2017年 国外卫星导航卫星发展综述

刘春保 （北京空间科技信息研究所）

2017年，国外共进行6次导航卫星发射活动，成功5次，失败1次，成功发射导航卫星8颗，失败1颗。其中，欧洲1次，成功发射“伽利略-全运行能力”（Galileo-FOC）卫星4颗；俄罗斯1次，成功发射格洛纳斯-M（GLONASS-M）卫星1颗；日本3次，成功发射“准天顶卫星系统”（QZSS）3颗；印度1次，发射“印度区域导航卫星系统”（lRNSS）卫星1颗，因整流罩未分离造成发射失败。截至2017年12月31日，国外在轨运行导航卫星91颗。在轨运行并提供导航服务的卫星71颗，其中，美国“全球定位系统”（GPS）31颗，俄罗斯GLONASS系统24颗，欧洲Galileo系统15颗，日本QZSS系统1颗（主要提供GPS增强服务）。

2017年国外导航卫星成功发射数量（按国家统计）

2017年国外导航卫星在轨运行并提供导航服务数量（按国家统计）

1 引言

2017年，美国持续保持GPS系统运行与服务的稳定，已全面具备自主导航能力。但因新一代“运行控制系统”（OCX）研发的拖延，M码军用信号、L2C和L5C民用信号目前仍未投入使用。2017年11月，美国空军宣布OCX Block0（即OCX发射、检查、测试）系统的验收，具备了支持GPS-3卫星发射与入轨测试的能力，首颗GPS-3卫星计划于2018年发射。虽然美国空军于2016年调整了OCX系统发展计划，但在2017年7月美国空军发布的消息称，OCX Block1和2的研发将再推迟9个月，研发经费也将攀升至60亿美元。

为确保Galileo-FOC的部署并保证Galileo系统运行的稳定，2017年，欧洲航天局（ESA）分两次采购了12颗Galileo-FOC卫星，使Galileo-FOC卫星的采购数量达到34颗，并按计划成功地发射了4颗Galileo-FOC卫星，在轨卫星数量达到22颗，提供导航服务的卫星达到15颗。

俄罗斯保持GLONASS系统运行的稳定，成功发射了1颗GLONASS-M卫星，在轨卫星达到25颗，24颗卫星提供导航服务。同时，俄罗斯积极推进新一代GLONASS-K卫星的研发，计划2018年开始部署，GLONASS星座的升级工作将全面启动。

2017年，日本加快了QZSS区域卫星的发展步伐，成功发射了3颗QZSS卫星，在轨卫星数量达到4颗，完成QZSS系统第一阶段的部署，计划2018年4月投入运行，即可提供GPS增强服务，也可提供QZSS系统自主导航服务。

2017年，印度发射1颗IRNSS卫星，以替换3部星载原子钟全部发生故障的首颗IRNSS卫星（IRNSS-1A），但因整流罩未能分离，发射失败。虽然印度于2016年4月完成了IRNSS系统的部署，但截至2017年底仍处于测试状态，尚未提供导航服务。

2 美国

GPS系统正在实施现代化计划，目前GPS系统已经全面具备自主导航能力，其空间段已经初步具备了播发M码军用信号、L2C和L5民用信号和星上信号功率可调能力。美国空军正在研发具有在轨可重新编程与信号重构能力、高速星间星地链路能力和点波束增强能力的系统。GPS新一代OCX系统的研发已完成支持发射、在轨检查（即OCX Block0）部分，计划于2018年初完成部署，以支持首颗GPS-3卫星的发射。

目前，GPS系统空间段采用27轨位星座，至2017年12月底，在轨工作卫星31颗（32颗在轨），包括12颗GPS-2R、7颗GPS-2RM和12颗GPS-2F卫星。其中，GPS-2R、GPS-2RM和GPS-2F三种型号的卫星均具有自主导航能力，使GPS空间星座全面拥有了180天自主导航能力；GPS-2RM和GPS-2F卫星具有播发M码军用信号、L2C民用信号能力，使M码军用信号和L2C民用信号具备了初始运行能力；GPS-2F卫星具有播发L5民用信号和星上信号功率可调能力，使L5民用信号和星上信号功率可调同样具备了初始运行能力。但因OCX系统研发、部署的拖延，GPS地面OCX系统尚不支持M码军用信号、L2C和L5民用信号，以及星上信号功率可调能力的运行。

美国在轨并提供服务的GPS卫星组成

OCX系统的发展再次遭遇拖延与经费超支。虽然雷神公司（Raytheon）按新的计划于2017年完成了OCX Block0的交付，但7月美国空军宣布消息称“OCX的研发、部署将再拖延9个月，研发经费也将达到60亿美元”，即OCX Block1和2的部署将推迟至2021年9-10月，甚至可能更晚。

OCX Block1和2是支持GPS-3卫星运行控制，支撑M码军用信号、L1C、L2C与L5民用信号和星上信号功率可调等能力的关键。也就是说，如果OCX Block1和2不能投入运行，GPS的OCX系统将不具备支撑上述信号与能力投入运行的功能，这将极大地制约GPS系统导航战能力的增强与全球卫星导航应用市场竞争能力的提升，甚至可能削弱美国在全球卫星导航领域的主导与优势地位。从OCX系统的当前发展看，赛博安全与信息保证能力（OCX系统最重要的能力之一）的研发是造成研发进度拖延的主要原因，主要包含两个方面，其一是美军参联会2013年才发布《赛博空间作战》条令；其二是赛博安全与信息保证能力的研发难度超过了美国空军与主承包商雷神公司的预期。

2017年，GPS系统研发的主要进展包括三个方面，其一，首颗GPS-3卫星成功交付美国空军，计划于2018年初发射，标志着GPS现代化计划进入最后阶段；其二，OCX Block0成功交付给美国空军导航与航天系统中心，使GPS的OCX系统具备了GPS-3卫星的发射、在轨检查与测试能力；第三，哈斯公司（Harris Corporation）完成了GPS-3卫星关键导航有效载荷—全数字化任务数据单元（MDU）的工程样机的研发，实现了GPS全数字化有效载荷关键技术的最后突破。全数字化有效载荷技术和在轨可重新编程技术将应用于GPS-3B卫星（第11颗GPS-3卫星及后续卫星），实现导航信号的可重新生成与功率可调，使GPS系统具有更强大的导航战能力，并计划于2018年授出首颗GPS-3B卫星的研发合同。

按照当前的计划，2018年将发射2颗GPS-3卫星，此后计划以每年约2颗的速度进行发射，2033年左右完成全部由GPS-3卫星组成的空间星座的部署。届时，L1C互操作信号、星上信号功率可调等将全面投入运行，实现新的V频段星间和星地链路、在轨可编程与信号重构等。

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。Galileo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。

2017年完成了4颗Galileo-FOC卫星的部署，在轨卫星达到22颗，其中15颗卫星提供导航服务。为保证Galileo系统运行与服务的稳定，2017年，ESA分两次向德国不莱梅轨道高技术公司（OHB）与英国萨瑞卫星技术公司（SSTL）组成的团队采购了12颗Galileo-FOC卫星，使Galileo-FOC卫星的采购数量达到34颗，完全满足了Galileo系统投入全面运行和近期系统星座维持与更新的要求。

Galileo系统服务计划

2016年12月，Galileo系统投入初始运行，至2017年底，提供导航服务的卫星增加至15颗，有效改善了Galileo系统的初始服务能力。

在第11届全球卫星导航系统国际委员会（ICG）会议上，欧洲代表宣布：将启动第二代Galileo系统战略目标的论证与定义工作，这是欧洲首次公开宣布启动第二代Galileo系统论证工作。第二代Galileo卫星论证的咨询与调研工作已经完成，2017年已完成任务需求固化、系统想定和成本效益的分析工作，2018-2019年将最终确定未来需求并进行投资估算，卫星的设计工作将于2019年启动。

截至2 0 1 7年1 2月，E S A已经完成了2 6颗Galileo卫星的部署，包括4颗“伽利略-在轨验证”（Galileo-IOV）卫星和18颗Galileo-FOC卫星，其中提供定位、导航与授时服务的卫星15颗，1颗Galileo-IOV卫星因电源故障已经无法工作；2颗Galileo-FOC卫星因运载火箭问题没能进入预定轨道，在抬高了近地点后，2颗卫星处于17200km×25900km、倾角49°的轨道，轨道重复周期20天，与轨道高度23600km、轨道倾角56°、轨道重复周期10天的名义轨道存在较大差距。按照欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）发布的Galileo系统初始运行状态信息，上述2颗卫星处于试验状态，不能提供导航服务。

Galileo卫星在轨飞行示意图

2017年发生2件对Galileo系统未来发展具有重要影响的事件，其一是2017年1月爆发的Galileo星载原子钟大面积故障，其二是英国的脱欧。2017年1月底，国外媒体率先披露了Galileo系统在轨运行的18颗卫星的72部星载原子钟中的9部（包括3部铷钟、6部氢钟）发生故障，18颗卫星中的5颗卫星分别损失了1部或2部星上原子钟。虽然ESA相信已经找到了故障的原因（铷钟故障因短路引起，氢钟故障源于长时间冷备份），问题得到了解决，并于2017年又签署了12颗Galileo-FOC卫星的采购合同，但其解决方案是否有效仍需要时间的检验。英国的脱欧在给欧盟未来发展带来不确定性的同时，也给Galileo系统的未来发展带来了不确定性。公私伙伴关系发展模式终结后，Galileo系统的发展完全由欧盟的公共资金支持，作为欧盟最具影响力的3个大国（英国、法国、德国）之一，英国的脱欧必将削弱欧盟的政治影响力与整体的经济实力，削弱欧盟支撑Galileo系统维持与发展的能力。如果英国脱欧产生连锁性反应，甚至有可能使欧盟走向解体与终结，这种结果的出现对欧盟与Galileo系统都将是灾难性的。2017年4月，欧盟为Galileo系统相关协议增加了新的条款。该条款要求：当供应商所在国不再是欧盟成员国时，欧洲可具有单方面的合同解除权，且并不因此产生违约金。而且要求退出合同的供应商支付寻找替代者产生的费用，这是符合欧盟与ESA经费返还原则的，此条款不但将对英国航天工业的发展产生巨大影响，使有效载荷承包商英国萨瑞卫星技术公司成为直接受害者，同时也将对Galileo卫星的研发产生不利影响。

4 俄罗斯

截至2017年12月底，俄罗斯在轨导航卫星25颗，即GLONASS-M卫星23颗，GLONASS-K1卫星2颗，提供定位、导航与授时服务的卫星24颗，其中GLONASS-M卫星23颗，GLONASS-K卫星1颗。

2017年，俄罗斯进行了1次GLONASS卫星发射，成功发射了1颗GLONASS-M卫星，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，GLONASS卫星的可行性与在轨工作寿命得到了较好地改善，在2016年、2017年仅发射3颗GLONASS的条件下，仍然保持了GLONASS系统的稳定，对GLONASS系统的维持与发展具有非常重要的意义。最近几年，GLONASS系统工作卫星的数量一般保持在23颗或24颗，提升了GLONASS系统在多系统并存格局下全球卫星导航领域，特别是卫星导航应用领域的影响力。

俄罗斯在轨导航卫星组成

2016年发布的俄罗斯《2016-2025年联邦航天规划》中，未来10年的航天预算约14000亿卢布（约合216.6亿美元），较2015年的预算方案减少了约30%。受经济形势恶化影响，俄罗斯2016年的航天预算仅为1045亿卢布，约为2015年的63%（2015年为1658.14亿卢布），2017年与2016年大致持平，对GLONASS系统未来维持、更新，特别是发展的影响日渐明显。

5 日本

2017年，日本加快了QZSS系统的部署步伐，成功进行了3次QZSS卫星的发射，发射了2颗倾斜地球同步卫星轨道（IGSO）卫星、1颗地球静止轨道（GEO）卫星，提前完成了QZSS系统第一阶段的部署，并计划于2018年初投入初始运行。按2015年日本新的航天基本计划，QZSS系统的部署分2个阶段进行：第一阶段，于2018年前完成由1颗GEO轨道卫星+3颗IGSO轨道卫星组成的空间星座部署；第二阶段，2023年前完成7颗卫星组成的QZSS系统的部署，并投入运行。

QZSS系统发展路线图

QZSS卫星在轨情况

截至2017年底，QZSS系统星座在轨卫星4颗，其中3颗IGSO轨道卫星、1颗GEO轨道卫星。

6 印度

2017年，印度IRNSS系统的发展遭遇了2次重大挫折。首先，2017年1月底，在媒体披露Galileo系统星载原子钟故障事件后，印度空间研究组织（ISRO）宣布IRNSS系统首颗卫星的3部原子钟发生故障；2017年6月，印度媒体再次披露IRNSS系统又有4部原子钟发生无法解释的故障。至此，在IRNSS系统卫星装备的全部21部星钟中，已有7部发生了故障。第二，为替换3部星载原子钟全部发生故障的首颗IRNSS卫星，2017年8月31日印度发射了第8颗IRNSS卫星（IRNSS-1H），但是由于整流罩未能正常分离，卫星发射失败。

印度完成IRNSS系统空间星座的部署至今已经将近2年时间，但仍未发布IRNSS系统投入运行的信息，加上大面积的星钟故障，可能表明印度在导航卫星的研发、测试，以及卫星导航系统的运行控制与管理等方面，尚存在某些需要解决的问题。IRNSS系统今后如何发展还需要进一步的观察。

7 发展趋势

服务性能之争将愈演愈烈

2018年，美国计划发射2颗GPS-3卫星，GPS-3卫星的部署全面启动。GPS-3卫星装备新一代空间原子钟—脉冲光抽运铯束钟，频率稳定度将达到5×10-15，水平定位精度达到0.5m。同时，俄罗斯持续改善GLONASS系统服务性能；欧洲Galileo系统也将于2020年前完成部署并投入运行，其最高水平定位精度接近1m，使全球卫星导航服务性能不断提升，以满足不断增长的高精度定位、导航与授时需求。多系统并存格局的形成，使各卫星导航系统之间的竞争不断加剧，服务性能将成为影响、甚至决定卫星导航系统在全球卫星导航应用领域竞争能力的关键。为在全球卫星导航应用领域的竞争中取得主动地位，各卫星导航系统之间服务性能的竞争将愈演愈烈。

赛博安全或成为卫星导航系统控制权的根本保证

在网际空间（即赛博空间）成为与陆、海、空、天并列的第五作战空间的条件下，赛博空间作战能力已经成为制信息权最重要的保证。从卫星导航系统导航战能力运行的角度分析，地面运行控制系统及其与空间星座的通信链路、空间星座卫星间的星间链路等均属于赛博空间的范畴，其赛博安全能力决定着卫星导航系统的拥有方能否有效地保证卫星导航系统或功能能否以满足需求的方式运行或工作，能否有效地保持卫星导航系统的运行控制权。因此，赛博安全能力或将成为卫星导航系统控制权的重要保证。

技术创新与突破是卫星导航系统不断发展的重要驱动力

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，做为影响或决定GPS系统未来全球竞争能力与主导地位的关键技术。

以星载原子钟为例，当前，卫星导航系统广泛采用的磁选态氢钟、铷钟与铯钟的性能已经很难有所提升，美国GPS-3卫星选择采用脉冲光抽运铯束钟，美国国家航空航天局（NASA）已经完成小型化汞离子钟的研发，其频率稳定度有望达到10-16水平；欧洲正在研发空间冷原子钟。因此，技术创新与突破即是提升未来卫星导航系统服务性能的关键，也是推动卫星导航技术与卫星导航系统不断发展的重要驱动力。