國外衛星導航系統近期發展

2012年全球衛星導航領域發生了幾件值得一提的大事，包括美國“全球定位系統”（GPS）現代化計劃已進入到關鍵時期、俄羅斯批準了“全球導航衛星系統”（GLONASS）2012－2020年發展規劃，投資總額高達3465.9529億盧布（約合120億美元）；歐洲完成“伽利略”（Galileo）在軌組網驗證系統的部署，并將完成初始運行能力部署的時間提前至2014年；日本政府批準了“準天頂衛星系統”（QZSS）2020年前的發展計劃，預計投資34億美元，部署由3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和1顆地球靜止軌道（GEO）衛星組成的QZSS。

1 美國GPS

截至2013年1月31日，美國GPS系統在軌衛星31顆，包括GPS－2A衛星9顆，GPS－2R衛星12顆，GPS－2RM衛星7顆，GPS－2F衛星3顆。在31顆在軌的衛星中有21顆衛星（9顆GPS－2A、12顆GPS－2R衛星）處于超壽命運行狀態。目前，美國正加緊GPS－3衛星的研制工作。

GPS－3衛星研制進展

GPS－3是美國GPS現代化計劃的最后一步，分為3個階段，按衛星型號可分為GPS－3A、3B和3C，共包括8顆GPS－3A、8顆GPS－3B、16顆GPS－3C。2008年5月洛馬公司獲得研制GPS－3A的合同，而GPS－3B和3C衛星的合同則將分別于2013年和2015年授出。

2012年，GPS－3A衛星的研制取得了重要進展。2012年8月，國際電話電報公司（ITT）宣布GPS－3非飛行衛星測試臺（GNST）導航載荷測試階段已接近尾聲。GNST是GPS－3衛星的全尺寸樣機，可以在衛星集成和測試前發現并解決相關問題，從而減少衛星研制風險，改善項目的可預見性，保證任務按期完成，降低整體費用。與此同時，ITT公司也在進行GNST任務數據單元的熱真空測試，隨后被集成到GNST導航載荷面板上。

GPS－2F衛星

2012年11月，洛馬公司完成了GPS－3衛星有效載荷單元（NPE）的熱真空試驗，這是導航有效載荷諸多環境測試試驗的里程碑項目之一。測試完成后，GPS－3衛星的NPE將與GNST進行集成，進行最后的衛星整體測試。最后，GNST將交付佛羅里達州的卡納維拉爾角空軍基地，用于對衛星進行發射前的最后測試。

GPS－3A衛星采用洛馬公司的A2100M平臺，模塊化設計，三軸穩定姿態控制，設計壽命15年。衛星發射質量3883.06kg，入軌質量2271.36kg，衛星尺寸為246.38cm×177.8cm×340.36cm，衛星軌道確定精度1m。GPS－3A衛星太陽電池翼面積達到28.5m2，壽命末期功率為4480W，星上采用鎳氫電池。衛星姿態控制系統包括地球敏感器、太陽敏感器、反作用輪和磁力矩器等。星上推進系統包括1臺450N的遠地點發動機、12臺0.9N和6臺22.25N的推力器，攜帶燃料2351.7kg，用于衛星軌道與姿態控制。

GPS－3A衛星主要有效載荷包括：任務數據單元、3臺銣原子鐘、6臺導航信號發射器、射頻多路調制設備和天線等。與目前的GPS衛星相比，GPS－3衛星信號發射功率將增加3倍（點波束增強除外），抗干擾能力更強。

2012年8月，洛馬公司與雷聲公司共同完成了GPS－3衛星的首次發射準備試驗，這是成功發射首顆GPS－3衛星的重要保證。2012年1月，這兩家公司在洛馬公司賓西法尼亞工廠和雷聲公司科羅拉多工廠之間建立了安全的通信鏈路。技術人員可利用該鏈路傳輸GPS－3衛星和運行控制系統的信息，使雙方可以在項目的初期發現并解決項目集成中的問題，降低風險，節約資金。雷聲公司還可在衛星研制過程進行新一代運行控制段（OCX）的測試，而不必依賴GPS－3的模擬衛星。此次飛行準備試驗歷時3天，試驗了衛星指揮控制的基本功能，測試了軟、硬件接口，驗證了發射和早期入軌階段衛星通信必需的基本控制程序。

目前，美國空軍已經與洛馬公司簽訂了4顆GPS－3A衛星的采購合同。預計，GPS－3A衛星的首套導航有效載荷已于2013年2月完成生產，之后將交付給洛馬公司。然而，由于OCX建設的拖延，首顆GPS－3A衛星的發射時間已經推遲到2015年。

在洛馬公司緊鑼密鼓地進行GPS-3衛星研制的同時，波音公司也在抓緊GPS－2F衛星的生產。2012年6月，波音公司完成了第6顆GPS－2F衛星的生產，使處于存儲狀態的GPS－2F衛星達到3顆。波音公司共獲得了12顆GPS－2F衛星的采購合同，其中前3顆為成本補償合同，后9顆為固定成本合同。按計劃，波音公司將于2013年5月完成全部12顆GPS－2F衛星的生產。

OCX

GPS系統地面控制段的現代化是GPS現代化計劃的重要組成部分，其目標是滿足GPS衛星現代化不斷提高的控制與運行要求。GPS系統地面段現代化分為3個階段：精度改善活動（L-AII）、體系演進計劃（AEP）和OCX。

2012年6月，雷聲公司完成了GPS OCX軟件1.4版本的關鍵設計評審。2012年11月美國空軍航天與導航系統中心宣布，國防部長辦公室已經批準了OCX項目通過里程碑節點B審查，正式進入工程和生產研制階段。該OCX軟件Block I部分包含7個增量，能夠對現有GPS星座在軌衛星進行控制；Block II部分包含2個增量，主要用于對GPS－3衛星進行控制，并擁有很多新的能力。OCX軟件的1.4版本將提供GPS－3衛星的初始指揮控制能力，這是保證GPS－3衛星前3次發射所必需的。目前，GPS OCX軟件1.5版本的研發工作已經啟動，將實現GPS－3衛星的早期指揮控制能力，即發射和校驗系統（LCS）能力。

2012年1月，美國空軍授予洛馬公司一份價值2150萬美元的合同，用于提供發射與測試能力（LCC），為GPS－3衛星的發射到早期在軌測試提供指揮和控制。未來，該能力將集成到OCX中，以保證GPS－3衛星的發射。合同內容包括在衛星移交給空軍航天司令部之前，與OCX一起完成衛星發射、早期在軌運行和測試等任務，以及衛星運控人員的培訓等。

最遲將于2016年12月準備完畢的OCX系統在設計時并沒有考慮GPS－2A衛星的控制需求，而到2017年仍有6顆GPS－2A衛星在軌，因此，如何解決GPS－2A衛星的運行控制問題尚未最終確定。目前可能性較大的方案是由美國空軍向布拉克斯頓（Braxton）技術公司提供資金，由該公司實施GPS－2A衛星的控制。

2 俄羅斯GLONASS

2012年是GLONASS系統恢復運行的第1年，截至2013年1月31日，GLONASS系統在軌衛星29顆，包括28顆GLONASS－M衛星和1顆GLONASS－K1衛星，其中，23顆衛星提供服務，1顆處于測試狀態，2顆備份，3顆處于維護狀態。

GLONASS－K衛星

2012年3月3日，俄羅斯政府批準了《GLONASS系統2012－2020年維護、發展以及應用計劃》，總投資高達3465億盧布（約120億美元）。其中，2851.57億盧布用于GLONASS系統的發展與維護，并明確了用于支持應用、地圖制作與更新及接收、處理芯片與模塊發展的資金。GLONASS系統的更新、升級與發展是該計劃的重點，投入2851.57億盧布。

按計劃，在2012－2020年間，俄羅斯將發射35顆GLONASS衛星，其中GLONASS－M衛星13顆，GLONASS－K衛星22顆，基本實現利用GLONASS－K衛星進行星座更新的目標。同時，在GLONASS系統地面控制段現代化改造的基礎上，將擴展GLONASS系統地面測量站網絡，包括在俄羅斯境外建設地面測量站和差分站，特別是增強GLONASS系統對南半球的服務能力，提升GLONASS系統在民用市場的競爭能力。

加大應用領域的投資力度是《GLONASS系統2012－2020年維護、發展以及應用計劃》的又一重點，包括民用、特殊應用、地面制作與更新、處理芯片與模塊等，共計投入約413億盧布。2015年，俄羅斯將完成6種新型GLONASS芯片的開發，至2020年，俄羅斯國防部將擁有43種GLONASS導航應用產品，俄羅斯內政部等部門也將發展56種GLONASS導航應用產品。目前，意法半導體（ST）公司、高通公司等已經完成了可處理GLONASS系統信號的導航芯片的開發；三星、索尼等公司也推出了支持GPS、GLONASS系統的雙模導航手機，GLONASS系統應用正在走向國際市場。

Galileo-IOV衛星相關參數

3 歐洲Galileo

“Galileo-在軌驗證”系統完成部署

2012年10月12日，歐洲完成2顆“Galileo-在軌驗證”（Galileo-IOV）衛星的發射，實現了由4顆Galileo-IOV在軌組網驗證階段星座的部署。截至2013年3月，歐洲已發射Galileo衛星6顆，包括2顆試驗衛星GIOVE和4顆Galileo-IOV衛星。

Galileo在軌驗證系統由空間段、地面控制段、地面任務段及相關用戶設備或系統組成，空間段包括2個軌道面上的4顆衛星組成，每個軌道面2顆衛星，軌道高度23222km，軌道傾角56°，兩個軌道面的夾角120°。Galileo-IOV衛星的主承包商為阿斯特留姆德國公司，意大利泰雷茲-阿萊尼亞公司負責衛星的總裝與集成；德國航天局與意大利空間電信公司合作成立的Spaceopal公司負責系統的運行管理；地面支持活動由意大利泰雷茲-阿萊尼亞公司負責；地面控制段由阿斯特留姆英國公司負責；測試用戶段由泰雷茲航空電子公司（法國）和比利時斯普特公司負責；全球網絡由英國電信公司負責。

Galileo-IOV衛星采用經改進的“海神”（PROTEUS）小衛星平臺，衛星質量700kg，功率1600W，主要有效載荷包括2臺氫鐘、1臺銣鐘、時鐘監測與控制單元、導航信號發生單元、L頻段天線等。

Galileo衛星示意圖

歐洲已發射的6顆Galileo衛星在軌示意圖

Galileo在軌驗證系統地面段由地面任務站、地面控制站，以及跟蹤與遙測站、上行站、敏感器站和數據分發網絡組成。地面任務站位于意大利的富奇諾（Fucino），地面控制站位于德國的奧珀法芬霍芬（Oberpfaffenhofen），2個跟蹤與遙測站分別位于瑞典的基律納（Kiruna）和法屬圭亞那的庫魯，上行站和敏感器站網絡和連接所有Galileo系統地面設施的數據分發網絡。地面任務站和地面控制站將成為未來Galileo系統的2個主控中心，互為備份，以保證Galileo系統的安全運行。

歐洲調整Galileo系統發展計劃

2012年11月，在北京召開的第7屆全球導航衛星系統國際委員會（ICG）大會上，歐洲提交了新的Galileo系統發展報告，將完成Galileo初始運行能力建設的時間從2016年調整為2014年，也就是說，OHB公司與薩瑞公司必須在不足2年（考慮發射與發射前準備所需時間）的時間內，完成首批14顆Galileo衛星的生產、測試與發射準備任務。不論出于何種原因，此次伽利略系統初始運行能力建設時間的調整的力度、影響都是非常巨大的。

首先，對未來全球衛星導航系統的發展格局將產生巨大影響。目前，我國“北斗”系統已經完成區域階段的建設，全球階段的部署即將展開。如果Galileo系統能夠在2014年完成初始運行能力建設，則將改變其落后于“北斗”系統的狀態，從而對未來全球導航衛星系統的格局產生巨大影響。其次，Galileo工作星的研制、生產與測試任務將更加繁重。因此，OHB公司與薩瑞公司的衛星生產、總裝與測試能力將面臨更為嚴峻的挑戰；也將成為決定歐洲能否2014年完成Galileo系統初始運行能力建設的關鍵。同時，Galileo系統的發展也為OHB公司、乃至德國發展、壯大自己，提升其在歐洲航天領域地位的絕佳機會。

Galileo系統是歐盟的航天計劃中優先等級最高的項目。美國加利福尼亞大學微系統實驗室主任Addrei M. Shkel曾在2011年撰文指出“至少1000年內，導航與精密授時能力將一直是衡量國家軍事與經濟實力的一個重要因素”。因此，雖然Galileo系統的發展幾經坎坷，如2007年的特許經營權談判破裂、2011年Galileo系統中期評估中涉及的巨大資金缺口問題都不能動搖歐洲建立與發展獨立的全球導航衛星系統的決心。

4 日本QZSS

2010年9月11日，日本首顆QZSS衛星發射成功，并命名為“指路”（MICHIBIKI）。1年多的測試與運行表明，QZSS衛星的有效地提高了日本衛星導航服務的能力，如可用性從只有GPS時的90%，提高至99.8%；2011年2月19日6：00－12：30的測試表明，在QZSS的支持下，城市區域DGPS服務的可用性從39.5%提高至69.1%；利用QZSS的L1-SAIF信號，水平定位誤差從1.56m降低至0.46m，垂直定位誤差從3.85m降低至0.57m。

2012年9月21日，日本政府批準了由1顆GEO衛星、3顆IGSO衛星及其地面控制段組成的QZSS建設計劃，投資總額約34億美元，計劃于2018年前完成部署，并投入運行。最終，QZSS空間段可能擴展至由7顆衛星組成的星座。

5 結束語

未來10年將是全球衛星導航系統發展的關鍵10年。2020年，GPS現代化進入最后階段，系統星座將主要由GPS－3衛星構成，導航戰與抗干擾能力顯著增強，并提供更高精度、完好性、可用性的民用服務；GLONASS現代化計劃基本完成，具有與GPS系統相當的民用導航服務性能；Galileo與“北斗”全球系統完成部署，全面投入運行；日本QZSS、“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）的建設也將完成；全球導航衛星系統進入多系統共存的時代，性能與服務的競爭將成為導航衛星系統生存、發展的主線，民用用戶將成為這種競爭的最大受益者。

日本QZSS衛星