2013年国外导航卫星系统发展综述

· 文| 北京空间科技信息研究所 刘春保 赵爽

2013年国外导航卫星系统发展综述

· 文| 北京空间科技信息研究所 刘春保 赵爽

2013年，全球共进行导航卫星发射4次，其中美国1次，成功发射GPS-2F卫星1颗，俄罗斯2次（其中失败1次，损失卫星3颗），成功发射GLONASS-M卫星1颗，印度1次，成功发射IRNSS卫星1颗。截至2013年12月31日，国外在轨运行导航卫星68颗，具体见图1。

>> 图1 2013年国外导航卫星在轨情况

一、发展概况

2013年，美国保持GPS系统的稳定与发展，稳步实施GPS系统现代化计划，服务性能不断提升，已经具有自主导航、星间链路、星上信号功率可调等能力。正在发展高速星间星地链路、点波束增强等能力，新一代导航信号（M码军用信号，L2C、L5民用信号）计划于2017年前投入使用；GPS现代化计划将于2025～2030年全面完成，保持全球领先地位。

俄罗斯继续实施《GLONASS系统2012～2020年发展计划》，在保持GLONASS系统稳定运行的同时，积极发展新一代GLONASS-K卫星，持续开展GLONASS系统地面控制段的改进，系统服务性能得到明显提升。新一代GLONASS-K卫星将增加多个CDMA导航信号，并具有射频与光学星间链路能力支持下的自主导航能力。至2020年，GLONASS系统空间段将扩展为30颗、且主要由GLONASS-K卫星组成的星座。

欧洲Galileo系统全面运行能力建设已经启动，计划于2015年左右完成Galileo系统初始运行能力建设，2018年左右完成全面运行能力建设，提供与目前GPS系统性能相当的服务。

印度计划于2016年完成7颗卫星组成印度区域卫星导航系统（IRNSS）的部署，水平定位精度优于20m。日本于2018年完成4颗准天顶卫星组成的初始准天顶卫星系统（QZSS），即提供GPS增强服务，又提供自主导航服务。IRNSS与QZSS系统的发展使亚洲、太平洋地区的卫星导航服务竞争更趋激烈。

二、发展现状

1.美国

截至2013年12月底，GPS系统在轨运行卫星有32颗，其中31颗提供服务，还有1颗GPS-2RM处于测试状态，详见图2。随着GPS现代化计划的实施，GPS系统空间信号用户定位误差已经达到1.6m，是目前定位精度最高的导航卫星系统。

>> 图2 GPS系统在轨运行并提供服务卫星

目前，美国正在发展GPS-3卫星，并进行地面控制段现代化改造。至2025年左右，主要由GPS-3卫星和新一代地面控制段（OCX）组成的GPS系统定位精度将达到0.5m，授时精度达到1.2ns，并具有星上信号功率可调、高速星间星地链路和20dB的点波束增强能力。

2.俄罗斯

截至2013年12月底，GLONASS系统在轨卫星28颗，其中24颗卫星提供服务，3颗为备份卫星，1颗GLONASS-K1卫星处于试验、测试状态。经过持续的改进，GLONASS系统服务性能得到明显的提升。目前，GLONASS系统空间信号用户定位误差已经缩小至2.8m，计划于2020年提升至0.6m。

目前，俄罗斯正在研发GLONASS-K2卫星，且已经启动了新一代GLONASS-KM卫星的研制工作，详见图3。自GLONASS-K2卫星开始，GLONASS卫星将全面拥有射频 ＋ 光学星间链路，为实现GLONASS系统的自主导航提供了重要条件。

>> 图3 GLONASS卫星发展进程

欧洲已将首颗Galileo系统工作星（FOC）的发射推迟到2014年中期，要在2015年底前完成Galileo系统初始运行能力的建设还需完成14颗工作星的发射、测试与运行工作。而承担Galileo工作星研制任务的德国OHB公司仅具有成功研制SAR-Lupe（合成孔径雷达—放大镜，由5颗卫星组成了德国军用雷达成像侦察卫星系统）卫星的经验，与空中空客集团（Airbus Group）、泰雷兹-阿莱尼亚公司等欧洲领先的航天企业相比，其卫星的研制、生产、测试能力尚有一定差距，能否保证全部14颗工作星的按期交付值得关注。

>> 图4 Galieo发展路线图

3.欧洲

Galileo系统是欧洲独立发展的全球导航卫星系统，提供高精度、高可靠性的定位服务。Galileo系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。迄今，欧洲已经发射了2颗实验卫星和4颗在轨组网验证卫星，分别为GIOVE-A、GIOVE-B试验卫星，以及4颗Galileo-IOV在轨组网验证卫星。

目前，Galileo系统只有4颗在轨验证卫星在轨工作，执行在轨测试与验证任务。按计划，Galileo系统将于2014～2015年完成初始运行能力建设；2018年完成全面运行能力建设，详见图4。

4.日本

QZSS是日本正在研发与建设的天基导航增强系统，也是日本建设自主区域导航卫星系统的第一步。按最初的设想，日本区域导航卫星系统的建设将分两个阶段进行:第一阶段，建设由4颗卫星组成的准天顶系统；第二步，建设由7颗卫星组成的区域导航卫星系统。

2010年9月11日，日本首颗准天顶系统卫星发射成功，并命名为“指路”。目前，该卫星已经投入运行服务。QZSS卫星主承包商为日本三菱电气公司，卫星采用日本自主研发的静止轨道通信卫星平台DS2000，卫星质量4100kg，设计寿命10年。

准天顶系统部署完成并投入使用后，将极大地改善日本卫星导航信号的可见性，特别是改善城市峡谷效应，提高导航信号的可用性，满足日本日益增长的卫星导航服务需求。

5.印度

印度IRNSS导航系统由3颗位于地球同步轨道、4颗位于地球倾斜同步轨道的卫星和地面控制段、用户段组成，预计投资160亿卢比（约合3.5亿美元），覆盖印度及周边1500km以内区域，提供优于20m的定位精度。首颗IRNSS卫星已于2013年7月1日发射。

IRNSS卫星采用与印度气象卫星Kalpana-1相似的平台，质量约为1370kg，太阳电池总功率1600W。有效载荷包括2个40W的固态功率放大器、时钟管理与控制单元、频率发生与调制单元、导航处理器、信号发生器和原子钟等。导航频段选用S频段（2492.08MHz）和L频段（L5，1176.45MHz）。

印度IRNSS系统有效载荷大多从国外采购，如卫星使用与伽利略系统相同的铷原子钟，从瑞士采购。按计划，印度将于2016年完成IRNSS系统的部署，并投入全面运行，为印度和周边地区提供卫星导航服务。有消息称，在完成IRNSS系统的部署后，印度计划以IRNSS系统为基础发展由18颗卫星组成全球卫星导航系统。

三、发展趋势

1.导航卫星系统从GPS系统一家独大到多系统共存

随着GLONASS系统的恢复，北斗系统区域服务的正式运行，两个系统展现出相当的活力和市场竞争力。许多知名的导航芯片、OEM与整机设备制造商竞相开发相关产品，俄罗斯与中国政府也非常重视GLONASS和北斗用户设备的研发， GPS系统“一家独大”的局面正在发生改变。至2020年，随着Galileo系统、北斗全球系统将部署完成，全球卫星导航领域将呈现GPS、GLONASS、Galileo与北斗四大系统并在的局面，在为卫星导航用户提供更多选择的同时，“一家独大”的局面也将发生重大改变，多系统共存将使更多的用户受益。

2.PNT体系或将成为定位导航与授时问题的最终解决方案

可提供全天时、全天候高精度定位、导航与授时（PNT）服务的卫星导航系统的出现，使全球PNT服务产生了革命性的变化，成为最重要的空间基础设施。然而，固有的脆弱性和局限性决定了卫星导航系统不可能解决全部定位、导航与授时问题，不可能满足全部PNT需求，特别是强对抗战场环境条件下军事行动的PNT需求。

为了解决单一导航系统的不足，美国首先提出了国家PNT体系概念。集成、融合各种可用PNT资源，灵活组合，互为冗余，优势互补的国家PNT体系，能够弥补单一系统能力的缺陷与不足，从而提供具有更高可用性、完好性、稳健性和可维持性的高精度PNT能力与服务。可以预见，PNT体系将是未来解决军事与民用PNT问题的最终解决方案。

3.X射线脉冲星导航将成为解决卫星导航系统长期自主导航问题的关键技术

X射线脉冲星可以为地球轨道、深空探测和星际飞行航天器提供绝对的时间与空间基准，实现航天器的高精度自主导航，在深空探测和星际飞行中具有不可替代的作用，应用前景广阔。同时，X射线脉冲星与探测技术研究即是X射线脉冲星导航研究的重要基础，也是天体物理学、空间高能物理学的重要研究领域，X射线脉冲星导航研究将促进上述领域的研究与发展。

4.对抗环境下的卫星导航能力成为发展重点

制信息权、制电磁权的争夺是未来信息化战争的重要特征，定位导航与授时信息的播发、传播与获取将成为重要的焦点。因此，对抗条件下提供定位导航与授时服务的能力将成为未来卫星导航系统发展的重点。目前，美国GPS系统已经拥有抗干扰能力更强的军用M码、自主导航和星上信号功率可调等导航战能力，正在发展新一代高速星间星地链路、点波束等导航战能力；俄罗斯正在发展星间链路和自主导航能力。强对抗条件下的定位导航与授时服务能力已经成为未来卫星导航系统发展的重点。

5.小型化、低成本是卫星导航系统维持、发展的重要保障

全球导航卫星系统空间段一般由约30颗在轨运行的卫星组成，随着卫星性能的提升、功能的增加，导航卫星的研发、生产成本不断增长，再加上地面控制段的研发与部署成本，以及系统运行、维护费用，使卫星导航系统的维持、运行与发展成本不断攀升，已经成为限制或制约卫星导航系统发展的重要因素。截至2012年，GPS系统的总投入已经达到360亿美元。按目前的计划，2013至2030年，仅GPS星座的维持与发展就需投入约250亿美元。

高昂的投入已经成为制约卫星导航系统发展的重要因素。可以预见，小型化、低成本、长寿命、高可靠将成为未来卫星导航系统可持续发展的重要保障。