2023年国外导航卫星系统发展综述

article/2025/6/8 10:30:46

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文章转载自微信公众号国际太空,来源:《国际太空》2024年第4期,作者:武珺 王韵涵 张祎莲 李铁骊,责编:王晓宇,版权归原作者及刊载媒体所有。

2023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3颗,分别为美国第三代导航卫星全球定位系统(GPS-3)第六颗卫星、俄罗斯格洛纳斯-K2(GLONASS-K2)导航卫星首星,以及印度首颗第二代导航卫星——印度区域卫星导航系统-1J(IRNSS-1J)。截至2023年底,国外在轨导航卫星100颗;在轨运行并提供导航服务的卫星90颗,其中,美国GPS系统31颗,俄罗斯“格洛纳斯”系统24颗,欧洲“伽利略”(GALILEO)系统23颗,日本“准天顶”(QZSS)系统5颗,“印度导航星座”[NavIC,原“印度区域导航卫星系统”(IRNSS)]7颗卫星。

1 2023年国外卫星导航领域发展概况

2023年,世界主要航天国家或地区通过部署新卫星、加速研发测试与推出新服务等一系列举措,持续推进天基导航服务精度提升,并增强系统稳定性。

美国在保持GPS系统稳定运行的基础上,在GPS系统现代化框架下持续推进系统第三代卫星的研制、发射、测试与部署,年内宣布GPS系统第三代卫星首个型号研制生产工作全部完成,并成功发射第六颗GPS-3卫星;运行控制系统方面,原定于2023年初交付的GPS新一代运行控制系统增量1/2阶段(OCXBlock1/2)进度再次延迟;此外,美军导航技术卫星-3(NTS-3)发射推迟至2024年。

俄罗斯当前以GLONASS-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,同时兼顾高轨导航卫星的研发。2023年,俄罗斯天基导航领域的工作亮点是成功发射GLONASS-K2导航卫星首星。

欧洲一方面推进“伽利略”系统第二代导航卫星的研发、测试,筹备全运行能力卫星(GalileoFOC)组网与全面部署;另一方面,在巩固GNSS系统发展基础的同时,着手探索低轨导航,以及地月导航服务相关技术。2023年,“伽利略”系统正式推出高精度服务,基于精密单点定位校正可实现水平定位精度20cm、垂直定位精度40cm。

2 国外卫星导航系统现代化升级工作

持续推进美国GPS系统第三代卫星

空间段新卫星稳定部署

美国天军(USSF)太空系统司令部(SSC)已于2023年内宣布第10颗GPS-3卫星处于可发射状态,标志着GPS系统第三代卫星首个型号研制生产工作的完成。2021年6月发射的第5颗GPS-3卫星已于2022年5月正式入役,该星的正式入役标志着GPS星座中支持播发M码的卫星数量达到24颗,系统空间段全球范围播发M码能力已现雏形。2023年1月,美军成功发射了第6颗GPS-3卫星,信号精度和抗干扰性能进一步提升,其支持GNSS系统互操作的L1C信号,并扩展了民用L5信号。

欧盟“伽利略”系统第二代导航卫星步入在轨验证开发阶段

在2023年欧洲导航年会上,欧洲航天局(ESA)与泰雷兹-阿莱尼亚航天公司(TAS)、空中客车防务与航天公司(ADS)和泰雷兹SixGTS公司分别签署合同,开始为“伽利略”系统第二代导航卫星提供包括信号与性能、装配核验、系统安全性与“伽利略”公共管制服务等在内的系统工程支持。未来,欧洲航天局在完成后续10颗一代卫星发射部署后,将开启“伽利略”系统第二代导航卫星的部署。2021年,欧洲航天局分别与TAS公司和ADS公司签订了卫星研制合同,两家公司分别独立研制6颗第二代导航卫星。

欧盟正式推出“伽利略”系统高精度服务

欧洲航天局于2023年1月在比利时布鲁塞尔举行的欧洲空间会议上宣布正式向用户开放“伽利略”系统高精度服务(HAS),标志着欧洲“伽利略”系统正式推出高精度服务。HAS基于“伽利略”E6-B信号(E6频段数据分量)提供高精度卫星导航精密单点定位校正服务,以改善用户实时定位性能,其不能通过智能手机和其他大众市场产品访问,只能通过高端接收器访问;这一服务也可通过互联网提供,便于联网设备的广泛应用。HAS服务常规情况下可实现水平定位精度20cm、垂直精度40cm,随着其余“伽利略”卫星的持续发射,HAS服务将得到进一步改进。

俄罗斯首发“格洛纳斯”系统、GLONASS-K2卫星

2023年8月,俄罗斯用联盟-2.1b(Soyuz-2.1b)火箭成功发射GLONASS-K2卫星首星(见图1)。GLONASS-K2卫星是GLONASS-K1卫星的改进型号,质量约为1645kg,设计寿命10年,可播发9个导航信号,既可播频分多址信号,又可在L1、L2及L3频段播发码分多址(CDMA)信号,可确保现有范围的用户导航设备的向后兼容性和不间断的操作。GLONASS-K系列卫星将进一步改善系统服务性能,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,增强了与其他卫星导航系统的兼容性与互操作性。

图1 俄罗斯GLONASS-K2卫星示意图

印度发射NavIC第二代导航卫星首星,

搭载自研原子钟

2023年,印度维持了其NavIC区域卫星导航系统的稳定运行;年度工作亮点为成功发射NavIC系统第二代导航卫星。5月,印度利用地球同步卫星运载火箭-MK-2(GSLV-MK-2)成功发射印度区域卫星导航系统-1J(IRNSS-1J)卫星。IRNSS-1J为第二代印度导航卫星的首星,质量为2232kg,设计寿命为12年,平台搭载L1、L5和S频段有效载荷,即在支持系统原有服务基础上,增加对L1频段信号支持,以增强与其他GNSS信号的互操作性及向民用市场推广服务。该星同时搭载了印度自研的铷原子钟。

日本接收美军两部光学传感器载荷,

未来将用“准天顶”系统搭载

美太空系统司令部于2023年1月和5月向日本交付了共计两部光学传感器有效载荷。该载荷由麻省理工学院林肯实验室研制,将搭载在日本“准天顶”卫星导航系统地球同步轨道卫星上。多年来,美天军一直寻求低成本的传感器技术监测地球静止轨道,致力于在国际合作伙伴所属/运营卫星平台上部署态势感知有效载荷。2020年,日本国家空间政策办公室与美天军签署了一项协议,美天军将在“准天顶”星座卫星上搭载两部光学传感器有效载荷。第一部将由QZS-6搭载,第二部将由QZS-7搭载,均预计于1~2年内部署。

3 探索多轨道架构提升天基导航能力,相关活动蓄势待发

美国高轨NTS-3卫星已开展系列测试,

为发射和在轨实验做准备

导航技术卫星-3是美军主导的卫星导航技术先导项目,入选美空军“先锋”(Vanguard)计划。通过研发并测试先进天基导航技术,助力当前GPS-3卫星向未来GPS-3F顺利过渡。NTS-3卫星将在地球同步轨道开展为期1年的在轨试验,测试定位导航与授时(PNT)信号和架构、地面控制系统,以及软件定义的用户接收机,其中可重新编程是试验重点之一。值得关注的是,美军还将通过NTS-3卫星评估多轨道PNT架构的潜在优势。

2023年,NTS-3卫星在美国爱德华兹空军基地的消声设施进行射频测试;卫星还运抵美国柯特兰空军基地空军研究实验室(AFRL)的集成测试设施,通过热真空测试模拟卫星运行环境。NTS-3卫星原计划于2023年底利用美国联合发射联盟公司(ULA)的新型“火神/半人马座”(VulcanCentaur)火箭搭载发射。2023年3月,火箭上面级结构在美国国家航空航天局(NASA)马歇尔太空飞行中心开展资格认证测试时遭遇异常故障,导致ULA需要排查故障。发射时间方面,考虑运载火箭故障排除及安全性原因,NTS-3卫星的发射时间推迟至2024年。

欧盟正在规划低轨定位导航授时计划,

未来将授出合同

欧洲航天局聚焦低地球轨道卫星导航星座关键技术的“低轨定位导航授时”(LEO-PNT)计划将很快开始测试一个由至少十颗卫星组成的小型低轨星座。欧洲航天局下辖的导航管理机构计划在近地轨道开展卫星导航在轨演示验证,以补充“伽利略”系统能力,探索多层卫星导航系统的方法。该计划由欧盟航天计划局“未来导航”(FutureNAV)计划支持。目前,欧洲航天局参与LEO-PNT的成员国包含奥地利、比利时、芬兰、法国、德国、匈牙利、意大利、挪威、葡萄牙、罗马尼亚、西班牙、瑞典、瑞士和英国。

4 国外创企持续推进商业低轨卫星导航计划

低轨星座具有地面接收信号强度高的特点,对增强当前导航服务的精度、完好性、连续性和可用性具有显著优势,已成为当前卫星导航领域的关注热点。

美国创企修娜太空系统公司(XonaSpaceSystems)低轨商业导航星座计划属于典型代表。该公司计划未来尽快部署一个由300颗小卫星构成的低轨导航星座,为授权用户提供加密、高精度的PNT服务。其于2022年完成“休津”(Huginn)演示验证卫星发射与试验工作,并与海克斯康(Hexagon)、诺瓦泰(NovAtel)、思博伦(Spirent)、赛峰(Safran)等公司建立联系,在信号模拟仿真与导航信号接收机等方面开展合作。此外,其低轨定位、导航和授时服务获得空军研究实验室和美国天军投资。

5 结语

时间测距体制卫星导航系统已实现了从“无”到“有”,正从“有”到“优”发展。在卫星导航服务精度不断提升的同时,航天强国更加注重服务的高精度、连续性,以及复杂条件下的可用与可信,其本质是确保更加稳定、更加可靠的高精度时间基准、空间基准的泛在传递,为多类用户提供全天时、全天候、高精度导航定位与授时服务。以上对卫星导航系统相关政策、组织与管理、稳定运行与系统维护、升级与演进发展等提出了更高的要求,也促使各个国家或组织在多个维度发力、提升天基导航能力。

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