2021年國外導航衛星系統發展綜述

武珺 劉春保 李俊博（北京空間科技信息研究所）

2021年，國外共進行3次導航衛星發射活動，均獲成功，發射導航衛星4顆。其中，美國成功發射全球定位系統—3（GPS—3）衛星1顆；歐洲“一箭雙星”成功發射改進型“伽利略-全運行能力”（GALILEO—FOC）衛星2顆；日本成功發射“準天頂衛星系統”（QZSS）首星替代星1顆，即準天頂衛星—1R （QZS—1R）；其他國家未進行導航衛星發射。

截至2021年12月，國外在軌運行并提供導航服務的衛星86顆，其中，美國GPS系統30顆，俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統23顆，歐洲“伽利略”（GALILEO）系統22顆，日本“準天頂衛星系統”4顆，“印度區域導航衛星系統”（IRNSS）7顆。

整體層面，美國、俄羅斯衛星導航系統進入換代發展階段；歐洲衛星導航系統預計于2022年完成第一代系統的全面部署。

1 美國—政策與系統建設協同推進，效能、效益高效發揮

2021年，在政策指導層面，美國發布《航天政策7號令》（SPD—7），即2021版《美國天基定位、導航與授時（PNT）政策》，強調美國必須不斷地改進和維護GPS及其增強系統，增強其補充備用能力，提升PNT服務彈性，以滿足其軍事、民用、商業及科學發展訴求。

在系統建設層面，美國在持續保持GPS系統穩定運行的基礎上，持續推進GPS—3系列新衛星的發射、在軌測試與部署，于6月17日成功發射第5顆GPS—3衛星，該星未來服役后，將使GPS空間段支持播發M碼信號的數量達到全球基線部署數量（24顆）；11月，美國天軍授予洛馬公司（LM）7.37億美元用以訂購第5、6、7顆GPS—3F衛星；GPS系統地面段方面，美國天軍于4月底授出價值2.28億美元的GPS下一代運行控制系統后續合同OCX 3F，用于OCX Block 1和2系統再升級，使其與未來系統空間段GPS—3F衛星功能相適配。

在天基導航前沿技術層面，導航技術衛星—3（NTS—3）所需的衛星平臺ESPAStar—D已經完成交付，但因空軍實驗室（AFRL）需要更多時間開展地面測試等原因，將原定于2022年的發射時間推遲至2023年；美國國家航空航天局（NASA）深空原子鐘的長期穩定度創空間原子鐘指標新紀錄，23天時長長穩可達3×10，相關技術有望用于提升未來GPS星鐘技術指標與服務能力；此外，低軌衛星導航技術相關研究成為領域熱點之一。

發布新版《美國天基定位導航與授時政策》，定位全球“領導地位”

2021年1月15日，美國前總統唐納德·特朗普在卸任前5天發布《航天政策7號令》。該政策體現了美國對PNT服務可用性、可靠性與穩健性要求的提高，以及對“導航戰”能力的高度重視；強調了負責任地使用PNT，構建PNT彈性，保障關鍵基礎設施運行安全；還首次將網絡安全問題寫入《航天政策7號令》，強調保證衛星導航系統運行、管理與應用安全的重要性。該政策取代了2004版《美國天基定位導航與授時（PNT）政策》，將對美國天基PNT系統、國家PNT體系，以及PNT關鍵技術、能力等的發展產生重大影響。

星座現代化推進順利，成功發射第5顆GPS—3衛星

2021年6月17日，第5顆GPS—3衛星由太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹—9（Falcon—9）成功發射。與GPS—2F衛星相比，GPS—3衛星增加了互操作信號L1C，增加搜索與救援功能，裝備新型脈沖光抽運銫束鐘使得時間系統精度得到有效提升，有效載荷數字化率達到70%，有效提高了導航信號的精度。

GPS—3衛星在軌示意圖（來源：LM）

第5顆GPS—3衛星將來投入運行后，將使得GPS星座中支持M碼播發的衛星數量達到24顆，這對美軍在全球范圍內、復雜環境中可靠獲取天基定位、導航與授時信息具有里程碑意義。未來，美國計劃于2026年前完成全部10顆GPS—3衛星的發射與部署，提升GPS系統軍事與民用服務的整體能力與競爭力。

2 歐洲—回歸全運行能力衛星組網征途，開啟“下一代伽利略”系統研發

2021年，在管理機構變更層面，成立了新的歐盟太空機構“歐盟航天計劃管理局”（EUSPA），負責管理“伽利略”系統、“哥白尼”（Copernicus）地球觀測衛星系統等的使用及市場的發展，并在確保所有方案安全性方面發揮更大作用。

在系統建設層面，歐盟自2019年“伽利略”系統大面積故障以來首次恢復導航衛星的發射，借助聯盟運載火箭以“一箭雙星”方式發射2顆GALILEO—FOC衛星；此外，歐洲航天局（ESA）分別與空中客車防務與航天公司（ADS）、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）簽訂第一批“下一代伽利略”導航衛星（G2）的制造合同，兩家公司分別制造6顆G2衛星，合同總價格14.7億歐元。

天基導航前沿技術方面，ESA開啟了G2衛星有效載荷測試相關工作，驗證G2的設計理念，預測可能出現的技術問題，為G2初步設計審查提供支持；此外，ESA簽署了12顆G2衛星及星載原子鐘的研發合同。

再啟衛星發射，全力推進“伽利略”系統全運行能力建設

早在2017年，“伽利略”系統就遭遇了原子鐘癱瘓問題；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；2020年12月14日，歐洲“伽利略”系統服務中斷6h。這一系列事件使得ESA愈發重視其衛星導航系統故障排查、導航衛星前沿技術的研發與驗證。

GALILEO—FOC衛星在軌示意圖（來源：ESA）

2021年12月5日， 伽 利 略 —27、28（GALILEO—27、28）導航衛星由聯盟號（Soyuz）運載火箭搭載從法屬圭亞那航天發射場成功發射。此次發射是“伽利略”空間星座第一代衛星第三批次共計12顆衛星中的前2顆，該批次是星座現有GALILEO—FOC的改進版本，衛星質量約為715kg，設計壽命12年，總承包商為德國不萊梅軌道高技術公司（OHB）。

授出G2衛星研制合同，積極布局系統未來發展

ESA于2020年啟動第一批（共計12顆）G2衛星的招標活動，同時將升級地面運控系統。ESA于2021年2月和5月分別與泰雷茲-阿萊尼亞航天公司以及空中客車防務與航天公司簽署了價值7.7億歐元和7億歐元的“下一代伽利略”衛星的研發合同，兩家公司分別研制6顆G2衛星。合同涉及新一代伽利略衛星的部署，首批衛星預計于2025年發射，數字化、在軌重構將成為其發展重點，同時集成先進原子鐘及全電推進系統，具備星間鏈路功能。

此外，歐盟“伽利略”系統G2衛星的硬件測試已開啟，測試活動的目標是驗證G2的設計理念，預測可能出現的技術問題，測試結果將為G2初步設計審查提供支持。

3 俄羅斯—以格洛納斯—K系列衛星的研發部署及導航衛星關鍵器部件的完全國產化為主要任務

近年來，俄羅斯已經基本完成了GLONASS-K系列衛星的研發與國產化任務，并于2020年底宣布“啟動利用GLONASS-K系列衛星進行系統空間星座的全面更新”，但受新冠疫情等多方面因素的影響，2021年未能發射、部署GLONASS-K系列衛星。

GLONASS—K1衛星在軌示意圖（來源：Sputnik）

“格洛納斯”系統星座現代化愿景良好，但建設速度慢于預期進度

截至2021年12月31日，“格洛納斯”系統在軌衛星25顆，包括23顆GLONASS—M衛星和2顆GLONASS—K1衛星，其中提供導航服務衛星23顆（22顆GLONASS—M衛星和1顆GLONASS—K1衛星），另有1顆處于在軌測試狀態，1顆暫時退出星座。

俄羅斯計劃2025年前完成星座的全面更新、升級，即用GLONASS—K系列衛星全面替換GLONASS—M型衛星，2030年將全面建成由GLONASS-K2衛星組成的空間星座。GLONASS—K系列衛星將進一步改善服務性能，提高衛星壽命，降低系統維護成本，同時，碼分多址信號的增加，可增強與其他衛星導航系統的兼容性與互操作性，有利于“格洛納斯”系統融入全球衛星導航體系，同時有益于“格洛納斯”系統空間星座衛星數量的擴展。當前，俄羅斯首顆GLONASS—K2衛星已經組裝完畢，正接受一系列機械、熱真空測試，原計劃于2021年第四季度發射的首顆GLONASS—K2衛星已推遲至2022年發射。

4 日本與印度區域衛星導航系統的發展

2021年，日本成功發射QZS—1R衛星，用以替換“準天頂衛星系統”空間段即將到期的首顆衛星QZS—1，維持星座服務的狀態。自2018年“準天頂衛星系統”投入初始運行并提供服務以來，日本積極推進“準天頂衛星系統”的軍事應用，在衛星導航服務、導航衛星平臺載荷搭載等方面加強與美國的合作，提升自身天基導航、態勢感知等方面的能力。日本計劃在2023年完成7顆衛星的工作體系，屆時可完全不再依靠美國GPS系統，而獲得獨立的衛星導航能力。

2021年，印度維持了其“區域導航衛星系統”的穩定運行；發布了《2021印度衛星導航政策》來指導政府組織有效開發、運行和維護自主控制的衛星導航系統及其增強系統，并拓展應用。該政策指出，在衛星導航和星基增強服務方面實現自力更生，重點是保障質量和可用性，提高使用率，促進服務和研發水平持續發展。

5 結語

當前，主要航天國家積極推進自身衛星導航系統的建設，主要衛星導航系統的現代化升級、星座更新工作不斷取得進展；與此同時，美、歐、俄均加強導航、時頻領域前沿顛覆性技術的培育，促進技術發展與能力生成。另一方面，多系統競合博弈格局已經形成，衛星導航應用市場的全球競爭將更趨激烈。

面向未來，衛星導航系統服務性能的進一步提升、導航戰能力的增強是衛星導航系統發展的必然趨勢。前者隨著以涉及生命安全的全球智能應用為代表的需求越來越強烈而顯得愈發重要；后者則始終是保障國家總體安全的重要基石與抓手。