武珺 王韻涵 張祎蓮 畢俊凱 （北京空間科技信息研究所）

2022年，國外共進行3 次導航衛(wèi)星發(fā)射活動，均獲成功，發(fā)射導航衛(wèi)星3 顆，均屬俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)導航衛(wèi)星，其中，2 顆GLONASS-K1 衛(wèi)星，1 顆GLONASS-M 衛(wèi)星；其他國家未進行導航衛(wèi)星發(fā)射。

截至2022年底，國外在軌導航衛(wèi)星98 顆；在軌運行并提供導航服務的衛(wèi)星90 顆，其中，美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）31 顆，俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)23 顆，歐洲“伽利略”（GALILEO）系統(tǒng)24 顆，日本“準天頂”（QZSS）系統(tǒng)5 顆，“印度導航星座”1（NavIC）7 顆衛(wèi)星。

1 2022年衛(wèi)星導航領域發(fā)展概況

美國在持續(xù)保持GPS 系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎上，在GPS 系統(tǒng)現(xiàn)代化框架下持續(xù)推進系統(tǒng)第三代衛(wèi)星的發(fā)射、在軌測試與部署，年內新服役GPS-3 衛(wèi)星1 顆；美國已確定在2023年通過代號為USSF-106任務發(fā)射導航技術衛(wèi)星-3（NTS-3），測試天基導航前沿技術。此外，美國航天創(chuàng)企在利用低軌衛(wèi)星提供導航服務領域積極探索前行。

歐盟當前以推進“伽利略”星座全運行能力衛(wèi)星（GALILEO-FOC）組網(wǎng)向全面部署、全面服務方向發(fā)展；與此同時，緊密開展“伽利略”系統(tǒng)第二代導航衛(wèi)星的研發(fā)、測試；面向中長期，在鞏固“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（GNSS）發(fā)展基礎——大地參考框架的同時，探索低軌導航技術，以及為月球及周邊提供通信導航服務相關技術。

俄羅斯在當前一個階段，以GLONASS-K 系列衛(wèi)星的研發(fā)部署及導航衛(wèi)星關鍵器部件的完全國產化為主要任務，同時兼顧高軌導航衛(wèi)星的研發(fā)。在采用碼分多址信號的GLONASS-K 系列衛(wèi)星研發(fā)完成后，俄羅斯啟動了星座的全面更新計劃。2022年，俄羅斯發(fā)射了2 顆GLONASS-K1 衛(wèi)星和1 顆GLONASS-M 衛(wèi)星，其首顆GLONASS-K2 衛(wèi)星已推遲至2023年發(fā)射。

2 衛(wèi)星導航系統(tǒng)現(xiàn)代化升級，星座更新工作持續(xù)推進

GPS 系統(tǒng)空間段當前已初步具備全球范圍播發(fā)M 碼的能力

美國2021年6月17日發(fā)射的第5 顆GPS-3 衛(wèi)星已于2022年5月25日正式提供導航服務，該星的正式入役標志著GPS 星座中支持播發(fā)M 碼（抗干擾能力更強）的衛(wèi)星數(shù)量達到24 顆，GPS 系統(tǒng)太空段初步具備全球范圍播發(fā)M 碼的能力。此外，與GPS-2F 衛(wèi)星相比，GPS-3 衛(wèi)星增加了互操作信號L1C，增加搜索與救援功能，GPS-3 衛(wèi)星搭載的新型脈沖光抽運銫束鐘使得星載時間系統(tǒng)（1 部脈沖光抽運銫束鐘、3 部改進型磁選態(tài)銣原子鐘，頻穩(wěn)可達10-15量級）精度有效提升，有效載荷數(shù)字化率達到70%，有效提高了導航信號的精度，此外，GPS-3 衛(wèi)星導航信號抗干擾能力是原先的8 倍，衛(wèi)星設計壽命增加至15年。

“伽利略”系統(tǒng)第一代第三批次衛(wèi)星測試基本完成，第二代衛(wèi)星有效載荷測試取得階段性進展

當前，歐洲空間研究與技術中心（ESTEC）已完成“伽利略”系統(tǒng)第一代第三批次衛(wèi)星測試任務，該批次總計12 顆GALILEO-FOC 衛(wèi)星，2021年底完成前2 顆衛(wèi)星的發(fā)射。歐盟原計劃2022年進行3次導航衛(wèi)星的發(fā)射，努力使“伽利略”星座達到全運行能力狀態(tài)，隨后繼續(xù)發(fā)射其余第三批次的衛(wèi)星，最終完成第一代星座的部署。當前，歐洲阿里安-6（Ariane-6）運載火箭尚未到位，其又因俄烏沖突自身立場問題無法使用俄羅斯聯(lián)盟號運載火箭發(fā)射衛(wèi)星，因此相關計劃進度一推再推?！百だ浴毕到y(tǒng)第二代衛(wèi)星主承包商泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）以及空客防務與航天公司（Airbus）當前分別對系統(tǒng)第二代（G2）衛(wèi)星有效載荷測試版本開展測試。2022年3月，空客防務與航天公司已成功完成其承研的G2 衛(wèi)星的初步設計評審（PDR）工作。據(jù)悉，第二代伽利略衛(wèi)星每顆質量約2.3t，設計壽命約為15年。未來，“伽利略”星座在繼續(xù)部署完第一代第三批次剩余10 顆衛(wèi)星后，開啟信號功率增強與全數(shù)字化有效載荷的第二代衛(wèi)星的部署。

俄羅斯克服美西方電子元器件禁運不利影響，繼2020年后再啟GLONASS—K 系列衛(wèi)星發(fā)射

俄羅斯于2022年7月和10月成功發(fā)射2 顆GLONASS-K1 衛(wèi)星，這是俄羅斯K 系列的第4 和第5 顆衛(wèi)星；而此前第1 ～3 顆GLONASS-K1 衛(wèi)星分別于2011年、2014年、2020年發(fā)射，俄羅斯在逆境中推動星座現(xiàn)代化建設，說明其衛(wèi)星器部件國產化工作在一定程度上取得進步，此前，俄羅斯導航衛(wèi)星器部件國產化目標為本土衛(wèi)星制造企業(yè)采取措施確保進口電子元件占比從2014年的50%下降至2025年的12%，并且從2026年起實現(xiàn)GLONASS-K2 衛(wèi)星零部件百分之百國產化。此外，俄羅斯2022年11月成功發(fā)射其M 系列最后一顆GLONASS-M 衛(wèi)星；原計劃于2021年第四季度發(fā)射的首顆GLONASS-K2衛(wèi)星已推遲至2023年發(fā)射。

區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)有擴展星座規(guī)模的趨勢

2021年日本發(fā)射了QZS-1R 衛(wèi)星，用于替代“準天頂”衛(wèi)星系統(tǒng)首顆衛(wèi)星QZS-1（即將到期），2022年QZS-1R 通過在軌驗證，并正式開啟導航服務，維持了星座的穩(wěn)定運行。自2018年“準天頂”系統(tǒng)投入初始運行并提供服務以來，日本積極推進QZSS 系統(tǒng)的軍事應用，在衛(wèi)星導航服務、衛(wèi)星平臺載荷搭載等方面積極與美國合作，提升自身天基導航、態(tài)勢感知等方面的能力。未來發(fā)射的QZS 衛(wèi)星將搭載美軍態(tài)勢感知載荷。日本計劃在2023 ～2024年間形成7 顆衛(wèi)星的工作體系，屆時可完全不再依靠美國GPS 系統(tǒng)，獲得獨立的衛(wèi)星導航能力。

2022年，印度維持了其區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)NavIC 的穩(wěn)定運行；其基于2021年草擬的《2021 印度衛(wèi)星導航政策》來指導政府組織有效開發(fā)、運行和維護自主控制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)，并拓展應用。印度空間研究組織未來計劃：①使NavIC 系統(tǒng)支持目前世界民用導航應用最廣泛的L1 頻段，該系統(tǒng)目前僅與L5 和S 頻段兼容，不利于民用領域服務拓展；②發(fā)射5 顆新衛(wèi)星取代星座中的老舊衛(wèi)星；③進一步發(fā)射中軌衛(wèi)星，擴大當前衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋及服務范圍。

3 低軌星座提供導航服務應用前景愈發(fā)受到重視

低軌星座具有地面接收信號強度高的特點，對增強當前導航服務的精度、完好性、連續(xù)性和可用性具有顯著優(yōu)勢，已成為當前衛(wèi)星導航領域的關注熱點之一。

美國創(chuàng)企在低軌導航技術驗證方面再度邁出新步伐

2022年5月，美國Xona 太空系統(tǒng)公司（Xona Space Systems）“ 休 津”（Huginn） 演 示 驗 證衛(wèi)星由太空探索技術公司（SpaceX）運輸者-5（Transporter-5）火箭拼車任務成功發(fā)射?！靶萁颉毙l(wèi)星旨在測試和驗證Xona 公司為未來商業(yè)導航星座開發(fā)的軟硬件技術，并對地面系統(tǒng)及用戶設備進行測試。8月，Xona 公司為其擬建設的低軌導航星座籌集了約1500 萬美元資金，其中包括來自GPS 衛(wèi)星制造商洛馬公司（LM）風險投資部門的資金；至此，Xona 公司籌資總金額超2500 萬美元。該公司計劃自2023年起部署一個由300 顆小衛(wèi)星構成的低軌導航星座，為授權用戶提供加密、高精度的PNT 服務。

Xona 團隊現(xiàn)已將重點轉移到第二次演示任務“霧尼”（Muninn）以及導航星座第一階段的系統(tǒng)開發(fā)上。Huginn 與計劃于2023年發(fā)射的第2 顆“霧尼”衛(wèi)星均屬內部研制，公司尚未明確未來衛(wèi)星生產業(yè)務是否外包。

ESA 擬開展低軌導航在軌演示驗證，以探索多層衛(wèi)星提供導航服務的潛力

歐洲航天局（ESA）下轄導航管理機構計劃在近地軌道開展衛(wèi)星導航在軌演示驗證，以補充“伽利略”系統(tǒng)能力，探索多層衛(wèi)星導航系統(tǒng)的方法。該計劃欲在軌構建至少由6 顆衛(wèi)星組成的初始小型星座，類似“伽利略”在軌驗證元素（GIOVE）衛(wèi)星，以測試信號、頻帶等相關技術，為“伽利略”系統(tǒng)發(fā)展夯實基礎，星座中單星質量低于70kg。目前，自動駕駛汽車、船舶或無人機、機器人、智能城市或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應用場景對定位的要求正在從米級增長到厘米級，甚至更精確，對導航信號可靠性和服務連續(xù)性提出了更高的要求。該計劃由歐洲航天局未來導航計劃支持。

4 技術創(chuàng)新與突破是未來衛(wèi)星導航能力發(fā)展的關鍵

美國計劃2023年發(fā)射導航技術衛(wèi)星—3，核驗包含信號功率增強等技術在內的多項技術

NTS-3 是美軍主導的衛(wèi)星導航技術先導項目，入選美空軍“先鋒”計劃。通過研發(fā)并測試先進天基導航技術，助力當前GPS-3 衛(wèi)星向未來GPS-3F 型號順利過渡。根據(jù)最新計劃安排，美天軍將在2023年內通過代號為USSF-106任務發(fā)射NTS-3衛(wèi)星。據(jù)悉，NTS-3 將在地球同步軌道開展為期1年的在軌試驗，測試PNT 信號和架構、地面控制系統(tǒng)以及軟件定義的用戶接收機，其中可重新編程是試驗重點之一。

此外，美軍還將通過NTS-3 評估多軌道PNT 架構的潛在優(yōu)勢。目前，NTS-3 衛(wèi)星正在佛羅里達州棕櫚灣L3 哈里斯（L3Harris）工廠基于諾格公司（NG）ESPAStar 衛(wèi)星平臺開展有效載荷集成工作。

歐洲航天局部長級理事會批準3.51 億歐元撥款，布局未來3年天基導航新技術研發(fā)

歐洲航天局部長級理事會于2022年末批準了3.51 億歐元（約合3.64 億美元）撥款，用于支持ESA 多項衛(wèi)星導航項目，以增強未來“伽利略”導航衛(wèi)星服務能力，并實現(xiàn)導航服務向月球探索的拓展。支撐新技術開發(fā)的項目包括：①“未來導航”（FutureNAV）計劃，包括用于導航和地球科學應用國際地面參考框架的“起源”（GENESIS）計劃，測試低地球軌道衛(wèi)星導航星座關鍵技術的“低軌導航定位授時”（LEO-PNT）計劃；②“月光”（Moonlight）計劃，旨在為月球及周邊提供通信導航服務探索新技術，當前，ESA 即將結束“月光”計劃第一階段任務，準備立即發(fā)布第二階段的提案請求；③“導航創(chuàng)新和支持”（NAVISP）計劃，主要支持包括自動駕駛在內的衛(wèi)星導航應用技術與服務工作。

5 結語

當前，衛(wèi)星導航能力快速發(fā)展，應用更加普遍。世界主要航天國家重點圍繞衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)所提供定位、導航與授時（PNT）服務性能的提升以及體系彈性的增強，開展系統(tǒng)運行與維護、技術研發(fā)、能力升級等工作。展望2023年，全球導航衛(wèi)星發(fā)射、部署活動的熱度預計將高于2022年，主要驅動因素為美國GPS-3 衛(wèi)星的持續(xù)發(fā)射，俄羅斯GLONASS-K 系列衛(wèi)星的發(fā)射，日本及印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座規(guī)模的拓展，此外，歐盟“伽利略”系統(tǒng)全運行能力衛(wèi)星后續(xù)組網(wǎng)技術能否繼續(xù)實施取決于歐洲阿里安-6 火箭的運載支持能否到位。