2014年世界导航卫星回顾

徐菁（北京空间科技信息研究所）

2014年，美国“全球定位系统”（GPS）、俄罗斯“全球导航卫星系统”（GLONASS）和“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）均有新的卫星发射。中国正在加紧研制“北斗”卫星，将于2015年进行全球系统卫星的首次发射。欧洲“伽利略”（Galileo）系统建设遭遇重大挫折，或将无法按期完成星座组网。

1 GPS系统现代化进程受阻

截至2014年年底，美国GPS星座有32颗卫星在轨，其中工作星31颗，分别是GPS－2A卫星4颗、GPS－2R卫星12颗、GPS－2RM卫星7颗、GPS－2F卫星8颗。

GPS－2F卫星持续补网

2014年，美国成功发射4颗GPS－2F卫星，加快了GPS星座的更新步伐，按计划将在2016年前完成全部12颗GPS－2F卫星的发射。该型号卫星由波音公司研制，质量为1.63t，设计寿命12年，提供更高的精度和抗干扰能力。

同时，美国也在研究增强GPS抗干扰能力的办法。据报道，雷神公司即将推出新的增强版战场GPS抗干扰系统—“陆地盾”（Landshield）。该系统将为GPS的L1和L2频段同时提供最完整、最先进的抗干扰能力。低成本、高效GPS干扰器可显著降低依赖GPS信号进行定位、导航与授时（PNT）的军事系统的精度与能力，而“陆地盾”系统可以集成到近40%的美国陆军地面战车之中，还能够保证战斗直升机在旋翼状态下正常运行，具备绝佳的尺寸、质量和功率特性。

美国GPS－2F卫星总装

GPS－3计划面临更多延迟

目前，美国空军放缓G P S－3卫星的研制进度。按照最初的计划，2014年和2015年每年购买2颗GPS－3卫星，并在此之后的3年中每年购买3颗GPS－3卫星。但是根据现在的采购计划，2014年和2015年的卫星采购数量降低到每年1颗。首颗GPS－3卫星的交付时间也推迟到2016财年。

美国空军航天计划主管罗伯特·麦克默里少将称，我们正面临很大的预算压力，因此决定降低采购速度，在仍然满足在轨星座需求的同时，节省资金用于未来的国防计划。

随着GPS卫星补网速率降低，美国空军还会相应削减用于推动开发具备“双星”发射能力的运载器的资金。

与现役GPS卫星相比，GPS－3卫星精度更高、抗干扰能力更强且寿命更长，同时还可提供额外的能力，将增加一个新的民用信号。至今，洛马公司已经签订了制造8颗GPS－3卫星的合同。目前，GPS－3的非飞行卫星已经与未来的运行控制系统进行了多次联合测试。

寻求其他导航方式

由于电子干扰、电磁脉冲武器或者地形等因素的影响，GPS系统的服务性能可能降低或者无效。2014年6月12日，美国国防高级研究计划局（DARPA）向工业界发布新的项目公告，即对抗环境下的空间、时间和方向信息（STOIC）。该项目将研发与GPS系统性能相当的军用PNT技术，而且不依赖于GPS系统运行，目标是为作战人员提供在对抗环境下类似GPS系统的PNT能力。为此，研究人员必须结合远距离参考信号、超稳定战术钟，以及可在用户之间共享PNT信息的多功能系统。

在美国DARPA评出的2013年度十项重大研究中，微型导航系统位列其中。微型导航系统是一种在GPS系统暂时失效情况下的补救措施，该局的研究人员在“定位、导航与授时微型技术”（Micro-P N T）项目下研发的“授时与惯性测量装置”（TIMU），能在短时间内无需依赖GPS系统便可在全球范围内进行导航。该微型导航系统尺寸比1美分硬币还小，系统包括一个6轴惯性测量装置（3个陀螺仪和3个加速计），并集成了高精度的主时钟。

此外，美国在嵌入式全球定位/惯性导航系统（EGI）、天文导航及增强型罗兰系统研究方面也有一定进展。

2 GLONASS系统建设稳步推进

自2011年G L O N A S S系统恢复满星座运行以来，俄罗斯每年都持续发射新的GLONASS卫星，以保证系统服务和全球覆盖。到2014年年底，GLONASS系统共有29颗卫星，其中24颗卫星在轨工作，2颗GLONASS－K1卫星仍处于飞行测试阶段。

2014年发射3颗卫星

2014年3月24日，一颗GLONASS－M卫星从普列谢茨克航天发射场由“联盟”运载火箭发射升空，这是2014年发射的第一颗GLONASS卫星。6月15日，另一颗GLONASS－M卫星成功进入预定轨道。

2014年12月1日，“联盟”火箭成功将第二颗G L O N A S S－K 1卫星送入轨道，俄罗斯曾于2011年2月26日发射了首颗GLONASS－K1卫星。GLONASS－K1卫星采用快讯－1000A（Express－1000A）平台，发射质量935kg，功率1270kW，设计寿命10年，在L1、L2、L3频段播发导航信号，并拥有搜索救援功能。此次发射的GLONASS－K1卫星运行在近地点19279km、远地点19715km、倾角64.8°的中地球轨道。该卫星的研制和组网发射是GLONASS系统现代化的一部分，该系统现代化主要包括卫星性能提升及补网计划、卫星信号频率改进计划、时空参考系精化计划，以及广域、局域增强系统建设计划等。

测试中的俄罗斯GLONASS－K1卫星

试图提高GLONASS系统性能

尽管GLONASS系统已恢复运行，但仍不断出现故障。2014年4月2日，该系统突然出现服务中断十几个小时的事故。据可靠分析，此次故障可能归咎于系统故障及软件升级故障，影响范围较广，尤其是专业应用领域，如农场的自动化拖拉机、采矿和重工业中的设备控制和机器人、国家基础设施领域勘测人员和跨国工业等，这次事件突显出卫星导航系统的脆弱性。为了保证GLONASS卫星信号的连续可用性，提高系统完好性和导航定位精度，俄罗斯政府采取了各种措施。

据“俄罗斯之声”报道，俄罗斯已计划在世界上36个国家建设50个GLONASS地面站，提升GLONASS系统的竞争力。目前，俄罗斯境内有19个GLONASS差分校正和监测系统（SDCM）站，在境外拥有4个站（3个在南极、1个在巴西）。此前，俄罗斯请求在美国建设8个地面站的计划被美国国防部（DoD）以“危害国家安全”为由拒绝，而美国却已在俄罗斯境内设立19个GPS地面站。俄罗斯已确定在中国部署3个差分校正和监测系统站，在哈萨克斯坦部署2个，在白俄罗斯部署1个，并与古巴、西班牙、越南和尼加拉瓜已达成建设地面站的协议，与印尼、澳大利亚等国正在进行相关谈判。

欲加强与中国在卫星导航领域的合作

2014年6月6日，在新西伯利亚市举行的第二届国际技术发展论坛上，俄罗斯副总理罗戈津表示，中俄导航系统合作前景广阔。他十分看好中国“北斗”和GLONASS系统间合作的前景和未来成就，认为这将显著提高卫星导航系统性能，使双方的卫星导航系统在规模、竞争力方面将有显著提升，并拓宽其潜力。

俄罗斯联邦航天局（Roskosmos）副局长谢尔盖·萨韦利耶夫也曾表示，在俄罗斯境内将建设3个中国“北斗”系统地面站，而在中国境内将建3个GLONASS系统地面站。未来两国建设地面站的数量可能还会进一步增加。据称，这3个GLONASS差分校正和监测站已在中国于2014年12月开建。

3 “伽利略”系统或将无法按计划完成组网

2014年8月22日，2颗欧洲“伽利略-全面运行能力”（Galileo-FOC）卫星搭载联盟－ST运载火箭发射升空，但却未能进入预定轨道。根据10月8日发表的事故调查报告显示，联盟－ST火箭顶端的弗雷盖特上面级存在设计缺陷，是造成这2颗卫星未能进入预定轨道的根本原因。此次发射的卫星是“伽利略”系统头2颗工作卫星，也是该系统发射的第5和第6颗卫星。此前，由于技术等方面的原因，这2颗卫星的发射时间已经被推迟了1年多，而现在又出现发射事故，这将导致“伽利略”系统建设进度再次推迟。

欧洲“伽利略”卫星导航星座示意图

根据欧洲航天局的（ESA）通报，尽管这2颗卫星未能进入目标轨道，但其设在德国达姆施塔特的控制中心确保卫星处于控制之下。欧盟委员会称将与ESA密切合作，尽可能保证这2颗卫星能够作为“伽利略”导航系统的一部分发挥作用。

到2014年年底，“伽利略”系统仍只有4颗试验卫星在轨运行（分别于2011年10月和2012年10月各发射2颗卫星）。当该系统有18颗卫星在轨运行时，就能够为用户提供初始导航服务，但最终将形成由27颗工作卫星和3颗备份星组成的完整星座，为用户提供全方位的服务。

从目前情况看，“伽利略”系统在2018年完成全星座构建的计划似乎已无望。但是，为了加快部署“伽利略”系统，ESA还是决定从2015年开始陆续发射已订购的剩下20颗“伽利略”卫星。其中，12颗卫星由3枚阿里安－5ES火箭以“一箭四星”的方式发射，8颗卫星由4枚“联盟”火箭以“一箭双星”的方式发射。

4 中国不断深化“北斗”应用，并扩大国际化合作

中国在2012年底完成区域组网后，着力“北斗”系统应用推广，并与多个国家开展卫星导航领域的国际合作。同时，正在建设“北斗”全球系统，预计将于2015年开始实施“北斗”全球系统的组网任务。

“北斗”国际化取得新突破

2014年11月，国际海事组织海上安全委员会第94次会议审议通过了对“北斗”卫星导航系统认可的航行安全通函，这标志着“北斗”正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得面向海事应用的国际合法地位。这是“北斗”卫星导航系统标准首次获得国际组织的系统认可。这次认可是“北斗”卫星导航系统国际标准工作的重要里程碑，将为全面推动“北斗”卫星导航系统海事国际应用和建成“北斗”卫星导航系统海事国际标准化体系奠定良好的基础。

我国未来的“北斗”全球导航卫星星座示意图

我国作为国际海事组织A类理事国，此次完成国际海事组织对“北斗”卫星导航系统的认可，使“北斗”成为继GPS、GLONASS后第3个服务世界航海用户的全球卫星导航系统，这必将带动“北斗”在航海领域的国际化、产业化。

我国将继续全面推进国际电工委员会、国际航标组织、国际海事无线电技术委员会、国际电信联盟等国际技术组织的标准、规范、指南文件的制定和修订，以实现“北斗”系统进一步在国际海事领域的全方位应用。

“北斗”系统应用进一步深化

我国各级相关政策的出台促进了“北斗”卫星导航产业发展，使“北斗”应用进一步深化。2014年1月30日，国务院办公厅发布《关于促进地理信息产业发展的意见》指出，国家将用5～10年时间，使地理信息产业形成成熟产业链，产业国际竞争力显著提高。该意见特别强调发展地理信息与导航定位融合服务，结合“北斗”卫星导航产业的发展，提升导航电子地图、互联网地图等基于位置的服务能力，积极发展推动国民经济建设和方便群众日常生活的移动位置服务产品，培育新的经济增长点。2014年3月6日，国家测绘地理信息局为加快“北斗”卫星导航系统在大众领域的推广应用和产业化发展，维护国家安全和利益，在系统内下发了《国家测绘地理信息局关于“北斗”卫星导航系统推广应用的若干意见》，强调要着力加强“北斗”推广应用的统筹协调，着力加快“北斗”地面基础设施建设，着力加强“北斗”应用科技创新，着力支持“北斗”相关企业发展，着力推动“北斗”行业应用，着力优化“北斗”应用市场环境，通过6个“着力”加快“北斗”系统推广应用。

在政策的推动下，“北斗”地基增强系统工程开始建设，“北斗”长三角示范工程取得阶段性成果，“北斗”陕西示范项目、“北斗”海上搜救信息系统示范工程等纷纷启动。

“北斗”国际化合作逐步扩大

“北斗”系统区域服务能力形成后，给亚太地区带来了更多的导航卫星资源，与其他系统兼容使用，可提供更加可靠稳定的服务。“北斗”系统已与部分亚太地区国家建立了卫星导航领域合作机制，并成功举办“北斗亚太行”、“北斗东盟行”等活动，为推广多系统应用、服务亚太国家做出贡献。我国与巴基斯坦、泰国、印尼等部分亚太国家建立了卫星导航领域合作机制，在精细农业、防灾减灾、交通旅游和教育培训、系统监测评估等方面开展合作。

印度IRNSS导航卫星星座示意图

2014年，中俄卫星导航领域合作迎来新起点。在2014年10月举行的中俄总理定期会晤期间，签署了《中国卫星导航系统委员会与俄罗斯联邦航天局在全球卫星导航领域合作谅解备忘录》，明确成立“中俄卫星导航重大战略合作项目委员会”，提出了增强系统、兼容与互操作、监测评估、应用推广4个后续重点合作领域。两国在卫星导航领域的合作日益深化，有利于拓展双方在高技术领域的长期互利合作，有助于开展更多教育培训、联合研发、生产制造等项目合作，拓展中俄合作领域，推动中俄合作升级，将中俄高水平的全面战略协作伙伴关系转化为更多实际合作成果。

为了加强卫星导航领域的国际交流，2014年我国先后参加了第八届莫斯科国际卫星导航论坛、全球卫星导航系统国际委员会第九届大会、慕尼黑卫星导航2014峰会等。

5 “印度区域导航卫星系统”逐渐成形

2014年4月4日和10月13日，2颗IRNSS卫星先后由“极轨卫星运载火箭”（PSLV）成功发射升空，这是该系统的第2和第3颗卫星，卫星质量1432kg，设计寿命10年。

IRNSS号称可以为印度领土用户提供独立的导航定位服务，它一共由7颗卫星组成，包括定位在34°（E）、83°（E）和132°（E）赤道上空的3颗静止轨道卫星，以及赤道倾角29°，飞经55°（E）和111°（E）的各2颗倾斜同步轨道卫星。通过这样的轨道设计，它能最大限度地提高覆盖区域内的定位精度，并将所需卫星数量降到最低。

按照计划，印度将在2015年内完成7颗导航卫星的发射。然而，这并不意味着立即就能提供导航服务，印度空间研究组织（ISRO）在卫星和载荷的调试与测试、星座的组网与运行控制方面可能还需花费一段时间。

6 日本加紧建造“准天顶卫星系统”

日本QZS在轨飞行示意图

日本政府在新10年“宇宙基本计划”中提出了扩充“准天顶卫星系统”（QZSS）体制方针。目前，该系统已有1颗卫星发射升空，但日本希望尽早形成7颗卫星的体制。在完成QZSS建设后，日本将可以依靠自主的卫星导航系统实现国内的导航和定位，同时还将在2015年度着手探讨后续卫星的开发。

日本政府已决定在2015－2020年期间发射3颗“准天顶卫星”（QZS），形成4颗卫星体系，但这仍需要与美国的GPS卫星配合才能正常运行。独自在日本上空保持不间断定位，至少需要7颗卫星。日本在2020－2025航天计划中写明7颗卫星体系，并力争在2025年之前完成这7颗卫星的组网。

7 结束语

现今，全力建设卫星导航系统已成为各航天大国或地区增强自身实力的主要任务之一，各个卫星导航系统之间既有竞争，也有合作。美国GPS系统技术及其应用仍占绝对的优势地位，除了研发新一代GPS卫星之外，还着力研究其他导航方式，以弥补卫星导航系统的先天性不足；俄罗斯在提高GLONASS系统性能的同时，还加强与其他国家的合作，扩大GLONASS在全球范围的应用；欧洲、中国、印度和日本则都在努力实现本国或本地区导航卫星星座的全面部署。