全球卫星导航系统卫星编号分析与启示

陈道伟，王 维，倪少杰，徐 博

（1.国防科技大学 电子科学与工程学院，长沙 410073；2.北京跟踪通信技术研究所，北京 100094）

1 引言

目前，以美国全球定位系统（global positioning system，GPS）为代表的全球卫星导航系统，在人类的生产和生活中正发挥着越来越重要的作用，深刻地推动着社会的进步和科技的快速发展。世界各主要国家都在竞相发展自己的卫星导航系统，包括俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system，Galileo）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS），印度区域卫星导航系统（Indian regional navigational satellite system，IRNSS）及日本准天顶卫星系统（quasi－zenith satellite system，QZSS），可以预见未来各导航系统之间的竞争将会更加激烈。

全球卫星导航系统是一个复杂的星地一体化网络系统，主要包括空间段、地面控制段和用户段三大部分，其中空间段包括30多颗分布在不同轨道的卫星，地面控制段包含主控站、注入站、监测站、测控站等不同类型不同功能的站点，用户段包含各类不同功能不同用途的接收处理终端，对于上述各物理站点的标识管理，特别是卫星节点的标识是一个重要而又关键的问题。

GPS自1973年开始建设到现在已历经40a左右，建立了完整的卫星编号识别体系，实现了几代不同功能实体的卫星混合组网，卫星之间存在星间链路并可在轨自主运行，同时伪随机噪声码（pseudo random noise code，PRN）可在轨重构并平稳地向用户提供服务。目前我国独立研发的北斗卫星导航系统，正在向北斗二号全球卫星导航系统的建设目标迈进，根据计划未来北斗卫星导航系统将建成包括5颗地球静止轨道（geostationary Earth orbits，GEO）卫星、27颗中圆地球轨道（medium Earth orbits，MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）卫星在内的共35颗全球导航系统卫星［1］。BDS建设涉及到不同类别、不同功能、不同状态的卫星混合组网，对于卫星标识的设计和管理是系统成功建设的关键要素之一。未来BDS二代二期系统工程建设阶段，将会出现区域系统、试验星、全球系统卫星混合组网的情况，卫星之间可能会增加星间链路并且卫星扩频码可实现在轨重构，此时系统组网将更加复杂、运行管理也更加困难，需要建立完善的卫星编号识别体系，才能实现对整个星座的有效管理和控制，GPS建设的成功经验值得借鉴。

2 GPS卫星编号体系

GPS为了实现对在轨卫星的标识区分和对卫星网络的运行管理，建立了完备的卫星编号识别体系包括卫星代号、空间飞行器编号（space vehicle number，SVN）［2］、PRN编号、卫星号（satellite vehicle identification，SVID）［3］以及导航卫星编号（navigation star，NAVSTAR）在内的五类卫星识别标识。下面分别详细介绍。

2.1 卫星代号

GPS卫星到目前为止已发展到了第三代卫星，计划2015年5月份发射第1颗GPSⅢ卫星。在每一代卫星内GPS都会给不同批次（Block）的卫星分配相应的卫星代号，具体如下表所示。

第一代GPS卫星一共发射了11颗，卫星批次为Block I，卫星代号范围为Block I－1～Block I－11，表示第一代卫星的第1颗到第11颗卫星。

在GPS的第二代卫星中，由于卫星性能的不断更新完善出现了许多不同批次的卫星，代号命名分别为BlockⅡ、BlockⅡA、BlockⅡR、BlockⅡR－M、BlockⅡF。其中BlockⅡ型的卫星相比Block I型卫星增加了安全监测装置（如核爆炸监测），BlockⅡ型卫星共发射了9颗。BlockⅡA中的A是先进（Advanced）的含义，它是对BlockⅡ卫星的改进型号，卫星上增加激光测距仪器，电文存储能力从14d增加到180d，一共发射了19颗。BlockⅡR（其中 “R”为 “Replenlishment”，表示再填满）卫星具有了更先进的时频系统，具备重新编程和自主导航等功能，而BlockⅡR－M是对ⅡR卫星的现代化（其中 “M”为 “Modernization”，表示现代化），在这一批次的卫星中开始增发新的M码信号，ⅡR和ⅡR－M卫星共建造了20颗。BlockⅡF指代的是第二代的后续（其中“F”为 “Follow－on”，表示后续）卫星，在这一批次的卫星上将会播发新的L5民用信号。

表 不同代次 卫星批次及代号

到了GPSⅢ阶段，整个GPS的卫星段、地面控制段以及用户段都会有重大的提升和改进。相比以前，卫星的功能将更加强大，特别是具有了点波束的导航战功能。目前洛克希德马丁公司正在生产GPS BlockⅢA的代号SV1～SV4这4颗卫星。

从上可以看出，GPS为了浅显易懂地区别不同批次不同功能的各类卫星实体，它会给每一批次的卫星分配一个相应的卫星代号以示区别，并在该代号后面以阿拉伯字母的形式表示该卫星在该批次中的顺序，具体编排规则为：系统代号＋卫星批次＋卫星在该批次中的序号，该编排方法可以直观清晰地标记区分一颗卫星。

2.2 SVN编号

GPS的卫星代号主要是用来区分不同批次的卫星，而为了更好地区分太空中各个不同的卫星实体，GPS为每颗卫星都分配了一个相互不同的空间飞行器编号SVN，其中Block I卫星的SVN号为1～11BlcokⅡ卫星的SVN号为13～21 BlcokⅡA卫星的SVN号为22～40，而BlcokⅡR／ⅡR－M的SVN号为41～61，BlcokⅡF的SVN号为62～73，未来GPS BlcokⅢ卫星的SVN号为74～105。目前太空中运行着的GPS卫星SVN编号如表2所示［4］。

表2 2013－09－18全球定位系统星座状态

从表2可以看出，GPS卫星的SVN号基本上是按顺序编排的。但是有些SVN编号的卫星却并没有在上表中显示，除了卫星退役外，主要原因有以下两点：

1）卫星已发射，但是卫星信号异常，比如SVN－49卫星，为了不影响用户使用，所以没有对外公布；

2）卫星未发射，比如SVN－64卫星，根据资料最新一代的GPSⅡF－1卫星于2010年被正式发射，SVN号为62，后续的GPSⅡF－2、ⅡF－3、ⅡF－4卫星的 SVN 号分别为63、65、66，中间SVN－64号卫星却没有被命名发射。原因是GPS每一批次的卫星都会在地面被提前制造完成，并被命名为一个SVN号，SVN－65和SVN－66卫星测试顺利、卫星状态正常，所以被提前发射了。

另外，根据公布的卫星发射时间可知，SVN号并非按照发射时间顺序排列的，而应该是按照生产顺序排列的，其编排规则采用阿拉伯数字的形式来进行的，该方式可以简单明了地标识卫星。

2.3 SVID编号

在卫星的实际运行过程中，地面控制管理设备不仅需要周期性地对卫星进行导航电文和钟差信息的上行注入，也需要对卫星进行星上载荷与轨道调整控制指令的注入。在地面注入站、测控站上行注入的信息中，需要明确此注入信息是给哪一颗卫星使用的，即需要一个对卫星进行实际区分的管理控制的唯一编号。一般来说该编号在卫星的整个生命周期内都应该保持不变，以方便地面控制系统对卫星的持续管理控制，GPS采用的是SVID编号来对不同卫星进行实际管理和控制。

在GPS的信号接口控制（interface control document，ICD）《IS－GPS－200F》中规定了SVID编号和PRN编号以及码相位选择之间的初始关系，如表3所示。其中1～32编号分配给卫星作为卫星号，同时区别页面播发的电文，0分配给伪卫星作为标识，33～50保留尚未分配，51～64被用作于区分卫星播发的历书之外的数据。

表3 全球定位系统卫星号分配表

2.4 PRN编号

GPS采用码分多址的方式区分每颗卫星向下播发的信号，即每颗卫星向下播发的导航信号中调制的伪随机码是唯一的，并且采用PRN编号的方式来对伪随机码进行标记区分。

目前在轨运行的GPS卫星向下播发伪随机码的PRN编号范围为1～32，如表2所示。PRN编号是地面用户进行信号捕获、跟踪的关键参数，必须保证编号的连续性和可用性。目前GPS已成功运行多年，卫星也更换了多代，但其PRN编号一直在1～32内循环使用，这保证了地面设备可以长期支持对GPS卫星信号的接收，而不管卫星实体性能和载荷发生多大的改变。未来GPSⅢ卫星将要播发新的伪随机码，其编号范围为38～63，34～37保留用作其他用途（地面设备）。考虑到前向兼容的问题，即使未来GPSⅢ卫星开始服役，原有的1～32编号的伪随机码仍将会继续向下播发，否则将会造成地面旧有的接收机不可用。

另外从表3中可以看出，SVID编号与PRN编号在32以下是对应相等的。这也说明用PRN编号也可区分一颗卫星，但是由于SVID编号33～64有其他用途，因此不能将SVID号与PRN编号合并，其两者的编排规则都是采用阿拉伯数字的形式顺序编排，此种编排方法可连贯地标识卫星。

2.5 NAVSTAR编号

为了对导航卫星的发射顺序和发射时间进行标记区分，美国空军对GPS卫星建立了一套卫星发射序列编号即NAVSTAR编号，它是按卫星发射时间顺序编号的，并且可以与运载火箭型号、发射基地等信息相关联。从发射首颗试验卫星到现在，GPS所有卫星的发射情况如表4所示［5］。

从表4可以看出，NAVSTAR是严格按发射时间来编号的，而这与SVN编号不同，SVN是按卫星的批次来进行的。目前NAVSTAR的最高编号为68，而SVN最高编号为66，其中的原因是GPS导航卫星曾有两次发射失败。

由于卫星编号涉及到实际系统的运行管理，具有一定的保密性，根据公开的资料仅能查到以上五种GPS卫星识别标识编号。从上述五类卫星编号可以看出，GPS从不同侧面、多个角度完整全面地对GPS卫星进行了区别标识，涵盖了对卫星进行区分管理所需的各种信息，保证了GPS多代次、多批次、多类型的不同卫星混合组网的成功，为GPS的运行管理、有序发展和不断更新奠定了基础。

表4 全球定位系统导航星发射序号

3 其他卫星导航系统卫星编号

目前除了成熟的GPS，其他卫星导航系统也在抓紧建设中，并相继公布了相关的卫星编号包括俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的Galileo系统。而日本的QZSS系统和印度的IRNSS系统，正在规划设计中，尚未公布相关的卫星编号。

3.1 Galileo系统

目前欧洲伽利略卫星导航系统还处于试验验证阶段，计划发射30颗卫星，截止到目前为止共有4颗试验卫星在轨运行。根据Galileo系统公布的信息［6］，其编号体系包括SVID和Code No（对应GPS PRN号），目前其卫星编号与伪随机码以及与信号分量E5a－I、E5a－Q的关系规定如表5所示，其中E5b－I、E5b－Q信号分量未列出。

从表5可知，Galileo系统的SVID是从1开始顺序递增的，其Code No编号决定了扩频码的生成方式。由于Galileo系统仍处于试验验证过程，卫星数目较少，尚未出现卫星退役、更替等问题，目前其SVID与Code No编号是对应相等的，且相对来说较为简单。

3.2 GLONASS系统

GLONASS系统卫星代号包括GLONASS、GLONASS－M和GLONASS－KM，目前一共有29颗卫星在轨，其中5颗卫星处于测试备份状态。GLONASS卫星采用频分多址（FDMA）体制，所有卫星使用完全相同的扩频码。卫星号与频率通道之间的映射关系如表6所示［7］（由于频谱资源的限制，在地球两面的卫星使用相同的频率播发信号）：

表6 2013－09－18GLONASS系统星座状态

GLONASS系统采用的频分多址的体制，与GPS、Galileo以及北斗系统采用的码分多址体制有着不同的卫星区别方式，它不涉及到卫星伪随机码的在轨重构问题，也不涉及对PRN编号管理的问题，它对应的是需要对频率通道和卫星号进行管理。

4 GPS卫星编号对北斗系统的参考和启示

4.1 北斗系统卫星编号现状

截止到目前（2013年11月），北斗二号区域系统在轨工作的卫星包括5颗GEO卫星、4颗MEO卫星和5颗IGSO卫星。公开发布的下行链路ICD文件中规定了相应的卫星编号和测距码编号的对应关系，具体如表7所示［8］：

表7 北斗系统PRN号和卫星号分配表

由表7可见，卫星编号和测距码编号是一致的，即可以用测距码编号来表示卫星编号。另外目前北斗系统卫星代号的命名方式为系统＋轨道类型＋序号，例如BD－GEO－1，表示GEO轨道的第一颗卫星。

BDS一期系统设计的卫星编号，能够满足当前系统的运行需求，但是从系统长远的建设管理来看，目前的编号设计显然是不能支撑北斗全球系统建设的，需要设计新的卫星编号体系，对于编号的设计可以借鉴参考GPS的设计思路，而Galileo和GLONASS系统由于体制和建设进度的问题参考意义有限。

4.2 完整的编号体系设计

当前BDS仅完成了初步的区域卫星导航系统的建设，涉及到的卫星数目仅为14颗，卫星的代次包括退役的北斗一号也仅有两代，相比于GPS全球系统68颗卫星的发射纪录和多批次不同代的卫星，目前的BDS区域系统卫星编号相对来说较为简单。未来BDS全球系统的建设必将经历GPS相似的发展过程，包括建设35颗卫星在内的全球卫星网络和复杂的地面控制网络，以及不断的演进和更新，设计完备的卫星编号是必要的。

另外由于当前北斗系统的信号体制设计较早，技术状态较为简单，为了能与全球其他卫星导航系统相竞争，设计新的信号体制也是重要的发展趋势。未来在试验星阶段或者全球系统建设阶段就有可能播发新的伪随机码，按计划GPSⅢ将要开始播发新的伪随机码。因此现有的北斗测距码编号应该进行相应的更新和完备设计，以保证前向兼容和后向过渡。当前北斗系统正在由区域系统向试验星和全球系统的阶段发展建设，设计完备的卫星编号体系是关键而又重要的一步。

对于卫星编号的设计不仅要牵涉到太空中几十个卫星节点，还涉及到地面几十个控制站点，包括主控站、测控站、监测站和注入站等，目前GPS的地面控制网络是全球布站的，而BDS的地面站点现阶段还是分布在国内，未来扩展地面站节点是不可避免的。对于卫星节点的编号应该与未来地面站节点的编号相统一，但又有所区分，以便于系统对星地一体化网络的整体管控和运行维护。卫星之间的星间链路和卫星的在轨重构需求，也是卫星编号具体设计过程中应该考虑的。GPS成功的卫星编号设计和管理，给BDS带来的重要启示是卫星编号设计应该全面、统一、完备地进行设计和考虑，否则将会给后期系统的建设和管理带来混乱和不必要的麻烦。

4.3 编号设计

借鉴GPS的编号设计，未来BDS的卫星编号设计至少应该包含以下几类编号：

1）卫星代号，卫星代号是对卫星识别的一个直观而又基本的名称标识，目前GPS的卫星代号设计方式是系统名称＋代次＋英语单词首字母＋数量的方式来表示一颗卫星，BDS可以采用相似的方式。例如具体的代号可为：BDS2－GEO－1、BDS2－IGSO－1等。

2）卫星飞行器编号，即GPS的SVN号，SVN号是根据各代各批次卫星数量，连贯设计的编号，它不仅可以标识一颗卫星，也能显示出目前建造的卫星数目和代次情况，相应的名称可取为BDS－SID，可参考如下表8的编号进行设计。

表8 北斗系统卫星飞行器编号

3 伪随机码编号，即PRN编号，目前北斗系统的伪随机码编号是和卫星的编号相对等的，未来伪随机码的更新设计是不可避免的，它们两者应该只有映射关系，不需要再对等。同时PRN编号的设计需要考虑到前向兼容，即保证用户对卫星PRN编号使用的连续性，避免造成新设计的伪随机码使旧有用户不能使用。

4）卫星实际管理运行的编号，即SVID编号，SVID号是参与实际运行管理的关键编号，需要考虑地面各个控制管理节点对卫星系统的支持情况，比如注入站、测控站、主控站等站点与卫星的接口连接关系。因此卫星SVID编号最好能与地面站节点编号统一设计。可参考如表9的编号进行相应设计，可采用8bit的数据长度来实现SVID编号，而最高位可通过0、1来区分卫星与地面站，因此卫星和地面站的总编号数目都为128个，基本可以满足未来的需求。

表9 北斗系统管理编号分配

5）卫星发射序列编号，卫星导航系统涉及的卫星

数目较多，应该按照卫星的发射顺序建立相应的发射序列编号并与运载火箭、发射基地、发射结果等信息关联起来，以显示出目前系统建设的进展和状态情况。

对于卫星导航系统上述五类编号可以较为完备地表示和描述卫星的主要信息。但是各大卫星导航系统建设情况各不相同，比如GPS在建设过程中就没有经历区域系统和试验星阶段，而且GPS的卫星也没有像北斗系统那样分为三种不同的轨道卫星，并且同批次卫星的功能之间也有差距，因此对于BDS的卫星编号设计，除了要包含上述五类相似的卫星编号外，还应结合自身具体的实际情况来进行设计。

5 结论

卫星编号设计关联着卫星的实际运行管理和维护，必须要严格周密设计，避免出现不必要的混乱与差错。本文提供的研究结果，可为实际的北斗卫星编号设计提供参考。

［1］ 冉承其.北斗卫星导航系统正式提供区域服务新闻发布会［EB／OL］.（2012－12－27）［2014－01－15］.http：gov.cn／interact／show.html.

［2］ 谢钢.GPS原理与接收机设计［M］.北京：电子工业出版社，2009：2－6.

［3］ IS－GPS－2011，Navstar GPS Space Segment／Navigation User Interfaces Interface Control Document（ICD）［S］.

［4］ GPS CONSTELLATION STATUS FOR 2013－09－18［EB／OL］.［2014－01－15］.http：／／www.navcen.uscg.gov／？Do＝constellationStatus.

［5］ Spacecraft：Navigation－USA［EB／OL］.［2014－01－15］.http：／／space.skyrocket.de／doc＿sdat／navstar.htm.

［6］ OS SIS ICD，Galileo（2010），European GNSS（Galileo）Open Service Signal In Space Interface Control Document［S］.

［7］ GLONASS CONSTELLATION STATUS FOR 2013－09－18［EB／OL］.［2014－01－15］.http：／／www.glonass－center.ru／GLONASS／.

［8］ 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1I（1.0版）［EB／OL］.［2014－01－15］.http：／／wenku.baidu.com／link？url＝ PzhulclXTbE61jIdz6YkAa1B6－IlQE17LTZbngeJRMGQXiaGXhPeFcWm DNbrWd6GaI2oxmYLQx6TZCxEWKO07Srj62N2i5EYbA2kVJmAFYm.