2012年全球衛(wèi)星導航領域發(fā)生了幾件值得一提的大事，包括美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）現(xiàn)代化計劃已進入到關鍵時期、俄羅斯批準了“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）2012－2020年發(fā)展規(guī)劃，投資總額高達3465.9529億盧布（約合120億美元）；歐洲完成“伽利略”（Galileo）在軌組網(wǎng)驗證系統(tǒng)的部署，并將完成初始運行能力部署的時間提前至2014年；日本政府批準了“準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）2020年前的發(fā)展計劃，預計投資34億美元，部署由3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和1顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星組成的QZSS。

1 美國GPS

截至2013年1月31日，美國GPS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星31顆，包括GPS－2A衛(wèi)星9顆，GPS－2R衛(wèi)星12顆，GPS－2RM衛(wèi)星7顆，GPS－2F衛(wèi)星3顆。在31顆在軌的衛(wèi)星中有21顆衛(wèi)星（9顆GPS－2A、12顆GPS－2R衛(wèi)星）處于超壽命運行狀態(tài)。目前，美國正加緊GPS－3衛(wèi)星的研制工作。

GPS－3衛(wèi)星研制進展

GPS－3是美國GPS現(xiàn)代化計劃的最后一步，分為3個階段，按衛(wèi)星型號可分為GPS－3A、3B和3C，共包括8顆GPS－3A、8顆GPS－3B、16顆GPS－3C。2008年5月洛馬公司獲得研制GPS－3A的合同，而GPS－3B和3C衛(wèi)星的合同則將分別于2013年和2015年授出。

2012年，GPS－3A衛(wèi)星的研制取得了重要進展。2012年8月，國際電話電報公司（ITT）宣布GPS－3非飛行衛(wèi)星測試臺（GNST）導航載荷測試階段已接近尾聲。GNST是GPS－3衛(wèi)星的全尺寸樣機，可以在衛(wèi)星集成和測試前發(fā)現(xiàn)并解決相關問題，從而減少衛(wèi)星研制風險，改善項目的可預見性，保證任務按期完成，降低整體費用。與此同時，ITT公司也在進行GNST任務數(shù)據(jù)單元的熱真空測試，隨后被集成到GNST導航載荷面板上。

GPS－2F衛(wèi)星

2012年11月，洛馬公司完成了GPS－3衛(wèi)星有效載荷單元（NPE）的熱真空試驗，這是導航有效載荷諸多環(huán)境測試試驗的里程碑項目之一。測試完成后，GPS－3衛(wèi)星的NPE將與GNST進行集成，進行最后的衛(wèi)星整體測試。最后，GNST將交付佛羅里達州的卡納維拉爾角空軍基地，用于對衛(wèi)星進行發(fā)射前的最后測試。

GPS－3A衛(wèi)星采用洛馬公司的A2100M平臺，模塊化設計，三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，設計壽命15年。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量3883.06kg，入軌質(zhì)量2271.36kg，衛(wèi)星尺寸為246.38cm×177.8cm×340.36cm，衛(wèi)星軌道確定精度1m。GPS－3A衛(wèi)星太陽電池翼面積達到28.5m2，壽命末期功率為4480W，星上采用鎳氫電池。衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)包括地球敏感器、太陽敏感器、反作用輪和磁力矩器等。星上推進系統(tǒng)包括1臺450N的遠地點發(fā)動機、12臺0.9N和6臺22.25N的推力器，攜帶燃料2351.7kg，用于衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制。

GPS－3A衛(wèi)星主要有效載荷包括：任務數(shù)據(jù)單元、3臺銣原子鐘、6臺導航信號發(fā)射器、射頻多路調(diào)制設備和天線等。與目前的GPS衛(wèi)星相比，GPS－3衛(wèi)星信號發(fā)射功率將增加3倍（點波束增強除外），抗干擾能力更強。

2012年8月，洛馬公司與雷聲公司共同完成了GPS－3衛(wèi)星的首次發(fā)射準備試驗，這是成功發(fā)射首顆GPS－3衛(wèi)星的重要保證。2012年1月，這兩家公司在洛馬公司賓西法尼亞工廠和雷聲公司科羅拉多工廠之間建立了安全的通信鏈路。技術人員可利用該鏈路傳輸GPS－3衛(wèi)星和運行控制系統(tǒng)的信息，使雙方可以在項目的初期發(fā)現(xiàn)并解決項目集成中的問題，降低風險，節(jié)約資金。雷聲公司還可在衛(wèi)星研制過程進行新一代運行控制段（OCX）的測試，而不必依賴GPS－3的模擬衛(wèi)星。此次飛行準備試驗歷時3天，試驗了衛(wèi)星指揮控制的基本功能，測試了軟、硬件接口，驗證了發(fā)射和早期入軌階段衛(wèi)星通信必需的基本控制程序。

目前，美國空軍已經(jīng)與洛馬公司簽訂了4顆GPS－3A衛(wèi)星的采購合同。預計，GPS－3A衛(wèi)星的首套導航有效載荷已于2013年2月完成生產(chǎn)，之后將交付給洛馬公司。然而，由于OCX建設的拖延，首顆GPS－3A衛(wèi)星的發(fā)射時間已經(jīng)推遲到2015年。

在洛馬公司緊鑼密鼓地進行GPS-3衛(wèi)星研制的同時，波音公司也在抓緊GPS－2F衛(wèi)星的生產(chǎn)。2012年6月，波音公司完成了第6顆GPS－2F衛(wèi)星的生產(chǎn)，使處于存儲狀態(tài)的GPS－2F衛(wèi)星達到3顆。波音公司共獲得了12顆GPS－2F衛(wèi)星的采購合同，其中前3顆為成本補償合同，后9顆為固定成本合同。按計劃，波音公司將于2013年5月完成全部12顆GPS－2F衛(wèi)星的生產(chǎn)。

OCX

GPS系統(tǒng)地面控制段的現(xiàn)代化是GPS現(xiàn)代化計劃的重要組成部分，其目標是滿足GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化不斷提高的控制與運行要求。GPS系統(tǒng)地面段現(xiàn)代化分為3個階段：精度改善活動（L-AII）、體系演進計劃（AEP）和OCX。

2012年6月，雷聲公司完成了GPS OCX軟件1.4版本的關鍵設計評審。2012年11月美國空軍航天與導航系統(tǒng)中心宣布，國防部長辦公室已經(jīng)批準了OCX項目通過里程碑節(jié)點B審查，正式進入工程和生產(chǎn)研制階段。該OCX軟件Block I部分包含7個增量，能夠對現(xiàn)有GPS星座在軌衛(wèi)星進行控制；Block II部分包含2個增量，主要用于對GPS－3衛(wèi)星進行控制，并擁有很多新的能力。OCX軟件的1.4版本將提供GPS－3衛(wèi)星的初始指揮控制能力，這是保證GPS－3衛(wèi)星前3次發(fā)射所必需的。目前，GPS OCX軟件1.5版本的研發(fā)工作已經(jīng)啟動，將實現(xiàn)GPS－3衛(wèi)星的早期指揮控制能力，即發(fā)射和校驗系統(tǒng)（LCS）能力。

2012年1月，美國空軍授予洛馬公司一份價值2150萬美元的合同，用于提供發(fā)射與測試能力（LCC），為GPS－3衛(wèi)星的發(fā)射到早期在軌測試提供指揮和控制。未來，該能力將集成到OCX中，以保證GPS－3衛(wèi)星的發(fā)射。合同內(nèi)容包括在衛(wèi)星移交給空軍航天司令部之前，與OCX一起完成衛(wèi)星發(fā)射、早期在軌運行和測試等任務，以及衛(wèi)星運控人員的培訓等。

最遲將于2016年12月準備完畢的OCX系統(tǒng)在設計時并沒有考慮GPS－2A衛(wèi)星的控制需求，而到2017年仍有6顆GPS－2A衛(wèi)星在軌，因此，如何解決GPS－2A衛(wèi)星的運行控制問題尚未最終確定。目前可能性較大的方案是由美國空軍向布拉克斯頓（Braxton）技術公司提供資金，由該公司實施GPS－2A衛(wèi)星的控制。

2 俄羅斯GLONASS

2012年是GLONASS系統(tǒng)恢復運行的第1年，截至2013年1月31日，GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星29顆，包括28顆GLONASS－M衛(wèi)星和1顆GLONASS－K1衛(wèi)星，其中，23顆衛(wèi)星提供服務，1顆處于測試狀態(tài)，2顆備份，3顆處于維護狀態(tài)。

GLONASS－K衛(wèi)星

2012年3月3日，俄羅斯政府批準了《GLONASS系統(tǒng)2012－2020年維護、發(fā)展以及應用計劃》，總投資高達3465億盧布（約120億美元）。其中，2851.57億盧布用于GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展與維護，并明確了用于支持應用、地圖制作與更新及接收、處理芯片與模塊發(fā)展的資金。GLONASS系統(tǒng)的更新、升級與發(fā)展是該計劃的重點，投入2851.57億盧布。

按計劃，在2012－2020年間，俄羅斯將發(fā)射35顆GLONASS衛(wèi)星，其中GLONASS－M衛(wèi)星13顆，GLONASS－K衛(wèi)星22顆，基本實現(xiàn)利用GLONASS－K衛(wèi)星進行星座更新的目標。同時，在GLONASS系統(tǒng)地面控制段現(xiàn)代化改造的基礎上，將擴展GLONASS系統(tǒng)地面測量站網(wǎng)絡，包括在俄羅斯境外建設地面測量站和差分站，特別是增強GLONASS系統(tǒng)對南半球的服務能力，提升GLONASS系統(tǒng)在民用市場的競爭能力。

加大應用領域的投資力度是《GLONASS系統(tǒng)2012－2020年維護、發(fā)展以及應用計劃》的又一重點，包括民用、特殊應用、地面制作與更新、處理芯片與模塊等，共計投入約413億盧布。2015年，俄羅斯將完成6種新型GLONASS芯片的開發(fā)，至2020年，俄羅斯國防部將擁有43種GLONASS導航應用產(chǎn)品，俄羅斯內(nèi)政部等部門也將發(fā)展56種GLONASS導航應用產(chǎn)品。目前，意法半導體（ST）公司、高通公司等已經(jīng)完成了可處理GLONASS系統(tǒng)信號的導航芯片的開發(fā)；三星、索尼等公司也推出了支持GPS、GLONASS系統(tǒng)的雙模導航手機，GLONASS系統(tǒng)應用正在走向國際市場。

Galileo-IOV衛(wèi)星相關參數(shù)

3 歐洲Galileo

“Galileo-在軌驗證”系統(tǒng)完成部署

2012年10月12日，歐洲完成2顆“Galileo-在軌驗證”（Galileo-IOV）衛(wèi)星的發(fā)射，實現(xiàn)了由4顆Galileo-IOV在軌組網(wǎng)驗證階段星座的部署。截至2013年3月，歐洲已發(fā)射Galileo衛(wèi)星6顆，包括2顆試驗衛(wèi)星GIOVE和4顆Galileo-IOV衛(wèi)星。

Galileo在軌驗證系統(tǒng)由空間段、地面控制段、地面任務段及相關用戶設備或系統(tǒng)組成，空間段包括2個軌道面上的4顆衛(wèi)星組成，每個軌道面2顆衛(wèi)星，軌道高度23222km，軌道傾角56°，兩個軌道面的夾角120°。Galileo-IOV衛(wèi)星的主承包商為阿斯特留姆德國公司，意大利泰雷茲-阿萊尼亞公司負責衛(wèi)星的總裝與集成；德國航天局與意大利空間電信公司合作成立的Spaceopal公司負責系統(tǒng)的運行管理；地面支持活動由意大利泰雷茲-阿萊尼亞公司負責；地面控制段由阿斯特留姆英國公司負責；測試用戶段由泰雷茲航空電子公司（法國）和比利時斯普特公司負責；全球網(wǎng)絡由英國電信公司負責。

Galileo-IOV衛(wèi)星采用經(jīng)改進的“海神”（PROTEUS）小衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星質(zhì)量700kg，功率1600W，主要有效載荷包括2臺氫鐘、1臺銣鐘、時鐘監(jiān)測與控制單元、導航信號發(fā)生單元、L頻段天線等。

Galileo衛(wèi)星示意圖

歐洲已發(fā)射的6顆Galileo衛(wèi)星在軌示意圖

Galileo在軌驗證系統(tǒng)地面段由地面任務站、地面控制站，以及跟蹤與遙測站、上行站、敏感器站和數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡組成。地面任務站位于意大利的富奇諾（Fucino），地面控制站位于德國的奧珀法芬霍芬（Oberpfaffenhofen），2個跟蹤與遙測站分別位于瑞典的基律納（Kiruna）和法屬圭亞那的庫魯，上行站和敏感器站網(wǎng)絡和連接所有Galileo系統(tǒng)地面設施的數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡。地面任務站和地面控制站將成為未來Galileo系統(tǒng)的2個主控中心，互為備份，以保證Galileo系統(tǒng)的安全運行。

歐洲調(diào)整Galileo系統(tǒng)發(fā)展計劃

2012年11月，在北京召開的第7屆全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)國際委員會（ICG）大會上，歐洲提交了新的Galileo系統(tǒng)發(fā)展報告，將完成Galileo初始運行能力建設的時間從2016年調(diào)整為2014年，也就是說，OHB公司與薩瑞公司必須在不足2年（考慮發(fā)射與發(fā)射前準備所需時間）的時間內(nèi)，完成首批14顆Galileo衛(wèi)星的生產(chǎn)、測試與發(fā)射準備任務。不論出于何種原因，此次伽利略系統(tǒng)初始運行能力建設時間的調(diào)整的力度、影響都是非常巨大的。

首先，對未來全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展格局將產(chǎn)生巨大影響。目前，我國“北斗”系統(tǒng)已經(jīng)完成區(qū)域階段的建設，全球階段的部署即將展開。如果Galileo系統(tǒng)能夠在2014年完成初始運行能力建設，則將改變其落后于“北斗”系統(tǒng)的狀態(tài)，從而對未來全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的格局產(chǎn)生巨大影響。其次，Galileo工作星的研制、生產(chǎn)與測試任務將更加繁重。因此，OHB公司與薩瑞公司的衛(wèi)星生產(chǎn)、總裝與測試能力將面臨更為嚴峻的挑戰(zhàn)；也將成為決定歐洲能否2014年完成Galileo系統(tǒng)初始運行能力建設的關鍵。同時，Galileo系統(tǒng)的發(fā)展也為OHB公司、乃至德國發(fā)展、壯大自己，提升其在歐洲航天領域地位的絕佳機會。

Galileo系統(tǒng)是歐盟的航天計劃中優(yōu)先等級最高的項目。美國加利福尼亞大學微系統(tǒng)實驗室主任Addrei M. Shkel曾在2011年撰文指出“至少1000年內(nèi)，導航與精密授時能力將一直是衡量國家軍事與經(jīng)濟實力的一個重要因素”。因此，雖然Galileo系統(tǒng)的發(fā)展幾經(jīng)坎坷，如2007年的特許經(jīng)營權談判破裂、2011年Galileo系統(tǒng)中期評估中涉及的巨大資金缺口問題都不能動搖歐洲建立與發(fā)展獨立的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的決心。

4 日本QZSS

2010年9月11日，日本首顆QZSS衛(wèi)星發(fā)射成功，并命名為“指路”（MICHIBIKI）。1年多的測試與運行表明，QZSS衛(wèi)星的有效地提高了日本衛(wèi)星導航服務的能力，如可用性從只有GPS時的90%，提高至99.8%；2011年2月19日6：00－12：30的測試表明，在QZSS的支持下，城市區(qū)域DGPS服務的可用性從39.5%提高至69.1%；利用QZSS的L1-SAIF信號，水平定位誤差從1.56m降低至0.46m，垂直定位誤差從3.85m降低至0.57m。

2012年9月21日，日本政府批準了由1顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星及其地面控制段組成的QZSS建設計劃，投資總額約34億美元，計劃于2018年前完成部署，并投入運行。最終，QZSS空間段可能擴展至由7顆衛(wèi)星組成的星座。

5 結束語

未來10年將是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的關鍵10年。2020年，GPS現(xiàn)代化進入最后階段，系統(tǒng)星座將主要由GPS－3衛(wèi)星構成，導航戰(zhàn)與抗干擾能力顯著增強，并提供更高精度、完好性、可用性的民用服務；GLONASS現(xiàn)代化計劃基本完成，具有與GPS系統(tǒng)相當?shù)拿裼脤Ш椒招阅埽籊alileo與“北斗”全球系統(tǒng)完成部署，全面投入運行；日本QZSS、“印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）的建設也將完成；全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)進入多系統(tǒng)共存的時代，性能與服務的競爭將成為導航衛(wèi)星系統(tǒng)生存、發(fā)展的主線，民用用戶將成為這種競爭的最大受益者。

日本QZSS衛(wèi)星