50年來衛星導航系統發展與應用

2020-11-25 騰訊網

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。

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    作為這之後我國首場大型衛星導航交流盛會,中國衛星導航年會首度來到北鬥衛星的「母港」——四川。年會上,圍繞北鬥衛星的應用場景,專家學者勾勒出一幅從當下延伸至未來的畫卷;圍繞「北鬥」相關產業的發展。業內人士還分析了四川的機遇與挑戰。
  • 中國衛星導航行業調查分析及發展趨勢預測報告(2020-2026年)
    **年,中國新一代北鬥導航衛星的研製生產工作正穩步推進,北鬥衛星導航系統「第三步」建設已全面啟動,計劃於**年前後覆蓋全球。  據中國產業調研網發布的中國衛星導航行業調查分析及發展趨勢預測報告(2020-2026年)顯示,在「十三五」期間,衛星導航將在眾多領域如航空、海路、鐵路、建築、電信、電力等方面的應用都會有很大的發展空間。
  • 北鬥衛星導航系統應用服務體系1.0版本發布
    中國衛星導航系統管理辦公室主任、北鬥衛星導航系統新聞發言人冉承其。 國新網 圖12月27日,國新辦舉辦北鬥三號系統提供全球服務一周年有關情況發布會。中國衛星導航系統管理辦公室主任、北鬥衛星導航系統新聞發言人冉承其在發布會上正式發布了,北鬥衛星導航系統應用服務體系1.0版本,北鬥精密單點定位信號和B2b信號接口控制文件測試版,以及北鬥系統發展報告4.0版。冉承其表示,北鬥系統全球覆蓋和服務能力進一步完善,向建成世界一流衛星導航系統目標邁出堅實一步。
  • 新聞辦就《中國北鬥衛星導航系統》白皮書等情況
    國務院新聞辦公室於2016年6月16日(星期四)發表《中國北鬥衛星導航系統》白皮書,並於當日上午10時在國務院新聞辦新聞發布廳舉行新聞發布會,介紹白皮書和北鬥衛星導航系統有關情況。國務院新聞辦新聞發言人胡凱紅和中國衛星導航系統管理辦公室主任、北鬥系統新聞發言人冉承其出席,並答記者問。