2015年世界導航衛星發展回顧

天　兵

2015年世界導航衛星發展回顧

天兵

2015年，全球共進行了10次導航衛星發射，全部獲得成功。其中，美國3次，發射了3顆GPS-2F衛星；歐洲3次，發射了6顆“伽利略-全運行能力”（Galileo-FOC）衛星；印度1次，發射1顆“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）衛星；中國3次，發射了4顆“北斗”衛星。俄羅斯沒有發射GLONASS導航衛星。

1　美國積極發展

3月25日、7月16日、10月31日，美國先后用德爾他-4和宇宙神-5火箭成功發射了第9、10、11顆GPS-2F導航衛星。

美國GPS-2F導航衛星

GPS-2F由波音公司研制，采用AS-4000平臺，尺寸2.49m×2.03m×2.24m，發射質量1,630kg，總功率1,900W，設計壽命12年。它載有2臺高穩定銣鐘和1臺單銫鐘，增加了L5為1176.45MHz的民用頻率，信號功率也提高10倍，并采用星間鏈路和自主導航新技術，使GPS衛星可自主運行60～180天，有助于商用航空和救援任務。增加L5頻率有利于保障民航安全，改善電離層延遲誤差修正；有利于載波相位模糊度的實時解算，削弱多路徑效應的影響等。其采用更先進的星上原子鐘，授時精度達到8ns。它的抗核打擊能力也有所提高，設計壽命進一步延長到15年，從而降低了成本。

目前，GPS軍用定位精度為1～5m，民用定位精度為6～12m。2016年2月3日，美國將發射最后1顆GPS-2F導航衛星。

從2017年開始，美國將開始發射新一代導航衛星GPS-3A，此后，美國的GPS布網頻率將會逐漸加快，而衛星的壽命更長，定位精度將會更高，抗干擾能力更強。

2　歐洲加速發射

3月27日、9月11日、12月17日，歐洲伽利略-全運行能力-FM3，FM4，FM5，FM6，FM7，FM8（也稱之為第7，8，9，10，11，12顆“伽利略”）導航衛星，先后3次以“一箭二星”方式由俄羅斯聯盟-STB/弗雷蓋特-MT運載火箭發射升空。

這些導航衛星都是由德國OHB系統集團公司建造，有效載荷由薩瑞衛星技術公司提供，每顆衛星重約717kg，尺寸2.91m×1.7m×1.4m，壽命末期功率1,900W，設計壽命12年。衛星上裝有4臺原子鐘：2臺氫鐘和2個銣鐘，氫鐘使用氫原子超穩定的1.4GHz躍遷，可實現每12h漂移小于0.45ns的定時精度；銣原子鐘的魯棒性和可靠性高，但精度低，每12h的精度為1.8ns。

歐洲“伽利略-全運行能力”導航衛星

歐洲阿里安航天公司未來還計劃發射14顆“伽利略”導航衛星，其中，2顆由1枚俄羅斯“聯盟”運載火箭發射，另外12顆分別由3枚阿里安-5運載火箭發射。

“伽利略”衛星導航系統是由歐盟主導的新一代民用全球衛星導航系統，由兩個地面控制中心和30顆衛星組成，衛星運行在3個夾角為120°的地球中圓軌道，每個面上有9顆衛星和1顆備份星軌道高度和傾角高于GPS，GLONASS，預定于2020年實現全部衛星組網。

3　印度穩步前進

3月28日，印度用“極軌衛星運載火箭”成功發射了印度區域導航衛星系統-1D，這是印度第4顆“印度區域導航衛星系統”衛星，達到了讓該衛星系統完全生效、使導航接收器能夠計算位置的最小衛星數量。

“印度區域導航衛星系統”最終由3顆地球靜止軌道衛星和4顆傾斜地球同步軌道衛星組成，其中，3顆地球靜止軌道衛星分別位于東經32.5°，83°，131.5°，4顆傾斜地球同步軌道衛星位于2個不同的29°傾角軌道上，經度跨越55°和111.75°，每個軌道上的2顆衛星相間180°，通過這樣的軌道設計，它能最大限度地提高覆蓋區域內的定位精度，并將所需衛星數量降到最低。預計在2016年前，印度還將發射3顆“印度區域導航衛星系統”衛星，從而建成總共由7顆衛星組成的“印度區域導航衛星系統”星座。

檢測印度區域導航衛星系統-1D

“印度區域導航衛星系統”衛星使用I-1K平臺，尺寸1.58m×1.5m×1.5m，設計壽命10年，發射質量1,425kg。干質量614kg，功率1,660W，壽命10年。每顆衛星裝有兩個有效載荷—— 一個導航有效載荷（包括高精度銣鐘）和一個測距有效載荷。導航有效載荷將向用戶發送導航服務信號，而測距有效載荷利用衛星上的C頻段脈沖轉發器幫助精確確定衛星的距離（衛星載有測距系統和角錐棱鏡，用于精確計算軌道）。衛星提供對所有用戶開放的標準定位服務和高精度授權用戶定位服務，精度10～20m。服務覆蓋南緯30°到北緯50°、東經30°到130°的區域。星座由1個大的核心運行中心和21個分布在印度的位置和跟蹤站支持。目前，印度境內已經建立多達15個地面站，負責導航參數生成和傳輸、衛星控制、衛星測距與監視等。

與美國的GPS系統類似，“印度區域導航衛星系統”是通過多顆導航星的測量值定位，不過，“印度區域導航衛星系統”的重點是為南亞和周圍水域進行導航，應用于海上交通、車輛與船舶的跟蹤、通信和測繪等民用領域，信號能夠覆蓋印度全境。

“印度區域導航衛星系統”衛星分布示意圖

它可為印度本國和印度大陸周邊1,500km的區域提供位置信息，包括供兩種服務：向所有用戶提供的標準位置服務和向授權用戶提供的受限服務。它能應用于陸地、航空、海洋導航、災難管理、車輛跟蹤和艦隊管理、移動電話集成、精確授時、繪圖和測繪數據采集、為旅行者提供陸地導航援助、為駕駛人員提供視頻和語音導航等。

鑒于衛星導航系統在軍民領域的廣泛使用，擁有本國的這類系統一直是印度孜孜不倦的追求，尤其是印度軍方一直希望能借助衛星導航系統提高精確制導武器的命中率。盡管印軍已分別同美俄簽訂獲取美國GPS和俄羅斯GLONASS導航系統軍碼的協定，但使用外國衛星導航系統的主動權畢竟不在自己手中，為此印軍一直是“印度區域導航衛星系統”的堅定支持者。

“印度區域導航衛星系統”與美國GPS系統和歐洲“伽利略”星座兼容，使用S頻段和L5頻段導航信號，未來還能進一步擴展，向全球提供導航服務，不過要打造這樣的全球版衛星導航定位系統，印度至少還需要再發射10多顆衛星。

4　中國新星亮相

2015年1月12日至16日，中國衛星導航定位應用管理中心與歐盟代表團在捷克布拉格舉行了“北斗”與“伽利略”衛星導航系統第4次頻率磋商會談。在本次會談中，歐盟代表團接受了中國衛星導航定位應用管理中心提出的頻率共用理念，同意在國際電聯框架下完成衛星導航頻率協調。至此，中歐導航系統結束了長達8年之久的頻率紛爭，雙方攜手走向共同發展。

3月30日、7月25日和9月30日，我國新一代“北斗”導航衛星—— 第17顆、第18顆、第19顆和第20顆“北斗”導航衛星陸續升空，這標志著我國“北斗”衛星導航系統由區域運行向全球拓展的啟動實施，為“北斗”衛星導航系統全球組網建設提供依據。衛星采用了以高精度星載原子鐘、星座自主運行等為代表的衛星載荷關鍵技術、以輕量化、長壽命、高可靠為典型特征的衛星平臺關鍵技術、以基于星地鏈路和星間鏈路的導航衛星運行控制關鍵技術，以及對關鍵器件部組件國產化的試驗驗證，為后續導航衛星研制、組網建設、在軌保障和相關事件分析積累數據。

3月30日升空的第17顆“北斗”發射總質量為800kg，運行在傾斜地球同步軌道。它用于新型導航信號體制、星間鏈路等試驗驗證工作，為“北斗”衛星導航系統全球組網建設提供依據。它采用輕量化結構設計和國產通用中央處理器（CPU）——“龍芯”和銣原子鐘，設計壽命達到10年以上。

吊裝新一代“北斗”

7月25日升空的第18顆、第19顆“北斗”運行在地球中圓軌道，與第17顆“北斗”導航衛星共同開展星間鏈路、新型導航信號等試驗驗證工作，并適時入網提供服務。

星間鏈路是指用于衛星之間通信的鏈路，通過星間鏈路可以將多顆衛星互聯在一起，實現衛星之間的信息傳輸和交換以及衛星的自主導航，有助于提高測定軌道和授時精度。采用該技術可減少地面測控站對導航衛星的信息上行注入等各方面的操作次數，減少對地面站的依賴，有效降低系統的運行管理成本。這一關鍵技術的攻克，不僅解決了星間高精度測量的難題，向建立全球衛星導航系統邁進了一大步，還大大提升了“北斗”全球衛星導航系統的自主可控能力。星間鏈路技術的突破，使我國建設全球衛星導航系統由“夢想在望”變為“成功在握”。

新一代“北斗”播發信號的數量比以往提高了2倍多，更好更快地滿足了用戶需求，開創性地在頻段播發導航信號進行試驗，開啟了“北斗”導航信號體制的新時代；采用了新型導航衛星平臺，該平臺為桁架式結構，提高了設備有效安裝面積，且縮減了衛星尺寸，減輕了結構自身重量，提高了平臺的功能；輸出功率比以往大，在國際同類衛星中居先進水平；首次采用了綜合電子體系構架，極大地簡化了設備間的接口，自主管理性能優異，使衛星的信息集成度大幅提升；首次在國內衛星中采用擴跳頻測控技術，極大地提高了衛星的安全性；首次在國內衛星中實現了多衛星數據的匯集和高速傳輸，使大數據駛入“高速通道”，將衛星上的數據及時傳遞下來等；實現98%的部件國產化，關鍵器部件均為“中國造”，為建設獨立自主的全球衛星導航系統鋪平了道路。

“新一代”北斗“整裝待發

9月30日升空的第20顆“北斗”運行在傾斜地球同步軌道，首次搭載了氫原子鐘，該產品的應用成“北斗”導航衛星發展史上的一個里程碑。星載氫原子鐘在“北斗”導航系統的應用可大幅提高導航精度、性能和自主維持能力，大幅降低了“北斗”導航系統對地面的依賴程度，延長了自主導航時間。

于2020年建成的“北斗”全球衛星導航系統從性能指標上，要比目前在軌運行的“北斗”區域衛星導航系統能提高1～2倍，定位精度最高水平可能將達到2～3m，衛星的壽命也將由8年延長到10～12年。它將推進國際合作，為“一帶一路”建設提供支撐。因為基礎設施互聯互通是“一帶一路”建設的優先領域，“一帶一路”要實現互聯互通，所以“北斗”系統可在信息聯網、精確位置、指揮監控等方面發揮自己的優勢。