2017年 國外衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展綜述

劉春保 （北京空間科技信息研究所）

2017年，國外共進(jìn)行6次導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射活動(dòng)，成功5次，失敗1次，成功發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星8顆，失敗1顆。其中，歐洲1次，成功發(fā)射“伽利略-全運(yùn)行能力”（Galileo-FOC）衛(wèi)星4顆；俄羅斯1次，成功發(fā)射格洛納斯-M（GLONASS-M）衛(wèi)星1顆；日本3次，成功發(fā)射“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）3顆；印度1次，發(fā)射“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（lRNSS）衛(wèi)星1顆，因整流罩未分離造成發(fā)射失敗。截至2017年12月31日，國外在軌運(yùn)行導(dǎo)航衛(wèi)星91顆。在軌運(yùn)行并提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星71顆，其中，美國“全球定位系統(tǒng)”（GPS）31顆，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)24顆，歐洲Galileo系統(tǒng)15顆，日本QZSS系統(tǒng)1顆（主要提供GPS增強(qiáng)服務(wù)）。

2017年國外導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射數(shù)量（按國家統(tǒng)計(jì)）

2017年國外導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行并提供導(dǎo)航服務(wù)數(shù)量（按國家統(tǒng)計(jì)）

1 引言

2017年，美國持續(xù)保持GPS系統(tǒng)運(yùn)行與服務(wù)的穩(wěn)定，已全面具備自主導(dǎo)航能力。但因新一代“運(yùn)行控制系統(tǒng)”（OCX）研發(fā)的拖延，M碼軍用信號、L2C和L5C民用信號目前仍未投入使用。2017年11月，美國空軍宣布OCX Block0（即OCX發(fā)射、檢查、測試）系統(tǒng)的驗(yàn)收，具備了支持GPS-3衛(wèi)星發(fā)射與入軌測試的能力，首顆GPS-3衛(wèi)星計(jì)劃于2018年發(fā)射。雖然美國空軍于2016年調(diào)整了OCX系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃，但在2017年7月美國空軍發(fā)布的消息稱，OCX Block1和2的研發(fā)將再推遲9個(gè)月，研發(fā)經(jīng)費(fèi)也將攀升至60億美元。

為確保Galileo-FOC的部署并保證Galileo系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，2017年，歐洲航天局（ESA）分兩次采購了12顆Galileo-FOC衛(wèi)星，使Galileo-FOC衛(wèi)星的采購數(shù)量達(dá)到34顆，并按計(jì)劃成功地發(fā)射了4顆Galileo-FOC衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到22顆，提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星達(dá)到15顆。

俄羅斯保持GLONASS系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，成功發(fā)射了1顆GLONASS-M衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星達(dá)到25顆，24顆衛(wèi)星提供導(dǎo)航服務(wù)。同時(shí)，俄羅斯積極推進(jìn)新一代GLONASS-K衛(wèi)星的研發(fā)，計(jì)劃2018年開始部署，GLONASS星座的升級工作將全面啟動(dòng)。

2017年，日本加快了QZSS區(qū)域衛(wèi)星的發(fā)展步伐，成功發(fā)射了3顆QZSS衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到4顆，完成QZSS系統(tǒng)第一階段的部署，計(jì)劃2018年4月投入運(yùn)行，即可提供GPS增強(qiáng)服務(wù)，也可提供QZSS系統(tǒng)自主導(dǎo)航服務(wù)。

2017年，印度發(fā)射1顆IRNSS衛(wèi)星，以替換3部星載原子鐘全部發(fā)生故障的首顆IRNSS衛(wèi)星（IRNSS-1A），但因整流罩未能分離，發(fā)射失敗。雖然印度于2016年4月完成了IRNSS系統(tǒng)的部署，但截至2017年底仍處于測試狀態(tài)，尚未提供導(dǎo)航服務(wù)。

2 美國

GPS系統(tǒng)正在實(shí)施現(xiàn)代化計(jì)劃，目前GPS系統(tǒng)已經(jīng)全面具備自主導(dǎo)航能力，其空間段已經(jīng)初步具備了播發(fā)M碼軍用信號、L2C和L5民用信號和星上信號功率可調(diào)能力。美國空軍正在研發(fā)具有在軌可重新編程與信號重構(gòu)能力、高速星間星地鏈路能力和點(diǎn)波束增強(qiáng)能力的系統(tǒng)。GPS新一代OCX系統(tǒng)的研發(fā)已完成支持發(fā)射、在軌檢查（即OCX Block0）部分，計(jì)劃于2018年初完成部署，以支持首顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射。

目前，GPS系統(tǒng)空間段采用27軌位星座，至2017年12月底，在軌工作衛(wèi)星31顆（32顆在軌），包括12顆GPS-2R、7顆GPS-2RM和12顆GPS-2F衛(wèi)星。其中，GPS-2R、GPS-2RM和GPS-2F三種型號的衛(wèi)星均具有自主導(dǎo)航能力，使GPS空間星座全面擁有了180天自主導(dǎo)航能力；GPS-2RM和GPS-2F衛(wèi)星具有播發(fā)M碼軍用信號、L2C民用信號能力，使M碼軍用信號和L2C民用信號具備了初始運(yùn)行能力；GPS-2F衛(wèi)星具有播發(fā)L5民用信號和星上信號功率可調(diào)能力，使L5民用信號和星上信號功率可調(diào)同樣具備了初始運(yùn)行能力。但因OCX系統(tǒng)研發(fā)、部署的拖延，GPS地面OCX系統(tǒng)尚不支持M碼軍用信號、L2C和L5民用信號，以及星上信號功率可調(diào)能力的運(yùn)行。

美國在軌并提供服務(wù)的GPS衛(wèi)星組成

OCX系統(tǒng)的發(fā)展再次遭遇拖延與經(jīng)費(fèi)超支。雖然雷神公司（Raytheon）按新的計(jì)劃于2017年完成了OCX Block0的交付，但7月美國空軍宣布消息稱“OCX的研發(fā)、部署將再拖延9個(gè)月，研發(fā)經(jīng)費(fèi)也將達(dá)到60億美元”，即OCX Block1和2的部署將推遲至2021年9-10月，甚至可能更晚。

OCX Block1和2是支持GPS-3衛(wèi)星運(yùn)行控制，支撐M碼軍用信號、L1C、L2C與L5民用信號和星上信號功率可調(diào)等能力的關(guān)鍵。也就是說，如果OCX Block1和2不能投入運(yùn)行，GPS的OCX系統(tǒng)將不具備支撐上述信號與能力投入運(yùn)行的功能，這將極大地制約GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力的增強(qiáng)與全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用市場競爭能力的提升，甚至可能削弱美國在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的主導(dǎo)與優(yōu)勢地位。從OCX系統(tǒng)的當(dāng)前發(fā)展看，賽博安全與信息保證能力（OCX系統(tǒng)最重要的能力之一）的研發(fā)是造成研發(fā)進(jìn)度拖延的主要原因，主要包含兩個(gè)方面，其一是美軍參聯(lián)會(huì)2013年才發(fā)布《賽博空間作戰(zhàn)》條令；其二是賽博安全與信息保證能力的研發(fā)難度超過了美國空軍與主承包商雷神公司的預(yù)期。

2017年，GPS系統(tǒng)研發(fā)的主要進(jìn)展包括三個(gè)方面，其一，首顆GPS-3衛(wèi)星成功交付美國空軍，計(jì)劃于2018年初發(fā)射，標(biāo)志著GPS現(xiàn)代化計(jì)劃進(jìn)入最后階段；其二，OCX Block0成功交付給美國空軍導(dǎo)航與航天系統(tǒng)中心，使GPS的OCX系統(tǒng)具備了GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射、在軌檢查與測試能力；第三，哈斯公司（Harris Corporation）完成了GPS-3衛(wèi)星關(guān)鍵導(dǎo)航有效載荷—全數(shù)字化任務(wù)數(shù)據(jù)單元（MDU）的工程樣機(jī)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了GPS全數(shù)字化有效載荷關(guān)鍵技術(shù)的最后突破。全數(shù)字化有效載荷技術(shù)和在軌可重新編程技術(shù)將應(yīng)用于GPS-3B衛(wèi)星（第11顆GPS-3衛(wèi)星及后續(xù)衛(wèi)星），實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號的可重新生成與功率可調(diào)，使GPS系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的導(dǎo)航戰(zhàn)能力，并計(jì)劃于2018年授出首顆GPS-3B衛(wèi)星的研發(fā)合同。

按照當(dāng)前的計(jì)劃，2018年將發(fā)射2顆GPS-3衛(wèi)星，此后計(jì)劃以每年約2顆的速度進(jìn)行發(fā)射，2033年左右完成全部由GPS-3衛(wèi)星組成的空間星座的部署。屆時(shí)，L1C互操作信號、星上信號功率可調(diào)等將全面投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)新的V頻段星間和星地鏈路、在軌可編程與信號重構(gòu)等。

3 歐洲

Galileo系統(tǒng)是歐洲獨(dú)立發(fā)展的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)。Galileo系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星、3顆備份星。衛(wèi)星分布在3個(gè)中地球軌道（MEO）上，每個(gè)軌道上部署9顆工作星和1顆備份星。

2017年完成了4顆Galileo-FOC衛(wèi)星的部署，在軌衛(wèi)星達(dá)到22顆，其中15顆衛(wèi)星提供導(dǎo)航服務(wù)。為保證Galileo系統(tǒng)運(yùn)行與服務(wù)的穩(wěn)定，2017年，ESA分兩次向德國不萊梅軌道高技術(shù)公司（OHB）與英國薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）組成的團(tuán)隊(duì)采購了12顆Galileo-FOC衛(wèi)星，使Galileo-FOC衛(wèi)星的采購數(shù)量達(dá)到34顆，完全滿足了Galileo系統(tǒng)投入全面運(yùn)行和近期系統(tǒng)星座維持與更新的要求。

Galileo系統(tǒng)服務(wù)計(jì)劃

2016年12月，Galileo系統(tǒng)投入初始運(yùn)行，至2017年底，提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星增加至15顆，有效改善了Galileo系統(tǒng)的初始服務(wù)能力。

在第11屆全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會(huì)（ICG）會(huì)議上，歐洲代表宣布：將啟動(dòng)第二代Galileo系統(tǒng)戰(zhàn)略目標(biāo)的論證與定義工作，這是歐洲首次公開宣布啟動(dòng)第二代Galileo系統(tǒng)論證工作。第二代Galileo衛(wèi)星論證的咨詢與調(diào)研工作已經(jīng)完成，2017年已完成任務(wù)需求固化、系統(tǒng)想定和成本效益的分析工作，2018-2019年將最終確定未來需求并進(jìn)行投資估算，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)工作將于2019年啟動(dòng)。

截至2 0 1 7年1 2月，E S A已經(jīng)完成了2 6顆Galileo衛(wèi)星的部署，包括4顆“伽利略-在軌驗(yàn)證”（Galileo-IOV）衛(wèi)星和18顆Galileo-FOC衛(wèi)星，其中提供定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的衛(wèi)星15顆，1顆Galileo-IOV衛(wèi)星因電源故障已經(jīng)無法工作；2顆Galileo-FOC衛(wèi)星因運(yùn)載火箭問題沒能進(jìn)入預(yù)定軌道，在抬高了近地點(diǎn)后，2顆衛(wèi)星處于17200km×25900km、傾角49°的軌道，軌道重復(fù)周期20天，與軌道高度23600km、軌道傾角56°、軌道重復(fù)周期10天的名義軌道存在較大差距。按照歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）發(fā)布的Galileo系統(tǒng)初始運(yùn)行狀態(tài)信息，上述2顆衛(wèi)星處于試驗(yàn)狀態(tài)，不能提供導(dǎo)航服務(wù)。

Galileo衛(wèi)星在軌飛行示意圖

2017年發(fā)生2件對Galileo系統(tǒng)未來發(fā)展具有重要影響的事件，其一是2017年1月爆發(fā)的Galileo星載原子鐘大面積故障，其二是英國的脫歐。2017年1月底，國外媒體率先披露了Galileo系統(tǒng)在軌運(yùn)行的18顆衛(wèi)星的72部星載原子鐘中的9部（包括3部銣鐘、6部氫鐘）發(fā)生故障，18顆衛(wèi)星中的5顆衛(wèi)星分別損失了1部或2部星上原子鐘。雖然ESA相信已經(jīng)找到了故障的原因（銣鐘故障因短路引起，氫鐘故障源于長時(shí)間冷備份），問題得到了解決，并于2017年又簽署了12顆Galileo-FOC衛(wèi)星的采購合同，但其解決方案是否有效仍需要時(shí)間的檢驗(yàn)。英國的脫歐在給歐盟未來發(fā)展帶來不確定性的同時(shí)，也給Galileo系統(tǒng)的未來發(fā)展帶來了不確定性。公私伙伴關(guān)系發(fā)展模式終結(jié)后，Galileo系統(tǒng)的發(fā)展完全由歐盟的公共資金支持，作為歐盟最具影響力的3個(gè)大國（英國、法國、德國）之一，英國的脫歐必將削弱歐盟的政治影響力與整體的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，削弱歐盟支撐Galileo系統(tǒng)維持與發(fā)展的能力。如果英國脫歐產(chǎn)生連鎖性反應(yīng)，甚至有可能使歐盟走向解體與終結(jié)，這種結(jié)果的出現(xiàn)對歐盟與Galileo系統(tǒng)都將是災(zāi)難性的。2017年4月，歐盟為Galileo系統(tǒng)相關(guān)協(xié)議增加了新的條款。該條款要求：當(dāng)供應(yīng)商所在國不再是歐盟成員國時(shí)，歐洲可具有單方面的合同解除權(quán)，且并不因此產(chǎn)生違約金。而且要求退出合同的供應(yīng)商支付尋找替代者產(chǎn)生的費(fèi)用，這是符合歐盟與ESA經(jīng)費(fèi)返還原則的，此條款不但將對英國航天工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，使有效載荷承包商英國薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司成為直接受害者，同時(shí)也將對Galileo衛(wèi)星的研發(fā)產(chǎn)生不利影響。

4 俄羅斯

截至2017年12月底，俄羅斯在軌導(dǎo)航衛(wèi)星25顆，即GLONASS-M衛(wèi)星23顆，GLONASS-K1衛(wèi)星2顆，提供定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的衛(wèi)星24顆，其中GLONASS-M衛(wèi)星23顆，GLONASS-K衛(wèi)星1顆。

2017年，俄羅斯進(jìn)行了1次GLONASS衛(wèi)星發(fā)射，成功發(fā)射了1顆GLONASS-M衛(wèi)星，保證了GLONASS系統(tǒng)運(yùn)行與服務(wù)的穩(wěn)定。從GLONASS系統(tǒng)星座維持與更新的情況看，GLONASS衛(wèi)星的可行性與在軌工作壽命得到了較好地改善，在2016年、2017年僅發(fā)射3顆GLONASS的條件下，仍然保持了GLONASS系統(tǒng)的穩(wěn)定，對GLONASS系統(tǒng)的維持與發(fā)展具有非常重要的意義。最近幾年，GLONASS系統(tǒng)工作衛(wèi)星的數(shù)量一般保持在23顆或24顆，提升了GLONASS系統(tǒng)在多系統(tǒng)并存格局下全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，特別是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的影響力。

俄羅斯在軌導(dǎo)航衛(wèi)星組成

2016年發(fā)布的俄羅斯《2016-2025年聯(lián)邦航天規(guī)劃》中，未來10年的航天預(yù)算約14000億盧布（約合216.6億美元），較2015年的預(yù)算方案減少了約30%。受經(jīng)濟(jì)形勢惡化影響，俄羅斯2016年的航天預(yù)算僅為1045億盧布，約為2015年的63%（2015年為1658.14億盧布），2017年與2016年大致持平，對GLONASS系統(tǒng)未來維持、更新，特別是發(fā)展的影響日漸明顯。

5 日本

2017年，日本加快了QZSS系統(tǒng)的部署步伐，成功進(jìn)行了3次QZSS衛(wèi)星的發(fā)射，發(fā)射了2顆傾斜地球同步衛(wèi)星軌道（IGSO）衛(wèi)星、1顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星，提前完成了QZSS系統(tǒng)第一階段的部署，并計(jì)劃于2018年初投入初始運(yùn)行。按2015年日本新的航天基本計(jì)劃，QZSS系統(tǒng)的部署分2個(gè)階段進(jìn)行：第一階段，于2018年前完成由1顆GEO軌道衛(wèi)星+3顆IGSO軌道衛(wèi)星組成的空間星座部署；第二階段，2023年前完成7顆衛(wèi)星組成的QZSS系統(tǒng)的部署，并投入運(yùn)行。

QZSS系統(tǒng)發(fā)展路線圖

QZSS衛(wèi)星在軌情況

截至2017年底，QZSS系統(tǒng)星座在軌衛(wèi)星4顆，其中3顆IGSO軌道衛(wèi)星、1顆GEO軌道衛(wèi)星。

6 印度

2017年，印度IRNSS系統(tǒng)的發(fā)展遭遇了2次重大挫折。首先，2017年1月底，在媒體披露Galileo系統(tǒng)星載原子鐘故障事件后，印度空間研究組織（ISRO）宣布IRNSS系統(tǒng)首顆衛(wèi)星的3部原子鐘發(fā)生故障；2017年6月，印度媒體再次披露IRNSS系統(tǒng)又有4部原子鐘發(fā)生無法解釋的故障。至此，在IRNSS系統(tǒng)衛(wèi)星裝備的全部21部星鐘中，已有7部發(fā)生了故障。第二，為替換3部星載原子鐘全部發(fā)生故障的首顆IRNSS衛(wèi)星，2017年8月31日印度發(fā)射了第8顆IRNSS衛(wèi)星（IRNSS-1H），但是由于整流罩未能正常分離，衛(wèi)星發(fā)射失敗。

印度完成IRNSS系統(tǒng)空間星座的部署至今已經(jīng)將近2年時(shí)間，但仍未發(fā)布IRNSS系統(tǒng)投入運(yùn)行的信息，加上大面積的星鐘故障，可能表明印度在導(dǎo)航衛(wèi)星的研發(fā)、測試，以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行控制與管理等方面，尚存在某些需要解決的問題。IRNSS系統(tǒng)今后如何發(fā)展還需要進(jìn)一步的觀察。

7 發(fā)展趨勢

服務(wù)性能之爭將愈演愈烈

2018年，美國計(jì)劃發(fā)射2顆GPS-3衛(wèi)星，GPS-3衛(wèi)星的部署全面啟動(dòng)。GPS-3衛(wèi)星裝備新一代空間原子鐘—脈沖光抽運(yùn)銫束鐘，頻率穩(wěn)定度將達(dá)到5×10-15，水平定位精度達(dá)到0.5m。同時(shí)，俄羅斯持續(xù)改善GLONASS系統(tǒng)服務(wù)性能；歐洲Galileo系統(tǒng)也將于2020年前完成部署并投入運(yùn)行，其最高水平定位精度接近1m，使全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)性能不斷提升，以滿足不斷增長的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)需求。多系統(tǒng)并存格局的形成，使各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的競爭不斷加劇，服務(wù)性能將成為影響、甚至決定衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域競爭能力的關(guān)鍵。為在全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的競爭中取得主動(dòng)地位，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間服務(wù)性能的競爭將愈演愈烈。

賽博安全或成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)控制權(quán)的根本保證

在網(wǎng)際空間（即賽博空間）成為與陸、海、空、天并列的第五作戰(zhàn)空間的條件下，賽博空間作戰(zhàn)能力已經(jīng)成為制信息權(quán)最重要的保證。從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力運(yùn)行的角度分析，地面運(yùn)行控制系統(tǒng)及其與空間星座的通信鏈路、空間星座衛(wèi)星間的星間鏈路等均屬于賽博空間的范疇，其賽博安全能力決定著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的擁有方能否有效地保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或功能能否以滿足需求的方式運(yùn)行或工作，能否有效地保持衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行控制權(quán)。因此，賽博安全能力或?qū)⒊蔀樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)控制權(quán)的重要保證。

技術(shù)創(chuàng)新與突破是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力

美國空軍將在軌數(shù)字波形生成器、氮化鎵高效放大器、高增益區(qū)域增強(qiáng)的先進(jìn)天線、星載原子鐘和利用星間鏈路實(shí)現(xiàn)GPS系統(tǒng)星座運(yùn)行管理與控制等技術(shù)，做為影響或決定GPS系統(tǒng)未來全球競爭能力與主導(dǎo)地位的關(guān)鍵技術(shù)。

以星載原子鐘為例，當(dāng)前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛采用的磁選態(tài)氫鐘、銣鐘與銫鐘的性能已經(jīng)很難有所提升，美國GPS-3衛(wèi)星選擇采用脈沖光抽運(yùn)銫束鐘，美國國家航空航天局（NASA）已經(jīng)完成小型化汞離子鐘的研發(fā)，其頻率穩(wěn)定度有望達(dá)到10-16水平；歐洲正在研發(fā)空間冷原子鐘。因此，技術(shù)創(chuàng)新與突破即是提升未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能的關(guān)鍵，也是推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。