國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

熊 超 ，劉宗毅，盧傳芳，烏 萌

（1.地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054；2.西安測繪研究所，西安 710054；3.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，西安 710100）

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠為地表和近地空間的廣大用戶提供全天時、全天候、高精度的導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)，是拓展人類活動和促進社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。作為獨立自主的大國，建立本國的衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時系統(tǒng)，對保障各國經(jīng)濟的正常運行和國防安全都至關(guān)重要。一個國家必須有自己獨立的坐標(biāo)系統(tǒng)，要確定這個坐標(biāo)系統(tǒng)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是最重要的手段之一。如果沒有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，勢必要依賴國外的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其可靠性和安全性都很難得到保證。此外，建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能彰顯國家的綜合國力，而且能在世界上爭取到更多的話語權(quán)。

隨著世界經(jīng)濟和科技的發(fā)展，國外主要國家和區(qū)域，都在不斷地發(fā)展和完善自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS），俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS），歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）[1]等。本文介紹了國外主要國家和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展情況，分析了其面臨的問題及發(fā)展趨勢，探討了國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的趨勢對我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的啟示。

1 國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展情況

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）是大多數(shù)國家現(xiàn)在和未來定位、導(dǎo)航、授時（positioning, navigation and timing, PNT）體系中的核心基石。近幾年來，美國、歐盟、俄羅斯等繼續(xù)推進和完善衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)步入新階段。另一方面，為了繼續(xù)掌握未來的“制導(dǎo)航權(quán)”，避免過度依賴GPS而帶來的巨大風(fēng)險，美軍在推進建設(shè)第三代 GPS系統(tǒng)（the third generation of GPS system, GPS III）建設(shè)的同時，繼續(xù)尋求各類補充PNT解決方案，開發(fā)新的替代系統(tǒng)，加強自主可控，減少對GNSS的依賴，努力實現(xiàn)具有穩(wěn)定可靠的高精度PNT服務(wù)能力，維持在PNT領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。

2018年，GNSS開始步入升級換代新階段。美國空軍發(fā)射了GPS III首顆衛(wèi)星，開啟了GPS III系統(tǒng)建設(shè)的新紀(jì)元；Galileo完成現(xiàn)階段的部署并積極布局第二代 Galileo；GLONASS以提升信號精度和可用性為目標(biāo)，預(yù)計在2019—2033年間發(fā)射4顆二代GLONASS-M衛(wèi)星、9顆GLONASS-K衛(wèi)星和33顆GLONASS-K2衛(wèi)星。

1.1 美國GPS升級換代全面加速

2018年12月23日，由于技術(shù)和天氣原因而多次推遲發(fā)射的GPS III首顆衛(wèi)星，終于成功發(fā)射并進入中地球軌道，此次發(fā)射也被美空軍稱為“一個新時代的開始”。

2019年10月以來，關(guān)于GPS III衛(wèi)星的進展有：

1）GPS III SV01衛(wèi)星于2019年7月完成了在軌測試，2020年 1月，第一顆 GPS III衛(wèi)星設(shè)為“健康”狀態(tài)，開始播發(fā)偽隨機噪聲碼（pseudo random noise code, PRN04），傳輸新的民用信號L1C，正式提供服務(wù)。

2）GPS III SV02于2019年8月22日完成發(fā)射，據(jù)美國GPS世界網(wǎng)2020年4月2日的報道，第二顆 GPS III衛(wèi)星已經(jīng)通過嚴(yán)格的在軌運行測試，正式加入GPS星座，空間飛行器編號（space vehicle number, SVN-75）或者PRN-18。

3）2020年6月30日，美國航天部隊在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地，用美國空間探索技術(shù)公司（Space Exploration Technologies Corp.，SpaceX）的“獵鷹9號（Falcon 9）”運載火箭，成功發(fā)射了第三顆GPS III衛(wèi)星（GPS III SV03）。

4）2020年11月5日，用SpaceX的“獵鷹9號”運載火箭，成功發(fā)射了第四顆 GPS III衛(wèi)星（GPS III SV04），該星將成為星座中第23顆具有軍碼能力的衛(wèi)星，距離形成全球覆蓋的24顆全能力M碼星座只差一顆了。

5）GPS III SV05正在進行環(huán)境測試，預(yù)計它將于2021年投入使用。

6）GPS III SV06已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到熱真空測試室，并開始測試。

7）GPS III SV07、SV08和SV09目前在裝配線上進行調(diào)試。

新的GPS III衛(wèi)星能力有明顯提升：衛(wèi)星壽命延長至 15年，是第二代 GPS衛(wèi)星使用壽命的兩倍，精度較之前的第二代 GPS衛(wèi)星提高了三倍，抗干擾能力提高了 8倍[2]。GPS III衛(wèi)星可以依據(jù)實際需要，迅速關(guān)閉向特定地理位置發(fā)送的導(dǎo)航信號，第一代GPS衛(wèi)星并不具備這種能力，第二代GPS衛(wèi)星要關(guān)閉特定地區(qū)的導(dǎo)航信號，其操作也極為繁瑣。GPS III還增加了新的 L1C民用信號，將首次實現(xiàn)同其他 GNSS的兼容互通。隨著GPS III衛(wèi)星的發(fā)射，美國將制定新的用戶端接收機標(biāo)準(zhǔn)，研制新的用戶端接收機，新的接收機使用者，將可通過Galileo及其它GNSS進行導(dǎo)航定位，可以進一步提高導(dǎo)航定位精準(zhǔn)度和可靠性。

與此同時，美國也開始了GPS IIIF衛(wèi)星的研制，GPS IIIF衛(wèi)星計劃則采用了完全不同的管理結(jié)構(gòu)，進展會更快。GPS IIIF被稱為GPS第八代衛(wèi)星，計劃建造22顆，2026年發(fā)射首顆衛(wèi)星，2033年發(fā)射完成全部衛(wèi)星。新衛(wèi)星研發(fā)已于2019年啟動，并將在2026年交付第一顆新型GPS IIIF衛(wèi)星，美空軍稱之為GPS III的“新飛躍（new start）”。GPS IIIF衛(wèi)星將在GPS III的基礎(chǔ)上，再增加3個有效載荷：①搜索和救援有效載荷，用于地理定位應(yīng)急應(yīng)答器，并為陷入困境的用戶提供快速援助與協(xié)調(diào)；②激光后向反射器陣列，它能夠從世界各地的測量地點，進行獨立測距和星歷驗證；③提供區(qū)域軍事保護功能，可以將更高的軍碼信號功率集中到某個目標(biāo)區(qū)域，這使得接收機的操作距離干擾機比目前軍事信號的操作距離近 10倍以上。正在考慮在以后的GPS IIIF衛(wèi)星上插入其他新功能，包括：在軌信號可編程性，部分由新的全數(shù)字導(dǎo)航有效載荷實現(xiàn)，可以從地面段上傳新信號并向用戶廣播；定向交聯(lián)，通過允許更頻繁地更新每個衛(wèi)星的時鐘和星歷數(shù)據(jù)來提高信號精度；衛(wèi)星彈性升級，以確保GPS衛(wèi)星能夠在有爭議的條件下繼續(xù)運行。

GPS正在實施現(xiàn)代化改造，旨在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、定位與授時的精度、系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾、抗毀傷與系統(tǒng)快速修復(fù)能力和導(dǎo)航戰(zhàn)能力[3-4]。GPS現(xiàn)代化計劃包括研發(fā)一系列具有新功能的衛(wèi)星，主要包括：GPS IIR(M)、GPS IIF和GPS III。GPS現(xiàn)代化還包括控制部分，包括體系結(jié)構(gòu)演化計劃（architecture evolution plan，AEP）和下一代運行控制系統(tǒng)（next generation operational control system，OCX）。2020年 5月 14日，美國軍事航天部隊第二太空作戰(zhàn)中隊，首次對GPS III衛(wèi)星（航天器編號 75）進行機動控制，同時保持在軌位置不變。機動控制過程中，衛(wèi)星導(dǎo)航信號關(guān)閉，以防止用戶接收到因衛(wèi)星速度變化而產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)。此次機動控制在一個特殊任務(wù)區(qū)域進行，對其他GPS衛(wèi)星及其信號質(zhì)量都沒有產(chǎn)生影響。這也是第二太空作戰(zhàn)中隊首次通過 AEP和 OCX完成新一代GPS衛(wèi)星在軌機動控制，未來所有GPS III型衛(wèi)星的相關(guān)操作和維護，也都將通過AEP和OCX完成。這次任務(wù)已經(jīng)驗證了相關(guān)試驗方法、試驗流程等，它們也將成為后續(xù)操作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。美空軍在對下一代運行控制系統(tǒng)進行相關(guān)研制與設(shè)計的同時，加裝了多層防護安全結(jié)構(gòu)，具備解決網(wǎng)絡(luò)安全與信息保證的能力，以此應(yīng)對來自網(wǎng)絡(luò)方面的安全威脅。圖1為GPS空間和控制部分的升級計劃。

圖1 GPS空間段與控制段的現(xiàn)代化進程

據(jù)2019年4月30日報道，美國空軍正在考慮將 GPS星座納入軍事空間結(jié)構(gòu)的重設(shè)計劃，該計劃或包含開發(fā)具有通用接口、可重新編程的有效載荷以及在軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)防御能力的模塊化衛(wèi)星。此外，美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory, AFRL）的在軌數(shù)字波形生成器和導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星-3（navigation technology satellite-3,NTS-3）項目[5]，正在開發(fā)一種可重新編程的數(shù)字衛(wèi)星導(dǎo)航有效載荷，它將搭載NTS-3進入地球靜止軌道，旨在演示驗證多項下一代 PNT技術(shù)，增強未來 GPS衛(wèi)星的彈性，以更好地適應(yīng)日益嚴(yán)峻的太空環(huán)境。NTS-3正在開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)軟件定義的 GPS接收器，以便能快速響應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境。與在軌信號發(fā)生器一樣，接收器可重新編程，從而增加了安全性和靈活性。NTS-3被作為下一代美國天基 PNT系統(tǒng)的培育和試驗驗證平臺，會拓展現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的邊界，服務(wù)于未來的太空和全球挑戰(zhàn)。NTS-3將為新一代GPS接收器鋪平道路。它們將很容易滿足作戰(zhàn)人員的需求，并融入來自Galileo、GLONASS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）導(dǎo)航衛(wèi)星的信號。

1.2 俄羅斯積極部署GLOANSS-K2衛(wèi)星

GLONASS-K2衛(wèi)星不僅使用傳統(tǒng)的頻分多址（frequency division multiple access，F(xiàn)DMA）信號，還同時在所有GLONASS衛(wèi)星的3個頻段上，搭載了碼分多址（code division multiple access，CDMA）信號[6]。新信號將使硬件造成的用戶測距誤差降低1個數(shù)量級，達到0.3 m，同時減少信號多徑影響，實現(xiàn)實時誤差低于 0.1 m的高精度導(dǎo)航。GLONASS-K2還將采用基于無源氫鐘的新頻率標(biāo)準(zhǔn)，進一步提升其性能。此外，為了提升城市區(qū)域內(nèi)的信號可用性（此區(qū)域內(nèi)用戶難以從仰角低于25°的衛(wèi)星接收到信號），俄羅斯于2019年起開始研發(fā)高軌道GLOANSS衛(wèi)星。高軌道GLONASS衛(wèi)星將由分布在3個軌道平面上的6顆GLONASS-B衛(wèi)星組成，新衛(wèi)星基于GLONASS-K平臺設(shè)計，計劃于2023年發(fā)射首顆星，2025年完成部署，屆時GLONASS在東半球的導(dǎo)航精度將提高25%。

2019年6月，GLONASS-K2衛(wèi)星的首席設(shè)計師表示，GLONASS-K2衛(wèi)星將使GLONASS的精度從3～5 m提高到1 m以內(nèi)。俄羅斯國家空間公司第一副總監(jiān)，在2018年12月出版的《GPS World》（《GPS世界》）上撰文，對GLONASS-K2衛(wèi)星將達到的精度給出了更精確的數(shù)字：“GLONASS-K2定義的任務(wù)需求，將用戶誤差定義為0.3 m，大大提高了GLONASS的用戶性能?！盙LONASS-K2衛(wèi)星將發(fā)射9個導(dǎo)航頻率信號，重約1 800 kg。GLONASS衛(wèi)星將搭載核爆探測、無線電電子偵察等有效載荷，并不斷推進 GLONASS與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通，逐步建立起集定位導(dǎo)航、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航發(fā)射預(yù)警、核爆探測、氣象監(jiān)測等多種功能于一體的天基綜合信息系統(tǒng)。俄羅斯計劃在 2021年發(fā)射第一顆GLONASS-K2衛(wèi)星[7]。預(yù)計到2030年，GLONASS星座將完全由24顆GLONASS-K2衛(wèi)星組成。

GLONASS由于受經(jīng)費限制，正積極通過星基增強和地基增強技術(shù)，提供米級、亞米級的精確位置服務(wù)。據(jù)國防科技信息網(wǎng)2019年 4月11日的消息，俄羅斯計劃于2021年后，為GLONASS星座補充小衛(wèi)星，名為“小 GLONASS”。 目前，GLONASS星座衛(wèi)星已有三分之二超過有效壽命期，未來幾年需要對星座進行徹底更新?！缎翯LONASS聯(lián)邦專項計劃2021—2030年構(gòu)想》中提出，研制重500 kg以下的新衛(wèi)星，衛(wèi)星將僅搭載導(dǎo)航儀器，重量為“GLONASS-M”衛(wèi)星（1.4 t）的三分之一。

1.3 Galileo完成現(xiàn)階段部署并布局二代系統(tǒng)

2018年 7月 25日，Galileo再次成功發(fā)射四顆衛(wèi)星。至此，Galileo完成組網(wǎng)，標(biāo)志著Galileo完成階段部署工作。不過，Galileo建設(shè)的步伐并未就此放緩。為了確保Galileo的連續(xù)運行，歐洲航天局（European Space Agency, ESA）已訂購了第三批12顆衛(wèi)星，準(zhǔn)備作為在軌備份和替換2011年發(fā)射的較老衛(wèi)星。目前，歐盟正在GNSS“地平線2020衛(wèi)星導(dǎo)航項目（Horizon 2020 Satellite Navigation Programme, HSNAV）”的支持下，進行第二代 Galileo的系統(tǒng)與技術(shù)開發(fā)，ESA計劃于2024年發(fā)射如圖2所示的第二代伽利略衛(wèi)星。

圖2 ESA計劃于2024年發(fā)射第二代Galileo衛(wèi)星

2020年 8月 14日，ESA要求歐洲衛(wèi)星制造商、德國不萊梅軌道高技術(shù)系統(tǒng)公司（Orbitale Hochtechnologie Bremen-System AG, OHB）、泰雷茲·阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space, TAS）與空中客車公司（Airbus Group）提交第一批伽利略第二代（Galileo second generation, G2）衛(wèi)星的投標(biāo)方案。ESA表示，G2星座最終將由 24顆運行的衛(wèi)星和 6顆備用的衛(wèi)星組成，可提供第一代Galileo衛(wèi)星的所有服務(wù)和能力，并有重大的改進以及新的服務(wù)和能力，如靈活的數(shù)字化設(shè)計、更長的設(shè)計壽命；此外，衛(wèi)星還能在軌道進行重新配置，更好地滿足用戶的需求和實際使用的需要。

2019年 5月，ESA的導(dǎo)航創(chuàng)新支持計劃（navigation innovation and support programme,NAVISP）研發(fā)項目合作伙伴公司，正在探索各種各樣的方法，重點研究衛(wèi)星導(dǎo)航信號的抗干擾和欺騙技術(shù)。主要包括GNSS干擾檢測和分析系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測所有民用GNSS信號，自動檢測、分類和定位某一特定區(qū)域內(nèi)所有的有意干擾源；開發(fā)德拉科納夫（DRACONAV）加固衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，結(jié)合硬件和軟件創(chuàng)新來對抗干擾和欺騙；創(chuàng)建一個利用軟件定義的無線電分析Galileo信號系統(tǒng)，為用戶檢驗信號是否真實或者被欺騙；評估海洋環(huán)境中多路徑和干擾對PNT信息的影響；開發(fā)先進的射頻干擾檢測、警報和分析系統(tǒng)（advanced radio frequency interference detection, alerting and analysis system, ARFIDAAS），提供更廣泛的頻譜覆蓋，搜索任何由有意或無意的干擾。NAVISP是歐洲航天局的一個項目，旨在為各成員國及其所屬行業(yè)共同開發(fā)創(chuàng)出新的天基PNT解決方案，在競爭激烈和快速發(fā)展的全球PNT市場上，為歐洲工業(yè)提供支持，同時進一步支持成員國增強其在該領(lǐng)域的能力。

2 國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展面臨的問題及發(fā)展趨勢

GNSS核心部件及軟件運行存在不穩(wěn)定性，導(dǎo)致服務(wù)中斷。當(dāng)前各國的導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出一個加速發(fā)展的趨勢。發(fā)展趨勢主要有：主要國家和區(qū)域?qū)πl(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行全面升級更新，并增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強衛(wèi)星抗毀抗干擾能力；與增強系統(tǒng)進行深度結(jié)合/耦合，提升導(dǎo)航保障能力；開發(fā)新的替代系統(tǒng)，加強自主可控性，減少對GNSS的依賴。

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的問題

2.1.1 GNSS導(dǎo)航服務(wù)穩(wěn)定性有待加強

GNSS會受到諸如星載原子鐘故障或者地面軟件運行故障等因素，影響其提供的基本導(dǎo)航服務(wù)。例如Galileo在協(xié)調(diào)世界時（coordinated universal time，UTC）2019年 7月 10日 14—15時和 17時（北京時間 7月 10日 22—23時及 7月 11日 1時），出現(xiàn)3 h的數(shù)據(jù)中斷，衛(wèi)星工作狀態(tài)、軌道、鐘差及服務(wù)性能均出現(xiàn)中斷，據(jù)專家分析，這是由于 Galileo廣播星歷沒有更新[8]，造成除了測試中的兩顆衛(wèi)星外，其余22個衛(wèi)星全數(shù)列為“無法使用”的情況，令Galileo陷入完全癱瘓狀態(tài)，使用Galileo的電子裝置均無法接收時間或定位信號。2019年7月13日，歐洲GNSS管理局（European GNSS Agency，GSA）再次發(fā)布警示，Galileo服務(wù)已全面中斷。從故障現(xiàn)象推斷可能是地面軟件運行故障造成輸入失敗引起的[8]。UTC時間2019年7月16日19時（北京時間2019年7月17日3時），Galileo終于恢復(fù)服務(wù)，各項監(jiān)測參數(shù)正常。

2.1.2 GNSS基本導(dǎo)航服務(wù)難以滿足不斷發(fā)展的用戶需求

現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身只提供基本導(dǎo)航服務(wù)。隨著用戶需求的不斷增加，行業(yè)用戶對導(dǎo)航服務(wù)性能提出了更高要求[9]。民航等生命安全領(lǐng)域用戶，對導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性要求較高，而目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身遠不能達到民航用戶的完好性要求；測繪用戶主要關(guān)心精度，精度需求從分米級到毫米級不等；以自動駕駛為代表的智能交通用戶，對精度、完好性和高精度定位的實時性均有苛刻的要求；金融、電力等政府企業(yè)用戶，對授時的安全

性要求較高等[9]?，F(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)難以在精度、完好性和高精度定位的實時性以及授時的安全性等方面滿足用戶需求，因此需要增強系統(tǒng)將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本服務(wù)的能力加以提升。衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)中的一項重要內(nèi)容，堪稱衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“能力倍增器”。通過增強系統(tǒng)的輔助，及配合GNSS的使用，可以提高GNSS的定位精度等導(dǎo)航性能，以滿足不同區(qū)域不同領(lǐng)域特殊的定位服務(wù)需求[9]。

2.1.3 GNSS抗干擾能力仍有待加強

2019年 4月，美國現(xiàn)代國防研究中心（The Center for Advanced Defense Studies, C4ADS）網(wǎng)站發(fā)布了一份報告，報告顯示，俄羅斯正在積極有針對性地使用和發(fā)展其在 GNSS欺騙能力方面的優(yōu)勢，以實現(xiàn)其戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略目標(biāo)。該報告的作者利用公開的數(shù)據(jù)和商業(yè)技術(shù)，檢測并分析了俄羅斯在克里米亞及敘利亞的 GNSS欺騙模式；他們分析了當(dāng)前俄羅斯進行 GNSS欺騙活動的不同案例，來追溯欺騙活動發(fā)生的位置和使用的系統(tǒng)；該報告審查了俄羅斯全境、被占領(lǐng)領(lǐng)土和海外軍事設(shè)施的GNSS欺騙事件，發(fā)現(xiàn)自2016年2月以來，10個地點共發(fā)生了 9 883起疑似干擾事件，影響了1 311艘民用船只的導(dǎo)航系統(tǒng)。實施GNSS干擾的工具和方法正在迅速增加，世界各地發(fā)生此類事件的頻率也在穩(wěn)步增加。對GNSS的攻擊，特別是對GPS的攻擊，在每一個戰(zhàn)場上會都構(gòu)成一種積極的、緊迫的、破壞性的戰(zhàn)略威脅。因此，無論是軍用還是民用，都對GNSS抗干擾能力提出了更高的要求。

2.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢

2.2.1 對現(xiàn)有系統(tǒng)進行全面升級更新，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強衛(wèi)星抗毀抗干擾能力

GPS現(xiàn)代化是美國為了更好地滿足軍事需要以及擴展GPS的民用市場，而對全球定位系統(tǒng)實施的一項更新計劃，通過衛(wèi)星的升級換代，控制部分的改進，體系結(jié)構(gòu)的演化，以及軟件定義的模塊化衛(wèi)星研制部署等一系列升級更新措施，增強衛(wèi)星系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定可靠性。通過不斷發(fā)射和部署GPS III衛(wèi)星，啟動GPS IIIF衛(wèi)星研制，以及提前研發(fā)導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星 NTS-3等一系列的動作，來實施現(xiàn)代化計劃，GPS的定位、導(dǎo)航和授時能力將得到進一步提高，將為美軍提供抗干擾能力更高和信號安全性更好的服務(wù)，同時可在未來作戰(zhàn)中，剝奪其他國家使用GPS的權(quán)力，加強GPS對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的支撐，增強導(dǎo)航戰(zhàn)能力，例如美軍在敘利亞戰(zhàn)場上，采取了區(qū)域信號關(guān)閉或者增強以及欺騙策略，阻止對方使用GPS或者使用欺騙GPS信號。俄羅斯將積極部署GLONASS-K2衛(wèi)星，對現(xiàn)有 GLONASS衛(wèi)星進行全面升級更新，提供導(dǎo)航系統(tǒng)定位性能。Galileo積極布局第二代Galileo的系統(tǒng)與技術(shù)開發(fā)，并重點研究衛(wèi)星導(dǎo)航信號的抗干擾和欺騙技術(shù)。

2.2.2 加大與增強系統(tǒng)深度結(jié)合/耦合力度，顯著提升導(dǎo)航應(yīng)用保障能力

目前，國外衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)主要分為星基增強系統(tǒng)（satellite based augmentation system, SBAS）和地基增強系統(tǒng)（ground based augmentation system,GBAS）兩大類[10]。星基增強系統(tǒng)如美國的廣域增強系統(tǒng)（wide area augmentation system, WAAS）、歐洲靜地軌道導(dǎo)航重疊服務(wù)（European geostationary navigation overlay service, EGNOS）和俄羅斯差分改正監(jiān)測系統(tǒng)（Russian system for differential correction and monitoring, SDCM）等[11]，地基增強系統(tǒng)如美國的局域增強系統(tǒng)（local area augmentation system，LAAS）等。這些衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)，綜合使用了各種不同增強效果的導(dǎo)航增強技術(shù)，與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行了深度結(jié)合/耦合，最終實現(xiàn)了其增強衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)性能的目的，顯著提升了導(dǎo)航應(yīng)用保障能力。

據(jù)GNSS內(nèi)參網(wǎng)站2020年5月18日報道，ESA與TAS簽訂了兩份EGNOS更新合同。第一份合同重點關(guān)注 EGNOS歐洲區(qū)域航空服務(wù)的升級，旨在提高能見度有限條件下的著陸安全性（從目前的一類盲降提高到二類盲降標(biāo)準(zhǔn)）。第二份合同重點研究將 EGNOS航空服務(wù)擴展到全球所需的相應(yīng)調(diào)整和升級，其中涉及“高級接收機自主完整性監(jiān)控（advanced receiver autonomous integrity monitoring，ARAIM）”設(shè)備以及Galileo的全球覆蓋范圍等相關(guān)問題。

近年來，全球低軌衛(wèi)星星座的蓬勃發(fā)展，為低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)的發(fā)展提供了新機遇。SpaceX的“星鏈（Starlink）”等互聯(lián)網(wǎng)星座正在積極建設(shè)部署之中。目前，美國已經(jīng)在“下一代銥星”系統(tǒng)上，實現(xiàn)了導(dǎo)航增強功能，中國航天科技集團有限公司近年發(fā)展的全球低軌衛(wèi)星移動通信與空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（即“鴻雁星座”），也將融合導(dǎo)航增強功能[9]。低軌導(dǎo)航增強與SBAS、GBAS等傳統(tǒng)的導(dǎo)航增強系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別，具有劃時代的意義，將推動衛(wèi)星導(dǎo)航增強邁向一個嶄新的時代[9]。“下一代銥星”系統(tǒng)使用了衛(wèi)星時間和位置（satellite time and location, STL）技術(shù)，該技術(shù)是美國衛(wèi)星公司（Satellites Inc.）研制、應(yīng)用低軌衛(wèi)星的一種PNT技術(shù)。STL系統(tǒng)可以用于室內(nèi)和“都市峽谷”等遮蔽區(qū)域，這一點恰恰能夠彌補GNSS基本導(dǎo)航服務(wù)性能缺陷。

2.2.3 開發(fā)新的替代系統(tǒng)，加強自主可控，減少對GNSS的依賴

盡管GPS III已于2018年12月發(fā)射了首顆衛(wèi)星，但美國國會、國防部以及工業(yè)界都對尋找GPS的備份方案保持高度興趣。2019年1月，美國國會提高了一項名為“電子與電子設(shè)備”項目的預(yù)算，旨在開展GPS的地面?zhèn)浞菹到y(tǒng)的研究。據(jù)美國太空新聞網(wǎng)2020年2月12日報道，美國總統(tǒng)特朗普2月12日簽署了一項行政指令，名為“負責(zé)任地使用PNT服務(wù)，加強國家彈性能力”，要求聯(lián)邦政府努力提升基于GPS定位導(dǎo)航授時服務(wù)的安全性和彈性。該文件將指導(dǎo)各行政部門和相關(guān)機構(gòu)，對基于GPS的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)中斷風(fēng)險進行管控，這些部門涉及智能交通、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、航空、海事等各個領(lǐng)域。美國商務(wù)部國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究部門，將負責(zé)制定PNT網(wǎng)絡(luò)安全指南，采取措施降低對GPS的依賴。美國國防部也表示，將與其它部門伙伴合作，共同降低基于GPS定位導(dǎo)航授時的服務(wù)風(fēng)險。2019年2月，俄羅斯海軍建立了新一代精密導(dǎo)航無線電系統(tǒng)（newgeneration precision navigation radio system, RNS），名為“施普魯特-恩1（Sprut-N1）”，該系統(tǒng)能確定地理位置、速度和高度，精度優(yōu)于 GLONASS和GPS。坐標(biāo)由系統(tǒng)的地面站確定，地面站向軍艦和飛機發(fā)送編碼信號，RNS將提供校正信息，以提高坐標(biāo)的精度。Sprut-N1 將與 GLONASS對接，成為其地面?zhèn)浞菹到y(tǒng)。這種集成，將升級俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。Sprut-N1將增加對軍艦、飛機和直升機的導(dǎo)航信息供應(yīng)。

3 對我國導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的啟示

通過分析國外主要國家和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展情況，分析了其面臨的問題及發(fā)展趨勢，為我國導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展提供了一定的啟示，主要有三點：

1）加快技術(shù)創(chuàng)新及新型衛(wèi)星研發(fā)，推動北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）繼續(xù)升級發(fā)展。加快技術(shù)創(chuàng)新及新型衛(wèi)星研發(fā)，保持我國 BDS-3的先進性，提前布局下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星、下一代星座設(shè)計、下一代信號體制設(shè)計、地面運控和用戶終端的關(guān)鍵技術(shù)研究。研制高性能、高穩(wěn)定性的星載原子鐘，擴展和完善 BDS-3的功能，加快建設(shè)部署B(yǎng)DS SBAS，建設(shè)導(dǎo)航增強型微納衛(wèi)星星座，突破彈性PNT構(gòu)建技術(shù)；開發(fā)具有通用接口、可重新編程的有效載荷、在軌衛(wèi)星的智能化、模塊化。提高BDS-3的抗干擾和抗毀傷能力、生存能力、可靠性、穩(wěn)定性、系統(tǒng)快速修復(fù)能力和導(dǎo)航對抗能力，提升系統(tǒng)服務(wù)性能，為 BDS-3的升級換代提供技術(shù)支撐。

2）加快實現(xiàn)導(dǎo)航通信一體化，加緊研制新型衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用裝備。加快實現(xiàn)導(dǎo)航通信一體化[12]、抗干擾能力強、自主運行的高精度導(dǎo)航系統(tǒng)，建設(shè)類似SpaceX的Starlink星鏈網(wǎng)絡(luò)，利用大量低軌衛(wèi)星進行導(dǎo)航增強，實現(xiàn)衛(wèi)星星座通信、導(dǎo)航、遙感等能力的高度融合。實現(xiàn)基于BDS的多系統(tǒng)融合的天基綜合信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，為多用戶提供靈活接入能力，為其它空間飛行器提供精密測定軌、指控指令分發(fā)、信息中繼分發(fā)，滿足高精度與一般導(dǎo)航用戶的PNT需求。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)生存方面，隨著各國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的能力大幅提升，未來的導(dǎo)航對抗將更加激烈，BDS設(shè)備抗干擾能力在某些方面與 GPS用戶設(shè)備相比，仍存在一定差距，需要加緊研制體積更小、功耗更低、M碼接收/發(fā)送能力更強、抗干擾和防欺騙性能更優(yōu)的和芯片/模塊[13]，實現(xiàn)軟件定義等更高性能的新型衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)備，推動BDS應(yīng)用向各個級別、各個方面深入發(fā)展，滿足不斷增長的各種需求。

3）加快形成全源融合導(dǎo)航能力，形成PNT服務(wù)的技術(shù)體系。加快形成全源融合導(dǎo)航能力，增強導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，積極發(fā)展不依賴BDS的高精度 PNT技術(shù)與手段，以便在BDS無法提供滿足需求的高精度PNT服務(wù)時，填補BDS的能力缺口，提供穩(wěn)定可靠的高精度PNT服務(wù)能力。全源融合導(dǎo)航可基于衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性、視覺、天文、重磁導(dǎo)航等組合導(dǎo)航技術(shù)，形成集無線電、慣性、視覺、天文、重力和磁力導(dǎo)航于一體的全源導(dǎo)航能力。具備在復(fù)雜對抗環(huán)境下，提供精準(zhǔn)可靠、連續(xù)穩(wěn)定的PNT服務(wù)能力。重點突破全源融合導(dǎo)航的體系架構(gòu)設(shè)計和多源融合導(dǎo)航算法，開展深空、地面、水下、室內(nèi)等導(dǎo)航定位導(dǎo)航授時體系建設(shè)，以及微型定位導(dǎo)航授時終端的建設(shè)，初步建成基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家PNT體系。開展PNT服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在量子導(dǎo)航、偏振光導(dǎo)航技術(shù)、光流導(dǎo)航技術(shù)、隨機信號導(dǎo)航技術(shù)、對抗環(huán)境下的空間時間與方向信息（space，time and orientation in confrontation,STOC）技術(shù)等先進導(dǎo)航技術(shù)方面取得重大突破，建成基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家PNT體系。

4 結(jié)束語

世界各國都在加緊實施自身的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)計劃，預(yù)計到 2022年，將有 120余顆導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運行，屆時可以利用多個GNSS進行導(dǎo)航定位服務(wù)；此外，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻率資源日趨緊張，為了謀求共同利益，保證對用戶的服務(wù)質(zhì)量，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間加強兼容和互操作是不可避免的。與此同時，各國也在加緊進行導(dǎo)航對抗研究。目前BDS-3已全面建成，正式提供全球服務(wù)。積極跟蹤國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展情況及發(fā)展趨勢，為我國導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)提供參考意見和建議，追趕并超越世界導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展步伐具有重要意義。