2015年 全球导航卫星发展回顾

刘春保 （北京空间科技信息研究所）



2015年全球导航卫星发展回顾

2015 Year in Review：Global Navigation Satellites

刘春保 （北京空间科技信息研究所）

2015年，全球共进行导航卫星发射10次，成功10次，共计13颗导航卫星。其中，美国3次，成功发射全球定位系统－2F（GPS－2F）卫星3颗；欧洲3次，成功发射“伽利略-全运行能力”（Galileo-FOC）卫星6颗；中国3次，成功发射“北斗”导航卫星4颗；印度1次，成功发射“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）卫星1颗。截至2015年12月31日，国外在轨运行导航卫星77颗。提供导航服务的卫星55颗，其中，美国GPS系统31颗，俄罗斯“全球导航卫星系统”（GLONASS）23颗，日本“准天顶卫星系统”（QZSS）1颗（主要提供GPS增强服务）。

截至2015年底，全球只有GPS、GLONASS和“北斗”区域导航系统投入全面运行服务，为用户提供定位、导航与授时（PNT）服务，并可为GPS、GLONASS、“北斗”双模、多模用户提供高于单系统的定位、导航与授时服务。日本QZSS可提供GPS增强服务，其自主导航信号尚不能单独提供服务。

1 美国

2015年，美国继续保持GPS系统运行与服务的稳定，持续加快GPS系统星座的更新步伐，成功发射3颗GPS－2F卫星，计划于2016年初完成全部12颗 GPS－2F卫星的部署，2017年前使M码军用信号、L2C和L5码民用信号投入使用；同时，美国空军（USAF）已经完成了GPS现代化计划的调整，该计划至少将持续至2033年。

2015年全球导航卫星成功发射情况（按国家统计）

截至2015年底国外导航卫星在轨数量（按国家统计）

GPS系统最新发展

目前，GPS系统空间段采用的27轨位基线扩展星座，由分布在6个轨道面的27颗卫星组成，其轨道高20200km、倾角55°。目前在轨工作卫星数量31颗，空间信号用户定位误差1.6m，授时精度20ns。

截至2015年底，GPS系统已经发展了2代6个型号卫星，至2016年初，美国空军将完成第二代GPS卫星最后一个型号—GPS－2F卫星全部12颗卫星的发射，第三代GPS－3卫星的发射进入倒计时。

目前，美国正在发展第三代GPS系统，至2015年底，洛马公司与其合作伙伴ITT公司完成了首颗GPS－3卫星核心模块的匹配和任务数据单元软件的审定，整星的热真空试验也已于2015年秋季启动，计划于2016年9月具备初始发射条件。然而，由于新一代“运行控制系统”（OCX）的拖延，GPS的OCX在2018年前才能具备支持GPS－3卫星运行的能力，也就是说：即使首颗GPS－3卫星能够在2016年或2017年发射，却不能投入正常运行。因此，GPS－ 3卫星与OCX的拖延已经对GPS系统持续、稳定的运行构成了潜在威胁。

GPS－3A卫星在轨飞行示意图

完成“体系结构演进计划”（AEP）后的GPS系统地面控制段由2部分组成，即AEP系统和“发射、入轨、异常情况处理与运行处置”（LADO）系统。在GPS系统运行控制段中，AEP和LADO具有不同的功能，执行不同的任务。

AEP的组成与功能：

1）完成最多31颗GPS工作卫星的指挥、控制等运行管理工作；

2）1个主控站＋1个备份主控站；

3）4副专用地面上行天线＋8副美国空军卫星控制网的上行天线；

4）6个专用监测站＋10个隶属于美国国家地理空间情报局的监测站。

LADO的主要功能与任务：

1）利用美国空军的卫星控制网进行除工作卫星外其他GPS系统在轨卫星的指挥与控制管理；

2）在轨卫星异常情况处置；

3）卫星发射与发射后卫星的管理；

4）卫星寿命终结时的处置操作。

由于OCX系统研发的拖延，至2015年底，GPS系统运行控制段尚不具备GPS－3卫星发射和运行管理能力。因此，在完成运行控制段OCX第1阶段（OCX Block0）的改进之前，美国空军不具有发射、管理GPS－3卫星的能力。

美国空军GPS系统未来的更新、补充计划

2015年2月，美国空军向众议院国防委员会提交了题为《GPS系统星座更新、补充》的报告，从卫星与运载火箭采购、2014年与2015年计划的对比、在轨卫星状态、发射计划的确定等多个方面回答了国会国防委员会提出的质询，以消除其对保证GPS系统可用性与可持续性的疑虑。

（1）GPS卫星与运载火箭的采购计划

美国空军已经签署了8颗GPS－3卫星的采购合同，此外第9、10颗卫星的采购方案已经获得了美国政府的批准，第11～32颗GPS－3卫星的采购活动计划于2016年初启动，首先开展设计成熟度审查与风险降低活动，研发合同的授出时间为2018年。依据已经签署的采购合同，第1～8颗GPS－3卫星将分别在2016－2020年间具备初始发射能力。

由于GPS－3卫星与OCX研发的拖延，美国空军于2015年调整了GPS－3卫星的采购计划。美国空军认为：维持一个可承受、可持续的星座，要求在具有可承受性、可持续性的更新、补充策略与稳定的卫星生产线之间取得平衡。维持GPS系统星座要以星座的需求为依据，保持卫星采购的持续性，同时保有卫星的高速生产能力。生产速度的调整，应寻求最大生产能力储备与初期卫星最小储存成本之间的平衡。虽然2014财年的计划有利于降低近期成本，但长远来看，新的生产计划可使GPS系统星座的维持具有更好的可承受性与可持续性。

原（2014财年）采购计划：2015年2颗（从第9颗GPS－3卫星开始），2016财年2颗，2017财年3颗，2018财年3颗。

未来GPS－3卫星具备初始发射能力的时间1）

新（2015财年修订后的）采购计划：2015财年1颗（从第9颗GPS－3卫星开始），2016财年1颗，2017财年3颗，2018财年3颗。

对比2014、2015财年的采购计划，显然美国空军放慢了GPS－3卫星的采购步伐，2015－2018年间的卫星采购数量从2014财年的10颗减少至2015财年的8颗，显然这将对未来GPS系统星座的更新、补充构成影响，这也是引发美国国会、GPS应用团体广泛担忧的重要原因。

2014、2015财年GPS－3卫星采购计划对比

与之相反，美国空军却对保证未来GPS系统的可用性与可持续性充满了信心。美国空军认为：根据GPS系统在轨卫星的健康状态、卫星在轨延寿技术的使用和新卫星的补充发射等，美国空军完全可以满足未来GPS系统可用性的要求。

美国空军认为：首先，2014年11月19日，GPS系统星座中至少有30颗在轨卫星处于健康状态，且另有1颗刚刚发射的GPS－2F卫星完成检测后，即可投入运行，使健康卫星数量达到31颗；其次，2015－2016年，美国空军将完成剩余4颗GPS－2F卫星的发射，可替换星座中超期服役的GPS－2A卫星，继续改善GPS系统星座的状态；第三，通过改进电池充电方法，可使18颗在轨运行的GPS－2R和2RM卫星分别至少延长1～2年，进一步改善GPS系统空间星座的状态；最后，未来美国空军将利用GPS－3卫星替换星座中的GPS－2R和2RM卫星，从而解决GPS星座面临的中、长期风险。

按照上述设想，GPS现代化计划将实施至2033年，即完成最后一颗GPS－3C卫星的发射，保证GPS系统安全、稳定的运行。

（2）卫星研发与发射进度拖延的风险

美国空军认为，GPS系统卫星研发与发射进度拖延的风险主要包括：首颗GPS－3卫星（SV01）交付、GPS－3空间系统运行人员任务准备、OCX计划关于现有卫星和GPS－3卫星控制部分的实施等3个方面的拖延，且已经采取了措施，以降低上述风险。首先，利用综合基线计划管理，并重新配置解决技术问题的相关资源，美国空军正在降低GPS－3卫星研发与交付的风险；其次，美国空军已经修订了任务准备活动计划，确认了空间运行人员完成发射与检查任务准备的时间；第三，美国空军已经完成了现有卫星与新一代卫星（GPS－3）运行与维持备选方案的工程研究。在OCX尚未完成准备的条件下，美国空军确定了整个计划进度的关键节点，并启动了备选计划，修改了现有体系，在OCX全面投入运行前为系统运行提供支持。

按照GPS标准定位服务性能规划（2008年版）的规定，GPS系统星座保持至少24颗运行卫星可用的概率在95%以上。美国空军的评估表明：GPS系统不能满足上述承诺与规定的功能，可用性的风险是较低的。除上述风险外，GPS系统星座所面临的最大风险是所有天基系统都要面对的，包括：在轨卫星的灾难性失效、发射失败和地面系统的脆弱性。为降低上述风险，使其处于较低水平，“星座维持评估团队”（CSAT）程序用于按需要提出更新、补充建议。目前，美国空军可通过执行GPS－2R和2RM卫星改进电池充电控制程序、2016财年前完成剩余GPS－2F卫星的发射、提供向GPS－3过渡稳健的星座需求的专家评估等手段，保持GPS系统24颗卫星可用概率为95%以上，使GPS系统健康地走向未来。

GPS－3卫星与OCX研发拖延导致成本大幅上升

虽然，美国空军对保证GPS系统服务的可用性和发展的可维持性充满信心，但是美国国会还是对GPS－3卫星和OCX研发的拖延和由此造成的成本上升表现出了极大的担忧。2015年3月，美国政府问责办公室（GAO）发布的《国防采购：选定武器系统评估》报告指出：GPS－3卫星和OCX系统研发的拖延，使GPS系统现代化的投入不断增长，对GPS系统的维持与发展均构成了潜在威胁。

《国防采购：选定武器系统评估》报告表示：与2013财年相比，因计划拖延，2014财年GPS－3卫星和OCX的研发投入分别从44亿美元和35亿美元增长至49亿美元和41亿美元，即在过去的一年中，GPS－3卫星与OCX的投入增长了11亿美元，必将对GPS系统的未来发展构成影响。

由于GPS－3卫星有效载荷研发遇到了重大问题（主要包括设计更改和内部信号干扰），导致首颗GPS－3卫星的交付时间至少已经推迟了28个月。而且首颗GPS－3卫星测试过程中出现问题的全面改进，有可能产生新的拖延，从而进一步加大成本增长的风险。

与GPS－3卫星的研发相比，OCX系统研发的拖延更为严重，其关键能力的交付时间已经推迟了4年。GAO的调研表明：造成OCX计划严重拖延的主要原因包括计划调整、远高于预期的软件缺陷水平和由此造成的重大返工与代码增长。GAO将产生上述问题的原因归结为对OCX技术复杂程度与工作量的认识不足或严重低估。

2 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，轨道高23600km、倾角56°，轨道面间夹角120°，轨道周期14h4min，地面轨迹重复周期10天，每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。

2014、2015年Galileo系统发展计划对比图

Galileo系统现状

Galileo-FOC卫星首次发射部分失利后，2015年欧洲加快了Galileo系统的部署步伐，成功完成3次、6颗Galileo-FOC卫星的发射，并于2015年初完成了首次发射的2颗Galileo-FOC卫星的拯救工作，努力为2016年投入初始运行创造条件。

目前，Galileo系统在轨卫星12颗，分别为4颗“伽利略-在轨验证”（Galileo-IOV）和8颗Galileo-FOC卫星。Galileo系统尚处于系统部署阶段，不提供定位、导航与授时服务。

2015年，欧洲航天局（ESA）发布了3个Galileo系统用户文件，标志着Galileo系统信号与服务定义工作持续推进，包括：2015年4月发布《Galileo系统NeQuick电离层修正模型》1.1版、2015年9月发布《Galileo系统开放服务空间信号接口控制文件》1.2版和《Galileo系统空间信号运行状态定义》1.2版。

Galileo发展计划调整

2014年Galileo-IOV卫星首次发射的失利与后续发射活动的推迟，对Galileo系统发展造成的影响是不可忽视的。同时，按Galileo系统的定义，其空间星座由30颗卫星组成，而目前欧洲仅完成了26颗Galileo卫星的采购，尚不能满足Galileo系统投入全面运行的要求。为此，2015年欧洲再次调整了Galileo系统的发展计划，系统投入全面运行的时间从2014年计划中的2018年，推迟为2015年计划中的2020年。对比2014年、2015年的Galileo系统发展计划可以发现：2017年前2个计划基本相同，即完成Galileo系统初始运行能力的部署；2个计划的最大区别在于，2015年的计划将Galileo系统完成全面运行能力建设的时间从2018年调整为2020年。对于上述计划调整，欧洲给出的解释是：Galileo系统的发展将采取更加稳妥的策略。然而，实际情况并非完全如此。

首先，2010年ESA授予OHB公司和英国萨瑞卫星技术公司（SSTL）的Galileo-IOV卫星研制合同仅包含22颗卫星，即使加上4颗Galileo-IOV卫星，目前欧洲也仅采购了26颗Galileo卫星。也就是说，离部署由30颗卫星组成的、完整的Galileo系统空间段还少4颗卫星。按计划，2016年欧洲将启动新的Galileo-IOV卫星采购活动，以满足投入全面运行的要求。

其次，虽然欧洲已经完成了首批2颗Galileo-IOV卫星的拯救工作，轨道高度增加了3500km，但并非Galileo的工作轨道，轨道周期与倾角也不相同，能否用于提供正常的卫星导航服务尚没有明确的结论；再加上1颗Galileo-IOV卫星因电源故障于2014年4月失效，使能够投入运行服务的Galileo卫星可能只有23颗。因此，2016年欧洲Galileo卫星的采购数量也将受上述2个因素的影响，有可能达到7颗。

3 俄罗斯

截至2015年12月31日，俄罗斯在轨导航卫星28颗，其中GLONASS－M卫星26颗，GLONASS－K1卫星2颗，提供定位、导航与授时服务的卫星23颗，全部为GLONASS－M型号。

自2011年底GLONASS系统全面恢复以来，除2014年因系统故障造成2次服务短时中断外，俄罗斯基本保证了GLONASS系统的稳定运行与服务，提升了俄罗斯在全球定位、导航与授时领域的地位和全球影响力。而且，更加开放的态度也使GLONASS系统的发展受益。然而，受2014年乌克兰冲突的影响，西方国家对俄罗斯进行了制裁，其中包括停止提供GLONASS－K卫星研发所需的抗辐射加固器件，使GLONASS-K卫星的研制受到重大影响。

2015年3月，俄罗斯航天系统公司（RCS）与信息卫星系统-列舍特涅夫公司（ISS Reshetnev）共同宣布，将研发全部由俄罗斯部件组成的GLONASS－K卫星。俄罗斯航天系统公司首席执行官Andrew Tyulina称：俄罗斯计划尽可能快地在GLONASS卫星上停止使用采购自国外的电子器件，计划在2019年前使GLONASS卫星电子器件的国产化率达到80%。

负责GLONASS系统卫星研发的俄罗斯信息卫星系统-列舍特涅夫公司CEO称：自主研发GLONASS－K2所需的抗辐射加固器件至少需要1～2年的时间。为此，将继续生产7颗GLONASS－K1卫星，使该型号卫星数量达到9颗，而不是原计划的2颗，以满足GLONASS系统维持与发展的需要。

GLONASS－K卫星在俄罗斯GLONASS系统的未来发展中占有非常重要的位置，是GLONASS系统全面融入全球卫星导航体系，提升俄罗斯在全球定位、导航与授时领域地位的重要支撑。GLONASS分为2个型号，即GLONASS－K1和K2，按最初的研发计划，GLONASS－K1为试验卫星，用于卫星结构、功能、新信号与新技术的试验与验证。GLONASS－K2为工作星，计划采购数量27颗，用于替代现役的GLONASS－M卫星，并将GLONASS系统空间段扩展为30颗卫星组成的星座。

4 日本

2015年1月9日，日本发布了新的航天基本计划。在计划的第四章“航天政策的具体措施”中明确指出：强化航天在安全保障领域的应用，强化日本的导航、通信和情报收集等航天系统。具体讲，要确立QZSS的7星体制，实现“持续导航”能力，以此为前提讨论如何在安全保障方面的有效运用。

QZSS发展路线图

日本新的航天基本计划指出：2020年QZSS的首颗卫星“指路”（Michibiki）将到达设计寿命，因此应从2015年开始研制“指路”的后续卫星，维持由4颗卫星组成的QZSS。2017年将着手研制新增的3颗卫星，并于2023－2024年使上述卫星投入运行，完成能够提供连续导航定位能力的、由7颗卫星组成的QZSS。

因此，日本政府已经明确了发展由7颗卫星组成的QZSS计划，2024年前完成系统部署。

与首颗QZSS卫星“指路”相比，第2～4颗QZSS卫星在导航信号上有一定变化，主要变化为地球静止轨道（GEO）卫星增加了主要用于灾难与应急管理的短信服务。

第2～4颗QZSS卫星将在2016－2017年间发射，完成在轨测试后，计划于2018年投入运行，主要为日本与亚太地区提供GPS增强服务，并播发自主导航信号，提高定位、导航与授时服务的性能。

5 印度

继2014年印度IRNSS取得重要进展后，2015年印度继续稳步推进IRNSS系统的建设。2015年3月28日，印度成功发射了第4颗IRNSS卫星，使IRNSS系统卫星数量达到4颗。虽然印度IRNSS系统的建设已经取得了一些成就，然而与其计划于2016年完成7颗卫星组成的IRNSS系统的部署，并投入运行仍有较大差距。为此，2015年11月，印度宣布加快IRNSS系统的部署，于2016年3月底前发射3颗IRNSS卫星，完成系统部署，以保证IRNSS系统于2016年投入运行。

印度IRNSS系统的发展开始于2006年，同年5月印度政府批准了IRNSS计划，投资约3.5亿美元建设由7颗GEO轨道和倾斜地球同步卫星轨道（IGSO）的卫星和地面控制段、用户段组成的区域导航卫星系统，使印度拥有完全自主的军事与民用卫星导航能力。

IRNSS卫星采用与印度气象卫星卡帕娜-1 （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。导航频率选用S频段（2492.08MHz）和L频段（L5，1176.45MHz）。

与其他卫星导航系统大多选择L频段播发导航系统不同，印度IRNSS系统在L5频段和S频段各播发1个军用信号和1个民用信号，以满足印度军事与民用卫星导航服务的需求。

此外，印度设想在IRNSS系统的基础上发展由18颗卫星组成的全球卫星导航系统。然而从星座构型的角度分析，18颗卫星组成的空间星座难以形成较为理想的全球覆盖，定位、导航与授时服务的性能较低，全球民用卫星应用领域缺乏足够的竞争力。