2019年國外衛星導航系統發展綜述

劉春保

（北京空間科技信息研究所）

2019年，國外共進行了3次導航衛星發射，3次發射均取得成功，發射導航衛星3顆。其中美國1次，成功發射全球定位系統－3（GPS－3）衛星1顆；俄羅斯2次，成功發射格洛納斯－M（GLONASSM）衛星2顆。截至2019年年底，國外在軌運行并提供導航服務的衛星共85顆，其中，美國GPS系統30顆，俄羅斯GLONASS系統22顆，歐洲“伽利略”（Galileo）系統22顆，日本“準天頂衛星系統”（QZSS）4顆，印度“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）7顆。

1 美國—聚焦關鍵技術與未來發展，鞏固、提升GPS系統的主導地位

從GPS系統與衛星導航關鍵技術發展情況看，影響GPS系統未來發展的標志性事件包括：①首顆GPS－3衛星進入試運行狀態，即將投入使用；②新一代運行控制系統（OCX）成功完成賽博安全測試，開始部署監測接收設備；③繼2018年簽署GPS－3衛星后繼型號（GPS－3F）衛星研發合同后，2019年簽署導航技術衛星－3（NTS－3）研發合同，開展多項導航關鍵技術的空間飛行演示驗證。

GPS－3F衛星

GPS－3系列衛星—未來20年美國衛星導航能力的重要支撐

GPS－3系列衛星涉及2個型號32顆衛星，其中GPS－3衛星10顆，GPS－3F衛星22顆。按計劃，GPS－3系列衛星的發射將于2034年左右完成，構成全部由GPS－3系列衛星組成的星座。

與之前的型號相比，GPS－3衛星的功能與能力主要變化包括：①增加了L1頻段的互操作信號L1C；②設計壽命增加至15年；③定位精度是之前型號的3倍，抗干擾能力是原來的8倍。在GPS－3衛星的基礎上，GPS－3F衛星還將增加如下能力：①在軌升級與信號重構能力；②點波束信號功率增強能力；③V頻段高速星間/星地鏈路；④增加搜索救援功能；⑤激光反射器陣列，提高衛星軌道測量精度。

新一代OCX系統—導航戰能力的重要保障

新一代OCX系統是GPS運行控制段系統現代化改造的最后階段，目標是全面滿足現代化的GPS系統空間段的運行、控制與管理要求，保證GPS系統的運行安全。除支持空間段衛星的全部功能和能力外，其最重要的能力增量就是賽博安全能力。在網絡空間已經成為重要作戰域的背景下，運行控制系統的賽博安全能力正在成為衛星導航系統服務正常運行與運行控制權的重要保證。美國空軍為OCX系統設計了由5層防護結構組成的多層防御體系，分別為防火墻與入侵探測、公共關鍵信息與加密、安全操作系統、跨領域防護和安全代碼等。

NTS－3衛星示意圖

NTS－3項目—GPS系統未來發展的“鋪路石”

NTS－3項目是美國空軍開展的衛星導航技術演示驗證項目，計劃2022年發射并開展為期1年的空間飛行演示驗證。NTS－3項目由兩部分組成；一是空間飛行演示驗證部分，即NTS－3衛星，主要驗證GPS衛星未來發展所需的有效載荷關鍵技術；二是地面運行管理與控制系統部分，主要驗證僅利用美國本土的地面基礎設施完成GPS系統運行管理和對抗環境下支持GPS系統安全、穩定運行的關鍵技術。

2 歐洲—穩步推進系統建設，謀劃系統未來發展

“伽利略”系統建設穩步推進

截至2019年底，“伽利略”系統在軌衛星數量25顆，包括3顆“伽利略-在軌驗證”（Galileo-IOV）衛星和22顆“伽利略-全運行能力”（Galileo-FOC）衛星，其中1顆處于不可用狀態，2顆處于測試狀態，22顆提供導航服務。按計劃，新一輪發射將于2021年初啟動，最早于2021年底完成“伽利略”系統全面運行能力的部署。

同時，新一代“伽利略”衛星的發展已經啟動。新一代“伽利略”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、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。按計劃，新一代“伽利略”衛星的發射活動將于2027年啟動。

“伽利略”系統故障凸顯系統運行風險

2019年7月，“伽利略”系統發生系統級故障，系統服務全面中斷的時間超過140h，引起了各方的密切關注與對衛星導航系統與服務脆弱性的進一步擔憂。2019年11月，故障調查委員會向歐盟委員會提交了事件調查報告。報告認為：此次故障是在地面基礎設施冗余備份受限的情況下，由多個事件共同引發的，原因是：①地面基礎設施升級安裝的臨時設備處理不當；②設備技術異常；③受到異常影響的設備為非標準配置設備。

此次故障暴露出“伽利略”系統運行管理存在諸多問題。GPS、GLONASS系統的運行管理均由軍方負責，更加重視系統運行的安全性、穩定性和可靠性，系統運維效率也更高。此次“伽利略”故障即是由于管理方違背地面運行控制系統升級原則，同時對主控站與備份主控站進行升級，并且存在地面基礎設施臨時設備處理不當、設備技術異常等技術與程序上非常低級的錯誤。

“伽利略”系統發射部署計劃

3 俄羅斯 —打破西方制裁，GLONASS星座全面更新即將啟動

截至2019年底，GLONASS系統在軌衛星28顆，包括26顆GLONASS－M衛星和2顆GLONASS－K衛星，其中，提供導航服務衛星22顆，其余衛星處于測試、備份等狀態。2019年，俄羅斯克服了西方國家制裁和航天預算減少的影響，完成了GLONASS－K系列衛星的研發，2020年將全面啟動GLONASS－K系列衛星的發射，計劃于2025年完成全部由GLONASS－K系列衛星組成的空間星座的部署，完成GLONASS系統空間星座的全面升級。

GLONASS－K系列衛星包括3個型號，分別為GLONASS－K1、增強型GLONASS－K和GLONASS－K2。GLONASS－K系列衛星最重要的變化是增加碼分多址（CDMA）導航信號，以提升與其他衛星導航系統的兼容性與互操作性，提升GLONASS系統的競爭能力。從GLONASS－K系列衛星的發展角度看，俄羅斯高度重視GLONASS系統服務性能與導航戰能力的提升，也將成為GLONASS系統未來發展的重點。

GLONASS－K衛星發展路線圖

4 日本—積極推進系統應用，謀求自主衛星導航能力

2018年11月，QZSS系統投入運行與服務后，日本政府積極推動QZSS系統在民用領域和軍事領域的應用。2019年，日本海上自衛隊開展了QZSS系統應用的試驗活動，在2艘布雷艦、2艘潛艇和2艘搜救艦上部署了QZSS應用裝備，并開展了試驗、測試活動，還計劃于2021年在4艘護衛艦上部署相關裝備。

QZSS系統的部署分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年前完成由7顆衛星組成的QZSS系統的部署，并投入運行。

5 印度—初步擁有獨立的軍用衛星導航能力

獲得軍用衛星導航能力是印度發展IRNSS系統最重要的目標。2016年印度完成了由7顆衛星組成的IRNSS系統的部署；2018年印度成功發射1顆IRNSS衛星（IRNSS－1I），替換了失效的IRNSS－1A衛星，使IRNSS系統處于完好狀態。

6 發展自主衛星導航能力仍極具吸引力

韓國—振興航天產業，發展區域導航衛星系統

2018年2月，韓國政府發布的《第三次航天開發振興基本規劃》提出，韓國將加快自主的衛星導航系統建設步伐，并確定了2034年完成“韓國衛星導航系統”（KPS）建設的目標。KPS系統空間段由7顆衛星組成，包括4顆IGSO軌道衛星和3顆GEO軌道衛星。

英國—謀求發展自主衛星導航能力

2018年11月底舉行的G20峰會上，英國首相特蕾莎·梅宣稱：“脫歐”后，英國將退出“伽利略”計劃，并謀求建立自主的衛星導航系統。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。

從技術角度看，英國具備獨立發展衛星導航系統的能力。英國薩里衛星技術有限公司（SSTL）不但是Galileo-FOC有效載荷的主承包商，而且是首顆“伽利略”在軌驗證元素－A（GIOVE－A）衛星的主承包商，在導航衛星平臺與導航有效載荷研發等方面擁有豐富的經驗。

7 結束語

目前，國外衛星導航系統與技術的發展正在進入新的發展階段，即美、俄衛星導航系統已經或即將進入以導航性能的提升與導航戰能力的增強為核心的升級發展階段；歐洲、日本、印度衛星導航系統則以系統建設和應用拓展為重點，謀求系統建設與應用的協調發展。

服務性能是滿足未來市場競爭與需求的關鍵

未來，全球衛星導航領域市場的競爭進一步加劇。以未來高精度定位導航服務的核心應用領域—物聯網和自動駕駛為例，其對定位精度的要求可能達到厘米級。因此，服務性能成為未來衛星導航系統發展、競爭的重要焦點之一。通過裝備新一代脈沖光抽運銫束鐘、數字化導航有效載荷、激光反射器陣列（用于實現精確定軌）等技術手段，美國GPS－3系列衛星的定位精度將提升3倍；俄羅斯裝備新一代GLONASS－K系列衛星裝備高精度、小型化被動氫鐘原子鐘，并播發新的CDMA導航信號；歐洲正在積極開展空間冷原子鐘的研發，以提高時間頻率系統的精度與穩定度。

導航戰、時間戰能力是信息化聯合作戰能力的關鍵

從未來技術發展的角度看，滿足任務與需求變化的技術與能力，導航信號功率增強的技術與能力是未來強對抗戰場環境下，滿足軍用衛星導航服務需求的關鍵。滿足任務與需求變化技術與能力是衛星導航系統滿足未來軍用衛星導航需求快速發展、變化的核心能力之一，將增強衛星導航系統發展可維持性和經濟的可承受性。信號功率增強技術與能力則是緩解衛星導航系統脆弱性，增強衛星導航系統軍事服務抗干擾能力的支撐性關鍵技術。在NTS－3項目中，美軍開展了多個支撐信號功率增強、滿足任務與需求變化能力關鍵技術的研發與演示驗證。

賽博安全能力將成為導航戰、時間戰能力的核心支撐

作為賽博空間的組成部分，衛星導航系統的地面運行控制段與通信、指揮鏈路正面臨著日益嚴重的賽博安全問題。特別是在賽博空間成為與陸、海、空、天并列的作戰空間后，世界各國均在大力發展賽博空間作戰能力，賽博空間的作戰能力已經成為影響戰爭勝負的重要因素，衛星導航系統也必將成為敵方賽博攻擊的重要目標。

從衛星導航系統運行的角度看，衛星導航系統安全、穩定、可靠的運行需要地面運行控制系統的全面支持，如果運行控制系統不能有效地防御賽博攻擊，則衛星導航系統只能采取自主導航模式，而在此情況下，衛星導航系統的服務性能將隨時間的增加降低。從導航戰功能實現的角度看，當前衛星導航系統已經具備或正在研發的全部導航戰功能均需按照地面運行控制系統的指令運行，如果不能有效地防御賽博攻擊，運行控制系統將不能保證對空間星座、衛星實施有效的運行管理與控制，更不能保證按需求啟動上述導航戰功能。因此，賽博安全能力將成為運行導航戰功能與實現導航戰能力的重要支撐。