2020 年国外导航卫星系统发展综述

2021-03-17刘春保武珺北京空间科技信息研究所

国际太空 2021年2期

刘春保武珺（北京空间科技信息研究所）

2020 年，国外共进行了4 次导航卫星发射，成功发射导航卫星4 颗。其中，美国2 次，成功发射全球定位系统－3（GPS－3）卫星2 颗；俄罗斯2 次，成功发射格洛纳斯－M（GLONASS－M）卫星1 颗、GLONASS－K1 卫星1 颗。

截至2020 年底，国外在轨运行并提供导航服务的卫星89 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24 颗，日本“准天顶卫星系统”（QZSS）4 颗，“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）7 颗。

1 美国—系统更新、换代与前沿关键技术研发并行推进，增强性能优势，巩固主导地位

整体来看，在卫星导航领域，2020 年美国聚集于两个方面的发展，其一是GPS 系统现代化计划的持续推进，包括空间星座的更新、换代与新一代运行控制系统（OCX）的研发与部署；其二是未来卫星导航领域新概念与前沿技术的发展与验证。

截至2020 年底，美国GPS 系统在轨卫星32 颗，其中31 颗提供定位、导航与授时（PNT）服务，包括GPS － 2R 卫星8 颗，GPS － 2RM 卫星7 颗，GPS－2F 卫星12 颗，GPS－3 卫星4 颗。

GPS－3 系列卫星—构建GPS 系统服务性能与导航战能力优势

截至2020 年底，美国已经签署了32 颗GPS－3系列卫星的采购合同，包括GPS－3 卫星10 颗，GPS－3F 卫星22 颗。

与GPS－2F 卫星相比，GPS－3 卫星的主要功能与能力增量包括：增加了L1 频段的互操作信号L1C；设计寿命增加至15 年；定位精度提高3 倍，抗干扰能力提高8 倍。

GPS－3F 卫星示意图

在GPS－3 卫星的基础上，GPS－3F 卫星还将增加如下功能与能力：点波束信号功率增强能力，可同时实现全球任意两个区域的点波束信号功率增强，波束功率增强区域直径1000km；在轨升级与信号重构能力；V 频段高速星间/星地链路功能；增加激光反射器阵列，以增加轨道与位置测量精度；搜索与救援（SAR）载荷。

导航技术卫星－3—前沿关键技术发展的先锋

导航技术卫星－3（NTS－3）项目由两部分组成：空间飞行演示验证部分，即NTS－3 卫星，主要验证GPS 卫星未来发展所需的有效载荷关键技术；地面运行管理与控制系统部分，主要验证仅利用美国本土的地面基础设施完成GPS 系统运行管理，以及对抗环境下支持GPS 系统安全、稳定运行的关键技术。

2017 年6 月，美国空军研究实验室（AFRL）及太空与导弹系统中心（SMC）将价值9500 万美元的地面控制系统授予了布莱克顿技术公司（Braxton）；2019 年1 月，将价值8400 万美元的卫星合同授予了L3-哈里斯技术公司（L3-Harris），计划于2022 年发射，开展为期1 年的在轨演示验证活动。

NTS－3 在轨概念图

NTS－3 项目开展的关键技术验证如下。

1）卫星导航系统新的运行控制方案与技术：在其海外运行控制设施损毁或被破坏时，仅利用美国本土的基础设施即可支持GPS 系统可靠、稳定运行；增强GPS 系统的抵御赛博攻击的能力。

2）先进原子钟技术：可选项目包括美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的汞离子钟和空军研究实验室的改进型铷原子钟，目标是汞离子钟的频率稳定性达到10-16，改进型铷原子钟的频率稳定性较现役铷钟提升10 倍，为满足分米级、厘米级定位精度提供支持，并验证原子钟的抗辐射加固技术。

3）军用高增益天线、先进L 频段放大器技术：用于支持点波束信号功率增强，并应用于GPS－3F 卫星，实现GPS 军用信号20dB 的点波束信号功率增强。其中，先进L 频段放大器的目标是效率增加至60%，输出功率达到400W（当前约为200 ～250W）。

4）在轨升级与信号重构技术：研发可在轨重新编程的数字波形生成器，结合导航有效载荷数字化技术、软件无线电技术验证灵活的抗干扰、抗欺骗技术，满足未来先进信号的处理要求，增加系统弹性；在原频点和新频点播发新导航信号的技术，将有效提升GPS 系统的抗干扰、抗欺骗能力，还将增强GPS 系统满足任务或需求变化的能力，有效降低GPS 系统未来的升级成本，缩短新功能、新信号的部署周期。

总体来看，美军希望通过NTS － 3 项目实现GPS 系统三方面的能力提升：

1）提升PNT 服务性能，为自动驾驶、物联网（IoT）等高精度需求提供分米级、厘米级的支持；

2）增强导航战能力，包括抗干扰、抗欺骗能力，在轨升级和信号重构能力、信号功率增强能力、赛博安全能力等；

3）增强满足任务或需求变化的能力，降低系统维持、发展成本，缩短新功能、新信号的部署与形成作战能力的周期。

2 月，NTS－3 项目通过了美国空军的初步设计审查；随着美国天军的成立，4 月，NTS－3 项目已经转由美国天军航天器管理局负责；6 月，NTS－3项目通过关键设计评审，进入卫星生产、测试阶段。

OCX 系统是GPS 系统安全、稳定运行的屏障

新一代OCX 系统是GPS 现代化的重要组成部分，目标是：①全面满足现代化GPS 系统空间段的运行、控制与管理要求，保证空间星座新增功能与能力的运行与实现。②保证GPS OCX 系统的赛博安全。赛博安全是最重要的能力增量，是对抗环境下保证GPS 空间星座各项功能与能力运行和实现的基础。在网络空间已经成为重要作战域的背景下，OCX 系统的赛博安全能力正在成为保障卫星导航系统与服务正常运行、保证卫星导航系统运行控制权的必要条件。

M 码军用信号是GPS 现代化的重要内容，但由于OCX 系统的拖延，M 码军用信号迟迟不能投入使用。2020 年初，洛马公司（LM）完成了M 码早期使用（MCEU）能力交付，使GPS OCX 系统具备了军用M 码信号的监测、测试等能力，使美军可以籍此开展M 码信号与应用装备的测试与试验，为M码军用信号的投入使用、军用M 码装备的发展提供支持。

2 欧洲—推进系统全面运行，启动下一代系统研发

2020 年，欧洲分两个方面推进Galileo 系统的发展，其一是稳步推进第一代Galileo 系统的建设；其二是谋划第二代Galileo 系统的发展。

稳步推进系统建设，持续改善系统技术

Galileo-FOC 卫星示意图

近年来，Galileo 系统的发展屡遭挫折，使欧洲航天局（ESA）更加重视Galileo 系统的技术验证，提升Galileo 系统可靠性。除对Galileo-FOC 卫星导航有效载荷进行全面无线电特性测试外，还利用1 颗Galileo-IOV 卫星进行了导航有效载荷的装配、检测等工艺的全面测试与验证，以提升Galileo 在研卫星的可靠性。

目前，ESA 正在推进12 颗Galileo-FOC 卫星研制工作，计划2021 年利用阿里安－6（Ariane－6）运载火箭进行3 次发射活动，发射6 颗Galileo-FOC卫星，使Galileo 系统投入全面运行。

启动下一代系统研发，即将授出下一代卫星合同

7 月，欧盟委员会批准了未来7 年（2021 －2027 年）欧洲太空预算，计划拨款132 亿欧元（约合152 亿美元），主要用于Galileo 导航系统和“哥白尼”（Copernicus）计划的继续实施。其中，Galileo 系统获得80 亿欧元，约占61%。

8 月，ESA 启动首批新一代Galileo 卫星的招标活动，预计2021 年初向空客防务与航天公司（Airbus）、德国不莱梅轨道高技术系统股份公司（OHB system）和泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）三家公司中的两家授予平行合同，两家中标企业各自制造2 颗卫星。ESA 在2021 － 2027 年的7 年周期内总计采购、生产12 颗卫星，首颗第二代Galileo 卫星最早于2024 年发射。

灵活的、数字化有效载荷将成为新一代Galileo卫星的重要能力增量，此举将有效提升Galileo 系统的信号精度，并为发展在轨升级与信号重构能力奠定基础，提升适应任务与需求变化的能力。此外，新一代Galileo 卫星装备新型原子钟，以提升Galileo 系统PNT 服务性能。新一代Galileo 卫星的质量将从上一代的733kg 增加至2400kg，达到中大型卫星的水平，也预示着新一代Galileo 卫星将发生重大变化，值得重点关注。

3 俄罗斯—完全自主的卫星研发取得突破，星座全面更新启动

2020 年，俄罗斯进行了2 次GLONASS 卫星发射，成功发射GLONASS － M、K1 卫星各1颗。截至2020 年底，GLONASS 系统在轨卫星28颗，其中，提供导航服务的卫星23 颗，包括22 颗GLONASS－M 卫星，1 颗GLONASS－K1 卫星。

俄罗斯正在扩展GLONASS地面运行控制系统，目前已有的地面运行控制系统主要由2 个系统控制中心、9 个参考站、6 个任务上行站和3 个激光测距站组成，支持GLONASS 系统运行的其他基础设施还包括：3 副32m 口径、2 副7m 口径的望远镜，1 部地面冷原子光钟和50 个天文与大地测量网络站等。

将粗滤的黄刺玫果汁与白砂糖按一定比例调配,加热煮沸至蔗糖溶解后,加入储液罐中并搅拌均匀,通过板框压滤得到黄刺玫果汁饮料。当饮料的色泽、口感、气味和各项检测指标均符合要求(见表6)时,进行灌装。预先把瓶和瓶盖杀菌,将制备好的果汁罐装,果汁温度不低于85℃。采用手动压盖机封盖。以防漏气,封盖时果汁温度不低于70℃。封盖后通过UHT超高温瞬时灭菌机灭菌(115℃、10s),自来水喷淋冷却至室温。

自2014 年以来，受西方国家制裁的影响，GLONASS－K 系列卫星的研发严重拖延。同时，由于2016 年以来俄罗斯的航天预算大幅减少,也对GLONASS－K 系列卫星的研发产生了不利影响。在俄罗斯的不懈努力下，2019 年GLONASS － K系列卫星的研发已基本完成，并于2020 年启动了GLONASS 系统空间星座的全面更新与升级活动，计划于2025 年完成全部由GLONASS － K 系列卫星组成的空间星座，提升更有竞争力的全球卫星导航服务。

GLONASS － K1 采用改进的星载原子钟，稳定度达到5×10-14，未来将达到10-15量级，增加了L3 频段民用码分多址（CDMA）信号；增强型GLONASS － K 是GLONASS － K1 的改进型号，增加了4 个CDMA 信号，同时还增加了星间链路载荷与测试用新型原子钟，其设计寿命也由原来的10年增加至12.5 年，对降低GLONASS 系统的维持与发展成本、提升系统服务的连续性、稳定性和系统发展的可维持性具有重要意义；GLONASS－K2是GLONASS－K 系列卫星的最后一个型号，新的CDMA 信号、星间链路、新型高精度星载原子钟等将成为其标准配置的有效载荷与能力，其中，光学星间链路技术处于全球领先状态。

新的GLONASS － K2 卫星将使俄罗斯卫星导航系统的精度从3 ～5m 提高到1m 以内。俄罗斯计划在2021 年发射第一颗GLONASS － K2 卫星，该卫星质量约1800kg，是GLONASS － K1的2 倍。目前在轨运行的24 颗卫星中，只有2颗是GLONASS － K1 卫星，另外22 颗是旧的GLONASS－M 卫星。到2030 年，GLONASS 星座将完全由24 颗GLONASS－K2 卫星组成。

GLONASS－K1 型卫星

4 日本与印度区域卫星导航系统发展

自2017、2018 年分别完成QZSS 系统首阶段部署和IRNSS 系统星座更新后，日本与印度全面推进各自区域卫星导航系统应用的发展，特别是军事领域的应用发展。

目前，在日本海上自卫队中，已有布雷舰、潜艇、搜救舰各2 艘搭载了QZSS 系统，并已完成试运行。2021 年，日本计划将为4 艘护卫舰搭载该系统，其中包括2 艘“云级”（Izumo-class）直升机母舰。其他护卫舰、潜艇、飞机等也将依次引入QZSS 系统，并且日本防卫省还着手将QZSS 用于陆上自卫队和航空自卫队的装备。同时，日本积极推进QZSS 系统第二阶段的部署，卫星研发工作稳步推进。预计，2023年将完成7 颗卫星组成的QZSS 系统的全面部署与运行，并启动自主卫星导航服务，摆脱对美国GPS 系统的依赖。

在完成IRNSS 系统的全面部署并投入运行后，印度积极推动IRNSS 系统应用的发展。印度空间研究组织（ISRO）和美国的卫星导航芯片制造商高通公司（Qualcomm）合作开发了一款支持IRNSS 系统的芯片“骁龙”（Snapdragon），该芯片旨在支持IRNSS 系统，以实现IRNSS 导航在手机、汽车和物联网平台的地理定位能力方面的应用。

5 结语

从卫星导航领域发展的角度看，民用服务性能的提升与军事导航战能力的增强是卫星导航技术发展的主要驱动因素。其中，导航战能力的增强是未来卫星导航技术发展的重点。

提升民用服务性能—满足未来自动驾驶、智慧城市等高精度需求

星载原子钟技术与导航信号数字化技术是目前提升民用服务性能的两个主要技术方面。

作为时间测距体制的卫星导航系统，星载原子钟性能的提升是改善服务性能的重要途径之一。目前，全球卫星导航系统普遍采用的磁选态原子钟技术（包括磁选态铷钟、铯钟与被动氢原子钟）已基本达到其性能极限，提升空间有限。美国GPS－3 卫星已经率先采用了脉冲光抽运铯束钟，其频率稳定度与准确度均明显提升（约半个数量级），使GPS － 3 卫星空间信号测距误差达到0.5m（原为0.7m）。

导航信号数字化技术可有效地减少导航信号处理、放大过程中产生的失真，提高信号精度。GPS － 3 卫星的导航有效载荷的数字化率已经达到70%，GPS － 3F 将达到100%；在第二代Galileo系统发展中，欧洲也启动了导航信号与导航有效载荷的数字化研发，将有效提升未来Galileo 系统的服务性能。