國外衛星導航系統現狀與發展趨勢分析

趙爽（北京空間科技信息研究所）

1 衛星導航系統現狀

GPS系統大力推行現代化改造，確保世界領先地位

美國的“全球定位系統”（GPS）是目前部署最完善、衛星技術最先進、定位精度最高、普及最廣的衛星導航系統。為了保持、增強美國在全球衛星導航領域的領先優勢與主導地位，1999年美國提出GPS系統現代化計劃，旨在全面提升GPS系統軍事與民用服務的性能，增強GPS系統民用導航服務的競爭能力，增強對抗條件下GPS系統的軍用導航服務能力。經此現代化改造，GPS系統空間段星座衛星數量、導航信號、衛星功能等均將出現重大變化，主要包括3個方面：其一，星座衛星數量增加至30顆以上，以改善星座幾何分布，提升服務性能；其二，增加軍用M碼信號、3個民用信號，其中軍用M碼信號是美國增強GPS系統導航戰能力的重要基礎，包括星上信號功率增強、點波束等均需通過先進的M碼軍用信號實現；其三，增加星上功率可調、高速星間與星地鏈路、點波束、搜索與救援和被動激光測距能力等，這是增強GPS系統自主導航與導航戰能力的關鍵措施。

為了實現以上3個方面的改造，美國采取了3種途徑和手段，一是通過有計劃地發射GPS-2F衛星，維持并穩步提升GPS星座在軌衛星數量；二是發展最新的GPS-3衛星，全面提升衛星能力；三是開展地面段現代化改造，以滿足擴展的GPS系統星座，以及導航信號和功能增加的運行、控制與管理要求。2013年5月15日，美國發射了第4顆GPS-2F衛星，截至2013年12月，美國在軌GPS衛星數達到32顆，其中工作星達到了31顆，實現了其增加到30顆工作星的目標。而最新型GPS-3衛星的非飛行衛星已經過了多輪與現代化改造地面段——下一代運行控制系統（OCX）的測試工作，第一個可飛行的GPS-3 SV-01衛星在2014年開始裝配。對于地面段現代化改造，截至2013年，OCX 1階段已經取得了重要進展，特別是按計劃需進行5次的GPS-3A衛星＋OCX 1發射演練已成功完成3次，標志著OCX 1的發展已接近成熟。

OCX 1階段關鍵節點

在軍用方面，美國在提供定位精度的同時，非常重視發展GPS的抗干擾能力，在GPS-2RM以及GPS-2F衛星上增加了抗干擾能力更強的軍用M碼信號。未來美國還將在下一代GPS-3中增加點波束信號，將在一個直徑約965km的區域內形成一個信號強度是目前信號強度100倍的波束，從而極大地提升抗干擾能力。自1991年GPS精確制導武器首次用于實戰，并取得重大戰果以來，GPS系統提供的高精度定位、導航與授時（PNT）能力已經成為美國軍事行動的重要使能力量，在力量部署與投送、后勤支援與保障、目標定位與精確打擊、偵察與情報獲取、軍事作戰與協同等方面發揮著極其重要，甚至是決定性的作用。美國軍方認為，GPS系統及其提供的高精度PNT服務是美國軍事能力的倍增器。

從天基PNT能力應用的角度分析，美國軍方已經形成了系統完整、體系配套的高效能GPS應用體系與協調的一體化GPS應用能力，處于全面領先地位。與此同時，在衛星導航干擾能力不斷發展，PNT能力的應用爭奪不斷加劇的背景下，美國軍方正在致力于提升GPS系統抗干擾能力，如增加與民用信號徹底分離的M碼軍用信號、星上信號功率可調、點波束增強等，并通過技術升級來改善美國GPS用戶設備的抗干擾能力；同時，限制、阻斷敵方使用衛星導航能力已經成為美國軍方的重要任務。

GLONASS能力恢復，發射失利不會動搖其現代化進程

1996-2000年，由于俄羅斯經濟嚴重下滑、政府財政支持困難等原因，極大地影響了俄羅斯“全球導航衛星系統”（GLONASS）的發展。其星座的補網發射難以進行，再加上每年大約3900萬美元的維護費用，星座維持難以為繼，用戶設備的開發更是受到極大的影響。該星座衛星數量最少時只有7顆，無法獨立提供PNT服務，極大地影響到GLONASS系統政策的連續性和管理體系與組織結構的建設。由于GLONASS系統星座的退化等因素，在2010年前俄羅斯軍方衛星導航的應用能力非常有限。2008年爆發的南奧塞梯沖突中，俄羅斯損失了包括1架圖-22M戰略轟炸機在內的多架作戰飛機，暴露出嚴重缺乏遠程精確打擊武器的問題，也從一個側面表明俄羅斯軍方的衛星導航應用能力非常有限。南奧塞梯沖突暴露的問題使俄羅斯更加堅定了盡快恢復與利用GLONASS系統的決心。

GLONASS系統2012-2020年維護、發展以及應用計劃資金投入中各項目比例

GLONASS系統定位精度的改進

2002年開始，俄羅斯一直致力于GLONASS系統空間段的恢復工作。至2011年底，GLONASS系統星座達到24顆衛星的滿星座狀態，使系統全面恢復工作。此后，根據俄羅斯2012年出臺的《GLONASS系統2012-2020年發展計劃》，將未來9年GLONASS系統的發展分為3個方面：系統維護、系統發展和系統應用，計劃投入3465億盧布（約合120億美元）。

（1）系統維護

盡管2013年7月2日，GLONASS系統因發射失敗損失了3顆衛星，但目前來看對于整個系統的在軌衛星數量影響不大，截至2013年12月，GLONASS星座仍有28顆衛星在軌，并保持24顆工作星運行，另有3顆備份，1顆在軌測試。為了維持系統的在軌衛星數目，按照之前計劃，2014-2020年，GLONASS系統還將發射9顆GLONASS-M衛星以及22顆新一代的GLONASS-K衛星，以代替過期服役的衛星。而為了發射這些衛星，預計還需要7枚質子-M (Proton-M)火箭和10枚聯盟-2.1b(Soyuz-2.1b)火箭，預計成本將達到上千億盧布。

（2）系統發展

為了在未來與美國GPS系統以及其他國家的衛星導航系統的競爭中立于不敗之地，俄羅斯開展了一系列現代化改進計劃，這包括研制和部署新的GLONASS-K、地面段現代化、發展星基增強系統等。未來GLONASS系統的定位精度將可以與美國GPS系統抗衡，據俄羅斯官方人員預測，在2015年前GLONASS系統的定位精度將達2.8m，直追GPS系統1.8m的定位精度，而預計在2020年GLONASS系統將趕超GPS，定位精度將達0.6m。

（3）系統應用

俄羅斯政府目前正在大力開發GLONASS信號接收與處理的芯片和模塊，使其可以應用到其他各個領域。盡管民用部件的開發計劃還沒有在其他聯邦部門發展計劃中出現，但預計到2015年將會有6種新型芯片組面世，在2020年將達到39種。屆時，國防部的GLONASS導航應用產品將達到43種，而內政部、聯邦監獄和聯邦藥物管制局等部門將擁有56種GLONASS導航產品。此外，俄羅斯聯邦政府還將對其原計劃繪制的公開數字導航地圖包括比例為1∶10000的城市地圖以及比例為1∶50000的俄羅斯全境地圖，進行全面更新和擴充。

綜上所述，盡管GLONASS系統的發展之路充滿坎坷，不過以普京為核心的俄羅斯政府發展GLONASS系統的決心非常堅定，相信很長一段時間內，該系統都將是美國GPS系統強有力的競爭對象。

Ga lileo系統發展計劃圖

Galileo衛星發射推遲，部署腳步再遭延緩

目前，歐洲“伽利略”（Galileo）衛星導航系統只有4顆在軌驗證衛星運行，執行在軌測試與驗證任務。按2012年11月召開的第7屆國際全球導航衛星系統委員會（ICG）大會上歐洲提交了新的Galileo系統發展報告，歐洲原計劃將于2014年完成Galileo初始運行能力建設。如果按照這一計劃，Galileo系統就要在2013年、2014年的短短2年內發射14顆衛星，這對歐洲的發射能力和衛星制造能力帶來了巨大挑戰。

然而，在2013年，歐洲1顆Galileo衛星也未能發射，由此推斷Galileo系統要在2014年完成部署的計劃顯然是無法實現，其部署腳步恐怕又遭推遲。分析其發射推遲原因大致有兩點：一是負責制造Galileo工作星的德國OHB公司制造能力尚顯不足，雖然，OHB公司曾經成功地發展了由5顆衛星組成的德國軍用雷達成像偵察衛星系統—“合成孔徑雷達-放大鏡”（SAR-Lupe）衛星，但與歐洲航空航天防務公司（EADS）、泰雷茲-阿萊尼亞公司等歐洲領先的航天企業相比，OHB公司只能算作后起之秀，其衛星的研制、生產能力尚有一定差距。二是衛星測試過程緩慢，據悉，目前2顆待發射的Galileo工作星仍在位于荷蘭諾德韋克的歐洲空間研究與技術中心（ESTEC）進行測試，2013年11月末首顆工作星剛剛結束熱真空測試，而第2顆工作星則正在進行模擬與火箭分離過程的震動試驗，熱真空測試則在2014年初進行，預計這2顆衛星要在2014年中期才能發射。

盡管部署腳步屢遭拖延，但歐洲開發Ga lileo系統的決心依然堅定。Ga lileo系統是歐洲航天計劃中優先等級最高的項目。美國加利福尼亞大學微系統實驗室主任Addrei M. Shkel在2011年曾撰文指出“至少1000年內，導航與精密授時能力將一直是衡量國家軍事與經濟實力的一個重要因素”（發表在《GPS世界》2011年第9期，題名“M icrotechnology Com es of Age”）。因此，雖然Galileo系統的發展幾經坎坷，如2007年的特許經營權談判破裂、2011年Galileo系統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展獨立的全球衛星導航系統的決心。2014-2020年，Galileo與“歐洲地球靜止衛星導航重疊服務”（EGNOS）系統將獲得70億歐元的投資，用于系統建設、維護、運行管理與導航基礎設施的建設。相信，歐盟、歐洲航天局已經為Galileo系統的發展創造了一切必要條件。Galileo系統的建設為德國發展、壯大航天產業，OHB公司增強自身實力，提升其在歐洲衛星制造業中的位置提供了重要契機。德國、OHB公司定當努力把握這一契機，借助其強大的工業能力，通過Galileo系統的建設與發展，提升德國在歐洲航天領域的地位，甚至在全球航天產業中占據重要位置。

QZSS系統建設規劃有條不紊，實施穩步推進中

日本“準天頂衛星系統”（QZSS）的發展正處于穩步推進中。2010年9月11日，日本成功發射了QZSS的第一顆衛星，完成了衛星的測試工作。新建了關島地面監測站，并正在與美國共同籌建夏威夷監測站。2009年8月，日本公布了準天頂衛星導航接口規范文件（IS QZSS1.1版），規范了體系結構、信號結構和服務性能等內容。

加速推進以車載信息服務系統為龍頭的衛星導航應用發展。20世紀90年代，日本在船用導航儀方面引領世界發展。90年代中期，日本開始成為車載衛星導航系統發展的引領者，其車輛與道路信息系統（V ICS）發展迅速。自1993年開始試運行至今，VICS系統已經實現全國覆蓋，車載終端用戶數量已經達到3000萬以上，總產值達600億美元，并以每年至少300萬輛的增幅攀升。

積極開發可支持多種衛星導航信號的接收機。負責研制QZSS初始接收機的日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）已經選擇了Sp rien t通信公司的測試方案。由于QZSS位于高橢圓軌道需要依賴GPS來提供導航數據。因此，JAXA需要設計出能夠支持多種衛星技術的接收機；而Sp rient公司的方案不僅具有測試GPS L1、L2和L5信號的能力，還可以測試相同頻段的QZSS衛星信號的性能。

在導航領域，日本一直謀求與美國建立密切的合作伙伴關系。自1998年美日簽訂合作聲明以來，兩國2013年來一直定期召開GPS協商會，成立GPS與QZSS技術工作組，推動了兩國在空間段、地面段以及應用等領域的合作。例如，在地面段JAXA與美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）共同完成了關島監測站的建設，目前正與美國航空航天局（NASA）聯合在夏威夷建設地面站和時間頻率信號傳遞站，為日本國家情報與通信技術研究所和美國海軍天文臺等提供時間頻率信號。同時，兩國還在頻率保護和兼容等方面展開技術討論。

IRNSS系統發射首衛星，進入國際導航領域角逐

印度一直將發展航天業作為其邁向世界大國、體現其綜合國力的重要步驟。近年，印度航天業發展迅猛，在火箭運載、衛星通信、衛星氣象、衛星導航等諸多領域都有了長足發展。其中，由于衛星導航在國防領域發揮的重要作用，更是受到了印度的重點關注，并有計劃、有步驟地實施著相關建設。印度衛星導航系統采用了“萬國博覽會”的發展方式，包括與美國合作的GPS輔助型地球靜止軌道增強導航系統（GAGAN）、參與俄羅斯GLONASS系統發展建設、以及自主開發“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）的3個層次的發展。在這3個層次的發展中，最為核心的一步就是自主開發IRNSS，該系統將成為世界上第6個衛星導航系統，有著鮮明的印度特色，將對引領印度成為航天和導航大國有著舉足輕重的作用。

2013年對于印度衛星導航領域來說有著重要的意義，因為印度的第1顆IRNSS導航衛星成功發射，這對于印度IRNSS系統的發展，乃至印度整個衛星導航產業的發展都有著重要意義。正如印度空間研究組織（ISRO）主席拉達克里希南所說：“IRNSS-1A導航衛星的發射標志著印度進入空間應用新紀元。”而IRNSS第2顆衛星也已準備就緒，預計將于2014年發射。按照計劃，從現在起到2015年，印度只要再發射6顆星（平均每年3顆），就可以實現其區域覆蓋計劃。

從目前發展情況來看，IRNSS系統很可能會趕在歐洲Galileo系統之前，成為繼GPS、GLONASS、“北斗”系統之后第4個投入應用的系統。因為按計劃，歐洲的Galileo系統要在2016年完成其初始運行，實現區域覆蓋，而且從現在起到2016年還要發射14顆星（平均每年5顆），其發射任務之艱巨，令人懷疑其是否能夠按時完成這一宏偉計劃。

就其覆蓋范圍和技術水平而言，IRNSS同中國的“北斗”系統均是一種可向全球性拓展的區域衛星導航系統。不過，“北斗”系統2012年就已實現對亞太地區的服務。而且，對于重要的衛星載荷如原子鐘，中國為自主研制，而印度則是從外采購。所以，就這個角度而言，“北斗”系統至少領先IRNSS系統5～10年。

2 全球導航衛星系統發展趨勢分析

未來的衛星導航市場將由“單極”向“多極”發展，多系統共存是必然趨勢

目前，衛星導航市場仍幾乎為美國GPS系統獨占，但這種局面正在改變。隨著GLONASS系統的恢復，以及我國“北斗”系統區域服務的正式運行，這兩個系統在衛星導航應用市場已經或正在顯示出相當的活力。許多知名的衛星導航芯片、原始設備制造（OEM）板與整機設備制造商競相開發相關產品，俄羅斯與中國政府也非常重視GLONASS和“北斗”用戶設備的研發，全球衛星導航應用市場GPS系統“一家獨大”的局面正在發生改變。

至2020年，隨著“北斗”系統、Ga lileo系統等的部署完成，全球衛星導航領域將呈現GPS、GLONASS、Galileo與“北斗”四大系統并存的局面。而在局部區域，日本的QZSS以及印度的IRNSS其力量也不可忽視。這些系統在為衛星導航用戶提供更多選擇的同時，“一家獨大”的局面也將發生重大改變，多系統共存將使更多的用戶受益。

PNT體系將成為解決軍事與民用導航問題的最終解決方案

可提供全天時、全天候高精度PNT服務的無線電衛星導航系統的出現，使全球PNT服務產生了革命性的變化，成為最重要的空間基礎設施。然而，固有的脆弱性和局限性決定了衛星導航系統不可能解決全部PNT問題，不可能滿足全部PNT需求，特別是強對抗戰場環境條件下軍事行動的PNT需求。

為了解決單一衛星導航系統的不足，美國首先提出了國家PNT體系。集成、融合各種可用PNT資源，靈活組合，互為冗余，優勢互補的國家PNT體系，能夠彌補單一系統能力的缺陷與不足，從而提供具有更高可用性、完好性、穩健性和可維持性的高精度PNT能力與服務。可以預見，PNT體系將是未來解決軍事與民用PNT問題的最終解決方案。

X射線脈沖星導航將成為實現衛星導航系統長期自主導航的關鍵技術

X射線脈沖星可以為地球軌道、深空探測和星際飛行航天器提供PNT信息，從而實現航天器的高精度自主導航，在深空探測和星際飛行中具有不可替代的作用，應用前景廣闊。同時，X射線脈沖星與探測技術研究既是X射線脈沖星導航研究的重要基礎，也是天體物理學、空間高能物理學的重要研究領域，X射線脈沖星導航研究將促進上述領域的研究與發展。

強對抗條件下的軍事PNT技術將成為未來信息化戰爭中重要保障

未來的戰爭將會是以導航、偵察、通信等信息手段為主導的信息化戰爭，這不但包括依賴上述信息獲取手段的“知己、知彼”，更包括通過電子干擾、電子欺騙等信息對抗手段，阻斷、破壞敵軍的信息獲取。PNT信息的獲取是信息化戰爭的重要保障，同時也不可避免地將受到敵軍的干擾與破壞的威脅。以美國為代表的衛星導航大國，近些年一直重視對抗條件下的PNT技術發展，如美國GPS系統增加播發的M碼信號和未來GPS-3衛星加裝的點波束天線等。可以預見，強對抗條件下的軍事PNT技術將成為未來信息化戰爭中時空信息對抗的關鍵技術。