劉春保

（北京空間科技信息研究所）

2019年，國外共進行了3次導航衛(wèi)星發(fā)射，3次發(fā)射均取得成功，發(fā)射導航衛(wèi)星3顆。其中美國1次，成功發(fā)射全球定位系統(tǒng)－3（GPS－3）衛(wèi)星1顆；俄羅斯2次，成功發(fā)射格洛納斯－M（GLONASSM）衛(wèi)星2顆。截至2019年年底，國外在軌運行并提供導航服務(wù)的衛(wèi)星共85顆，其中，美國GPS系統(tǒng)30顆，俄羅斯GLONASS系統(tǒng)22顆，歐洲“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)22顆，日本“準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)”（QZSS）4顆，印度“印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（IRNSS）7顆。

1 美國—聚焦關(guān)鍵技術(shù)與未來發(fā)展，鞏固、提升GPS系統(tǒng)的主導地位

從GPS系統(tǒng)與衛(wèi)星導航關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況看，影響GPS系統(tǒng)未來發(fā)展的標志性事件包括：①首顆GPS－3衛(wèi)星進入試運行狀態(tài)，即將投入使用；②新一代運行控制系統(tǒng)（OCX）成功完成賽博安全測試，開始部署監(jiān)測接收設(shè)備；③繼2018年簽署GPS－3衛(wèi)星后繼型號（GPS－3F）衛(wèi)星研發(fā)合同后，2019年簽署導航技術(shù)衛(wèi)星－3（NTS－3）研發(fā)合同，開展多項導航關(guān)鍵技術(shù)的空間飛行演示驗證。

GPS－3F衛(wèi)星

GPS－3系列衛(wèi)星—未來20年美國衛(wèi)星導航能力的重要支撐

GPS－3系列衛(wèi)星涉及2個型號32顆衛(wèi)星，其中GPS－3衛(wèi)星10顆，GPS－3F衛(wèi)星22顆。按計劃，GPS－3系列衛(wèi)星的發(fā)射將于2034年左右完成，構(gòu)成全部由GPS－3系列衛(wèi)星組成的星座。

與之前的型號相比，GPS－3衛(wèi)星的功能與能力主要變化包括：①增加了L1頻段的互操作信號L1C；②設(shè)計壽命增加至15年；③定位精度是之前型號的3倍，抗干擾能力是原來的8倍。在GPS－3衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，GPS－3F衛(wèi)星還將增加如下能力：①在軌升級與信號重構(gòu)能力；②點波束信號功率增強能力；③V頻段高速星間/星地鏈路；④增加搜索救援功能；⑤激光反射器陣列，提高衛(wèi)星軌道測量精度。

新一代OCX系統(tǒng)—導航戰(zhàn)能力的重要保障

新一代OCX系統(tǒng)是GPS運行控制段系統(tǒng)現(xiàn)代化改造的最后階段，目標是全面滿足現(xiàn)代化的GPS系統(tǒng)空間段的運行、控制與管理要求，保證GPS系統(tǒng)的運行安全。除支持空間段衛(wèi)星的全部功能和能力外，其最重要的能力增量就是賽博安全能力。在網(wǎng)絡(luò)空間已經(jīng)成為重要作戰(zhàn)域的背景下，運行控制系統(tǒng)的賽博安全能力正在成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務(wù)正常運行與運行控制權(quán)的重要保證。美國空軍為OCX系統(tǒng)設(shè)計了由5層防護結(jié)構(gòu)組成的多層防御體系，分別為防火墻與入侵探測、公共關(guān)鍵信息與加密、安全操作系統(tǒng)、跨領(lǐng)域防護和安全代碼等。

NTS－3衛(wèi)星示意圖

NTS－3項目—GPS系統(tǒng)未來發(fā)展的“鋪路石”

NTS－3項目是美國空軍開展的衛(wèi)星導航技術(shù)演示驗證項目，計劃2022年發(fā)射并開展為期1年的空間飛行演示驗證。NTS－3項目由兩部分組成；一是空間飛行演示驗證部分，即NTS－3衛(wèi)星，主要驗證GPS衛(wèi)星未來發(fā)展所需的有效載荷關(guān)鍵技術(shù)；二是地面運行管理與控制系統(tǒng)部分，主要驗證僅利用美國本土的地面基礎(chǔ)設(shè)施完成GPS系統(tǒng)運行管理和對抗環(huán)境下支持GPS系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)。

2 歐洲—穩(wěn)步推進系統(tǒng)建設(shè)，謀劃系統(tǒng)未來發(fā)展

“伽利略”系統(tǒng)建設(shè)穩(wěn)步推進

截至2019年底，“伽利略”系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)量25顆，包括3顆“伽利略-在軌驗證”（Galileo-IOV）衛(wèi)星和22顆“伽利略-全運行能力”（Galileo-FOC）衛(wèi)星，其中1顆處于不可用狀態(tài)，2顆處于測試狀態(tài)，22顆提供導航服務(wù)。按計劃，新一輪發(fā)射將于2021年初啟動，最早于2021年底完成“伽利略”系統(tǒng)全面運行能力的部署。

同時，新一代“伽利略”衛(wèi)星的發(fā)展已經(jīng)啟動。新一代“伽利略”系統(tǒng)將具有如下特征：自主運行、衛(wèi)星壽命更長、系統(tǒng)與服務(wù)更加安全、接收機更加優(yōu)化、系統(tǒng)的發(fā)展、維持與運行成本更低，同時具有足夠的兼容性與可擴展性。按計劃，新一代“伽利略”衛(wèi)星的發(fā)射活動將于2027年啟動。

“伽利略”系統(tǒng)故障凸顯系統(tǒng)運行風險

2019年7月，“伽利略”系統(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)級故障，系統(tǒng)服務(wù)全面中斷的時間超過140h，引起了各方的密切關(guān)注與對衛(wèi)星導航系統(tǒng)與服務(wù)脆弱性的進一步擔憂。2019年11月，故障調(diào)查委員會向歐盟委員會提交了事件調(diào)查報告。報告認為：此次故障是在地面基礎(chǔ)設(shè)施冗余備份受限的情況下，由多個事件共同引發(fā)的，原因是：①地面基礎(chǔ)設(shè)施升級安裝的臨時設(shè)備處理不當；②設(shè)備技術(shù)異常；③受到異常影響的設(shè)備為非標準配置設(shè)備。

此次故障暴露出“伽利略”系統(tǒng)運行管理存在諸多問題。GPS、GLONASS系統(tǒng)的運行管理均由軍方負責，更加重視系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)運維效率也更高。此次“伽利略”故障即是由于管理方違背地面運行控制系統(tǒng)升級原則，同時對主控站與備份主控站進行升級，并且存在地面基礎(chǔ)設(shè)施臨時設(shè)備處理不當、設(shè)備技術(shù)異常等技術(shù)與程序上非常低級的錯誤。

“伽利略”系統(tǒng)發(fā)射部署計劃

3 俄羅斯 —打破西方制裁，GLONASS星座全面更新即將啟動

截至2019年底，GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星28顆，包括26顆GLONASS－M衛(wèi)星和2顆GLONASS－K衛(wèi)星，其中，提供導航服務(wù)衛(wèi)星22顆，其余衛(wèi)星處于測試、備份等狀態(tài)。2019年，俄羅斯克服了西方國家制裁和航天預算減少的影響，完成了GLONASS－K系列衛(wèi)星的研發(fā)，2020年將全面啟動GLONASS－K系列衛(wèi)星的發(fā)射，計劃于2025年完成全部由GLONASS－K系列衛(wèi)星組成的空間星座的部署，完成GLONASS系統(tǒng)空間星座的全面升級。

GLONASS－K系列衛(wèi)星包括3個型號，分別為GLONASS－K1、增強型GLONASS－K和GLONASS－K2。GLONASS－K系列衛(wèi)星最重要的變化是增加碼分多址（CDMA）導航信號，以提升與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容性與互操作性，提升GLONASS系統(tǒng)的競爭能力。從GLONASS－K系列衛(wèi)星的發(fā)展角度看，俄羅斯高度重視GLONASS系統(tǒng)服務(wù)性能與導航戰(zhàn)能力的提升，也將成為GLONASS系統(tǒng)未來發(fā)展的重點。

GLONASS－K衛(wèi)星發(fā)展路線圖

4 日本—積極推進系統(tǒng)應用，謀求自主衛(wèi)星導航能力

2018年11月，QZSS系統(tǒng)投入運行與服務(wù)后，日本政府積極推動QZSS系統(tǒng)在民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域的應用。2019年，日本海上自衛(wèi)隊開展了QZSS系統(tǒng)應用的試驗活動，在2艘布雷艦、2艘潛艇和2艘搜救艦上部署了QZSS應用裝備，并開展了試驗、測試活動，還計劃于2021年在4艘護衛(wèi)艦上部署相關(guān)裝備。

QZSS系統(tǒng)的部署分2個階段進行，第一階段，于2018年前完成由1顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星＋3顆傾斜地球同步衛(wèi)星軌道（IGSO）衛(wèi)星組成的空間星座部署；第二階段，2023年前完成由7顆衛(wèi)星組成的QZSS系統(tǒng)的部署，并投入運行。

5 印度—初步擁有獨立的軍用衛(wèi)星導航能力

獲得軍用衛(wèi)星導航能力是印度發(fā)展IRNSS系統(tǒng)最重要的目標。2016年印度完成了由7顆衛(wèi)星組成的IRNSS系統(tǒng)的部署；2018年印度成功發(fā)射1顆IRNSS衛(wèi)星（IRNSS－1I），替換了失效的IRNSS－1A衛(wèi)星，使IRNSS系統(tǒng)處于完好狀態(tài)。

6 發(fā)展自主衛(wèi)星導航能力仍極具吸引力

韓國—振興航天產(chǎn)業(yè)，發(fā)展區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

2018年2月，韓國政府發(fā)布的《第三次航天開發(fā)振興基本規(guī)劃》提出，韓國將加快自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)步伐，并確定了2034年完成“韓國衛(wèi)星導航系統(tǒng)”（KPS）建設(shè)的目標。KPS系統(tǒng)空間段由7顆衛(wèi)星組成，包括4顆IGSO軌道衛(wèi)星和3顆GEO軌道衛(wèi)星。

英國—謀求發(fā)展自主衛(wèi)星導航能力

2018年11月底舉行的G20峰會上，英國首相特蕾莎·梅宣稱：“脫歐”后，英國將退出“伽利略”計劃，并謀求建立自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。英國已經(jīng)啟動了關(guān)于建立自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的評估活動，預計投資9200萬英磅開展可行性研究。

從技術(shù)角度看，英國具備獨立發(fā)展衛(wèi)星導航系統(tǒng)的能力。英國薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司（SSTL）不但是Galileo-FOC有效載荷的主承包商，而且是首顆“伽利略”在軌驗證元素－A（GIOVE－A）衛(wèi)星的主承包商，在導航衛(wèi)星平臺與導航有效載荷研發(fā)等方面擁有豐富的經(jīng)驗。

7 結(jié)束語

目前，國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)與技術(shù)的發(fā)展正在進入新的發(fā)展階段，即美、俄衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)或即將進入以導航性能的提升與導航戰(zhàn)能力的增強為核心的升級發(fā)展階段；歐洲、日本、印度衛(wèi)星導航系統(tǒng)則以系統(tǒng)建設(shè)和應用拓展為重點，謀求系統(tǒng)建設(shè)與應用的協(xié)調(diào)發(fā)展。

服務(wù)性能是滿足未來市場競爭與需求的關(guān)鍵

未來，全球衛(wèi)星導航領(lǐng)域市場的競爭進一步加劇。以未來高精度定位導航服務(wù)的核心應用領(lǐng)域—物聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛為例，其對定位精度的要求可能達到厘米級。因此，服務(wù)性能成為未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展、競爭的重要焦點之一。通過裝備新一代脈沖光抽運銫束鐘、數(shù)字化導航有效載荷、激光反射器陣列（用于實現(xiàn)精確定軌）等技術(shù)手段，美國GPS－3系列衛(wèi)星的定位精度將提升3倍；俄羅斯裝備新一代GLONASS－K系列衛(wèi)星裝備高精度、小型化被動氫鐘原子鐘，并播發(fā)新的CDMA導航信號；歐洲正在積極開展空間冷原子鐘的研發(fā)，以提高時間頻率系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定度。

導航戰(zhàn)、時間戰(zhàn)能力是信息化聯(lián)合作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵

從未來技術(shù)發(fā)展的角度看，滿足任務(wù)與需求變化的技術(shù)與能力，導航信號功率增強的技術(shù)與能力是未來強對抗戰(zhàn)場環(huán)境下，滿足軍用衛(wèi)星導航服務(wù)需求的關(guān)鍵。滿足任務(wù)與需求變化技術(shù)與能力是衛(wèi)星導航系統(tǒng)滿足未來軍用衛(wèi)星導航需求快速發(fā)展、變化的核心能力之一，將增強衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展可維持性和經(jīng)濟的可承受性。信號功率增強技術(shù)與能力則是緩解衛(wèi)星導航系統(tǒng)脆弱性，增強衛(wèi)星導航系統(tǒng)軍事服務(wù)抗干擾能力的支撐性關(guān)鍵技術(shù)。在NTS－3項目中，美軍開展了多個支撐信號功率增強、滿足任務(wù)與需求變化能力關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與演示驗證。

賽博安全能力將成為導航戰(zhàn)、時間戰(zhàn)能力的核心支撐

作為賽博空間的組成部分，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的地面運行控制段與通信、指揮鏈路正面臨著日益嚴重的賽博安全問題。特別是在賽博空間成為與陸、海、空、天并列的作戰(zhàn)空間后，世界各國均在大力發(fā)展賽博空間作戰(zhàn)能力，賽博空間的作戰(zhàn)能力已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭勝負的重要因素，衛(wèi)星導航系統(tǒng)也必將成為敵方賽博攻擊的重要目標。

從衛(wèi)星導航系統(tǒng)運行的角度看，衛(wèi)星導航系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運行需要地面運行控制系統(tǒng)的全面支持，如果運行控制系統(tǒng)不能有效地防御賽博攻擊，則衛(wèi)星導航系統(tǒng)只能采取自主導航模式，而在此情況下，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務(wù)性能將隨時間的增加降低。從導航戰(zhàn)功能實現(xiàn)的角度看，當前衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)具備或正在研發(fā)的全部導航戰(zhàn)功能均需按照地面運行控制系統(tǒng)的指令運行，如果不能有效地防御賽博攻擊，運行控制系統(tǒng)將不能保證對空間星座、衛(wèi)星實施有效的運行管理與控制，更不能保證按需求啟動上述導航戰(zhàn)功能。因此，賽博安全能力將成為運行導航戰(zhàn)功能與實現(xiàn)導航戰(zhàn)能力的重要支撐。