2020 年國外導航衛(wèi)星系統發(fā)展綜述

劉春保 武珺（北京空間科技信息研究所）

2020 年，國外共進行了4 次導航衛(wèi)星發(fā)射，成功發(fā)射導航衛(wèi)星4 顆。其中，美國2 次，成功發(fā)射全球定位系統－3（GPS－3）衛(wèi)星2 顆；俄羅斯2 次，成功發(fā)射格洛納斯－M（GLONASS－M）衛(wèi)星1 顆、GLONASS－K1 衛(wèi)星1 顆。

截至2020 年底，國外在軌運行并提供導航服務的衛(wèi)星89 顆，其中，美國GPS 系統31 顆，俄羅斯GLONASS 系統23 顆，歐洲“伽利略”（Galileo）系統24 顆，日本“準天頂衛(wèi)星系統”（QZSS）4 顆，“印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統”（IRNSS）7 顆。

1 美國—系統更新、換代與前沿關鍵技術研發(fā)并行推進，增強性能優(yōu)勢，鞏固主導地位

整體來看，在衛(wèi)星導航領域，2020 年美國聚集于兩個方面的發(fā)展，其一是GPS 系統現代化計劃的持續(xù)推進，包括空間星座的更新、換代與新一代運行控制系統（OCX）的研發(fā)與部署；其二是未來衛(wèi)星導航領域新概念與前沿技術的發(fā)展與驗證。

截至2020 年底，美國GPS 系統在軌衛(wèi)星32 顆，其中31 顆提供定位、導航與授時（PNT）服務，包括GPS － 2R 衛(wèi) 星8 顆，GPS － 2RM 衛(wèi) 星7 顆，GPS－2F 衛(wèi)星12 顆，GPS－3 衛(wèi)星4 顆。

GPS－3 系列衛(wèi)星—構建GPS 系統服務性能與導航戰(zhàn)能力優(yōu)勢

截至2020 年底，美國已經簽署了32 顆GPS－3系列衛(wèi)星的采購合同，包括GPS－3 衛(wèi)星10 顆，GPS－3F 衛(wèi)星22 顆。

與GPS－2F 衛(wèi)星相比，GPS－3 衛(wèi)星的主要功能與能力增量包括：增加了L1 頻段的互操作信號L1C；設計壽命增加至15 年；定位精度提高3 倍，抗干擾能力提高8 倍。

GPS－3F 衛(wèi)星示意圖

在GPS－3 衛(wèi)星的基礎上，GPS－3F 衛(wèi)星還將增加如下功能與能力：點波束信號功率增強能力，可同時實現全球任意兩個區(qū)域的點波束信號功率增強，波束功率增強區(qū)域直徑1000km；在軌升級與信號重構能力；V 頻段高速星間/星地鏈路功能；增加激光反射器陣列，以增加軌道與位置測量精度；搜索與救援（SAR）載荷。

導航技術衛(wèi)星－3—前沿關鍵技術發(fā)展的先鋒

導航技術衛(wèi)星－3（NTS－3）項目由兩部分組成：空間飛行演示驗證部分，即NTS－3 衛(wèi)星，主要驗證GPS 衛(wèi)星未來發(fā)展所需的有效載荷關鍵技術；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，以及對抗環(huán)境下支持GPS 系統安全、穩(wěn)定運行的關鍵技術。

2017 年6 月，美國空軍研究實驗室（AFRL）及太空與導彈系統中心（SMC）將價值9500 萬美元的地面控制系統授予了布萊克頓技術公司（Braxton）；2019 年1 月，將價值8400 萬美元的衛(wèi)星合同授予了L3-哈里斯技術公司（L3-Harris），計劃于2022 年發(fā)射，開展為期1 年的在軌演示驗證活動。

NTS－3 在軌概念圖

NTS－3 項目開展的關鍵技術驗證如下。

1）衛(wèi)星導航系統新的運行控制方案與技術：在其海外運行控制設施損毀或被破壞時，僅利用美國本土的基礎設施即可支持GPS 系統可靠、穩(wěn)定運行；增強GPS 系統的抵御賽博攻擊的能力。

2）先進原子鐘技術：可選項目包括美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）的汞離子鐘和空軍研究實驗室的改進型銣原子鐘，目標是汞離子鐘的頻率穩(wěn)定性達到10-16，改進型銣原子鐘的頻率穩(wěn)定性較現役銣鐘提升10 倍，為滿足分米級、厘米級定位精度提供支持，并驗證原子鐘的抗輻射加固技術。

3）軍用高增益天線、先進L 頻段放大器技術：用于支持點波束信號功率增強，并應用于GPS－3F 衛(wèi)星，實現GPS 軍用信號20dB 的點波束信號功率增強。其中，先進L 頻段放大器的目標是效率增加至60%，輸出功率達到400W（當前約為200 ～250W）。

4）在軌升級與信號重構技術：研發(fā)可在軌重新編程的數字波形生成器，結合導航有效載荷數字化技術、軟件無線電技術驗證靈活的抗干擾、抗欺騙技術，滿足未來先進信號的處理要求，增加系統彈性；在原頻點和新頻點播發(fā)新導航信號的技術，將有效提升GPS 系統的抗干擾、抗欺騙能力，還將增強GPS 系統滿足任務或需求變化的能力，有效降低GPS 系統未來的升級成本，縮短新功能、新信號的部署周期。

總體來看，美軍希望通過NTS － 3 項目實現GPS 系統三方面的能力提升：

1）提升PNT 服務性能，為自動駕駛、物聯網（IoT）等高精度需求提供分米級、厘米級的支持；

2）增強導航戰(zhàn)能力，包括抗干擾、抗欺騙能力，在軌升級和信號重構能力、信號功率增強能力、賽博安全能力等；

3）增強滿足任務或需求變化的能力，降低系統維持、發(fā)展成本，縮短新功能、新信號的部署與形成作戰(zhàn)能力的周期。

2 月，NTS－3 項目通過了美國空軍的初步設計審查；隨著美國天軍的成立，4 月，NTS－3 項目已經轉由美國天軍航天器管理局負責；6 月，NTS－3項目通過關鍵設計評審，進入衛(wèi)星生產、測試階段。

OCX 系統是GPS 系統安全、穩(wěn)定運行的屏障

新一代OCX 系統是GPS 現代化的重要組成部分，目標是：①全面滿足現代化GPS 系統空間段的運行、控制與管理要求，保證空間星座新增功能與能力的運行與實現。②保證GPS OCX 系統的賽博安全。賽博安全是最重要的能力增量，是對抗環(huán)境下保證GPS 空間星座各項功能與能力運行和實現的基礎。在網絡空間已經成為重要作戰(zhàn)域的背景下，OCX 系統的賽博安全能力正在成為保障衛(wèi)星導航系統與服務正常運行、保證衛(wèi)星導航系統運行控制權的必要條件。

M 碼軍用信號是GPS 現代化的重要內容，但由于OCX 系統的拖延，M 碼軍用信號遲遲不能投入使用。2020 年初，洛馬公司（LM）完成了M 碼早期使用（MCEU）能力交付，使GPS OCX 系統具備了軍用M 碼信號的監(jiān)測、測試等能力，使美軍可以籍此開展M 碼信號與應用裝備的測試與試驗，為M碼軍用信號的投入使用、軍用M 碼裝備的發(fā)展提供支持。

2 歐洲—推進系統全面運行，啟動下一代系統研發(fā)

2020 年，歐洲分兩個方面推進Galileo 系統的發(fā)展，其一是穩(wěn)步推進第一代Galileo 系統的建設；其二是謀劃第二代Galileo 系統的發(fā)展。

穩(wěn)步推進系統建設，持續(xù)改善系統技術

Galileo-FOC 衛(wèi)星示意圖

近年來，Galileo 系統的發(fā)展屢遭挫折，使歐洲航天局（ESA）更加重視Galileo 系統的技術驗證，提升Galileo 系統可靠性。除對Galileo-FOC 衛(wèi)星導航有效載荷進行全面無線電特性測試外，還利用1 顆Galileo-IOV 衛(wèi)星進行了導航有效載荷的裝配、檢測等工藝的全面測試與驗證，以提升Galileo 在研衛(wèi)星的可靠性。

目前，ESA 正在推進12 顆Galileo-FOC 衛(wèi)星研制工作，計劃2021 年利用阿里安－6（Ariane－6）運載火箭進行3 次發(fā)射活動，發(fā)射6 顆Galileo-FOC衛(wèi)星，使Galileo 系統投入全面運行。

啟動下一代系統研發(fā)，即將授出下一代衛(wèi)星合同

7 月，歐盟委員會批準了未來7 年（2021 －2027 年）歐洲太空預算，計劃撥款132 億歐元（約合152 億美元），主要用于Galileo 導航系統和“哥白尼”（Copernicus）計劃的繼續(xù)實施。其中，Galileo 系統獲得80 億歐元，約占61%。

8 月，ESA 啟 動 首 批 新 一 代Galileo 衛(wèi) 星 的招標活動，預計2021 年初向空客防務與航天公司（Airbus）、德國不萊梅軌道高技術系統股份公司（OHB system）和泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）三家公司中的兩家授予平行合同，兩家中標企業(yè)各自制造2 顆衛(wèi)星。ESA 在2021 － 2027 年的7 年周期內總計采購、生產12 顆衛(wèi)星，首顆第二代Galileo 衛(wèi)星最早于2024 年發(fā)射。

靈活的、數字化有效載荷將成為新一代Galileo衛(wèi)星的重要能力增量，此舉將有效提升Galileo 系統的信號精度，并為發(fā)展在軌升級與信號重構能力奠定基礎，提升適應任務與需求變化的能力。此外，新一代Galileo 衛(wèi)星裝備新型原子鐘，以提升Galileo 系統PNT 服務性能。新一代Galileo 衛(wèi)星的質量將從上一代的733kg 增加至2400kg，達到中大型衛(wèi)星的水平，也預示著新一代Galileo 衛(wèi)星將發(fā)生重大變化，值得重點關注。

3 俄羅斯—完全自主的衛(wèi)星研發(fā)取得突破，星座全面更新啟動

2020 年， 俄 羅 斯 進 行 了2 次GLONASS 衛(wèi)星發(fā)射，成功發(fā)射GLONASS － M、K1 衛(wèi)星各1顆。截至2020 年底，GLONASS 系統在軌衛(wèi)星28顆，其中，提供導航服務的衛(wèi)星23 顆，包括22 顆GLONASS－M 衛(wèi)星，1 顆GLONASS－K1 衛(wèi)星。

俄羅斯正在擴展GLONASS地面運行控制系統，目前已有的地面運行控制系統主要由2 個系統控制中心、9 個參考站、6 個任務上行站和3 個激光測距站組成，支持GLONASS 系統運行的其他基礎設施還包括：3 副32m 口徑、2 副7m 口徑的望遠鏡，1 部地面冷原子光鐘和50 個天文與大地測量網絡站等。

將粗濾的黃刺玫果汁與白砂糖按一定比例調配,加熱煮沸至蔗糖溶解后,加入儲液罐中并攪拌均勻,通過板框壓濾得到黃刺玫果汁飲料。當飲料的色澤、口感、氣味和各項檢測指標均符合要求(見表6)時,進行灌裝。預先把瓶和瓶蓋殺菌,將制備好的果汁罐裝,果汁溫度不低于85℃。采用手動壓蓋機封蓋。以防漏氣,封蓋時果汁溫度不低于70℃。封蓋后通過UHT超高溫瞬時滅菌機滅菌(115℃、10s),自來水噴淋冷卻至室溫。

自2014 年以來，受西方國家制裁的影響，GLONASS－K 系列衛(wèi)星的研發(fā)嚴重拖延。同時，由于2016 年以來俄羅斯的航天預算大幅減少,也對GLONASS－K 系列衛(wèi)星的研發(fā)產生了不利影響。在俄羅斯的不懈努力下，2019 年GLONASS － K系列衛(wèi)星的研發(fā)已基本完成，并于2020 年啟動了GLONASS 系統空間星座的全面更新與升級活動，計劃于2025 年完成全部由GLONASS － K 系列衛(wèi)星組成的空間星座，提升更有競爭力的全球衛(wèi)星導航服務。

GLONASS － K1 采用改進的星載原子鐘，穩(wěn)定度達到5×10-14，未來將達到10-15量級，增加了L3 頻段民用碼分多址（CDMA）信號；增強型GLONASS － K 是GLONASS － K1 的改進型號，增加了4 個CDMA 信號，同時還增加了星間鏈路載荷與測試用新型原子鐘，其設計壽命也由原來的10年增加至12.5 年，對降低GLONASS 系統的維持與發(fā)展成本、提升系統服務的連續(xù)性、穩(wěn)定性和系統發(fā)展的可維持性具有重要意義；GLONASS－K2是GLONASS－K 系列衛(wèi)星的最后一個型號，新的CDMA 信號、星間鏈路、新型高精度星載原子鐘等將成為其標準配置的有效載荷與能力，其中，光學星間鏈路技術處于全球領先狀態(tài)。

新的GLONASS － K2 衛(wèi)星將使俄羅斯衛(wèi)星導航系統的精度從3 ～5m 提高到1m 以內。俄羅斯計劃在2021 年發(fā)射第一顆GLONASS － K2 衛(wèi)星，該衛(wèi)星質量約1800kg，是GLONASS － K1的2 倍。目前在軌運行的24 顆衛(wèi)星中，只有2顆 是GLONASS － K1 衛(wèi) 星， 另 外22 顆 是 舊 的GLONASS－M 衛(wèi)星。到2030 年，GLONASS 星座將完全由24 顆GLONASS－K2 衛(wèi)星組成。

GLONASS－K1 型衛(wèi)星

4 日本與印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統發(fā)展

自2017、2018 年分別完成QZSS 系統首階段部署和IRNSS 系統星座更新后，日本與印度全面推進各自區(qū)域衛(wèi)星導航系統應用的發(fā)展，特別是軍事領域的應用發(fā)展。

目前，在日本海上自衛(wèi)隊中，已有布雷艦、潛艇、搜救艦各2 艘搭載了QZSS 系統，并已完成試運行。2021 年，日本計劃將為4 艘護衛(wèi)艦搭載該系統，其中包括2 艘“云級”（Izumo-class）直升機母艦。其他護衛(wèi)艦、潛艇、飛機等也將依次引入QZSS 系統，并且日本防衛(wèi)省還著手將QZSS 用于陸上自衛(wèi)隊和航空自衛(wèi)隊的裝備。同時，日本積極推進QZSS 系統第二階段的部署，衛(wèi)星研發(fā)工作穩(wěn)步推進。預計，2023年將完成7 顆衛(wèi)星組成的QZSS 系統的全面部署與運行，并啟動自主衛(wèi)星導航服務，擺脫對美國GPS 系統的依賴。

在完成IRNSS 系統的全面部署并投入運行后，印度積極推動IRNSS 系統應用的發(fā)展。印度空間研究組織（ISRO）和美國的衛(wèi)星導航芯片制造商高通公司（Qualcomm）合作開發(fā)了一款支持IRNSS 系統的芯片“驍龍”（Snapdragon），該芯片旨在支持IRNSS 系統，以實現IRNSS 導航在手機、汽車和物聯網平臺的地理定位能力方面的應用。

5 結語

從衛(wèi)星導航領域發(fā)展的角度看，民用服務性能的提升與軍事導航戰(zhàn)能力的增強是衛(wèi)星導航技術發(fā)展的主要驅動因素。其中，導航戰(zhàn)能力的增強是未來衛(wèi)星導航技術發(fā)展的重點。

提升民用服務性能—滿足未來自動駕駛、智慧城市等高精度需求

星載原子鐘技術與導航信號數字化技術是目前提升民用服務性能的兩個主要技術方面。

作為時間測距體制的衛(wèi)星導航系統，星載原子鐘性能的提升是改善服務性能的重要途徑之一。目前，全球衛(wèi)星導航系統普遍采用的磁選態(tài)原子鐘技術（包括磁選態(tài)銣鐘、銫鐘與被動氫原子鐘）已基本達到其性能極限，提升空間有限。美國GPS－3 衛(wèi)星已經率先采用了脈沖光抽運銫束鐘，其頻率穩(wěn)定度與準確度均明顯提升（約半個數量級），使GPS － 3 衛(wèi)星空間信號測距誤差達到0.5m（原為0.7m）。

導航信號數字化技術可有效地減少導航信號處理、放大過程中產生的失真，提高信號精度。GPS － 3 衛(wèi)星的導航有效載荷的數字化率已經達到70%，GPS － 3F 將達到100%；在第二代Galileo系統發(fā)展中，歐洲也啟動了導航信號與導航有效載荷的數字化研發(fā)，將有效提升未來Galileo 系統的服務性能。

導航戰(zhàn)技術—未來軍事PNT 能力的基礎

導航戰(zhàn)技術是提升、增強戰(zhàn)場或對抗環(huán)境下衛(wèi)星導航系統服務能力最重要的手段之一，在一定程度上代表著衛(wèi)星導航系統的先進程度與服務的可用性和穩(wěn)健性。因此，導航戰(zhàn)技術與能力已經成為擁有自主衛(wèi)星導航系統與能力的國家/地區(qū)爭相發(fā)展的關鍵技術。

而提升服務性能與增強導航戰(zhàn)能力是未來衛(wèi)星導航系統發(fā)展的兩個重要趨勢。服務性能是未來衛(wèi)星導航應用領域的核心競爭能力，是未來衛(wèi)星導航應用市場份額的重要支撐；導航戰(zhàn)能力是保證國家安全、國防安全的重要基礎，是未來強對抗信息化聯合作戰(zhàn)環(huán)境下，軍事PNT 能力的重要支撐，是重要的軍事使能能力。