2019年國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展綜述

劉春保

（北京空間科技信息研究所）

2019年，國外共進(jìn)行了3次導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射，3次發(fā)射均取得成功，發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星3顆。其中美國1次，成功發(fā)射全球定位系統(tǒng)－3（GPS－3）衛(wèi)星1顆；俄羅斯2次，成功發(fā)射格洛納斯－M（GLONASSM）衛(wèi)星2顆。截至2019年年底，國外在軌運(yùn)行并提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星共85顆，其中，美國GPS系統(tǒng)30顆，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)22顆，歐洲“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)22顆，日本“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）4顆，印度“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）7顆。

1 美國—聚焦關(guān)鍵技術(shù)與未來發(fā)展，鞏固、提升GPS系統(tǒng)的主導(dǎo)地位

從GPS系統(tǒng)與衛(wèi)星導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況看，影響GPS系統(tǒng)未來發(fā)展的標(biāo)志性事件包括：①首顆GPS－3衛(wèi)星進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)，即將投入使用；②新一代運(yùn)行控制系統(tǒng)（OCX）成功完成賽博安全測試，開始部署監(jiān)測接收設(shè)備；③繼2018年簽署GPS－3衛(wèi)星后繼型號(hào)（GPS－3F）衛(wèi)星研發(fā)合同后，2019年簽署導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星－3（NTS－3）研發(fā)合同，開展多項(xiàng)導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)的空間飛行演示驗(yàn)證。

GPS－3F衛(wèi)星

GPS－3系列衛(wèi)星—未來20年美國衛(wèi)星導(dǎo)航能力的重要支撐

GPS－3系列衛(wèi)星涉及2個(gè)型號(hào)32顆衛(wèi)星，其中GPS－3衛(wèi)星10顆，GPS－3F衛(wèi)星22顆。按計(jì)劃，GPS－3系列衛(wèi)星的發(fā)射將于2034年左右完成，構(gòu)成全部由GPS－3系列衛(wèi)星組成的星座。

與之前的型號(hào)相比，GPS－3衛(wèi)星的功能與能力主要變化包括：①增加了L1頻段的互操作信號(hào)L1C；②設(shè)計(jì)壽命增加至15年；③定位精度是之前型號(hào)的3倍，抗干擾能力是原來的8倍。在GPS－3衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，GPS－3F衛(wèi)星還將增加如下能力：①在軌升級(jí)與信號(hào)重構(gòu)能力；②點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)能力；③V頻段高速星間/星地鏈路；④增加搜索救援功能；⑤激光反射器陣列，提高衛(wèi)星軌道測量精度。

新一代OCX系統(tǒng)—導(dǎo)航戰(zhàn)能力的重要保障

新一代OCX系統(tǒng)是GPS運(yùn)行控制段系統(tǒng)現(xiàn)代化改造的最后階段，目標(biāo)是全面滿足現(xiàn)代化的GPS系統(tǒng)空間段的運(yùn)行、控制與管理要求，保證GPS系統(tǒng)的運(yùn)行安全。除支持空間段衛(wèi)星的全部功能和能力外，其最重要的能力增量就是賽博安全能力。在網(wǎng)絡(luò)空間已經(jīng)成為重要作戰(zhàn)域的背景下，運(yùn)行控制系統(tǒng)的賽博安全能力正在成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)正常運(yùn)行與運(yùn)行控制權(quán)的重要保證。美國空軍為OCX系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由5層防護(hù)結(jié)構(gòu)組成的多層防御體系，分別為防火墻與入侵探測、公共關(guān)鍵信息與加密、安全操作系統(tǒng)、跨領(lǐng)域防護(hù)和安全代碼等。

NTS－3衛(wèi)星示意圖

NTS－3項(xiàng)目—GPS系統(tǒng)未來發(fā)展的“鋪路石”

NTS－3項(xiàng)目是美國空軍開展的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目，計(jì)劃2022年發(fā)射并開展為期1年的空間飛行演示驗(yàn)證。NTS－3項(xiàng)目由兩部分組成；一是空間飛行演示驗(yàn)證部分，即NTS－3衛(wèi)星，主要驗(yàn)證GPS衛(wèi)星未來發(fā)展所需的有效載荷關(guān)鍵技術(shù)；二是地面運(yùn)行管理與控制系統(tǒng)部分，主要驗(yàn)證僅利用美國本土的地面基礎(chǔ)設(shè)施完成GPS系統(tǒng)運(yùn)行管理和對(duì)抗環(huán)境下支持GPS系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

2 歐洲—穩(wěn)步推進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)，謀劃系統(tǒng)未來發(fā)展

“伽利略”系統(tǒng)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)

截至2019年底，“伽利略”系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)量25顆，包括3顆“伽利略-在軌驗(yàn)證”（Galileo-IOV）衛(wèi)星和22顆“伽利略-全運(yùn)行能力”（Galileo-FOC）衛(wèi)星，其中1顆處于不可用狀態(tài)，2顆處于測試狀態(tài)，22顆提供導(dǎo)航服務(wù)。按計(jì)劃，新一輪發(fā)射將于2021年初啟動(dòng)，最早于2021年底完成“伽利略”系統(tǒng)全面運(yùn)行能力的部署。

同時(shí)，新一代“伽利略”衛(wèi)星的發(fā)展已經(jīng)啟動(dòng)。新一代“伽利略”系統(tǒng)將具有如下特征：自主運(yùn)行、衛(wèi)星壽命更長、系統(tǒng)與服務(wù)更加安全、接收機(jī)更加優(yōu)化、系統(tǒng)的發(fā)展、維持與運(yùn)行成本更低，同時(shí)具有足夠的兼容性與可擴(kuò)展性。按計(jì)劃，新一代“伽利略”衛(wèi)星的發(fā)射活動(dòng)將于2027年啟動(dòng)。

“伽利略”系統(tǒng)故障凸顯系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

2019年7月，“伽利略”系統(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)級(jí)故障，系統(tǒng)服務(wù)全面中斷的時(shí)間超過140h，引起了各方的密切關(guān)注與對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與服務(wù)脆弱性的進(jìn)一步擔(dān)憂。2019年11月，故障調(diào)查委員會(huì)向歐盟委員會(huì)提交了事件調(diào)查報(bào)告。報(bào)告認(rèn)為：此次故障是在地面基礎(chǔ)設(shè)施冗余備份受限的情況下，由多個(gè)事件共同引發(fā)的，原因是：①地面基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)安裝的臨時(shí)設(shè)備處理不當(dāng)；②設(shè)備技術(shù)異常；③受到異常影響的設(shè)備為非標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備。

此次故障暴露出“伽利略”系統(tǒng)運(yùn)行管理存在諸多問題。GPS、GLONASS系統(tǒng)的運(yùn)行管理均由軍方負(fù)責(zé)，更加重視系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)運(yùn)維效率也更高。此次“伽利略”故障即是由于管理方違背地面運(yùn)行控制系統(tǒng)升級(jí)原則，同時(shí)對(duì)主控站與備份主控站進(jìn)行升級(jí)，并且存在地面基礎(chǔ)設(shè)施臨時(shí)設(shè)備處理不當(dāng)、設(shè)備技術(shù)異常等技術(shù)與程序上非常低級(jí)的錯(cuò)誤。

“伽利略”系統(tǒng)發(fā)射部署計(jì)劃

3 俄羅斯 —打破西方制裁，GLONASS星座全面更新即將啟動(dòng)

截至2019年底，GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星28顆，包括26顆GLONASS－M衛(wèi)星和2顆GLONASS－K衛(wèi)星，其中，提供導(dǎo)航服務(wù)衛(wèi)星22顆，其余衛(wèi)星處于測試、備份等狀態(tài)。2019年，俄羅斯克服了西方國家制裁和航天預(yù)算減少的影響，完成了GLONASS－K系列衛(wèi)星的研發(fā)，2020年將全面啟動(dòng)GLONASS－K系列衛(wèi)星的發(fā)射，計(jì)劃于2025年完成全部由GLONASS－K系列衛(wèi)星組成的空間星座的部署，完成GLONASS系統(tǒng)空間星座的全面升級(jí)。

GLONASS－K系列衛(wèi)星包括3個(gè)型號(hào)，分別為GLONASS－K1、增強(qiáng)型GLONASS－K和GLONASS－K2。GLONASS－K系列衛(wèi)星最重要的變化是增加碼分多址（CDMA）導(dǎo)航信號(hào)，以提升與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性與互操作性，提升GLONASS系統(tǒng)的競爭能力。從GLONASS－K系列衛(wèi)星的發(fā)展角度看，俄羅斯高度重視GLONASS系統(tǒng)服務(wù)性能與導(dǎo)航戰(zhàn)能力的提升，也將成為GLONASS系統(tǒng)未來發(fā)展的重點(diǎn)。

GLONASS－K衛(wèi)星發(fā)展路線圖

4 日本—積極推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用，謀求自主衛(wèi)星導(dǎo)航能力

2018年11月，QZSS系統(tǒng)投入運(yùn)行與服務(wù)后，日本政府積極推動(dòng)QZSS系統(tǒng)在民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。2019年，日本海上自衛(wèi)隊(duì)開展了QZSS系統(tǒng)應(yīng)用的試驗(yàn)活動(dòng)，在2艘布雷艦、2艘潛艇和2艘搜救艦上部署了QZSS應(yīng)用裝備，并開展了試驗(yàn)、測試活動(dòng)，還計(jì)劃于2021年在4艘護(hù)衛(wèi)艦上部署相關(guān)裝備。

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顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星＋3顆傾斜地球同步衛(wèi)星軌道（IGSO）衛(wèi)星組成的空間星座部署；第二階段，2023年前完成由7顆衛(wèi)星組成的QZSS系統(tǒng)的部署，并投入運(yùn)行。

5 印度—初步擁有獨(dú)立的軍用衛(wèi)星導(dǎo)航能力

獲得軍用衛(wèi)星導(dǎo)航能力是印度發(fā)展IRNSS系統(tǒng)最重要的目標(biāo)。2016年印度完成了由7顆衛(wèi)星組成的IRNSS系統(tǒng)的部署；2018年印度成功發(fā)射1顆IRNSS衛(wèi)星（IRNSS－1I），替換了失效的IRNSS－1A衛(wèi)星，使IRNSS系統(tǒng)處于完好狀態(tài)。

6 發(fā)展自主衛(wèi)星導(dǎo)航能力仍極具吸引力

韓國—振興航天產(chǎn)業(yè)，發(fā)展區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

2018年2月，韓國政府發(fā)布的《第三次航天開發(fā)振興基本規(guī)劃》提出，韓國將加快自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)步伐，并確定了2034年完成“韓國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”（KPS）建設(shè)的目標(biāo)。KPS系統(tǒng)空間段由7顆衛(wèi)星組成，包括4顆IGSO軌道衛(wèi)星和3顆GEO軌道衛(wèi)星。

英國—謀求發(fā)展自主衛(wèi)星導(dǎo)航能力

2018年11月底舉行的G20峰會(huì)上，英國首相特蕾莎·梅宣稱：“脫歐”后，英國將退出“伽利略”計(jì)劃，并謀求建立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。英國已經(jīng)啟動(dòng)了關(guān)于建立自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的評(píng)估活動(dòng)，預(yù)計(jì)投資9200萬英磅開展可行性研究。

從技術(shù)角度看，英國具備獨(dú)立發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的能力。英國薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司（SSTL）不但是Galileo-FOC有效載荷的主承包商，而且是首顆“伽利略”在軌驗(yàn)證元素－A（GIOVE－A）衛(wèi)星的主承包商，在導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)與導(dǎo)航有效載荷研發(fā)等方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

7 結(jié)束語

目前，國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與技術(shù)的發(fā)展正在進(jìn)入新的發(fā)展階段，即美、俄衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)或即將進(jìn)入以導(dǎo)航性能的提升與導(dǎo)航戰(zhàn)能力的增強(qiáng)為核心的升級(jí)發(fā)展階段；歐洲、日本、印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)則以系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用拓展為重點(diǎn)，謀求系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用的協(xié)調(diào)發(fā)展。

服務(wù)性能是滿足未來市場競爭與需求的關(guān)鍵

未來，全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域市場的競爭進(jìn)一步加劇。以未來高精度定位導(dǎo)航服務(wù)的核心應(yīng)用領(lǐng)域—物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛為例，其對(duì)定位精度的要求可能達(dá)到厘米級(jí)。因此，服務(wù)性能成為未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展、競爭的重要焦點(diǎn)之一。通過裝備新一代脈沖光抽運(yùn)銫束鐘、數(shù)字化導(dǎo)航有效載荷、激光反射器陣列（用于實(shí)現(xiàn)精確定軌）等技術(shù)手段，美國GPS－3系列衛(wèi)星的定位精度將提升3倍；俄羅斯裝備新一代GLONASS－K系列衛(wèi)星裝備高精度、小型化被動(dòng)氫鐘原子鐘，并播發(fā)新的CDMA導(dǎo)航信號(hào)；歐洲正在積極開展空間冷原子鐘的研發(fā)，以提高時(shí)間頻率系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定度。

導(dǎo)航戰(zhàn)、時(shí)間戰(zhàn)能力是信息化聯(lián)合作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵

從未來技術(shù)發(fā)展的角度看，滿足任務(wù)與需求變化的技術(shù)與能力，導(dǎo)航信號(hào)功率增強(qiáng)的技術(shù)與能力是未來強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場環(huán)境下，滿足軍用衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)需求的關(guān)鍵。滿足任務(wù)與需求變化技術(shù)與能力是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)滿足未來軍用衛(wèi)星導(dǎo)航需求快速發(fā)展、變化的核心能力之一，將增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展可維持性和經(jīng)濟(jì)的可承受性。信號(hào)功率增強(qiáng)技術(shù)與能力則是緩解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)脆弱性，增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)軍事服務(wù)抗干擾能力的支撐性關(guān)鍵技術(shù)。在NTS－3項(xiàng)目中，美軍開展了多個(gè)支撐信號(hào)功率增強(qiáng)、滿足任務(wù)與需求變化能力關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與演示驗(yàn)證。

賽博安全能力將成為導(dǎo)航戰(zhàn)、時(shí)間戰(zhàn)能力的核心支撐

作為賽博空間的組成部分，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面運(yùn)行控制段與通信、指揮鏈路正面臨著日益嚴(yán)重的賽博安全問題。特別是在賽博空間成為與陸、海、空、天并列的作戰(zhàn)空間后，世界各國均在大力發(fā)展賽博空間作戰(zhàn)能力，賽博空間的作戰(zhàn)能力已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也必將成為敵方賽博攻擊的重要目標(biāo)。

從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行的角度看，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行需要地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的全面支持，如果運(yùn)行控制系統(tǒng)不能有效地防御賽博攻擊，則衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只能采取自主導(dǎo)航模式，而在此情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能將隨時(shí)間的增加降低。從導(dǎo)航戰(zhàn)功能實(shí)現(xiàn)的角度看，當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)具備或正在研發(fā)的全部導(dǎo)航戰(zhàn)功能均需按照地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的指令運(yùn)行，如果不能有效地防御賽博攻擊，運(yùn)行控制系統(tǒng)將不能保證對(duì)空間星座、衛(wèi)星實(shí)施有效的運(yùn)行管理與控制，更不能保證按需求啟動(dòng)上述導(dǎo)航戰(zhàn)功能。因此，賽博安全能力將成為運(yùn)行導(dǎo)航戰(zhàn)功能與實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航戰(zhàn)能力的重要支撐。