徐菁（北京空間科技信息研究所）

2014年，美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）、俄羅斯“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）和“印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）均有新的衛(wèi)星發(fā)射。中國正在加緊研制“北斗”衛(wèi)星，將于2015年進行全球系統(tǒng)衛(wèi)星的首次發(fā)射。歐洲“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)建設遭遇重大挫折，或將無法按期完成星座組網。

1 GPS系統(tǒng)現代化進程受阻

截至2014年年底，美國GPS星座有32顆衛(wèi)星在軌，其中工作星31顆，分別是GPS－2A衛(wèi)星4顆、GPS－2R衛(wèi)星12顆、GPS－2RM衛(wèi)星7顆、GPS－2F衛(wèi)星8顆。

GPS－2F衛(wèi)星持續(xù)補網

2014年，美國成功發(fā)射4顆GPS－2F衛(wèi)星，加快了GPS星座的更新步伐，按計劃將在2016年前完成全部12顆GPS－2F衛(wèi)星的發(fā)射。該型號衛(wèi)星由波音公司研制，質量為1.63t，設計壽命12年，提供更高的精度和抗干擾能力。

同時，美國也在研究增強GPS抗干擾能力的辦法。據報道，雷神公司即將推出新的增強版戰(zhàn)場GPS抗干擾系統(tǒng)—“陸地盾”（Landshield）。該系統(tǒng)將為GPS的L1和L2頻段同時提供最完整、最先進的抗干擾能力。低成本、高效GPS干擾器可顯著降低依賴GPS信號進行定位、導航與授時（PNT）的軍事系統(tǒng)的精度與能力，而“陸地盾”系統(tǒng)可以集成到近40%的美國陸軍地面戰(zhàn)車之中，還能夠保證戰(zhàn)斗直升機在旋翼狀態(tài)下正常運行，具備絕佳的尺寸、質量和功率特性。

美國GPS－2F衛(wèi)星總裝

GPS－3計劃面臨更多延遲

目前，美國空軍放緩G P S－3衛(wèi)星的研制進度。按照最初的計劃，2014年和2015年每年購買2顆GPS－3衛(wèi)星，并在此之后的3年中每年購買3顆GPS－3衛(wèi)星。但是根據現在的采購計劃，2014年和2015年的衛(wèi)星采購數量降低到每年1顆。首顆GPS－3衛(wèi)星的交付時間也推遲到2016財年。

美國空軍航天計劃主管羅伯特·麥克默里少將稱，我們正面臨很大的預算壓力，因此決定降低采購速度，在仍然滿足在軌星座需求的同時，節(jié)省資金用于未來的國防計劃。

隨著GPS衛(wèi)星補網速率降低，美國空軍還會相應削減用于推動開發(fā)具備“雙星”發(fā)射能力的運載器的資金。

與現役GPS衛(wèi)星相比，GPS－3衛(wèi)星精度更高、抗干擾能力更強且壽命更長，同時還可提供額外的能力，將增加一個新的民用信號。至今，洛馬公司已經簽訂了制造8顆GPS－3衛(wèi)星的合同。目前，GPS－3的非飛行衛(wèi)星已經與未來的運行控制系統(tǒng)進行了多次聯合測試。

尋求其他導航方式

由于電子干擾、電磁脈沖武器或者地形等因素的影響，GPS系統(tǒng)的服務性能可能降低或者無效。2014年6月12日，美國國防高級研究計劃局（DARPA）向工業(yè)界發(fā)布新的項目公告，即對抗環(huán)境下的空間、時間和方向信息（STOIC）。該項目將研發(fā)與GPS系統(tǒng)性能相當的軍用PNT技術，而且不依賴于GPS系統(tǒng)運行，目標是為作戰(zhàn)人員提供在對抗環(huán)境下類似GPS系統(tǒng)的PNT能力。為此，研究人員必須結合遠距離參考信號、超穩(wěn)定戰(zhàn)術鐘，以及可在用戶之間共享PNT信息的多功能系統(tǒng)。

在美國DARPA評出的2013年度十項重大研究中，微型導航系統(tǒng)位列其中。微型導航系統(tǒng)是一種在GPS系統(tǒng)暫時失效情況下的補救措施，該局的研究人員在“定位、導航與授時微型技術”（Micro-P N T）項目下研發(fā)的“授時與慣性測量裝置”（TIMU），能在短時間內無需依賴GPS系統(tǒng)便可在全球范圍內進行導航。該微型導航系統(tǒng)尺寸比1美分硬幣還小，系統(tǒng)包括一個6軸慣性測量裝置（3個陀螺儀和3個加速計），并集成了高精度的主時鐘。

此外，美國在嵌入式全球定位/慣性導航系統(tǒng)（EGI）、天文導航及增強型羅蘭系統(tǒng)研究方面也有一定進展。

2 GLONASS系統(tǒng)建設穩(wěn)步推進

自2011年G L O N A S S系統(tǒng)恢復滿星座運行以來，俄羅斯每年都持續(xù)發(fā)射新的GLONASS衛(wèi)星，以保證系統(tǒng)服務和全球覆蓋。到2014年年底，GLONASS系統(tǒng)共有29顆衛(wèi)星，其中24顆衛(wèi)星在軌工作，2顆GLONASS－K1衛(wèi)星仍處于飛行測試階段。

2014年發(fā)射3顆衛(wèi)星

2014年3月24日，一顆GLONASS－M衛(wèi)星從普列謝茨克航天發(fā)射場由“聯盟”運載火箭發(fā)射升空，這是2014年發(fā)射的第一顆GLONASS衛(wèi)星。6月15日，另一顆GLONASS－M衛(wèi)星成功進入預定軌道。

2014年12月1日，“聯盟”火箭成功將第二顆G L O N A S S－K 1衛(wèi)星送入軌道，俄羅斯曾于2011年2月26日發(fā)射了首顆GLONASS－K1衛(wèi)星。GLONASS－K1衛(wèi)星采用快訊－1000A（Express－1000A）平臺，發(fā)射質量935kg，功率1270kW，設計壽命10年，在L1、L2、L3頻段播發(fā)導航信號，并擁有搜索救援功能。此次發(fā)射的GLONASS－K1衛(wèi)星運行在近地點19279km、遠地點19715km、傾角64.8°的中地球軌道。該衛(wèi)星的研制和組網發(fā)射是GLONASS系統(tǒng)現代化的一部分，該系統(tǒng)現代化主要包括衛(wèi)星性能提升及補網計劃、衛(wèi)星信號頻率改進計劃、時空參考系精化計劃，以及廣域、局域增強系統(tǒng)建設計劃等。

測試中的俄羅斯GLONASS－K1衛(wèi)星

試圖提高GLONASS系統(tǒng)性能

盡管GLONASS系統(tǒng)已恢復運行，但仍不斷出現故障。2014年4月2日，該系統(tǒng)突然出現服務中斷十幾個小時的事故。據可靠分析，此次故障可能歸咎于系統(tǒng)故障及軟件升級故障，影響范圍較廣，尤其是專業(yè)應用領域，如農場的自動化拖拉機、采礦和重工業(yè)中的設備控制和機器人、國家基礎設施領域勘測人員和跨國工業(yè)等，這次事件突顯出衛(wèi)星導航系統(tǒng)的脆弱性。為了保證GLONASS衛(wèi)星信號的連續(xù)可用性，提高系統(tǒng)完好性和導航定位精度，俄羅斯政府采取了各種措施。

據“俄羅斯之聲”報道，俄羅斯已計劃在世界上36個國家建設50個GLONASS地面站，提升GLONASS系統(tǒng)的競爭力。目前，俄羅斯境內有19個GLONASS差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）站，在境外擁有4個站（3個在南極、1個在巴西）。此前，俄羅斯請求在美國建設8個地面站的計劃被美國國防部（DoD）以“危害國家安全”為由拒絕，而美國卻已在俄羅斯境內設立19個GPS地面站。俄羅斯已確定在中國部署3個差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)站，在哈薩克斯坦部署2個，在白俄羅斯部署1個，并與古巴、西班牙、越南和尼加拉瓜已達成建設地面站的協(xié)議，與印尼、澳大利亞等國正在進行相關談判。

欲加強與中國在衛(wèi)星導航領域的合作

2014年6月6日，在新西伯利亞市舉行的第二屆國際技術發(fā)展論壇上，俄羅斯副總理羅戈津表示，中俄導航系統(tǒng)合作前景廣闊。他十分看好中國“北斗”和GLONASS系統(tǒng)間合作的前景和未來成就，認為這將顯著提高衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能，使雙方的衛(wèi)星導航系統(tǒng)在規(guī)模、競爭力方面將有顯著提升，并拓寬其潛力。

俄羅斯聯邦航天局（Roskosmos）副局長謝爾蓋·薩韋利耶夫也曾表示，在俄羅斯境內將建設3個中國“北斗”系統(tǒng)地面站，而在中國境內將建3個GLONASS系統(tǒng)地面站。未來兩國建設地面站的數量可能還會進一步增加。據稱，這3個GLONASS差分校正和監(jiān)測站已在中國于2014年12月開建。

3 “伽利略”系統(tǒng)或將無法按計劃完成組網

2014年8月22日，2顆歐洲“伽利略-全面運行能力”（Galileo-FOC）衛(wèi)星搭載聯盟－ST運載火箭發(fā)射升空，但卻未能進入預定軌道。根據10月8日發(fā)表的事故調查報告顯示，聯盟－ST火箭頂端的弗雷蓋特上面級存在設計缺陷，是造成這2顆衛(wèi)星未能進入預定軌道的根本原因。此次發(fā)射的衛(wèi)星是“伽利略”系統(tǒng)頭2顆工作衛(wèi)星，也是該系統(tǒng)發(fā)射的第5和第6顆衛(wèi)星。此前，由于技術等方面的原因，這2顆衛(wèi)星的發(fā)射時間已經被推遲了1年多，而現在又出現發(fā)射事故，這將導致“伽利略”系統(tǒng)建設進度再次推遲。

歐洲“伽利略”衛(wèi)星導航星座示意圖

根據歐洲航天局的（ESA）通報，盡管這2顆衛(wèi)星未能進入目標軌道，但其設在德國達姆施塔特的控制中心確保衛(wèi)星處于控制之下。歐盟委員會稱將與ESA密切合作，盡可能保證這2顆衛(wèi)星能夠作為“伽利略”導航系統(tǒng)的一部分發(fā)揮作用。

到2014年年底，“伽利略”系統(tǒng)仍只有4顆試驗衛(wèi)星在軌運行（分別于2011年10月和2012年10月各發(fā)射2顆衛(wèi)星）。當該系統(tǒng)有18顆衛(wèi)星在軌運行時，就能夠為用戶提供初始導航服務，但最終將形成由27顆工作衛(wèi)星和3顆備份星組成的完整星座，為用戶提供全方位的服務。

從目前情況看，“伽利略”系統(tǒng)在2018年完成全星座構建的計劃似乎已無望。但是，為了加快部署“伽利略”系統(tǒng)，ESA還是決定從2015年開始陸續(xù)發(fā)射已訂購的剩下20顆“伽利略”衛(wèi)星。其中，12顆衛(wèi)星由3枚阿里安－5ES火箭以“一箭四星”的方式發(fā)射，8顆衛(wèi)星由4枚“聯盟”火箭以“一箭雙星”的方式發(fā)射。

4 中國不斷深化“北斗”應用，并擴大國際化合作

中國在2012年底完成區(qū)域組網后，著力“北斗”系統(tǒng)應用推廣，并與多個國家開展衛(wèi)星導航領域的國際合作。同時，正在建設“北斗”全球系統(tǒng)，預計將于2015年開始實施“北斗”全球系統(tǒng)的組網任務。

“北斗”國際化取得新突破

2014年11月，國際海事組織海上安全委員會第94次會議審議通過了對“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)認可的航行安全通函，這標志著“北斗”正式成為全球無線電導航系統(tǒng)的組成部分，取得面向海事應用的國際合法地位。這是“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)標準首次獲得國際組織的系統(tǒng)認可。這次認可是“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際標準工作的重要里程碑，將為全面推動“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)海事國際應用和建成“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)海事國際標準化體系奠定良好的基礎。

我國未來的“北斗”全球導航衛(wèi)星星座示意圖

我國作為國際海事組織A類理事國，此次完成國際海事組織對“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的認可，使“北斗”成為繼GPS、GLONASS后第3個服務世界航海用戶的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這必將帶動“北斗”在航海領域的國際化、產業(yè)化。

我國將繼續(xù)全面推進國際電工委員會、國際航標組織、國際海事無線電技術委員會、國際電信聯盟等國際技術組織的標準、規(guī)范、指南文件的制定和修訂，以實現“北斗”系統(tǒng)進一步在國際海事領域的全方位應用。

“北斗”系統(tǒng)應用進一步深化

我國各級相關政策的出臺促進了“北斗”衛(wèi)星導航產業(yè)發(fā)展，使“北斗”應用進一步深化。2014年1月30日，國務院辦公廳發(fā)布《關于促進地理信息產業(yè)發(fā)展的意見》指出，國家將用5～10年時間，使地理信息產業(yè)形成成熟產業(yè)鏈，產業(yè)國際競爭力顯著提高。該意見特別強調發(fā)展地理信息與導航定位融合服務，結合“北斗”衛(wèi)星導航產業(yè)的發(fā)展，提升導航電子地圖、互聯網地圖等基于位置的服務能力，積極發(fā)展推動國民經濟建設和方便群眾日常生活的移動位置服務產品，培育新的經濟增長點。2014年3月6日，國家測繪地理信息局為加快“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)在大眾領域的推廣應用和產業(yè)化發(fā)展，維護國家安全和利益，在系統(tǒng)內下發(fā)了《國家測繪地理信息局關于“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)推廣應用的若干意見》，強調要著力加強“北斗”推廣應用的統(tǒng)籌協(xié)調，著力加快“北斗”地面基礎設施建設，著力加強“北斗”應用科技創(chuàng)新，著力支持“北斗”相關企業(yè)發(fā)展，著力推動“北斗”行業(yè)應用，著力優(yōu)化“北斗”應用市場環(huán)境，通過6個“著力”加快“北斗”系統(tǒng)推廣應用。

在政策的推動下，“北斗”地基增強系統(tǒng)工程開始建設，“北斗”長三角示范工程取得階段性成果，“北斗”陜西示范項目、“北斗”海上搜救信息系統(tǒng)示范工程等紛紛啟動。

“北斗”國際化合作逐步擴大

“北斗”系統(tǒng)區(qū)域服務能力形成后，給亞太地區(qū)帶來了更多的導航衛(wèi)星資源，與其他系統(tǒng)兼容使用，可提供更加可靠穩(wěn)定的服務。“北斗”系統(tǒng)已與部分亞太地區(qū)國家建立了衛(wèi)星導航領域合作機制，并成功舉辦“北斗亞太行”、“北斗東盟行”等活動，為推廣多系統(tǒng)應用、服務亞太國家做出貢獻。我國與巴基斯坦、泰國、印尼等部分亞太國家建立了衛(wèi)星導航領域合作機制，在精細農業(yè)、防災減災、交通旅游和教育培訓、系統(tǒng)監(jiān)測評估等方面開展合作。

印度IRNSS導航衛(wèi)星星座示意圖

2014年，中俄衛(wèi)星導航領域合作迎來新起點。在2014年10月舉行的中俄總理定期會晤期間，簽署了《中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)委員會與俄羅斯聯邦航天局在全球衛(wèi)星導航領域合作諒解備忘錄》，明確成立“中俄衛(wèi)星導航重大戰(zhàn)略合作項目委員會”，提出了增強系統(tǒng)、兼容與互操作、監(jiān)測評估、應用推廣4個后續(xù)重點合作領域。兩國在衛(wèi)星導航領域的合作日益深化，有利于拓展雙方在高技術領域的長期互利合作，有助于開展更多教育培訓、聯合研發(fā)、生產制造等項目合作，拓展中俄合作領域，推動中俄合作升級，將中俄高水平的全面戰(zhàn)略協(xié)作伙伴關系轉化為更多實際合作成果。

為了加強衛(wèi)星導航領域的國際交流，2014年我國先后參加了第八屆莫斯科國際衛(wèi)星導航論壇、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國際委員會第九屆大會、慕尼黑衛(wèi)星導航2014峰會等。

5 “印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)”逐漸成形

2014年4月4日和10月13日，2顆IRNSS衛(wèi)星先后由“極軌衛(wèi)星運載火箭”（PSLV）成功發(fā)射升空，這是該系統(tǒng)的第2和第3顆衛(wèi)星，衛(wèi)星質量1432kg，設計壽命10年。

IRNSS號稱可以為印度領土用戶提供獨立的導航定位服務，它一共由7顆衛(wèi)星組成，包括定位在34°（E）、83°（E）和132°（E）赤道上空的3顆靜止軌道衛(wèi)星，以及赤道傾角29°，飛經55°（E）和111°（E）的各2顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。通過這樣的軌道設計，它能最大限度地提高覆蓋區(qū)域內的定位精度，并將所需衛(wèi)星數量降到最低。

按照計劃，印度將在2015年內完成7顆導航衛(wèi)星的發(fā)射。然而，這并不意味著立即就能提供導航服務，印度空間研究組織（ISRO）在衛(wèi)星和載荷的調試與測試、星座的組網與運行控制方面可能還需花費一段時間。

6 日本加緊建造“準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”

日本QZS在軌飛行示意圖

日本政府在新10年“宇宙基本計劃”中提出了擴充“準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）體制方針。目前，該系統(tǒng)已有1顆衛(wèi)星發(fā)射升空，但日本希望盡早形成7顆衛(wèi)星的體制。在完成QZSS建設后，日本將可以依靠自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現國內的導航和定位，同時還將在2015年度著手探討后續(xù)衛(wèi)星的開發(fā)。

日本政府已決定在2015－2020年期間發(fā)射3顆“準天頂衛(wèi)星”（QZS），形成4顆衛(wèi)星體系，但這仍需要與美國的GPS衛(wèi)星配合才能正常運行。獨自在日本上空保持不間斷定位，至少需要7顆衛(wèi)星。日本在2020－2025航天計劃中寫明7顆衛(wèi)星體系，并力爭在2025年之前完成這7顆衛(wèi)星的組網。

7 結束語

現今，全力建設衛(wèi)星導航系統(tǒng)已成為各航天大國或地區(qū)增強自身實力的主要任務之一，各個衛(wèi)星導航系統(tǒng)之間既有競爭，也有合作。美國GPS系統(tǒng)技術及其應用仍占絕對的優(yōu)勢地位，除了研發(fā)新一代GPS衛(wèi)星之外，還著力研究其他導航方式，以彌補衛(wèi)星導航系統(tǒng)的先天性不足；俄羅斯在提高GLONASS系統(tǒng)性能的同時，還加強與其他國家的合作，擴大GLONASS在全球范圍的應用；歐洲、中國、印度和日本則都在努力實現本國或本地區(qū)導航衛(wèi)星星座的全面部署。