2021年國(guó)外導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展綜述

武珺 劉春保 李俊博（北京空間科技信息研究所）

2021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4顆。其中，美國(guó)成功發(fā)射全球定位系統(tǒng)—3（GPS—3）衛(wèi)星1顆；歐洲“一箭雙星”成功發(fā)射改進(jìn)型“伽利略-全運(yùn)行能力”（GALILEO—FOC）衛(wèi)星2顆；日本成功發(fā)射“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）首星替代星1顆，即準(zhǔn)天頂衛(wèi)星—1R （QZS—1R）；其他國(guó)家未進(jìn)行導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射。

截至2021年12月，國(guó)外在軌運(yùn)行并提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星86顆，其中，美國(guó)GPS系統(tǒng)30顆，俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)23顆，歐洲“伽利略”（GALILEO）系統(tǒng)22顆，日本“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”4顆，“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）7顆。

整體層面，美國(guó)、俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入換代發(fā)展階段；歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)計(jì)于2022年完成第一代系統(tǒng)的全面部署。

1 美國(guó)—政策與系統(tǒng)建設(shè)協(xié)同推進(jìn)，效能、效益高效發(fā)揮

2021年，在政策指導(dǎo)層面，美國(guó)發(fā)布《航天政策7號(hào)令》（SPD—7），即2021版《美國(guó)天基定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）政策》，強(qiáng)調(diào)美國(guó)必須不斷地改進(jìn)和維護(hù)GPS及其增強(qiáng)系統(tǒng)，增強(qiáng)其補(bǔ)充備用能力，提升PNT服務(wù)彈性，以滿足其軍事、民用、商業(yè)及科學(xué)發(fā)展訴求。

在系統(tǒng)建設(shè)層面，美國(guó)在持續(xù)保持GPS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，持續(xù)推進(jìn)GPS—3系列新衛(wèi)星的發(fā)射、在軌測(cè)試與部署，于6月17日成功發(fā)射第5顆GPS—3衛(wèi)星，該星未來(lái)服役后，將使GPS空間段支持播發(fā)M碼信號(hào)的數(shù)量達(dá)到全球基線部署數(shù)量（24顆）；11月，美國(guó)天軍授予洛馬公司（LM）7.37億美元用以訂購(gòu)第5、6、7顆GPS—3F衛(wèi)星；GPS系統(tǒng)地面段方面，美國(guó)天軍于4月底授出價(jià)值2.28億美元的GPS下一代運(yùn)行控制系統(tǒng)后續(xù)合同OCX 3F，用于OCX Block 1和2系統(tǒng)再升級(jí)，使其與未來(lái)系統(tǒng)空間段GPS—3F衛(wèi)星功能相適配。

在天基導(dǎo)航前沿技術(shù)層面，導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星—3（NTS—3）所需的衛(wèi)星平臺(tái)ESPAStar—D已經(jīng)完成交付，但因空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）需要更多時(shí)間開(kāi)展地面測(cè)試等原因，將原定于2022年的發(fā)射時(shí)間推遲至2023年；美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）深空原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定度創(chuàng)空間原子鐘指標(biāo)新紀(jì)錄，23天時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)穩(wěn)可達(dá)3×10，相關(guān)技術(shù)有望用于提升未來(lái)GPS星鐘技術(shù)指標(biāo)與服務(wù)能力；此外，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)研究成為領(lǐng)域熱點(diǎn)之一。

發(fā)布新版《美國(guó)天基定位導(dǎo)航與授時(shí)政策》，定位全球“領(lǐng)導(dǎo)地位”

2021年1月15日，美國(guó)前總統(tǒng)唐納德·特朗普在卸任前5天發(fā)布《航天政策7號(hào)令》。該政策體現(xiàn)了美國(guó)對(duì)PNT服務(wù)可用性、可靠性與穩(wěn)健性要求的提高，以及對(duì)“導(dǎo)航戰(zhàn)”能力的高度重視；強(qiáng)調(diào)了負(fù)責(zé)任地使用PNT，構(gòu)建PNT彈性，保障關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行安全；還首次將網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題寫(xiě)入《航天政策7號(hào)令》，強(qiáng)調(diào)保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行、管理與應(yīng)用安全的重要性。該政策取代了2004版《美國(guó)天基定位導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）政策》，將對(duì)美國(guó)天基PNT系統(tǒng)、國(guó)家PNT體系，以及PNT關(guān)鍵技術(shù)、能力等的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

星座現(xiàn)代化推進(jìn)順利，成功發(fā)射第5顆GPS—3衛(wèi)星

2021年6月17日，第5顆GPS—3衛(wèi)星由太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹—9（Falcon—9）成功發(fā)射。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，裝備新型脈沖光抽運(yùn)銫束鐘使得時(shí)間系統(tǒng)精度得到有效提升，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。

GPS—3衛(wèi)星在軌示意圖（來(lái)源：LM）

第5顆GPS—3衛(wèi)星將來(lái)投入運(yùn)行后，將使得GPS星座中支持M碼播發(fā)的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到24顆，這對(duì)美軍在全球范圍內(nèi)、復(fù)雜環(huán)境中可靠獲取天基定位、導(dǎo)航與授時(shí)信息具有里程碑意義。未來(lái)，美國(guó)計(jì)劃于2026年前完成全部10顆GPS—3衛(wèi)星的發(fā)射與部署，提升GPS系統(tǒng)軍事與民用服務(wù)的整體能力與競(jìng)爭(zhēng)力。

2 歐洲—回歸全運(yùn)行能力衛(wèi)星組網(wǎng)征途，開(kāi)啟“下一代伽利略”系統(tǒng)研發(fā)

2021年，在管理機(jī)構(gòu)變更層面，成立了新的歐盟太空機(jī)構(gòu)“歐盟航天計(jì)劃管理局”（EUSPA），負(fù)責(zé)管理“伽利略”系統(tǒng)、“哥白尼”（Copernicus）地球觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)等的使用及市場(chǎng)的發(fā)展，并在確保所有方案安全性方面發(fā)揮更大作用。

在系統(tǒng)建設(shè)層面，歐盟自2019年“伽利略”系統(tǒng)大面積故障以來(lái)首次恢復(fù)導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射，借助聯(lián)盟運(yùn)載火箭以“一箭雙星”方式發(fā)射2顆GALILEO—FOC衛(wèi)星；此外，歐洲航天局（ESA）分別與空中客車防務(wù)與航天公司（ADS）、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）簽訂第一批“下一代伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星（G2）的制造合同，兩家公司分別制造6顆G2衛(wèi)星，合同總價(jià)格14.7億歐元。

天基導(dǎo)航前沿技術(shù)方面，ESA開(kāi)啟了G2衛(wèi)星有效載荷測(cè)試相關(guān)工作，驗(yàn)證G2的設(shè)計(jì)理念，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，為G2初步設(shè)計(jì)審查提供支持；此外，ESA簽署了12顆G2衛(wèi)星及星載原子鐘的研發(fā)合同。

再啟衛(wèi)星發(fā)射，全力推進(jìn)“伽利略”系統(tǒng)全運(yùn)行能力建設(shè)

早在2017年，“伽利略”系統(tǒng)就遭遇了原子鐘癱瘓問(wèn)題；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(guò)140h；2020年12月14日，歐洲“伽利略”系統(tǒng)服務(wù)中斷6h。這一系列事件使得ESA愈發(fā)重視其衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)故障排查、導(dǎo)航衛(wèi)星前沿技術(shù)的研發(fā)與驗(yàn)證。

GALILEO—FOC衛(wèi)星在軌示意圖（來(lái)源：ESA）

2021年12月5日， 伽 利 略 —27、28（GALILEO—27、28）導(dǎo)航衛(wèi)星由聯(lián)盟號(hào)（Soyuz）運(yùn)載火箭搭載從法屬圭亞那航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射。此次發(fā)射是“伽利略”空間星座第一代衛(wèi)星第三批次共計(jì)12顆衛(wèi)星中的前2顆，該批次是星座現(xiàn)有GALILEO—FOC的改進(jìn)版本，衛(wèi)星質(zhì)量約為715kg，設(shè)計(jì)壽命12年，總承包商為德國(guó)不萊梅軌道高技術(shù)公司（OHB）。

授出G2衛(wèi)星研制合同，積極布局系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展

ESA于2020年啟動(dòng)第一批（共計(jì)12顆）G2衛(wèi)星的招標(biāo)活動(dòng)，同時(shí)將升級(jí)地面運(yùn)控系統(tǒng)。ESA于2021年2月和5月分別與泰雷茲-阿萊尼亞航天公司以及空中客車防務(wù)與航天公司簽署了價(jià)值7.7億歐元和7億歐元的“下一代伽利略”衛(wèi)星的研發(fā)合同，兩家公司分別研制6顆G2衛(wèi)星。合同涉及新一代伽利略衛(wèi)星的部署，首批衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2025年發(fā)射，數(shù)字化、在軌重構(gòu)將成為其發(fā)展重點(diǎn)，同時(shí)集成先進(jìn)原子鐘及全電推進(jìn)系統(tǒng)，具備星間鏈路功能。

此外，歐盟“伽利略”系統(tǒng)G2衛(wèi)星的硬件測(cè)試已開(kāi)啟，測(cè)試活動(dòng)的目標(biāo)是驗(yàn)證G2的設(shè)計(jì)理念，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果將為G2初步設(shè)計(jì)審查提供支持。

3 俄羅斯—以格洛納斯—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)

近年來(lái)，俄羅斯已經(jīng)基本完成了GLONASS-K系列衛(wèi)星的研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化任務(wù)，并于2020年底宣布“啟動(dòng)利用GLONASS-K系列衛(wèi)星進(jìn)行系統(tǒng)空間星座的全面更新”，但受新冠疫情等多方面因素的影響，2021年未能發(fā)射、部署GLONASS-K系列衛(wèi)星。

GLONASS—K1衛(wèi)星在軌示意圖（來(lái)源：Sputnik）

“格洛納斯”系統(tǒng)星座現(xiàn)代化愿景良好，但建設(shè)速度慢于預(yù)期進(jìn)度

截至2021年12月31日，“格洛納斯”系統(tǒng)在軌衛(wèi)星25顆，包括23顆GLONASS—M衛(wèi)星和2顆GLONASS—K1衛(wèi)星，其中提供導(dǎo)航服務(wù)衛(wèi)星23顆（22顆GLONASS—M衛(wèi)星和1顆GLONASS—K1衛(wèi)星），另有1顆處于在軌測(cè)試狀態(tài)，1顆暫時(shí)退出星座。

俄羅斯計(jì)劃2025年前完成星座的全面更新、升級(jí)，即用GLONASS—K系列衛(wèi)星全面替換GLONASS—M型衛(wèi)星，2030年將全面建成由GLONASS-K2衛(wèi)星組成的空間星座。GLONASS—K系列衛(wèi)星將進(jìn)一步改善服務(wù)性能，提高衛(wèi)星壽命，降低系統(tǒng)維護(hù)成本，同時(shí)，碼分多址信號(hào)的增加，可增強(qiáng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性與互操作性，有利于“格洛納斯”系統(tǒng)融入全球衛(wèi)星導(dǎo)航體系，同時(shí)有益于“格洛納斯”系統(tǒng)空間星座衛(wèi)星數(shù)量的擴(kuò)展。當(dāng)前，俄羅斯首顆GLONASS—K2衛(wèi)星已經(jīng)組裝完畢，正接受一系列機(jī)械、熱真空測(cè)試，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2022年發(fā)射。

4 日本與印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

2021年，日本成功發(fā)射QZS—1R衛(wèi)星，用以替換“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”空間段即將到期的首顆衛(wèi)星QZS—1，維持星座服務(wù)的狀態(tài)。自2018年“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”投入初始運(yùn)行并提供服務(wù)以來(lái)，日本積極推進(jìn)“準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”的軍事應(yīng)用，在衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)、導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)載荷搭載等方面加強(qiáng)與美國(guó)的合作，提升自身天基導(dǎo)航、態(tài)勢(shì)感知等方面的能力。日本計(jì)劃在2023年完成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)，而獲得獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航能力。

2021年，印度維持了其“區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”的穩(wěn)定運(yùn)行；發(fā)布了《2021印度衛(wèi)星導(dǎo)航政策》來(lái)指導(dǎo)政府組織有效開(kāi)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。該政策指出，在衛(wèi)星導(dǎo)航和星基增強(qiáng)服務(wù)方面實(shí)現(xiàn)自力更生，重點(diǎn)是保障質(zhì)量和可用性，提高使用率，促進(jìn)服務(wù)和研發(fā)水平持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，主要航天國(guó)家積極推進(jìn)自身衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級(jí)、星座更新工作不斷取得進(jìn)展；與此同時(shí)，美、歐、俄均加強(qiáng)導(dǎo)航、時(shí)頻領(lǐng)域前沿顛覆性技術(shù)的培育，促進(jìn)技術(shù)發(fā)展與能力生成。另一方面，多系統(tǒng)競(jìng)合博弈格局已經(jīng)形成，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)的全球競(jìng)爭(zhēng)將更趨激烈。

面向未來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能的進(jìn)一步提升、導(dǎo)航戰(zhàn)能力的增強(qiáng)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。前者隨著以涉及生命安全的全球智能應(yīng)用為代表的需求越來(lái)越強(qiáng)烈而顯得愈發(fā)重要；后者則始終是保障國(guó)家總體安全的重要基石與抓手。