國外導航衛星發展回顧

劉春保（北京空間科技信息研究所）

國外導航衛星發展回顧

2016 Year in Review: Foreign Navigation Satellites

劉春保
（北京空間科技信息研究所）

2016年，國外共進行8次導航衛星發射活動，成功8次。其中美國1次，成功發射了1顆全球定位系統－2F（GPS－2F）；歐洲2次，成功發射了6顆“伽利略-全運行能力”（Galileo-FOC）衛星；俄羅斯2次，成功發射了2顆全球導航衛星系統－M（GLONASS－M）；印度3次，成功發射了3顆“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）。截至2016年底，國外在軌運行導航衛星85顆，在軌運行并提供導航服務的衛星66顆，其中，美國GPS系統31顆，俄羅斯GLONASS系統23顆，歐洲“伽利略”（Galileo）系統11顆，日本“準天頂衛星”（QZS）1顆（主要提供GPS增強服務）。

2016年國外導航衛星成功發射數量（按國家統計）

1 引言

2016年國外導航衛星在軌數量（按國家統計）

2016年，美國持續保持GPS系統運行與服務的穩定，成功完成了最后1顆（第12顆）GPS－2F衛星的發射，計劃于2017年使M碼軍用信號、L2C和L5民用信號投入使用，增強GPS系統的軍事服務能力及其全球民用市場的競爭能力。然而，GPS－3衛星與新一代“運行控制系統”（OCX）研發的拖延，使GPS空間星座更新、補充與GPS系統運行控制段能力建設造成了很大影響，使研發成本持續增加，對GPS系統的可用性、可持續性構成了潛在的威脅。據美國國會國防委員會的評估結果，新一代“運行控制系統”研發成本已經從原計劃的15.3億美元增加至53億美元，違反了納恩-麥柯迪法案（Nunn-McCurdy Act）。截至2016年9月，因經費問題，新一代“運行控制系統”的研發處于停擺邊緣。美國國防部部長已向國會闡明了新一代“運行控制系統”的重要性，但在國會批準新經費前，新一代“運行控制系統”的研發仍將處于停滯狀態。2016年12月，美國總統奧巴馬批準了2017財年國防預算，全額批準了國防部關于“運行控制系統”的經費申請，為“運行控制系統”經費之爭畫上了一個令美國軍方滿意的句號。同時，為支撐GPS系統的未來發展，美國空軍啟動了第3顆“導航技術試驗”（NTS－3）衛星的研發，目標是試驗、驗證將用于未來GPS衛星的關鍵技術。

歐洲加快了Galileo-FOC衛星的部署，2016年成功完成了2次發射任務，發射衛星6顆，使Galileo系統在軌運行衛星數量達到18顆，完成了系統初始運行能力部署，并成功進行了首次“一箭四星”發射。12月15日歐洲方面宣布∶Galileo系統投入初始運行。

俄羅斯保持GLONASS系統運行的穩定，成功發射了2顆GLONASS－M衛星，并積極推進新一代GLONASS－K衛星的研發。西方國家制裁的效果初步顯現，首顆GLONASS－K2衛星的發展已經推遲至2018年，2020年完成主要由GLONASS－K衛星組成的空間星座，并將星座衛星數量擴展至30顆目標的實現難度加大。

2016年，印度成功完成了3顆IRNSS衛星的發射，在軌運行衛星數量達到7顆，完成系統部署。IRNSS系統預計于2017年投入運行。

2015年1月發布的《日本航天基本計劃》確定了發展由7顆衛星組成的QZSS系統的目標，3顆新增衛星的研制活動將于2017年啟動，計劃于2024年完成7顆衛星組成的QZSS系統的部署。

2 美國

GPS系統已經實施現代化計劃，未來的空間段、地面段使系統擁有星上信號功率可調、高速星間星地鏈路、導航戰點波束增強等新的功能與能力。

目前，GPS系統空間段采用27軌位基線擴展星座，截至2016年底，在軌工作衛星31顆，包括12顆GPS－2R衛星、7顆GPS－2RM衛星和12顆GPS－2F衛星。至此，GPS系統空間星座全部由具有星間鏈路和自主導航能力的衛星組成，擁有全面的180天自主導航能力；擁有播發M碼軍用信號能力的衛星19顆，具備了M碼信號初步投入運行服務的能力。

“運行控制系統”的部署直接影響到美軍能否在2017年前實現M碼軍用信號和L2C、L5民用信號投入使用。在GPS現代化計劃中，上述導航信號是增強GPS系統導航戰能力與增強GPS系統在全球衛星導航應用市場競爭能力的關鍵。

未來GPS系統空間與地面體系（OCX＋GPS－3衛星）

首顆GPS－3的發射可能推遲至2018年進行，此后以每年約2顆的速度發射，2033年左右構成全部由GPS－3組成的空間星座。屆時，GPS系統空間段將由8顆GPS－3A、8顆GPS－3B和16顆GPS－3C組成，具備GPS現代化計劃規定的全部能力。

隨著GPS現代化計劃的逐步推進，美國空軍已經啟動了未來GPS系統關鍵技術的研發、驗證工作，美國空軍于2015年啟動了導航技術試驗－3（NTS-3）項目，主要任務是測試、驗證用于支撐未來GPS系統發展的新概念與新技術，計劃于2022年發射，開展為期1年的空間飛行演示與驗證工作。

3 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。該系統由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，每個軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。

2016年完成了6顆Galileo-FOC衛星的部署，12月15日，歐盟委員會（EC）與歐洲航天局（ESA）共同宣布∶歐洲Galileo衛星導航系統投入初始運行，使歐洲成為全球第4個擁有完全自主的衛星導航能力的地區（國家）。目前，Galileo系統在軌衛星18顆∶提供導航服務衛星11顆，試運行衛星4顆，在軌測試衛星2顆，停止工作衛星1顆，其中，可提供搜索救援服務衛星12顆。

Galileo-FOC衛星由德國不萊梅軌道高技術系統股份公司（OHB）和英國薩瑞衛星技術公司（SSTL）組成的團隊聯合研制，采購22顆衛星。衛星采用模塊化設計，整個衛星分為7個模塊，分別為∶有效載荷核心模塊、時鐘系統模塊和天線模塊，上述3個模塊構成衛星的有效載荷單元；另外4個模塊為別為∶平臺核心模塊、中心模塊、推進模塊和太陽電池模塊，上述4個模塊構成衛星的平臺單元。

Galileo-FOC衛星的主要有效載荷包括∶時間子系統、任務上行子系統、導航信號生成子系統、射頻放大子系統、搜索救援子系統和激光反射器陣列等。

時間子系統由2部無源氫鐘、2部銣鐘和時鐘監測與控制單元組成，均采取產生10.23MHz的基準頻率。星上溫度控制系統保證時間子系統的環境溫度在很小的范圍內變化，以改善其穩定性。

2017年1月19日，ESA發布Galileo衛星星鐘故障通告，9部原子鐘故障，包括3部銣鐘、6部氫鐘，涉及“伽利略-在軌驗證”（Galileo-IOV）衛星3顆、Galileo-FOC衛星2顆。ESA稱，此次故障對Galileo初始服務未造成影響。計劃于2017年8月進行的Galileo-FOC衛星發射推遲3個月至2017年11月進行。

任務上行子系統接收來自于外部區域完好性系統（ERIS）和Galileo地面運行控制段的加密數據。數據接收采用具有6個并行信道的碼分多址（CDMA）接收機，接收到的數據傳輸至公共安全單元進行解密。

Galileo系統在E5、E6和E1（L1）頻段播發10個導航信號，提供免費服務、商業服務、生命安全服務、公共特許服務和搜索救援服務。

歐洲Galileo-FOC衛星在軌飛行示意圖

2016年11月，在俄羅斯索契召開的第11屆全球衛星導航系統國際委員會（ICG）上，歐洲代表宣布了未來2～3年Galileo系統的服務計劃。按照該計劃，Galileo系統于2016年底前投入初始運行，提供開放服務、公共授權服務和搜索救援服務的初始能力；2018年，將全面提升開放服務、公共授權服務和搜索救援服務的服務能力，商業服務投入被動運行。

為保證Galileo系統于2020年前投入全面運行，2016年ESA重新定義了Galileo系統全面運行能力的星座狀態，星座衛星數量從原來的“27顆工作星＋3顆備份衛星”調整為“24顆工作星＋備份衛星（不確定數量）”。該調整表明∶在僅完成4顆Galileo-IOV衛星和22顆Galileo-FOC衛星采購的條件下，2020年前，歐洲已經不可能完成30顆衛星組成的Galileo系統空間段部署，重新定義Galileo-FOC星座狀態是保證Galileo系統于2020年前投入全面運行的很必要保證。

歐洲Galileo系統服務計劃

但是，按照已經采購的26顆衛星（4顆Galileo-IOV，22顆Galileo-FOC）的當前狀態看，在已經發射的18顆衛星中，1顆Galileo-IOV衛星因電源故障已停止工作，首次發射的2顆Galileo-FOC衛星因運載火箭問題沒能進入預定軌道，能否正常提供導航服務還未最終確定（按Galileo系統初始運行狀態信息，上述2顆衛星處于測試狀態，不能提供導航服務）。因此，至2020年，Galileo系統工作衛星的數量能否達到24顆尚存在不確定性。

歐洲Galileo-FOC衛星主要參數

歐洲Galileo系統服務性能

4 俄羅斯

截至2016年底，俄羅斯在軌導航衛星27顆，其中GLONASS－M衛星25顆、 GLONASS－K1衛星2顆；可提供定位、導航與授時（PNT）服務的衛星23顆，其中GLONASS－M衛星22顆，GLONASSK衛星1顆。

2016年，俄羅斯進行了2次GLONASS衛星發射，成功發射了2顆GLONASS－M衛星，較好地保證了GLONASS系統運行與服務的穩定。從GLONASS系統星座維持與更新的情況看，自2011年底GLONASS系統全面恢復運行以來，特別是自2014年以來，在僅發射5顆GLONASSM衛星的條件下保持了GLONASS系統的穩定，表明GLONASS衛星在軌工作壽命已經得到了較好地解決，不再需要頻繁地補充與更新發射就可以基本保證系統運行與服務的穩定。

俄羅斯在軌導航衛星組成

俄羅斯GLONASS－K衛星發展路線圖

受2014年烏克蘭沖突的影響，西方國家對俄羅斯進行了制裁，其中包括對GLONASS－K衛星所需抗輻射加固器件的禁運。為此，俄羅斯調整了GLONASS－K衛星的發展計劃，將原計劃的GLONASS－K1和K2兩個型號增加了一個過渡型號，即增強型GLONASSK衛星，在不改變GLONASS－K衛星發展目標的前提下，形成了GLONASS－K衛星新的研發計劃。

新的碼分多址信號、星間鏈路、新一代高精度星載原子鐘、提高設計壽命是GLONASS衛星發展的重點，其中設計壽命、星鐘穩定度等指標基本與美國GPS－3衛星相當，光學星間鏈路則處于領先地位。由此可以看出，俄羅斯發展全部由本國部件組成的GLONASS－K衛星的計劃已經全面走上軌道。雖然受此影響，GLONASS系統現代化計劃被推遲，但是相信完全自主的GLONASS系統更加符合俄羅斯的利益。

5 日本

2015年1月，日本新的航天基本計劃確定了發展由7顆衛星組成的“準天頂衛星系統”（QZSS）后，明確了QZSS系統兩步走的發展路線。第一步，2018年前完成由1顆地球靜止軌道（GEO）衛星＋3顆傾斜地球同步衛星軌道（IGSO）衛星組成的空間星座；第二步，2023年前完成7顆衛星組成的QZSS部署，并投入運行。

與首顆“準天頂衛星”（Q Z S）—“指路”（MICHIBIKI）相比，第2、3、4顆QZS衛星在導航信號上有一定變化，主要變化為GEO軌道衛星增加了主要用于災難與應急管理的短信服務。

從目前的情況看，第2顆QZS衛星的發射時間已經推遲至2017年，為此，日本應在2018年年中之前完成第2～4顆QZS的發射，才能保證4顆衛星組成的QZSS系統能夠在2018年投入運行。

從QZS衛星看，GEO軌道衛星比IGSO軌道衛星增加了S頻段信號和用于播發S頻段信號的天線，發射質量也從4000kg增加至4700kg。

6 印度

自2006年5月9日批準IRNSS發展計劃，至2016年4月完成空間星座部署，印度用10年的時間完成了IRNSS系統的部署，較計劃的2011年推遲了5年。

2016年4月28日，第7顆IRNSS衛星發射成功，使印度成為全球第4個完成衛星導航系統部署的國家，并將IRNSS系統重新命名為“印度導航星座”（NavIC）。

IRNSS系統由空間段、地面控制段和用戶段組成，滿足覆蓋40°（E）～140°（E）、40°（S）～40°（N）區域的要求，提供標準定位服務和授權定位服務兩種信號，在L5與S頻段各播發一個標準定位服務信號和一個授權定位服務信號，標準服務定位精度優于20m（95%）。

日本QZSS系統發展路線圖

日本QZSS系統信號1）

日本QZSS系統的IGSO（左）與GEO軌道衛星（右）對比圖

IRNSS系統運行控制段負責IRNSS系統星座的維持與運行，系統地面控制段由2個“IRNSS系統導航中心”（INC）、2個“IRNSS衛星控制中心”（SCC）、9個“遙測、跟蹤與上行站”（IRTTC）、17個“測距與完好性監測站”（IRIMS）、2個“IRNSS授時中心”（IRNWT）、4個“CDMA測距站”（IRCDR）、“IRNSS激光測距站”（ILRS）和“數據通信網絡”（IRDCN）組成。

為了保證系統運行的安全、穩定，IRNSS系統還配備了1個主控站、1個備份主控站，其中主控站位于班加羅爾。主控站與備份主控站均由1個“IRNSS系統導航中心”和1個“IRNSS衛星控制中心”組成，負責IRNSS系統的運行管理，包括計算并預估導航衛星的軌道位置，計算系統完好性，修正空間電離層和星載原子鐘偏差，運行導航系統軟件；承擔衛星測控、指揮任務的還包括“遙測、跟蹤與上行站”等，負責監控衛星的健康狀態，接收衛星遙測信號同時上傳遙控指令、上行注入軌道參數、鐘差、電離層及對流層修正系數等導航電文信息；此外，17個承擔測距與完好性監測任務的“測距與完好性監測站”中15個部署在印度本土，2個部署在印度境外，分別是毛里求斯和比亞克島。

印度IRNSS系統組成

IRNSS衛星的精確軌道確定由“測距和完好性監測站”和“IRNSS激光測距站”共同完成，實現衛星的跟蹤和精確測量，估算衛星的軌道，監控星座的完好性，并把相關信息傳遞給主控站，用于星座衛星控制、衛星軌道預報等運行管理活動。

IRNSS系統星座由7顆衛星組成，包括3顆GEO軌道衛星和4顆IGSO軌道衛星。3顆GEO軌道衛星分別定位于34°（E）、83°（E）和132°（E）。4顆IGSO軌道衛星部署在2個軌道面，軌道傾角均為29°，2個軌道的升交點分別為55°（E）和111°（E），地面軌跡在赤道兩側對稱分布。

IRNSS衛星采用I－1000三軸穩定平臺，發射質量1425kg，與GPS和GLONASS系統第一代工作衛星相當，干質量614kg（其中有效載荷質量110kg），發射狀態尺寸1.58m×1.5m×1.5m，太陽電池功率1660W，配備一部容量90Ah的鋰離子電池，有效載荷功率900W。衛星的姿態確定與控制采用零動量系統，衛星設計壽命10～12年。

IRNSS系統的部署完成，使印度成為全球第4個完成衛星導航系統部署的國家，既為印度提供了寶貴的軍用衛星導航能力，也有助于增強印度全球航天大國的地位及其在全球衛星導航領域的影響力。

7 發展趨勢

新一代衛星導航系統論證啟動，重點是服務性能與導航戰能力

美國、歐洲均已啟動新一代衛星導航系統發展的論證工作。為此，美國空軍啟動了未來GPS系統關鍵技術的研發與驗證項目—導航技術試驗－3，主要內容包括∶在軌數字波形生成器技術、氮化鎵高效放大器技術、高增益區域增強的先進天線技術、星載原子鐘技術和利用星間鏈路實現GPS系統星座運行管理與控制技術，均為支撐導航戰能力與服務性能的關鍵技術。歐洲新一代衛星導航系統發展的咨詢、調研工作已經完成，正在開展需求固化、系統想定與成本效益分析的研究、論證工作，2019年將啟動系統與衛星的設計、研發活動。俄羅斯GLONASS－K衛星的發展計劃已經調整完畢，全部基于國產化器件的GLONASS－K2衛星的設計工作原計劃于2016年底前完成，重點是增強抗干擾能力、自主運行能力和服務性能。

導航戰能力與服務性能是支撐衛星導航系統在軍用與民用兩個領域競爭能力的核心。因此，新一代衛星導航系統的論證與發展必將以導航戰能力與服務性能為重點，從而增強或提升其在軍、民兩個領域的競爭優勢。

2015年，美國空軍啟動了導航技術試驗－3衛星項目，主要任務是測試、驗證用于支撐未來GPS系統發展的新概念與新技術，主要涉及3個方面，分別為在軌數字波形生成器（ORDWG）技術、氮化鎵高效放大器技術和用于實現高增益區域增強的先進天線技術等支撐導航戰能力的關鍵技術。

多系統共存的格局初步形成

隨著Galileo系統初始運行能力與IRNSS系統的部署完成，全球衛星導航領域多系統共存的格局已初步形成。至2020年，隨著Galileo系統、“北斗”全球系統、日本QZSS系統的部署完成，全球衛星導航領域多系統共存的格局將全面形成。屆時，全球衛星導航領域的競爭將更加激烈。同時，多系統應用已經成為軍用、民用衛星導航裝備發展的重要趨勢，這一特點在軍用導航裝備與先進的民用導航芯片產品中的表現尤其明顯。

目前，美國、歐洲、日本攜其在微電子技術、基本導航技術（如慣性導航技術等）以及資金與市場等方面的優勢，在全球衛星導航應用市場幾乎占據著絕對優勢。根據美國聯邦政府總務管理局（GSA）發布的《GNSS市場報告》統計結果，全球導航芯片、貼牌生產（OEM）板、高性能天線等核心產品的優勢供應商幾乎全部為美國、歐洲與日本企業。因此，其他衛星導航系統的擁有國如不能在衛星導航應用領域盡快取得突破，有可能被衛星導航應用市場邊緣化。

多源融合技術是未來軍事PNT技術與能力的重要保障

未來的戰爭是信息化條件下的戰爭，制信息權、制電磁權的對抗是其重要特征，PNT信息的播發、傳遞與獲取是電磁對抗、信息對抗的重要焦點。如何滿足對抗條件下的軍事高精度PNT需求，獲取對抗條件下的PNT優勢已經成為各種導航大國、強國追求的目標。

為滿足強對抗戰場環境的軍事PNT需求，在PNT體系概念的指導下，美國正在以衛星導航技術、自主導航技術為核心，不斷推動先進軍用導航技術的發展。在衛星導航領域，GPS系統抗干擾能力更強的軍用M碼信號即將投入使用，微PNT、量子導航、全源導航、偽衛星/信標等旨在滿足對抗條件下軍用PNT需求的基礎技術與多系統、技術和手段的多源融合技術的研發不斷推進，成為軍用PNT技術發展的重要方向和未來軍用PNT技術與能力發展的重要保障。

技術的創新與突破是支撐未來衛星導航發展與全球競爭能力的關鍵

從美國空軍的導航技術試驗－3項目看，為支撐新一代GPS衛星的發展，美國空軍將在軌數字波形生成器、氮化鎵高效放大器、高增益區域增強的先進天線、星載原子鐘和利用星間鏈路實現GPS系統星座運行管理與控制等技術，作為影響或決定GPS系統未來全球競爭能力與主導地位的關鍵技術。

同時，從關鍵技術的發展來看，隨著技術的不斷發展，目前衛星導航系統所采用的技術能力已經難以提升。如目前廣泛用于衛星導航系統的磁選態氫鐘、銣鐘與銫鐘的性能已經很難有所提升，而采用不同工作機理的GPS－3衛星采用的脈沖光抽運銫束鐘、NASA噴氣推進實驗室研發的汞離子鐘、天宮－2采用的冷原子鐘等，則在性能等方面擁有巨大的優勢與潛力。因此，技術的創新與突破是提升未來衛星導航系統服務性能與導航戰能力的關鍵，也是支撐未來衛星導航發展與全球競爭能力的關鍵。