2019年国外卫星导航系统发展综述

刘春保

（北京空间科技信息研究所）

2019年，国外共进行了3次导航卫星发射，3次发射均取得成功，发射导航卫星3颗。其中美国1次，成功发射全球定位系统－3（GPS－3）卫星1颗；俄罗斯2次，成功发射格洛纳斯－M（GLONASSM）卫星2颗。截至2019年年底，国外在轨运行并提供导航服务的卫星共85颗，其中，美国GPS系统30颗，俄罗斯GLONASS系统22颗，欧洲“伽利略”（Galileo）系统22颗，日本“准天顶卫星系统”（QZSS）4颗，印度“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）7颗。

1 美国—聚焦关键技术与未来发展，巩固、提升GPS系统的主导地位

从GPS系统与卫星导航关键技术发展情况看，影响GPS系统未来发展的标志性事件包括：①首颗GPS－3卫星进入试运行状态，即将投入使用；②新一代运行控制系统（OCX）成功完成赛博安全测试，开始部署监测接收设备；③继2018年签署GPS－3卫星后继型号（GPS－3F）卫星研发合同后，2019年签署导航技术卫星－3（NTS－3）研发合同，开展多项导航关键技术的空间飞行演示验证。

GPS－3F卫星

GPS－3系列卫星—未来20年美国卫星导航能力的重要支撑

GPS－3系列卫星涉及2个型号32颗卫星，其中GPS－3卫星10颗，GPS－3F卫星22颗。按计划，GPS－3系列卫星的发射将于2034年左右完成，构成全部由GPS－3系列卫星组成的星座。

与之前的型号相比，GPS－3卫星的功能与能力主要变化包括：①增加了L1频段的互操作信号L1C；②设计寿命增加至15年；③定位精度是之前型号的3倍，抗干扰能力是原来的8倍。在GPS－3卫星的基础上，GPS－3F卫星还将增加如下能力：①在轨升级与信号重构能力；②点波束信号功率增强能力；③V频段高速星间/星地链路；④增加搜索救援功能；⑤激光反射器阵列，提高卫星轨道测量精度。

新一代OCX系统—导航战能力的重要保障

新一代OCX系统是GPS运行控制段系统现代化改造的最后阶段，目标是全面满足现代化的GPS系统空间段的运行、控制与管理要求，保证GPS系统的运行安全。除支持空间段卫星的全部功能和能力外，其最重要的能力增量就是赛博安全能力。在网络空间已经成为重要作战域的背景下，运行控制系统的赛博安全能力正在成为卫星导航系统服务正常运行与运行控制权的重要保证。美国空军为OCX系统设计了由5层防护结构组成的多层防御体系，分别为防火墙与入侵探测、公共关键信息与加密、安全操作系统、跨领域防护和安全代码等。

NTS－3卫星示意图

NTS－3项目—GPS系统未来发展的“铺路石”

NTS－3项目是美国空军开展的卫星导航技术演示验证项目，计划2022年发射并开展为期1年的空间飞行演示验证。NTS－3项目由两部分组成；一是空间飞行演示验证部分，即NTS－3卫星，主要验证GPS卫星未来发展所需的有效载荷关键技术；二是地面运行管理与控制系统部分，主要验证仅利用美国本土的地面基础设施完成GPS系统运行管理和对抗环境下支持GPS系统安全、稳定运行的关键技术。

2 欧洲—稳步推进系统建设，谋划系统未来发展

“伽利略”系统建设稳步推进

截至2019年底，“伽利略”系统在轨卫星数量25颗，包括3颗“伽利略-在轨验证”（Galileo-IOV）卫星和22颗“伽利略-全运行能力”（Galileo-FOC）卫星，其中1颗处于不可用状态，2颗处于测试状态，22颗提供导航服务。按计划，新一轮发射将于2021年初启动，最早于2021年底完成“伽利略”系统全面运行能力的部署。

同时，新一代“伽利略”卫星的发展已经启动。新一代“伽利略”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、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。按计划，新一代“伽利略”卫星的发射活动将于2027年启动。

“伽利略”系统故障凸显系统运行风险

2019年7月，“伽利略”系统发生系统级故障，系统服务全面中断的时间超过140h，引起了各方的密切关注与对卫星导航系统与服务脆弱性的进一步担忧。2019年11月，故障调查委员会向欧盟委员会提交了事件调查报告。报告认为：此次故障是在地面基础设施冗余备份受限的情况下，由多个事件共同引发的，原因是：①地面基础设施升级安装的临时设备处理不当；②设备技术异常；③受到异常影响的设备为非标准配置设备。

此次故障暴露出“伽利略”系统运行管理存在诸多问题。GPS、GLONASS系统的运行管理均由军方负责，更加重视系统运行的安全性、稳定性和可靠性，系统运维效率也更高。此次“伽利略”故障即是由于管理方违背地面运行控制系统升级原则，同时对主控站与备份主控站进行升级，并且存在地面基础设施临时设备处理不当、设备技术异常等技术与程序上非常低级的错误。

“伽利略”系统发射部署计划

3 俄罗斯 —打破西方制裁，GLONASS星座全面更新即将启动

截至2019年底，GLONASS系统在轨卫星28颗，包括26颗GLONASS－M卫星和2颗GLONASS－K卫星，其中，提供导航服务卫星22颗，其余卫星处于测试、备份等状态。2019年，俄罗斯克服了西方国家制裁和航天预算减少的影响，完成了GLONASS－K系列卫星的研发，2020年将全面启动GLONASS－K系列卫星的发射，计划于2025年完成全部由GLONASS－K系列卫星组成的空间星座的部署，完成GLONASS系统空间星座的全面升级。

GLONASS－K系列卫星包括3个型号，分别为GLONASS－K1、增强型GLONASS－K和GLONASS－K2。GLONASS－K系列卫星最重要的变化是增加码分多址（CDMA）导航信号，以提升与其他卫星导航系统的兼容性与互操作性，提升GLONASS系统的竞争能力。从GLONASS－K系列卫星的发展角度看，俄罗斯高度重视GLONASS系统服务性能与导航战能力的提升，也将成为GLONASS系统未来发展的重点。

GLONASS－K卫星发展路线图

4 日本—积极推进系统应用，谋求自主卫星导航能力

2018年11月，QZSS系统投入运行与服务后，日本政府积极推动QZSS系统在民用领域和军事领域的应用。2019年，日本海上自卫队开展了QZSS系统应用的试验活动，在2艘布雷舰、2艘潜艇和2艘搜救舰上部署了QZSS应用装备，并开展了试验、测试活动，还计划于2021年在4艘护卫舰上部署相关装备。

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年前完成由7颗卫星组成的QZSS系统的部署，并投入运行。

5 印度—初步拥有独立的军用卫星导航能力

获得军用卫星导航能力是印度发展IRNSS系统最重要的目标。2016年印度完成了由7颗卫星组成的IRNSS系统的部署；2018年印度成功发射1颗IRNSS卫星（IRNSS－1I），替换了失效的IRNSS－1A卫星，使IRNSS系统处于完好状态。

6 发展自主卫星导航能力仍极具吸引力

韩国—振兴航天产业，发展区域导航卫星系统

2018年2月，韩国政府发布的《第三次航天开发振兴基本规划》提出，韩国将加快自主的卫星导航系统建设步伐，并确定了2034年完成“韩国卫星导航系统”（KPS）建设的目标。KPS系统空间段由7颗卫星组成，包括4颗IGSO轨道卫星和3颗GEO轨道卫星。

英国—谋求发展自主卫星导航能力

2018年11月底举行的G20峰会上，英国首相特蕾莎·梅宣称：“脱欧”后，英国将退出“伽利略”计划，并谋求建立自主的卫星导航系统。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。

从技术角度看，英国具备独立发展卫星导航系统的能力。英国萨里卫星技术有限公司（SSTL）不但是Galileo-FOC有效载荷的主承包商，而且是首颗“伽利略”在轨验证元素－A（GIOVE－A）卫星的主承包商，在导航卫星平台与导航有效载荷研发等方面拥有丰富的经验。

7 结束语

目前，国外卫星导航系统与技术的发展正在进入新的发展阶段，即美、俄卫星导航系统已经或即将进入以导航性能的提升与导航战能力的增强为核心的升级发展阶段；欧洲、日本、印度卫星导航系统则以系统建设和应用拓展为重点，谋求系统建设与应用的协调发展。

服务性能是满足未来市场竞争与需求的关键

未来，全球卫星导航领域市场的竞争进一步加剧。以未来高精度定位导航服务的核心应用领域—物联网和自动驾驶为例，其对定位精度的要求可能达到厘米级。因此，服务性能成为未来卫星导航系统发展、竞争的重要焦点之一。通过装备新一代脉冲光抽运铯束钟、数字化导航有效载荷、激光反射器阵列（用于实现精确定轨）等技术手段，美国GPS－3系列卫星的定位精度将提升3倍；俄罗斯装备新一代GLONASS－K系列卫星装备高精度、小型化被动氢钟原子钟，并播发新的CDMA导航信号；欧洲正在积极开展空间冷原子钟的研发，以提高时间频率系统的精度与稳定度。

导航战、时间战能力是信息化联合作战能力的关键

从未来技术发展的角度看，满足任务与需求变化的技术与能力，导航信号功率增强的技术与能力是未来强对抗战场环境下，满足军用卫星导航服务需求的关键。满足任务与需求变化技术与能力是卫星导航系统满足未来军用卫星导航需求快速发展、变化的核心能力之一，将增强卫星导航系统发展可维持性和经济的可承受性。信号功率增强技术与能力则是缓解卫星导航系统脆弱性，增强卫星导航系统军事服务抗干扰能力的支撑性关键技术。在NTS－3项目中，美军开展了多个支撑信号功率增强、满足任务与需求变化能力关键技术的研发与演示验证。

赛博安全能力将成为导航战、时间战能力的核心支撑

作为赛博空间的组成部分，卫星导航系统的地面运行控制段与通信、指挥链路正面临着日益严重的赛博安全问题。特别是在赛博空间成为与陆、海、空、天并列的作战空间后，世界各国均在大力发展赛博空间作战能力，赛博空间的作战能力已经成为影响战争胜负的重要因素，卫星导航系统也必将成为敌方赛博攻击的重要目标。

从卫星导航系统运行的角度看，卫星导航系统安全、稳定、可靠的运行需要地面运行控制系统的全面支持，如果运行控制系统不能有效地防御赛博攻击，则卫星导航系统只能采取自主导航模式，而在此情况下，卫星导航系统的服务性能将随时间的增加降低。从导航战功能实现的角度看，当前卫星导航系统已经具备或正在研发的全部导航战功能均需按照地面运行控制系统的指令运行，如果不能有效地防御赛博攻击，运行控制系统将不能保证对空间星座、卫星实施有效的运行管理与控制，更不能保证按需求启动上述导航战功能。因此，赛博安全能力将成为运行导航战功能与实现导航战能力的重要支撑。