2018年国外导航卫星发展综述

刘春保（北京空间科技信息研究所）

2018年，国外共进行5次导航卫星发射活动，成功发射导航卫星8颗。其中美国1次，成功发射首颗全球定位系统－3（GPS－3）卫星；欧洲1次，成功发射“伽利略-全运行能力”（Galileo-FOC）导航卫星4颗；俄罗斯2次，成功发射全球导航卫星系统－M（GLONASS－M）卫星2颗；印度1次，成功发射“印度区域导航卫星系统”（lRNSS）卫星1颗。截至2018年底，在轨运行并提供导航服务的卫星共77颗，其中，美国GPS系统31颗，俄罗斯GLONASS系统24颗，欧洲Galileo系统18颗，日本“准天顶卫星系统”（QZSS）4颗（主要提供GPS增强服务）。

截至2018年底，四大全球导航卫星系统均已投入运行，其中GPS、GLONASS为全面运行状态；“北斗”为全球基本系统服务状态；Galileo系统为初始运行状态，为用户提供定位、导航与授时（PNT）服务，并可为GPS、GLONASS、“北斗”、Galileo等双模、多模用户提供高于单系统的定位、导航与授时服务能力。2个区域系统中，日本QZSS系统于2018年11月1日投入初始运行；印度发射lRNSS卫星1颗，替换了3部星载原子钟全部失效的lRNSS－1A卫星，但尚未宣布投入运行服务。

1 美国

2018年12月4日，美国总统特朗普签署了《国家授时安全与抗毁性法案》，要求交通部长在2年内建立GPS系统的地面备份授时系统，确保在GPS系统受损、退化、不可靠或不可用的条件下，为军用、民用用户提供可靠的高精度授时服务。该法案对备份授时系统提出的要求如下：

1）地面安装并运行；

2）提供无线电信号；

3）广域覆盖；

4）提供精确的高功率100kHz信号；

5）与协调世界时（UTC）同步；

6）灵活且难以被破坏或降级；

7）可为地下或建筑物内部提供服务；

8）可部署至偏远地区，并充分利用且未使用的“政府远程导航系统”（Loran，简称“罗兰”）的基础设施和频谱；

9）与同类定位、导航与授时系统（包括增强型“罗兰”和国家差分GPS系统）协同工作；

10）可调整或扩展，以提供定位导航能力；

11）研发、建造和运行过程中借鉴可靠的商业经验；

12）系统完全运行的时间不少于20年。

该法案的发布表明，美国定位、导航与授时体系的发展进入建设与部署阶段。

2018年，美国持续保持GPS系统运行与服务的稳定。目前，GPS系统空间段采用27轨位基线扩展星座，截至2018年底，在轨运行并提供导航服务的卫星31颗，包括1颗GPS－2A卫星、11颗GPS－2R卫星、7颗GPS－2RM卫星和12颗GPS－2F卫星。

GPS现代化计划取得重要进展。其一是首颗GPS－3卫星于2018年12月23日成功发射，使GPS系统进入跨代发展阶段；其二是于2018年2月发布了GPS－3卫星后继型号—GPS－3F卫星的征询建议书，并于2018年9月将22颗GPS－3F卫星的研制合同授予了洛马公司（LM），合同金额达到72亿美元；第三是GPS新一代“运动控制系统”（OCX）完成2次赛博安全测试，拖延已久的OCX项目取得重大进展。

按照最初的GPS现代化计划，GPS－3系列卫星分为3个型号，分别为GPS－3A、GPS－3B和GPS－3C，计划研制数量为8颗GPS－3A、8颗GPS－3B和16颗GPS－3C卫星，以循序渐进的方式实现GPS－3系列卫星功能与能力的增加，最终达到水平0.5m、垂直1.2m的定位与导航精度，授时精度将达到1.3ns，具有灵活的信号功率分配能力，并提供高达20dB的区域增强能力，星-星与星-地间通信能力达到100Mbit/s。2017年底，美国空军将GPS－3卫星调整为2个型号，即GPS－3和其后续型号GPS－3F。

GPS－3卫星

GPS－3卫星采用洛马公司研发的A2100A平台，发射质量3883kg，导航有效载荷有时间保持系统、任务数据单元和星间链路设备，增加了L1C信号与可编程波形生成器，定位精度优于1m，并为GPS－3系列后续型号卫星的发展预留了约250kg有效载荷空间与星上供电能力。

2018年2月，美国空军导航与航天司令部在联邦商业机会在线网站（www.fbo.gov）发布了GPS－3F卫星的征询建议书（内容未公开），预计投入100亿美元，采取“固定价格＋奖励”的方式研发22颗GPS－3F卫星。美国空军希望通过竞争的方式降低GPS－3F卫星的发展成本。但是，2018年4月，波音公司（Boeing）与诺格公司（Northrop Grumman）先后宣布退出GPS－3F卫星的竞争，最终只有洛马公司提交了标书。波音公司宣称：没有提交建议书主要原因是美国空军在招标文件中强调的是能够满足目前GPS要求的成熟生产技术，并未关注降低成本以及提升有效载荷性能和灵活性。诺格公司则表示：出于利益最大化的原则，放弃GPS－3F卫星项目。

2018年9月，美国空军将22颗GPS－3F卫星的研发合同授予了洛马公司，合同总金额72亿美元。合同内容涉及卫星研发、发射与运行服务等4个方面的内容。

2018年，GPS新一代OCX系统的研发取得了重要进展，进行了2次重要的测试。第一次测试于2018年4月2日－13日进行，主要测试OCX系统对网络攻击的防御能力；第二次测试于5月16日－20日举行，主要测试OCX系统的信息安全。

Galileo-FOC卫星在轨飞行示意图

2 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，包括27颗工作星和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。

2018年，欧洲完成4颗Galileo-FOC卫星的部署，在轨卫星达到25颗，其中22颗Galileo-FOC卫星，3颗“伽利略-在轨验证”（Galileo-IVO）卫星；18颗卫星提供导航服务，4颗处于测试状态，2颗处于试验状态，1颗处于备份状态。2017年采购的12颗Galileo-FOC卫星目前处于研制状态，从欧洲航天局（ESA）公布的卫星发射计划来看，新的发射活动计划于2020年底左右启动，2020－2021年进行4次“一箭双星”发射。由此可以预计，Galileo系统投入全面运行的时间不会早于2021年（系统达到30颗卫星的满星座运行状态）。

Galileo系统发射部署计划

Galileo-FOC卫星的主要有效载荷包括：时间子系统、任务上行子系统、导航信号生成子系统、射频放大子系统、搜索救援子系统和激光反射器阵列等。

时间子系统由2部被动氢钟、2部铷钟和时钟监测与控制单元组成，均采取产生10.23MHz的基准频率。星上温度控制系统保证时间子系统的环境温度在很小的范围内变化，以改善其稳定性。

继在第十一届国际全球导航卫星系统委员会（ICG）会议上，欧洲代表宣布第二代Galileo系统战略目标的论证与定义工作已经启动后，在2018年召开的第十三届ICG会议上，欧洲再次公布了第二代Galileo系统的发展计划。与第一代Galileo系统相比，第二代Galileo系统将具有如下特征：自主运行、卫星寿命更长、系统与服务更加安全、接收机更加优化，以及系统的发展、维持与运行成本更低，同时具有足够的兼容性与可扩展性。按该计划，第二代Galileo卫星的发射活动将于2027年启动。

英国“脱欧”对Galileo系统与英国卫星导航能力的影响持续发酵。2017年4月，欧盟即通过了不允许非欧盟成员国企业参与Galileo系统研发的协议条款。2018年5月，欧盟负责英国“脱欧”谈判事务的官员米歇尔·巴尼耶表示：英国一旦“脱欧”，英国企业将不能再直接介入Galileo卫星导航系统的发展。

在2018年11月底举行的二十国集团领导人峰会（G20峰会）上，英国首相特蕾莎·梅宣称：“脱欧”后，英国将退出Galileo计划，并谋求建立自主的卫星导航系统。目前，英国已经启动了关于建立自主卫星导航系统的评估活动，预计投资9200万英磅开展可行性研究。

如果英国成功“脱欧”，将对Galileo系统的发展与英国卫星导航能力产生不利的影响，有可能使Galileo系统的发展面临资金短缺的问题。

3 俄罗斯

截至2018年底，俄罗斯在轨导航卫星26颗，其中GLONASS－M卫星24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。

2018年，俄罗斯进行了2次GLONASS卫星发射，成功发射GLONASS－M卫星2颗，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。自2016年以来，以较低的发射数量（3年仅发射5颗GLONASS卫星）保持了GLONASS系统星座与运行的稳定。近年来，GLONASS系统提供定位、导航与授时服务的卫星数量一般保持在23～24颗，有效提升了全球卫星导航领域多系统并存格局下GLONASS系统的国际地位与影响力，其在全球卫星导航应用领域的发展较好地证明了这一点。随着GLONASS系统的恢复与多系统应用的发展，全球超过50%的卫星导航装备使用了GLONASS系统，使GLONASS系统在全球民用市场的竞争中占据有利位置。

自GLONASS系统全面恢复以来，虽然俄罗斯较好地保证了GLONASS系统运行与服务的稳定，但GLONASS－K系列卫星的研发进展并不顺利。受西方国家制裁与国际石油价格下跌的影响，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、2018年均维持在与2016年相近的水平。虽然俄罗斯于2016年调整了GLONASS系统的发展计划，但其进展似乎并不顺利，2020年前利用GLONASS－K系列卫星全面更新GLONASS系统星座的设想已经全面推迟。

从近两年GLONASS系统发展的情况看，虽然俄罗斯计划于2016年完成GLONASS－K系列卫星的设计工作，但其卫星研制显然受到西方国家制裁的影响，卫星所需的抗辐射加固器件的自主研发影响了该系列卫星的研发进度。为保证GLONASS系统运行的稳定，此前采购了9颗GLONASS－K1卫星将分别于2019、2020和2021年交付，以替换星座中的GLONASS－M卫星。另据GLONASS－K系列卫星的主承包商—信息卫星系统-列舍特涅夫公司（ISS Reshetnev）称：首颗GLONASS－K2卫星计划于2022年发射。因此，预计利用GLONASS－K系列卫星完成GLONASS系统空间星座更新的时间至少推迟至2024年左右。

GLONASS－K卫星发展路线图

4 日本

在2017年完成QZSS第一阶段的部署后，日本于2018年有效地开展了QZSS的测试与试验工作，并于2018年11月1日宣布：QZSS投入初始运行。

按2015年日本新的航天基本计划，QZSS的部署分2个阶段进行，第一阶段，于2018年前完成由1颗地球静止轨道（GEO）卫星＋3颗倾斜地球同步卫星轨道（IGSO）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QZSS的部署，并投入运行。

与首颗QZSS卫星—“指路者”（Mitibiki）相比，第2、3、4颗QZSS卫星的导航信号与服务有所增加，主要增加了L5的导航增强实验信号，而GEO轨道卫星还增加了L1频段与S频段，用于灾难救援与应急管理的短信服务。为此，QZSS系统GEO轨道卫星增加了用于播发S频段信号与提供短信息服务的抛物面天线，发射质量4700kg，较IGSO轨道卫星增加700kg。

与其他卫星导航系统一般仅提供独立的卫星导航服务相比，QZSS还提供GPS增强服务；同时，QZSS在L6频段利用高数据率信号提供高精度的GPS增强服务，日本的测试结果称定位精度可以达到6cm。这种自主导航系统与GPS增强系统相结合的方式，既构建了不依赖其他国家的卫星导航能力，又以卫星导航增强的方式满足了高精度卫星导航服务的需求，是提升区域卫星导航系统效能的重要途径。

从未来发展角度看，目前日本尚未推出新的卫星导航系统发展设想，主要工作围绕在2023年左右完成7颗卫星组成的QZSS系统的部署工作进行。计划于2020年发射2010年发射的首颗QZSS卫星的替代卫星，此外将于2023年前再发射3颗QZSS卫星，完成7颗卫星组成的QZSS系统的部署，实现QZSS系统的全面运行。

5 印度

2018年，印度成功发射1颗IRNSS－1I卫星，替换了3部星上原子钟均发生故障的IRNSS－1A卫星，使IRNSS系统的7颗卫星均处于完好状态。

从印度空间研究组织（ISRO）在2018年ICG大会发布的IRNSS系统报告看，IRNSS系统已经投入了应用，但印度官方至今尚未正式宣布IRNSS系统投入运行与服务。

IRNSS系统原计划于2006年5月获得印度政府批准，计划耗资160亿卢比（约合3.5亿美元），发展由7颗卫星组成的空间段、地面运行控制段和用户段组成的区域卫星导航系统，覆盖印度及周边1500km以内的区域，提供优于20m的定位精度，原计划于2009年中期发射首颗IRNSS卫星，2011年完成系统部署。计划虽拖延至2016年4月才完成星座部署，但7颗IRNSS卫星的发射全部成功，成功率达到100%，可谓比较顺利。然而，星座部署完成后，先是2次共7部星上原子钟发生故障，随后的卫星发射又出现失败，使2017年IRNSS系统的发展遭遇重大挫折。

在未来发展方面，IRNSS系统的重点任务包含2个方面，其一是本国原子钟的研发，IRNSS卫星星钟全部采购自欧洲瑞士光谱时间公司（SpT），研发完全自主的星上原子钟，摆脱对国外的依赖是IRNSS系统发展亟待解决的问题；其二，目前IRNSS系统只在L5和S频段各播发1个民用信号和1个授权服务信号，难以融入全球卫星导航体系。为此，印度正在研发L1频段的“标准定位服务”信号，采用复合二进制偏移载波（MBOC（6，1，1/11））调制方式（该信号是全球卫星导航系统共同采用的互操作信号，GPS、GLONASS、“北斗”、Galileo等系统均计划播发该信号），以更好地融入全球卫星导航体系。

6 韩国

2018年2月，韩国政府出台航天发展5年规划—《第三次航天开发振兴基本计划》（以下简称《基本计划》），提出加快韩国自主卫星导航系统建设，目标是2034年完成“韩国卫星导航系统”（KPS）的建设。

KPS系统为区域卫星导航系统，空间星座由3颗GEO轨道卫星+4颗IGSO轨道卫星组成，计划分3个阶段完成系统建设。

第一阶段（－2024年）：完成地面试验设施建设（2023年前）、研发卫星导航载荷（2024年底前）、获得导航信号频率（2024年底前）。

第二阶段（2024－2028年）：研发IGSO轨道导航卫星技术和地面运行管理技术，2028年前发射1颗IGSO轨道卫星（验证星）。

第三阶段（2028－2034年）：2034年建成KPS系统，发射3颗GEO轨道卫星和3颗IGSO轨道卫星，与此前发射的验证星和地面系统共同构成KPS系统。

从功能与服务角度看，韩国KPS系统与日本QZSS系统十分相似，即提供自主导航服务+GNSS增强服务等2种服务，达到提供性能更佳、更稳定的导航服务，并通过星基增强与地基增强提供米级、亚米级的精确位置服务。

从《基本计划》看，韩国卫星导航计划的实现需解决2个关键性的问题，其一是导航频率与卫星轨道位置的获取。在卫星导航频率资源与GEO轨位资源非常紧张的背景下，完成与现有卫星导航系统拥有国（国家集团）的频率协调，并获取3个GEO轨位资源具有一定难度。

从航天能力的角度看，韩国采取国际合作的方式发展KPS系统的可能性较高。由于卫星导航系统的特殊性，其合作方的选择会受到诸多限制，从而增加了KPS系统发展的不确定性。