國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)近期發(fā)展

2012年全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)生了幾件值得一提的大事，包括美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）現(xiàn)代化計(jì)劃已進(jìn)入到關(guān)鍵時(shí)期、俄羅斯批準(zhǔn)了“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）2012－2020年發(fā)展規(guī)劃，投資總額高達(dá)3465.9529億盧布（約合120億美元）；歐洲完成“伽利略”（Galileo）在軌組網(wǎng)驗(yàn)證系統(tǒng)的部署，并將完成初始運(yùn)行能力部署的時(shí)間提前至2014年；日本政府批準(zhǔn)了“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）2020年前的發(fā)展計(jì)劃，預(yù)計(jì)投資34億美元，部署由3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和1顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星組成的QZSS。

1 美國GPS

截至2013年1月31日，美國GPS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星31顆，包括GPS－2A衛(wèi)星9顆，GPS－2R衛(wèi)星12顆，GPS－2RM衛(wèi)星7顆，GPS－2F衛(wèi)星3顆。在31顆在軌的衛(wèi)星中有21顆衛(wèi)星（9顆GPS－2A、12顆GPS－2R衛(wèi)星）處于超壽命運(yùn)行狀態(tài)。目前，美國正加緊GPS－3衛(wèi)星的研制工作。

GPS－3衛(wèi)星研制進(jìn)展

GPS－3是美國GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的最后一步，分為3個(gè)階段，按衛(wèi)星型號可分為GPS－3A、3B和3C，共包括8顆GPS－3A、8顆GPS－3B、16顆GPS－3C。2008年5月洛馬公司獲得研制GPS－3A的合同，而GPS－3B和3C衛(wèi)星的合同則將分別于2013年和2015年授出。

2012年，GPS－3A衛(wèi)星的研制取得了重要進(jìn)展。2012年8月，國際電話電報(bào)公司（ITT）宣布GPS－3非飛行衛(wèi)星測試臺（GNST）導(dǎo)航載荷測試階段已接近尾聲。GNST是GPS－3衛(wèi)星的全尺寸樣機(jī)，可以在衛(wèi)星集成和測試前發(fā)現(xiàn)并解決相關(guān)問題，從而減少衛(wèi)星研制風(fēng)險(xiǎn)，改善項(xiàng)目的可預(yù)見性，保證任務(wù)按期完成，降低整體費(fèi)用。與此同時(shí)，ITT公司也在進(jìn)行GNST任務(wù)數(shù)據(jù)單元的熱真空測試，隨后被集成到GNST導(dǎo)航載荷面板上。

GPS－2F衛(wèi)星

2012年11月，洛馬公司完成了GPS－3衛(wèi)星有效載荷單元（NPE）的熱真空試驗(yàn)，這是導(dǎo)航有效載荷諸多環(huán)境測試試驗(yàn)的里程碑項(xiàng)目之一。測試完成后，GPS－3衛(wèi)星的NPE將與GNST進(jìn)行集成，進(jìn)行最后的衛(wèi)星整體測試。最后，GNST將交付佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地，用于對衛(wèi)星進(jìn)行發(fā)射前的最后測試。

GPS－3A衛(wèi)星采用洛馬公司的A2100M平臺，模塊化設(shè)計(jì)，三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，設(shè)計(jì)壽命15年。衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量3883.06kg，入軌質(zhì)量2271.36kg，衛(wèi)星尺寸為246.38cm×177.8cm×340.36cm，衛(wèi)星軌道確定精度1m。GPS－3A衛(wèi)星太陽電池翼面積達(dá)到28.5m2，壽命末期功率為4480W，星上采用鎳氫電池。衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)包括地球敏感器、太陽敏感器、反作用輪和磁力矩器等。星上推進(jìn)系統(tǒng)包括1臺450N的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)、12臺0.9N和6臺22.25N的推力器，攜帶燃料2351.7kg，用于衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制。

GPS－3A衛(wèi)星主要有效載荷包括：任務(wù)數(shù)據(jù)單元、3臺銣原子鐘、6臺導(dǎo)航信號發(fā)射器、射頻多路調(diào)制設(shè)備和天線等。與目前的GPS衛(wèi)星相比，GPS－3衛(wèi)星信號發(fā)射功率將增加3倍（點(diǎn)波束增強(qiáng)除外），抗干擾能力更強(qiáng)。

2012年8月，洛馬公司與雷聲公司共同完成了GPS－3衛(wèi)星的首次發(fā)射準(zhǔn)備試驗(yàn)，這是成功發(fā)射首顆GPS－3衛(wèi)星的重要保證。2012年1月，這兩家公司在洛馬公司賓西法尼亞工廠和雷聲公司科羅拉多工廠之間建立了安全的通信鏈路。技術(shù)人員可利用該鏈路傳輸GPS－3衛(wèi)星和運(yùn)行控制系統(tǒng)的信息，使雙方可以在項(xiàng)目的初期發(fā)現(xiàn)并解決項(xiàng)目集成中的問題，降低風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約資金。雷聲公司還可在衛(wèi)星研制過程進(jìn)行新一代運(yùn)行控制段（OCX）的測試，而不必依賴GPS－3的模擬衛(wèi)星。此次飛行準(zhǔn)備試驗(yàn)歷時(shí)3天，試驗(yàn)了衛(wèi)星指揮控制的基本功能，測試了軟、硬件接口，驗(yàn)證了發(fā)射和早期入軌階段衛(wèi)星通信必需的基本控制程序。

目前，美國空軍已經(jīng)與洛馬公司簽訂了4顆GPS－3A衛(wèi)星的采購合同。預(yù)計(jì)，GPS－3A衛(wèi)星的首套導(dǎo)航有效載荷已于2013年2月完成生產(chǎn)，之后將交付給洛馬公司。然而，由于OCX建設(shè)的拖延，首顆GPS－3A衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間已經(jīng)推遲到2015年。

在洛馬公司緊鑼密鼓地進(jìn)行GPS-3衛(wèi)星研制的同時(shí)，波音公司也在抓緊GPS－2F衛(wèi)星的生產(chǎn)。2012年6月，波音公司完成了第6顆GPS－2F衛(wèi)星的生產(chǎn)，使處于存儲狀態(tài)的GPS－2F衛(wèi)星達(dá)到3顆。波音公司共獲得了12顆GPS－2F衛(wèi)星的采購合同，其中前3顆為成本補(bǔ)償合同，后9顆為固定成本合同。按計(jì)劃，波音公司將于2013年5月完成全部12顆GPS－2F衛(wèi)星的生產(chǎn)。

OCX

GPS系統(tǒng)地面控制段的現(xiàn)代化是GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的重要組成部分，其目標(biāo)是滿足GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化不斷提高的控制與運(yùn)行要求。GPS系統(tǒng)地面段現(xiàn)代化分為3個(gè)階段：精度改善活動（L-AII）、體系演進(jìn)計(jì)劃（AEP）和OCX。

2012年6月，雷聲公司完成了GPS OCX軟件1.4版本的關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審。2012年11月美國空軍航天與導(dǎo)航系統(tǒng)中心宣布，國防部長辦公室已經(jīng)批準(zhǔn)了OCX項(xiàng)目通過里程碑節(jié)點(diǎn)B審查，正式進(jìn)入工程和生產(chǎn)研制階段。該OCX軟件Block I部分包含7個(gè)增量，能夠?qū)ΜF(xiàn)有GPS星座在軌衛(wèi)星進(jìn)行控制；Block II部分包含2個(gè)增量，主要用于對GPS－3衛(wèi)星進(jìn)行控制，并擁有很多新的能力。OCX軟件的1.4版本將提供GPS－3衛(wèi)星的初始指揮控制能力，這是保證GPS－3衛(wèi)星前3次發(fā)射所必需的。目前，GPS OCX軟件1.5版本的研發(fā)工作已經(jīng)啟動，將實(shí)現(xiàn)GPS－3衛(wèi)星的早期指揮控制能力，即發(fā)射和校驗(yàn)系統(tǒng)（LCS）能力。

2012年1月，美國空軍授予洛馬公司一份價(jià)值2150萬美元的合同，用于提供發(fā)射與測試能力（LCC），為GPS－3衛(wèi)星的發(fā)射到早期在軌測試提供指揮和控制。未來，該能力將集成到OCX中，以保證GPS－3衛(wèi)星的發(fā)射。合同內(nèi)容包括在衛(wèi)星移交給空軍航天司令部之前，與OCX一起完成衛(wèi)星發(fā)射、早期在軌運(yùn)行和測試等任務(wù)，以及衛(wèi)星運(yùn)控人員的培訓(xùn)等。

最遲將于2016年12月準(zhǔn)備完畢的OCX系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮GPS－2A衛(wèi)星的控制需求，而到2017年仍有6顆GPS－2A衛(wèi)星在軌，因此，如何解決GPS－2A衛(wèi)星的運(yùn)行控制問題尚未最終確定。目前可能性較大的方案是由美國空軍向布拉克斯頓（Braxton）技術(shù)公司提供資金，由該公司實(shí)施GPS－2A衛(wèi)星的控制。

2 俄羅斯GLONASS

2012年是GLONASS系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行的第1年，截至2013年1月31日，GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星29顆，包括28顆GLONASS－M衛(wèi)星和1顆GLONASS－K1衛(wèi)星，其中，23顆衛(wèi)星提供服務(wù)，1顆處于測試狀態(tài)，2顆備份，3顆處于維護(hù)狀態(tài)。

GLONASS－K衛(wèi)星

2012年3月3日，俄羅斯政府批準(zhǔn)了《GLONASS系統(tǒng)2012－2020年維護(hù)、發(fā)展以及應(yīng)用計(jì)劃》，總投資高達(dá)3465億盧布（約120億美元）。其中，2851.57億盧布用于GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展與維護(hù)，并明確了用于支持應(yīng)用、地圖制作與更新及接收、處理芯片與模塊發(fā)展的資金。GLONASS系統(tǒng)的更新、升級與發(fā)展是該計(jì)劃的重點(diǎn)，投入2851.57億盧布。

按計(jì)劃，在2012－2020年間，俄羅斯將發(fā)射35顆GLONASS衛(wèi)星，其中GLONASS－M衛(wèi)星13顆，GLONASS－K衛(wèi)星22顆，基本實(shí)現(xiàn)利用GLONASS－K衛(wèi)星進(jìn)行星座更新的目標(biāo)。同時(shí)，在GLONASS系統(tǒng)地面控制段現(xiàn)代化改造的基礎(chǔ)上，將擴(kuò)展GLONASS系統(tǒng)地面測量站網(wǎng)絡(luò)，包括在俄羅斯境外建設(shè)地面測量站和差分站，特別是增強(qiáng)GLONASS系統(tǒng)對南半球的服務(wù)能力，提升GLONASS系統(tǒng)在民用市場的競爭能力。

加大應(yīng)用領(lǐng)域的投資力度是《GLONASS系統(tǒng)2012－2020年維護(hù)、發(fā)展以及應(yīng)用計(jì)劃》的又一重點(diǎn)，包括民用、特殊應(yīng)用、地面制作與更新、處理芯片與模塊等，共計(jì)投入約413億盧布。2015年，俄羅斯將完成6種新型GLONASS芯片的開發(fā)，至2020年，俄羅斯國防部將擁有43種GLONASS導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)品，俄羅斯內(nèi)政部等部門也將發(fā)展56種GLONASS導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)品。目前，意法半導(dǎo)體（ST）公司、高通公司等已經(jīng)完成了可處理GLONASS系統(tǒng)信號的導(dǎo)航芯片的開發(fā)；三星、索尼等公司也推出了支持GPS、GLONASS系統(tǒng)的雙模導(dǎo)航手機(jī)，GLONASS系統(tǒng)應(yīng)用正在走向國際市場。

Galileo-IOV衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)

3 歐洲Galileo

“Galileo-在軌驗(yàn)證”系統(tǒng)完成部署

2012年10月12日，歐洲完成2顆“Galileo-在軌驗(yàn)證”（Galileo-IOV）衛(wèi)星的發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了由4顆Galileo-IOV在軌組網(wǎng)驗(yàn)證階段星座的部署。截至2013年3月，歐洲已發(fā)射Galileo衛(wèi)星6顆，包括2顆試驗(yàn)衛(wèi)星GIOVE和4顆Galileo-IOV衛(wèi)星。

Galileo在軌驗(yàn)證系統(tǒng)由空間段、地面控制段、地面任務(wù)段及相關(guān)用戶設(shè)備或系統(tǒng)組成，空間段包括2個(gè)軌道面上的4顆衛(wèi)星組成，每個(gè)軌道面2顆衛(wèi)星，軌道高度23222km，軌道傾角56°，兩個(gè)軌道面的夾角120°。Galileo-IOV衛(wèi)星的主承包商為阿斯特留姆德國公司，意大利泰雷茲-阿萊尼亞公司負(fù)責(zé)衛(wèi)星的總裝與集成；德國航天局與意大利空間電信公司合作成立的Spaceopal公司負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行管理；地面支持活動由意大利泰雷茲-阿萊尼亞公司負(fù)責(zé)；地面控制段由阿斯特留姆英國公司負(fù)責(zé)；測試用戶段由泰雷茲航空電子公司（法國）和比利時(shí)斯普特公司負(fù)責(zé)；全球網(wǎng)絡(luò)由英國電信公司負(fù)責(zé)。

Galileo-IOV衛(wèi)星采用經(jīng)改進(jìn)的“海神”（PROTEUS）小衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星質(zhì)量700kg，功率1600W，主要有效載荷包括2臺氫鐘、1臺銣鐘、時(shí)鐘監(jiān)測與控制單元、導(dǎo)航信號發(fā)生單元、L頻段天線等。

Galileo衛(wèi)星示意圖

歐洲已發(fā)射的6顆Galileo衛(wèi)星在軌示意圖

Galileo在軌驗(yàn)證系統(tǒng)地面段由地面任務(wù)站、地面控制站，以及跟蹤與遙測站、上行站、敏感器站和數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)組成。地面任務(wù)站位于意大利的富奇諾（Fucino），地面控制站位于德國的奧珀法芬霍芬（Oberpfaffenhofen），2個(gè)跟蹤與遙測站分別位于瑞典的基律納（Kiruna）和法屬圭亞那的庫魯，上行站和敏感器站網(wǎng)絡(luò)和連接所有Galileo系統(tǒng)地面設(shè)施的數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。地面任務(wù)站和地面控制站將成為未來Galileo系統(tǒng)的2個(gè)主控中心，互為備份，以保證Galileo系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

歐洲調(diào)整Galileo系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃

2012年11月，在北京召開的第7屆全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)國際委員會（ICG）大會上，歐洲提交了新的Galileo系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告，將完成Galileo初始運(yùn)行能力建設(shè)的時(shí)間從2016年調(diào)整為2014年，也就是說，OHB公司與薩瑞公司必須在不足2年（考慮發(fā)射與發(fā)射前準(zhǔn)備所需時(shí)間）的時(shí)間內(nèi)，完成首批14顆Galileo衛(wèi)星的生產(chǎn)、測試與發(fā)射準(zhǔn)備任務(wù)。不論出于何種原因，此次伽利略系統(tǒng)初始運(yùn)行能力建設(shè)時(shí)間的調(diào)整的力度、影響都是非常巨大的。

首先，對未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展格局將產(chǎn)生巨大影響。目前，我國“北斗”系統(tǒng)已經(jīng)完成區(qū)域階段的建設(shè)，全球階段的部署即將展開。如果Galileo系統(tǒng)能夠在2014年完成初始運(yùn)行能力建設(shè)，則將改變其落后于“北斗”系統(tǒng)的狀態(tài)，從而對未來全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的格局產(chǎn)生巨大影響。其次，Galileo工作星的研制、生產(chǎn)與測試任務(wù)將更加繁重。因此，OHB公司與薩瑞公司的衛(wèi)星生產(chǎn)、總裝與測試能力將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；也將成為決定歐洲能否2014年完成Galileo系統(tǒng)初始運(yùn)行能力建設(shè)的關(guān)鍵。同時(shí)，Galileo系統(tǒng)的發(fā)展也為OHB公司、乃至德國發(fā)展、壯大自己，提升其在歐洲航天領(lǐng)域地位的絕佳機(jī)會。

Galileo系統(tǒng)是歐盟的航天計(jì)劃中優(yōu)先等級最高的項(xiàng)目。美國加利福尼亞大學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任Addrei M. Shkel曾在2011年撰文指出“至少1000年內(nèi)，導(dǎo)航與精密授時(shí)能力將一直是衡量國家軍事與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的一個(gè)重要因素”。因此，雖然Galileo系統(tǒng)的發(fā)展幾經(jīng)坎坷，如2007年的特許經(jīng)營權(quán)談判破裂、2011年Galileo系統(tǒng)中期評估中涉及的巨大資金缺口問題都不能動搖歐洲建立與發(fā)展獨(dú)立的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的決心。

4 日本QZSS

2010年9月11日，日本首顆QZSS衛(wèi)星發(fā)射成功，并命名為“指路”（MICHIBIKI）。1年多的測試與運(yùn)行表明，QZSS衛(wèi)星的有效地提高了日本衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的能力，如可用性從只有GPS時(shí)的90%，提高至99.8%；2011年2月19日6：00－12：30的測試表明，在QZSS的支持下，城市區(qū)域DGPS服務(wù)的可用性從39.5%提高至69.1%；利用QZSS的L1-SAIF信號，水平定位誤差從1.56m降低至0.46m，垂直定位誤差從3.85m降低至0.57m。

2012年9月21日，日本政府批準(zhǔn)了由1顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星及其地面控制段組成的QZSS建設(shè)計(jì)劃，投資總額約34億美元，計(jì)劃于2018年前完成部署，并投入運(yùn)行。最終，QZSS空間段可能擴(kuò)展至由7顆衛(wèi)星組成的星座。

5 結(jié)束語

未來10年將是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵10年。2020年，GPS現(xiàn)代化進(jìn)入最后階段，系統(tǒng)星座將主要由GPS－3衛(wèi)星構(gòu)成，導(dǎo)航戰(zhàn)與抗干擾能力顯著增強(qiáng)，并提供更高精度、完好性、可用性的民用服務(wù)；GLONASS現(xiàn)代化計(jì)劃基本完成，具有與GPS系統(tǒng)相當(dāng)?shù)拿裼脤?dǎo)航服務(wù)性能；Galileo與“北斗”全球系統(tǒng)完成部署，全面投入運(yùn)行；日本QZSS、“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）的建設(shè)也將完成；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)入多系統(tǒng)共存的時(shí)代，性能與服務(wù)的競爭將成為導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)生存、發(fā)展的主線，民用用戶將成為這種競爭的最大受益者。

日本QZSS衛(wèi)星