国外导航卫星发展回顾

刘春保（北京空间科技信息研究所）

国外导航卫星发展回顾

2016 Year in Review: Foreign Navigation Satellites

刘春保
（北京空间科技信息研究所）

2016年，国外共进行8次导航卫星发射活动，成功8次。其中美国1次，成功发射了1颗全球定位系统－2F（GPS－2F）；欧洲2次，成功发射了6颗“伽利略-全运行能力”（Galileo-FOC）卫星；俄罗斯2次，成功发射了2颗全球导航卫星系统－M（GLONASS－M）；印度3次，成功发射了3颗“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）。截至2016年底，国外在轨运行导航卫星85颗，在轨运行并提供导航服务的卫星66颗，其中，美国GPS系统31颗，俄罗斯GLONASS系统23颗，欧洲“伽利略”（Galileo）系统11颗，日本“准天顶卫星”（QZS）1颗（主要提供GPS增强服务）。

2016年国外导航卫星成功发射数量（按国家统计）

1 引言

2016年国外导航卫星在轨数量（按国家统计）

2016年，美国持续保持GPS系统运行与服务的稳定，成功完成了最后1颗（第12颗）GPS－2F卫星的发射，计划于2017年使M码军用信号、L2C和L5民用信号投入使用，增强GPS系统的军事服务能力及其全球民用市场的竞争能力。然而，GPS－3卫星与新一代“运行控制系统”（OCX）研发的拖延，使GPS空间星座更新、补充与GPS系统运行控制段能力建设造成了很大影响，使研发成本持续增加，对GPS系统的可用性、可持续性构成了潜在的威胁。据美国国会国防委员会的评估结果，新一代“运行控制系统”研发成本已经从原计划的15.3亿美元增加至53亿美元，违反了纳恩-麦柯迪法案（Nunn-McCurdy Act）。截至2016年9月，因经费问题，新一代“运行控制系统”的研发处于停摆边缘。美国国防部部长已向国会阐明了新一代“运行控制系统”的重要性，但在国会批准新经费前，新一代“运行控制系统”的研发仍将处于停滞状态。2016年12月，美国总统奥巴马批准了2017财年国防预算，全额批准了国防部关于“运行控制系统”的经费申请，为“运行控制系统”经费之争画上了一个令美国军方满意的句号。同时，为支撑GPS系统的未来发展，美国空军启动了第3颗“导航技术试验”（NTS－3）卫星的研发，目标是试验、验证将用于未来GPS卫星的关键技术。

欧洲加快了Galileo-FOC卫星的部署，2016年成功完成了2次发射任务，发射卫星6颗，使Galileo系统在轨运行卫星数量达到18颗，完成了系统初始运行能力部署，并成功进行了首次“一箭四星”发射。12月15日欧洲方面宣布∶Galileo系统投入初始运行。

俄罗斯保持GLONASS系统运行的稳定，成功发射了2颗GLONASS－M卫星，并积极推进新一代GLONASS－K卫星的研发。西方国家制裁的效果初步显现，首颗GLONASS－K2卫星的发展已经推迟至2018年，2020年完成主要由GLONASS－K卫星组成的空间星座，并将星座卫星数量扩展至30颗目标的实现难度加大。

2016年，印度成功完成了3颗IRNSS卫星的发射，在轨运行卫星数量达到7颗，完成系统部署。IRNSS系统预计于2017年投入运行。

2015年1月发布的《日本航天基本计划》确定了发展由7颗卫星组成的QZSS系统的目标，3颗新增卫星的研制活动将于2017年启动，计划于2024年完成7颗卫星组成的QZSS系统的部署。

2 美国

GPS系统已经实施现代化计划，未来的空间段、地面段使系统拥有星上信号功率可调、高速星间星地链路、导航战点波束增强等新的功能与能力。

目前，GPS系统空间段采用27轨位基线扩展星座，截至2016年底，在轨工作卫星31颗，包括12颗GPS－2R卫星、7颗GPS－2RM卫星和12颗GPS－2F卫星。至此，GPS系统空间星座全部由具有星间链路和自主导航能力的卫星组成，拥有全面的180天自主导航能力；拥有播发M码军用信号能力的卫星19颗，具备了M码信号初步投入运行服务的能力。

“运行控制系统”的部署直接影响到美军能否在2017年前实现M码军用信号和L2C、L5民用信号投入使用。在GPS现代化计划中，上述导航信号是增强GPS系统导航战能力与增强GPS系统在全球卫星导航应用市场竞争能力的关键。

未来GPS系统空间与地面体系（OCX＋GPS－3卫星）

首颗GPS－3的发射可能推迟至2018年进行，此后以每年约2颗的速度发射，2033年左右构成全部由GPS－3组成的空间星座。届时，GPS系统空间段将由8颗GPS－3A、8颗GPS－3B和16颗GPS－3C组成，具备GPS现代化计划规定的全部能力。

随着GPS现代化计划的逐步推进，美国空军已经启动了未来GPS系统关键技术的研发、验证工作，美国空军于2015年启动了导航技术试验－3（NTS-3）项目，主要任务是测试、验证用于支撑未来GPS系统发展的新概念与新技术，计划于2022年发射，开展为期1年的空间飞行演示与验证工作。

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。该系统由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。

2016年完成了6颗Galileo-FOC卫星的部署，12月15日，欧盟委员会（EC）与欧洲航天局（ESA）共同宣布∶欧洲Galileo卫星导航系统投入初始运行，使欧洲成为全球第4个拥有完全自主的卫星导航能力的地区（国家）。目前，Galileo系统在轨卫星18颗∶提供导航服务卫星11颗，试运行卫星4颗，在轨测试卫星2颗，停止工作卫星1颗，其中，可提供搜索救援服务卫星12颗。

Galileo-FOC卫星由德国不莱梅轨道高技术系统股份公司（OHB）和英国萨瑞卫星技术公司（SSTL）组成的团队联合研制，采购22颗卫星。卫星采用模块化设计，整个卫星分为7个模块，分别为∶有效载荷核心模块、时钟系统模块和天线模块，上述3个模块构成卫星的有效载荷单元；另外4个模块为别为∶平台核心模块、中心模块、推进模块和太阳电池模块，上述4个模块构成卫星的平台单元。

Galileo-FOC卫星的主要有效载荷包括∶时间子系统、任务上行子系统、导航信号生成子系统、射频放大子系统、搜索救援子系统和激光反射器阵列等。

时间子系统由2部无源氢钟、2部铷钟和时钟监测与控制单元组成，均采取产生10.23MHz的基准频率。星上温度控制系统保证时间子系统的环境温度在很小的范围内变化，以改善其稳定性。

2017年1月19日，ESA发布Galileo卫星星钟故障通告，9部原子钟故障，包括3部铷钟、6部氢钟，涉及“伽利略-在轨验证”（Galileo-IOV）卫星3颗、Galileo-FOC卫星2颗。ESA称，此次故障对Galileo初始服务未造成影响。计划于2017年8月进行的Galileo-FOC卫星发射推迟3个月至2017年11月进行。

任务上行子系统接收来自于外部区域完好性系统（ERIS）和Galileo地面运行控制段的加密数据。数据接收采用具有6个并行信道的码分多址（CDMA）接收机，接收到的数据传输至公共安全单元进行解密。

Galileo系统在E5、E6和E1（L1）频段播发10个导航信号，提供免费服务、商业服务、生命安全服务、公共特许服务和搜索救援服务。

欧洲Galileo-FOC卫星在轨飞行示意图

2016年11月，在俄罗斯索契召开的第11届全球卫星导航系统国际委员会（ICG）上，欧洲代表宣布了未来2～3年Galileo系统的服务计划。按照该计划，Galileo系统于2016年底前投入初始运行，提供开放服务、公共授权服务和搜索救援服务的初始能力；2018年，将全面提升开放服务、公共授权服务和搜索救援服务的服务能力，商业服务投入被动运行。

为保证Galileo系统于2020年前投入全面运行，2016年ESA重新定义了Galileo系统全面运行能力的星座状态，星座卫星数量从原来的“27颗工作星＋3颗备份卫星”调整为“24颗工作星＋备份卫星（不确定数量）”。该调整表明∶在仅完成4颗Galileo-IOV卫星和22颗Galileo-FOC卫星采购的条件下，2020年前，欧洲已经不可能完成30颗卫星组成的Galileo系统空间段部署，重新定义Galileo-FOC星座状态是保证Galileo系统于2020年前投入全面运行的很必要保证。

欧洲Galileo系统服务计划

但是，按照已经采购的26颗卫星（4颗Galileo-IOV，22颗Galileo-FOC）的当前状态看，在已经发射的18颗卫星中，1颗Galileo-IOV卫星因电源故障已停止工作，首次发射的2颗Galileo-FOC卫星因运载火箭问题没能进入预定轨道，能否正常提供导航服务还未最终确定（按Galileo系统初始运行状态信息，上述2颗卫星处于测试状态，不能提供导航服务）。因此，至2020年，Galileo系统工作卫星的数量能否达到24颗尚存在不确定性。

欧洲Galileo-FOC卫星主要参数

欧洲Galileo系统服务性能

4 俄罗斯

截至2016年底，俄罗斯在轨导航卫星27颗，其中GLONASS－M卫星25颗、 GLONASS－K1卫星2颗；可提供定位、导航与授时（PNT）服务的卫星23颗，其中GLONASS－M卫星22颗，GLONASSK卫星1颗。

2016年，俄罗斯进行了2次GLONASS卫星发射，成功发射了2颗GLONASS－M卫星，较好地保证了GLONASS系统运行与服务的稳定。从GLONASS系统星座维持与更新的情况看，自2011年底GLONASS系统全面恢复运行以来，特别是自2014年以来，在仅发射5颗GLONASSM卫星的条件下保持了GLONASS系统的稳定，表明GLONASS卫星在轨工作寿命已经得到了较好地解决，不再需要频繁地补充与更新发射就可以基本保证系统运行与服务的稳定。

俄罗斯在轨导航卫星组成

俄罗斯GLONASS－K卫星发展路线图

受2014年乌克兰冲突的影响，西方国家对俄罗斯进行了制裁，其中包括对GLONASS－K卫星所需抗辐射加固器件的禁运。为此，俄罗斯调整了GLONASS－K卫星的发展计划，将原计划的GLONASS－K1和K2两个型号增加了一个过渡型号，即增强型GLONASSK卫星，在不改变GLONASS－K卫星发展目标的前提下，形成了GLONASS－K卫星新的研发计划。

新的码分多址信号、星间链路、新一代高精度星载原子钟、提高设计寿命是GLONASS卫星发展的重点，其中设计寿命、星钟稳定度等指标基本与美国GPS－3卫星相当，光学星间链路则处于领先地位。由此可以看出，俄罗斯发展全部由本国部件组成的GLONASS－K卫星的计划已经全面走上轨道。虽然受此影响，GLONASS系统现代化计划被推迟，但是相信完全自主的GLONASS系统更加符合俄罗斯的利益。

5 日本

2015年1月，日本新的航天基本计划确定了发展由7颗卫星组成的“准天顶卫星系统”（QZSS）后，明确了QZSS系统两步走的发展路线。第一步，2018年前完成由1颗地球静止轨道（GEO）卫星＋3颗倾斜地球同步卫星轨道（IGSO）卫星组成的空间星座；第二步，2023年前完成7颗卫星组成的QZSS部署，并投入运行。

与首颗“准天顶卫星”（Q Z S）—“指路”（MICHIBIKI）相比，第2、3、4颗QZS卫星在导航信号上有一定变化，主要变化为GEO轨道卫星增加了主要用于灾难与应急管理的短信服务。

从目前的情况看，第2颗QZS卫星的发射时间已经推迟至2017年，为此，日本应在2018年年中之前完成第2～4颗QZS的发射，才能保证4颗卫星组成的QZSS系统能够在2018年投入运行。

从QZS卫星看，GEO轨道卫星比IGSO轨道卫星增加了S频段信号和用于播发S频段信号的天线，发射质量也从4000kg增加至4700kg。

6 印度

自2006年5月9日批准IRNSS发展计划，至2016年4月完成空间星座部署，印度用10年的时间完成了IRNSS系统的部署，较计划的2011年推迟了5年。

2016年4月28日，第7颗IRNSS卫星发射成功，使印度成为全球第4个完成卫星导航系统部署的国家，并将IRNSS系统重新命名为“印度导航星座”（NavIC）。

IRNSS系统由空间段、地面控制段和用户段组成，满足覆盖40°（E）～140°（E）、40°（S）～40°（N）区域的要求，提供标准定位服务和授权定位服务两种信号，在L5与S频段各播发一个标准定位服务信号和一个授权定位服务信号，标准服务定位精度优于20m（95%）。

日本QZSS系统发展路线图

日本QZSS系统信号1）

日本QZSS系统的IGSO（左）与GEO轨道卫星（右）对比图

IRNSS系统运行控制段负责IRNSS系统星座的维持与运行，系统地面控制段由2个“IRNSS系统导航中心”（INC）、2个“IRNSS卫星控制中心”（SCC）、9个“遥测、跟踪与上行站”（IRTTC）、17个“测距与完好性监测站”（IRIMS）、2个“IRNSS授时中心”（IRNWT）、4个“CDMA测距站”（IRCDR）、“IRNSS激光测距站”（ILRS）和“数据通信网络”（IRDCN）组成。

为了保证系统运行的安全、稳定，IRNSS系统还配备了1个主控站、1个备份主控站，其中主控站位于班加罗尔。主控站与备份主控站均由1个“IRNSS系统导航中心”和1个“IRNSS卫星控制中心”组成，负责IRNSS系统的运行管理，包括计算并预估导航卫星的轨道位置，计算系统完好性，修正空间电离层和星载原子钟偏差，运行导航系统软件；承担卫星测控、指挥任务的还包括“遥测、跟踪与上行站”等，负责监控卫星的健康状态，接收卫星遥测信号同时上传遥控指令、上行注入轨道参数、钟差、电离层及对流层修正系数等导航电文信息；此外，17个承担测距与完好性监测任务的“测距与完好性监测站”中15个部署在印度本土，2个部署在印度境外，分别是毛里求斯和比亚克岛。

印度IRNSS系统组成

IRNSS卫星的精确轨道确定由“测距和完好性监测站”和“IRNSS激光测距站”共同完成，实现卫星的跟踪和精确测量，估算卫星的轨道，监控星座的完好性，并把相关信息传递给主控站，用于星座卫星控制、卫星轨道预报等运行管理活动。

IRNSS系统星座由7颗卫星组成，包括3颗GEO轨道卫星和4颗IGSO轨道卫星。3颗GEO轨道卫星分别定位于34°（E）、83°（E）和132°（E）。4颗IGSO轨道卫星部署在2个轨道面，轨道倾角均为29°，2个轨道的升交点分别为55°（E）和111°（E），地面轨迹在赤道两侧对称分布。

IRNSS卫星采用I－1000三轴稳定平台，发射质量1425kg，与GPS和GLONASS系统第一代工作卫星相当，干质量614kg（其中有效载荷质量110kg），发射状态尺寸1.58m×1.5m×1.5m，太阳电池功率1660W，配备一部容量90Ah的锂离子电池，有效载荷功率900W。卫星的姿态确定与控制采用零动量系统，卫星设计寿命10～12年。

IRNSS系统的部署完成，使印度成为全球第4个完成卫星导航系统部署的国家，既为印度提供了宝贵的军用卫星导航能力，也有助于增强印度全球航天大国的地位及其在全球卫星导航领域的影响力。

7 发展趋势

新一代卫星导航系统论证启动，重点是服务性能与导航战能力

美国、欧洲均已启动新一代卫星导航系统发展的论证工作。为此，美国空军启动了未来GPS系统关键技术的研发与验证项目—导航技术试验－3，主要内容包括∶在轨数字波形生成器技术、氮化镓高效放大器技术、高增益区域增强的先进天线技术、星载原子钟技术和利用星间链路实现GPS系统星座运行管理与控制技术，均为支撑导航战能力与服务性能的关键技术。欧洲新一代卫星导航系统发展的咨询、调研工作已经完成，正在开展需求固化、系统想定与成本效益分析的研究、论证工作，2019年将启动系统与卫星的设计、研发活动。俄罗斯GLONASS－K卫星的发展计划已经调整完毕，全部基于国产化器件的GLONASS－K2卫星的设计工作原计划于2016年底前完成，重点是增强抗干扰能力、自主运行能力和服务性能。

导航战能力与服务性能是支撑卫星导航系统在军用与民用两个领域竞争能力的核心。因此，新一代卫星导航系统的论证与发展必将以导航战能力与服务性能为重点，从而增强或提升其在军、民两个领域的竞争优势。

2015年，美国空军启动了导航技术试验－3卫星项目，主要任务是测试、验证用于支撑未来GPS系统发展的新概念与新技术，主要涉及3个方面，分别为在轨数字波形生成器（ORDWG）技术、氮化镓高效放大器技术和用于实现高增益区域增强的先进天线技术等支撑导航战能力的关键技术。

多系统共存的格局初步形成

随着Galileo系统初始运行能力与IRNSS系统的部署完成，全球卫星导航领域多系统共存的格局已初步形成。至2020年，随着Galileo系统、“北斗”全球系统、日本QZSS系统的部署完成，全球卫星导航领域多系统共存的格局将全面形成。届时，全球卫星导航领域的竞争将更加激烈。同时，多系统应用已经成为军用、民用卫星导航装备发展的重要趋势，这一特点在军用导航装备与先进的民用导航芯片产品中的表现尤其明显。

目前，美国、欧洲、日本携其在微电子技术、基本导航技术（如惯性导航技术等）以及资金与市场等方面的优势，在全球卫星导航应用市场几乎占据着绝对优势。根据美国联邦政府总务管理局（GSA）发布的《GNSS市场报告》统计结果，全球导航芯片、贴牌生产（OEM）板、高性能天线等核心产品的优势供应商几乎全部为美国、欧洲与日本企业。因此，其他卫星导航系统的拥有国如不能在卫星导航应用领域尽快取得突破，有可能被卫星导航应用市场边缘化。

多源融合技术是未来军事PNT技术与能力的重要保障

未来的战争是信息化条件下的战争，制信息权、制电磁权的对抗是其重要特征，PNT信息的播发、传递与获取是电磁对抗、信息对抗的重要焦点。如何满足对抗条件下的军事高精度PNT需求，获取对抗条件下的PNT优势已经成为各种导航大国、强国追求的目标。

为满足强对抗战场环境的军事PNT需求，在PNT体系概念的指导下，美国正在以卫星导航技术、自主导航技术为核心，不断推动先进军用导航技术的发展。在卫星导航领域，GPS系统抗干扰能力更强的军用M码信号即将投入使用，微PNT、量子导航、全源导航、伪卫星/信标等旨在满足对抗条件下军用PNT需求的基础技术与多系统、技术和手段的多源融合技术的研发不断推进，成为军用PNT技术发展的重要方向和未来军用PNT技术与能力发展的重要保障。

技术的创新与突破是支撑未来卫星导航发展与全球竞争能力的关键

从美国空军的导航技术试验－3项目看，为支撑新一代GPS卫星的发展，美国空军将在轨数字波形生成器、氮化镓高效放大器、高增益区域增强的先进天线、星载原子钟和利用星间链路实现GPS系统星座运行管理与控制等技术，作为影响或决定GPS系统未来全球竞争能力与主导地位的关键技术。

同时，从关键技术的发展来看，随着技术的不断发展，目前卫星导航系统所采用的技术能力已经难以提升。如目前广泛用于卫星导航系统的磁选态氢钟、铷钟与铯钟的性能已经很难有所提升，而采用不同工作机理的GPS－3卫星采用的脉冲光抽运铯束钟、NASA喷气推进实验室研发的汞离子钟、天宫－2采用的冷原子钟等，则在性能等方面拥有巨大的优势与潜力。因此，技术的创新与突破是提升未来卫星导航系统服务性能与导航战能力的关键，也是支撑未来卫星导航发展与全球竞争能力的关键。