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2015年全球导航卫星发展回顾

时间:2016年03月25日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:



 2015年,全球共进行导航卫星发射10次,成功10次,共计13颗导航卫星。其中,美国3次,成功发射全球定位系统-2F(GPS-2F)卫星3颗;欧洲3次,成功发射“伽利略-全运行能力”(Galileo-FOC)卫星6颗;中国3次,成功发射“北斗”导航卫星4颗;印度1次,成功发射“印度区域导航卫星系统”(IRNSS)卫星1颗。截至2015年12月31日,国外在轨运行导航卫星77颗。提供导航服务的卫星55颗,其中,美国GPS系统31颗,俄罗斯“全球导航卫星系统”(GLONASS)23颗,日本“准天顶卫星系统”(QZSS)1颗(主要提供GPS增强服务)。

 截至2015年底,全球只有GPS、GLONASS和“北斗”区域导航系统投入全面运行服务,为用户提供定位、导航与授时(PNT)服务,并可为GPS、GLONASS、“北斗”双模、多模用户提供高于单系统的定位、导航与授时服务。日本QZSS可提供GPS增强服务,其自主导航信号尚不能单独提供服务。


一、美国   


 2015年,美国继续保持GPS系统运行与服务的稳定,持续加快GPS系统星座的更新步伐,成功发射3颗GPS-2F卫星,计划于2016年初完成全部12颗GPS-2F卫星的部署,2017年前使M码军用信号、L2C和L5码民用信号投入使用;同时,美国空军(USAF)已经完成了GPS现代化计划的调整,该计划至少将持续至2033年。

2015年全球导航卫星成功发射情况(按国家统计)


截至2015年底国外导航卫星在轨数量(按国家统计)


GPS系统最新发展


 目前,GPS系统空间段采用的27轨位基线扩展星座,由分布在6个轨道面的27颗卫星组成,其轨道高度20200km,倾角55°。目前在轨工作卫星数量31颗,空间信号用户定位误差1.6m,授时精度20ns。

 截至2015年底,GPS系统已经发展了2代6个型号卫星,至2016年初,美国空军将完成第二代GPS卫星最后一个型号——GPS-2F卫星全部12颗卫星的发射,第三代GPS-3卫星的发射进入倒计时。

 目前,美国正在发展第三代GPS系统,至2015年底,洛马公司与其合作伙伴ITT公司完成了首颗GPS-3卫星核心模块的匹配和任务数据单元软件的审定,整星的热真空试验也已于2015年秋季启动,计划于2016年9月具备初始发射条件。然而,由于新一代“运行控制系统”(OCX)的拖延,GPS运行控制系统在2018年前才能具备支持GPS-3卫星运行的能力,也就是说:即使首颗GPS-3卫星能够在2016年或2017年发射,却不能投入正常运行。因此,GPS-3卫星与OCX的拖延已经对GPS系统持续、稳定的运行构成了潜在威胁。

GPS-3A卫星在轨飞行示意图


 完成“体系结构演进计划”(AEP)后的GPS系统地面控制段由2部分组成,即AEP系统和“发射、入轨、异常情况处理与运行处置”(LADO)系统。在GPS系统运行控制段中,AEP和LADO具有不同的功能,执行不同的任务。

 AEP的组成与功能:

 1)完成最多31颗GPS工作卫星的指挥、控制等运行管理工作;

 2)1个主控站+1个备份主控站;

 3)4副专用地面上行天线+8副美国空军卫星控制网的上行天线;

 4)6个专用监测站+10个隶属于美国国家地理空间情报局的监测站。

 LADO的主要功能与任务:

 1)利用美国空军的卫星控制网进行除工作卫星外其他GPS系统在轨卫星的指挥与控制管理;

 2)在轨卫星异常情况处置;

 3)卫星发射与发射后卫星的管理;

 4)卫星寿命终结时的处置操作。

 由于OCX系统研发的拖延,至2015年底,GPS系统运行控制段尚不具备GPS-3卫星发射和运行管理能力。因此,在完成运行控制段OCX第1阶段(OCX Block0)的改进之前,美国空军不具有发射、管理GPS-3卫星的能力。


 国空军GPS系统未来的更新、补充计划


 2015年2月,美国空军向众议院国防委员会提交了题为《GPS系统星座更新、补充》的报告,从卫星与运载火箭采购、2014年与2015年计划的对比、在轨卫星状态、发射计划的确定等多个方面回答了国会国防委员会提出的质询,以消除其对保证GPS系统可用性与可持续性的疑虑。


 (1)GPS卫星与运载火箭的采购计划

 美国空军已经签署了8颗GPS-3卫星的采购合同,此外第9、10两颗卫星的采购方案已经获得了美国政府的批准,第11~32颗GPS-3卫星的采购活动计划于2016年初启动,首先开展设计成熟度审查与风险降低活动,研发合同的授出时间为2018年。依据已经签署的采购合同,第1~8颗GPS-3卫星将分别在2016-2020年间具备初始发射能力。

 由于GPS-3卫星与OCX研发的拖延,美国空军于2015年调整了GPS-3卫星的采购计划。美国空军认为:维持一个可承受、可持续的星座,要求在具有可承受性、可持续性的更新、补充策略与稳定的卫星生产线之间取得平衡。维持GPS系统星座要以星座的需求为依据,保持卫星采购的持续性,同时保有卫星的高速生产能力。生产速度的调整,应寻求最大生产能力储备与初期卫星最小储存成本之间的平衡。虽然2014财年的计划有利于降低近期成本,但长远来看,新的生产计划可使GPS系统星座的维持具有更好的可承受性与可持续性。

 原(2014财年)采购计划:2015年2颗(从第9颗GPS-3卫星开始),2016财年2颗,2017财年3颗,2018财年3颗。

 新(2015财年修订后的)采购计划:2015财年1颗(从第9颗GPS-3卫星开始),2016财年1颗,2017财年3颗,2018财年3颗。

 对比2014、2015财年的采购计划,显然美国空军放慢了GPS-3卫星的采购步伐,2015-2018年间的卫星采购数量从2014财年的10颗减少至2015财年的8颗,显然这将对未来GPS系统星座的更新、补充构成影响,这也是引发美国国会、GPS应用团体广泛担忧的重要原因。


2014、2015财年GPS-3卫星采购计划对比


 与之相反,美国空军却对保证未来GPS系统的可用性与可持续性充满了信心。美国空军认为:根据GPS系统在轨卫星的健康状态、卫星在轨延寿技术的使用和新卫星的补充发射等,美国空军完全可以满足未来GPS系统可用性的要求。

 美国空军认为:首先,2014年11月19日,GPS系统星座中至少有30颗在轨卫星处于健康状态,且另有1颗刚刚发射的GPS-2F卫星完成检测后,即可投入运行,使健康卫星数量达到31颗;其次,2015-2016年,美国空军将完成剩余4颗GPS-2F卫星的发射,可替换星座中超期服役的GPS-2A卫星,继续改善GPS系统星座的状态;第三,通过改进电池充电方法,可使18颗在轨运行的GPS-2R和2RM卫星分别至少延长1~2年,进一步改善GPS系统空间星座的状态;最后,未来美国空军将利用GPS-3卫星替换星座中的GPS-2R和2RM卫星,从而解决GPS星座面临的中、长期风险。

 按照上述设想,GPS现代化计划将实施至2033年,即完成最后一颗GPS-3C卫星的发射,保证GPS系统安全、稳定的运行。


 (2)卫星研发与发射进度拖延的风险

 美国空军认为,GPS系统卫星研发与发射进度拖延的风险主要包括:首颗GPS-3卫星(SV01)交付、GPS-3空间系统运行人员任务准备、OCX计划关于现有卫星和GPS-3卫星控制部分的实施等3个方面拖延,且他们已经采取了措施,以降低上述风险。首先,利用综合基线计划管理,并重新配置解决技术问题的相关资源,美国空军正在降低GPS-3卫星研发与交付的风险;其次,美国空军已经修订了任务准备活动计划,确认了空间运行人员完成发射与检查任务准备的时间;第三,美国空军已经完成了现有卫星与新一代卫星(GPS-3)运行与维持备选方案的工程研究。在OCX尚未完成准备的条件下,美国空军确定了整个计划进度的关键节点,并启动了备选计划,修改了现有体系,在OCX全面投入运行前为系统运行提供支持。

 按照GPS标准定位服务性能规划(2008年版)的规定,GPS系统星座保持至少24颗运行卫星可用的概率在95%以上。美国空军的评估表明:GPS系统不能满足上述承诺与规定的功能,可用性的风险是较低的。除上述风险外,GPS系统星座所面临的最大风险是所有天基系统都要面对的,包括:在轨卫星的灾难性失效、发射失败和地面系统的脆弱性。为降低上述风险,使其处于较低水平,“星座维持评估团队”(CSAT)程序用于按需要提出更新、补充建议。目前,美国空军可通过执行GPS-2R和2RM卫星改进电池充电控制程序、2016财年前完成剩余GPS-2F卫星的发射、提供向GPS-3过渡稳健的星座需求的专家评估等手段,保持GPS系统24颗卫星可用概率为95%以上,使GPS系统健康地走向未来。


 GPS-3卫星与OCX研发拖延导致成本大幅上升


 虽然,美国空军对保证GPS系统服务的可用性和发展的可维持性充满信心,但是美国国会还是对GPS-3卫星和OCX研发的拖延和由此造成的成本上升表现出了极大的担忧。2015年3月,美国政府问责办公室(GAO)发布的《国防采购:选定武器系统评估》报告指出:GPS-3卫星和OCX系统研发的拖延,使GPS系统现代化的投入不断增长,对GPS系统的维持与发展均构成了潜在威胁。

 《国防采购:选定武器系统评估》报告表示:与2013财年相比,因计划拖延,2014财年GPS-3卫星和OCX的研发投入分别从44亿美元和35亿美元增长至49亿美元和41亿美元,即在过去的一年中,GPS-3卫星与OCX的投入增长了11亿美元,必将对GPS系统的未来发展构成影响。

 由于GPS-3卫星有效载荷研发遇到了重大问题(主要包括设计更改和内部信号干扰),导致首颗GPS-3卫星的交付时间至少已经推迟了28个月。而且首颗GPS-3卫星测试过程中出现问题的全面改进,有可能产生新的拖延,从而进一步加大成本增长的风险。

 与GPS-3卫星的研发相比,OCX系统研发的拖延更为严重,其关键能力的交付时间已经推迟了4年。美国政府问责办公室的调研表明:造成OCX计划严重拖延的主要原因包括计划调整、远高于预期的软件缺陷水平和由此造成的重大返工与代码增长。美国政府问责办公室将产生上述问题的原因归结为对OCX技术复杂程度与工作量的认识不足或严重低估。


二、欧洲   



 Galileo系统是欧洲独立发展的全球导航卫星系统,提供高精度、高可靠性的定位服务。Galileo系统由30颗卫星组成,其中27颗工作星、3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道(MEO)上,轨道高度23600km,轨道倾角56°,轨道面间夹角120°,轨道周期14h4min,地面轨迹重复周期10天,每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星。


 2014、2015年Galileo系统发展计划对比图


 Galileo系统现状


 Galileo-FOC卫星首次发射部分失利后,2015年欧洲加快了Galileo系统的部署步伐,成功完成3次、6颗Galileo-FOC卫星的发射,并于2015年初完成了首次发射的2颗Galileo-FOC卫星的拯救工作,努力为2016年投入初始运行创造条件。
 目前,Galileo系统在轨卫星12颗,分别为4颗“伽利略-在轨验证”(Galileo-IOV)和8颗Galileo-FOC卫星。Galileo系统尚处于系统部署阶段,不提供定位、导航与授时服务。

 2015年,欧洲航天局(ESA)发布了3个Galileo系统用户文件,标志着Galileo系统信号与服务定义工作持续推进,包括:2015年4月发布《Galileo系统NeQuick电离层修正模型》1.1版、2015年9月发布《Galileo系统开放服务空间信号接口控制文件》1.2版和《Galileo系统空间信号运行状态定义》1.2版。


 Galileo发展计划调整


 2014年Galileo-IOV卫星首次发射的失利与后续发射活动的推迟,对Galileo系统发展造成的影响是不可忽视的。同时,按Galileo系统的定义,其空间星座由30颗卫星组成,而目前欧洲仅完成了26颗Galileo卫星的采购,尚不能满足Galileo系统投入全面运行的要求。
 为此,2015年欧洲再次调整了Galileo系统的发展计划,系统投入全面运行的时间从2014年计划中的2018年,推迟为2015年计划中的2020年。

 对比2014年、2015年的Galileo系统发展计划可以发现:2017年前2个计划基本相同,即完成Galileo系统初始运行能力的部署;2个计划的最大区别在于,2015年的计划将Galileo系统完成全面运行能力建设的时间从2018年调整为2020年。对于上述计划调整,欧洲给出的解释是:Galileo系统的发展将采取更加稳妥的策略。然而实际情况并非完全如此。

 首先,2010年ESA授予OHB公司和英国萨瑞卫星技术公司(SSTL)的Galileo-IOV卫星研制合同仅包含22颗卫星,即使加上4颗Galileo-IOV卫星,目前欧洲也仅采购了26颗Galileo卫星。也就是说,离部署由30颗卫星组成的、完整的Galileo系统空间段还少4颗卫星。按计划,2016年欧洲将启动新的Galileo-IOV卫星采购活动,以满足投入全面运行的要求。

 其次,虽然欧洲已经完成了首批2颗Galileo-IOV卫星的拯救工作,轨道高度增加了3500km,但并非Galileo的工作轨道,轨道周期与倾角也不相同,能否用于提供正常的卫星导航服务尚没有明确的结论;再加上1颗Galileo-IOV卫星因电源故障于2014年4月失效,使能够投入运行服务的Galileo卫星可能只有23颗。因此,2016年欧洲Galileo卫星的采购数量也将受上述2个因素的影响,有可能达到7颗。


三、俄罗斯   



 截至2015年12月31日,俄罗斯在轨导航卫星28颗,其中GLONASS-M卫星26颗,GLONASS-K1卫星2颗,提供定位、导航与授时服务的卫星23颗,全部为GLONASS-M型号。

 自2011年底GLONASS系统全面恢复以来,除2014年因系统故障造成2次服务短时中断外,俄罗斯基本保证了GLONASS系统的稳定运行与服务,提升了俄罗斯在全球定位、导航与授时领域的地位和全球影响力。而且,更加开放的态度也使GLONASS系统的发展受益。然而,受2014年乌克兰冲突的影响,西方国家对俄罗斯进行了制裁,其中包括停止提供GLONASS-K卫星研发所需的抗辐射加固器件,使GLONASS-K卫星的研制受到重大影响。

 2015年3月,俄罗斯航天系统公司(RCS)与信息卫星系统-列舍特涅夫公司(ISS Reshetnev)共同宣布,将研发全部由俄罗斯部件组成的GLONASS-K卫星。俄罗斯航天系统公司首席执行官Andrew Tyulina称:俄罗斯计划尽可能快地在GLONASS卫星上停止使用采购自国外的电子器件,计划在2019年前使GLONASS卫星电子器件的国产化率达到80%。

 负责GLONASS系统卫星研发的俄罗斯信息卫星系统-列舍特涅夫公司CEO称:自主研发GLONASS-K2所需的抗辐射加固器件至少需要1~2年的时间。为此,将继续生产7颗GLONASS-K1卫星,使该型号卫星数量达到9颗,而不是原计划的2颗,以满足GLONASS系统维持与发展的需要。

 GLONASS-K卫星在俄罗斯GLONASS系统的未来发展中占有非常重要的位置,是GLONASS系统全面融入全球卫星导航体系,提升俄罗斯在全球定位、导航与授时领域地位的重要支撑。GLONASS分为2个型号,即GLONASS-K1和K2,按最初的研发计划,GLONASS-K1为试验卫星,用于卫星结构、功能、新信号与新技术的试验与验证。GLONASS-K2为工作星,计划采购数量27颗,用于替代现役的GLONASS-M卫星,并将GLONASS系统空间段扩展为30颗卫星组成的星座。


四、日本   


 2015年1月9日,日本发布了新的航天基本计划。在计划的第四章“航天政策的具体措施”中明确指出:强化航天在安全保障领域的应用,强化日本的导航、通信和情报收集等航天系统。具体讲,要确立QZSS的7星体制,实现“持续导航”能力,以此为前提讨论如何在安全保障方面的有效运用。

 日本新的航天基本计划指出:2020年QZSS的首颗卫星“指路”(Michibiki)将到达设计寿命,因此应从2015年开始研制“指路”的后续卫星,维持由4颗卫星组成的QZSS。2017年将着手研制新增的3颗卫星,并于2023-2024年使上述卫星投入运行,完成能够提供连续导航定位能力的、由7颗卫星组成的QZSS。

 因此,日本政府已经明确了发展由7颗卫星组成的QZSS计划,2024年前完成系统部署。

 与首颗QZSS卫星“指路”相比,第2、3、4颗QZSS卫星在导航信号上有一定变化,主要变化为地球静止轨道(GEO)卫星增加了主要用于灾难与应急管理的短信服务。

 第2~4颗QZSS卫星将在2016-2017年间发射,完成在轨测试后,计划于2018年投入运行,主要为日本与亚太地区提供GPS增强服务,并播发自主导航信号,提高定位、导航与授时服务的性能。


QZSS发展路线图


五、印度  


 继2014年印度IRNSS取得重要进展后,2015年印度继续稳步推进IRNSS系统的建设,3月28日印度成功发射第4颗IRNSS卫星,使IRNSS系统卫星数量达到4颗。虽然印度IRNSS系统的建设已经取得了一些成就,然而与其计划于2016年完成7颗卫星组成的IRNSS系统的部署,并投入运行仍有较大差距。为此,2015年11月,印度宣布加快IRNSS系统的部署,于2016年3月底前发射3颗IRNSS卫星,完成系统部署,以保证IRNSS系统于2016年投入运行。

 印度IRNSS系统的发展开始于2006年,当年5月印度政府批准了IRNSS计划,投资约3.5亿美元建设由7颗GEO轨道和倾斜地球同步卫星轨道(IGSO)的卫星和地面控制段、用户段组成的区域导航卫星系统,使印度拥有完全自主的军事与民用卫星导航能力。

 IRNSS卫星采用与印度气象卫星卡帕娜-1(Kalpana-1)相似的平台,质量约为1370kg,太阳电池总功率1600W。有效载荷包括2个40W的固态功率放大器、时钟管理与控制单元频率发生与调制单元、导航处理器、信号发生器和原子钟等。导航频率选用S频段(2492.08MHz)和L频段(L5,1176.45MHz)。

 与其他卫星导航系统大多选择L频段播发导航系统不同,印度IRNSS系统在L5频段(1176.45MHz)和S频段(2492.028MHz)各播发1个军用信号和1个民用信号,以满足印度军事与民用卫星导航服务的需求。

 此外,印度设想在IRNSS系统的基础上发展由18颗卫星组成的全球卫星导航系统。然而从星座构型的角度分析,18颗卫星组成的空间星座难以形成较为理想的全球覆盖,定位、导航与授时服务的性能较低,全球民用卫星应用领域缺乏足够的竞争力。


上文选自《国际太空》,如有需要请查阅该期刊。


(作者:刘春保)
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