美国GPS系统及其国际合作进展

李培升（中国航天工业科学技术咨询有限公司）

美国GPS系统及其国际合作进展

李培升（中国航天工业科学技术咨询有限公司）

当前世界各卫星导航系统竞相发展。为适应新的发展局面，全球导航卫星系统（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不断加深。

美国GPS自20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。

GPS地面运行控制系统全球分布图

1　GPS系统发展情况

系统现状

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2015年3月，美国GPS系统共发射了两代、七种型号卫星，目前在轨卫星31颗，其中30颗提供服务，1颗处于维护状态。

GPS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个国家地球空间情报局（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。

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，2005年首次发射，计划于2018年实现用24颗卫星提供服务；L5用于满足交通生命安全和相关完整性的要求，2010年首次发射，目前已有9颗GPS-2F卫星在轨，计划2021年左右实现用24颗卫星提供服务。

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0.8m。军用GPS精密定位服务的空间信号定位精度为0.8m（95%），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），精度能进一步提高（实际用户测离误差约为0.57m，授时精度为10ns）。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3m的定位精度，测速精度0.2m/s，授时精度优于20ns。2013年1-8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1.56m，而95%的用户的平均定位精度达到了2.43m。

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，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。

未来发展计划

根据计划，2018年将完成8颗GPS-3A卫星的发射；2024年前将完成16颗GPS-3B卫星的发射；2030年前将完成16颗GPS-3C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颗卫星提供第2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，将为用户产生50亿美元的效益；预计到2021年，将有24颗卫星提供第3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4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。L1C信号将在2017年发射的GPS-3卫星上首次提供。

GPS标准定位服务空间信号性能

GPS精密定位服务空间信号性能

GPS空间信号用户测距误差改进情况

2　GPS国际合作进展

在2010年奥巴马总统签署的美国国家航天政策中，鼓励GPS与其他GNSS的国际合作，明确指出：“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。

欧盟

美国与欧盟及其成员国在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”在用户层面的互操作。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4个工作组，主要涉及以下4个方面：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；④有关GPS和“伽利略”的安全问题。

美欧签署协议情况

续 表

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GLONASS系统之间的互操作。为解决此问题，成立了两个工作组，分别负责2个方面的工作：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。

美俄签署协议情况

中国

在“北斗”卫星导航系统工程建设之前，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-2009年9月，中美关于“北斗”和GPS系统共进行了5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，美国在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）、卫星导航学术年会等多种场合表示与我国在民用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。

2014年5月，中美卫星导航系统首次会谈在北京举行。 围绕“北斗”与GPS民用信号兼容与互操作、“北斗”与GPS天基增强系统及其民航应用、监测评估、频谱保护、干扰监测与削弱等进行了交流，建立了卫星导航合作机制，签署了《中美民用卫星导航系统联合合作声明》。此次会谈正式开启了两系统卫星导航合作的序幕，在两系统发展进程中具有重要的里程碑意义。

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“准天顶卫星系统”（QZSS）的互操作。

美日签署协议情况

续 表

印度

2007年，美国与印度签署了一项联合声明，开始了在GPS及其增强系统方面的合作，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。

澳大利亚

2007年，美国与澳大利亚签署了一项联合声明，开始了在GPS及其增强系统方面的合作，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。

英国

英国作为欧盟的成员国，通过“伽利略”与GPS开展合作；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。

美澳签署合作文件情况

美英签署协议情况

GPS国际合作成果文件一览表

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，鼓励全球和区域卫星导航系统及其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。

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（A P E C）、北大西洋公约组织、世界贸易组织（WTO）。

综上所述，有理由相信美国在卫星导航领域的对外合作是依据战略互信程度和重要性分为不同等级的。对于欧盟、日本、印度，美国与之深入交流，从系统到应用开展多方面的合作；对于潜在竞争对手的俄罗斯，美国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，美国主打拓展GPS应用，占领市场的方针。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，从而给新兴卫星导航系统设置门槛，以便建立以GPS为标准的准则或秩序，保持其优势地位。

3　结语

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”的空间地位。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，专门对与“北斗”进行合作的问题展开了探讨。被誉为“GPS之父”的斯坦福大学名誉教授布拉德福德·帕金森（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；咨询委员会成员罗伯特·赫曼恩（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。“北斗”系统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，多系统兼容共用成为未来发展趋势，“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。

U.S. GPS and Its International Cooperation Progress