2018年國外導航衛星發展綜述

劉春保（北京空間科技信息研究所）

2018年，國外共進行5次導航衛星發射活動，成功發射導航衛星8顆。其中美國1次，成功發射首顆全球定位系統－3（GPS－3）衛星；歐洲1次，成功發射“伽利略-全運行能力”（Galileo-FOC）導航衛星4顆；俄羅斯2次，成功發射全球導航衛星系統－M（GLONASS－M）衛星2顆；印度1次，成功發射“印度區域導航衛星系統”（lRNSS）衛星1顆。截至2018年底，在軌運行并提供導航服務的衛星共77顆，其中，美國GPS系統31顆，俄羅斯GLONASS系統24顆，歐洲Galileo系統18顆，日本“準天頂衛星系統”（QZSS）4顆（主要提供GPS增強服務）。

截至2018年底，四大全球導航衛星系統均已投入運行，其中GPS、GLONASS為全面運行狀態；“北斗”為全球基本系統服務狀態；Galileo系統為初始運行狀態，為用戶提供定位、導航與授時（PNT）服務，并可為GPS、GLONASS、“北斗”、Galileo等雙模、多模用戶提供高于單系統的定位、導航與授時服務能力。2個區域系統中，日本QZSS系統于2018年11月1日投入初始運行；印度發射lRNSS衛星1顆，替換了3部星載原子鐘全部失效的lRNSS－1A衛星，但尚未宣布投入運行服務。

1 美國

2018年12月4日，美國總統特朗普簽署了《國家授時安全與抗毀性法案》，要求交通部長在2年內建立GPS系統的地面備份授時系統，確保在GPS系統受損、退化、不可靠或不可用的條件下，為軍用、民用用戶提供可靠的高精度授時服務。該法案對備份授時系統提出的要求如下：

1）地面安裝并運行；

2）提供無線電信號；

3）廣域覆蓋；

4）提供精確的高功率100kHz信號；

5）與協調世界時（UTC）同步；

6）靈活且難以被破壞或降級；

7）可為地下或建筑物內部提供服務；

8）可部署至偏遠地區，并充分利用且未使用的“政府遠程導航系統”（Loran，簡稱“羅蘭”）的基礎設施和頻譜；

9）與同類定位、導航與授時系統（包括增強型“羅蘭”和國家差分GPS系統）協同工作；

10）可調整或擴展，以提供定位導航能力；

11）研發、建造和運行過程中借鑒可靠的商業經驗；

12）系統完全運行的時間不少于20年。

該法案的發布表明，美國定位、導航與授時體系的發展進入建設與部署階段。

2018年，美國持續保持GPS系統運行與服務的穩定。目前，GPS系統空間段采用27軌位基線擴展星座，截至2018年底，在軌運行并提供導航服務的衛星31顆，包括1顆GPS－2A衛星、11顆GPS－2R衛星、7顆GPS－2RM衛星和12顆GPS－2F衛星。

GPS現代化計劃取得重要進展。其一是首顆GPS－3衛星于2018年12月23日成功發射，使GPS系統進入跨代發展階段；其二是于2018年2月發布了GPS－3衛星后繼型號—GPS－3F衛星的征詢建議書，并于2018年9月將22顆GPS－3F衛星的研制合同授予了洛馬公司（LM），合同金額達到72億美元；第三是GPS新一代“運動控制系統”（OCX）完成2次賽博安全測試，拖延已久的OCX項目取得重大進展。

按照最初的GPS現代化計劃，GPS－3系列衛星分為3個型號，分別為GPS－3A、GPS－3B和GPS－3C，計劃研制數量為8顆GPS－3A、8顆GPS－3B和16顆GPS－3C衛星，以循序漸進的方式實現GPS－3系列衛星功能與能力的增加，最終達到水平0.5m、垂直1.2m的定位與導航精度，授時精度將達到1.3ns，具有靈活的信號功率分配能力，并提供高達20dB的區域增強能力，星-星與星-地間通信能力達到100Mbit/s。2017年底，美國空軍將GPS－3衛星調整為2個型號，即GPS－3和其后續型號GPS－3F。

GPS－3衛星

GPS－3衛星采用洛馬公司研發的A2100A平臺，發射質量3883kg，導航有效載荷有時間保持系統、任務數據單元和星間鏈路設備，增加了L1C信號與可編程波形生成器，定位精度優于1m，并為GPS－3系列后續型號衛星的發展預留了約250kg有效載荷空間與星上供電能力。

2018年2月，美國空軍導航與航天司令部在聯邦商業機會在線網站（www.fbo.gov）發布了GPS－3F衛星的征詢建議書（內容未公開），預計投入100億美元，采取“固定價格＋獎勵”的方式研發22顆GPS－3F衛星。美國空軍希望通過競爭的方式降低GPS－3F衛星的發展成本。但是，2018年4月，波音公司（Boeing）與諾格公司（Northrop Grumman）先后宣布退出GPS－3F衛星的競爭，最終只有洛馬公司提交了標書。波音公司宣稱：沒有提交建議書主要原因是美國空軍在招標文件中強調的是能夠滿足目前GPS要求的成熟生產技術，并未關注降低成本以及提升有效載荷性能和靈活性。諾格公司則表示：出于利益最大化的原則，放棄GPS－3F衛星項目。

2018年9月，美國空軍將22顆GPS－3F衛星的研發合同授予了洛馬公司，合同總金額72億美元。合同內容涉及衛星研發、發射與運行服務等4個方面的內容。

2018年，GPS新一代OCX系統的研發取得了重要進展，進行了2次重要的測試。第一次測試于2018年4月2日－13日進行，主要測試OCX系統對網絡攻擊的防御能力；第二次測試于5月16日－20日舉行，主要測試OCX系統的信息安全。

Galileo-FOC衛星在軌飛行示意圖

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，包括27顆工作星和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。

2018年，歐洲完成4顆Galileo-FOC衛星的部署，在軌衛星達到25顆，其中22顆Galileo-FOC衛星，3顆“伽利略-在軌驗證”（Galileo-IVO）衛星；18顆衛星提供導航服務，4顆處于測試狀態，2顆處于試驗狀態，1顆處于備份狀態。2017年采購的12顆Galileo-FOC衛星目前處于研制狀態，從歐洲航天局（ESA）公布的衛星發射計劃來看，新的發射活動計劃于2020年底左右啟動，2020－2021年進行4次“一箭雙星”發射。由此可以預計，Galileo系統投入全面運行的時間不會早于2021年（系統達到30顆衛星的滿星座運行狀態）。

Galileo系統發射部署計劃

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部被動氫鐘、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。

繼在第十一屆國際全球導航衛星系統委員會（ICG）會議上，歐洲代表宣布第二代Galileo系統戰略目標的論證與定義工作已經啟動后，在2018年召開的第十三屆ICG會議上，歐洲再次公布了第二代Galileo系統的發展計劃。與第一代Galileo系統相比，第二代Galileo系統將具有如下特征：自主運行、衛星壽命更長、系統與服務更加安全、接收機更加優化，以及系統的發展、維持與運行成本更低，同時具有足夠的兼容性與可擴展性。按該計劃，第二代Galileo衛星的發射活動將于2027年啟動。

英國“脫歐”對Galileo系統與英國衛星導航能力的影響持續發酵。2017年4月，歐盟即通過了不允許非歐盟成員國企業參與Galileo系統研發的協議條款。2018年5月，歐盟負責英國“脫歐”談判事務的官員米歇爾·巴尼耶表示：英國一旦“脫歐”，英國企業將不能再直接介入Galileo衛星導航系統的發展。

在2018年11月底舉行的二十國集團領導人峰會（G20峰會）上，英國首相特蕾莎·梅宣稱：“脫歐”后，英國將退出Galileo計劃，并謀求建立自主的衛星導航系統。目前，英國已經啟動了關于建立自主衛星導航系統的評估活動，預計投資9200萬英磅開展可行性研究。

如果英國成功“脫歐”，將對Galileo系統的發展與英國衛星導航能力產生不利的影響，有可能使Galileo系統的發展面臨資金短缺的問題。

3 俄羅斯

截至2018年底，俄羅斯在軌導航衛星26顆，其中GLONASS－M衛星24顆、GLONASS－K1衛星2顆；提供定位、導航與授時服務的衛星24顆，其中GLONASS－M衛星23顆、GLONASS－K衛星1顆。

2018年，俄羅斯進行了2次GLONASS衛星發射，成功發射GLONASS－M衛星2顆，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，GLONASS衛星的可行性與在軌工作壽命得到了較好地改善。自2016年以來，以較低的發射數量（3年僅發射5顆GLONASS衛星）保持了GLONASS系統星座與運行的穩定。近年來，GLONASS系統提供定位、導航與授時服務的衛星數量一般保持在23～24顆，有效提升了全球衛星導航領域多系統并存格局下GLONASS系統的國際地位與影響力，其在全球衛星導航應用領域的發展較好地證明了這一點。隨著GLONASS系統的恢復與多系統應用的發展，全球超過50%的衛星導航裝備使用了GLONASS系統，使GLONASS系統在全球民用市場的競爭中占據有利位置。

自GLONASS系統全面恢復以來，雖然俄羅斯較好地保證了GLONASS系統運行與服務的穩定，但GLONASS－K系列衛星的研發進展并不順利。受西方國家制裁與國際石油價格下跌的影響，2016年發布的俄羅斯《2016－2025年聯邦航天規劃》中，未來10年的航天預算約14000億盧布（約合216.6億美元），較2015年的預算方案減少了約30%。受經濟形勢惡化影響，俄羅斯2016年的航天預算僅為1045億盧布，約為2015年的63%（2015年為1658.14億盧布），2017、2018年均維持在與2016年相近的水平。雖然俄羅斯于2016年調整了GLONASS系統的發展計劃，但其進展似乎并不順利，2020年前利用GLONASS－K系列衛星全面更新GLONASS系統星座的設想已經全面推遲。

從近兩年GLONASS系統發展的情況看，雖然俄羅斯計劃于2016年完成GLONASS－K系列衛星的設計工作，但其衛星研制顯然受到西方國家制裁的影響，衛星所需的抗輻射加固器件的自主研發影響了該系列衛星的研發進度。為保證GLONASS系統運行的穩定，此前采購了9顆GLONASS－K1衛星將分別于2019、2020和2021年交付，以替換星座中的GLONASS－M衛星。另據GLONASS－K系列衛星的主承包商—信息衛星系統-列舍特涅夫公司（ISS Reshetnev）稱：首顆GLONASS－K2衛星計劃于2022年發射。因此，預計利用GLONASS－K系列衛星完成GLONASS系統空間星座更新的時間至少推遲至2024年左右。

GLONASS－K衛星發展路線圖

4 日本

在2017年完成QZSS第一階段的部署后，日本于2018年有效地開展了QZSS的測試與試驗工作，并于2018年11月1日宣布：QZSS投入初始運行。

按2015年日本新的航天基本計劃，QZSS的部署分2個階段進行，第一階段，于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部署；第二階段，2023年前完成7顆衛星組成QZSS的部署，并投入運行。

與首顆QZSS衛星—“指路者”（Mitibiki）相比，第2、3、4顆QZSS衛星的導航信號與服務有所增加，主要增加了L5的導航增強實驗信號，而GEO軌道衛星還增加了L1頻段與S頻段，用于災難救援與應急管理的短信服務。為此，QZSS系統GEO軌道衛星增加了用于播發S頻段信號與提供短信息服務的拋物面天線，發射質量4700kg，較IGSO軌道衛星增加700kg。

與其他衛星導航系統一般僅提供獨立的衛星導航服務相比，QZSS還提供GPS增強服務；同時，QZSS在L6頻段利用高數據率信號提供高精度的GPS增強服務，日本的測試結果稱定位精度可以達到6cm。這種自主導航系統與GPS增強系統相結合的方式，既構建了不依賴其他國家的衛星導航能力，又以衛星導航增強的方式滿足了高精度衛星導航服務的需求，是提升區域衛星導航系統效能的重要途徑。

從未來發展角度看，目前日本尚未推出新的衛星導航系統發展設想，主要工作圍繞在2023年左右完成7顆衛星組成的QZSS系統的部署工作進行。計劃于2020年發射2010年發射的首顆QZSS衛星的替代衛星，此外將于2023年前再發射3顆QZSS衛星，完成7顆衛星組成的QZSS系統的部署，實現QZSS系統的全面運行。

5 印度

2018年，印度成功發射1顆IRNSS－1I衛星，替換了3部星上原子鐘均發生故障的IRNSS－1A衛星，使IRNSS系統的7顆衛星均處于完好狀態。

從印度空間研究組織（ISRO）在2018年ICG大會發布的IRNSS系統報告看，IRNSS系統已經投入了應用，但印度官方至今尚未正式宣布IRNSS系統投入運行與服務。

IRNSS系統原計劃于2006年5月獲得印度政府批準，計劃耗資160億盧比（約合3.5億美元），發展由7顆衛星組成的空間段、地面運行控制段和用戶段組成的區域衛星導航系統，覆蓋印度及周邊1500km以內的區域，提供優于20m的定位精度，原計劃于2009年中期發射首顆IRNSS衛星，2011年完成系統部署。計劃雖拖延至2016年4月才完成星座部署，但7顆IRNSS衛星的發射全部成功，成功率達到100%，可謂比較順利。然而，星座部署完成后，先是2次共7部星上原子鐘發生故障，隨后的衛星發射又出現失敗，使2017年IRNSS系統的發展遭遇重大挫折。

在未來發展方面，IRNSS系統的重點任務包含2個方面，其一是本國原子鐘的研發，IRNSS衛星星鐘全部采購自歐洲瑞士光譜時間公司（SpT），研發完全自主的星上原子鐘，擺脫對國外的依賴是IRNSS系統發展亟待解決的問題；其二，目前IRNSS系統只在L5和S頻段各播發1個民用信號和1個授權服務信號，難以融入全球衛星導航體系。為此，印度正在研發L1頻段的“標準定位服務”信號，采用復合二進制偏移載波（MBOC（6，1，1/11））調制方式（該信號是全球衛星導航系統共同采用的互操作信號，GPS、GLONASS、“北斗”、Galileo等系統均計劃播發該信號），以更好地融入全球衛星導航體系。

6 韓國

2018年2月，韓國政府出臺航天發展5年規劃—《第三次航天開發振興基本計劃》（以下簡稱《基本計劃》），提出加快韓國自主衛星導航系統建設，目標是2034年完成“韓國衛星導航系統”（KPS）的建設。

KPS系統為區域衛星導航系統，空間星座由3顆GEO軌道衛星+4顆IGSO軌道衛星組成，計劃分3個階段完成系統建設。

第一階段（－2024年）：完成地面試驗設施建設（2023年前）、研發衛星導航載荷（2024年底前）、獲得導航信號頻率（2024年底前）。

第二階段（2024－2028年）：研發IGSO軌道導航衛星技術和地面運行管理技術，2028年前發射1顆IGSO軌道衛星（驗證星）。

第三階段（2028－2034年）：2034年建成KPS系統，發射3顆GEO軌道衛星和3顆IGSO軌道衛星，與此前發射的驗證星和地面系統共同構成KPS系統。

從功能與服務角度看，韓國KPS系統與日本QZSS系統十分相似，即提供自主導航服務+GNSS增強服務等2種服務，達到提供性能更佳、更穩定的導航服務，并通過星基增強與地基增強提供米級、亞米級的精確位置服務。

從《基本計劃》看，韓國衛星導航計劃的實現需解決2個關鍵性的問題，其一是導航頻率與衛星軌道位置的獲取。在衛星導航頻率資源與GEO軌位資源非常緊張的背景下，完成與現有衛星導航系統擁有國（國家集團）的頻率協調，并獲取3個GEO軌位資源具有一定難度。

從航天能力的角度看，韓國采取國際合作的方式發展KPS系統的可能性較高。由于衛星導航系統的特殊性，其合作方的選擇會受到諸多限制，從而增加了KPS系統發展的不確定性。