国外卫星导航系统的最新发展与思考

全球定位系统

G NSS W orld of China Vol．４０，No．４

August，２０１５

doi：１０．１３４４２／j．g nss．１００８‐９２６８．２０１５．０４．０１３

国外卫星导航系统的最新发展与思考

王森１，朱筱虹１，朱小辉２，曾欣１

（１．北京卫星导航中心，北京１０００９４；２.６５０３７，辽宁葫芦岛１２５００１）

摘要：从系统建设、应用、管理、等方面，综合分析了国外主要导航国家为推进各自卫星导航系统发展而采取的最新措施以及进展情况。结合我国北斗卫星导航系统建设实际，提出了我国卫星导航系统建设中应采取的针对性建议。

关键词：GPS；GLONASS；Galileo；IRNSS；北斗系统

中图分类号：T N９６７.１文献标志码：A文章编号：１００８‐９２６８（２０１５）０４‐００６１‐０４

0引言

卫星导航系统在国家政治、军事和经济生活中发挥着越来越重要的作用。随着我国“北斗二号”区域系统的正式投入运行，国外卫星导航领域正在发生巨大变化。其中，美国进一步加速GPS系统现代化建设步伐；印度IRNSS系统建设按计划推进；俄罗斯GLONASS系统虽然现代化建设提速，但在２０１４年系统运行却遭遇史上最严重的故障；欧盟Galileo系统组网计划则因卫星发射异常向后延期。上述情况表明，国际卫星导航领域正在发生深刻变革，各国不断调整卫星导航，积极推进自身卫星导航系统建设，这使得未来世界卫星导航领域发展与挑战并存。

为进一步推进我国“北斗二号”系统的建设发展，密切跟踪国外卫星导航系统的最新发展，比较分析世界不同国家或地区卫星导航系统发展的技术、管理、等情况及趋势，提出我国北斗卫星导航系统的发展思路、建议和对策，具有重要意义。1美国GPS系统持续推进现代化，技术攻关取得新进展

２０１４年，美国尽管面临研发建设维护专用资金一再削减的困境，但为保持GPS系统在全球卫星导航系统领域中的主导权，通过适时优化调整发展策略，不仅星座现代化成果明显，而且新一代卫星研制和备份系统技术攻关也取得重大突破。1.1空间段持续优化星座

２０１４年２月２０日、５月１６日、８月１日和１０月２９日［１］，美国相继发射４颗GPS IIF卫星，目前

GPS星座在轨卫星３１颗，包括４颗Block IIA卫星、１２颗Block IIR卫星、７颗Block IIR‐M卫星和８颗Block IIF卫星，现代化卫星已占星座工作卫星的５０％以上。GPS IIF卫星是GPS现代化卫星的主用卫星，具有导航精确度高、抗干扰性好、寿命长、可在轨升级软件系统等特点，加载了新的L５波段民用信号。

1.2地面段列装第2台铷喷泉钟

信号传播时间的精度决定导航定位的精度。如果GPS星钟偏差了３ns，就意味着GPS导航有１m的误差。２０１４年２月，美国海军天文台（US‐NO）为施里弗空军基地装备第２台铷喷泉钟，使其成为世界上最精准的主钟群，精度达３００p s，先前主钟群的时间基准精度为１～２ns．USNO专家分析，新的铷喷泉钟将成为下一代频率标准，有助于提升GPS运行能力，使GPS授时精度提高１０倍［２］。

1.3用户段为抢占市场放宽出口

出于自身安全利益考虑，美国一直以来严格GPS高精度接收机的出口。随着GLONASS、北斗等卫星导航系统异军突起，美国GPS在国际市场上面临的竞争压力持续加大。２０１４年５月，美国决定自１１月１０日起放宽宇航级和高动态GPS接收机的出口，这将大大降低美国GPS 企业运行成本，增加产品出口率，提升海外竞争力。

收稿日期：２０１５‐０２‐１０

联系人：王森E‐mail：seeseaws＠sina．com1.4关键技术攻关取得新突破

２０１４年１月，美国Exelis公司成功对GPS OCX导航、密钥和任务上传生成器（M UG）等软件进行集成与测试，这版软件将有助于地面控制人员更好地掌握卫星在空间中的精确位置。３月，Ex‐elis公司在高保真模拟太空条件和在轨环境下，成功对GPS III卫星有效载荷６个发射机组件进行了测试。同时，因财政紧缩状况，美国空军还优化调整了GPS OCX计划；为后续２２颗GPS III卫星研制发布需求公告，寻求新的承包商。

2俄罗斯GLONASS系统现代化提速，国际合作达成新成果

为提高服务精度，拓展市场范围，俄罗斯加快GLONASS系统现代化速度，加大国际合作力度，积极谋求在境外建设GLONASS地面监测站等措施，取得了良好的成效，但总体上进展不太平坦，继２０１３年卫星一箭三星发射失败之后，２０１４年系统又连遭史上最严重故障［３］，与美协商在其境内建站一事也遭其坚决反对。

2.1空间段卫星发射计划基本完成

２０１４年俄罗斯计划发射５颗GLONASS‐M 卫星，但后来略有调整，３月２３日和６月１５日各发射１颗GLONASS‐M卫星，１１月３０日则发射１颗GLONASS‐K１卫星［４］。GLONASS‐K卫星是俄新一代GLONASS卫星，比第二代GLO‐NASS‐M卫星服役期限更长，可达１０年，将在L１和L２频段上传输民用和军用共５种导航信号，并在L３频段发播新的民用CDM A信号。目前，GLONASS星座在轨卫星２８颗（２６颗GLO‐NASS‐M和２颗GLONASS‐K１），２４颗健康工作星，１颗备份星，１颗维修中，２颗处于测试中。2.2地面段国际合作取得重要成果

为提高GLONASS的性能，俄罗斯计划在境内外建设大约５０个地面监测站。２０１４年，俄罗斯计划在国外部署６至７个GLONASS差分校正和监测系统站。虽然与美国协商在其境内建设地面站受挫，但可喜的是先后与尼加拉瓜、越南和中国达成合作意向，在尼加拉瓜和越南各建１个，按数量对等原则在中国建设３个（中国则在俄境内建设３个北斗系统地面站）。

2.3用户段与中国达成广泛合作协议

为落实俄中两国元首卫星导航领域合作意见，２０１４年１０月１３日，俄罗斯GLONASS非商业集团与中国北方工业公司签署合作备忘录，双方将在“联合研发并生产高技术芯片、联合筹备‘丝绸之路’项目（为参与贸易的汽车提供导航服务）、研究使用高精度导航系统给商业发展提供的机遇、联合研制基于GLONASS／北斗系统的导航设备、探讨创建卫星导航合资企业的可能性”等五大领域开展合作。

2.4GLONASS星座发生全系统故障。

２０１４年４月２日和１５日，GLONASS系统接连两次发生重大事故。其中，第１次故障更为严重，整个星座发生全部中断，所有卫星均发播错误信息，全球范围内GLONASS接收机都无法正常使用，故障持续达１１小时之久。后经查明，GLO‐NASS故障是由软件数学错误引起。有评论认为：“GLONASS故障令人深思。这种错误也可能发生在GPS、伽利略或‘北斗’系统身上，值得广泛关注。”这让人们对卫星导航系统的安全性再生担忧。3欧盟Galileo系统发星出现异常，组网计划陷入新困境

欧盟Galileo系统建设问题不断，在轨卫星工作失效，首批全面运行能力卫星发射出现异常，后续卫星发射所需运载火箭协调困难，星座组网计划将再次面临推迟，不过在相关的支持下，早期服务和应用推广则有序进行。

3.1在轨卫星发生故障

２０１４年５月２７日，Galileo第４颗（GSA T０１０４）在轨（IOV）卫星因电源突然中断，导致卫星E１信号关闭，尽管随后该信号立刻进行自动恢复，但很快其他两个频段电源也发生中断，终使其未能得到恢复，地面团队为此关闭了整个卫星，目前这颗卫星处于不可用状态［５］。

3.2卫星组网计划受阻。

Galileo系统星座由３０颗卫星组成，目前有６颗在轨卫星。２０１４年８月２２日，欧盟采用联盟号火箭从欧洲航天发射场一箭双星发射第５、第６颗Galileo全面运行能力（FOC）卫星，但卫星未能顺利进入预定轨道。经过一系列的机动抢救活动，欧洲航天局成功升高了这两颗卫星的运行轨道，第５颗Galileo已于２０１４年１１月底开始发播L５导航信号，进行在轨测试活动。２０１４年原计划采取一箭双星发射方式，发射３次，使空间卫星总数达到１０颗，使系统具备初始服务能力，但因这次发射发生异常，使后２次发射时间难以确定，这也将使星

２６全球定位系统第４０卷座完成组网的时间发生推迟。

3.3支持力度加大

２０１３年底，欧盟发布《关于制定新一轮多年度（２０１４－２０２０年）金融框架的条例》，将Galileo项目纳入欧盟预算，为其预留７０.７亿欧元预算，为欧洲卫星导航系统未来７年建设奠定了坚实的基础。欧委会批准“地平线２０２０：研究与创新框架计划（２０１４－２０２０年）”科研计划，大幅提高卫星导航科研创新基金，高达１３亿欧元，这将有利于加强欧盟中小企业参与度，提高欧盟空间产业竞争力，增强他们对建成自主系统的信心。

3.4运营准备全面展开

为尽早实现Galileo系统正式运营，２０１４年欧盟积极开展国际合作交流，１月吸纳瑞士加入欧盟Galileo计划；加快地面站建设步伐，３月葡萄牙地面站建成启用；统筹做好早期服务准备工作，４月欧洲导航局（GSA）就Galileo公共授权服务（PRS）技术路线图征询欧盟成员国和欧洲产业界的意见［６］，１０月欧盟将Galileo系统服务管理授权给欧洲GNSS局［７］，这为未来系统正式运营提供导航服务奠定了良好基础。

4印度IRNSS系统连续发射新星，系统建设迈入新阶段

印度IRNSS系统建设可谓是２０１４年全球卫星导航系统建设中的亮点，２颗IRNSS卫星的顺利发射，IRNSS标准定位服务空间信号接口控制文件的发布，使其距导航梦的实现又近了一步。4.1连续成功发射新星

印度区域导航卫星系统可以为印度本土及附近部分区域用户提供的导航定位服务，其星座共由７颗卫星组成，包括３颗GEO卫星和２对IGSO卫星，首颗卫星已于２０１３年７月发射升空。２０１４年４月４日、１０月１６日，印度空间研究组织（ISRO）使用PSLV‐C２４火箭从斯里赫里戈达岛萨迪什・达万航天中心先后成功发射IRNSS‐１B、IRNSS‐１C卫星［８］。这两颗卫星将与在轨的IRNSS‐１A相组合，完成其导航星座的最小组合。

4.2发布IRNSS SPS空间接口信号IRNSS将提供两种类型的服务：标准定位服务和服务。２０１４年７月，印度空间研究组织卫星中心发布了第１版《印度区域卫星导航系统标准定位服务（SPS）空间信号接口控制文件（SIS ［９］。该文件介绍了印度区域卫星导航系统标准定位服务信号和数据结构，描述了信号调制方式，频段、接收信号功率电平、数据结构及其说明、用户算法等内容，为卫星导航领域相关科研人员开展IRNSS SPS研究提供了参考和借鉴。

5结束语

综合分析国外主要导航国家为推进各自系统发展采取的有益做法或措施，取得的技术进步或建设成果，将对发展中的北斗卫星导航系统建设具有一定的借鉴意义。

１）加强运控区段质量建设，提高导航服务性能。

系统运控区段是卫星导航系统的重要组成部分，主要由主控站及分布在全球的一些监测站和上行注入站（地面天线）以及把它们联系起来的通信网构成，其建设质量的高低事关导航服务性能的优劣。为提高北斗卫星导航服务性能，一方面必须加强地面站特别是主控站建设，既要筹划软件系统的升级改造，也要考虑硬件场地的选址规划，另一方面必须加强国际合作力度，加快与有关国家在其境内建设地面站协商，为北斗系统走出国门参与全球市场竞争奠定基础。

２）加快服务监测平台建设，提高导航服务水平。

服务监测平台既是监测卫星导航系统运行服务状态的平台，又是广大用户了解导航服务基本信息的窗口。世界主要导航大国都建设有GNSS监测服务中心，如美国海岸警卫队导航中心、俄罗斯航天局协调信息中心、欧盟Galileo运行服务中心（西班牙）和加拿大Rx网络公司等。这些机构大都能独自监测卫星运行状态，及时向用户提供有关卫星健康状况、布局变化等信息。在俄GLONASS 系统发生故障的第一时间，这些平台都及时发现，作出分析，给予判断。与之相比，我国只是相关媒体给予转载，鲜有机构或公司给出自己的观测分析，必须尽快建立以北斗系统监测服务为主的综合性服务平台，向广大用户提供高质量的卫星导航服务。

３）加强导航卫星维护力，提高星座运行稳定性。

导航卫星是导航有效载荷的载体，是卫星导航系统星座的核心构成。但系统星座部署维护非一日之功，涉及卫星建造、发射和使用寿命问题；同时卫星自身也是一个极为复杂的系统，除需确保各部分性能正常之外，还要不断地对其升级改造，一旦

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第４期王森，等：国外卫星导航系统的最新发展与思考卫星寿命到期或出现故障无法继续使用，必须及时发射备份星来补充，否则就将面临无星可用的局面。为确保卫星系统性能的稳定性和先进性，美俄近年加快现代化导航卫星发射速度，仅２０１４年就发射了７颗。当前，我国北斗卫星导航区域系统已投入使用，在大力推进北斗全球系统的研制建设中，应注重二代卫星的升级和维护，特别是备份星应做好储备，确保区域系统和全球系统之间的平稳过渡。

４）加强备份／补充手段建设，提高导航定位能力。

卫星导航的脆弱性特点一直是全球各界关注的焦点。俄罗斯GLONASS２０１４年连续多次出现故障，服务中断时间甚至长达１１小时，令人对卫星导航系统的可靠性和安全性再次产生担忧。为降低对GPS系统的依赖，美国正积极开展“适应性导航系统”技术等新型PN T项目研究，eLoran系统作为一种发展成熟的低频远程导航系统，也成为美国会研拟中的GPS备份系统；英国和韩国eLoran 系统建设取得重要进展，前者已具备基本运行能力。我国北斗卫星导航系统同样面临易受干扰、易被欺骗的危险。为此，我们在推进北斗全球系统研制建设的同时，也应加大多传感器集成导航和脉冲星导航等非卫星导航系统的攻关研究。

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作者简介

王森（１９７７－），男，工程师，主要从事卫星导航战略、法规和情报研究工作。

朱筱虹（１９７５－），女，高级工程师，主要从事卫星导航科技信息情报研究工作。

朱小辉（１９７７－），男，助理工程师，主要从事情报保障研究工作。

曾欣（１９８４－），女，工程师，主要从事卫星导航科技信息情报研究工作。

Comparative Studies of Foreign GNSS Development

WANG Sen1，ZHU Xiaohong1，ZHU Xiaohui2，ZENG Xin1

（１．Bei j ing Satellite N av i g ation Center，Bei j ing１０００９４，China；

２.６５０３７T roo p s，H uludao１２５００１，China）

Abstract：Actions adopted by foreign great powers in satellite navigation to facilitate their development are analyzed from various aspects such as technologies，application devel‐opment，management and policies．Achievements on system construction and technology de‐velopment are also introduced．With these knowledges，constructive measures to BD satellite navigation system development are proposed．

Key words：GPS；GLONASS；Galileo；IRNSS；BDS

４６全球定位系统第４０卷