2013年國外導航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)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(wèi)星系統(tǒng)發(fā)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(wèi)星發(fā)射4次，其中美國1次，成功發(fā)射GPS-2F衛(wèi)星1顆，俄羅斯2次（其中失敗1次，損失衛(wèi)星3顆），成功發(fā)射GLONASS-M衛(wèi)星1顆，印度1次，成功發(fā)射IRNSS衛(wèi)星1顆。截至2013年12月31日，國外在軌運行導航衛(wèi)星68顆，具體見圖1。

>> 圖1 2013年國外導航衛(wèi)星在軌情況

一、發(fā)展概況

2013年，美國保持GPS系統(tǒng)的穩(wěn)定與發(fā)展，穩(wěn)步實施GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化計劃，服務性能不斷提升，已經(jīng)具有自主導航、星間鏈路、星上信號功率可調(diào)等能力。正在發(fā)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(xiàn)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(xù)實施《GLONASS系統(tǒng)2012～2020年發(fā)展計劃》，在保持GLONASS系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，積極發(fā)展新一代GLONASS-K衛(wèi)星，持續(xù)開展GLONASS系統(tǒng)地面控制段的改進，系統(tǒng)服務性能得到明顯提升。新一代GLONASS-K衛(wèi)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(tǒng)空間段將擴展為30顆、且主要由GLONASS-K衛(wèi)星組成的星座。

歐洲Galileo系統(tǒng)全面運行能力建設已經(jīng)啟動，計劃于2015年左右完成Galileo系統(tǒng)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(tǒng)性能相當?shù)姆铡?/p>

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

二、發(fā)展現(xiàn)狀

1.美國

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

>> 圖2 GPS系統(tǒng)在軌運行并提供服務衛(wèi)星

目前，美國正在發(fā)展GPS-3衛(wèi)星，并進行地面控制段現(xiàn)代化改造。至2025年左右，主要由GPS-3衛(wèi)星和新一代地面控制段（OCX）組成的GPS系統(tǒng)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(diào)、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(tǒng)在軌衛(wèi)星28顆，其中24顆衛(wèi)星提供服務，3顆為備份衛(wèi)星，1顆GLONASS-K1衛(wèi)星處于試驗、測試狀態(tài)。經(jīng)過持續(xù)的改進，GLONASS系統(tǒng)服務性能得到明顯的提升。目前，GLONASS系統(tǒng)空間信號用戶定位誤差已經(jīng)縮小至2.8m，計劃于2020年提升至0.6m。

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

>> 圖3 GLONASS衛(wèi)星發(fā)展進程

歐洲已將首顆Galileo系統(tǒng)工作星（FOC）的發(fā)射推遲到2014年中期，要在2015年底前完成Galileo系統(tǒng)初始運行能力的建設還需完成14顆工作星的發(fā)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(wèi)星組成了德國軍用雷達成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng)）衛(wèi)星的經(jīng)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(yè)相比，其衛(wèi)星的研制、生產(chǎn)、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(fā)展路線圖

3.歐洲

Galileo系統(tǒng)是歐洲獨立發(fā)展的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務。Galileo系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)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(jīng)發(fā)射了2顆實驗衛(wèi)星和4顆在軌組網(wǎng)驗證衛(wèi)星，分別為GIOVE-A、GIOVE-B試驗衛(wèi)星，以及4顆Galileo-IOV在軌組網(wǎng)驗證衛(wèi)星。

目前，Galileo系統(tǒng)只有4顆在軌驗證衛(wèi)星在軌工作，執(zhí)行在軌測試與驗證任務。按計劃，Galileo系統(tǒng)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(fā)與建設的天基導航增強系統(tǒng)，也是日本建設自主區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的第一步。按最初的設想，日本區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的建設將分兩個階段進行:第一階段，建設由4顆衛(wèi)星組成的準天頂系統(tǒng)；第二步，建設由7顆衛(wèi)星組成的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。

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

準天頂系統(tǒng)部署完成并投入使用后，將極大地改善日本衛(wèi)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(wèi)星導航服務需求。

5.印度

印度IRNSS導航系統(tǒng)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(wèi)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(nèi)區(qū)域，提供優(yōu)于20m的定位精度。首顆IRNSS衛(wèi)星已于2013年7月1日發(fā)射。

IRNSS衛(wèi)星采用與印度氣象衛(wèi)星Kalpana-1相似的平臺，質(zhì)量約為1370kg，太陽電池總功率1600W。有效載荷包括2個40W的固態(tài)功率放大器、時鐘管理與控制單元、頻率發(fā)生與調(diào)制單元、導航處理器、信號發(fā)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(tǒng)有效載荷大多從國外采購，如衛(wèi)星使用與伽利略系統(tǒng)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(tǒng)的部署，并投入全面運行，為印度和周邊地區(qū)提供衛(wèi)星導航服務。有消息稱，在完成IRNSS系統(tǒng)的部署后，印度計劃以IRNSS系統(tǒng)為基礎發(fā)展由18顆衛(wèi)星組成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

三、發(fā)展趨勢

1.導航衛(wèi)星系統(tǒng)從GPS系統(tǒng)一家獨大到多系統(tǒng)共存

隨著GLONASS系統(tǒng)的恢復，北斗系統(tǒng)區(qū)域服務的正式運行，兩個系統(tǒng)展現(xiàn)出相當?shù)幕盍褪袌龈偁幜?。許多知名的導航芯片、OEM與整機設備制造商競相開發(fā)相關產(chǎn)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(fā)， GPS系統(tǒng)“一家獨大”的局面正在發(fā)生改變。至2020年，隨著Galileo系統(tǒng)、北斗全球系統(tǒng)將部署完成，全球衛(wèi)星導航領域?qū)⒊尸F(xiàn)GPS、GLONASS、Galileo與北斗四大系統(tǒng)并在的局面，在為衛(wèi)星導航用戶提供更多選擇的同時，“一家獨大”的局面也將發(fā)生重大改變，多系統(tǒng)共存將使更多的用戶受益。

2.PNT體系或?qū)⒊蔀槎ㄎ粚Ш脚c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(wèi)星導航系統(tǒng)的出現(xiàn)，使全球PNT服務產(chǎn)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(wèi)星導航系統(tǒng)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(zhàn)場環(huán)境條件下軍事行動的PNT需求。

為了解決單一導航系統(tǒng)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(yōu)勢互補的國家PNT體系，能夠彌補單一系統(tǒng)能力的缺陷與不足，從而提供具有更高可用性、完好性、穩(wěn)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(wèi)星導航系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)展。

4.對抗環(huán)境下的衛(wèi)星導航能力成為發(fā)展重點

制信息權、制電磁權的爭奪是未來信息化戰(zhàn)爭的重要特征，定位導航與授時信息的播發(fā)、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(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的重點。目前，美國GPS系統(tǒng)已經(jīng)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(diào)等導航戰(zhàn)能力，正在發(fā)展新一代高速星間星地鏈路、點波束等導航戰(zhàn)能力；俄羅斯正在發(fā)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(jīng)成為未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的重點。

5.小型化、低成本是衛(wèi)星導航系統(tǒng)維持、發(fā)展的重要保障

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)空間段一般由約30顆在軌運行的衛(wèi)星組成，隨著衛(wèi)星性能的提升、功能的增加，導航衛(wèi)星的研發(fā)、生產(chǎn)成本不斷增長，再加上地面控制段的研發(fā)與部署成本，以及系統(tǒng)運行、維護費用，使衛(wèi)星導航系統(tǒng)的維持、運行與發(fā)展成本不斷攀升，已經(jīng)成為限制或制約衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。截至2012年，GPS系統(tǒng)的總投入已經(jīng)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(fā)展就需投入約250億美元。

高昂的投入已經(jīng)成為制約衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的重要因素?？梢灶A見，小型化、低成本、長壽命、高可靠將成為未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。