2014年世界導航衛星回顧

徐菁（北京空間科技信息研究所）

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

1 GPS系統現代化進程受阻

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

GPS－2F衛星持續補網

2014年，美國成功發射4顆GPS－2F衛星，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衛星的發射。該型號衛星由波音公司研制，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場GPS抗干擾系統—“陸地盾”（Landshield）。該系統將為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）的軍事系統的精度與能力，而“陸地盾”系統可以集成到近40%的美國陸軍地面戰車之中，還能夠保證戰斗直升機在旋翼狀態下正常運行，具備絕佳的尺寸、質量和功率特性。

美國GPS－2F衛星總裝

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衛星，并在此之后的3年中每年購買3顆GPS－3衛星。但是根據現在的采購計劃，2014年和2015年的衛星采購數量降低到每年1顆。首顆GPS－3衛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，節省資金用于未來的國防計劃。

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

與現役GPS衛星相比，GPS－3衛星精度更高、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衛星的合同。目前，GPS－3的非飛行衛星已經與未來的運行控制系統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）向工業界發布新的項目公告，即對抗環境下的空間、時間和方向信息（STOIC）。該項目將研發與GPS系統性能相當的軍用PNT技術，而且不依賴于GPS系統運行，目標是為作戰人員提供在對抗環境下類似GPS系統的PNT能力。為此，研究人員必須結合遠距離參考信號、超穩定戰術鐘，以及可在用戶之間共享PNT信息的多功能系統。

在美國DARPA評出的2013年度十項重大研究中，微型導航系統位列其中。微型導航系統是一種在GPS系統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）項目下研發的“授時與慣性測量裝置”（TIMU），能在短時間內無需依賴GPS系統便可在全球范圍內進行導航。該微型導航系統尺寸比1美分硬幣還小，系統包括一個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（EGI）、天文導航及增強型羅蘭系統研究方面也有一定進展。

2 GLONASS系統建設穩步推進

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

2014年發射3顆衛星

2014年3月24日，一顆GLONASS－M衛星從普列謝茨克航天發射場由“聯盟”運載火箭發射升空，這是2014年發射的第一顆GLONASS衛星。6月15日，另一顆GLONASS－M衛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衛星送入軌道，俄羅斯曾于2011年2月26日發射了首顆GLONASS－K1衛星。GLONASS－K1衛星采用快訊－1000A（Express－1000A）平臺，發射質量935kg，功率1270kW，設計壽命10年，在L1、L2、L3頻段播發導航信號，并擁有搜索救援功能。此次發射的GLONASS－K1衛星運行在近地點19279km、遠地點19715km、傾角64.8°的中地球軌道。該衛星的研制和組網發射是GLONASS系統現代化的一部分，該系統現代化主要包括衛星性能提升及補網計劃、衛星信號頻率改進計劃、時空參考系精化計劃，以及廣域、局域增強系統建設計劃等。

測試中的俄羅斯GLONASS－K1衛星

試圖提高GLONASS系統性能

盡管GLONASS系統已恢復運行，但仍不斷出現故障。2014年4月2日，該系統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故障及軟件升級故障，影響范圍較廣，尤其是專業應用領域，如農場的自動化拖拉機、采礦和重工業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等，這次事件突顯出衛星導航系統的脆弱性。為了保證GLONASS衛星信號的連續可用性，提高系統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系統的競爭力。目前，俄羅斯境內有19個GLONASS差分校正和監測系統（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個差分校正和監測系統站，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展論壇上，俄羅斯副總理羅戈津表示，中俄導航系統合作前景廣闊。他十分看好中國“北斗”和GLONASS系統間合作的前景和未來成就，認為這將顯著提高衛星導航系統性能，使雙方的衛星導航系統在規模、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”系統地面站，而在中國境內將建3個GLONASS系統地面站。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差分校正和監測站已在中國于2014年12月開建。

3 “伽利略”系統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）衛星搭載聯盟－ST運載火箭發射升空，但卻未能進入預定軌道。根據10月8日發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顆衛星未能進入預定軌道的根本原因。此次發射的衛星是“伽利略”系統頭2顆工作衛星，也是該系統發射的第5和第6顆衛星。此前，由于技術等方面的原因，這2顆衛星的發射時間已經被推遲了1年多，而現在又出現發射事故，這將導致“伽利略”系統建設進度再次推遲。

歐洲“伽利略”衛星導航星座示意圖

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顆衛星能夠作為“伽利略”導航系統的一部分發揮作用。

到2014年年底，“伽利略”系統仍只有4顆試驗衛星在軌運行（分別于2011年10月和2012年10月各發射2顆衛星）。當該系統有18顆衛星在軌運行時，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，ESA還是決定從2015年開始陸續發射已訂購的剩下20顆“伽利略”衛星。其中，12顆衛星由3枚阿里安－5ES火箭以“一箭四星”的方式發射，8顆衛星由4枚“聯盟”火箭以“一箭雙星”的方式發射。

4 中國不斷深化“北斗”應用，并擴大國際化合作

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

“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”衛星導航系統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”衛星導航系統標準首次獲得國際組織的系統認可。這次認可是“北斗”衛星導航系統國際標準工作的重要里程碑，將為全面推動“北斗”衛星導航系統海事國際應用和建成“北斗”衛星導航系統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”衛星導航系統的認可，使“北斗”成為繼GPS、GLONASS后第3個服務世界航海用戶的全球衛星導航系統，這必將帶動“北斗”在航海領域的國際化、產業化。

我國將繼續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、規范、指南文件的制定和修訂，以實現“北斗”系統進一步在國際海事領域的全方位應用。

“北斗”系統應用進一步深化

我國各級相關政策的出臺促進了“北斗”衛星導航產業發展，使“北斗”應用進一步深化。2014年1月30日，國務院辦公廳發布《關于促進地理信息產業發展的意見》指出，國家將用5～10年時間，使地理信息產業形成成熟產業鏈，產業國際競爭力顯著提高。該意見特別強調發展地理信息與導航定位融合服務，結合“北斗”衛星導航產業的發展，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”衛星導航系統在大眾領域的推廣應用和產業化發展，維護國家安全和利益，在系統內下發了《國家測繪地理信息局關于“北斗”衛星導航系統推廣應用的若干意見》，強調要著力加強“北斗”推廣應用的統籌協調，著力加快“北斗”地面基礎設施建設，著力加強“北斗”應用科技創新，著力支持“北斗”相關企業發展，著力推動“北斗”行業應用，著力優化“北斗”應用市場環境，通過6個“著力”加快“北斗”系統推廣應用。

在政策的推動下，“北斗”地基增強系統工程開始建設，“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”海上搜救信息系統示范工程等紛紛啟動。

“北斗”國際化合作逐步擴大

“北斗”系統區域服務能力形成后，給亞太地區帶來了更多的導航衛星資源，與其他系統兼容使用，可提供更加可靠穩定的服務。“北斗”系統已與部分亞太地區國家建立了衛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星導航領域合作機制，在精細農業、防災減災、交通旅游和教育培訓、系統監測評估等方面開展合作。

印度IRNSS導航衛星星座示意圖

2014年，中俄衛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《中國衛星導航系統委員會與俄羅斯聯邦航天局在全球衛星導航領域合作諒解備忘錄》，明確成立“中俄衛星導航重大戰略合作項目委員會”，提出了增強系統、兼容與互操作、監測評估、應用推廣4個后續重點合作領域。兩國在衛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、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略協作伙伴關系轉化為更多實際合作成果。

為了加強衛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星導航論壇、全球衛星導航系統國際委員會第九屆大會、慕尼黑衛星導航2014峰會等。

5 “印度區域導航衛星系統”逐漸成形

2014年4月4日和10月13日，2顆IRNSS衛星先后由“極軌衛星運載火箭”（PSLV）成功發射升空，這是該系統的第2和第3顆衛星，衛星質量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顆傾斜同步軌道衛星。通過這樣的軌道設計，它能最大限度地提高覆蓋區域內的定位精度，并將所需衛星數量降到最低。

按照計劃，印度將在2015年內完成7顆導航衛星的發射。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“準天頂衛星系統”

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“準天頂衛星系統”（QZSS）體制方針。目前，該系統已有1顆衛星發射升空，但日本希望盡早形成7顆衛星的體制。在完成QZSS建設后，日本將可以依靠自主的衛星導航系統實現國內的導航和定位，同時還將在2015年度著手探討后續衛星的開發。

日本政府已決定在2015－2020年期間發射3顆“準天頂衛星”（QZS），形成4顆衛星體系，但這仍需要與美國的GPS衛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顆衛星。日本在2020－2025航天計劃中寫明7顆衛星體系，并力爭在2025年之前完成這7顆衛星的組網。

7 結束語

現今，全力建設衛星導航系統已成為各航天大國或地區增強自身實力的主要任務之一，各個衛星導航系統之間既有競爭，也有合作。美國GPS系統技術及其應用仍占絕對的優勢地位，除了研發新一代GPS衛星之外，還著力研究其他導航方式，以彌補衛星導航系統的先天性不足；俄羅斯在提高GLONASS系統性能的同時，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導航衛星星座的全面部署。