国外卫星导航系统现状与发展趋势分析

赵爽（北京空间科技信息研究所）

1 卫星导航系统现状

GPS系统大力推行现代化改造，确保世界领先地位

美国的“全球定位系统”（GPS）是目前部署最完善、卫星技术最先进、定位精度最高、普及最广的卫星导航系统。为了保持、增强美国在全球卫星导航领域的领先优势与主导地位，1999年美国提出GPS系统现代化计划，旨在全面提升GPS系统军事与民用服务的性能，增强GPS系统民用导航服务的竞争能力，增强对抗条件下GPS系统的军用导航服务能力。经此现代化改造，GPS系统空间段星座卫星数量、导航信号、卫星功能等均将出现重大变化，主要包括3个方面：其一，星座卫星数量增加至30颗以上，以改善星座几何分布，提升服务性能；其二，增加军用M码信号、3个民用信号，其中军用M码信号是美国增强GPS系统导航战能力的重要基础，包括星上信号功率增强、点波束等均需通过先进的M码军用信号实现；其三，增加星上功率可调、高速星间与星地链路、点波束、搜索与救援和被动激光测距能力等，这是增强GPS系统自主导航与导航战能力的关键措施。

为了实现以上3个方面的改造，美国采取了3种途径和手段，一是通过有计划地发射GPS-2F卫星，维持并稳步提升GPS星座在轨卫星数量；二是发展最新的GPS-3卫星，全面提升卫星能力；三是开展地面段现代化改造，以满足扩展的GPS系统星座，以及导航信号和功能增加的运行、控制与管理要求。2013年5月15日，美国发射了第4颗GPS-2F卫星，截至2013年12月，美国在轨GPS卫星数达到32颗，其中工作星达到了31颗，实现了其增加到30颗工作星的目标。而最新型GPS-3卫星的非飞行卫星已经过了多轮与现代化改造地面段——下一代运行控制系统（OCX）的测试工作，第一个可飞行的GPS-3 SV-01卫星在2014年开始装配。对于地面段现代化改造，截至2013年，OCX 1阶段已经取得了重要进展，特别是按计划需进行5次的GPS-3A卫星＋OCX 1发射演练已成功完成3次，标志着OCX 1的发展已接近成熟。

OCX 1阶段关键节点

在军用方面，美国在提供定位精度的同时，非常重视发展GPS的抗干扰能力，在GPS-2RM以及GPS-2F卫星上增加了抗干扰能力更强的军用M码信号。未来美国还将在下一代GPS-3中增加点波束信号，将在一个直径约965km的区域内形成一个信号强度是目前信号强度100倍的波束，从而极大地提升抗干扰能力。自1991年GPS精确制导武器首次用于实战，并取得重大战果以来，GPS系统提供的高精度定位、导航与授时（PNT）能力已经成为美国军事行动的重要使能力量，在力量部署与投送、后勤支援与保障、目标定位与精确打击、侦察与情报获取、军事作战与协同等方面发挥着极其重要，甚至是决定性的作用。美国军方认为，GPS系统及其提供的高精度PNT服务是美国军事能力的倍增器。

从天基PNT能力应用的角度分析，美国军方已经形成了系统完整、体系配套的高效能GPS应用体系与协调的一体化GPS应用能力，处于全面领先地位。与此同时，在卫星导航干扰能力不断发展，PNT能力的应用争夺不断加剧的背景下，美国军方正在致力于提升GPS系统抗干扰能力，如增加与民用信号彻底分离的M码军用信号、星上信号功率可调、点波束增强等，并通过技术升级来改善美国GPS用户设备的抗干扰能力；同时，限制、阻断敌方使用卫星导航能力已经成为美国军方的重要任务。

GLONASS能力恢复，发射失利不会动摇其现代化进程

1996-2000年，由于俄罗斯经济严重下滑、政府财政支持困难等原因，极大地影响了俄罗斯“全球导航卫星系统”（GLONASS）的发展。其星座的补网发射难以进行，再加上每年大约3900万美元的维护费用，星座维持难以为继，用户设备的开发更是受到极大的影响。该星座卫星数量最少时只有7颗，无法独立提供PNT服务，极大地影响到GLONASS系统政策的连续性和管理体系与组织结构的建设。由于GLONASS系统星座的退化等因素，在2010年前俄罗斯军方卫星导航的应用能力非常有限。2008年爆发的南奥塞梯冲突中，俄罗斯损失了包括1架图-22M战略轰炸机在内的多架作战飞机，暴露出严重缺乏远程精确打击武器的问题，也从一个侧面表明俄罗斯军方的卫星导航应用能力非常有限。南奥塞梯冲突暴露的问题使俄罗斯更加坚定了尽快恢复与利用GLONASS系统的决心。

GLONASS系统2012-2020年维护、发展以及应用计划资金投入中各项目比例

GLONASS系统定位精度的改进

2002年开始，俄罗斯一直致力于GLONASS系统空间段的恢复工作。至2011年底，GLONASS系统星座达到24颗卫星的满星座状态，使系统全面恢复工作。此后，根据俄罗斯2012年出台的《GLONASS系统2012-2020年发展计划》，将未来9年GLONASS系统的发展分为3个方面：系统维护、系统发展和系统应用，计划投入3465亿卢布（约合120亿美元）。

（1）系统维护

尽管2013年7月2日，GLONASS系统因发射失败损失了3颗卫星，但目前来看对于整个系统的在轨卫星数量影响不大，截至2013年12月，GLONASS星座仍有28颗卫星在轨，并保持24颗工作星运行，另有3颗备份，1颗在轨测试。为了维持系统的在轨卫星数目，按照之前计划，2014-2020年，GLONASS系统还将发射9颗GLONASS-M卫星以及22颗新一代的GLONASS-K卫星，以代替过期服役的卫星。而为了发射这些卫星，预计还需要7枚质子-M (Proton-M)火箭和10枚联盟-2.1b(Soyuz-2.1b)火箭，预计成本将达到上千亿卢布。

（2）系统发展

为了在未来与美国GPS系统以及其他国家的卫星导航系统的竞争中立于不败之地，俄罗斯开展了一系列现代化改进计划，这包括研制和部署新的GLONASS-K、地面段现代化、发展星基增强系统等。未来GLONASS系统的定位精度将可以与美国GPS系统抗衡，据俄罗斯官方人员预测，在2015年前GLONASS系统的定位精度将达2.8m，直追GPS系统1.8m的定位精度，而预计在2020年GLONASS系统将赶超GPS，定位精度将达0.6m。

（3）系统应用

俄罗斯政府目前正在大力开发GLONASS信号接收与处理的芯片和模块，使其可以应用到其他各个领域。尽管民用部件的开发计划还没有在其他联邦部门发展计划中出现，但预计到2015年将会有6种新型芯片组面世，在2020年将达到39种。届时，国防部的GLONASS导航应用产品将达到43种，而内政部、联邦监狱和联邦药物管制局等部门将拥有56种GLONASS导航产品。此外，俄罗斯联邦政府还将对其原计划绘制的公开数字导航地图包括比例为1∶10000的城市地图以及比例为1∶50000的俄罗斯全境地图，进行全面更新和扩充。

综上所述，尽管GLONASS系统的发展之路充满坎坷，不过以普京为核心的俄罗斯政府发展GLONASS系统的决心非常坚定，相信很长一段时间内，该系统都将是美国GPS系统强有力的竞争对象。

Ga lileo系统发展计划图

Galileo卫星发射推迟，部署脚步再遭延缓

目前，欧洲“伽利略”（Galileo）卫星导航系统只有4颗在轨验证卫星运行，执行在轨测试与验证任务。按2012年11月召开的第7届国际全球导航卫星系统委员会（ICG）大会上欧洲提交了新的Galileo系统发展报告，欧洲原计划将于2014年完成Galileo初始运行能力建设。如果按照这一计划，Galileo系统就要在2013年、2014年的短短2年内发射14颗卫星，这对欧洲的发射能力和卫星制造能力带来了巨大挑战。

然而，在2013年，欧洲1颗Galileo卫星也未能发射，由此推断Galileo系统要在2014年完成部署的计划显然是无法实现，其部署脚步恐怕又遭推迟。分析其发射推迟原因大致有两点：一是负责制造Galileo工作星的德国OHB公司制造能力尚显不足，虽然，OHB公司曾经成功地发展了由5颗卫星组成的德国军用雷达成像侦察卫星系统—“合成孔径雷达-放大镜”（SAR-Lupe）卫星，但与欧洲航空航天防务公司（EADS）、泰雷兹-阿莱尼亚公司等欧洲领先的航天企业相比，OHB公司只能算作后起之秀，其卫星的研制、生产能力尚有一定差距。二是卫星测试过程缓慢，据悉，目前2颗待发射的Galileo工作星仍在位于荷兰诺德韦克的欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）进行测试，2013年11月末首颗工作星刚刚结束热真空测试，而第2颗工作星则正在进行模拟与火箭分离过程的震动试验，热真空测试则在2014年初进行，预计这2颗卫星要在2014年中期才能发射。

尽管部署脚步屡遭拖延，但欧洲开发Ga lileo系统的决心依然坚定。Ga lileo系统是欧洲航天计划中优先等级最高的项目。美国加利福尼亚大学微系统实验室主任Addrei M. Shkel在2011年曾撰文指出“至少1000年内，导航与精密授时能力将一直是衡量国家军事与经济实力的一个重要因素”（发表在《GPS世界》2011年第9期，题名“M icrotechnology Com es of Age”）。因此，虽然Galileo系统的发展几经坎坷，如2007年的特许经营权谈判破裂、2011年Galileo系统中期评估中涉及的巨大资金缺口问题都不能动摇欧洲建立与发展独立的全球卫星导航系统的决心。2014-2020年，Galileo与“欧洲地球静止卫星导航重叠服务”（EGNOS）系统将获得70亿欧元的投资，用于系统建设、维护、运行管理与导航基础设施的建设。相信，欧盟、欧洲航天局已经为Galileo系统的发展创造了一切必要条件。Galileo系统的建设为德国发展、壮大航天产业，OHB公司增强自身实力，提升其在欧洲卫星制造业中的位置提供了重要契机。德国、OHB公司定当努力把握这一契机，借助其强大的工业能力，通过Galileo系统的建设与发展，提升德国在欧洲航天领域的地位，甚至在全球航天产业中占据重要位置。

QZSS系统建设规划有条不紊，实施稳步推进中

日本“准天顶卫星系统”（QZSS）的发展正处于稳步推进中。2010年9月11日，日本成功发射了QZSS的第一颗卫星，完成了卫星的测试工作。新建了关岛地面监测站，并正在与美国共同筹建夏威夷监测站。2009年8月，日本公布了准天顶卫星导航接口规范文件（IS QZSS1.1版），规范了体系结构、信号结构和服务性能等内容。

加速推进以车载信息服务系统为龙头的卫星导航应用发展。20世纪90年代，日本在船用导航仪方面引领世界发展。90年代中期，日本开始成为车载卫星导航系统发展的引领者，其车辆与道路信息系统（V ICS）发展迅速。自1993年开始试运行至今，VICS系统已经实现全国覆盖，车载终端用户数量已经达到3000万以上，总产值达600亿美元，并以每年至少300万辆的增幅攀升。

积极开发可支持多种卫星导航信号的接收机。负责研制QZSS初始接收机的日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）已经选择了Sp rien t通信公司的测试方案。由于QZSS位于高椭圆轨道需要依赖GPS来提供导航数据。因此，JAXA需要设计出能够支持多种卫星技术的接收机；而Sp rient公司的方案不仅具有测试GPS L1、L2和L5信号的能力，还可以测试相同频段的QZSS卫星信号的性能。

在导航领域，日本一直谋求与美国建立密切的合作伙伴关系。自1998年美日签订合作声明以来，两国2013年来一直定期召开GPS协商会，成立GPS与QZSS技术工作组，推动了两国在空间段、地面段以及应用等领域的合作。例如，在地面段JAXA与美国国家海洋和大气管理局（NOAA）共同完成了关岛监测站的建设，目前正与美国航空航天局（NASA）联合在夏威夷建设地面站和时间频率信号传递站，为日本国家情报与通信技术研究所和美国海军天文台等提供时间频率信号。同时，两国还在频率保护和兼容等方面展开技术讨论。

IRNSS系统发射首卫星，进入国际导航领域角逐

印度一直将发展航天业作为其迈向世界大国、体现其综合国力的重要步骤。近年，印度航天业发展迅猛，在火箭运载、卫星通信、卫星气象、卫星导航等诸多领域都有了长足发展。其中，由于卫星导航在国防领域发挥的重要作用，更是受到了印度的重点关注，并有计划、有步骤地实施着相关建设。印度卫星导航系统采用了“万国博览会”的发展方式，包括与美国合作的GPS辅助型地球静止轨道增强导航系统（GAGAN）、参与俄罗斯GLONASS系统发展建设、以及自主开发“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）的3个层次的发展。在这3个层次的发展中，最为核心的一步就是自主开发IRNSS，该系统将成为世界上第6个卫星导航系统，有着鲜明的印度特色，将对引领印度成为航天和导航大国有着举足轻重的作用。

2013年对于印度卫星导航领域来说有着重要的意义，因为印度的第1颗IRNSS导航卫星成功发射，这对于印度IRNSS系统的发展，乃至印度整个卫星导航产业的发展都有着重要意义。正如印度空间研究组织（ISRO）主席拉达克里希南所说：“IRNSS-1A导航卫星的发射标志着印度进入空间应用新纪元。”而IRNSS第2颗卫星也已准备就绪，预计将于2014年发射。按照计划，从现在起到2015年，印度只要再发射6颗星（平均每年3颗），就可以实现其区域覆盖计划。

从目前发展情况来看，IRNSS系统很可能会赶在欧洲Galileo系统之前，成为继GPS、GLONASS、“北斗”系统之后第4个投入应用的系统。因为按计划，欧洲的Galileo系统要在2016年完成其初始运行，实现区域覆盖，而且从现在起到2016年还要发射14颗星（平均每年5颗），其发射任务之艰巨，令人怀疑其是否能够按时完成这一宏伟计划。

就其覆盖范围和技术水平而言，IRNSS同中国的“北斗”系统均是一种可向全球性拓展的区域卫星导航系统。不过，“北斗”系统2012年就已实现对亚太地区的服务。而且，对于重要的卫星载荷如原子钟，中国为自主研制，而印度则是从外采购。所以，就这个角度而言，“北斗”系统至少领先IRNSS系统5～10年。

2 全球导航卫星系统发展趋势分析

未来的卫星导航市场将由“单极”向“多极”发展，多系统共存是必然趋势

目前，卫星导航市场仍几乎为美国GPS系统独占，但这种局面正在改变。随着GLONASS系统的恢复，以及我国“北斗”系统区域服务的正式运行，这两个系统在卫星导航应用市场已经或正在显示出相当的活力。许多知名的卫星导航芯片、原始设备制造（OEM）板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，全球卫星导航应用市场GPS系统“一家独大”的局面正在发生改变。

至2020年，随着“北斗”系统、Ga lileo系统等的部署完成，全球卫星导航领域将呈现GPS、GLONASS、Galileo与“北斗”四大系统并存的局面。而在局部区域，日本的QZSS以及印度的IRNSS其力量也不可忽视。这些系统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。

PNT体系将成为解决军事与民用导航问题的最终解决方案

可提供全天时、全天候高精度PNT服务的无线电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PNT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。

为了解决单一卫星导航系统的不足，美国首先提出了国家PNT体系。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。

X射线脉冲星导航将成为实现卫星导航系统长期自主导航的关键技术

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PNT信息，从而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既是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。

强对抗条件下的军事PNT技术将成为未来信息化战争中重要保障

未来的战争将会是以导航、侦察、通信等信息手段为主导的信息化战争，这不但包括依赖上述信息获取手段的“知己、知彼”，更包括通过电子干扰、电子欺骗等信息对抗手段，阻断、破坏敌军的信息获取。PNT信息的获取是信息化战争的重要保障，同时也不可避免地将受到敌军的干扰与破坏的威胁。以美国为代表的卫星导航大国，近些年一直重视对抗条件下的PNT技术发展，如美国GPS系统增加播发的M码信号和未来GPS-3卫星加装的点波束天线等。可以预见，强对抗条件下的军事PNT技术将成为未来信息化战争中时空信息对抗的关键技术。