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林来兴|50年来卫星导航系统发展与应用

发布时间:2021-12-29作者来源:金航标浏览:251


1.引言


1957年美国两位科学家在跟踪苏联首颗卫星时无意中发现,收到的无线电信号有多普勒频移效应,即卫星在飞近地面接收机时收到的无线电频率逐渐增高,飞远时则逐渐降低。科学家对这种现象认真研究后产生灵感,卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定,若知道卫星的精确轨道,就能确定地面接收机的位置。从此就产生卫星导航概念,这个概念首先被美国军方采用,准备用于对核潜艇导航,从而提高隐蔽性,达到长期(1-2年)潜伏的目的。为此,美国在上个世纪60年代开始研制,並成功发射20多颗子午仪导航卫星,紧接上世纪80年代--90年代先后出现美国全球定位系统(GPS);苏联格洛纳斯(GLONASS);欧盟伽利略(Galileo)导航卫星也追上。


本世纪初期印度与日本积极开发区域卫星导航系统,2009 年我国研制北斗卫星导航系统,,从2001年开始发射北斗一号卫星导航系统,至2020年上半年完成北斗三号最后一颗卫星,20年时间连续不断成功发射59颗卫星,从2017年11月5日至2018年11月19日,1年时间,完成北斗三号系统10箭19星超高密度发射,创造了世界航天史奇迹。半个多世纪卫星导航系统发展速度是飞快的,对军民应用是巨大的。


为此本文将进行较系统全面论述50年来卫星导航系统发展与应用:首先讨论导航卫星产生与子午仪卫星导航系统;其次介绍全球导航系统(GPS);格洛纳斯(GLONASS);伽利略(Galileo),以及区域导航卫星(印度与日本);最后论证中国发展北斗导航卫星三步走的正确性与辉煌成果,以及提出创新性反向GPS全球三维定位系统。


2.初期—子午仪导航卫星

美国子午仪导航卫星采用双曲面交会定位原理,用户接收导航卫星发送的无线电信号,根据多普勒频移效应,测定用户到导航卫星的相对速度,得到用户到两颗导航卫星的距离差,从而构成两个以上的双曲面,再通过双曲面相交形成双曲面交会点,从而推算出用户位置。美国于1960年4开始发射的“子午仪”导航卫星,正式使用在上世纪60年代末期到70年代。


子午仪导航系统一般采用4-5颗卫星组成星座,见图-1右边所示,卫星采用重力梯度姿态稳定,指向精度5-10度,卫星见图-1左边所示。轨道高度1000公里圆轨道,定位精度约50-100米.不能连续实时导航、两次定位时间间隔很长、只能提供二维定位,对高速移动物体定位精度误差很大。



  
图-1   子午仪导航卫星和星座

子午仪导航系统一般由卫星;控制中心;跟踪站;计算中心;注入站等组成,详见囱-2所示。


 


-2  子午仪导航系统组成

2.全球导航卫星

1.)全球导航系统(GPS)

由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统,能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确授时等导航信息。GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能,要实现以上所有功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。        GPS轨道高度约20200公里,倾角55度,由24颗卫星组成星座,卫星分布在6条交点互隔60度的轨道,军民两用,军用定位精度优于1米;民用约10米。GPS星座见图-3所示。

 

图-3   GPS星座

GPS 1994年正式投入使用,至今已有20多年,一边使用,一边发展技术,提高使用水平,总共发射29颗卫星,近期GPS发展第二代第三代,卫星技术与星上设备更新换代,图-4表示卫星外形结构改变。图左边为第三代GPS卫星,重量3883公斤,其中燃料1414 公斤,2019年成功发射。GPS-III全部运行后,将构建33颗MEO和GEO卫星相结合的GPS混合型星座。混合星座结构能更好地提高用户的定位精度,提高系统的稳定性和可用性。


 
图-4   GPS卫星外形结构改变

由于GPS卫星技术极大提升与测轨精度准确,目前GPS民用定位精度约1米,军用定位精度估计伏于厘米,其他技术指标也会改善。



GPS与北斗3号互相比美,北斗3号有星间键路,星座位置自主保待,而且有三种混合轨道,可靠性连续性略高于GPS,而且北斗3号定位延时小,北斗3号未来技术性能还可持续提升。


2.) 格洛纳斯(GLONASS)

俄罗斯GLONASS卫星导航系统拥有工作卫星21颗,,同时还有3颗备份卫星,共24颗卫星均布于3个轨道平面的相互夹角按升交点经度计算为120°,编号按地球自西向东的旋转方向递增,分别为No.1、No.2、No.3。1~8号卫星在No.1轨道,其余类推。各轨道的卫星编号均按卫星运动的反方向递增。轨道倾角64.8°±0.3°,轨道偏心率为±0.01。卫星距地面高度为1.91万km,运行周期为1 1h15m45 s。由于GLONASS卫星轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角,故在高纬度(50度以上)地区的可视性较好。地面用户每天提前4.07min见到同一颗卫星,在中国境内可见到24颗中高度角5度以上的11颗卫星,比能够见到的GPS卫星要多3~4颗。每颗GLONASS卫星上都装有铯原子钟,以产生高稳定的时间标准,并向所有星载设备提供同步信号。星载计算机将从地面控制站接收到的信息进行处理,生成导航电文向地面用户播发。     

 


图-5  GLONASS卫星导

GLONASS卫星导航系统从2001年开始发射,到2019年总共成功发射45颗。卫星重量1415公斤,轨道高度19100X19100公里,倾角64.8度,卫星外形结构见图-6所示,GLONASS卫星导航定位精度已经5-6米提升到1-2米。 


图-6  GLONASS卫星外形结构

3.) 伽利略(Galileo)

由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统,轨道高度为23616km的30颗卫星组成,其中27颗工作星,均匀分布在3个轨道平面,每个轨道平面9颗,其余3颗为备份星,轨道倾角为56度。从2011 年开始发射到2018年总共成功发射21颗,卫星重量在700-800公斤, 每次发射各颗卫星重量略有不同,卫星外形结构见图-7所示。

 

图-7  伽利略卫星外形结构

伽利略导航卫星还在发展,目前,Galileo的伪距单点定位精度平均可达到水平方向5m、垂直方向10m,平均授时精度达10ns。

 

3.区域导航卫星

1.)印度区域导航卫

印度区域导航卫星系统包含7颗卫星及辅助地面设施。其中3颗为同步卫星,分别位于东经34度、83度及132度。另外四颗卫星位于倾角29度的8字形轨道上,与赤道交于东经55度及111度,分别为两个8字形。这样的安排意味着7颗卫星都可以持续地与印度控制站保持连络。卫星负载包含原子钟及产生导航信号的电子装备。印度区域导航卫星设计质量约1370千克,使用寿命9年以上。为了让位置信号准确无误,每个卫星上都有4个铷原子钟,达到十亿分之一秒的稳定性。利用用户接收到的信号时间差,计算出用户位置,星座构形与覆盖区见图-8所示。

 


图-8  印度区域导航星座构形与覆盖区

印度区域导航卫星系统设计覆盖东经40°—140°和北纬40°~南纬40°的范围,包括印度次大陆及印度洋等区域,可为印度全境及周边2000千米的范围提供全天候的单频和双频导航信号,误差不超过20米。印度还将在2021年之前将其自己的导航系统命名为NAVIC,位置精度为5米,普通为10米,加密/军事目的为10-20厘米。


2.)日本准天顶区域导航卫星

准天顶系统有3颗倾斜同步轨道的卫星在日本上空工作,8小时轮换交替,从而保证任何时刻都有一颗仰角较高的卫星在日本的“天顶”当班,这使得在大楼林立的城市中心以及山谷地带,这颗不会被遮挡的卫星可以“补充”GPS在恶劣环境下的定位能力。而4号卫星成功发射,将与以前发射的3颗卫星一起,构成可覆盖日本及周边的区域卫星导航定位辅助增强系统。准天顶已经过试运行阶段,2018年正式为日本及周边地区提供服务,2023年增加到7颗卫星,有可能扩展为不依赖GPS而独立运行的区域导航系统。


准天顶卫星提供两种GPS增强信号:L1S、L1Sb(2020年开始提供SBAS星基增强服务)可提供亚米级别的定位精度增强服务,使得日本境内用户定位精度从只依靠GPS时的10米提升到1米左右;另一种是厘米级增强信号L6,包括L6D和L6E,都可以进行精密单点定位。准天顶系统还能提供警告服务,包括地震海啸等灾害预警;当GPS卫星出现异常时,也可及时通知用户,避免错误定位。准天顶区域导航卫星座与覆盖区域见图-9所示。  


 


图-9  准天顶区域导航卫星座与覆盖区域


4.北斗导航卫星三步走

三步走是我国独创发展战略宝贵成功经验,从邓小平三步走发展战略:第一步1990年解决温饱;第二步2000年前达到小康;第三步本世纪中叶实现中等发达国家水平,生活富裕,基本实现现代化。到航天发展计划,例如载人航天:第一步载人上天;第二步交会对按;第三步空间站,探月工程三步走:绕月;降落月面;取样返回地面,以及北斗导航卫星三步走。这些都取得辉煌成果。


北斗导航卫星总共有:北斗1号导航卫星;北斗2号导航卫星,以及北斗3号导航卫星,称为北斗导航卫星三步走计划。

第一步

北斗1号导航卫星星座在2001组建,整个北斗1号卫星导航系统共发射4颗卫星,星座需要2-3颗,另外1颗作备分用。北斗1号卫星导航系统是有源二维定位(平面)区域导航。导航卫星在距离地面36000公里,位于不同位置运行,需要定位设备先向这些导航卫星发信号,等回信号后,才可确定位置精度,定位精度为100米,校准后的精度能够达到20米,北斗1号主要服务于中国地区。北斗1号卫星导航统工作原理见图-10。

 

图-10  北斗1号卫星导航系统工作原理

北斗1号导航卫星重量2200公斤,外形结构见图-11。

 




图-11  北斗1号导航卫星外形结构

第二步

北斗2号导航卫星星座包括两部内容:主要部分为区域无源三维定位,服务于亚太地区;另一部分是小型的全球导航系统,由4颗中圆轨道卫星组成,运行方式和功效与GPS基本相似,作为实验卫星,可以看作為北斗3号事前技术试验。北斗2号导航系统由14颗卫星组成,包括5颗地球同步静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆轨道卫星,另加6颗备分卫星,共20颗卫星。北斗2号导航星座卫星轨道分布见图-12所示。

 

图-12  北斗2号导航星座卫星轨道分布

北斗2号导航倾斜地球同步轨道卫星,轨道高度为35652/35959公里,倾角为55.26度。。

北斗2号导航卫星为亚太地区用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务,定位精度10米,授时精度50纳秒,测度精度0.2米/秒。

当完成北斗1号和2号导航卫星任务,就走完第2步,第3步為创建北斗3号导航星座任务,也是北斗导航卫星系统的重点。

第三步

北斗3号导航星座最大特点就是由三种不同轨道组成的。其中包括;第一个由3颗地球同步静止轨道(GEO),第二个由3颗倾斜地球同步轨道(IGSO),第三个由24颗中圆轨道(MEO),共30颗卫星,若加5颗备分星,总共35颗。北斗3号导航星座卫星轨道分布见图-13所示。


图-13  北斗3号星座卫星轨道分布


1.)中圆轨道(MEO)星座

中圆轨道高度约为21519/21545公里,倾角为55.26度,由24颗卫星组成。分布在3个轨道面,每个面有8颗,中圆轨道星座卫星分布见图-14所示(不含备分卫星)。

 

图-14   中圆轨道星座卫星分布

北斗3号中圆轨道卫星一部分由航天科技集团空间研究院研制,卫星外形结构见图一15所示,重量1014公斤, 

图一15  空间研究院研制卫星外形结构

另一部分由上海微小卫星工程中心研制,卫星外形结构见图一16所示,重量小于950公斤。

 

图一16 上海微小卫星工程中心卫星外形结构

2.)地球同步轨道星座

地球同步轨道星座设6颗卫星,分别3颗为倾斜地球同步轨道(IGSO)和3颗为静止轨道(GEO)。


倾斜地球同步轨道星座,轨道高度35652/3599公里,倾角55度,卫星重量4200公斤。当地球同步轨道倾角不为零,卫星运动呈8字形, 8字两点顶点即南北纬度,也是倾角55度,此时8字形状已经很大,再加上椭园度不为零时,8字形状发生倾斜,若倾斜8字形原点在近地点,8字形南北形状相等,当远地点在北纬,近地点在南纬,选择在东经108度,也是中国中心,8字形状南北倾斜不对称,北大南小,这样有利中国地区以及北半球覆盖,3颗倾斜地球同步轨道卫星分布,相位差120°,星座构型如图-13所示。倾斜地球同步轨道卫星外形结构见图一17所示。

 


图一17 倾斜地球同步轨道卫星外形结构

静止轨道星座轨道高度和倾斜地球同步轨道高度完全相同,但倾角与椭园度皆为零,卫星重量4600公斤。静止轨道卫星外形结构见图一18所示。

 

    图一18 北斗3号静止轨道卫星外形结构

3颗静止卫星分别定点在东经80°、110.5°和140°等,这样也同样有利中国和亚洲地区覆盖。


3.)北斗3号导航卫星星座特点

概括起来,北斗3号星座具有下列三个特点:

1)采用三种不同轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比,高轨卫星具有更多抗遮挡能力,尤其低纬度地区性能特点更为明显;

2)提供多个频点的导航信号,通过多频信号组合使用等方式提高服务精度;

3)创新融合导航与通信能力,具有实时导航,快速定位,精确授时,位置报告和短报文通信服务等五大功能。


根据上述特点,下面讨论体现在北斗3号具体应用方面与技术性能。

北斗3号星座定位导航授时服务性能指标如下:

服务区域:全球;

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

其中,在亚太地区,定位精度水平 5m、高程 5m(95%)。实测结果表明,北斗系统服务能力全面达到并优于上述指标。


今后北斗3号卫星导航系统将有可能提供更高定位精度,例如:米级、分米级,甚至厘米级服务。定位精度达到厘米级时,不仅能服务汽车导航和驾驶,也有助于无人机送货。除此以外,北斗运载工具有一个新功能,“上面级”这样一种运载工具,卫星在脱离主火箭后,“上面级”可以“接力”火箭继续飞行,通过多次点火、变轨,将不同轨道的卫星送入各自的工作轨道。这就好像车站、机场的摆渡车一样,集中下飞机、下火车的“乘客”通过“上面级”这辆“摆渡车”,可以精准的前往各自不同目的地。因此“上面级”又被称为“太空摆渡车”。这对一箭多星具有很大意义,特别是对小卫星。


未来更进一步发展北斗3号导航卫星系统,先实现室外无缝导航,然后有望再逐步实现室内无缝导航。


5.反向GPS一三维定位系统


三维定位系统基于反GPS工作原理,GPS工作原理是地面目标同时能收到空间3-4颗卫星发出无线电信号,根据对接受各颗卫星信号时差,经过数据处理,获得地面目标位置和速度。反GPS工作原理为在空间编队飞行3-4颗卫星能同时收到地面目标发出无线电信号,根据对接受信号时差与频差,获得地面目标位置,这就是电子侦察卫星。


由四颗小卫星按三维编队飞行轨迹布置,编队飞行中心有一颗主星,圆周上按相隔120º均匀分布三颗辅星,见图-19所示。

 


图-19 四颗小卫星按三维编队飞行轨迹布置

图-20表示电子侦察卫星系统工作原理,若采用4颗卫星 ,可以获得三维定位。


图-20 电子侦察卫星系统工作原理

三维定位系统最少采用4颗卫星,若卫星数量增加,三维定位精度提高。当采用精确编队飞行动力学模型和定位方法,进行数学仿真,可获得下列结果:若采用时差和频差混合定位方法,则可以获得很高的定位精度。当编队飞行卫星之间位置精度优于1m,各星时间同步精度要求在10 ns(10-8s),频差精度为1~2 Hz,则全球的地面雷达三维定位精度估计优于1km,星下奌半径为1km的区域三维定位精度0.5 km;当星下奌半径为2km的区域三维定位精度0.8 km。具体三维定位精度分布見图-21所示 。



图-21  三维定位精度分布


若要实现全球电子侦察卫星定位,建议把主卫星轨道改为极轨道。为了满足全球三重覆盖一天最少一次,采用多组编队飞行,每组中心卫星都在同一个轨道平面,而且各组均匀分布。由于每组编队飞行都具有三重覆盖,只要中心星构成的编队队形所覆盖范围足够宽广,就可满足每天一次全球覆盖(一天回归轨道)。全球电子侦察卫星5组编队飞行星座运动轨迹如图-22所示,重访时间4.8小时;若3组编队飞行,重访时间8小时。


 图-22 全球电子侦察卫星飞行轨


6.结束语


本文较系统全面论述50年来卫星导航系统发展与应用。值得指出:1)北斗卫星导航系统三步走,方针正确,成果累累。在不到20年时间解决我国从无到有卫星导航系统,而且达到世界先进水平,在某些方面创造性超出;2)提出一个创新方案,应用反向GPS工作原理,实现全球三维定位系统,定位精度可达0.5公里,比常规电子侦察卫星几公里,提升4-5倍,若全球三维定位,重访时间4-5时。

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