2015年　全球導航衛星發展回顧

2016-03-30 06:52:17劉春保北京空間科技信息研究所

國際太空 2016年2期

劉春保（北京空間科技信息研究所）

2015年全球導航衛星發展回顧

2015 Year in Review：Global Navigation Satellites

劉春保（北京空間科技信息研究所）

2015年，全球共進行導航衛星發射10次，成功10次，共計13顆導航衛星。其中，美國3次，成功發射全球定位系統－2F（GPS－2F）衛星3顆；歐洲3次，成功發射“伽利略-全運行能力”（Galileo-FOC）衛星6顆；中國3次，成功發射“北斗”導航衛星4顆；印度1次，成功發射“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）衛星1顆。截至2015年12月31日，國外在軌運行導航衛星77顆。提供導航服務的衛星55顆，其中，美國GPS系統31顆，俄羅斯“全球導航衛星系統”（GLONASS）23顆，日本“準天頂衛星系統”（QZSS）1顆（主要提供GPS增強服務）。

截至2015年底，全球只有GPS、GLONASS和“北斗”區域導航系統投入全面運行服務，為用戶提供定位、導航與授時（PNT）服務，并可為GPS、GLONASS、“北斗”雙模、多模用戶提供高于單系統的定位、導航與授時服務。日本QZSS可提供GPS增強服務，其自主導航信號尚不能單獨提供服務。

1 美國

2015年，美國繼續保持GPS系統運行與服務的穩定，持續加快GPS系統星座的更新步伐，成功發射3顆GPS－2F衛星，計劃于2016年初完成全部12顆 GPS－2F衛星的部署，2017年前使M碼軍用信號、L2C和L5碼民用信號投入使用；同時，美國空軍（USAF）已經完成了GPS現代化計劃的調整，該計劃至少將持續至2033年。

2015年全球導航衛星成功發射情況（按國家統計）

截至2015年底國外導航衛星在軌數量（按國家統計）

GPS系統最新發展

目前，GPS系統空間段采用的27軌位基線擴展星座，由分布在6個軌道面的27顆衛星組成，其軌道高20200km、傾角55°。目前在軌工作衛星數量31顆，空間信號用戶定位誤差1.6m，授時精度20ns。

截至2015年底，GPS系統已經發展了2代6個型號衛星，至2016年初，美國空軍將完成第二代GPS衛星最后一個型號—GPS－2F衛星全部12顆衛星的發射，第三代GPS－3衛星的發射進入倒計時。

目前，美國正在發展第三代GPS系統，至2015年底，洛馬公司與其合作伙伴ITT公司完成了首顆GPS－3衛星核心模塊的匹配和任務數據單元軟件的審定，整星的熱真空試驗也已于2015年秋季啟動，計劃于2016年9月具備初始發射條件。然而，由于新一代“運行控制系統”（OCX）的拖延，GPS的OCX在2018年前才能具備支持GPS－3衛星運行的能力，也就是說：即使首顆GPS－3衛星能夠在2016年或2017年發射，卻不能投入正常運行。因此，GPS－ 3衛星與OCX的拖延已經對GPS系統持續、穩定的運行構成了潛在威脅。

GPS－3A衛星在軌飛行示意圖

完成“體系結構演進計劃”（AEP）后的GPS系統地面控制段由2部分組成，即AEP系統和“發射、入軌、異常情況處理與運行處置”（LADO）系統。在GPS系統運行控制段中，AEP和LADO具有不同的功能，執行不同的任務。

AEP的組成與功能：

1）完成最多31顆GPS工作衛星的指揮、控制等運行管理工作；

2）1個主控站＋1個備份主控站；

3）4副專用地面上行天線＋8副美國空軍衛星控制網的上行天線；

4）6個專用監測站＋10個隸屬于美國國家地理空間情報局的監測站。

LADO的主要功能與任務：

1）利用美國空軍的衛星控制網進行除工作衛星外其他GPS系統在軌衛星的指揮與控制管理；

2）在軌衛星異常情況處置；

3）衛星發射與發射后衛星的管理；

4）衛星壽命終結時的處置操作。

由于OCX系統研發的拖延，至2015年底，GPS系統運行控制段尚不具備GPS－3衛星發射和運行管理能力。因此，在完成運行控制段OCX第1階段（OCX Block0）的改進之前，美國空軍不具有發射、管理GPS－3衛星的能力。

美國空軍GPS系統未來的更新、補充計劃

2015年2月，美國空軍向眾議院國防委員會提交了題為《GPS系統星座更新、補充》的報告，從衛星與運載火箭采購、2014年與2015年計劃的對比、在軌衛星狀態、發射計劃的確定等多個方面回答了國會國防委員會提出的質詢，以消除其對保證GPS系統可用性與可持續性的疑慮。

（1）GPS衛星與運載火箭的采購計劃

美國空軍已經簽署了8顆GPS－3衛星的采購合同，此外第9、10顆衛星的采購方案已經獲得了美國政府的批準，第11～32顆GPS－3衛星的采購活動計劃于2016年初啟動，首先開展設計成熟度審查與風險降低活動，研發合同的授出時間為2018年。依據已經簽署的采購合同，第1～8顆GPS－3衛星將分別在2016－2020年間具備初始發射能力。

由于GPS－3衛星與OCX研發的拖延，美國空軍于2015年調整了GPS－3衛星的采購計劃。美國空軍認為：維持一個可承受、可持續的星座，要求在具有可承受性、可持續性的更新、補充策略與穩定的衛星生產線之間取得平衡。維持GPS系統星座要以星座的需求為依據，保持衛星采購的持續性，同時保有衛星的高速生產能力。生產速度的調整，應尋求最大生產能力儲備與初期衛星最小儲存成本之間的平衡。雖然2014財年的計劃有利于降低近期成本，但長遠來看，新的生產計劃可使GPS系統星座的維持具有更好的可承受性與可持續性。

原（2014財年）采購計劃：2015年2顆（從第9顆GPS－3衛星開始），2016財年2顆，2017財年3顆，2018財年3顆。

未來GPS－3衛星具備初始發射能力的時間1）

新（2015財年修訂后的）采購計劃：2015財年1顆（從第9顆GPS－3衛星開始），2016財年1顆，2017財年3顆，2018財年3顆。

對比2014、2015財年的采購計劃，顯然美國空軍放慢了GPS－3衛星的采購步伐，2015－2018年間的衛星采購數量從2014財年的10顆減少至2015財年的8顆，顯然這將對未來GPS系統星座的更新、補充構成影響，這也是引發美國國會、GPS應用團體廣泛擔憂的重要原因。

2014、2015財年GPS－3衛星采購計劃對比

與之相反，美國空軍卻對保證未來GPS系統的可用性與可持續性充滿了信心。美國空軍認為：根據GPS系統在軌衛星的健康狀態、衛星在軌延壽技術的使用和新衛星的補充發射等，美國空軍完全可以滿足未來GPS系統可用性的要求。

美國空軍認為：首先，2014年11月19日，GPS系統星座中至少有30顆在軌衛星處于健康狀態，且另有1顆剛剛發射的GPS－2F衛星完成檢測后，即可投入運行，使健康衛星數量達到31顆；其次，2015－2016年，美國空軍將完成剩余4顆GPS－2F衛星的發射，可替換星座中超期服役的GPS－2A衛星，繼續改善GPS系統星座的狀態；第三，通過改進電池充電方法，可使18顆在軌運行的GPS－2R和2RM衛星分別至少延長1～2年，進一步改善GPS系統空間星座的狀態；最后，未來美國空軍將利用GPS－3衛星替換星座中的GPS－2R和2RM衛星，從而解決GPS星座面臨的中、長期風險。

按照上述設想，GPS現代化計劃將實施至2033年，即完成最后一顆GPS－3C衛星的發射，保證GPS系統安全、穩定的運行。

（2）衛星研發與發射進度拖延的風險

美國空軍認為，GPS系統衛星研發與發射進度拖延的風險主要包括：首顆GPS－3衛星（SV01）交付、GPS－3空間系統運行人員任務準備、OCX計劃關于現有衛星和GPS－3衛星控制部分的實施等3個方面的拖延，且已經采取了措施，以降低上述風險。首先，利用綜合基線計劃管理，并重新配置解決技術問題的相關資源，美國空軍正在降低GPS－3衛星研發與交付的風險；其次，美國空軍已經修訂了任務準備活動計劃，確認了空間運行人員完成發射與檢查任務準備的時間；第三，美國空軍已經完成了現有衛星與新一代衛星（GPS－3）運行與維持備選方案的工程研究。在OCX尚未完成準備的條件下，美國空軍確定了整個計劃進度的關鍵節點，并啟動了備選計劃，修改了現有體系，在OCX全面投入運行前為系統運行提供支持。

按照GPS標準定位服務性能規劃（2008年版）的規定，GPS系統星座保持至少24顆運行衛星可用的概率在95%以上。美國空軍的評估表明：GPS系統不能滿足上述承諾與規定的功能，可用性的風險是較低的。除上述風險外，GPS系統星座所面臨的最大風險是所有天基系統都要面對的，包括：在軌衛星的災難性失效、發射失敗和地面系統的脆弱性。為降低上述風險，使其處于較低水平，“星座維持評估團隊”（CSAT）程序用于按需要提出更新、補充建議。目前，美國空軍可通過執行GPS－2R和2RM衛星改進電池充電控制程序、2016財年前完成剩余GPS－2F衛星的發射、提供向GPS－3過渡穩健的星座需求的專家評估等手段，保持GPS系統24顆衛星可用概率為95%以上，使GPS系統健康地走向未來。

GPS－3衛星與OCX研發拖延導致成本大幅上升

雖然，美國空軍對保證GPS系統服務的可用性和發展的可維持性充滿信心，但是美國國會還是對GPS－3衛星和OCX研發的拖延和由此造成的成本上升表現出了極大的擔憂。2015年3月，美國政府問責辦公室（GAO）發布的《國防采購：選定武器系統評估》報告指出：GPS－3衛星和OCX系統研發的拖延，使GPS系統現代化的投入不斷增長，對GPS系統的維持與發展均構成了潛在威脅。

《國防采購：選定武器系統評估》報告表示：與2013財年相比，因計劃拖延，2014財年GPS－3衛星和OCX的研發投入分別從44億美元和35億美元增長至49億美元和41億美元，即在過去的一年中，GPS－3衛星與OCX的投入增長了11億美元，必將對GPS系統的未來發展構成影響。

由于GPS－3衛星有效載荷研發遇到了重大問題（主要包括設計更改和內部信號干擾），導致首顆GPS－3衛星的交付時間至少已經推遲了28個月。而且首顆GPS－3衛星測試過程中出現問題的全面改進，有可能產生新的拖延，從而進一步加大成本增長的風險。

與GPS－3衛星的研發相比，OCX系統研發的拖延更為嚴重，其關鍵能力的交付時間已經推遲了4年。GAO的調研表明：造成OCX計劃嚴重拖延的主要原因包括計劃調整、遠高于預期的軟件缺陷水平和由此造成的重大返工與代碼增長。GAO將產生上述問題的原因歸結為對OCX技術復雜程度與工作量的認識不足或嚴重低估。

2 歐洲

Galileo系統是歐洲獨立發展的全球導航衛星系統，提供高精度、高可靠性的定位服務。Galileo系統由30顆衛星組成，其中27顆工作星、3顆備份星。衛星分布在3個中地球軌道（MEO）上，軌道高23600km、傾角56°，軌道面間夾角120°，軌道周期14h4min，地面軌跡重復周期10天，每個軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。

2014、2015年Galileo系統發展計劃對比圖

Galileo系統現狀

Galileo-FOC衛星首次發射部分失利后，2015年歐洲加快了Galileo系統的部署步伐，成功完成3次、6顆Galileo-FOC衛星的發射，并于2015年初完成了首次發射的2顆Galileo-FOC衛星的拯救工作，努力為2016年投入初始運行創造條件。

目前，Galileo系統在軌衛星12顆，分別為4顆“伽利略-在軌驗證”（Galileo-IOV）和8顆Galileo-FOC衛星。Galileo系統尚處于系統部署階段，不提供定位、導航與授時服務。

2015年，歐洲航天局（ESA）發布了3個Galileo系統用戶文件，標志著Galileo系統信號與服務定義工作持續推進，包括：2015年4月發布《Galileo系統NeQuick電離層修正模型》1.1版、2015年9月發布《Galileo系統開放服務空間信號接口控制文件》1.2版和《Galileo系統空間信號運行狀態定義》1.2版。

Galileo發展計劃調整

2014年Galileo-IOV衛星首次發射的失利與后續發射活動的推遲，對Galileo系統發展造成的影響是不可忽視的。同時，按Galileo系統的定義，其空間星座由30顆衛星組成，而目前歐洲僅完成了26顆Galileo衛星的采購，尚不能滿足Galileo系統投入全面運行的要求。為此，2015年歐洲再次調整了Galileo系統的發展計劃，系統投入全面運行的時間從2014年計劃中的2018年，推遲為2015年計劃中的2020年。對比2014年、2015年的Galileo系統發展計劃可以發現：2017年前2個計劃基本相同，即完成Galileo系統初始運行能力的部署；2個計劃的最大區別在于，2015年的計劃將Galileo系統完成全面運行能力建設的時間從2018年調整為2020年。對于上述計劃調整，歐洲給出的解釋是：Galileo系統的發展將采取更加穩妥的策略。然而，實際情況并非完全如此。

首先，2010年ESA授予OHB公司和英國薩瑞衛星技術公司（SSTL）的Galileo-IOV衛星研制合同僅包含22顆衛星，即使加上4顆Galileo-IOV衛星，目前歐洲也僅采購了26顆Galileo衛星。也就是說，離部署由30顆衛星組成的、完整的Galileo系統空間段還少4顆衛星。按計劃，2016年歐洲將啟動新的Galileo-IOV衛星采購活動，以滿足投入全面運行的要求。

其次，雖然歐洲已經完成了首批2顆Galileo-IOV衛星的拯救工作，軌道高度增加了3500km，但并非Galileo的工作軌道，軌道周期與傾角也不相同，能否用于提供正常的衛星導航服務尚沒有明確的結論；再加上1顆Galileo-IOV衛星因電源故障于2014年4月失效，使能夠投入運行服務的Galileo衛星可能只有23顆。因此，2016年歐洲Galileo衛星的采購數量也將受上述2個因素的影響，有可能達到7顆。

3 俄羅斯

截至2015年12月31日，俄羅斯在軌導航衛星28顆，其中GLONASS－M衛星26顆，GLONASS－K1衛星2顆，提供定位、導航與授時服務的衛星23顆，全部為GLONASS－M型號。

自2011年底GLONASS系統全面恢復以來，除2014年因系統故障造成2次服務短時中斷外，俄羅斯基本保證了GLONASS系統的穩定運行與服務，提升了俄羅斯在全球定位、導航與授時領域的地位和全球影響力。而且，更加開放的態度也使GLONASS系統的發展受益。然而，受2014年烏克蘭沖突的影響，西方國家對俄羅斯進行了制裁，其中包括停止提供GLONASS－K衛星研發所需的抗輻射加固器件，使GLONASS-K衛星的研制受到重大影響。

2015年3月，俄羅斯航天系統公司（RCS）與信息衛星系統-列舍特涅夫公司（ISS Reshetnev）共同宣布，將研發全部由俄羅斯部件組成的GLONASS－K衛星。俄羅斯航天系統公司首席執行官Andrew Tyulina稱：俄羅斯計劃盡可能快地在GLONASS衛星上停止使用采購自國外的電子器件，計劃在2019年前使GLONASS衛星電子器件的國產化率達到80%。

負責GLONASS系統衛星研發的俄羅斯信息衛星系統-列舍特涅夫公司CEO稱：自主研發GLONASS－K2所需的抗輻射加固器件至少需要1～2年的時間。為此，將繼續生產7顆GLONASS－K1衛星，使該型號衛星數量達到9顆，而不是原計劃的2顆，以滿足GLONASS系統維持與發展的需要。

GLONASS－K衛星在俄羅斯GLONASS系統的未來發展中占有非常重要的位置，是GLONASS系統全面融入全球衛星導航體系，提升俄羅斯在全球定位、導航與授時領域地位的重要支撐。GLONASS分為2個型號，即GLONASS－K1和K2，按最初的研發計劃，GLONASS－K1為試驗衛星，用于衛星結構、功能、新信號與新技術的試驗與驗證。GLONASS－K2為工作星，計劃采購數量27顆，用于替代現役的GLONASS－M衛星，并將GLONASS系統空間段擴展為30顆衛星組成的星座。

4 日本

2015年1月9日，日本發布了新的航天基本計劃。在計劃的第四章“航天政策的具體措施”中明確指出：強化航天在安全保障領域的應用，強化日本的導航、通信和情報收集等航天系統。具體講，要確立QZSS的7星體制，實現“持續導航”能力，以此為前提討論如何在安全保障方面的有效運用。

QZSS發展路線圖

日本新的航天基本計劃指出：2020年QZSS的首顆衛星“指路”（Michibiki）將到達設計壽命，因此應從2015年開始研制“指路”的后續衛星，維持由4顆衛星組成的QZSS。2017年將著手研制新增的3顆衛星，并于2023－2024年使上述衛星投入運行，完成能夠提供連續導航定位能力的、由7顆衛星組成的QZSS。

因此，日本政府已經明確了發展由7顆衛星組成的QZSS計劃，2024年前完成系統部署。

與首顆QZSS衛星“指路”相比，第2～4顆QZSS衛星在導航信號上有一定變化，主要變化為地球靜止軌道（GEO）衛星增加了主要用于災難與應急管理的短信服務。

第2～4顆QZSS衛星將在2016－2017年間發射，完成在軌測試后，計劃于2018年投入運行，主要為日本與亞太地區提供GPS增強服務，并播發自主導航信號，提高定位、導航與授時服務的性能。

5 印度

繼2014年印度IRNSS取得重要進展后，2015年印度繼續穩步推進IRNSS系統的建設。2015年3月28日，印度成功發射了第4顆IRNSS衛星，使IRNSS系統衛星數量達到4顆。雖然印度IRNSS系統的建設已經取得了一些成就，然而與其計劃于2016年完成7顆衛星組成的IRNSS系統的部署，并投入運行仍有較大差距。為此，2015年11月，印度宣布加快IRNSS系統的部署，于2016年3月底前發射3顆IRNSS衛星，完成系統部署，以保證IRNSS系統于2016年投入運行。

印度IRNSS系統的發展開始于2006年，同年5月印度政府批準了IRNSS計劃，投資約3.5億美元建設由7顆GEO軌道和傾斜地球同步衛星軌道（IGSO）的衛星和地面控制段、用戶段組成的區域導航衛星系統，使印度擁有完全自主的軍事與民用衛星導航能力。

IRNSS衛星采用與印度氣象衛星卡帕娜-1 （Kalpana－1）相似的平臺，質量約為1370kg，太陽電池總功率1600W。有效載荷包括2個40W的固態功率放大器、時鐘管理與控制單元頻率發生與調制單元、導航處理器、信號發生器和原子鐘等。導航頻率選用S頻段（2492.08MHz）和L頻段（L5，1176.45MHz）。

與其他衛星導航系統大多選擇L頻段播發導航系統不同，印度IRNSS系統在L5頻段和S頻段各播發1個軍用信號和1個民用信號，以滿足印度軍事與民用衛星導航服務的需求。