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多系统并存格局下国外卫星导航系统最新发展

时间:2018年01月08日 信息来源:空间瞭望 点击: 【字体:

随着欧洲“伽利略”(Galileo)系统投入初始运行,“印度区域导航卫星系统”(IRNSS)部署完成,全球卫星导航领域多系统并存的局面初步形成。至2018年,日本将完成“准天顶卫星系统”(QZSS)第一阶段的部署并投入运行;2020年,中国北斗系统、欧洲“伽利略”系统将完成全球系统的部署并投入运行,全球卫星导航领域将全面进入多系统并存的时代,发展竞争、市场与用户的竞争将更趋激烈。

一、国外卫星导航系统发展现状

目前,全球卫星导航系统正处于从相互独立、互不关联的卫星导航系统发展格局向相互关联、相互影响的多系统格局发展的阶段,频率资源的争夺、兼容互操作的要求是现阶段卫星导航系统发展的典型特征。

1. GPS系统一枝独秀,发展依然面临挑战

自1995年投入全面运行以来,美国保持了“全球定位系统”(GPS)的连续、稳定运行,已经发展、部署了两代6个型号的GPS卫星;新一代GPS-3卫星将于2018年开始部署。截至2017年9月,GPS系统在轨卫星32颗,包括12颗GPS-2R卫星、8颗GPS-2RM卫星和12颗GPS-2F卫星;提供定位、导航与授时(PNT)服务的卫星31颗(1颗GPS-2RM卫星不提供定位、导航与授时服务)。

在现有卫星导航系统中,GPS系统是服务性能最好、导航战能力最强、技术最先进的卫星导航系统,定位精度2~3m,授时精度20ns,且拥有自主导航、星上信号功率可调等导航战能力,正在发展高速星间星地链路、在轨可编程与信号重构、点波束增强、赛博安全与信息保证等导航战能力。

自2008年以来,GPS系统采用基线24轨位扩展星座(24+3)运行,2010年以来GPS星座卫星数量基本维持在30颗以上,有效地改善了GPS系统几何精度稀释因子,提高了GPS系统的服务性能。

在导航战能力方面,GPS系统已经全面具备了自主导航能力:19颗卫星具有提供M码军用信号与L2C民用信号服务的能力;12颗卫星具有星上信号功率可调与播发L5民用信号的能力,使GPS系统初步具备M码军用信号、L2C与L5民用信号和星上信号功率可调的初始运行能力。但是,由于GPS新一代运行控制系统(OCX)研发与部署的拖延,除自主导航功能外,M码军用信号、L2C与L5民用信号和星上信号功率可调功能尚不能投入运行或提供服务。按2016年重新评估、调整后的计划,OCX系统第1、2阶段的部署将推迟至2020年。但2017年7月,美国空军宣布OCX系统的部署时间将再推迟9个月,即2021年。

OCX系统研发与部署的拖延,对GPS现代化计划的实施与GPS系统军事服务、导航战能力和在全球民用市场的竞争能力造成非常不利的影响,M码军用信号、星上信号功率可调等导航战功能与L2C、L5等信号不能尽快投入使用,制约了GPS系统军事服务能力的提升,制约、限制了GPS系统在全球卫星导航市场的竞争能力。

为保持GPS系统在未来多全球导航卫星系统并存格局中的主导与优势地位,影响、主导未来全球卫星导航领域的发展,美国政府在2004年发布的《天基定位、导航与授时系统政策》明确提出了互操作与兼容要求。在此之前签署的GPS和“伽利略”联合发展和应用的合作协议[US-EU Agreement(2004)],即明确了兼容与互操作方面的合作。此后,兼容与互操作成为全球卫星导航系统发展的重要规则。

2. GLONASS系统保持稳定运行,系统升级遭遇经济、技术双重挑战

自2011年全面恢复以来,俄罗斯保证了“格洛纳斯”(GLONASS)系统运行的稳定,在轨卫星维持在25~29颗,提供定位、导航与授时服务的卫星稳定在23~24颗。GLONASS系统的连续稳定运行有效提升了该系统在全球卫星导航领域的影响力,使GLONASS系统成为全球卫星导航应用装备采用率排名第二的卫星导航系统。截至2017年10月,GLONASS系统在轨卫星25颗,提供导航服务的卫星24颗,其中GLONASS-M卫星23颗、GLONASS-K卫星1颗。

目前,GLONASS系统的发展主要受制于疲软的俄罗斯经济与西方的制裁。2014年国际油价大幅下跌,使俄罗斯经济受到重创;乌克兰危机爆发后,西方国家的联合制裁,不仅使俄罗斯经济雪上加霜,也使俄罗斯无法获得GLONASS-K卫星急需的抗辐射加固器件,而自主研发至少需要2~3年的时间。

2016年,俄罗斯调整了卫星研发计划,将原计划的GLONASS-K1和K2两个型号调整为GLONASS-K、增强型GLONASS-K和GLONASS-K2三个型号,原计划2016年完成设计工作。

虽然从服务性能的角度看,目前GLONASS系统定位精度3~5m,授时精度30ns,与GPS系统的差距不是很明显;但是从导航战能力的角度看,GLONASS系统存在着巨大的差距。目前,GLONASS系统尚不具备导航战能力,正在研发的自主导航能力也需要利用GLONASS-K卫星才能完成部署。

兼容与互操作的要求,使采用频分多址方式的GLONASS系统难以融入多全球导航卫星系统并存的格局,无法实现导航系统间的互操作。为此,俄罗斯决定在GLONASS系统中引入码分多址信号,并于2010年发布了首个码分多址信号的设计方案,2011年发射首颗采用码分多址信号的GLONASS-K卫星。

3. “伽利略”系统的发展需要团结、稳定的欧洲

“伽利略”系统是欧盟、欧洲航天局(ESA)独立发展的全球卫星导航系统。1998年11月,启动系统论证工作;2002年3月,欧盟正式批准“伽利略”计划;2016年12月15日,“伽利略”系统投入初始运行。

“伽利略”系统空间段由部署在中地球轨道(MEO)的30颗“伽利略”卫星组成,其中27颗工作星、3颗备份星。卫星分布在3个MEO轨道面上,轨道面间夹角120°,轨道高度23600km,轨道倾角56°,系统部署完成后可提供定位精度4m、授时精度20ns的导航服务。

截至2017年9月,欧洲已经发射了20颗“伽利略”卫星,包括2颗试验卫星、4颗在轨组网“伽利略-在轨验证”(Galileo-IOV)和14颗“伽利略-全运行能力”(Galileo-FOC)。目前,星座可用卫星15颗,提供定位、导航与授时服务的卫星13颗。

2017年1月,“伽利略”系统发生卫星大面积星钟故障,在轨运行的18颗卫星中的9部星钟(3部铷钟、6部氢钟)发生故障,故障涉及5颗卫星。虽然ESA相信已经找到了故障的原因(铷钟故障因短路引起,氢钟故障源于长时间冷备份),问题得到了解决,而且又签署了12颗卫星的采购合同,但其解决方案是否有效仍需要时间的检验。

英国“脱欧”既给欧盟未来发展带来不确定性,也增加了“伽利略”系统发展的不确定性。目前,“伽利略”系统的发展完全由欧盟的公共资金支持。英国的脱欧必将削弱欧盟的政治影响力与整体的经济实力,削弱欧盟支撑“伽利略”系统维持与发展的能力。如果英国脱欧产生连锁性反应,这种结果对欧盟与“伽利略”系统都将是灾难性的。

2017年,ESA与德国OHB公司、英国萨瑞卫星技术公司(SSTL)签署了研制12颗“伽利略”卫星的合同,使“伽利略”工作卫星的采购数量达到34颗,满足了“伽利略”系统投入全面运行的要求。但2017年4月欧盟为“伽利略”系统研发增加了新的要求:即供应商所在国为非欧盟成员时,欧盟可单方面解除合同,且不产生违约金,并有权要求退出合同的供应商支付寻找替代者产生的费用。此条款有可能使有效载荷承包商英国萨瑞卫星技术公司成为直接受害者,同时也将对“伽利略”卫星的研发产生不利影响。

4. 日本谋求GPS增强与自主区域卫星导航系统的共同发展

2017年,日本加快了QZSS系统的建设步伐,计划发射卫星3颗,完成QZSS系统第一阶段4颗卫星的部署,实现2018年系统投入初始运行的目标。

日本非常重视QZSS系统融入全球卫星导航体系之中,从最初主要以接替“多功能运输卫星增强系统”提供GPS增强服务,逐步演变为GPS增强与自主导航并举,成为真正意义上的区域卫星导航系统。其发展的重要节点包括:2001年,提出发展QZSS系统的基本构想;2003年,确定了以政府为主、政府与民营力量联合发展的系统框架;2006年3月,正式列为日本国家航天开发的重点项目;2011年9月,将第一阶段3星组网方案调整为4星组网,并规划了第二阶段实现7星组网的发展目标。至此,形成了以GPS增强融入全球卫星导航体系,以区域卫星导航服务构建自主导航能力的发展路线。

QZSS系统由空间星座、地面运行控制系统和用户设备组成,其中空间星座由2颗部署在地球静止轨道(GEO)、5颗部署在倾斜地球同步卫星轨道(IGSO)的卫星组成。空间星座的部署分为两个阶段进行,第一阶段部署4颗卫星;第二阶段完成7颗卫星的部署。其中IGSO卫星部署在半长轴42164km,偏心率0.075,倾角41°的轨道。

按照星座设计,“准天顶卫星”(QZS)分为两种型号,即GEO轨道卫星和IGSO轨道卫星。两种型号卫星均采用经改进的三轴稳定DS-2000平台,IGSO轨道卫星干质量1600kg,发射质量4000kg,电源功率5.3kW,有效载荷功率2kW,设计寿命大于10年。

与IGSO轨道卫星相比,GEO轨道卫星增加了用于播发S频段短信服务的抛物面天线和相关载荷,使GEO轨道卫星发射质量增加至4700kg,干质量增加至1800kg,设计寿命15年。首颗GEO轨道卫星将定位于127°(E)。

5. 印度发展自主军用卫星导航能力,谋求大国地位

印度一直谋求获得安全、可靠的卫星导航能力,特别是支持军事应用的卫星导航能力。为此,印度与美国合作建设了“GPS辅助型地球静止轨道增强导航系统”(GAGAN);并与俄罗斯、欧盟开展了GLONASS、“伽利略”系统的国际合作,但均无果而终。最终印度政府决定发展、部署完全自主的卫星导航系统。

2006年5月9日,印度政府批准了IRNSS发展计划,计划耗资160亿卢比(约合3.5亿美元),发展由7颗卫星组成的空间段、地面运行控制段和用户段组成的区域卫星导航系统,覆盖印度及周边1500km以内的区域,提供优于20m的定位精度,计划于2009年中期发射首颗IRNSS卫星,2011年完成系统部署。提供标准定位服务(即民用服务)和授权服务(即军用服务)。

2016年4月,印度完成了由7颗卫星组成的IRNSS系统空间段的部署,使印度成为全球第4个完成卫星导航系统部署的国家。

然而,2017年1月底,在印度尚未完成IRNSS系统测试之际,首颗卫星(IRNSS-1A)的3部星载原子钟即全部发生故障;至6月又有4部星载原子钟发生故障;8月31日,为替换IRNSS-1A卫星发射的IRNSS-1H卫星因整流罩未分离造成发射失败,使IRNSS系统的发展雪上加霜。

从IRNSS系统的发展看,现阶段印度政府更重视获得独立的卫星导航能力,而对兼容、互操作并未给予高度重视,在全球其他卫星导航系统均在L1频段部署互操作信号的前提下,IRNSS系统只选择在L5与S频段各播发1个授权信号、1个开放信号。

二、多系统未来发展分析

1. 兼容与互操作成为多系统格局下卫星导航系统发展的基本规则

在卫星导航频率资源几乎耗尽的情况下,导航信号频率的重叠不可避免;同时,在为用户提供更好的定位、导航与授时服务的前提下,兼容与互操作就成为导航卫星系统发展必须遵循的规则。

兼容与互操作即是全球卫星导航领域多系统格局下的典型特征,2004年美国天基定位、导航与授时系统政策对兼容性与互操作性给出了如下定义:

兼容性是指单独或共同使用美国和国外的天基定位、导航与授时服务时,彼此不会产生对服务或信号的相互干扰,并且不会对导航战能力构成不利的影响。

互操作性是指在用户层面上共同使用美国与外国的天基定位、导航和授时服务的民用部分,并为用户提供优于单个系统提供服务或信号的能力。

凭借先发优势,以及几乎独占全球民用导航市场的巨大优势,GPS系统将成为兼容与互操作的最大受益者。要参与全球民用导航市场的竞争,其他导航卫星系统必须与GPS系统兼容,其导航信号与频率才能获得批准,从而使美国在双边、多边兼容与互操作谈判中占据有利地位。这也是美国积极倡导导航卫星系统兼容与互操作的重要因素。

就卫星导航系统的发展而言,兼容即是对现有卫星导航系统的保护,避免新的卫星导航系统或信号对现有系统或信号的干扰,也限制或制约了新的卫星导航系统或信号的发展,增加了导航卫星系统发展的技术难度与准入门槛。

卫星导航系统间的互操作有利于为用户提供更高精度、更好可用性和稳健性的导航服务。从互操作信号发展的角度看,率先提出、发展互操作信号将占据有利位置。因此,在发布新天基定位、导航与授时系统政策前,美国即与欧盟签署了涉及GPS与“伽利略”系统兼容与互操作的合作协议,确定了GPS系统L1C信号与“伽利略”系统E1-L1-E2信号的互操作。虽然,卫星导航系统正在进入多系统格局的时代,但GPS系统在性能、应用与市场占有率方面的优势,使其在全球导航标准、政策等方面占据了主导地位,其他卫星导航系统必须与其兼容和互操作,同时还要提供更高质量的定位、导航与授时服务(包括精度、可靠性、操作便捷性、价格等),提供与GPS不同的特色服务,并满足更高的成本和效益要求等。

2. 新系统发展需面对更严峻的市场挑战

在兼容与互操作成为卫星导航系统发展规则的多系统并存格局下,新卫星导航系统不但要遵循兼容与互操作规则,还要面对更严峻的市场挑战。在卫星导航应用领域,GPS系统拥有巨大的先发优势,一度完全占据了全球卫星导航应用市场。新的卫星导航系统不但要实现与GPS系统的兼容、互操作,还要提供质量有特色的、更高质量的定位、导航与授时服务,才能在竞争日趋激烈的卫星导航应用市场中占据一席之地,满足用户对性能、成本等不断提高的需求。

当前,能否在全球卫星导航应用市场占据一席之地已经成为衡量卫星导航系统发展成功与否的重要标志,否则将很有可能被边缘化,失去在卫星导航领域的竞争力,这也是“伽利略”、GLONASS、“北斗”和QZSS系统选择播发L1C互操作信号的重要原因。相反,印度IRNSS系统虽然满足了兼容性要求,但没有播发与GPS和其他卫星导航系统的互操作信号,加之服务性能偏低,其在全球卫星导航应用市场的竞争能力较低,使其很难融入全球卫星导航应用体系,可能难以发挥提升印度的国际地位、有效促进经济发展的作用。

3. 军事服务能力的立足之本地位进一步增强

满足军事需求是最初全球卫星导航系统发展的根本目标,只是卫星导航民用应用的快速发展及其在政治、经济、外交等领域的推动作用,使其重要性不断增加,甚至达到了与军事应用相当的程度。但是,随着全球政治、经济中心向亚太地区的转移,政治冲突、文化冲突、经济利益冲突导致全球不稳定性的增加,军事冲突的风险加大。因而,全球卫星导航系统军事能力倍增器作用的重要性进一步增长,军事服务能力——卫星导航系统立足之本的地位进一步增强。

从GPS现代化计划与美国空军启动的导航技术试验卫星-3(NTS-3)项目来看,军事服务的导航战能力是两个计划的核心,俄罗斯与欧盟也在积极研发GLONASS和“伽利略”系统的导航战技术,当前的重点是自主导航技术与能力,包括:自主导航算法,射频、激光与量子最简单链路技术等。由此可以看出,美国一直以军事服务能力为GPS系统发展的核心,而俄罗斯在完成GLONASS系统恢复、欧盟在启动“伽利略”系统部署的同时,已将提升军事服务能力作为两个系统的发展核心。因此,在多系统并存的格局下,卫星导航系统军事服务能力的将更为重要,卫星导航系统立足之本的地位也将进一步增强。



(作者:佚名)
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