世界导航卫星争奇斗艳

庞之浩

世界导航卫星争奇斗艳

庞之浩

2015年3月底，世界导航卫星发射突然爆发，多个国家不约而同地发射了各自的导航卫星。3月25日，美国率先用“德尔他”-4火箭发射了第9颗GPS-2F；3月27日，欧洲用联盟-ST/“弗雷盖特”火箭发射了第7颗和第8颗“伽利略”导航卫星；3月28日，印度用“极轨卫星”运载火箭发射了“印度区域导航卫星系统”-1D；3月30日，我国首颗“北斗”全球导航试验卫星由“长征”-3C送入倾斜地球同步轨道。

世界各国井喷式发射导航卫星，这似乎意味着全球在卫星导航领域的竞争已空前激烈。

美国加紧更新

自1978年10月6日第1颗GPS导航卫星上天以来，美国已有多种型号的GPS导航卫星入轨。截至2014年底，美国先后发射了GPS-1、GPS-2、GPS-2A、GPS-2R、GPS-2RM、GPS-2F共6种卫星系列，其中GPS-1为试验星，其他为工作星。

GPS是军民两用卫星导航系统，但优先为军方服务。从1990年的海湾战争开始到现在，美国的一切军事行动几乎都与卫星定位系统有关。在军事上，它至少有5项重要用途：为舰艇、飞机等武器平台提供导航定位服务；协助武器系统实现精确打击；协助部队规划进攻线路；支持人员救援行动；提高卫星自主定轨能力。导航卫星的军用与民用在技术原理上并不存在本质区别，但军用导航卫星更强调信号的保密性、抗干扰能力和定位精度。

美国GPS星座由24颗工作卫星和数颗备份卫星组成，平均分布在6个轨道面上。每颗GPS卫星都能不断地以1575.42兆赫和1227.6兆赫两种频率同步为用户发送测距信号和星历表数据。

美国洛克希德·马丁公司原计划一共为美国空军设计制造21颗GPS-2R卫星，但后来由于在伊拉克战争中发现GPS有明显的软肋—怕干扰，伊拉克用从俄罗斯购买的GPS干扰机很容易地干扰了美国卫星制导弹药，使它们没有打到预定的目标，误炸事件也屡有发生，所以美国将最后8颗GPS-2R进行了现代化改进，并命名为GPS-2RM，以便为美国在全球的军方和民间GPS用户提供不断提升的导航能力。8颗GPS-2RM卫星现已发射完毕。

在伊拉克战争中，美国GPS之所以抗干扰能力较差，是由于GPS卫星中调制信号的军码、民码没有分离，而捕获其军码又需要民码来引导，所以GPS接收机捕获军码时间较长，而且民码较易被干扰。GPS-2RM可以使每颗卫星有两路新的军用信号，而且能把军用信号与民用信号彻底分离，实现了不需民用信号引导就可直接访问军用信号。这不但增加了军用信号的安全性，而且由于实现了信号发射功率的可重新分配，从而实现了拒绝、阻断敌方使用GPS系统的能力，具有抗干扰能力强、保密性能好的优势。

于2010年开始陆续发射的GPS-2F卫星，除了具有GPS-2RM的功能外，还增加了1176.45兆赫的民用频段，信号功率也提高了10倍，不仅有利于保障民航安全，改善电离层延迟误差修正，还有利于载波相位模糊度的实时解算，削弱多路径效应的影响等。此外，GPS-2F卫星还采用星间链路和自主导航新技术，使GPS卫星可自主运行60～180天。更先进的星上原子钟使卫星授时精度达到8纳秒。GPS-2F卫星的抗核打击能力也有所提高，设计寿命进一步延长到15年，从而降低了成本。

从2017年开始，美国还将发射更先进的GPS-3A。此后，美国的GPS布网频率将会逐渐加快，卫星的定位精度将会更高、抗干扰能力更强。

“弗雷盖特”上面级与联盟-ST火箭第3级分离

大多数美军士兵现都配有GPS接收机

俄罗斯重振旗鼓

自2011年GLONASS系统实现满星座运行以来，俄罗斯每年都持续发射新的GLONASS卫星，以保证系统信号的完好性和全球覆盖。到2014年底，GLONASS系统共有29颗卫星，其中23颗卫星在轨工作，3颗备用，2颗正在维护，还有1颗正处于试飞阶段。

GLONASS由苏联/俄罗斯国防部独立研制和控制，有24颗以上卫星运行时可提供全球导航服务。1982年10月12日，苏联发射了首颗GLONASS卫星，1995年12月，俄罗斯正式建成了由24颗GLONASS卫星构成的导航星座，进入实际工程应用阶段，可为全球海、陆、空以及近地空间的各种军、民用户，全天候连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息，为俄军实施联合作战、精确打击、提高战略威慑能力奠定了基础。

至今，苏联/俄罗斯已发展了GLONASS、GLONASS-M、GLONASS-K三代导航卫星，目前主要使用GLONASS-M。2003年开始发射的GLONASS-M虽然仍采用老式卫星平台，但改进了星上原子钟和其他关键元器件，配有升级型天线馈电系统和额外的民用导航频率，提高了频率稳定度和系统的精度，卫星的工作寿命延长到7年，对确保GLONASS空间星座维持21～24颗工作卫星发射信号至关重要。另外，GLONASS-M卫星具有更好的信号特性，能提供第2个民用导航信道，增强在军用和民用的定位精度。

前两代GLONASS卫星采用频分多址技术，即根据载波频率来区分不同卫星。军用和民用的带宽分别为5.11兆赫和0.511兆赫，定位精度10米，测速精度优于0.01米/秒，授时精度为20纳秒。现在，俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。

2011年开始发射的GLONASS-K摒弃了GLONASS卫星一贯采用的充气、承力筒式结构，改用了“快车”-1000平台，与之前的GLONASS卫星相比发生了根本变化。“快车”-1000采用框架式结构，姿态控制精度为0.1°，位置保持精度为0.05°，在轨工作时间长达10～12年，每年只需进行1～2次补网发射就能保持星座长期稳定运行。其质量约750千克，比以往的卫星轻一半以上，可用“联盟”-2.1b新型火箭一次发射2颗，或用“质子”火箭以“一箭六星”方式发射，降低了发射成本。每颗GLONASS-K可提供5个民用导航信号，定位精度达到5米，提高了它在全球民用导航市场的竞争能力。GLONASS-K不仅使用寿命长、重量轻，还采用了新型铯原子钟，定位精度和可靠性大幅提高，并配备有全球卫星搜救系统。在卫星通信识别上增加了2个码分多址信号，与GPS之间具有更好的兼容性和可操作性，十分有利于开发民用市场。2025年前，俄罗斯将把27颗GLONASS-K全部送入太空，定位精度能达到3米，处于世界领先水平。俄罗斯还将研制更先进的GLONASS-KM卫星，方案正在制定之中，飞行试验将于2015年开始。

GLONASS导航卫星

欧洲好事多磨

欧盟正在研制和发射的“伽利略”卫星导航系统是世界上第一个完全向民用开放的全球性卫星定位系统，具有很高的水平。它既可为公众提供基本信号，也能为政府和军方提供高度保密的信号，使“伽利略”卫星导航产品和服务能够打入国际市场，并占有较大份额。欧盟最终将建成独立的民用全球卫星导航系统，与GPS、GLONASS兼容，能提供局部辅助信息和搜索信息业务，综合性能优于现行的GPS。

建造“伽利略”卫星导航系统是欧洲整体政策的重要组成部分，主要考虑政治、经济、技术和社会四大要素：在政治方面，它能体现欧洲的独立和自主，加强欧洲的凝聚力和向心力，扩大欧洲的世界影响，显示实力；在经济方面，它可分享全球的卫星导航市场，在产业价值链的每一环节上具备全球竞争力，提高交通运输产业的效率，并增加高技术高智能人员的就业岗位；在技术方面，它可使欧洲的相关产业在国际上居于技术领先地位，并实现一系列技术的综合探索和发展；在社会方面，它能为居民大众提供更好的新服务，改进运输系统的安全性，有利于降低环境污染。

据了解，虽然“伽利略”卫星导航系统的设计首先是针对民用的，但是其地面定位服务的设计误差不超过1米，该系统的一些设计也优于GPS。2011年9月13日，欧洲议会通过一项计划，批准了欧盟“伽利略”卫星导航系统的运作细节。根据这项计划，“伽利略”卫星导航系统将兼顾国防与民用目的。从2014年开始启用的“伽利略”卫星导航系统在为民用车辆与船舶提供卫星导航信号的同时，也将为欧盟国家的警察与军队提供卫星导航信号，并为重点基础设施、交通系统、紧急搜救等提供服务。因此，“伽利略”卫星导航系统必须提供高精准和高可靠性的信号。这一计划还确定了开发与此相关的导航设备、软件及服务商的条件。

“伽利略”星座包括30颗卫星，这些卫星平均分布在相互间隔120°的3个倾斜轨道面上，每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备份星，可提供全球连续覆盖，地面最多可见卫星数达13颗（截止高度角为5°）。

虽然“伽利略”与G P S、GLONASS都采用时间测距原理进行导航定位，但它与后两者相比存在较大的不同，具有一些优越性。例如，“伽利略”星座的卫星数量多，轨道位置高，轨道面少，覆盖面积是GPS的2倍，所以可为更广泛的人群提供卫星导航，而且定位精度更高，抗干扰性更强。“伽利略”的另一个优势在于，它能够与GPS、GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。

由于“伽利略”是多国合作项目，所以参与国经常为各自利益相互争执，结果导致该项目建造日期比原计划推迟多年。从2005年起，欧洲先后发射了GIOVE-A、GIOVE-B两颗试验卫星，后来又成功把4颗“伽利略”卫星送上太空。但是，在2014年8月22日用“联盟”-ST火箭发射第5颗、第6颗“伽利略”卫星时，由于火箭上面级出现故障，使这两颗“伽利略”卫星未能进入预定轨道。此次事故也导致原定2014年发射的第7颗、第8颗“伽利略”卫星延期到2015年3月才升空。

从目前情况看，“伽利略”卫星导航系统在2018年完成全星座构建的计划似乎已无望，可能要等到2020年才行。不过，欧盟现已开始准备研发第2代“伽利略”卫星导航系统，计划2022～2025年部署。

日本“准天顶”卫星-1的L频段天线

印度积极推进

从2013年7月2日起，印度先后成功将4颗“印度区域导航卫星系统”卫星送入太空，达到让该卫星系统完全生效的最小卫星数量。“印度区域导航卫星系统”采用I-1k平台，尺寸为1.58米×1.5米×1.5米，质量分别为1432千克、1425.4千克，总功率1660瓦，寿命10年。预计在2016年前，印度还将发射3颗卫星，从而建成总共由7颗卫星组成的“印度区域导航卫星系统”。

“印度区域导航卫星系统”与美国GPS系统类似，通过多颗导航星的测量值定位，不过重点是为南亚和周围水域进行导航，应用于海上交通、车辆与船舶的跟踪、通信和测绘等民用领域，信号能够覆盖印度全境。它可为印度本国和印度大陆周边1500千米的区域提供位置信息，可向所有用户提供标准位置服务，并向授权用户提供受限服务。它能应用于导航服务、灾难管理、车辆跟踪、舰队管理、移动电话集成、精确授时、测绘数据采集，为旅行者提供陆地导航援助，为驾驶人员提供视频和语音导航等。

目前，印度境内已经建立多达15个地面站，负责导航参数的生成和传输、卫星控制、卫星测距与监视等。“印度区域导航卫星系统”的7颗卫星包括3颗定点在东经34°、83°和132°的静止轨道卫星，以及4颗与赤道平面成29°倾角的地球同步轨道卫星。通过这样的轨道设计，它能最大限度地提高覆盖区域内的定位精度，并将所需卫星数量降到最低。“印度区域导航卫星系统”与美国GPS系统、欧洲“伽利略”星座兼容，未来还能进一步扩展，向全球提供导航服务，不过要打造这样的全球版卫星导航定位系统，印度至少还需要再发射十多颗卫星。

日本的“准天顶”

“准天顶卫星系统”是日本正在研发与建设的天基导航增强系统，也是日本建设自主区域导航卫星系统的第一步。2010年9月13日，日本首颗“准天顶”卫星发射成功，并被命名为“指路”。该卫星主承包商为日本三菱电气公司，采用DS-2000卫星平台，呈长方形，长和宽均为3米左右，高约6米，功率6.7千瓦，质量4100千克，设计寿命10年。它运行在远地点38950千米、近地点32618千米、轨道倾角41°、周期23小时56分钟的轨道上。在3颗“准天顶”卫星组成“准天顶卫星系统”后，可为在日本上空运行的美国GPS卫星提供辅助和增强功能。这3颗卫星都运行在倾斜地球同步轨道上，每颗卫星每天在日本上空工作8小时，这样3颗卫星轮换交替，可使日本本土始终有1颗卫星停留在靠近天空顶点的地方，从而保证任何时刻都有1颗“准天顶”卫星在日本的“天顶”当班，在大楼林立的城市中心以及山谷地带的用户，能够通过不会被遮挡的“准天顶”卫星来增强GPS在恶劣环境下的定位能力。

日本政府决定在2015～2020年期间发射3颗“准天顶”卫星，形成4颗卫星体系，但这需要与美国的GPS卫星配合才能正常运行。若要独自在日本上空保持不间断定位，至少需要7颗卫星。日本将力争在2025年之前完成这7颗卫星的组网。

结 语

全球卫星导航领域正呈现摆脱美国GPS系统一家独霸的局面，进入多系统共存的时代，并将提供精度更高、更完备的定位、导航与授时服务。全球导航卫星系统之间兼容与互操作能力的发展，将使全球卫星导航用户普遍受益。

责任编辑：刘靖鑫