2013年國外導航衛星系統發展綜述

· 文| 北京空間科技信息研究所 劉春保 趙爽

2013年國外導航衛星系統發展綜述

· 文| 北京空間科技信息研究所 劉春保 趙爽

2013年，全球共進行導航衛星發射4次，其中美國1次，成功發射GPS-2F衛星1顆，俄羅斯2次（其中失敗1次，損失衛星3顆），成功發射GLONASS-M衛星1顆，印度1次，成功發射IRNSS衛星1顆。截至2013年12月31日，國外在軌運行導航衛星68顆，具體見圖1。

>> 圖1 2013年國外導航衛星在軌情況

一、發展概況

2013年，美國保持GPS系統的穩定與發展，穩步實施GPS系統現代化計劃，服務性能不斷提升，已經具有自主導航、星間鏈路、星上信號功率可調等能力。正在發展高速星間星地鏈路、點波束增強等能力，新一代導航信號（M碼軍用信號，L2C、L5民用信號）計劃于2017年前投入使用；GPS現代化計劃將于2025～2030年全面完成，保持全球領先地位。

俄羅斯繼續實施《GLONASS系統2012～2020年發展計劃》，在保持GLONASS系統穩定運行的同時，積極發展新一代GLONASS-K衛星，持續開展GLONASS系統地面控制段的改進，系統服務性能得到明顯提升。新一代GLONASS-K衛星將增加多個CDMA導航信號，并具有射頻與光學星間鏈路能力支持下的自主導航能力。至2020年，GLONASS系統空間段將擴展為30顆、且主要由GLONASS-K衛星組成的星座。

歐洲Galileo系統全面運行能力建設已經啟動，計劃于2015年左右完成Galileo系統初始運行能力建設，2018年左右完成全面運行能力建設，提供與目前GPS系統性能相當的服務。

印度計劃于2016年完成7顆衛星組成印度區域衛星導航系統（IRNSS）的部署，水平定位精度優于20m。日本于2018年完成4顆準天頂衛星組成的初始準天頂衛星系統（QZSS），即提供GPS增強服務，又提供自主導航服務。IRNSS與QZSS系統的發展使亞洲、太平洋地區的衛星導航服務競爭更趨激烈。

二、發展現狀

1.美國

截至2013年12月底，GPS系統在軌運行衛星有32顆，其中31顆提供服務，還有1顆GPS-2RM處于測試狀態，詳見圖2。隨著GPS現代化計劃的實施，GPS系統空間信號用戶定位誤差已經達到1.6m，是目前定位精度最高的導航衛星系統。

>> 圖2 GPS系統在軌運行并提供服務衛星

目前，美國正在發展GPS-3衛星，并進行地面控制段現代化改造。至2025年左右，主要由GPS-3衛星和新一代地面控制段（OCX）組成的GPS系統定位精度將達到0.5m，授時精度達到1.2ns，并具有星上信號功率可調、高速星間星地鏈路和20dB的點波束增強能力。

2.俄羅斯

截至2013年12月底，GLONASS系統在軌衛星28顆，其中24顆衛星提供服務，3顆為備份衛星，1顆GLONASS-K1衛星處于試驗、測試狀態。經過持續的改進，GLONASS系統服務性能得到明顯的提升。目前，GLONASS系統空間信號用戶定位誤差已經縮小至2.8m，計劃于2020年提升至0.6m。

目前，俄羅斯正在研發GLONASS-K2衛星，且已經啟動了新一代GLONASS-KM衛星的研制工作，詳見圖3。自GLONASS-K2衛星開始，GLONASS衛星將全面擁有射頻 ＋ 光學星間鏈路，為實現GLONASS系統的自主導航提供了重要條件。

>> 圖3 GLONASS衛星發展進程

歐洲已將首顆Galileo系統工作星（FOC）的發射推遲到2014年中期，要在2015年底前完成Galileo系統初始運行能力的建設還需完成14顆工作星的發射、測試與運行工作。而承擔Galileo工作星研制任務的德國OHB公司僅具有成功研制SAR-Lupe（合成孔徑雷達—放大鏡，由5顆衛星組成了德國軍用雷達成像偵察衛星系統）衛星的經驗，與空中空客集團（Airbus Group）、泰雷茲-阿萊尼亞公司等歐洲領先的航天企業相比，其衛星的研制、生產、測試能力尚有一定差距，能否保證全部14顆工作星的按期交付值得關注。

>> 圖4 Galieo發展路線圖

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。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，每個軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。迄今，歐洲已經發射了2顆實驗衛星和4顆在軌組網驗證衛星，分別為GIOVE-A、GIOVE-B試驗衛星，以及4顆Galileo-IOV在軌組網驗證衛星。

目前，Galileo系統只有4顆在軌驗證衛星在軌工作，執行在軌測試與驗證任務。按計劃，Galileo系統將于2014～2015年完成初始運行能力建設；2018年完成全面運行能力建設，詳見圖4。

4.日本

QZSS是日本正在研發與建設的天基導航增強系統，也是日本建設自主區域導航衛星系統的第一步。按最初的設想，日本區域導航衛星系統的建設將分兩個階段進行:第一階段，建設由4顆衛星組成的準天頂系統；第二步，建設由7顆衛星組成的區域導航衛星系統。

2010年9月11日，日本首顆準天頂系統衛星發射成功，并命名為“指路”。目前，該衛星已經投入運行服務。QZSS衛星主承包商為日本三菱電氣公司，衛星采用日本自主研發的靜止軌道通信衛星平臺DS2000，衛星質量4100kg，設計壽命10年。

準天頂系統部署完成并投入使用后，將極大地改善日本衛星導航信號的可見性，特別是改善城市峽谷效應，提高導航信號的可用性，滿足日本日益增長的衛星導航服務需求。

5.印度

印度IRNSS導航系統由3顆位于地球同步軌道、4顆位于地球傾斜同步軌道的衛星和地面控制段、用戶段組成，預計投資160億盧比（約合3.5億美元），覆蓋印度及周邊1500km以內區域，提供優于20m的定位精度。首顆IRNSS衛星已于2013年7月1日發射。

IRNSS衛星采用與印度氣象衛星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。導航頻段選用S頻段（2492.08MHz）和L頻段（L5，1176.45MHz）。

印度IRNSS系統有效載荷大多從國外采購，如衛星使用與伽利略系統相同的銣原子鐘，從瑞士采購。按計劃，印度將于2016年完成IRNSS系統的部署，并投入全面運行，為印度和周邊地區提供衛星導航服務。有消息稱，在完成IRNSS系統的部署后，印度計劃以IRNSS系統為基礎發展由18顆衛星組成全球衛星導航系統。

三、發展趨勢

1.導航衛星系統從GPS系統一家獨大到多系統共存

隨著GLONASS系統的恢復，北斗系統區域服務的正式運行，兩個系統展現出相當的活力和市場競爭力。許多知名的導航芯片、OEM與整機設備制造商競相開發相關產品，俄羅斯與中國政府也非常重視GLONASS和北斗用戶設備的研發， GPS系統“一家獨大”的局面正在發生改變。至2020年，隨著Galileo系統、北斗全球系統將部署完成，全球衛星導航領域將呈現GPS、GLONASS、Galileo與北斗四大系統并在的局面，在為衛星導航用戶提供更多選擇的同時，“一家獨大”的局面也將發生重大改變，多系統共存將使更多的用戶受益。

2.PNT體系或將成為定位導航與授時問題的最終解決方案

可提供全天時、全天候高精度定位、導航與授時（PNT）服務的衛星導航系統的出現，使全球PNT服務產生了革命性的變化，成為最重要的空間基礎設施。然而，固有的脆弱性和局限性決定了衛星導航系統不可能解決全部定位、導航與授時問題，不可能滿足全部PNT需求，特別是強對抗戰場環境條件下軍事行動的PNT需求。

為了解決單一導航系統的不足，美國首先提出了國家PNT體系概念。集成、融合各種可用PNT資源，靈活組合，互為冗余，優勢互補的國家PNT體系，能夠彌補單一系統能力的缺陷與不足，從而提供具有更高可用性、完好性、穩健性和可維持性的高精度PNT能力與服務。可以預見，PNT體系將是未來解決軍事與民用PNT問題的最終解決方案。

3.X射線脈沖星導航將成為解決衛星導航系統長期自主導航問題的關鍵技術

X射線脈沖星可以為地球軌道、深空探測和星際飛行航天器提供絕對的時間與空間基準，實現航天器的高精度自主導航，在深空探測和星際飛行中具有不可替代的作用，應用前景廣闊。同時，X射線脈沖星與探測技術研究即是X射線脈沖星導航研究的重要基礎，也是天體物理學、空間高能物理學的重要研究領域，X射線脈沖星導航研究將促進上述領域的研究與發展。

4.對抗環境下的衛星導航能力成為發展重點

制信息權、制電磁權的爭奪是未來信息化戰爭的重要特征，定位導航與授時信息的播發、傳播與獲取將成為重要的焦點。因此，對抗條件下提供定位導航與授時服務的能力將成為未來衛星導航系統發展的重點。目前，美國GPS系統已經擁有抗干擾能力更強的軍用M碼、自主導航和星上信號功率可調等導航戰能力，正在發展新一代高速星間星地鏈路、點波束等導航戰能力；俄羅斯正在發展星間鏈路和自主導航能力。強對抗條件下的定位導航與授時服務能力已經成為未來衛星導航系統發展的重點。

5.小型化、低成本是衛星導航系統維持、發展的重要保障

全球導航衛星系統空間段一般由約30顆在軌運行的衛星組成，隨著衛星性能的提升、功能的增加，導航衛星的研發、生產成本不斷增長，再加上地面控制段的研發與部署成本，以及系統運行、維護費用，使衛星導航系統的維持、運行與發展成本不斷攀升，已經成為限制或制約衛星導航系統發展的重要因素。截至2012年，GPS系統的總投入已經達到360億美元。按目前的計劃，2013至2030年，僅GPS星座的維持與發展就需投入約250億美元。

高昂的投入已經成為制約衛星導航系統發展的重要因素。可以預見，小型化、低成本、長壽命、高可靠將成為未來衛星導航系統可持續發展的重要保障。