22001133年世界导航卫星回顾

2014-12-25徐菁北京空间科技信息研究所

国际太空 2014年2期

徐菁（北京空间科技信息研究所）

2013年全球导航卫星的发射数量较少，成功发射了1颗“全球定位系统”（GPS）卫星、1颗“全球导航卫星系统”（GLONASS）卫星和1颗“印度区域导航系统卫星”（IRNSS）。但是，几个发展卫星导航系统的国家或地区都在加紧卫星导航星座的研制和部署，不约而同地将全系统升级换代或投入运行的目标定在了2020年左右。

1 美国GPS－3卫星研制工作顺利

截至2013年底，美国GPS星座共有32颗卫星，其中31颗在轨运行，1颗超期服役。31颗卫星中包括8颗2A卫星，12颗2R卫星，7颗2RM卫星，4颗2F卫星。

研制和发射GPS－2F卫星

2013年2月，美国空军授予波音公司1年期合同，价值510万美元，包括将GPS－2F卫星装载到发射场、发射前的准备、发射后的检验，以及移交和在轨支持等。波音公司从20世纪70年代就开始研制GPS卫星，大约70%的卫星都是该公司制造。

2013年5月15日，美国用宇宙神－5火箭将一颗GPS－2F卫星送入轨道，用于替换1996年发射的超期服役卫星。这颗GPS－2F卫星成本约1.21亿美元，质量1542kg，由波音公司建造，是12颗升级的GPS－2F卫星中的第4颗。该卫星具有改进的星载原子钟、更好的信号抗干扰能力，增加了新的民用L5信号和一个改进的M码军用信号，因此能够提供更高的导航精度。

未来的美国GPS－3卫星在轨飞行示意图

继续现代化技术改造

2013年3月20日，美国空军航天司令部公布了在GPS卫星L2C和L5频段上测试民用电文（CNAV）信息的计划，并在6月15－29日进行测试。在GPS卫星导航系统上增加L2C和L5频段，是GPS现代化改进项目的一部分，将为民用用户提供更强的导航定位能力。在未来几年内，每年都将进行两次CNAV的测试工作，且测试不会影响GPS卫星提供正常服务。该测试将为民用用户和设备制造商提供机会，参与到对L2C和L5频段的评估之中，有助于他们提前适应将于2016年投入运行的下一代GPS运行控制系统。

2013年6月，美国洛克韦尔公司在霍洛曼空军基地成功测试了集成到“大乌鸦”（Raven）无人机系统上的由洛克韦尔公司研制的M码GPS接收机，首次实现了对使用实时军码（M码）信号的飞行器的成功导航。M码信号是军用GPS技术现代化的关键要素之一。此次试验有助于实现美国国会委托的“将下一代M码技术应用于所有美国国防部防御平台”，为增强美军的一体化、专用、增强抗干扰能力迈进了一大步。

2013年9月，美国Exelis公司完成下一代GPS运行控制系统（OCX）现代化的关键数据安全工作，已经向雷神公司交付了3台地面加密机。加密机设计用于对GPS信号的自动编码和解码，从而通过安全地发送导航载荷数据，促进现代化OCX地面站和在轨卫星之间的用户信息交换。一旦与OCX系统进行集成，将能够为GPS信号的军事用户和民用用户及整个GPS现代化工作，提供先进的能力和安全性。

2013年10月，雷声公司完成OCX软件的关键设计评审。OCX是下一代运行网关服务，它的设计旨在为军事、商业和民用用户提供安全、精确、可靠的导航和授时信息。OCX将为GPS－2R、2RM、2F、3卫星星座提供指令、控制和任务管理，将集成地面段、空间段和用户段的服务于一体，以加强其无缝支持全球数十亿用户的任务指挥、控制及态势感知能力。

另外，美国正在考虑实现GPS系统的低成本建设。2013年4月，美国空军提交了一份关于“提供全球定位系统能力的较低成本方案”的报告，该报告探讨未来GPS发展方案，认为采用“一箭双星”技术和小型“导航星”等新兴技术来构建未来GPS星座能为其节省数十亿美元，从而提供低成本、高性能的定位、导航与授时能力。9月，美国政府问责办公室（GAO）公布了对该方案的评估报告，认为美军的方案是个很好的开端，但需要更多关于主要成本来源、成本评估以及资金投入的信息来支持未来投资决策。

GPS－3卫星研制进展

美国计划于2015年发射第一颗GPS－3卫星。在GPS－3卫星第4次初始设计评审中，洛马公司提出了一些改进方案，具体包括增加一个信号波形发生器、搜索与救援载荷、激光反射器阵列（LRA），特别是宇宙神－5火箭将采用“一箭双星”的方式发射GPS－3卫星，这能使美国空军发射每颗卫星的成本降低5000万美元。

美国空军计划共采购32颗GPS－3卫星。2013年2月，空军授予洛马公司两份固定价格合同，根据该合同，洛马公司为空军研制第5、6、7和8颗GPS－3卫星。GPS－3卫星将替代老旧的GPS卫星，定位精度将是现在的3倍，抗干扰能力是现在的8倍，寿命延长25%。还将携带一个新的民用信号，用于与其他全球卫星导航系统实现互操作，提高民用用户的连通性，从而满足军队、商业和民用用户的需求。为吸取以往GPS项目的经验，空军开始对GPS－3项目实施“回归基础”的采购方案。该方案强调全尺寸GPS－3卫星样机的系统工程、工业部件标准、研制中的投资，从而显著降低风险，提高生产可预测性，降低全项目成本。洛马公司是GPS－3项目的主承包商，其合作伙伴包括ITT Exelis公司、通用动力公司、无限系统工程公司、霍尼韦尔公司、ATK公司及其他分包商。

2013年4月，洛马公司完成GPS“非飞行卫星地面试验平台”（GNST）的吸波试验，该平台是一个全尺寸GPS－3卫星原型样机，将成为未来GPS－3星座在工程、制造和研发上的“探路者”。在首颗GPS－3卫星正样星集成和测试之前，有助于确定和解决研制中出现的问题。6月，洛马公司完成首颗GPS－3卫星平台电子系统的功能测试，这次测试保证所有平台子系统能够正常运行；7月，GPS－3的GNST平台成功完成一系列高保真度探索试验，并交付美国空军发射基地使用；10月，GNST平台通过交叉链路成功与GPS星座的在轨卫星实现通信；这些试验和测试为卫星导航有效载荷的最后集成做准备。

2 俄罗斯改进GLONASS卫星技术并促进其市场化应用

截至2013年底，俄罗斯“全球导航卫星系统”（GLONASS）共有28颗卫星在轨，其中24颗正常运行，3颗备份，1颗测试飞行，其导航精度约为2.8m，在轨卫星寿命为7年。新一代GLONASS－K卫星正在飞行试验阶段，随着GLONASS－K的逐步更新，该系统性能将进一步提高；同时，卫星还将引入CDMA信号，以增强系统信号强度和互操作能力。

俄罗斯GLONASS卫星星座

只有1颗卫星入轨，3颗卫星损毁

2013年4月26日，俄罗斯用联盟－2.1b运载火箭成功发射1颗GLONASS－M卫星。然而，在7月2日“一箭三星”的发射中，俄罗斯质子－M/DM－3运载火箭升空1min内即坠毁，它所携带的3颗GLONASS－M卫星损毁，这是质子－M/DM－3运载火箭自2010年事故后的又一次事故。经过调查发现，发射失败可能是由于火箭第一级上的角速度传感器安装错误所致，使得火箭发射后偏离轨道，然后水平飞行，解体并爆炸。事后，俄罗斯副总理表示，GLONASS在轨卫星星座具有必要的备份来保证其有效工作，这次的坠毁事件不会导致其系统性能的降低，然而在未来弥补损失的卫星是有必要的。

俄罗斯出台新的GLONASS发展计划

2013年1月12日，俄罗斯联邦航天局发布了一份名为《俄罗斯2013－2020空间活动》的文件，宣布到2020年将建造并发射13颗GLONASS－M卫星和22颗GLONASS－K卫星，届时共部署30颗卫星，其中6颗在轨备份。根据文件，俄罗斯将在未来8年中为GLONASS项目继续投资3265亿卢布（约合107.7亿美元），并计划使GLONASS的定位精度在2015年达到1.4m，在2020年达到0.6m。

俄罗斯采取多种措施提升GLONASS系统竞争力

首先，GLONASS系统努力从技术层面上减小与GPS的差距。最先进的GLONASS－K卫星最高寿命可达15年，在未来数年内俄罗斯还准备将系统在轨工作的卫星数量从24颗增至30颗，俄罗斯境外第一个GLONASS卫星地面监测站也已于2013年在巴西开始运行，这将对俄罗斯优化系统产生极大作用。

其次，GLONASS系统在民用市场的推广得到了国家的大力支持。根据俄交通部的指令，从2013年1月1日开始所有客运车辆和运输危险品的货车均需安装该系统，而从2014年开始，出租车也必须安装。俄国家杜马还准备起草法案，规定从2020年起，所有俄境内登记上路的交通工具必须强制安装GLONASS事故紧急反应系统，用于在发生交通事故时通过卫星向应急部门报告情况。俄通讯与大众传播部长尼基福罗夫在2013年参加世界移动通信大会上会见了高通、英特尔等手机芯片生产商代表，讨论了在手机上植入GLONASS系统的前景。根据GLONASS系统俄罗斯运营商尼斯-格洛纳斯公司所提供的资料，在该系统基础上研制的交通管理与监控系统已经在俄罗斯粮食公司、TNK-BP等大型公司得到应用，其中在能源开采业，该系统的使用数量已经在2009年的基础上增加了250%。

中国“北斗”卫星导航系统

此外，GLONASS系统也在积极拓展海外市场。印度是与GLONASS系统合作最紧密的伙伴之一，尼斯-格洛纳斯公司已经在印度开设了分公司，并在旁遮普邦等三个邦展开利用GLONASS系统进行交通管理与检测的试点。尼斯-格洛纳斯公司还与埃及、南非、巴西等国正在就建立合资公司、技术交流方面进行磋商。未来2～4年，GLONASS系统在俄罗斯国内导航系统市场的份额可能上升至60%～65%，而GPS的份额将下降至35%～40%。

3 中国“北斗”系统完成区域部署，着力实施应用推广

2012年底，“北斗”系统完成区域组网，正式提供区域导航服务。目前在轨卫星有14颗，包括5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆轨道卫星，系统运行连续、稳定，覆盖能力达到设计指标要求，定位精度10m。2013年，“北斗”系统开始进入星座全球部署阶段，将在2020年实现星座的全球组网。

卫星导航产业发展文件出台

2013年9月，中国卫星导航定位协会对外发布了《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书（2012年度）》。该白皮书显示，2012年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到810亿元人民币，比2011年增长15.71%，导航定位终端的总销量突破2.05亿台，“北斗”相关产值接近40亿元人民币。当前中国卫星导航与位置服务产业仍处于初级发展阶段，但产业发展前景美好，预计到2015年产业年产值将超过2250亿元人民币。

2013年10月，国务院下发《国家卫星导航产业中长期发展规划》。根据规划，到2020年，我国卫星导航产业创新发展格局基本形成，产业应用规模和国际化水平大幅提升，产业规模超过4000亿元人民币，“北斗”卫星导航系统及其兼容产品在国民经济重要行业和关键领域得到广泛应用，在大众消费市场逐步推广普及，对国内卫星导航应用市场的贡献率达到60%，重要应用领域达到80%以上，在全球市场具有较强的国际竞争力。

系统应用推广

2013年3月，用于增强“北斗”系统精度的地基增强系统（BGBES）在湖北省通过验证。“北斗”地基增强系统由30个地面站、1个操作系统和1个精密定位系统组成。利用该系统能够使“北斗”系统定位精度达到水平2cm，垂直5cm，利用单频差分导航技术，实时定位精度达到1.5m，将用于制图、土地资源、城市建设、规划和水源保护，以及车辆定位服务。

继2012年成功开展“北斗”珠江三角洲应用示范工程后，2013年6月，“北斗”长江三角洲应用示范工程启动，该示范工程以上海市智慧城市建设为切入点，围绕城市管理和民生应用，有重点地推动长三角地区“北斗”卫星导航示范应用与产业化。主要包括三部分内容：一是构建基于“北斗”的位置服务基础设施体系，建设以兼容“北斗”地面增强网、WIFI室内定位网为核心的位置服务基础设施体系；二是针对重点车辆监管、老人儿童监护、高精度定位等应用，推广5万台套“北斗”终端设备；三是建设“北斗”导航与位置服务技术创新基地、重点实验室、产品检测认证中心等共性技术平台。该示范工程的建设周期为18个月，总投入1.9亿元人民币。

“北斗”/全球导航卫星系统（GNSS）基础产品关键技术已突破，技术攻关和使用验证基本完成。具有自主知识产权的“北斗”/GPS双模芯片已量产实用，可靠性、稳定性、灵敏度等性能进一步提升，2013年中国自主研发的“北斗”/GPS双模芯片销量达150万片以上。

行业应用方面，“北斗”系统在交通、气象、渔业、农业、电力及应急救援等领域得到较好应用。如在北京、安徽等9省市共14万辆“两客一危”等重点运输车辆上安装“北斗”兼容终端，预计未来2年内会有100万辆营运车辆加装“北斗”兼容终端。

GNSS示意图

与巴基斯坦、印尼、斯里兰卡、泰国、新加坡、澳大利亚等国家开展卫星导航交流与合作，致力于推动国际GNSS监测评估系统建设，促进“北斗”/GNSS国际应用。

4 欧洲“伽利略”卫星研制进展稍缓

欧洲原计划于2013年发射4颗由德国OHB公司建造的“伽利略”（Galileo）全面运行能力（FOC）卫星，但因准备工作延迟，这4颗FOC卫星不能按期发射入轨，而这将影响Galileo星座的部署。按照计划，到2014年完成另外14颗FOC卫星发射后，Galileo系统就可以投入运行，提供公开服务、公共特许服务和搜索与营救服务；到2019年，30颗卫星全部发射完成，就可以实现全球覆盖。其中27颗为工作卫星，3颗为备用卫星，定位导航系统的精度达到10～15m。

目前在轨的4颗欧洲Galileo导航卫星

欧洲Galileo在轨示意图

测试在轨卫星

目前，Galileo系统只有4颗在轨卫星，还不能实现24h全球定位导航。2013年3月，欧洲首次利用这4颗卫星及全新的地面设施进行了地面定位，定位了位于荷兰诺德韦克的欧洲航天局欧洲航天技术中心导航实验室的经度、纬度和海拔高度，定位精度为10～15m。5月，我国清华大学的研究人员利用4颗Galileo卫星同时过境的机会，及时捕捉到信号，并进行了三维定位，取得成功，这是我国科研人员首次验证Galileo系统的可用性。7月，设在意大利福齐诺的Galileo系统控制中心进行了路演，通过4颗在轨卫星，顺利获得高精度三维坐标信息，同时为安装了信号接收器的交通工具提供卫星定位导航服务。

2013年9月，欧洲四国（比利时、法国、意大利和英国）测试了在轨Galileo卫星的准军事信号——公共特许服务（PRS）信号，以确保当Galileo星座运行时，地面系统能为政府用户服务。PRS信号被设计成抗干扰信号，相当于军码，留给欧洲军事部门和重要的政府部门使用。对于目前只有4颗Galileo卫星在轨、地面基础设施也未完全建成的情况下，测试的PRS信号就能达到10m的定位精度。欧洲GNSS监督管理局（GSA）表示，未来将放宽PRS信号的使用权限，非欧盟的加盟国只要和欧盟签署协议并得到其批准就可以使用该信号，从而获得精度更高、抗干扰性能更好的定位、导航和授时服务。

加紧FOC卫星的研制

Galileo项目的FOC阶段由欧盟投资和管理，欧洲委员会和欧洲航天局已签署了一项委派协议，按照该协议，欧洲航天局作为委员会的代理设计和采购机构。

2013年初，萨瑞卫星技术有限公司（SSTL）完成首批4颗Galileo FOC卫星有效载荷研制，并交付给主承包商组装到卫星平台上进行测试。5月，首颗FOC卫星被运往欧洲空间研究与技术中心（ESTEC），接受一系列的地面试验。首颗卫星与之前发射入轨的4颗在轨验证卫星相同，不过是由不同的工业团队制造，与后续21颗FOC卫星相同，这颗卫星的主承包商是OHB公司。这颗卫星的尺寸和形状与一个老式电话亭相似，其圆形L频段天线将向地球发送导航信息，卫星侧面的六角形天线则将完成一个至关重要的任务：收集遇险船舶发出的紧急呼救信号，并转发给搜索和营救机构，为国际卫星辅助搜救组织（Cospas-Sarsat）服务。11月，首颗FOC卫星已经通过了热真空试验。

目前，Galileo系统地面建设已经趋于成熟，有3个遥测和遥控指挥站投入运营，还有2个已于2013年完工；12个传感器站和5个导航信息上行站也已建成使用；分别建在意大利和德国的2个控制中心也将在2014年得到进一步完善。

5 印度研制并发射首颗导航卫星

2013年7月1日，首颗IRNSS由极轨卫星运载火箭－C22成功发射。这颗IRNSS－1A卫星质量约1.4t，设计工作寿命10年。卫星发射后不久，印度对其有效载荷进行了为期1周的测试，然后在轨进行3～4个月的试验。IRNSS－1A卫星的成功发射使印度跻身于拥有卫星导航系统的国家行列。

IRNSS项目于2006年批准实施，计划在2015年完成，预计耗资160亿卢比（约合3.5亿美元）。按照计划，IRNSS导航系统由空间段、地面控制段和用户段组成，覆盖印度及周边1500km以内区域，提供优于20m的定位精度。空间段由7颗位于地球静止轨道（GEO）和地球同步轨道（GSO）卫星组成。IRNSS的7颗卫星中，3颗位于GEO，分别定位于34°（E）、83°（E）和132°（E）；另外4颗位于GSO，轨道倾角为29°，其中2颗定位于55°（E），另外2颗定位于111°（E）。IRNSS的设计星座覆盖范围为40°（E）～140°（E）和40°（S）～40°（N）之间，可以为用户播发单频和双频信号，标准服务定位精度优于20m（95%）。IRNSS卫星采用C、S和L频段3个载波频段。其中，C频率（上行3400～3425MHz，下行6700～6725MHz）主要用于测控，S和L频段用于播发导航信号。

印度首颗IRNSS卫星

通过IRNSS导航系统的建设，印度可以降低对美国GPS导航系统的依赖。IRNSS系统兼顾民用和军事用途，将向用户提供全天候的精确实时定位、导航和授时服务，有两类基本服务：向普通民众提供标准定位服务和向特殊授权用户提供加密服务。

余下的6颗IRNSS卫星将每隔6个月发射一次，陆续在未来的30～36个月内发射完毕。目前，第二颗卫星已准备就绪，将于2014年初发射。

为了配合IRNSS系统的建设，2013年5月28日，印度空间研究组织成立了导航中心（INC），该中心位于班加罗尔以西的拜阿拉鲁（Byalalu）印度深空网（IDSN）综合设施内。INC是IRNSS系统的重要组成部分，负责提供时间基准，形成导航信息，并监控包括IRNSS测距站在内的地面设施。INC管理多个关键技术设施，支持多种导航功能。

6 日本优先实施QZSS项目

日本国家航天政策办公室将“准天顶卫星系统”（QZSS）作为最高优先级项目。2013年3月日本内务省宣布，分别与三菱电机公司和日本电气公司（NEC）签订合同，为日本的QZSS建造卫星和地面控制系统。三菱电机公司所签订合同价值500亿日元（约合5.4亿美元），根据合同规定，该公司将建造1颗地球静止轨道卫星和2颗倾斜轨道卫星，并于2017年底之前发射入轨，与2010年发射的第一颗“准天顶卫星”（QZS）共同构建卫星星座。与此同时，日本电气公司将领导建立一个团队，成员由三菱UFJ租赁有限公司和三菱电机公司组成，该团队将利用民间投资，建造QZSS的地面控制段，预计将从民间融资渠道募集到约1170亿日元（约合13亿美元）的资金，用于地面系统的设计和建造，并支持该系统未来15年的运行。

日本QZSS卫星

QZSS都将传送以下信号：L1C/A、L1C、L2C、L5、L1S[之前被称为L1-完整功能亚米级增强（L1-SAIF）]、L6a（一种公共规范服务）、L5S（GPS L5频率的增强信号）以及L6b[之前被称为L频段试验（LEX），一种高精度增强信号，频率中心1278.75MHz，与Galileo E6信号相同]。

根据计划，QZSS将在2018年3月完成四星在轨测试。目前GPS信号覆盖时间是90%，而使用QZSS后，卫星导航的时间能达到99.8%。QZSS将增加既定时间天空中的导航卫星数量，解决城市中的高层建筑限制地平切线附近卫星的可见能力的问题，从而能向城市中更多用户发射定位信号，同时，山区用户也将从QZSS中受益。QZSS还将带来更高的精度，在特定时间，东京市中心定位能力提高1倍，定位错误减少了2/3。