權」。　　因為就像土地一樣，空間的軌（道）位（置），同樣是非常寶貴的資源，退役衛星如再利用，就可以繼續佔據原有的軌位甚至新的軌位。市場能否「芝麻開門」　　與直播式衛星導航定位系統相比，CAPS還有一個優勢，那就是導航通信一體化。　　據陳吉斌介紹，通信衛星上的轉發器很多，藉助這些豐富的轉發器資源，研製出可雙向通信的接收機，就可以使系統實現導航通信一體化。　　早在2006年，CAPS的導航通信一體化試驗，就在車輛行進中和船舶海上航行中試驗取得成功。此後，相關的試驗及應用也一直在開展。　　相比之下，現有的GPS只有導航定位功能，無法在系統內解決回傳通信問題。因此，當車輛在野外行駛時，用戶中心無法知道其下屬車輛的情況；在戰場上，上級指揮機關無法知道戰場的態勢；導彈發射以後，也無法評估打擊效果。　　在導航星座布置上，CAPS也比較靈活，可以根據情況選擇地球同步軌道衛星、傾斜軌道衛星、中高度軌道衛星等。即可以不搞全球星座均衡布局，而是從區域應用實際需求出發考慮最優星座布局。　　此外，轉髮式衛星導航系統採用的是C波段，可租用的衛星資源豐富。　　「GPS等系統使用的是L波段，頻段資源少，幾乎沒有伸腳的地方了。」蔡賢德對《財經》記者解釋說。　　李志剛還告訴《財經》記者，從理論上講，CAPS的定位精度今後有可能高於GPS。因為影響定位精度的因素，主要包括原子鐘和衛星軌道測量；而地面原子鐘在精度上可以比星載原子鐘高出一兩個數量級，且易於維護和更新。　　他和同事利用新的時間比對技術，已經獲得了優於兩米的衛星軌道測量精度；這一精度，已經與GPS可以提供的衛星軌道測量精度相當。　　武漢大學測繪學院教授劉基余告訴《財經》記者，中國科學家能夠在條件有限的情況下，自主開發這樣一個具有重要科學意義和工程實用價值的導航系統，實屬難能可貴。　　不過，他也提醒說，CAPS要想在精度乃至綜合性能上與其他導航系統競爭，還有很多工作要做。　　CAPS項目組成員在接受《財經》記者採訪時也承認，CAPS需要修正誤差的環節，就比GPS多一些。　　此外，儘管整個CAPS系統的建設費用低出一大截，但對於用戶來說，其接收終端的價格與GPS不會相差太多。這或許會影響其在市場上的吸引力。　　但項目組認為，CAPS這種的系統仍然有著廣闊前景。畢竟，像美國GPS這樣龐大的衛星導航定位系統，不是所有國家都有財力承擔的。而且GPS系統是30年前的技術方案，在伊拉克戰爭中已經暴露出抗干擾差等缺陷。　　對於希望開發國內衛星導航產業的國家而言，尤其是中小國家，CAPS無疑是個不錯的「候選者」。在項目組看來，CAPS的投入成本低、建設周期短，大約只需要30億元人民幣和兩三年時間，就能迅速建設一個覆蓋三分之一地球、且包括中國國土在內的系統。　　「建設（CAPS）這樣的系統，將來不一定非要成為國家行為。有魄力的大公司，說不定也可以投資。」施滸立說。　　一位長期從事衛星導航定位研究的專家則向記者表示，考慮到國家戰略需求和技術成熟程度等因素，「北斗系統」理應成為中國衛星導航定位系統建設的主打。而CAPS這一系統，也值得繼續探索和試驗。

□ 《財經》記者 李虎軍 本刊實習記者程晗對此文亦有貢獻

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