50年來衛星導航系統發展與應用

1.引言

1957年美國兩位科學家在跟蹤蘇聯首顆衛星時無意中發現，收到的無線電信號有都卜勒頻移效應，即衛星在飛近地面接收機時收到的無線電頻率逐漸增高，飛遠時則逐漸降低。科學家對這種現象認真研究後產生靈感，衛星的軌道可由地面站測得的都卜勒頻移曲線確定，若知道衛星的精確軌道，就能確定地面接收機的位置。從此就產生衛星導航概念，這個概念首先被美國軍方採用，準備用於對核潛艇導航，從而提高隱蔽性，達到長期（1-2年）潛伏的目的。為此,美國在上個世紀60年代開始研製,並成功發射20多顆子午儀導航衛星，緊接上世紀80年代--90年代先後出現美國全球定位系統（GPS)；蘇聯格洛納斯(GLONASS)；歐盟伽利略(Galileo)導航衛星也追上。

本世紀初期印度與日本積極開發區域衛星導航系統,2009 年我國研製北鬥衛星導航系統,，從2001年開始發射北鬥一號衛星導航系統，至2020年上半年完成北鬥三號最後一顆衛星，20年時間連續不斷成功發射59顆衛星，從2017年11月5日至2018年11月19日，1年時間，完成北鬥三號系統10箭19星超高密度發射，創造了世界航天史奇蹟。半個多世紀衛星導航系統發展速度是飛快的，對軍民應用是巨大的。

為此本文將進行較系統全面論述50年來衛星導航系統發展與應用:首先討論導航衛星產生與子午儀衛星導航系統;其次介紹全球導航系統(GPS);格洛納斯(GLONASS);伽利略(Galileo),以及區域導航衛星(印度與日本);最後論證中國發展北鬥導航衛星三步走的正確性與輝煌成果,以及提出創新性反向GPS全球三維定位系統。

2.初期—子午儀導航衛星

美國子午儀導航衛星採用雙曲面交會定位原理，用戶接收導航衛星發送的無線電信號，根據都卜勒頻移效應，測定用戶到導航衛星的相對速度，得到用戶到兩顆導航衛星的距離差，從而構成兩個以上的雙曲面，再通過雙曲面相交形成雙曲面交會點，從而推算出用戶位置。美國於1960年4開始發射的「子午儀」導航衛星，正式使用在上世紀60年代末期到70年代。

子午儀導航系統一般採用4-5顆衛星組成星座,見圖-1右邊所示,衛星採用重力梯度姿態穩定,指向精度5-10度,衛星見圖-1左邊所示。軌道高度1000公裡圓軌道,定位精度約50-100米.不能連續實時導航、兩次定位時間間隔很長、只能提供二維定位，對高速移動物體定位精度誤差很大。

圖-1 子午儀導航衛星和星座

子午儀導航系統一般由衛星;控制中心;跟蹤站;計算中心;注入站等組成,詳見囪-2所示。

圖-2 子午儀導航系統組成

2.全球導航衛星

1.）全球導航系統(GPS)

由美國國防部研製建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛星導航系統，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確授時等導航信息。GPS可以提供車輛定位、防盜、反劫、行駛路線監控及呼叫指揮等功能，要實現以上所有功能必須具備GPS終端、傳輸網絡和監控平臺三個要素。 GPS軌道高度約20200公裡，傾角55度,由24顆衛星組成星座,衛星分布在6條交點互隔60度的軌道,軍民兩用,軍用定位精度優於1米;民用約10米。GPS星座見圖-3所示。

圖-3 GPS星座

GPS 1994年正式投入使用,至今已有20多年,一邊使用,一邊發展技術,提高使用水平,總共發射29顆衛星,近期GPS發展第二代第三代,衛星技術與星上設備更新換代,圖-4表示衛星外形結構改變。圖左邊為第三代GPS衛星,重量3883公斤,其中燃料1414 公斤,2019年成功發射。GPS-III全部運行後，將構建33顆MEO和GEO衛星相結合的GPS混合型星座。混合星座結構能更好地提高用戶的定位精度，提高系統的穩定性和可用性。

圖-4 GPS衛星外形結構改變

由於GPS衛星技術極大提升與測軌精度準確,目前GPS民用定位精度約1米,軍用定位精度估計伏於釐米,其他技術指標也會改善。

GPS與北鬥3號互相比美,北鬥3號有星間鍵路，星座位置自主保待，而且有三種混合軌道,可靠性連續性略高於GPS，而且北鬥3號定位延時小，北鬥3號未來技術性能還可持續提升。

2.) 格洛納斯(GLONASS)

俄羅斯GLONASS衛星導航系統擁有工作衛星21顆，，同時還有3顆備份衛星，共24顆衛星均布於3個軌道平面的相互夾角按升交點經度計算為120°，編號按地球自西向東的旋轉方向遞增，分別為No．1、No．2、No．3。1～8號衛星在No．1軌道，其餘類推。各軌道的衛星編號均按衛星運動的反方向遞增。軌道傾角64．8°±0．3°，軌道偏心率為±0．01。衛星距地面高度為1．91萬km，運行周期為1 1h15m45 s。由於GLONASS衛星軌道傾角大於GPS衛星的軌道傾角，故在高緯度(50度以上)地區的可視性較好。地面用戶每天提前4．07min見到同一顆衛星，在中國境內可見到24顆中高度角5度以上的11顆衛星，比能夠見到的GPS衛星要多3～4顆。每顆GLONASS衛星上都裝有銫原子鐘，以產生高穩定的時間標準，並向所有星載設備提供同步信號。星載計算機將從地面控制站接收到的信息進行處理，生成導航電文向地面用戶播發。

圖-5 GLONASS衛星導

GLONASS衛星導航系統從2001年開始發射,到2019年總共成功發射45顆。衛星重量1415公斤,軌道高度19100X19100公裡,傾角64.8度,衛星外形結構見圖-6所示，GLONASS衛星導航定位精度已經5-6米提升到1-2米。

圖-6 GLONASS衛星外形結構

3.) 伽利略(Galileo)

由歐盟研製和建立的全球衛星導航定位系統，軌道高度為23616km的30顆衛星組成，其中27顆工作星，均勻分布在3個軌道平面,每個軌道平面9顆,其餘3顆為備份星,軌道傾角為56度。從2011 年開始發射到2018年總共成功發射21顆,衛星重量在700-800公斤, 每次發射各顆衛星重量略有不同,衛星外形結構見圖-7所示。

圖-7 伽利略衛星外形結構

伽利略導航衛星還在發展，目前，Galileo的偽距單點定位精度平均可達到水平方向5m、垂直方向10m，平均授時精度達10ns。

3.區域導航衛星

1.）印度區域導航衛

印度區域導航衛星系統包含7顆衛星及輔助地面設施。其中3顆為同步衛星，分別位於東經34度、83度及132度。另外四顆衛星位於傾角29度的8字形軌道上，與赤道交於東經55度及111度，分別為兩個8字形。這樣的安排意味著7顆衛星都可以持續地與印度控制站保持連絡。衛星負載包含原子鐘及產生導航信號的電子裝備。印度區域導航衛星設計質量約1370千克，使用壽命9年以上。為了讓位置信號準確無誤，每個衛星上都有4個銣原子鐘，達到十億分之一秒的穩定性。利用用戶接收到的信號時間差，計算出用戶位置，星座構形與覆蓋區見圖-8所示。

圖-8 印度區域導航星座構形與覆蓋區

印度區域導航衛星系統設計覆蓋東經40°—140°和北緯40°～南緯40°的範圍，包括印度次大陸及印度洋等區域，可為印度全境及周邊2000千米的範圍提供全天候的單頻和雙頻導航信號，誤差不超過20米。印度還將在2021年之前將其自己的導航系統命名為NAVIC，位置精度為5米，普通為10米，加密/軍事目的為10-20釐米。

2.)日本準天頂區域導航衛星

準天頂系統有3顆傾斜同步軌道的衛星在日本上空工作，8小時輪換交替，從而保證任何時刻都有一顆仰角較高的衛星在日本的「天頂」當班，這使得在大樓林立的城市中心以及山谷地帶，這顆不會被遮擋的衛星可以「補充」GPS在惡劣環境下的定位能力。而4號衛星成功發射，將與以前發射的3顆衛星一起，構成可覆蓋日本及周邊的區域衛星導航定位輔助增強系統。準天頂已經過試運行階段，2018年正式為日本及周邊地區提供服務，2023年增加到7顆衛星，有可能擴展為不依賴GPS而獨立運行的區域導航系統。

準天頂衛星提供兩種GPS增強信號：L1S、L1Sb（2020年開始提供SBAS星基增強服務）可提供亞米級別的定位精度增強服務，使得日本境內用戶定位精度從只依靠GPS時的10米提升到1米左右；另一種是釐米級增強信號L6，包括L6D和L6E，都可以進行精密單點定位。準天頂系統還能提供警告服務，包括地震海嘯等災害預警；當GPS衛星出現異常時，也可及時通知用戶，避免錯誤定位。準天頂區域導航衛星座與覆蓋區域見圖-9所示。

圖-9 準天頂區域導航衛星座與覆蓋區域

4.北鬥導航衛星三步走

三步走是我國獨創發展戰略寶貴成功經驗，從鄧小平三步走發展戰略：第一步1990年解決溫飽；第二步2000年前達到小康；第三步本世紀中葉實現中等發達國家水平，生活富裕，基本實現現代化。到航天發展計劃，例如載人航天：第一步載人上天；第二步交會對按；第三步空間站，探月工程三步走：繞月；降落月面；取樣返回地面，以及北鬥導航衛星三步走。這些都取得輝煌成果。

北鬥導航衛星總共有：北鬥1號導航衛星；北鬥2號導航衛星，以及北鬥3號導航衛星，稱為北鬥導航衛星三步走計劃。

第一步

北鬥1號導航衛星星座在2001組建，整個北鬥1號衛星導航系統共發射4顆衛星，星座需要2-3顆,另外1顆作備分用。北鬥1號衛星導航系統是有源二維定位（平面）區域導航。導航衛星在距離地面36000公裡，位於不同位置運行，需要定位設備先向這些導航衛星發信號,等回信號後,才可確定位置精度,定位精度為100米，校準後的精度能夠達到20米，北鬥1號主要服務於中國地區。北鬥1號衛星導航統工作原理見圖-10。

圖-10 北鬥1號衛星導航系統工作原理

北鬥1號導航衛星重量2200公斤,外形結構見圖-11。

圖-11 北鬥1號導航衛星外形結構

第二步

北鬥2號導航衛星星座包括兩部內容：主要部分為區域無源三維定位，服務於亞太地區；另一部分是小型的全球導航系統，由4顆中圓軌道衛星組成，運行方式和功效與GPS基本相似，作為實驗衛星，可以看作為北鬥3號事前技術試驗。北鬥2號導航系統由14顆衛星組成，包括5顆地球同步靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星和4顆中圓軌道衛星，另加6顆備分衛星，共20顆衛星。北鬥2號導航星座衛星軌道分布見圖-12所示。

圖-12 北鬥2號導航星座衛星軌道分布

北鬥2號導航傾斜地球同步軌道衛星,軌道高度為35652/35959公裡,傾角為55.26度。。

北鬥2號導航衛星為亞太地區用戶提供定位、測速、授時、廣域差分和短報文通信服務,定位精度10米,授時精度50納秒,測度精度0.2米/秒。

當完成北鬥1號和2號導航衛星任務,就走完第2步,第3步為創建北鬥3號導航星座任務,也是北鬥導航衛星系統的重點。

第三步

北鬥3號導航星座最大特點就是由三種不同軌道組成的。其中包括；第一個由3顆地球同步靜止軌道（GEO），第二個由3顆傾斜地球同步軌道（IGSO），第三個由24顆中圓軌道（MEO）,共30顆衛星,若加5顆備分星,總共35顆。北鬥3號導航星座衛星軌道分布見圖-13所示。

圖-13 北鬥3號星座衛星軌道分布

1.）中圓軌道（MEO）星座

中圓軌道高度約為21519/21545公裡,傾角為55.26度,由24顆衛星組成。分布在3個軌道面,每個面有8顆，中圓軌道星座衛星分布見圖-14所示（不含備分衛星）。

圖-14 中圓軌道星座衛星分布

北鬥3號中圓軌道衛星一部分由航天科技集團空間研究院研製,衛星外形結構見圖一15所示,重量1014公斤,

圖一15 空間研究院研製衛星外形結構

另一部分由上海微小衛星工程中心研製,衛星外形結構見圖一16所示,重量小於950公斤。

圖一16 上海微小衛星工程中心衛星外形結構

2.）地球同步軌道星座

地球同步軌道星座設6顆衛星,分別3顆為傾斜地球同步軌道（IGSO）和3顆為靜止軌道(GEO)。

傾斜地球同步軌道星座,軌道高度35652/3599公裡,傾角55度,衛星重量4200公斤。當地球同步軌道傾角不為零,衛星運動呈8字形, 8字兩點頂點即南北緯度，也是傾角55度,此時8字形狀已經很大,再加上橢園度不為零時,8字形狀發生傾斜,若傾斜8字形原點在近地點,8字形南北形狀相等，當遠地點在北緯，近地點在南緯，選擇在東經108度,也是中國中心,8字形狀南北傾斜不對稱,北大南小,這樣有利中國地區以及北半球覆蓋,3顆傾斜地球同步軌道衛星分布，相位差120°,星座構型如圖-13所示。傾斜地球同步軌道衛星外形結構見圖一17所示。

圖一17 傾斜地球同步軌道衛星外形結構

靜止軌道星座軌道高度和傾斜地球同步軌道高度完全相同,但傾角與橢園度皆為零,衛星重量4600公斤。靜止軌道衛星外形結構見圖一18所示。

圖一18 北鬥3號靜止軌道衛星外形結構

3顆靜止衛星分別定點在東經80°、110.5°和140°等,這樣也同樣有利中國和亞洲地區覆蓋。

3.）北鬥3號導航衛星星座特點

概括起來，北鬥3號星座具有下列三個特點：

1)採用三種不同軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比，高軌衛星具有更多抗遮擋能力，尤其低緯度地區性能特點更為明顯；

2)提供多個頻點的導航信號，通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度；

3)創新融合導航與通信能力,具有實時導航,快速定位,精確授時,位置報告和短報文通信服務等五大功能。

根據上述特點，下面討論體現在北鬥3號具體應用方面與技術性能。

北鬥3號星座定位導航授時服務性能指標如下：

服務區域：全球；

定位精度：水平 10m、高程 10m（95%）；測速精度：0.2m/s（95%）；

其中，在亞太地區，定位精度水平 5m、高程 5m（95%）。實測結果表明，北鬥系統服務能力全面達到並優於上述指標。

今後北鬥3號衛星導航系統將有可能提供更高定位精度，例如：米級、分米級，甚至釐米級服務。定位精度達到釐米級時，不僅能服務汽車導航和駕駛，也有助於無人機送貨。除此以外,北鬥運載工具有一個新功能,「上面級」這樣一種運載工具，衛星在脫離主火箭後，「上面級」可以「接力」火箭繼續飛行，通過多次點火、變軌，將不同軌道的衛星送入各自的工作軌道。這就好像車站、機場的擺渡車一樣，集中下飛機、下火車的「乘客」通過「上面級」這輛「擺渡車」，可以精準的前往各自不同目的地。因此「上面級」又被稱為「太空擺渡車」。這對一箭多星具有很大意義,特別是對小衛星。

未來更進一步發展北鬥3號導航衛星系統,先實現室外無縫導航,然後有望再逐步實現室內無縫導航。

5.反向GPS一三維定位系統

三維定位系統基於反GPS工作原理，GPS工作原理是地面目標同時能收到空間3-4顆衛星發出無線電信號，根據對接受各顆衛星信號時差，經過數據處理，獲得地面目標位置和速度。反GPS工作原理為在空間編隊飛行3-4顆衛星能同時收到地面目標發出無線電信號，根據對接受信號時差與頻差，獲得地面目標位置，這就是電子偵察衛星。

由四顆小衛星按三維編隊飛行軌跡布置，編隊飛行中心有一顆主星，圓周上按相隔120º均勻分布三顆輔星，見圖-19所示。

圖-19 四顆小衛星按三維編隊飛行軌跡布置

圖-20表示電子偵察衛星系統工作原理，若採用4顆衛星 ，可以獲得三維定位。

圖-20 電子偵察衛星系統工作原理

三維定位系統最少採用4顆衛星，若衛星數量增加，三維定位精度提高。當採用精確編隊飛行動力學模型和定位方法，進行數學仿真，可獲得下列結果：若採用時差和頻差混合定位方法，則可以獲得很高的定位精度。當編隊飛行衛星之間位置精度優於1m，各星時間同步精度要求在10 ns(10-8s)，頻差精度為1～2 Hz，則全球的地面雷達三維定位精度估計優於1km，星下奌半徑為1km的區域三維定位精度0.5 km；當星下奌半徑為2km的區域三維定位精度0.8 km。具體三維定位精度分布見圖-21所示 。

圖-21 三維定位精度分布

若要實現全球電子偵察衛星定位，建議把主衛星軌道改為極軌道。為了滿足全球三重覆蓋一天最少一次，採用多組編隊飛行，每組中心衛星都在同一個軌道平面，而且各組均勻分布。由於每組編隊飛行都具有三重覆蓋，只要中心星構成的編隊隊形所覆蓋範圍足夠寬廣，就可滿足每天一次全球覆蓋（一天回歸軌道）。全球電子偵察衛星5組編隊飛行星座運動軌跡如圖-22所示，重訪時間4.8小時；若3組編隊飛行，重訪時間8小時。

圖-22 全球電子偵察衛星飛行軌

6.結束語

本文較系統全面論述50年來衛星導航系統發展與應用。值得指出：1）北鬥衛星導航系統三步走，方針正確，成果纍纍。在不到20年時間解決我國從無到有衛星導航系統，而且達到世界先進水平，在某些方面創造性超出；2）提出一個創新方案,應用反向GPS工作原理,實現全球三維定位系統,定位精度可達0.5公裡,比常規電子偵察衛星幾公裡，提升4-5倍,若全球三維定位,重訪時間4-5時。