2020 年國外導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)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(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射，成功發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星4 顆。其中，美國2 次，成功發(fā)射全球定位系統(tǒng)－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(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星89 顆，其中，美國GPS 系統(tǒng)31 顆，俄羅斯GLONASS 系統(tǒng)23 顆，歐洲“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)24 顆，日本“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）4 顆，“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）7 顆。

1 美國—系統(tǒng)更新、換代與前沿關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)并行推進，增強性能優(yōu)勢，鞏固主導(dǎo)地位

整體來看，在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，2020 年美國聚集于兩個方面的發(fā)展，其一是GPS 系統(tǒng)現(xiàn)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(tǒng)（OCX）的研發(fā)與部署；其二是未來衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域新概念與前沿技術(shù)的發(fā)展與驗證。

截至2020 年底，美國GPS 系統(tǒng)在軌衛(wèi)星32 顆，其中31 顆提供定位、導(dǎo)航與授時（PNT）服務(wù)，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(gòu)建GPS 系統(tǒng)服務(wù)性能與導(dǎo)航戰(zhàn)能力優(yōu)勢

截至2020 年底，美國已經(jīng)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(shè)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(chǔ)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(xiàn)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(gòu)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(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星－3—前沿關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的先鋒

導(dǎo)航技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)；地面運行管理與控制系統(tǒng)部分，主要驗證僅利用美國本土的地面基礎(chǔ)設(shè)施完成GPS 系統(tǒng)運行管理，以及對抗環(huán)境下支持GPS 系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)。

2017 年6 月，美國空軍研究實驗室（AFRL）及太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）將價值9500 萬美元的地面控制系統(tǒng)授予了布萊克頓技術(shù)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)驗證如下。

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

2）先進原子鐘技術(shù)：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(biāo)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(xiàn)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(shù)。

3）軍用高增益天線、先進L 頻段放大器技術(shù)：用于支持點波束信號功率增強，并應(yīng)用于GPS－3F 衛(wèi)星，實現(xiàn)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(biāo)是效率增加至60%，輸出功率達到400W（當(dāng)前約為200 ～250W）。

4）在軌升級與信號重構(gòu)技術(shù)：研發(fā)可在軌重新編程的數(shù)字波形生成器，結(jié)合導(dǎo)航有效載荷數(shù)字化技術(shù)、軟件無線電技術(shù)驗證靈活的抗干擾、抗欺騙技術(shù)，滿足未來先進信號的處理要求，增加系統(tǒng)彈性；在原頻點和新頻點播發(fā)新導(dǎo)航信號的技術(shù)，將有效提升GPS 系統(tǒng)的抗干擾、抗欺騙能力，還將增強GPS 系統(tǒng)滿足任務(wù)或需求變化的能力，有效降低GPS 系統(tǒng)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(xiàn)GPS 系統(tǒng)三方面的能力提升：

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

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

3）增強滿足任務(wù)或需求變化的能力，降低系統(tǒng)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(shè)計審查；隨著美國天軍的成立，4 月，NTS－3 項目已經(jīng)轉(zhuǎn)由美國天軍航天器管理局負責(zé)；6 月，NTS－3項目通過關(guān)鍵設(shè)計評審，進入衛(wèi)星生產(chǎn)、測試階段。

OCX 系統(tǒng)是GPS 系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的屏障

新一代OCX 系統(tǒng)是GPS 現(xiàn)代化的重要組成部分，目標(biāo)是：①全面滿足現(xiàn)代化GPS 系統(tǒng)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(xiàn)。②保證GPS OCX 系統(tǒng)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(xiàn)的基礎(chǔ)。在網(wǎng)絡(luò)空間已經(jīng)成為重要作戰(zhàn)域的背景下，OCX 系統(tǒng)的賽博安全能力正在成為保障衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與服務(wù)正常運行、保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運行控制權(quán)的必要條件。

M 碼軍用信號是GPS 現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，但由于OCX 系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)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(tǒng)全面運行，啟動下一代系統(tǒng)研發(fā)

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

穩(wěn)步推進系統(tǒng)建設(shè)，持續(xù)改善系統(tǒng)技術(shù)

Galileo-FOC 衛(wèi)星示意圖

近年來，Galileo 系統(tǒng)的發(fā)展屢遭挫折，使歐洲航天局（ESA）更加重視Galileo 系統(tǒng)的技術(shù)驗證，提升Galileo 系統(tǒng)可靠性。除對Galileo-FOC 衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)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(tǒng)投入全面運行。

啟動下一代系統(tǒng)研發(fā)，即將授出下一代衛(wèi)星合同

7 月，歐盟委員會批準(zhǔn)了未來7 年（2021 －2027 年）歐洲太空預(yù)算，計劃撥款132 億歐元（約合152 億美元），主要用于Galileo 導(dǎo)航系統(tǒng)和“哥白尼”（Copernicus）計劃的繼續(xù)實施。其中，Galileo 系統(tǒng)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(biāo)活動，預(yù)計2021 年初向空客防務(wù)與航天公司（Airbus）、德國不萊梅軌道高技術(shù)系統(tǒng)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(biāo)企業(yè)各自制造2 顆衛(wèi)星。ESA 在2021 － 2027 年的7 年周期內(nèi)總計采購、生產(chǎn)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(shù)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(tǒng)的信號精度，并為發(fā)展在軌升級與信號重構(gòu)能力奠定基礎(chǔ)，提升適應(yīng)任務(wù)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(tǒng)PNT 服務(wù)性能。新一代Galileo 衛(wèi)星的質(zhì)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(yù)示著新一代Galileo 衛(wèi)星將發(fā)生重大變化，值得重點關(guān)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(tǒng)在軌衛(wèi)星28顆，其中，提供導(dǎo)航服務(wù)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(tǒng)，目前已有的地面運行控制系統(tǒng)主要由2 個系統(tǒng)控制中心、9 個參考站、6 個任務(wù)上行站和3 個激光測距站組成，支持GLONASS 系統(tǒng)運行的其他基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)站等。

將粗濾的黃刺玫果汁與白砂糖按一定比例調(diào)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(dāng)飲料的色澤、口感、氣味和各項檢測指標(biāo)均符合要求(見表6)時,進行灌裝。預(yù)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(yán)重拖延。同時，由于2016 年以來俄羅斯的航天預(yù)算大幅減少,也對GLONASS－K 系列衛(wèi)星的研發(fā)產(chǎn)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(tǒng)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(dǎo)航服務(wù)。

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(shè)計壽命也由原來的10年增加至12.5 年，對降低GLONASS 系統(tǒng)的維持與發(fā)展成本、提升系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)配置的有效載荷與能力，其中，光學(xué)星間鏈路技術(shù)處于全球領(lǐng)先狀態(tài)。

新的GLONASS － K2 衛(wèi)星將使俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度從3 ～5m 提高到1m 以內(nèi)。俄羅斯計劃在2021 年發(fā)射第一顆GLONASS － K2 衛(wèi)星，該衛(wèi)星質(zhì)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(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展

自2017、2018 年分別完成QZSS 系統(tǒng)首階段部署和IRNSS 系統(tǒng)星座更新后，日本與印度全面推進各自區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展，特別是軍事領(lǐng)域的應(yīng)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(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)第二階段的部署，衛(wèi)星研發(fā)工作穩(wěn)步推進。預(yù)計，2023年將完成7 顆衛(wèi)星組成的QZSS 系統(tǒng)的全面部署與運行，并啟動自主衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，擺脫對美國GPS 系統(tǒng)的依賴。

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

5 結(jié)語

從衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展的角度看，民用服務(wù)性能的提升與軍事導(dǎo)航戰(zhàn)能力的增強是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動因素。其中，導(dǎo)航戰(zhàn)能力的增強是未來衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重點。

提升民用服務(wù)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(shù)與導(dǎo)航信號數(shù)字化技術(shù)是目前提升民用服務(wù)性能的兩個主要技術(shù)方面。

作為時間測距體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，星載原子鐘性能的提升是改善服務(wù)性能的重要途徑之一。目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)普遍采用的磁選態(tài)原子鐘技術(shù)（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(jīng)率先采用了脈沖光抽運銫束鐘，其頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度均明顯提升（約半個數(shù)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(dǎo)航信號數(shù)字化技術(shù)可有效地減少導(dǎo)航信號處理、放大過程中產(chǎn)生的失真，提高信號精度。GPS － 3 衛(wèi)星的導(dǎo)航有效載荷的數(shù)字化率已經(jīng)達到70%，GPS － 3F 將達到100%；在第二代Galileo系統(tǒng)發(fā)展中，歐洲也啟動了導(dǎo)航信號與導(dǎo)航有效載荷的數(shù)字化研發(fā)，將有效提升未來Galileo 系統(tǒng)的服務(wù)性能。

導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)—未來軍事PNT 能力的基礎(chǔ)

導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)是提升、增強戰(zhàn)場或?qū)弓h(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)能力最重要的手段之一，在一定程度上代表著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的先進程度與服務(wù)的可用性和穩(wěn)健性。因此，導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)與能力已經(jīng)成為擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與能力的國家/地區(qū)爭相發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

而提升服務(wù)性能與增強導(dǎo)航戰(zhàn)能力是未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的兩個重要趨勢。服務(wù)性能是未來衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的核心競爭能力，是未來衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用市場份額的重要支撐；導(dǎo)航戰(zhàn)能力是保證國家安全、國防安全的重要基礎(chǔ)，是未來強對抗信息化聯(lián)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。