2015年世界導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展回顧

天　兵

2015年世界導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展回顧

天兵

2015年，全球共進(jìn)行了10次導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射，全部獲得成功。其中，美國(guó)3次，發(fā)射了3顆GPS-2F衛(wèi)星；歐洲3次，發(fā)射了6顆“伽利略-全運(yùn)行能力”（Galileo-FOC）衛(wèi)星；印度1次，發(fā)射1顆“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）衛(wèi)星；中國(guó)3次，發(fā)射了4顆“北斗”衛(wèi)星。俄羅斯沒(méi)有發(fā)射GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星。

1　美國(guó)積極發(fā)展

3月25日、7月16日、10月31日，美國(guó)先后用德?tīng)査?4和宇宙神-5火箭成功發(fā)射了第9、10、11顆GPS-2F導(dǎo)航衛(wèi)星。

美國(guó)GPS-2F導(dǎo)航衛(wèi)星

GPS-2F由波音公司研制，采用AS-4000平臺(tái)，尺寸2.49m×2.03m×2.24m，發(fā)射質(zhì)量1,630kg，總功率1,900W，設(shè)計(jì)壽命12年。它載有2臺(tái)高穩(wěn)定銣鐘和1臺(tái)單銫鐘，增加了L5為1176.45MHz的民用頻率，信號(hào)功率也提高10倍，并采用星間鏈路和自主導(dǎo)航新技術(shù)，使GPS衛(wèi)星可自主運(yùn)行60～180天，有助于商用航空和救援任務(wù)。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(shí)時(shí)解算，削弱多路徑效應(yīng)的影響等。其采用更先進(jìn)的星上原子鐘，授時(shí)精度達(dá)到8ns。它的抗核打擊能力也有所提高，設(shè)計(jì)壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)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(guó)將發(fā)射最后1顆GPS-2F導(dǎo)航衛(wèi)星。

從2017年開(kāi)始，美國(guó)將開(kāi)始發(fā)射新一代導(dǎo)航衛(wèi)星GPS-3A，此后，美國(guó)的GPS布網(wǎng)頻率將會(huì)逐漸加快，而衛(wèi)星的壽命更長(zhǎng)，定位精度將會(huì)更高，抗干擾能力更強(qiáng)。

2　歐洲加速發(fā)射

3月27日、9月11日、12月17日，歐洲伽利略-全運(yùn)行能力-FM3，F(xiàn)M4，F(xiàn)M5，F(xiàn)M6，F(xiàn)M7，F(xiàn)M8（也稱之為第7，8，9，10，11，12顆“伽利略”）導(dǎo)航衛(wèi)星，先后3次以“一箭二星”方式由俄羅斯聯(lián)盟-STB/弗雷蓋特-MT運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

這些導(dǎo)航衛(wèi)星都是由德國(guó)OHB系統(tǒng)集團(tuán)公司建造，有效載荷由薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司提供，每顆衛(wèi)星重約717kg，尺寸2.91m×1.7m×1.4m，壽命末期功率1,900W，設(shè)計(jì)壽命12年。衛(wèi)星上裝有4臺(tái)原子鐘：2臺(tái)氫鐘和2個(gè)銣鐘，氫鐘使用氫原子超穩(wěn)定的1.4GHz躍遷，可實(shí)現(xiàn)每12h漂移小于0.45ns的定時(shí)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(yùn)行能力”導(dǎo)航衛(wèi)星

歐洲阿里安航天公司未來(lái)還計(jì)劃發(fā)射14顆“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星，其中，2顆由1枚俄羅斯“聯(lián)盟”運(yùn)載火箭發(fā)射，另外12顆分別由3枚阿里安-5運(yùn)載火箭發(fā)射。

“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由歐盟主導(dǎo)的新一代民用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由兩個(gè)地面控制中心和30顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星運(yùn)行在3個(gè)夾角為120°的地球中圓軌道，每個(gè)面上有9顆衛(wèi)星和1顆備份星軌道高度和傾角高于GPS，GLONASS，預(yù)定于2020年實(shí)現(xiàn)全部衛(wèi)星組網(wǎng)。

3　印度穩(wěn)步前進(jìn)

3月28日，印度用“極軌衛(wèi)星運(yùn)載火箭”成功發(fā)射了印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-1D，這是印度第4顆“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”衛(wèi)星，達(dá)到了讓該衛(wèi)星系統(tǒng)完全生效、使導(dǎo)航接收器能夠計(jì)算位置的最小衛(wèi)星數(shù)量。

“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”最終由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星和4顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星組成，其中，3顆地球靜止軌道衛(wèi)星分別位于東經(jīng)32.5°，83°，131.5°，4顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星位于2個(gè)不同的29°傾角軌道上，經(jīng)度跨越55°和111.75°，每個(gè)軌道上的2顆衛(wèi)星相間180°，通過(guò)這樣的軌道設(shè)計(jì)，它能最大限度地提高覆蓋區(qū)域內(nèi)的定位精度，并將所需衛(wèi)星數(shù)量降到最低。預(yù)計(jì)在2016年前，印度還將發(fā)射3顆“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”衛(wèi)星，從而建成總共由7顆衛(wèi)星組成的“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”星座。

檢測(cè)印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-1D

“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”衛(wèi)星使用I-1K平臺(tái)，尺寸1.58m×1.5m×1.5m，設(shè)計(jì)壽命10年，發(fā)射質(zhì)量1,425kg。干質(zhì)量614kg，功率1,660W，壽命10年。每顆衛(wèi)星裝有兩個(gè)有效載荷—— 一個(gè)導(dǎo)航有效載荷（包括高精度銣鐘）和一個(gè)測(cè)距有效載荷。導(dǎo)航有效載荷將向用戶發(fā)送導(dǎo)航服務(wù)信號(hào)，而測(cè)距有效載荷利用衛(wèi)星上的C頻段脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器幫助精確確定衛(wèi)星的距離（衛(wèi)星載有測(cè)距系統(tǒng)和角錐棱鏡，用于精確計(jì)算軌道）。衛(wèi)星提供對(duì)所有用戶開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和高精度授權(quán)用戶定位服務(wù)，精度10～20m。服務(wù)覆蓋南緯30°到北緯50°、東經(jīng)30°到130°的區(qū)域。星座由1個(gè)大的核心運(yùn)行中心和21個(gè)分布在印度的位置和跟蹤站支持。目前，印度境內(nèi)已經(jīng)建立多達(dá)15個(gè)地面站，負(fù)責(zé)導(dǎo)航參數(shù)生成和傳輸、衛(wèi)星控制、衛(wèi)星測(cè)距與監(jiān)視等。

與美國(guó)的GPS系統(tǒng)類似，“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”是通過(guò)多顆導(dǎo)航星的測(cè)量值定位，不過(guò)，“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”的重點(diǎn)是為南亞和周圍水域進(jìn)行導(dǎo)航，應(yīng)用于海上交通、車輛與船舶的跟蹤、通信和測(cè)繪等民用領(lǐng)域，信號(hào)能夠覆蓋印度全境。

“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”衛(wèi)星分布示意圖

它可為印度本國(guó)和印度大陸周邊1,500km的區(qū)域提供位置信息，包括供兩種服務(wù)：向所有用戶提供的標(biāo)準(zhǔn)位置服務(wù)和向授權(quán)用戶提供的受限服務(wù)。它能應(yīng)用于陸地、航空、海洋導(dǎo)航、災(zāi)難管理、車輛跟蹤和艦隊(duì)管理、移動(dòng)電話集成、精確授時(shí)、繪圖和測(cè)繪數(shù)據(jù)采集、為旅行者提供陸地導(dǎo)航援助、為駕駛?cè)藛T提供視頻和語(yǔ)音導(dǎo)航等。

鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍民領(lǐng)域的廣泛使用，擁有本國(guó)的這類系統(tǒng)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提高精確制導(dǎo)武器的命中率。盡管印軍已分別同美俄簽訂獲取美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)軍碼的協(xié)定，但使用外國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的主動(dòng)權(quán)畢竟不在自己手中，為此印軍一直是“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”的堅(jiān)定支持者。

“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”與美國(guó)GPS系統(tǒng)和歐洲“伽利略”星座兼容，使用S頻段和L5頻段導(dǎo)航信號(hào)，未來(lái)還能進(jìn)一步擴(kuò)展，向全球提供導(dǎo)航服務(wù)，不過(guò)要打造這樣的全球版衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，印度至少還需要再發(fā)射10多顆衛(wèi)星。

4　中國(guó)新星亮相

2015年1月12日至16日，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心與歐盟代表團(tuán)在捷克布拉格舉行了“北斗”與“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第4次頻率磋商會(huì)談。在本次會(huì)談中，歐盟代表團(tuán)接受了中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心提出的頻率共用理念，同意在國(guó)際電聯(lián)框架下完成衛(wèi)星導(dǎo)航頻率協(xié)調(diào)。至此，中歐導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)8年之久的頻率紛爭(zhēng)，雙方攜手走向共同發(fā)展。

3月30日、7月25日和9月30日，我國(guó)新一代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星—— 第17顆、第18顆、第19顆和第20顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星陸續(xù)升空，這標(biāo)志著我國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展的啟動(dòng)實(shí)施，為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)提供依據(jù)。衛(wèi)星采用了以高精度星載原子鐘、星座自主運(yùn)行等為代表的衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)、以輕量化、長(zhǎng)壽命、高可靠為典型特征的衛(wèi)星平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)、以基于星地鏈路和星間鏈路的導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)，以及對(duì)關(guān)鍵器件部組件國(guó)產(chǎn)化的試驗(yàn)驗(yàn)證，為后續(xù)導(dǎo)航衛(wèi)星研制、組網(wǎng)建設(shè)、在軌保障和相關(guān)事件分析積累數(shù)據(jù)。

3月30日升空的第17顆“北斗”發(fā)射總質(zhì)量為800kg，運(yùn)行在傾斜地球同步軌道。它用于新型導(dǎo)航信號(hào)體制、星間鏈路等試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)提供依據(jù)。它采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和國(guó)產(chǎn)通用中央處理器（CPU）——“龍芯”和銣原子鐘，設(shè)計(jì)壽命達(dá)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(yùn)行在地球中圓軌道，與第17顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星共同開(kāi)展星間鏈路、新型導(dǎo)航信號(hào)等試驗(yàn)驗(yàn)證工作，并適時(shí)入網(wǎng)提供服務(wù)。

星間鏈路是指用于衛(wèi)星之間通信的鏈路，通過(guò)星間鏈路可以將多顆衛(wèi)星互聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換以及衛(wèi)星的自主導(dǎo)航，有助于提高測(cè)定軌道和授時(shí)精度。采用該技術(shù)可減少地面測(cè)控站對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的信息上行注入等各方面的操作次數(shù)，減少對(duì)地面站的依賴，有效降低系統(tǒng)的運(yùn)行管理成本。這一關(guān)鍵技術(shù)的攻克，不僅解決了星間高精度測(cè)量的難題，向建立全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)邁進(jìn)了一大步，還大大提升了“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主可控能力。星間鏈路技術(shù)的突破，使我國(guó)建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由“夢(mèng)想在望”變?yōu)椤俺晒υ谖铡薄?/p>

新一代“北斗”播發(fā)信號(hào)的數(shù)量比以往提高了2倍多，更好更快地滿足了用戶需求，開(kāi)創(chuàng)性地在頻段播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)，開(kāi)啟了“北斗”導(dǎo)航信號(hào)體制的新時(shí)代；采用了新型導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)，該平臺(tái)為桁架式結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備有效安裝面積，且縮減了衛(wèi)星尺寸，減輕了結(jié)構(gòu)自身重量，提高了平臺(tái)的功能；輸出功率比以往大，在國(guó)際同類衛(wèi)星中居先進(jìn)水平；首次采用了綜合電子體系構(gòu)架，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)備間的接口，自主管理性能優(yōu)異，使衛(wèi)星的信息集成度大幅提升；首次在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星中采用擴(kuò)跳頻測(cè)控技術(shù)，極大地提高了衛(wèi)星的安全性；首次在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星中實(shí)現(xiàn)了多衛(wèi)星數(shù)據(jù)的匯集和高速傳輸，使大數(shù)據(jù)駛?cè)搿案咚偻ǖ馈?，將衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞下來(lái)等；實(shí)現(xiàn)98%的部件國(guó)產(chǎn)化，關(guān)鍵器部件均為“中國(guó)造”，為建設(shè)獨(dú)立自主的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)鋪平了道路。

“新一代”北斗“整裝待發(fā)

9月30日升空的第20顆“北斗”運(yùn)行在傾斜地球同步軌道，首次搭載了氫原子鐘，該產(chǎn)品的應(yīng)用成“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。星載氫原子鐘在“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用可大幅提高導(dǎo)航精度、性能和自主維持能力，大幅降低了“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)地面的依賴程度，延長(zhǎng)了自主導(dǎo)航時(shí)間。

于2020年建成的“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從性能指標(biāo)上，要比目前在軌運(yùn)行的“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能提高1～2倍，定位精度最高水平可能將達(dá)到2～3m，衛(wèi)星的壽命也將由8年延長(zhǎng)到10～12年。它將推進(jìn)國(guó)際合作，為“一帶一路”建設(shè)提供支撐。因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通是“一帶一路”建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域，“一帶一路”要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，所以“北斗”系統(tǒng)可在信息聯(lián)網(wǎng)、精確位置、指揮監(jiān)控等方面發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)。