野心勃勃的“印度区域导航卫星系统”(IRNSS)

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  印度在大力发展“烈火”系列导弹等战略武器的同时,还积极发展了多个卫星导航定位系统,以提高其地区和全球作战能力。在这些系统中最为核心的就是“印度区域导航卫星系统”(IRNSS),该系统将成为世界上第六套卫星导航系统,有着鲜明的印度特色,将引领印度成为航天和导航大国。
  IRNSS的发展
  与其它武器装备的发展一样,印度卫星导航系统也采用了“万国博览会”的发展方式,包括与美国合作的GAGAN、与俄罗斯合作的GLONASS及自主的“印度区域导航卫星系统”(IRNSS)的三个层次的发展。
  GAGAN与GPS:尝试专业的区域系统GAGAN是“GPS辅助型静地轨道增强导航”的英文缩写,也是印地语“天空”的意思。该项目由印度太空研究组织与美国雷锡恩公司共同开发。GA—GAN系统星座由1颗位于地球同步静止轨道的卫星组成,地面部分包括8个基站、1个主控中心、1个陆地上行链路站。该系统采用C波段和L波段频率作为载频。其中,C波段用于测控,L波段频率与美国GPS的L1(1575.42MHz)和L5(1176.45MHz)频率重合,用于广播导航信息,并可与GPS兼容和互操作。GAGAN信号覆盖印度大陆及目前陆地系统所不能覆盖的海洋区域,可修正改进定位的精确性,并增强标准的GPs信号。该系统于2007年完成前期测试,但2010年4月的卫星发射失败,导致计划推迟到2013年6月才能完成。通过该系统建设,印度初步掌握了卫星导航的基本技术,为IRNSS的研制提供了技术储备。
  GLONASS与“伽利略”:面向全球的合作2004年,印度与俄罗斯达成协议,在俄罗斯发射的18颗GLONASS卫星中,印度承担其中6颗的发射任务,并制造其中的3颗。为此,俄罗斯将在印度建立卫星导航系统(GLONASS/GPS)设备生产公司,这将使印度不受干扰的使用来自俄罗斯卫星的信号,精确度在5米至15米范围内。2011年12月,两国再次发表声明称将加深卫星导航系统合作。
  除了与其传统盟友俄罗斯合作外,印度还利用其所谓“民主国家”的面具,积极参与欧洲“伽利略”(Galileo)卫星导航系统项目,共同研发地面系统,以便在航空方面加以利用,使其成为比中国有更大优惠的参与国。
  IRNSS:自主的“印度区域导航卫星系统”在初步掌握了区域和全球卫星导航技术时,印度急不可耐地开始筹划自主的卫星导航计划。2006年5月,印度正式批准了在GAGAN基础上发展“印度区域导航卫星系统”(IRNSS)计划。2007年9月,印度公开宣布,将在未来6年内陆续发射7颗导航卫星,在外层空间打造印度版的GPS,为印度领土用户提供独立的导航定位服务。计划2010年发射IRNSS的首颗卫星,2011年前再发射2颗卫星,初步完成导航星座的最小组合,2012年前将7颗导航卫星部署完毕,投入运行。根据设计,IRNSS系统卫星全时段服务。
  印度的导航卫星集群将由印度航天研究机构发射,费用由国防军费支出。目前计划在2012—2013年问发射首颗卫星,2014年全部星座发射运行。构成与原理
  IRNSS系统从构成和原理上仍能看到其它系统的影子。
  构成IRNSS的7颗卫星中的3颗卫星部署在地球静止轨道上,另外4颗将部署在倾角为29。的倾斜地球同步轨道(IGSO)上。IRNSS卫星设计质量约1370千克,使用寿命9年以上(地球静止轨道卫星9.4年,倾斜地球同步轨道卫星11年)。
  除天基星座外,系统还有1个主控中心和一些负责卫星跟踪和控制的地面设施。其中,IRNSS监测站主要功能是接收地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星数据,对它们的测距值进行修正后,传送到导航控制中心。导航控制中心主要计算卫星星历,卫星钟差改正参数,电离层延迟误差数以及相应的完好性信息,并将计算结果传送给上行注入站,通过地球静止轨道卫星广播给用户。航天卫星控制中心主要负责管理、控制和维护在轨卫星的正常工作。CD—MA测距站和激光测距站负责采集IRNSS卫星测距信息,进行修正后传送到导航控制中心。用户终端主要包括特殊设计的单频用户接收机和双频用户接收机,除接收IRNSS信号外,也可以接收空间其它定位导航系统的信号(如GPS、GLONASS等)。
  工作原理IRNSS系统不仅可提供标准的定位服务(SPS)、精密定位服务(PPS),还可以为政府特许用户提供保密(RS)服务。
  IRNSS的导航原理与美国GPS类似,其向使用者传输至少来自4个卫星的信号。为了让位置信号准确无误,这些信号必须完全同步,每个卫星上都有4个铷原子钟,达到十亿分之一秒的稳定性。利用用户接收到的信号时间差,计算出用户位置。
  上述信号时采用3频段发送:C波段、s波段(2491.005MHz)和L波段(1191.795MHz)。其中,C波段主要用于测控,S波段和L波段主要为用户提供导航定位服务。标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)信息调制在S波段和L波段的L5上。政府特许用户服务(RS)信息只调制在L5频率上。处于S波段(2—4GHz)的导航信号由星上的相控阵天线发射,确保覆盖区域和信号。导航能力
  IRNSS系统设计覆盖东经40°—140°和北纬40°~南纬40°的范围,包括印度次大陆及印度洋等区域。在这7颗卫星上都配有先进的电子设备,特别是s波段的导航信号由星上的相控阵天线发射,在较为狭窄波束内的信号强度较高,可为印度全境及周边2000千米的范围提供全天候的单频和双频导航信号,误差不超过20米。
  系统特点
  相对独立,但技术上仍有差距IRNSS不仅能提供GPS差分完好性信息,还可提供系统本身的卫星导航定位信息和差分完好性信息,即能为印度本土用户提供独立的导航定位服务。印度规划的7颗导航卫星星座方案是实现印度次大陆服务的最低数目,除了星座结构外,IRNSS在考虑兼容其它导航系统信号的同时,还坚持保留了独特自主的频率和数据类型,降低了印度卫星导航的安全风险性。   受印度导航技术的局限和国外同类技术的转让限制,IRNSS系统的误差与GPS等系统相比仍有一定差距。印度一方面继续组织人力、物力进行技术攻关,另一方面通过外购和技术合作等方式提高自身卫星技术水平。2009年7月,印度和美国签署了3个有关国防、航天与核技术合作的协议。但由于转让核心技术被限,其只能获得过时技术,因此无法在导航精度等方面进入世界第一行列。
  系统频率自主,但核心技术需攻关INRSS项目为了具备独立的区城导航定位能力,建立了自主的发射频率。例如,GAGAN系统导航载波频率主要集中于与GPS几乎完全一样的L频段,而INRSS则分布在s频段和L频段,频率范围更广,可以为印度军方等特许用户提供加密或更高精度的服务,因此INRSS在保持高度兼容性的同时保留了自主频率,也就保留了其独立使用权。
  但由于印度科学和国防科技方面长期的“拿来主义”,导致其核心技术研发能力薄弱。INRSS项目中卫星、原子时标准、地面站和主控制中心的建设、导航软件、用户接收器、时间转换技术等方面都有待完成技术攻关。
  信号兼容性强,但系统安全存隐患INRSS系统在原有GAGAN系统基础上增加了L波段的L5频段,与美国最新的GPS2F卫星使用的民用信号——L5频率一样,扩大了与美国GPS卫星系统的兼容性,同时在技术体制设计上充分考虑了与“伽利略”系统兼容和互操作能力。
  由于技术局限,印度在关键的微型精确定位载荷研制上依然需要与美、俄、欧国际合作,核心技术上无法自主突破。例如,印度目前尚无法生产作为卫星定位的关键技术和部件的星载原子钟,为此,印度在2008年9月授予法国一公司一项总额400万欧元的合同,要求其为IRNSS系统提供铷原子钟。如果在关键技术上仍无法突破,单纯追求兼容性,将导致IRNSS成为一座不设防的“城市”,其在军事领域中的战略意义会荡然无存。
  系统结构独特,但地理局限性需克服印度IRNSS系统在导航卫星星座的设计上与众不同。IRNSS实际是导航卫星与通信卫星的结合,这与日本的“准天顶”卫星不同。“准天顶”主要确保在仰角60°以上的空间至少可以看到一颗卫星,使信号易遮挡区的用户有可见卫星,但该系统不能脱离GPS导航定位。而印度IRNSS系统的导航卫星在测算出位置信息后,通过地球静止轨道卫星传送给用户,确保了一定区域内的信号强度。
  由于印度距离赤道比较近,受地磁环境影响较严重,建立精确实时电离层模型和对流层模型是面临的关键问题。
  技术拓展性强,但资金问题待解决IRNSS与日本的“准天顶”、中国的“北斗”一代系统一样,在建设区域性导航系统的同时,考虑到了未来的全球性发展。IRNSS想发展成为全球卫星导航体系,至少需要24颗运行在20000千米轨道上的卫星组网,才能完全摆脱对美国GPS系统的依赖。
  但建立如此庞大的系统,初步建设就需投资160亿卢比(1美元约合45卢比),印度心有余而力不足。2010年5月,《印度时报》称,如果印度投入数十亿美元用于研发类似“北斗”的项目,最终可能只是制造出一些华而不实的东西。实际上,即使印度将IRNSS拓展成全球性系统也无法与中国“北斗”系统相比。2011年1月,美国的“美国战略页”称,同中国的“北斗”卫星导航系统相比,IRNSS逊色很多。
  发展动因
  争取自主发展,防止受制于人一旦IRNSS系统建设成功,印度将成为世界上为数不多的拥有自主卫星导航和定位能力的国家之一,特别是区域性的IRNSS可在适当时候扩展为全球性系统,为印度提供全球范围的导航服务,完全摆脱对外部的依赖,对提高印军武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力都具有十分重要的意义。
  参加大国竞赛,攫取经济利益近几年来,印度在空间技术领域的进步令人瞩目,迄今为止已先后发射过20余颗各类卫星,已成为继美、俄、中、法、日之后第六个太空大国,并开始跻身国际卫星发射市场。由于卫星导航定位技术是集遥感卫星、卫星监测、卫星变轨和卫星通信技术于一体的多系统尖端集成,是衡量卫星技术发展水平高低的重要标志,美国、欧盟、俄罗斯、中国和日本等国或组织均耗费巨资进行相关研究和系统建设,印度无论在现实压力还是潜在需求方面都需要加入这场竞赛。IRNSS系统的建设是印度为跻身世界航天大国进行的新一轮冲刺。
  提高地区导航可靠性,为武器自主发展奠定基础由于印度武器装备大多引进于俄罗斯和西方,对GPS和GLONASS等系统的依赖性逐步提高,使用这些系统存在着较大风险。2009年1月,印度最新型的“布拉莫斯”2导弹的GPS定位系统在关键时刻没有搜索到信号,导致“布拉莫斯”偏离目标约2千米。印度科研人员声称,“布拉莫斯”的卫星导航接收机没能在弹载计算机与美国GPS卫星之间建立连接,使导弹无法在多目标环境中击中特定目标,因此印度工程师计划改用GLONASS作为导弹导航支持。尽管俄罗斯系统的卫星数量相对有限,但使用相对可靠。使用国外卫星导航系统的不可靠问题已经成为印度武器装备现代化的重要障碍,也是印度积极发展自主卫星导航系统的重要原因之一。
  加快部队信息化建设,争取获得地区军事优势近期的几场局部战争让印军充分认识到,卫星定位技术已成为军队战斗力的“倍增器”和打赢未来信息战的关键之一。在《2015年军队远景规划》中,印度计划第一步同俄罗斯共建卫星导航系统,使印军一步到位具有成系统的太空信息控制权,获得实施精确制导、精确打击的有效途径。而IRNSS系统的建设将弥补印军缺乏独立的导航系统的弱点,大幅提升远程精确打击能力,尽快占据印度对周边国家的军事优势地位。
  军事影响
  增强印军远程精确打击能力印度是世界上导弹武器发展最快的国家之一,但由于其一意孤行地进行核武器试验而遭到来自西方世界的经济制裁,导致其导弹等远程武器制导技术的严重落后,为此印度不得不尝试在“大地”、“烈火”系列弹道导弹上进行复杂的图像匹配等末制导方式,甚至在“布拉莫斯”等高速巡航导弹上安装非军用信号的GPS系统。印度空军战机的导航也主要依赖于地面雷达导航和GPS辅助增强的GA—GAN系统。INRSS系统建成后,将弥补印度军力这一短板,增强印军的远程精确打击能力。
  强化印军对印度洋海区的控制印度近年把“称霸南亚、控制印度洋”作为国家战略目标,并将其海军战略调整为“远洋进攻”。目前印度对印度洋的监视范围和实际控制能力局限于印度半岛东西侧的孟加拉国湾和阿拉伯海,因此印度积极发展远洋能力。一方面大力发展航母、核潜艇、驱护舰等远洋武器装备,另一方面积极发展卫星保障基础系统,提高远洋巡逻与作战保障能力。根据印度空间研究组织公布的IRNSS覆盖范围示意图,也可以看出其重点区域正好位于印度次大陆及印度洋区域等印度意图控制的区域。
  提高印军对西北部边界山地的监控印度北部和西北部地区地形复杂,大多为海拔较高的山地地形,与巴基斯坦、中国毗邻,人文、地理、气象环境复杂,是印度军队假想的未来作战地区。但这里高山林立,交通不便,没有显著的地理参照,作战十分困难,因此卫星导航在这里有着特别的意义。IRNSS系统建成后,可帮助印度军方对印度次大陆的边境地区、地形复杂区域以及印度洋地区进行有效监控,印度军方对该地区的卫星导航也有着较高的依赖。例如,以列城为基地的印度第14军,严重依赖直升机向分散在山谷深处的孤立据点输送兵员和补给,但由于拉达克一锡亚琴冰川一线处于海拔4000米以上的高原,直升机受升限和功率的约束,只能以“蛙跳”方式从一个个前沿起降点接近目标区。2010年,印度在西北边境执行保障任务的“印度豹”直升机迫降在巴基斯坦边境一侧,直升机上有卫星导航设备,里面标有印度第14军在印巴实际控制线附近修筑的所有直升机起降场的地理坐标,印度军方担心该信息泄露,导致战时印军至关重要的前沿补给点遭到巴军炮兵的“定点清除”。因此如果印军地理坐标泄密,新德里在印巴实控线北端的军事优势将大打折扣。该事件从另一个方面也反映出印度军方在北部山区严重依赖卫星导航。此外,IRNSS还可以很快传递有关边界地区好战分子入侵行动的数据,这样印度安全部队就能在恐怖分子进入印度之前准备应对。甚至有人断言,一旦IRNSS于2014年开始服役,恐怖分子的入侵将成为过去。
  随着“印度区域导航卫星系统”发展计划的推进,相信不久的将来,印度将拥有世界上第六套卫星导航系统。但像印度这样一个对核武器和导弹如此痴迷的国家,不知自主的卫星导航系统将其引领到何方?
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