2021年国外导航卫星系统发展综述

2022-03-15武珺刘春保李俊博北京空间科技信息研究所

国际太空 2022年2期

武珺刘春保李俊博（北京空间科技信息研究所）

2021年，国外共进行3次导航卫星发射活动，均获成功，发射导航卫星4颗。其中，美国成功发射全球定位系统—3（GPS—3）卫星1颗；欧洲“一箭双星”成功发射改进型“伽利略-全运行能力”（GALILEO—FOC）卫星2颗；日本成功发射“准天顶卫星系统”（QZSS）首星替代星1颗，即准天顶卫星—1R （QZS—1R）；其他国家未进行导航卫星发射。

截至2021年12月，国外在轨运行并提供导航服务的卫星86颗，其中，美国GPS系统30颗，俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）系统23颗，欧洲“伽利略”（GALILEO）系统22颗，日本“准天顶卫星系统”4颗，“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）7颗。

整体层面，美国、俄罗斯卫星导航系统进入换代发展阶段；欧洲卫星导航系统预计于2022年完成第一代系统的全面部署。

1 美国—政策与系统建设协同推进，效能、效益高效发挥

2021年，在政策指导层面，美国发布《航天政策7号令》（SPD—7），即2021版《美国天基定位、导航与授时（PNT）政策》，强调美国必须不断地改进和维护GPS及其增强系统，增强其补充备用能力，提升PNT服务弹性，以满足其军事、民用、商业及科学发展诉求。

在系统建设层面，美国在持续保持GPS系统稳定运行的基础上，持续推进GPS—3系列新卫星的发射、在轨测试与部署，于6月17日成功发射第5颗GPS—3卫星，该星未来服役后，将使GPS空间段支持播发M码信号的数量达到全球基线部署数量（24颗）；11月，美国天军授予洛马公司（LM）7.37亿美元用以订购第5、6、7颗GPS—3F卫星；GPS系统地面段方面，美国天军于4月底授出价值2.28亿美元的GPS下一代运行控制系统后续合同OCX 3F，用于OCX Block 1和2系统再升级，使其与未来系统空间段GPS—3F卫星功能相适配。

在天基导航前沿技术层面，导航技术卫星—3（NTS—3）所需的卫星平台ESPAStar—D已经完成交付，但因空军实验室（AFRL）需要更多时间开展地面测试等原因，将原定于2022年的发射时间推迟至2023年；美国国家航空航天局（NASA）深空原子钟的长期稳定度创空间原子钟指标新纪录，23天时长长稳可达3×10，相关技术有望用于提升未来GPS星钟技术指标与服务能力；此外，低轨卫星导航技术相关研究成为领域热点之一。

发布新版《美国天基定位导航与授时政策》，定位全球“领导地位”

2021年1月15日，美国前总统唐纳德·特朗普在卸任前5天发布《航天政策7号令》。该政策体现了美国对PNT服务可用性、可靠性与稳健性要求的提高，以及对“导航战”能力的高度重视；强调了负责任地使用PNT，构建PNT弹性，保障关键基础设施运行安全；还首次将网络安全问题写入《航天政策7号令》，强调保证卫星导航系统运行、管理与应用安全的重要性。该政策取代了2004版《美国天基定位导航与授时（PNT）政策》，将对美国天基PNT系统、国家PNT体系，以及PNT关键技术、能力等的发展产生重大影响。

星座现代化推进顺利，成功发射第5颗GPS—3卫星

2021年6月17日，第5颗GPS—3卫星由太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰—9（Falcon—9）成功发射。与GPS—2F卫星相比，GPS—3卫星增加了互操作信号L1C，增加搜索与救援功能，装备新型脉冲光抽运铯束钟使得时间系统精度得到有效提升，有效载荷数字化率达到70%，有效提高了导航信号的精度。

GPS—3卫星在轨示意图（来源：LM）

第5颗GPS—3卫星将来投入运行后，将使得GPS星座中支持M码播发的卫星数量达到24颗，这对美军在全球范围内、复杂环境中可靠获取天基定位、导航与授时信息具有里程碑意义。未来，美国计划于2026年前完成全部10颗GPS—3卫星的发射与部署，提升GPS系统军事与民用服务的整体能力与竞争力。

2 欧洲—回归全运行能力卫星组网征途，开启“下一代伽利略”系统研发

2021年，在管理机构变更层面，成立了新的欧盟太空机构“欧盟航天计划管理局”（EUSPA），负责管理“伽利略”系统、“哥白尼”（Copernicus）地球观测卫星系统等的使用及市场的发展，并在确保所有方案安全性方面发挥更大作用。

在系统建设层面，欧盟自2019年“伽利略”系统大面积故障以来首次恢复导航卫星的发射，借助联盟运载火箭以“一箭双星”方式发射2颗GALILEO—FOC卫星；此外，欧洲航天局（ESA）分别与空中客车防务与航天公司（ADS）、泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）签订第一批“下一代伽利略”导航卫星（G2）的制造合同，两家公司分别制造6颗G2卫星，合同总价格14.7亿欧元。

天基导航前沿技术方面，ESA开启了G2卫星有效载荷测试相关工作，验证G2的设计理念，预测可能出现的技术问题，为G2初步设计审查提供支持；此外，ESA签署了12颗G2卫星及星载原子钟的研发合同。

再启卫星发射，全力推进“伽利略”系统全运行能力建设

早在2017年，“伽利略”系统就遭遇了原子钟瘫痪问题；2019年7月，“伽利略”系统发生系统级故障，系统服务全面中断的时间超过140h；2020年12月14日，欧洲“伽利略”系统服务中断6h。这一系列事件使得ESA愈发重视其卫星导航系统故障排查、导航卫星前沿技术的研发与验证。

GALILEO—FOC卫星在轨示意图（来源：ESA）

2021年12月5日，伽利略 —27、28（GALILEO—27、28）导航卫星由联盟号（Soyuz）运载火箭搭载从法属圭亚那航天发射场成功发射。此次发射是“伽利略”空间星座第一代卫星第三批次共计12颗卫星中的前2颗，该批次是星座现有GALILEO—FOC的改进版本，卫星质量约为715kg，设计寿命12年，总承包商为德国不莱梅轨道高技术公司（OHB）。

授出G2卫星研制合同，积极布局系统未来发展

ESA于2020年启动第一批（共计12颗）G2卫星的招标活动，同时将升级地面运控系统。ESA于2021年2月和5月分别与泰雷兹-阿莱尼亚航天公司以及空中客车防务与航天公司签署了价值7.7亿欧元和7亿欧元的“下一代伽利略”卫星的研发合同，两家公司分别研制6颗G2卫星。合同涉及新一代伽利略卫星的部署，首批卫星预计于2025年发射，数字化、在轨重构将成为其发展重点，同时集成先进原子钟及全电推进系统，具备星间链路功能。

此外，欧盟“伽利略”系统G2卫星的硬件测试已开启，测试活动的目标是验证G2的设计理念，预测可能出现的技术问题，测试结果将为G2初步设计审查提供支持。

3 俄罗斯—以格洛纳斯—K系列卫星的研发部署及导航卫星关键器部件的完全国产化为主要任务

近年来，俄罗斯已经基本完成了GLONASS-K系列卫星的研发与国产化任务，并于2020年底宣布“启动利用GLONASS-K系列卫星进行系统空间星座的全面更新”，但受新冠疫情等多方面因素的影响，2021年未能发射、部署GLONASS-K系列卫星。

GLONASS—K1卫星在轨示意图（来源：Sputnik）

“格洛纳斯”系统星座现代化愿景良好，但建设速度慢于预期进度

截至2021年12月31日，“格洛纳斯”系统在轨卫星25颗，包括23颗GLONASS—M卫星和2颗GLONASS—K1卫星，其中提供导航服务卫星23颗（22颗GLONASS—M卫星和1颗GLONASS—K1卫星），另有1颗处于在轨测试状态，1颗暂时退出星座。

俄罗斯计划2025年前完成星座的全面更新、升级，即用GLONASS—K系列卫星全面替换GLONASS—M型卫星，2030年将全面建成由GLONASS-K2卫星组成的空间星座。GLONASS—K系列卫星将进一步改善服务性能，提高卫星寿命，降低系统维护成本，同时，码分多址信号的增加，可增强与其他卫星导航系统的兼容性与互操作性，有利于“格洛纳斯”系统融入全球卫星导航体系，同时有益于“格洛纳斯”系统空间星座卫星数量的扩展。当前，俄罗斯首颗GLONASS—K2卫星已经组装完毕，正接受一系列机械、热真空测试，原计划于2021年第四季度发射的首颗GLONASS—K2卫星已推迟至2022年发射。

4 日本与印度区域卫星导航系统的发展

2021年，日本成功发射QZS—1R卫星，用以替换“准天顶卫星系统”空间段即将到期的首颗卫星QZS—1，维持星座服务的状态。自2018年“准天顶卫星系统”投入初始运行并提供服务以来，日本积极推进“准天顶卫星系统”的军事应用，在卫星导航服务、导航卫星平台载荷搭载等方面加强与美国的合作，提升自身天基导航、态势感知等方面的能力。日本计划在2023年完成7颗卫星的工作体系，届时可完全不再依靠美国GPS系统，而获得独立的卫星导航能力。

2021年，印度维持了其“区域导航卫星系统”的稳定运行；发布了《2021印度卫星导航政策》来指导政府组织有效开发、运行和维护自主控制的卫星导航系统及其增强系统，并拓展应用。该政策指出，在卫星导航和星基增强服务方面实现自力更生，重点是保障质量和可用性，提高使用率，促进服务和研发水平持续发展。