· 文| 北京空間科技信息研究所 劉春保 趙爽

2013年國(guó)外導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展綜述

· 文| 北京空間科技信息研究所 劉春保 趙爽

2013年，全球共進(jìn)行導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射4次，其中美國(guó)1次，成功發(fā)射GPS-2F衛(wèi)星1顆，俄羅斯2次（其中失敗1次，損失衛(wèi)星3顆），成功發(fā)射GLONASS-M衛(wèi)星1顆，印度1次，成功發(fā)射IRNSS衛(wèi)星1顆。截至2013年12月31日，國(guó)外在軌運(yùn)行導(dǎo)航衛(wèi)星68顆，具體見圖1。

>> 圖1 2013年國(guó)外導(dǎo)航衛(wèi)星在軌情況

一、發(fā)展概況

2013年，美國(guó)保持GPS系統(tǒng)的穩(wěn)定與發(fā)展，穩(wěn)步實(shí)施GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化計(jì)劃，服務(wù)性能不斷提升，已經(jīng)具有自主導(dǎo)航、星間鏈路、星上信號(hào)功率可調(diào)等能力。正在發(fā)展高速星間星地鏈路、點(diǎn)波束增強(qiáng)等能力，新一代導(dǎo)航信號(hào)（M碼軍用信號(hào)，L2C、L5民用信號(hào)）計(jì)劃于2017年前投入使用；GPS現(xiàn)代化計(jì)劃將于2025～2030年全面完成，保持全球領(lǐng)先地位。

俄羅斯繼續(xù)實(shí)施《GLONASS系統(tǒng)2012～2020年發(fā)展計(jì)劃》，在保持GLONASS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，積極發(fā)展新一代GLONASS-K衛(wèi)星，持續(xù)開展GLONASS系統(tǒng)地面控制段的改進(jìn)，系統(tǒng)服務(wù)性能得到明顯提升。新一代GLONASS-K衛(wèi)星將增加多個(gè)CDMA導(dǎo)航信號(hào)，并具有射頻與光學(xué)星間鏈路能力支持下的自主導(dǎo)航能力。至2020年，GLONASS系統(tǒng)空間段將擴(kuò)展為30顆、且主要由GLONASS-K衛(wèi)星組成的星座。

歐洲Galileo系統(tǒng)全面運(yùn)行能力建設(shè)已經(jīng)啟動(dòng)，計(jì)劃于2015年左右完成Galileo系統(tǒng)初始運(yùn)行能力建設(shè)，2018年左右完成全面運(yùn)行能力建設(shè)，提供與目前GPS系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)姆?wù)。

印度計(jì)劃于2016年完成7顆衛(wèi)星組成印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（IRNSS）的部署，水平定位精度優(yōu)于20m。日本于2018年完成4顆準(zhǔn)天頂衛(wèi)星組成的初始準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS），即提供GPS增強(qiáng)服務(wù)，又提供自主導(dǎo)航服務(wù)。IRNSS與QZSS系統(tǒng)的發(fā)展使亞洲、太平洋地區(qū)的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈。

二、發(fā)展現(xiàn)狀

1.美國(guó)

截至2013年12月底，GPS系統(tǒng)在軌運(yùn)行衛(wèi)星有32顆，其中31顆提供服務(wù)，還有1顆GPS-2RM處于測(cè)試狀態(tài)，詳見圖2。隨著GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的實(shí)施，GPS系統(tǒng)空間信號(hào)用戶定位誤差已經(jīng)達(dá)到1.6m，是目前定位精度最高的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。

>> 圖2 GPS系統(tǒng)在軌運(yùn)行并提供服務(wù)衛(wèi)星

目前，美國(guó)正在發(fā)展GPS-3衛(wèi)星，并進(jìn)行地面控制段現(xiàn)代化改造。至2025年左右，主要由GPS-3衛(wèi)星和新一代地面控制段（OCX）組成的GPS系統(tǒng)定位精度將達(dá)到0.5m，授時(shí)精度達(dá)到1.2ns，并具有星上信號(hào)功率可調(diào)、高速星間星地鏈路和20dB的點(diǎn)波束增強(qiáng)能力。

2.俄羅斯

截至2013年12月底，GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星28顆，其中24顆衛(wèi)星提供服務(wù)，3顆為備份衛(wèi)星，1顆GLONASS-K1衛(wèi)星處于試驗(yàn)、測(cè)試狀態(tài)。經(jīng)過持續(xù)的改進(jìn)，GLONASS系統(tǒng)服務(wù)性能得到明顯的提升。目前，GLONASS系統(tǒng)空間信號(hào)用戶定位誤差已經(jīng)縮小至2.8m，計(jì)劃于2020年提升至0.6m。

目前，俄羅斯正在研發(fā)GLONASS-K2衛(wèi)星，且已經(jīng)啟動(dòng)了新一代GLONASS-KM衛(wèi)星的研制工作，詳見圖3。自GLONASS-K2衛(wèi)星開始，GLONASS衛(wèi)星將全面擁有射頻 ＋ 光學(xué)星間鏈路，為實(shí)現(xiàn)GLONASS系統(tǒng)的自主導(dǎo)航提供了重要條件。

>> 圖3 GLONASS衛(wèi)星發(fā)展進(jìn)程

歐洲已將首顆Galileo系統(tǒng)工作星（FOC）的發(fā)射推遲到2014年中期，要在2015年底前完成Galileo系統(tǒng)初始運(yùn)行能力的建設(shè)還需完成14顆工作星的發(fā)射、測(cè)試與運(yùn)行工作。而承擔(dān)Galileo工作星研制任務(wù)的德國(guó)OHB公司僅具有成功研制SAR-Lupe（合成孔徑雷達(dá)—放大鏡，由5顆衛(wèi)星組成了德國(guó)軍用雷達(dá)成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)）衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)，與空中空客集團(tuán)（Airbus Group）、泰雷茲-阿萊尼亞公司等歐洲領(lǐng)先的航天企業(yè)相比，其衛(wèi)星的研制、生產(chǎn)、測(cè)試能力尚有一定差距，能否保證全部14顆工作星的按期交付值得關(guān)注。

>> 圖4 Galieo發(fā)展路線圖

3.歐洲

Galileo系統(tǒng)是歐洲獨(dú)立發(fā)展的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)。Galileo系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星分布在3個(gè)中地球軌道（MEO）上，每個(gè)軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。迄今，歐洲已經(jīng)發(fā)射了2顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和4顆在軌組網(wǎng)驗(yàn)證衛(wèi)星，分別為GIOVE-A、GIOVE-B試驗(yàn)衛(wèi)星，以及4顆Galileo-IOV在軌組網(wǎng)驗(yàn)證衛(wèi)星。

目前，Galileo系統(tǒng)只有4顆在軌驗(yàn)證衛(wèi)星在軌工作，執(zhí)行在軌測(cè)試與驗(yàn)證任務(wù)。按計(jì)劃，Galileo系統(tǒng)將于2014～2015年完成初始運(yùn)行能力建設(shè)；2018年完成全面運(yùn)行能力建設(shè)，詳見圖4。

4.日本

QZSS是日本正在研發(fā)與建設(shè)的天基導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，也是日本建設(shè)自主區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的第一步。按最初的設(shè)想，日本區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)將分兩個(gè)階段進(jìn)行:第一階段，建設(shè)由4顆衛(wèi)星組成的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)；第二步，建設(shè)由7顆衛(wèi)星組成的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。

2010年9月11日，日本首顆準(zhǔn)天頂系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射成功，并命名為“指路”。目前，該衛(wèi)星已經(jīng)投入運(yùn)行服務(wù)。QZSS衛(wèi)星主承包商為日本三菱電氣公司，衛(wèi)星采用日本自主研發(fā)的靜止軌道通信衛(wèi)星平臺(tái)DS2000，衛(wèi)星質(zhì)量4100kg，設(shè)計(jì)壽命10年。

準(zhǔn)天頂系統(tǒng)部署完成并投入使用后，將極大地改善日本衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的可見性，特別是改善城市峽谷效應(yīng)，提高導(dǎo)航信號(hào)的可用性，滿足日本日益增長(zhǎng)的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)需求。

5.印度

印度IRNSS導(dǎo)航系統(tǒng)由3顆位于地球同步軌道、4顆位于地球傾斜同步軌道的衛(wèi)星和地面控制段、用戶段組成，預(yù)計(jì)投資160億盧比（約合3.5億美元），覆蓋印度及周邊1500km以內(nèi)區(qū)域，提供優(yōu)于20m的定位精度。首顆IRNSS衛(wèi)星已于2013年7月1日發(fā)射。

IRNSS衛(wèi)星采用與印度氣象衛(wèi)星Kalpana-1相似的平臺(tái)，質(zhì)量約為1370kg，太陽(yáng)電池總功率1600W。有效載荷包括2個(gè)40W的固態(tài)功率放大器、時(shí)鐘管理與控制單元、頻率發(fā)生與調(diào)制單元、導(dǎo)航處理器、信號(hào)發(fā)生器和原子鐘等。導(dǎo)航頻段選用S頻段（2492.08MHz）和L頻段（L5，1176.45MHz）。

印度IRNSS系統(tǒng)有效載荷大多從國(guó)外采購(gòu)，如衛(wèi)星使用與伽利略系統(tǒng)相同的銣原子鐘，從瑞士采購(gòu)。按計(jì)劃，印度將于2016年完成IRNSS系統(tǒng)的部署，并投入全面運(yùn)行，為印度和周邊地區(qū)提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。有消息稱，在完成IRNSS系統(tǒng)的部署后，印度計(jì)劃以IRNSS系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展由18顆衛(wèi)星組成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

三、發(fā)展趨勢(shì)

1.導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)從GPS系統(tǒng)一家獨(dú)大到多系統(tǒng)共存

隨著GLONASS系統(tǒng)的恢復(fù)，北斗系統(tǒng)區(qū)域服務(wù)的正式運(yùn)行，兩個(gè)系統(tǒng)展現(xiàn)出相當(dāng)?shù)幕盍褪袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。許多知名的導(dǎo)航芯片、OEM與整機(jī)設(shè)備制造商競(jìng)相開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，俄羅斯與中國(guó)政府也非常重視GLONASS和北斗用戶設(shè)備的研發(fā)， GPS系統(tǒng)“一家獨(dú)大”的局面正在發(fā)生改變。至2020年，隨著Galileo系統(tǒng)、北斗全球系統(tǒng)將部署完成，全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)GPS、GLONASS、Galileo與北斗四大系統(tǒng)并在的局面，在為衛(wèi)星導(dǎo)航用戶提供更多選擇的同時(shí)，“一家獨(dú)大”的局面也將發(fā)生重大改變，多系統(tǒng)共存將使更多的用戶受益。

2.PNT體系或?qū)⒊蔀槎ㄎ粚?dǎo)航與授時(shí)問題的最終解決方案

可提供全天時(shí)、全天候高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，使全球PNT服務(wù)產(chǎn)生了革命性的變化，成為最重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。然而，固有的脆弱性和局限性決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不可能解決全部定位、導(dǎo)航與授時(shí)問題，不可能滿足全部PNT需求，特別是強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件下軍事行動(dòng)的PNT需求。

為了解決單一導(dǎo)航系統(tǒng)的不足，美國(guó)首先提出了國(guó)家PNT體系概念。集成、融合各種可用PNT資源，靈活組合，互為冗余，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的國(guó)家PNT體系，能夠彌補(bǔ)單一系統(tǒng)能力的缺陷與不足，從而提供具有更高可用性、完好性、穩(wěn)健性和可維持性的高精度PNT能力與服務(wù)。可以預(yù)見，PNT體系將是未來(lái)解決軍事與民用PNT問題的最終解決方案。

3.X射線脈沖星導(dǎo)航將成為解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)期自主導(dǎo)航問題的關(guān)鍵技術(shù)

X射線脈沖星可以為地球軌道、深空探測(cè)和星際飛行航天器提供絕對(duì)的時(shí)間與空間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)航天器的高精度自主導(dǎo)航，在深空探測(cè)和星際飛行中具有不可替代的作用，應(yīng)用前景廣闊。同時(shí)，X射線脈沖星與探測(cè)技術(shù)研究即是X射線脈沖星導(dǎo)航研究的重要基礎(chǔ)，也是天體物理學(xué)、空間高能物理學(xué)的重要研究領(lǐng)域，X射線脈沖星導(dǎo)航研究將促進(jìn)上述領(lǐng)域的研究與發(fā)展。

4.對(duì)抗環(huán)境下的衛(wèi)星導(dǎo)航能力成為發(fā)展重點(diǎn)

制信息權(quán)、制電磁權(quán)的爭(zhēng)奪是未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要特征，定位導(dǎo)航與授時(shí)信息的播發(fā)、傳播與獲取將成為重要的焦點(diǎn)。因此，對(duì)抗條件下提供定位導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的能力將成為未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)。目前，美國(guó)GPS系統(tǒng)已經(jīng)擁有抗干擾能力更強(qiáng)的軍用M碼、自主導(dǎo)航和星上信號(hào)功率可調(diào)等導(dǎo)航戰(zhàn)能力，正在發(fā)展新一代高速星間星地鏈路、點(diǎn)波束等導(dǎo)航戰(zhàn)能力；俄羅斯正在發(fā)展星間鏈路和自主導(dǎo)航能力。強(qiáng)對(duì)抗條件下的定位導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)能力已經(jīng)成為未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)。

5.小型化、低成本是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)維持、發(fā)展的重要保障

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)空間段一般由約30顆在軌運(yùn)行的衛(wèi)星組成，隨著衛(wèi)星性能的提升、功能的增加，導(dǎo)航衛(wèi)星的研發(fā)、生產(chǎn)成本不斷增長(zhǎng)，再加上地面控制段的研發(fā)與部署成本，以及系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用，使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的維持、運(yùn)行與發(fā)展成本不斷攀升，已經(jīng)成為限制或制約衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。截至2012年，GPS系統(tǒng)的總投入已經(jīng)達(dá)到360億美元。按目前的計(jì)劃，2013至2030年，僅GPS星座的維持與發(fā)展就需投入約250億美元。

高昂的投入已經(jīng)成為制約衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的重要因素?？梢灶A(yù)見，小型化、低成本、長(zhǎng)壽命、高可靠將成為未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。