2017年下半年 中國計劃發(fā)射4顆北斗三號全球組網(wǎng)衛星

 

 

要搞清我國三代“北斗”導航衛星的異同，首先應了解以下幾種衛星導航系統，看看北斗一號、二號和三號分別是屬于哪一種。

 

2017年9月16日，第三代北斗芯片發(fā)布

 

至今，衛星導航技術(shù)已先后發(fā)展了兩大類(lèi)：一類(lèi)衛星導航系統是采用多普勒測速原理，即利用測量導航信號的多普勒頻移來(lái)求出距離變化率進(jìn)行導航定位，但由于這種方式存在不能連續實(shí)時(shí)導航等一些缺點(diǎn)，所以采用這種原理的衛星導航現已基本沒(méi)有了。另一類(lèi)衛星導航系統采用時(shí)間測距原理，即利用測量導航信號傳播時(shí)間來(lái)求出距離進(jìn)行導航定位，目前大多數衛星導航系統都采用這種方式，包括三代“北斗”導航衛星，但即使這樣，它們仍各不相同。

 

因為衛星導航系統又可分有源（主動(dòng)式）和無(wú)源（被動(dòng)式）兩種。我國北斗一號衛星導航系統采用有源方式，即用戶(hù)進(jìn)行導航定位時(shí)要主動(dòng)向衛星發(fā)送信號，北斗二號和北斗三號衛星導航系統采用無(wú)源和有源相結合的方式，進(jìn)行無(wú)源衛星導航時(shí)，用戶(hù)只需接收導航衛星信號。美國的“全球定位系統”、俄羅斯的“格洛納斯”、歐洲的“伽利略”等衛星導航系統都采用無(wú)源方式。

 

北斗三號全球衛星導航星座

 

根據導航衛星的信號覆蓋范圍，衛星導航系統還可分為區域性衛星導航系統和全球性衛星導航系統，我國的北斗一號、二號衛星導航系統以及日本、印度的衛星導航系統等屬于前者，美國、俄羅斯、歐洲和我國的北斗三號衛星導航系統屬于后者。

 

另外，導航衛星還可根據衛星的軌道高度，分成近地軌道、地球中圓軌道、傾斜地球同步軌道和地球靜止軌道導航衛星幾種。我國北斗一號為地球靜止軌道導航衛星，而北斗二號和三號導航星座都由地球中圓軌道導航衛星、傾斜地球同步軌道導航衛星和地球靜止軌道導航衛星組成。目前，美國、俄羅斯和歐洲的導航衛星都運行在地球中圓軌道，印度和日本的導航衛星星座均由傾斜地球同步軌道導航衛星和地球靜止軌道導航衛星組成。

 

 

目前，衛星導航已成為當今社會(huì )重要的空間信息基礎設施，其應用只受想象力的限制，具有廣泛的社會(huì )、經(jīng)濟、科技和國防意義。因此，我國很重視衛星導航系統的建設，并分三個(gè)階段實(shí)施發(fā)射，即先建造有源區域衛星導航系統，再建造無(wú)源與有源相結合的區域衛星導航系統，最終建造無(wú)源與有源相結合的全球衛星導航系統。

 

2000年10月至12月為第一階段。我國先后發(fā)射了4顆北斗一號導航衛星（后兩顆為備份），它們運行在經(jīng)度相距60°的地球靜止軌道，從而建成了世界首個(gè)有源區域衛星導航系統。該系統不僅可提供區域導航定位，還能進(jìn)行雙向數字報文通信和精密授時(shí)，特別適用于需要導航與移動(dòng)數據通信相結合的用戶(hù)。其服務(wù)范圍為國內；定位精度為20米；授時(shí)精度為100納秒；短信字數每次為120個(gè)字。

 

2007年至2012年為第二階段。我國陸續發(fā)射了16顆北斗二號導航衛星，最終建成了由14顆北斗二號（5顆靜止軌道導航衛星＋5顆傾斜地球同步軌道導航衛星＋4顆中圓地球軌道導航衛星）組成的、采用無(wú)源與有源衛星導航方式相結合的區域衛星導航系統。如果說(shuō)GPS只能告訴用戶(hù)什么時(shí)間、在什么地方，“北斗”還可以將用戶(hù)的位置信息發(fā)送出去，讓其他人可以知道用戶(hù)的情況，較好地解決了何人、何事、何地的問(wèn)題。其服務(wù)范圍為亞太地區；定位精度為10米；測速精度為0.2米/秒；授時(shí)精度為50納秒；短信字數每次為120個(gè)字。

 

2017年至2020年為第三階段，我國將先后發(fā)射35顆北斗三號導航衛星（5顆靜止軌道衛星＋3顆傾斜地球同步軌道衛星＋27顆中圓軌道衛星），建成采用無(wú)源與有源導航方式相結合的全球衛星導航系統。其服務(wù)范圍為全球；定位精度為2.5至5米；測速精度為0.2米/秒；授時(shí)精度為20納秒；每次短信字數也增加了。它將為民用用戶(hù)免費提供約10米精度的定位服務(wù)、0.2米/秒的測速服務(wù)，并且將為付費用戶(hù)提供更高精度等級的服務(wù)。隨著(zhù)“北斗”地基增強系統提供初始服務(wù)，它還可提供米級、亞米級、分米級，甚至厘米級的服務(wù)，屆時(shí)，“北斗”的定位精度將與美國GPS相媲美。

 

建成后的北斗全球導航系統將為民用用戶(hù)免費提供約10米精度的定位服務(wù)。

 

具有高精度、高可靠、高保險、多功能的“北斗”全球衛星導航系統有一些美國、俄羅斯和歐洲全球衛星導航系統不具備的性能和特點(diǎn)，例如，其空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，且與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，因此抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區性能特點(diǎn)更為明顯；北斗三號可提供多個(gè)頻點(diǎn)的導航信號，能夠通過(guò)多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度；該衛星系統創(chuàng )新融合了導航與通信能力，具有實(shí)時(shí)導航、快速定位、精確授時(shí)、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能。

 

 

由于北斗三號導航衛星需采用許多新技術(shù)，為此，我國在2015年至2016年陸續發(fā)射了5顆北斗三號試驗衛星，驗證了以高精度星載原子鐘、星座自主運行等為代表的衛星載荷關(guān)鍵技術(shù)，以輕量化、長(cháng)壽命、高可靠為典型特征的衛星平臺關(guān)鍵技術(shù)，基于星地鏈路、星間鏈路、全新導航信號體制的導航衛星運行控制關(guān)鍵技術(shù)，以及98%的國產(chǎn)化器件，關(guān)鍵器件均為“中國造”。

 

從2017年11月5日發(fā)射首批北斗三號（2顆）地球中圓軌道導航衛星起，我國正式開(kāi)始建造“北斗”全球衛星導航系統。與北斗二號相比，除了服務(wù)區域由區域覆蓋擴大到全球覆蓋外，北斗三號在精度和可靠性上都有很大的提高。其單星設計壽命由以前的8年提高到10至12年，并首次提出“保證服務(wù)不間斷”指標。

 

另外，還有以下重大技術(shù)創(chuàng )新或改進(jìn)。北斗三號中圓地球軌道衛星采用了新型的導航衛星專(zhuān)用平臺，它具有功率密度大、載荷承載比重高、設備產(chǎn)品布局靈活、功能拓展適應能力強等技術(shù)特點(diǎn)，可為系統后續功能和需求拓展提供更大的適應能力，將實(shí)現衛星導航系統的定位、授時(shí)和導航的服務(wù)業(yè)務(wù)，兼容天基數據傳輸、新業(yè)務(wù)載荷的在軌應用，能作為天基數據傳輸網(wǎng)絡(luò )的廣播節點(diǎn)。作為世界上唯一的由3種軌道衛星構成的導航系統，北斗三號未來(lái)還將按照國際標準增加全球搜救、全球位置報告、星基增強等拓展服務(wù)。

 

北斗三號地球靜止軌道衛星與傾斜地球同步軌道衛星采用大型衛星平臺，它能集成多種載荷，兼容實(shí)現天基增強、可動(dòng)點(diǎn)波束功率增強、短報文通信與位置報告等系統；成為天基數據傳輸網(wǎng)絡(luò )的中心節點(diǎn)。

 

北斗三號衛星星座首次配備了相控陣星間鏈路（在衛星之間搭建的通信測量鏈路），解決了境外監測衛星的難題，成為一大特色。這樣能實(shí)現對運行在境外的衛星進(jìn)行監測、注入功能，并可實(shí)現衛星之間的雙向精密測距和通信，從而能夠進(jìn)行多星測量，自主計算并修正衛星的軌道位置和時(shí)鐘系統，大大減少對地面站的依賴(lài)，提高整個(gè)系統的定位和服務(wù)精度。星間鏈路是“北斗”實(shí)現自主導航的關(guān)鍵，不僅實(shí)現了北斗衛星相互間的通信和數據傳輸，還能相互測距，自動(dòng)“保持隊形”，減輕地面管理維護壓力。所謂自主導航，就是指即使地面站全部失效，30多顆“北斗”導航衛星也能通過(guò)星間鏈路提供精準定位和授時(shí)，地面用戶(hù)通過(guò)手機等終端接收導航衛星的信號，仍舊能進(jìn)行定位及導航。

 

眾所周知，導航衛星上的原子鐘性能對整個(gè)衛星導航系統的性能有重要影響。北斗三號衛星采用我國新型高精度銣原子鐘和氫原子鐘。與北斗二號衛星采用的原子鐘相比，北斗三號上的原子鐘在產(chǎn)品體積、重量方面大幅降低，每天的頻率穩定度提高了10倍，綜合指標達到國際領(lǐng)先水平。其上的氫原子鐘精度將比北斗二號的星載銣原子鐘提高一個(gè)數量級。銣原子鐘天穩定度為每1萬(wàn)秒誤差10－14秒量級，氫原子鐘天穩定度為每1萬(wàn)秒誤差10－15秒量級。原子鐘技術(shù)的進(jìn)步，直接推動(dòng)了“北斗”系統的定位精度由10米量級向米級跨越，測速和授時(shí)精度同步提高一個(gè)量級。

 

北斗三號進(jìn)一步提升了連續性、穩定性和可用性的指標，采用多項新技術(shù)提高了衛星的抗干擾能力，非計劃中斷指標為每年0.4次，達到國際先進(jìn)水平。它采用了多重可靠性“加固”措施，可最大限度增強系統的保險系數。比如，系統建成后運行衛星數量大于服務(wù)必需衛星數，即衛星有備份；配備了多臺銣原子鐘，形成“雙保險”一起提供服務(wù)；還采用了軟件冗余、故障自我診斷和故障自我修復等多項措施，可保證系統可靠性。

 

該衛星還在世界上首次實(shí)現了衛星的在軌自主完好性監測功能，這一功能對民航、自動(dòng)駕駛等生命安全領(lǐng)域用戶(hù)來(lái)說(shuō)，具有極強的實(shí)用價(jià)值。它將增加性能更優(yōu)的互操作信號，即與世界其他衛星導航系統兼容性更好的信號B1C和B2a信號。其全新的導航信號體制和強大的在軌重構功能，也將極大地提升用戶(hù)體驗，因為通過(guò)兼容互操作技術(shù)，可為用戶(hù)能在終端上接收多個(gè)信號奠定基礎，給用戶(hù)提供多種選擇方案。

 

根據計劃，2018年前后完成18顆北斗三號衛星發(fā)射，屆時(shí)將面向“一帶一路”國家和地區提供基本服務(wù)。到2020年前后，北斗三號系統面向全球提供全天候、全天時(shí)為各類(lèi)用戶(hù)提供高精度、高可靠的定位、導航、授時(shí)服務(wù)。“北斗”發(fā)展藍圖是構建國家綜合定位、導航和授時(shí)體系建設，以“北斗”系統為核心，建成天地一體（包括太空、地面、水下、室內）、覆蓋無(wú)縫、安全可信、高效便捷的國家綜合定位、導航和授時(shí)體系。

 

 

我國第一代導航衛星北斗一號與第二代導航衛星北斗二號以及第三代導航衛星北斗三號在工作原理上有明顯不同之處。

 

北斗一號衛星導航系統是通過(guò)采用衛星無(wú)線(xiàn)電測定業(yè)務(wù)方式來(lái)確定用戶(hù)的位置。在平時(shí)，地面中心站經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛星不斷向用戶(hù)詢(xún)問(wèn)是否需要定位的信號，而用戶(hù)終端一般只處于光收聽(tīng)不發(fā)信息的狀態(tài)。當需要定位時(shí)，用戶(hù)終端分別經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛星向中心站發(fā)送需要定位的申請信號。這時(shí)，地面中心站通過(guò)測量信號的往返時(shí)間來(lái)算出用戶(hù)終端分別到每顆衛星的距離。由于衛星的位置是已知的，所以可以用這2個(gè)距離測量數據進(jìn)一步推算出用戶(hù)位置。最后，地面中心站將該定位信號經(jīng)1顆衛星傳給用戶(hù)終端。

 

采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)所需衛星少，只要2顆衛星就行；具有導航定位、發(fā)短報文和精密授時(shí)等多種功能。但其定位精度不高，系統用戶(hù)容量有限。

 

北斗二號和北斗三號衛星導航系統在國際首次實(shí)現了采用衛星無(wú)線(xiàn)電測定業(yè)務(wù)和衛星無(wú)線(xiàn)電導航業(yè)務(wù)相結合的集成體制方式來(lái)為用戶(hù)導航定位。所謂衛星無(wú)線(xiàn)電導航業(yè)務(wù)，就是用戶(hù)被動(dòng)測量來(lái)自至少4顆在衛星時(shí)鐘控制下的導航衛星連續發(fā)送的無(wú)線(xiàn)電導航信號，并根據這些衛星信號的不同傳輸時(shí)間，來(lái)測定用戶(hù)到這些衛星的不同距離，然后通過(guò)用戶(hù)終端的數學(xué)運算得到用戶(hù)的三維坐標與速度。

 

 

控制系統是衛星在天上保持正確軌道、正確姿態(tài)的總指揮。它能實(shí)時(shí)搜集衛星的軌道和姿態(tài)信息，一旦發(fā)現異常，就指揮衛星回到正常狀態(tài)。

 

北斗三號的控制系統，能通過(guò)綜合電子分系統與衛星敏感器執行機構交換信息并控制執行機構動(dòng)作，完成衛星從星箭分離、在軌運行直至壽命末期各階段的姿態(tài)控制和軌道控制。同時(shí)該系統還賦予了衛星一定的完全自主運行能力，即使地面測控站出現故障，它們也能在軌正常工作至少60天。這大大減少了衛星對地面站的依賴(lài)，實(shí)現了“可視”范圍外的衛星控制，也降低了系統的運行管理成本。

 

此前衛星的遙測、遙控、姿軌控、電源、熱控、載荷和星務(wù)等管理，通常分散在不同的處理單元分別完成。北斗三號控制系統采用“綜合電子”體系架構，以中心管理單元為核心，構建了集散型分布式系統。其中，中心管理單元由五院自主研制，其管理職能幾乎涵蓋了衛星各個(gè)方面。如此架構帶來(lái)了更復雜的管理，但也能減輕衛星重量、延長(cháng)其壽命。

 

無(wú)論是姿態(tài)與軌道信息的計算，還是衛星的智能自主運行，都對控制系統的計算性能提出了極高要求。北斗三號控制系統采用了基于星敏感器+紅外地球敏感器的自主導航算法，定時(shí)更新星上軌道數據，讓衛星具備了自主獲取軌道數據的能力。

 

普通衛星在進(jìn)行位置保持時(shí)，可以進(jìn)行噴氣卸載，導航衛星工作時(shí)卻不允許推進(jìn)器噴氣。為了保證北斗三號衛星在60天自主運行期間不會(huì )噴氣卸載，五院研制團隊完善和改進(jìn)了控制系統的角動(dòng)量管理和磁力矩器卸載功能，達到了任務(wù)要求。

 

此外，該控制系統還具備單機級和系統級故障安全設計，在星上資源有限的情況下，提高了北斗三號衛星的自主故障實(shí)時(shí)診斷和處理能力。

 

本文轉載自電子技術(shù)設計。