2024年国外导航卫星系统发展综述
2024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5颗，分别为：美国第三代导航卫星全球定位系统（GPS-3）第7颗卫星，以及4颗欧盟“伽利略”（GALILEO）系统第一代全运行能力卫星（GALILEO-FOC）。截至2024年底，国外在轨运行并提供导航服务的卫星91颗，其中，美国GPS系统31颗，俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）系统24颗，欧洲“伽利略”系统25颗，日本“准天顶”（QZSS）系统4颗，“印度导航星座”[NavIC，原“印度区域导航卫星系统”（IRNSS）]7颗卫星。2024年，世界主要航天国家通过技术迭代、新卫星部署等推进系统升级、卫星换代工作，持续提升系统服务精度、稳定性。全球卫星导航系统方面，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，年内发射第三代导航卫星全球定位系统（GPS-3）第7颗星；运行控制系统方面，原定于2024年交付的GPS新一代运行控制系统增量1/2阶段（OCXBlock1/2）再次延迟，推迟至2025年；此外，美军导航技术卫星-3（NTS-3）发射推迟至2025年。俄罗斯当前以GLONASS-K系列卫星的研制、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；2024年，俄罗斯未发射导航卫星。欧洲一方面推进“伽利略”系统第二代导航卫星的研发、测试，其二代星已通过关键设计审查，同时，完备第一代全运行能力卫星（GALILEO-FOC）组网与全面部署，年内两次“一箭双星”活动发射4颗导航卫星；另一方面，在巩固GNSS系统发展基础的同时，着手探索低轨导航等，计划在2025～2026年开展“低轨定位导航与授时”（LEO-PNT）项目演示。区域卫星导航系统方面，日本明确将扩大其“准天顶”卫星导航系统的规模；印度则通过2023年部署的首颗第二代NavIC系统卫星检验了其自研星载原子钟性能，后续将继续第二代卫星的部署工作。美国第三代导航星技术持续迭代，卫星稳步部署美军第三代导航卫星计划部署10颗GPS-3与22颗GPS-3F，随着时间延续及技术发展，系列星后续卫星承载了更多任务。美国第三代导航卫星主承包商洛马公司（LM）于2024年内接收2套激光反射器（LRA），计划集成至第9和第10颗GPS-3卫星，开展精密定轨在轨测试；美国天军（USSF）还计划基于第10颗GPS-3卫星开展激光通信测试。美国近年来以每年1～2颗的速度部署GPS-3卫星，在稳步部署第三代导航卫星的同时，也注重提升应急情况下快速部署补网卫星的能力。天军2024年12月在佛罗里达州卡纳维拉尔角利用太空探索技术公司（SpaceX）猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭实施了名为快速响应开拓者-1（RRT-1）的“国家安全太空发射”（NSSL）任务，成功发射第7颗GPS-3卫星；USSF因联合发射联盟（ULA）的“火神”（Vulcan）火箭技术不确定性原因，于2024年夏季将该发射任务重新分配给SpaceX，以测试NSSL计划灵活性的极限。SpaceX此前已成功发射5颗GPS-3卫星，此次RRT-1任务的成功实施展示了SpaceX的快速响应能力，也体现了天军紧急情况下快速部署重要卫星的能力，这对于维持GPS系统的稳定性和可靠性至关重要。欧盟抓紧“伽利略”系统一代星部署与二代星研制欧盟第二代导航卫星的研制工作已取得重要进展，正在努力规避因运载工具原因导致的第一代导航星“卫星等火箭”问题。欧盟第一代导航卫星第三批次卫星早已全部研制完毕，等待发射，其2024年通过SpaceX公司猎鹰-9运载火箭发射4颗第一代“伽利略”导航卫星，至此，第一代第三批次导航卫星还有6颗尚待发射。欧盟第二代导航卫星已于6月通过关键设计审查，二代导航星的首批卫星共计12颗，将配备全数字导航有效载荷、电推进系统、改善信号发射功率、配备星间链路和新型原子钟等，卫星制造商分别为泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）和空客公司（Airbus）。地面段方面，欧盟在2024年顺利完成了“伽利略”地面运控系统的主要升级工作。“伽利略”系统的主备份运控中心、两个安全监控中心以及七处设施先后进行了大规模升级，强化了导航电文生成、漂移监控与星地时间同步等能力，可提高导航系统的稳健性和可靠性；此次升级对于“伽利略”系统公共监管服务（PRS）至关重要。日本进一步明确11颗卫星导航星座构想2024年，日本进一步明确在2030年末完成11颗卫星构成的星座建设目标。此前，日本于2023年修订了其空间政策基本计划，考虑11星的星座扩展方案，包括8颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和3颗地球静止轨道（GEO）卫星，分布于5个轨道面。日本“准天顶”系统目前星座构型为1颗GEO卫星和3颗IGSO卫星，日本计划在当前1颗GEO卫星基础上增加2颗GEO卫星，在当前3个IGSO轨道面基础上再增加1个IGSO轨道面，每个轨道面包含2颗IGSO卫星，通过以上计划拓展“准天顶”星座规模及服务范围，目前其卫星发射部署主要受H-3运载火箭技术状态影响。美国NTS-3卫星将于2025年发射原计划2024年发射的导航新技术验证卫星导航技术卫星-3因联合发射联盟的“火神”运载火箭技术状态原因推迟至2025年发射，其将在地球同步轨道开展为期1年的在轨试验，涉及在轨可重新编程技术、高增益天线技术、先进原子钟技术等关键技术，以及地面运控及终端测试、多轨道卫星定位、导航与授时（PNT）架构潜在优势评估等工作。NTS-3相关前沿技术的试验有望进一步提升美军天基导航能力，为其天基导航体系向更稳健、更灵活和更具弹性发展夯实基础。美天军启动“弹性全球定位系统”计划美国天军2024年推出了旨在通过增加具有成本效益的小型卫星来增强现有GPS星座弹性的“弹性全球定位系统”（R-GPS）计划，当前，天军计划研制并发射8颗该类型卫星，以应对干扰、欺骗和持久中断问题。2024年，美天军以“快速启动”（QuickStart）方式向阿斯特尼斯（Astranis）、阿克西恩特（Axient）、L3哈里斯（L3 Harris）和塞拉航天（SierraSpace）四家公司分别授出合同，开展R-GPS卫星概念设计研究。欧盟低轨定位导航授时计划预计于2025～2026年开展演示验证2024年1月，欧洲航天局（ESA）披露了其卫星导航活动的最新情况，欧盟预计于2025～2026年开展LEO-PNT计划演示验证。ESA部长级会议于2022年11月批准该项目，意图构建一个由6～12颗卫星组成的初始星座，以测试其能力并演示新频段的可用性，ESA计划在欧洲产业政策委员会批准后立即授出合同。新的LEO-PNT演示工作将通过多频段播发信号。演示项目还将包括与汽车等终端用户的密切合作，以探索低地球轨道PNT对汽车未来自动驾驶增值服务的潜力。相关工作将为未来欧盟采购和部署完整低轨导航星座铺平道路。低轨星座具有地面接收信号强度高的特点，对增强现有天基导航服务的精度、完好性、连续性及可用性具有显著优势，是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，简称“修娜”）与信任点公司（Trustpoint）均有相应低轨导航星座建设计划。修娜公司曾于2022年发射1颗卫星用以试验低轨导航技术，其最终目标是发射250～300颗卫星建成低轨导航卫星星座。2024年，其选择比利时卫星制造商航空航天实验室（Aerospacelab）研制其低轨导航星座首颗导航卫星。Aerospacelab是一家制造和运营小型卫星的初创公司，计划在美国开设卫星工厂，修娜公司的首颗卫星将基于Aerospacelab“多功能卫星平台”（VSP）进行生产，在美国新工厂进行组装、集成和测试。目前，基于该平台的在轨卫星数量为6颗。根据双方协议，Aerospacelab还将协助修娜公司获得必要的卫星运营商许可证，并提供为期两年的发射及运营保障服务。信任点公司曾于2023年先后发射2颗卫星进行导航技术相关试验，该公司低轨导航星座计划基于C频段播发导航信号，以规避L频段多发干扰和欺骗，信任点公司选择了美国蜘蛛橡树公司（SpiderOak）为其未来网络提供网络安全服务，以确保“网络安全、任务弹性和数据可靠性”。SpiderOak“零信任架构”网络安全技术支持数据在不同用户及可变安全协议的网络和基础设施间安全传输。信任点公司计划2026年前完成60颗以上卫星部署，2030年前完成300颗以上卫星部署，最终提供分米级精度服务。国际各大系统间竞争愈发激烈，卫星导航系统建设任重道远。目前，美国GPS系统空间段第三代卫星处于稳定部署阶段，随着第三代卫星在系统中占比的提升，新型星钟的高准确度、低漂移等将促进系统服务精度的提升；首型后续型号的卫星平台未来将支持在轨升级，结合点波束信号功率增强，全数字化有效载荷等将使GPS系统迸发出更强的性能。欧盟“伽利略”系统目前已推出高精度服务，其第二代导航卫星亦将数字化、信号在轨重构作为其发展重点，同时也将集成先进原子钟及电推进系统，具备星间链路功能。此外，利用多轨道混合架构完善当前GNSS系统服务已成为天基导航能力提升的重要发展思路，多轨道导航、通导融合等势必深刻影响未来天基导航系统发展及PNT体系建设。
