2022年國(guó)外導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展綜述

武珺 王韻涵 張祎蓮 畢俊凱 （北京空間科技信息研究所）

2022年，國(guó)外共進(jìn)行3 次導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射活動(dòng)，均獲成功，發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星3 顆，均屬俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星，其中，2 顆GLONASS-K1 衛(wèi)星，1 顆GLONASS-M 衛(wèi)星；其他國(guó)家未進(jìn)行導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射。

截至2022年底，國(guó)外在軌導(dǎo)航衛(wèi)星98 顆；在軌運(yùn)行并提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星90 顆，其中，美國(guó)“全球定位系統(tǒng)”（GPS）31 顆，俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)23 顆，歐洲“伽利略”（GALILEO）系統(tǒng)24 顆，日本“準(zhǔn)天頂”（QZSS）系統(tǒng)5 顆，“印度導(dǎo)航星座”1（NavIC）7 顆衛(wèi)星。

1 2022年衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展概況

美國(guó)在持續(xù)保持GPS 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，在GPS 系統(tǒng)現(xiàn)代化框架下持續(xù)推進(jìn)系統(tǒng)第三代衛(wèi)星的發(fā)射、在軌測(cè)試與部署，年內(nèi)新服役GPS-3 衛(wèi)星1 顆；美國(guó)已確定在2023年通過(guò)代號(hào)為USSF-106任務(wù)發(fā)射導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星-3（NTS-3），測(cè)試天基導(dǎo)航前沿技術(shù)。此外，美國(guó)航天創(chuàng)企在利用低軌衛(wèi)星提供導(dǎo)航服務(wù)領(lǐng)域積極探索前行。

歐盟當(dāng)前以推進(jìn)“伽利略”星座全運(yùn)行能力衛(wèi)星（GALILEO-FOC）組網(wǎng)向全面部署、全面服務(wù)方向發(fā)展；與此同時(shí)，緊密開展“伽利略”系統(tǒng)第二代導(dǎo)航衛(wèi)星的研發(fā)、測(cè)試；面向中長(zhǎng)期，在鞏固“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GNSS）發(fā)展基礎(chǔ)——大地參考框架的同時(shí)，探索低軌導(dǎo)航技術(shù)，以及為月球及周邊提供通信導(dǎo)航服務(wù)相關(guān)技術(shù)。

俄羅斯在當(dāng)前一個(gè)階段，以GLONASS-K 系列衛(wèi)星的研發(fā)部署及導(dǎo)航衛(wèi)星關(guān)鍵器部件的完全國(guó)產(chǎn)化為主要任務(wù)，同時(shí)兼顧高軌導(dǎo)航衛(wèi)星的研發(fā)。在采用碼分多址信號(hào)的GLONASS-K 系列衛(wèi)星研發(fā)完成后，俄羅斯啟動(dòng)了星座的全面更新計(jì)劃。2022年，俄羅斯發(fā)射了2 顆GLONASS-K1 衛(wèi)星和1 顆GLONASS-M 衛(wèi)星，其首顆GLONASS-K2 衛(wèi)星已推遲至2023年發(fā)射。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)代化升級(jí)，星座更新工作持續(xù)推進(jìn)

GPS 系統(tǒng)空間段當(dāng)前已初步具備全球范圍播發(fā)M 碼的能力

美國(guó)2021年6月17日發(fā)射的第5 顆GPS-3 衛(wèi)星已于2022年5月25日正式提供導(dǎo)航服務(wù)，該星的正式入役標(biāo)志著GPS 星座中支持播發(fā)M 碼（抗干擾能力更強(qiáng)）的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到24 顆，GPS 系統(tǒng)太空段初步具備全球范圍播發(fā)M 碼的能力。此外，與GPS-2F 衛(wèi)星相比，GPS-3 衛(wèi)星增加了互操作信號(hào)L1C，增加搜索與救援功能，GPS-3 衛(wèi)星搭載的新型脈沖光抽運(yùn)銫束鐘使得星載時(shí)間系統(tǒng)（1 部脈沖光抽運(yùn)銫束鐘、3 部改進(jìn)型磁選態(tài)銣原子鐘，頻穩(wěn)可達(dá)10-15量級(jí)）精度有效提升，有效載荷數(shù)字化率達(dá)到70%，有效提高了導(dǎo)航信號(hào)的精度，此外，GPS-3 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)抗干擾能力是原先的8 倍，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命增加至15年。

“伽利略”系統(tǒng)第一代第三批次衛(wèi)星測(cè)試基本完成，第二代衛(wèi)星有效載荷測(cè)試取得階段性進(jìn)展

當(dāng)前，歐洲空間研究與技術(shù)中心（ESTEC）已完成“伽利略”系統(tǒng)第一代第三批次衛(wèi)星測(cè)試任務(wù)，該批次總計(jì)12 顆GALILEO-FOC 衛(wèi)星，2021年底完成前2 顆衛(wèi)星的發(fā)射。歐盟原計(jì)劃2022年進(jìn)行3次導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射，努力使“伽利略”星座達(dá)到全運(yùn)行能力狀態(tài)，隨后繼續(xù)發(fā)射其余第三批次的衛(wèi)星，最終完成第一代星座的部署。當(dāng)前，歐洲阿里安-6（Ariane-6）運(yùn)載火箭尚未到位，其又因俄烏沖突自身立場(chǎng)問(wèn)題無(wú)法使用俄羅斯聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射衛(wèi)星，因此相關(guān)計(jì)劃進(jìn)度一推再推?！百だ浴毕到y(tǒng)第二代衛(wèi)星主承包商泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）以及空客防務(wù)與航天公司（Airbus）當(dāng)前分別對(duì)系統(tǒng)第二代（G2）衛(wèi)星有效載荷測(cè)試版本開展測(cè)試。2022年3月，空客防務(wù)與航天公司已成功完成其承研的G2 衛(wèi)星的初步設(shè)計(jì)評(píng)審（PDR）工作。據(jù)悉，第二代伽利略衛(wèi)星每顆質(zhì)量約2.3t，設(shè)計(jì)壽命約為15年。未來(lái)，“伽利略”星座在繼續(xù)部署完第一代第三批次剩余10 顆衛(wèi)星后，開啟信號(hào)功率增強(qiáng)與全數(shù)字化有效載荷的第二代衛(wèi)星的部署。

俄羅斯克服美西方電子元器件禁運(yùn)不利影響，繼2020年后再啟GLONASS—K 系列衛(wèi)星發(fā)射

俄羅斯于2022年7月和10月成功發(fā)射2 顆GLONASS-K1 衛(wèi)星，這是俄羅斯K 系列的第4 和第5 顆衛(wèi)星；而此前第1 ～3 顆GLONASS-K1 衛(wèi)星分別于2011年、2014年、2020年發(fā)射，俄羅斯在逆境中推動(dòng)星座現(xiàn)代化建設(shè)，說(shuō)明其衛(wèi)星器部件國(guó)產(chǎn)化工作在一定程度上取得進(jìn)步，此前，俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星器部件國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)為本土衛(wèi)星制造企業(yè)采取措施確保進(jìn)口電子元件占比從2014年的50%下降至2025年的12%，并且從2026年起實(shí)現(xiàn)GLONASS-K2 衛(wèi)星零部件百分之百國(guó)產(chǎn)化。此外，俄羅斯2022年11月成功發(fā)射其M 系列最后一顆GLONASS-M 衛(wèi)星；原計(jì)劃于2021年第四季度發(fā)射的首顆GLONASS-K2衛(wèi)星已推遲至2023年發(fā)射。

區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有擴(kuò)展星座規(guī)模的趨勢(shì)

2021年日本發(fā)射了QZS-1R 衛(wèi)星，用于替代“準(zhǔn)天頂”衛(wèi)星系統(tǒng)首顆衛(wèi)星QZS-1（即將到期），2022年QZS-1R 通過(guò)在軌驗(yàn)證，并正式開啟導(dǎo)航服務(wù)，維持了星座的穩(wěn)定運(yùn)行。自2018年“準(zhǔn)天頂”系統(tǒng)投入初始運(yùn)行并提供服務(wù)以來(lái)，日本積極推進(jìn)QZSS 系統(tǒng)的軍事應(yīng)用，在衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)、衛(wèi)星平臺(tái)載荷搭載等方面積極與美國(guó)合作，提升自身天基導(dǎo)航、態(tài)勢(shì)感知等方面的能力。未來(lái)發(fā)射的QZS 衛(wèi)星將搭載美軍態(tài)勢(shì)感知載荷。日本計(jì)劃在2023 ～2024年間形成7 顆衛(wèi)星的工作體系，屆時(shí)可完全不再依靠美國(guó)GPS 系統(tǒng)，獲得獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航能力。

2022年，印度維持了其區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)NavIC 的穩(wěn)定運(yùn)行；其基于2021年草擬的《2021 印度衛(wèi)星導(dǎo)航政策》來(lái)指導(dǎo)政府組織有效開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)自主控制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)，并拓展應(yīng)用。印度空間研究組織未來(lái)計(jì)劃：①使NavIC 系統(tǒng)支持目前世界民用導(dǎo)航應(yīng)用最廣泛的L1 頻段，該系統(tǒng)目前僅與L5 和S 頻段兼容，不利于民用領(lǐng)域服務(wù)拓展；②發(fā)射5 顆新衛(wèi)星取代星座中的老舊衛(wèi)星；③進(jìn)一步發(fā)射中軌衛(wèi)星，擴(kuò)大當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋及服務(wù)范圍。

3 低軌星座提供導(dǎo)航服務(wù)應(yīng)用前景愈發(fā)受到重視

低軌星座具有地面接收信號(hào)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，對(duì)增強(qiáng)當(dāng)前導(dǎo)航服務(wù)的精度、完好性、連續(xù)性和可用性具有顯著優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)之一。

美國(guó)創(chuàng)企在低軌導(dǎo)航技術(shù)驗(yàn)證方面再度邁出新步伐

2022年5月，美國(guó)Xona 太空系統(tǒng)公司（Xona Space Systems）“ 休 津”（Huginn） 演 示 驗(yàn) 證衛(wèi)星由太空探索技術(shù)公司（SpaceX）運(yùn)輸者-5（Transporter-5）火箭拼車任務(wù)成功發(fā)射?！靶萁颉毙l(wèi)星旨在測(cè)試和驗(yàn)證Xona 公司為未來(lái)商業(yè)導(dǎo)航星座開發(fā)的軟硬件技術(shù)，并對(duì)地面系統(tǒng)及用戶設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。8月，Xona 公司為其擬建設(shè)的低軌導(dǎo)航星座籌集了約1500 萬(wàn)美元資金，其中包括來(lái)自GPS 衛(wèi)星制造商洛馬公司（LM）風(fēng)險(xiǎn)投資部門的資金；至此，Xona 公司籌資總金額超2500 萬(wàn)美元。該公司計(jì)劃自2023年起部署一個(gè)由300 顆小衛(wèi)星構(gòu)成的低軌導(dǎo)航星座，為授權(quán)用戶提供加密、高精度的PNT 服務(wù)。

Xona 團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到第二次演示任務(wù)“霧尼”（Muninn）以及導(dǎo)航星座第一階段的系統(tǒng)開發(fā)上。Huginn 與計(jì)劃于2023年發(fā)射的第2 顆“霧尼”衛(wèi)星均屬內(nèi)部研制，公司尚未明確未來(lái)衛(wèi)星生產(chǎn)業(yè)務(wù)是否外包。

ESA 擬開展低軌導(dǎo)航在軌演示驗(yàn)證，以探索多層衛(wèi)星提供導(dǎo)航服務(wù)的潛力

歐洲航天局（ESA）下轄導(dǎo)航管理機(jī)構(gòu)計(jì)劃在近地軌道開展衛(wèi)星導(dǎo)航在軌演示驗(yàn)證，以補(bǔ)充“伽利略”系統(tǒng)能力，探索多層衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的方法。該計(jì)劃欲在軌構(gòu)建至少由6 顆衛(wèi)星組成的初始小型星座，類似“伽利略”在軌驗(yàn)證元素（GIOVE）衛(wèi)星，以測(cè)試信號(hào)、頻帶等相關(guān)技術(shù)，為“伽利略”系統(tǒng)發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)，星座中單星質(zhì)量低于70kg。目前，自動(dòng)駕駛汽車、船舶或無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、智能城市或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)定位的要求正在從米級(jí)增長(zhǎng)到厘米級(jí)，甚至更精確，對(duì)導(dǎo)航信號(hào)可靠性和服務(wù)連續(xù)性提出了更高的要求。該計(jì)劃由歐洲航天局未來(lái)導(dǎo)航計(jì)劃支持。

4 技術(shù)創(chuàng)新與突破是未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航能力發(fā)展的關(guān)鍵

美國(guó)計(jì)劃2023年發(fā)射導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星—3，核驗(yàn)包含信號(hào)功率增強(qiáng)等技術(shù)在內(nèi)的多項(xiàng)技術(shù)

NTS-3 是美軍主導(dǎo)的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)先導(dǎo)項(xiàng)目，入選美空軍“先鋒”計(jì)劃。通過(guò)研發(fā)并測(cè)試先進(jìn)天基導(dǎo)航技術(shù)，助力當(dāng)前GPS-3 衛(wèi)星向未來(lái)GPS-3F 型號(hào)順利過(guò)渡。根據(jù)最新計(jì)劃安排，美天軍將在2023年內(nèi)通過(guò)代號(hào)為USSF-106任務(wù)發(fā)射NTS-3衛(wèi)星。據(jù)悉，NTS-3 將在地球同步軌道開展為期1年的在軌試驗(yàn)，測(cè)試PNT 信號(hào)和架構(gòu)、地面控制系統(tǒng)以及軟件定義的用戶接收機(jī)，其中可重新編程是試驗(yàn)重點(diǎn)之一。

此外，美軍還將通過(guò)NTS-3 評(píng)估多軌道PNT 架構(gòu)的潛在優(yōu)勢(shì)。目前，NTS-3 衛(wèi)星正在佛羅里達(dá)州棕櫚灣L3 哈里斯（L3Harris）工廠基于諾格公司（NG）ESPAStar 衛(wèi)星平臺(tái)開展有效載荷集成工作。

歐洲航天局部長(zhǎng)級(jí)理事會(huì)批準(zhǔn)3.51 億歐元撥款，布局未來(lái)3年天基導(dǎo)航新技術(shù)研發(fā)

歐洲航天局部長(zhǎng)級(jí)理事會(huì)于2022年末批準(zhǔn)了3.51 億歐元（約合3.64 億美元）撥款，用于支持ESA 多項(xiàng)衛(wèi)星導(dǎo)航項(xiàng)目，以增強(qiáng)未來(lái)“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)能力，并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航服務(wù)向月球探索的拓展。支撐新技術(shù)開發(fā)的項(xiàng)目包括：①“未來(lái)導(dǎo)航”（FutureNAV）計(jì)劃，包括用于導(dǎo)航和地球科學(xué)應(yīng)用國(guó)際地面參考框架的“起源”（GENESIS）計(jì)劃，測(cè)試低地球軌道衛(wèi)星導(dǎo)航星座關(guān)鍵技術(shù)的“低軌導(dǎo)航定位授時(shí)”（LEO-PNT）計(jì)劃；②“月光”（Moonlight）計(jì)劃，旨在為月球及周邊提供通信導(dǎo)航服務(wù)探索新技術(shù)，當(dāng)前，ESA 即將結(jié)束“月光”計(jì)劃第一階段任務(wù)，準(zhǔn)備立即發(fā)布第二階段的提案請(qǐng)求；③“導(dǎo)航創(chuàng)新和支持”（NAVISP）計(jì)劃，主要支持包括自動(dòng)駕駛在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)與服務(wù)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，衛(wèi)星導(dǎo)航能力快速發(fā)展，應(yīng)用更加普遍。世界主要航天國(guó)家重點(diǎn)圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)所提供定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）服務(wù)性能的提升以及體系彈性的增強(qiáng)，開展系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)、技術(shù)研發(fā)、能力升級(jí)等工作。展望2023年，全球?qū)Ш叫l(wèi)星發(fā)射、部署活動(dòng)的熱度預(yù)計(jì)將高于2022年，主要驅(qū)動(dòng)因素為美國(guó)GPS-3 衛(wèi)星的持續(xù)發(fā)射，俄羅斯GLONASS-K 系列衛(wèi)星的發(fā)射，日本及印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座規(guī)模的拓展，此外，歐盟“伽利略”系統(tǒng)全運(yùn)行能力衛(wèi)星后續(xù)組網(wǎng)技術(shù)能否繼續(xù)實(shí)施取決于歐洲阿里安-6 火箭的運(yùn)載支持能否到位。