2015年世界导航卫星发展回顾

天　兵

2015年世界导航卫星发展回顾

天兵

2015年，全球共进行了10次导航卫星发射，全部获得成功。其中，美国3次，发射了3颗GPS-2F卫星；欧洲3次，发射了6颗“伽利略-全运行能力”（Galileo-FOC）卫星；印度1次，发射1颗“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）卫星；中国3次，发射了4颗“北斗”卫星。俄罗斯没有发射GLONASS导航卫星。

1　美国积极发展

3月25日、7月16日、10月31日，美国先后用德尔他-4和宇宙神-5火箭成功发射了第9、10、11颗GPS-2F导航卫星。

美国GPS-2F导航卫星

GPS-2F由波音公司研制，采用AS-4000平台，尺寸2.49m×2.03m×2.24m，发射质量1,630kg，总功率1,900W，设计寿命12年。它载有2台高稳定铷钟和1台单铯钟，增加了L5为1176.45MHz的民用频率，信号功率也提高10倍，并采用星间链路和自主导航新技术，使GPS卫星可自主运行60～180天，有助于商用航空和救援任务。增加L5频率有利于保障民航安全，改善电离层延迟误差修正；有利于载波相位模糊度的实时解算，削弱多路径效应的影响等。其采用更先进的星上原子钟，授时精度达到8ns。它的抗核打击能力也有所提高，设计寿命进一步延长到15年，从而降低了成本。

目前，GPS军用定位精度为1～5m，民用定位精度为6～12m。2016年2月3日，美国将发射最后1颗GPS-2F导航卫星。

从2017年开始，美国将开始发射新一代导航卫星GPS-3A，此后，美国的GPS布网频率将会逐渐加快，而卫星的寿命更长，定位精度将会更高，抗干扰能力更强。

2　欧洲加速发射

3月27日、9月11日、12月17日，欧洲伽利略-全运行能力-FM3，FM4，FM5，FM6，FM7，FM8（也称之为第7，8，9，10，11，12颗“伽利略”）导航卫星，先后3次以“一箭二星”方式由俄罗斯联盟-STB/弗雷盖特-MT运载火箭发射升空。

这些导航卫星都是由德国OHB系统集团公司建造，有效载荷由萨瑞卫星技术公司提供，每颗卫星重约717kg，尺寸2.91m×1.7m×1.4m，寿命末期功率1,900W，设计寿命12年。卫星上装有4台原子钟：2台氢钟和2个铷钟，氢钟使用氢原子超稳定的1.4GHz跃迁，可实现每12h漂移小于0.45ns的定时精度；铷原子钟的鲁棒性和可靠性高，但精度低，每12h的精度为1.8ns。

欧洲“伽利略-全运行能力”导航卫星

欧洲阿里安航天公司未来还计划发射14颗“伽利略”导航卫星，其中，2颗由1枚俄罗斯“联盟”运载火箭发射，另外12颗分别由3枚阿里安-5运载火箭发射。

“伽利略”卫星导航系统是由欧盟主导的新一代民用全球卫星导航系统，由两个地面控制中心和30颗卫星组成，卫星运行在3个夹角为120°的地球中圆轨道，每个面上有9颗卫星和1颗备份星轨道高度和倾角高于GPS，GLONASS，预定于2020年实现全部卫星组网。

3　印度稳步前进

3月28日，印度用“极轨卫星运载火箭”成功发射了印度区域导航卫星系统-1D，这是印度第4颗“印度区域导航卫星系统”卫星，达到了让该卫星系统完全生效、使导航接收器能够计算位置的最小卫星数量。

“印度区域导航卫星系统”最终由3颗地球静止轨道卫星和4颗倾斜地球同步轨道卫星组成，其中，3颗地球静止轨道卫星分别位于东经32.5°，83°，131.5°，4颗倾斜地球同步轨道卫星位于2个不同的29°倾角轨道上，经度跨越55°和111.75°，每个轨道上的2颗卫星相间180°，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。预计在2016年前，印度还将发射3颗“印度区域导航卫星系统”卫星，从而建成总共由7颗卫星组成的“印度区域导航卫星系统”星座。

检测印度区域导航卫星系统-1D

“印度区域导航卫星系统”卫星使用I-1K平台，尺寸1.58m×1.5m×1.5m，设计寿命10年，发射质量1,425kg。干质量614kg，功率1,660W，寿命10年。每颗卫星装有两个有效载荷—— 一个导航有效载荷（包括高精度铷钟）和一个测距有效载荷。导航有效载荷将向用户发送导航服务信号，而测距有效载荷利用卫星上的C频段脉冲转发器帮助精确确定卫星的距离（卫星载有测距系统和角锥棱镜，用于精确计算轨道）。卫星提供对所有用户开放的标准定位服务和高精度授权用户定位服务，精度10～20m。服务覆盖南纬30°到北纬50°、东经30°到130°的区域。星座由1个大的核心运行中心和21个分布在印度的位置和跟踪站支持。目前，印度境内已经建立多达15个地面站，负责导航参数生成和传输、卫星控制、卫星测距与监视等。

与美国的GPS系统类似，“印度区域导航卫星系统”是通过多颗导航星的测量值定位，不过，“印度区域导航卫星系统”的重点是为南亚和周围水域进行导航，应用于海上交通、车辆与船舶的跟踪、通信和测绘等民用领域，信号能够覆盖印度全境。

“印度区域导航卫星系统”卫星分布示意图

它可为印度本国和印度大陆周边1,500km的区域提供位置信息，包括供两种服务：向所有用户提供的标准位置服务和向授权用户提供的受限服务。它能应用于陆地、航空、海洋导航、灾难管理、车辆跟踪和舰队管理、移动电话集成、精确授时、绘图和测绘数据采集、为旅行者提供陆地导航援助、为驾驶人员提供视频和语音导航等。

鉴于卫星导航系统在军民领域的广泛使用，拥有本国的这类系统一直是印度孜孜不倦的追求，尤其是印度军方一直希望能借助卫星导航系统提高精确制导武器的命中率。尽管印军已分别同美俄签订获取美国GPS和俄罗斯GLONASS导航系统军码的协定，但使用外国卫星导航系统的主动权毕竟不在自己手中，为此印军一直是“印度区域导航卫星系统”的坚定支持者。

“印度区域导航卫星系统”与美国GPS系统和欧洲“伽利略”星座兼容，使用S频段和L5频段导航信号，未来还能进一步扩展，向全球提供导航服务，不过要打造这样的全球版卫星导航定位系统，印度至少还需要再发射10多颗卫星。

4　中国新星亮相

2015年1月12日至16日，中国卫星导航定位应用管理中心与欧盟代表团在捷克布拉格举行了“北斗”与“伽利略”卫星导航系统第4次频率磋商会谈。在本次会谈中，欧盟代表团接受了中国卫星导航定位应用管理中心提出的频率共用理念，同意在国际电联框架下完成卫星导航频率协调。至此，中欧导航系统结束了长达8年之久的频率纷争，双方携手走向共同发展。

3月30日、7月25日和9月30日，我国新一代“北斗”导航卫星—— 第17颗、第18颗、第19颗和第20颗“北斗”导航卫星陆续升空，这标志着我国“北斗”卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施，为“北斗”卫星导航系统全球组网建设提供依据。卫星采用了以高精度星载原子钟、星座自主运行等为代表的卫星载荷关键技术、以轻量化、长寿命、高可靠为典型特征的卫星平台关键技术、以基于星地链路和星间链路的导航卫星运行控制关键技术，以及对关键器件部组件国产化的试验验证，为后续导航卫星研制、组网建设、在轨保障和相关事件分析积累数据。

3月30日升空的第17颗“北斗”发射总质量为800kg，运行在倾斜地球同步轨道。它用于新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作，为“北斗”卫星导航系统全球组网建设提供依据。它采用轻量化结构设计和国产通用中央处理器（CPU）——“龙芯”和铷原子钟，设计寿命达到10年以上。

吊装新一代“北斗”

7月25日升空的第18颗、第19颗“北斗”运行在地球中圆轨道，与第17颗“北斗”导航卫星共同开展星间链路、新型导航信号等试验验证工作，并适时入网提供服务。

星间链路是指用于卫星之间通信的链路，通过星间链路可以将多颗卫星互联在一起，实现卫星之间的信息传输和交换以及卫星的自主导航，有助于提高测定轨道和授时精度。采用该技术可减少地面测控站对导航卫星的信息上行注入等各方面的操作次数，减少对地面站的依赖，有效降低系统的运行管理成本。这一关键技术的攻克，不仅解决了星间高精度测量的难题，向建立全球卫星导航系统迈进了一大步，还大大提升了“北斗”全球卫星导航系统的自主可控能力。星间链路技术的突破，使我国建设全球卫星导航系统由“梦想在望”变为“成功在握”。

新一代“北斗”播发信号的数量比以往提高了2倍多，更好更快地满足了用户需求，开创性地在频段播发导航信号进行试验，开启了“北斗”导航信号体制的新时代；采用了新型导航卫星平台，该平台为桁架式结构，提高了设备有效安装面积，且缩减了卫星尺寸，减轻了结构自身重量，提高了平台的功能；输出功率比以往大，在国际同类卫星中居先进水平；首次采用了综合电子体系构架，极大地简化了设备间的接口，自主管理性能优异，使卫星的信息集成度大幅提升；首次在国内卫星中采用扩跳频测控技术，极大地提高了卫星的安全性；首次在国内卫星中实现了多卫星数据的汇集和高速传输，使大数据驶入“高速通道”，将卫星上的数据及时传递下来等；实现98%的部件国产化，关键器部件均为“中国造”，为建设独立自主的全球卫星导航系统铺平了道路。

“新一代”北斗“整装待发

9月30日升空的第20颗“北斗”运行在倾斜地球同步轨道，首次搭载了氢原子钟，该产品的应用成“北斗”导航卫星发展史上的一个里程碑。星载氢原子钟在“北斗”导航系统的应用可大幅提高导航精度、性能和自主维持能力，大幅降低了“北斗”导航系统对地面的依赖程度，延长了自主导航时间。

于2020年建成的“北斗”全球卫星导航系统从性能指标上，要比目前在轨运行的“北斗”区域卫星导航系统能提高1～2倍，定位精度最高水平可能将达到2～3m，卫星的寿命也将由8年延长到10～12年。它将推进国际合作，为“一带一路”建设提供支撑。因为基础设施互联互通是“一带一路”建设的优先领域，“一带一路”要实现互联互通，所以“北斗”系统可在信息联网、精确位置、指挥监控等方面发挥自己的优势。