卫星导航系统组成还缺个环境段

这是十几年前写就的一篇文章，现在看来还十分有用，故在此给予发布。环境段和脆弱性仍然在困扰着应用卫星导航定位的人们。而卫星导航系统组成中空间段、地面段和用户段，还缺少个环境段。

随着卫星导航应用广泛深入到国防和国民经济建设的各个层次，和人民大众生活的各个角落，其重要性日益显见。卫星导航环境段和脆弱性的问题同时凸显出来。卫星导航系统及其信号的脆弱性，源于其所在环境，其中包括空间天气环境、大气环境、用户使用环境，以及电磁环境。而电磁环境干扰又分为自然干扰、人为的有意和无意干扰，甚至是电子欺骗类型的干扰。卫星导航脆弱性是卫星信号到达地面时已经非常微弱，很容易受到干扰造成的。目前，市场上能够很容易用数十美元买到的信号干扰仪（所谓的个人保护设备PPD），只有可乐罐头大小，功率仅仅为一瓦，可以影响到十数平方公里的卫星导航民用接收机，使其无法正常工作。

2011年11月，美国国家PNT咨询部正式发布评论指出，干扰GPS，就是对于国家安全的威胁。因为国家的许多关键的基础设施，都是依靠，或者与GPS工作密切相关，如蜂窝移动电话系统、电网系统时间同步、飞机着陆系统，一旦GPS受到干扰，均会直接导致这些基础设施的安全。在评论新近发生的一系列干扰事件之后，提出了五条建议：正式宣布GPS为国家基础设施；建立国家GPS干扰定位、报告和缓解消除系统；法律强制不准装备和使用GPS干扰器；强化GPS接收机和天线；设置基金加强GPS后备能力，确保PNT服务。

在此之后不久，关于“四方灯”（Lightsquared）公司的地面和卫星通信的组网授权问题，展开了非常有益的讨论，GPS受到的无线电干扰是毋庸置疑的。为此专门成立技术工作组并且进行实际测试，论证工作持续进行很久。2011年2月9日，美国联邦通信委员会（FCC）正式发布公告，宣布持有和使用干扰器设备，对经过授权的无线电系统，如蜂窝电话、警察雷达、GPS和WiFi造成阻塞或者干扰，均属于违反联邦法律的行为，严禁使用、经营、制造和销售干扰器。对于使用干扰器者，处以罚款、没收非法设备，甚至羁捕关押。由此可见，无线电干扰成为卫星导航的一大现实的威胁，不能等闲视之。

      可以这样说，卫星导航能够安全使用的条件是：在地球中纬度地区开阔地带，可用性要求为99.9%。这就是美国把GPS未来要填补的空白几乎全部集中在环境段的根本原因，主要攻克的领域是异常的空间环境、严酷的物理环境与复杂和恶劣的电磁环境，研究相关的多种多样的模型，以确保卫星导航使用的可用性、可靠性和精度。因此，我们认为，首当其冲的是，在卫星导航系统组成中，在空间段、地面段和用户段之外，应该加入环境段，把卫星导航系统的“老三段”革新成为“新四段”。

为什么卫星导航系统发展到现在，必须加入环境段的概念呢？因为环境段，它与空间卫星生存条件和卫星信号的电波传播环境密切相关，是卫星导航系统不可分割的部分，而且是越来越重要的部分，是值得独立研究的部分。可以说，只有把环境段考虑到系统的总体组成中，系统才成其为完整的系统，只有把环境问题妥善处理和应对好，系统才成其为完善的系统。

环境段部分与卫星导航系统的其他三大组成部分相比，属于系统的“软件”，是充分发挥系统硬件的整体作用，达到预期的性能指标的重要基础，直接关系到卫星导航应用和服务的效能与结果。环境段包括空间气候、大气（电离层和对流层）条件、电磁环境、多径效应，以及多种多样的应用环境与条件（地形地貌、地物植被……），它们会影响到系统工作、定位精度、完好性、可用性、连续性和可靠性等一系列关键指标。环境段涉及到卫星导航系统的其它各部分。空间段的卫星的生存环境是，太阳黑子效应和耀斑爆发，太阳风高能粒子和辐射效应，会引发单粒子事件等因素，都必须加以重视和认真对待。空间段的卫星防辐射加固、有效载荷的频率选择、信号结构和调制方式的确定，以及功率要求的认定，都要顾及空间气候和电波传播环境，一旦空间信号离开卫星发射天线，环境段影响便凸显出来，真实的距离测量便成为伪距测量，空间信号一路上历经电离层、对流层，在接收机天线周围又经受多径效应和电磁干扰，以及许多不同应用环境条件的作用，最终进入用户接收机。

与时俱进的科学研究表明，电离层效应不仅体现在总电子含量(TEC)对测距精度的影响，而且电离层不均匀性与梯度造成的信号闪烁效应，会直接影响到完好性，从而使电离层行为成为完好性的重要判据。值得指出的是，电离层除了一般性的时空变化规律，即宁(静)时变化外，更应引起注意的是其暴(发)时变化，即太阳耀斑或黑子爆发，或地磁骚扰引起的电离层骚扰和异常活动，尤其是在极区和低纬与赤道地区，会造成导航卫星信号的中断或衰落，失锁或难于跟踪，以及测量精度降低等现象。卫星导航系统建设营运过程中，多种多样的差分系统和各种各样的增强系统，这些补救措施的主要目的就是提高精度、确保可靠性，本质上都是在解决环境因素造成的影响和后果。

随着卫星导航应用的日益广泛和普遍，干扰和抗干扰，以及电磁兼容等一系列问题也显示出来了。不同应用条件下的电波传播环境的研究，尤其是在植被覆盖效应严重的林区，地形起伏多变的山区，高楼林立的市区，乃至高架桥下、隧道洞中、地下车场，和建筑物内的导航定位，都已经是难以回避的现实。显然，卫星导航与人类一样，面临生存环境的问题。