国外卫星导航系统近期发展

2012年全球卫星导航领域发生了几件值得一提的大事，包括美国“全球定位系统”（GPS）现代化计划已进入到关键时期、俄罗斯批准了“全球导航卫星系统”（GLONASS）2012－2020年发展规划，投资总额高达3465.9529亿卢布（约合120亿美元）；欧洲完成“伽利略”（Galileo）在轨组网验证系统的部署，并将完成初始运行能力部署的时间提前至2014年；日本政府批准了“准天顶卫星系统”（QZSS）2020年前的发展计划，预计投资34亿美元，部署由3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和1颗地球静止轨道（GEO）卫星组成的QZSS。

1 美国GPS

截至2013年1月31日，美国GPS系统在轨卫星31颗，包括GPS－2A卫星9颗，GPS－2R卫星12颗，GPS－2RM卫星7颗，GPS－2F卫星3颗。在31颗在轨的卫星中有21颗卫星（9颗GPS－2A、12颗GPS－2R卫星）处于超寿命运行状态。目前，美国正加紧GPS－3卫星的研制工作。

GPS－3卫星研制进展

GPS－3是美国GPS现代化计划的最后一步，分为3个阶段，按卫星型号可分为GPS－3A、3B和3C，共包括8颗GPS－3A、8颗GPS－3B、16颗GPS－3C。2008年5月洛马公司获得研制GPS－3A的合同，而GPS－3B和3C卫星的合同则将分别于2013年和2015年授出。

2012年，GPS－3A卫星的研制取得了重要进展。2012年8月，国际电话电报公司（ITT）宣布GPS－3非飞行卫星测试台（GNST）导航载荷测试阶段已接近尾声。GNST是GPS－3卫星的全尺寸样机，可以在卫星集成和测试前发现并解决相关问题，从而减少卫星研制风险，改善项目的可预见性，保证任务按期完成，降低整体费用。与此同时，ITT公司也在进行GNST任务数据单元的热真空测试，随后被集成到GNST导航载荷面板上。

GPS－2F卫星

2012年11月，洛马公司完成了GPS－3卫星有效载荷单元（NPE）的热真空试验，这是导航有效载荷诸多环境测试试验的里程碑项目之一。测试完成后，GPS－3卫星的NPE将与GNST进行集成，进行最后的卫星整体测试。最后，GNST将交付佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地，用于对卫星进行发射前的最后测试。

GPS－3A卫星采用洛马公司的A2100M平台，模块化设计，三轴稳定姿态控制，设计寿命15年。卫星发射质量3883.06kg，入轨质量2271.36kg，卫星尺寸为246.38cm×177.8cm×340.36cm，卫星轨道确定精度1m。GPS－3A卫星太阳电池翼面积达到28.5m2，寿命末期功率为4480W，星上采用镍氢电池。卫星姿态控制系统包括地球敏感器、太阳敏感器、反作用轮和磁力矩器等。星上推进系统包括1台450N的远地点发动机、12台0.9N和6台22.25N的推力器，携带燃料2351.7kg，用于卫星轨道与姿态控制。

GPS－3A卫星主要有效载荷包括：任务数据单元、3台铷原子钟、6台导航信号发射器、射频多路调制设备和天线等。与目前的GPS卫星相比，GPS－3卫星信号发射功率将增加3倍（点波束增强除外），抗干扰能力更强。

2012年8月，洛马公司与雷声公司共同完成了GPS－3卫星的首次发射准备试验，这是成功发射首颗GPS－3卫星的重要保证。2012年1月，这两家公司在洛马公司宾西法尼亚工厂和雷声公司科罗拉多工厂之间建立了安全的通信链路。技术人员可利用该链路传输GPS－3卫星和运行控制系统的信息，使双方可以在项目的初期发现并解决项目集成中的问题，降低风险，节约资金。雷声公司还可在卫星研制过程进行新一代运行控制段（OCX）的测试，而不必依赖GPS－3的模拟卫星。此次飞行准备试验历时3天，试验了卫星指挥控制的基本功能，测试了软、硬件接口，验证了发射和早期入轨阶段卫星通信必需的基本控制程序。

目前，美国空军已经与洛马公司签订了4颗GPS－3A卫星的采购合同。预计，GPS－3A卫星的首套导航有效载荷已于2013年2月完成生产，之后将交付给洛马公司。然而，由于OCX建设的拖延，首颗GPS－3A卫星的发射时间已经推迟到2015年。

在洛马公司紧锣密鼓地进行GPS-3卫星研制的同时，波音公司也在抓紧GPS－2F卫星的生产。2012年6月，波音公司完成了第6颗GPS－2F卫星的生产，使处于存储状态的GPS－2F卫星达到3颗。波音公司共获得了12颗GPS－2F卫星的采购合同，其中前3颗为成本补偿合同，后9颗为固定成本合同。按计划，波音公司将于2013年5月完成全部12颗GPS－2F卫星的生产。

OCX

GPS系统地面控制段的现代化是GPS现代化计划的重要组成部分，其目标是满足GPS卫星现代化不断提高的控制与运行要求。GPS系统地面段现代化分为3个阶段：精度改善活动（L-AII）、体系演进计划（AEP）和OCX。

2012年6月，雷声公司完成了GPS OCX软件1.4版本的关键设计评审。2012年11月美国空军航天与导航系统中心宣布，国防部长办公室已经批准了OCX项目通过里程碑节点B审查，正式进入工程和生产研制阶段。该OCX软件Block I部分包含7个增量，能够对现有GPS星座在轨卫星进行控制；Block II部分包含2个增量，主要用于对GPS－3卫星进行控制，并拥有很多新的能力。OCX软件的1.4版本将提供GPS－3卫星的初始指挥控制能力，这是保证GPS－3卫星前3次发射所必需的。目前，GPS OCX软件1.5版本的研发工作已经启动，将实现GPS－3卫星的早期指挥控制能力，即发射和校验系统（LCS）能力。

2012年1月，美国空军授予洛马公司一份价值2150万美元的合同，用于提供发射与测试能力（LCC），为GPS－3卫星的发射到早期在轨测试提供指挥和控制。未来，该能力将集成到OCX中，以保证GPS－3卫星的发射。合同内容包括在卫星移交给空军航天司令部之前，与OCX一起完成卫星发射、早期在轨运行和测试等任务，以及卫星运控人员的培训等。

最迟将于2016年12月准备完毕的OCX系统在设计时并没有考虑GPS－2A卫星的控制需求，而到2017年仍有6颗GPS－2A卫星在轨，因此，如何解决GPS－2A卫星的运行控制问题尚未最终确定。目前可能性较大的方案是由美国空军向布拉克斯顿（Braxton）技术公司提供资金，由该公司实施GPS－2A卫星的控制。

2 俄罗斯GLONASS

2012年是GLONASS系统恢复运行的第1年，截至2013年1月31日，GLONASS系统在轨卫星29颗，包括28颗GLONASS－M卫星和1颗GLONASS－K1卫星，其中，23颗卫星提供服务，1颗处于测试状态，2颗备份，3颗处于维护状态。

GLONASS－K卫星

2012年3月3日，俄罗斯政府批准了《GLONASS系统2012－2020年维护、发展以及应用计划》，总投资高达3465亿卢布（约120亿美元）。其中，2851.57亿卢布用于GLONASS系统的发展与维护，并明确了用于支持应用、地图制作与更新及接收、处理芯片与模块发展的资金。GLONASS系统的更新、升级与发展是该计划的重点，投入2851.57亿卢布。

按计划，在2012－2020年间，俄罗斯将发射35颗GLONASS卫星，其中GLONASS－M卫星13颗，GLONASS－K卫星22颗，基本实现利用GLONASS－K卫星进行星座更新的目标。同时，在GLONASS系统地面控制段现代化改造的基础上，将扩展GLONASS系统地面测量站网络，包括在俄罗斯境外建设地面测量站和差分站，特别是增强GLONASS系统对南半球的服务能力，提升GLONASS系统在民用市场的竞争能力。

加大应用领域的投资力度是《GLONASS系统2012－2020年维护、发展以及应用计划》的又一重点，包括民用、特殊应用、地面制作与更新、处理芯片与模块等，共计投入约413亿卢布。2015年，俄罗斯将完成6种新型GLONASS芯片的开发，至2020年，俄罗斯国防部将拥有43种GLONASS导航应用产品，俄罗斯内政部等部门也将发展56种GLONASS导航应用产品。目前，意法半导体（ST）公司、高通公司等已经完成了可处理GLONASS系统信号的导航芯片的开发；三星、索尼等公司也推出了支持GPS、GLONASS系统的双模导航手机，GLONASS系统应用正在走向国际市场。

Galileo-IOV卫星相关参数

3 欧洲Galileo

“Galileo-在轨验证”系统完成部署

2012年10月12日，欧洲完成2颗“Galileo-在轨验证”（Galileo-IOV）卫星的发射，实现了由4颗Galileo-IOV在轨组网验证阶段星座的部署。截至2013年3月，欧洲已发射Galileo卫星6颗，包括2颗试验卫星GIOVE和4颗Galileo-IOV卫星。

Galileo在轨验证系统由空间段、地面控制段、地面任务段及相关用户设备或系统组成，空间段包括2个轨道面上的4颗卫星组成，每个轨道面2颗卫星，轨道高度23222km，轨道倾角56°，两个轨道面的夹角120°。Galileo-IOV卫星的主承包商为阿斯特留姆德国公司，意大利泰雷兹-阿莱尼亚公司负责卫星的总装与集成；德国航天局与意大利空间电信公司合作成立的Spaceopal公司负责系统的运行管理；地面支持活动由意大利泰雷兹-阿莱尼亚公司负责；地面控制段由阿斯特留姆英国公司负责；测试用户段由泰雷兹航空电子公司（法国）和比利时斯普特公司负责；全球网络由英国电信公司负责。

Galileo-IOV卫星采用经改进的“海神”（PROTEUS）小卫星平台，卫星质量700kg，功率1600W，主要有效载荷包括2台氢钟、1台铷钟、时钟监测与控制单元、导航信号发生单元、L频段天线等。

Galileo卫星示意图

欧洲已发射的6颗Galileo卫星在轨示意图

Galileo在轨验证系统地面段由地面任务站、地面控制站，以及跟踪与遥测站、上行站、敏感器站和数据分发网络组成。地面任务站位于意大利的富奇诺（Fucino），地面控制站位于德国的奥珀法芬霍芬（Oberpfaffenhofen），2个跟踪与遥测站分别位于瑞典的基律纳（Kiruna）和法属圭亚那的库鲁，上行站和敏感器站网络和连接所有Galileo系统地面设施的数据分发网络。地面任务站和地面控制站将成为未来Galileo系统的2个主控中心，互为备份，以保证Galileo系统的安全运行。

欧洲调整Galileo系统发展计划

2012年11月，在北京召开的第7届全球导航卫星系统国际委员会（ICG）大会上，欧洲提交了新的Galileo系统发展报告，将完成Galileo初始运行能力建设的时间从2016年调整为2014年，也就是说，OHB公司与萨瑞公司必须在不足2年（考虑发射与发射前准备所需时间）的时间内，完成首批14颗Galileo卫星的生产、测试与发射准备任务。不论出于何种原因，此次伽利略系统初始运行能力建设时间的调整的力度、影响都是非常巨大的。

首先，对未来全球卫星导航系统的发展格局将产生巨大影响。目前，我国“北斗”系统已经完成区域阶段的建设，全球阶段的部署即将展开。如果Galileo系统能够在2014年完成初始运行能力建设，则将改变其落后于“北斗”系统的状态，从而对未来全球导航卫星系统的格局产生巨大影响。其次，Galileo工作星的研制、生产与测试任务将更加繁重。因此，OHB公司与萨瑞公司的卫星生产、总装与测试能力将面临更为严峻的挑战；也将成为决定欧洲能否2014年完成Galileo系统初始运行能力建设的关键。同时，Galileo系统的发展也为OHB公司、乃至德国发展、壮大自己，提升其在欧洲航天领域地位的绝佳机会。

Galileo系统是欧盟的航天计划中优先等级最高的项目。美国加利福尼亚大学微系统实验室主任Addrei M. Shkel曾在2011年撰文指出“至少1000年内，导航与精密授时能力将一直是衡量国家军事与经济实力的一个重要因素”。因此，虽然Galileo系统的发展几经坎坷，如2007年的特许经营权谈判破裂、2011年Galileo系统中期评估中涉及的巨大资金缺口问题都不能动摇欧洲建立与发展独立的全球导航卫星系统的决心。

4 日本QZSS

2010年9月11日，日本首颗QZSS卫星发射成功，并命名为“指路”（MICHIBIKI）。1年多的测试与运行表明，QZSS卫星的有效地提高了日本卫星导航服务的能力，如可用性从只有GPS时的90%，提高至99.8%；2011年2月19日6：00－12：30的测试表明，在QZSS的支持下，城市区域DGPS服务的可用性从39.5%提高至69.1%；利用QZSS的L1-SAIF信号，水平定位误差从1.56m降低至0.46m，垂直定位误差从3.85m降低至0.57m。

2012年9月21日，日本政府批准了由1颗GEO卫星、3颗IGSO卫星及其地面控制段组成的QZSS建设计划，投资总额约34亿美元，计划于2018年前完成部署，并投入运行。最终，QZSS空间段可能扩展至由7颗卫星组成的星座。

5 结束语

未来10年将是全球卫星导航系统发展的关键10年。2020年，GPS现代化进入最后阶段，系统星座将主要由GPS－3卫星构成，导航战与抗干扰能力显著增强，并提供更高精度、完好性、可用性的民用服务；GLONASS现代化计划基本完成，具有与GPS系统相当的民用导航服务性能；Galileo与“北斗”全球系统完成部署，全面投入运行；日本QZSS、“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）的建设也将完成；全球导航卫星系统进入多系统共存的时代，性能与服务的竞争将成为导航卫星系统生存、发展的主线，民用用户将成为这种竞争的最大受益者。

日本QZSS卫星