高轨导航卫星（GEO和IGSO）的发展构想

2016-10-24中国空间技术研究院郑晋军李祖洪

卫星应用 2016年9期

关键词：脉冲星导航系统星座

● 文 |中国空间技术研究院　郑晋军　李祖洪

● 文 |中国空间技术研究院郑晋军李祖洪

一、国外高轨导航卫星发展现状

卫星导航系统由于其系统误差，提供的服务无法满足部分高精度、高完好性用户的需求，采用高轨卫星的星基导航增强系统便应运而生，如图1所示。

图1　世界各国星基导航增强系统

星基增强系统向服务区域内用户实时广播导航电文的星历、钟差和电离层的改正数和完好性信息，用户利用基本导航星座播发的伪距和电文信息，结合接收的改正参数和完好性信息进行差分和完好性处理。

差分和完好性信息通过高轨卫星在服务区内集中式实时广播。

■ 美国广域增强系统（WAAS）、欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）、俄罗斯卫星导航增强系统（SDCM）等系统通过地球静止轨道（GEO）卫星播发。

■ 日本准天顶卫星导航系统（QZSS）系统通过高椭圆轨道（HEO）卫星播发。印度区域导航卫星系统（IRNSS）空间段星座由7颗高轨导航卫星组成：3颗GEO卫星，和4颗IGSO卫星。

其中，由于日本和印度具有使用GPS系统的授权权限，两个系统所使用的高轨卫星即组成了为自己国家服务的区域导航系统，同时也可视为全球卫星导航系统的一部分，与GPS系统MEO卫星共同提供导航服务。

高轨卫星大大增加了基本导航服务的可用性，提高了用户的定位精度。通过高轨卫星提供广域差分完好性和精密定位服务，进一步提高了导航服务的准确性、连续性、完好性和可用性。

二、我国高轨导航卫星发展历程

1.北斗试验导航卫星

我国先后于2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月5日发射了3颗北斗试验导航卫星，组成了北斗卫星导航试验（北斗一号）系统，具备在我国及其周边地区范围内的定位、授时、报文功能。

导航星座由3颗GEO卫星组成，2颗卫星分别定点在80°E、140°E，第3颗备份星定点在110.5°E上空。

北斗一号系统的建立改变了我国长期缺少高精度、实时定位手段的局面，打破了美国和俄罗斯在这一领域的垄断地位，填补了我国卫星导航定位领域的空白。

主要性能：服务区域70°E～145°E，5°N～55°N；定位精度平面位置精度一般为100m，设标校站之后为20m，高程控制精度10m。授时精度单向传递10ns，双向传递20ns。双向数据通信能力36个汉字/次。在无遮挡条件下，一次性定位成功率不低于95%。

2.北斗二号区域系统

北斗二号区域系统于2012年12月27日正式投入运行，目前在轨工作卫星有5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星。

GEO卫星的轨道高度为35786km，分别定点于58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E。

IGSO卫星的轨道高度为35786km，轨道倾角为55°，分布在3个轨道面内，升交点赤经分别相差120°，其中3颗卫星的星下点轨迹重合，交叉点经度为118°E，其余2颗卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为95°E。

MEO卫星轨道高度为21528km，轨道倾角为55°，回归周期为7天13圈。

主要性能：服务区域中国及周边亚太大部分地区；定位精度平面10m，高程10m，测速精度0.2m/s；授时精度单向50ns；可提供双向高精度授时和短报文通信服务。

3.小结

我国高轨导航卫星发展构想发展高轨导航卫星体现了我国卫星导航系统建设的鲜明特色，有着特定历史、政治、经济背景，承担了“好、快、省”建设我国卫星导航试验、区域系统的重任，在系统稳定连续运行中发挥了至关重要的作用。

在全球卫星导航系统中，全球范围内的基本导航服务主要由20余颗MEO实现，GEO+IGSO将继续实现我国国土及周边、重点区域基本导航性能提升。为提高全球导航系统的整体性能和综合效益，高轨导航卫星还可进一步进行性能增强和功能扩展。

三、我国高轨导航卫星发展构想

1.卫星导航系统及技术的发展预测

针对未来卫星导航系统发展进行预测，如图2所示。

1）性能提升：导航服务准确性、连续性、完好性和可用性进一步提升。

2）功能扩展：从为用户提供单一的定位、测速、定时服务，朝着可提供定位、测速、定时、搜救、导航与信息传输相结合的综合型导航定位服务发展方向发展。

高轨卫星具有连续可见（GEO）、对中高轨（HEO、IGSO）覆盖好的特点，未来的导航星座将是多轨道混合的（GEOIGSOHEOMEOLEO）星座。

图2　未来卫星导航系统发展

大量新技术将在空间得到应用：

■ 星载原子钟技术：高稳定度、小体积、轻重量、长寿命。对于铷原子钟，将进一步小型化；对于被动型氢钟，工程应用将成熟化；对于汞离子微波钟，将实现星载应用。

■ 新型星间链路技术：具有更高的数据率、更高的测距精度，数据率达到1～10Gbit/s，测距精度达到厘米级。

■ 天基信息网络技术：不同轨道上、不同种类的卫星形成天基信息网，通过星间、星地链路实现信息准确获取、快速处理和高效传输。

■ 量子定位和脉冲星导航技术：实现在轨验证或工程应用。

2.提供星基广域增强和精密定位服务

GEO+IGSO两种轨道的导航卫星组合使用将实现对我国增强信号的高仰角、多重、多频覆盖。如图3所示。

GEO卫星可满足低纬度地区的多重覆盖性能，IGSO卫星满足中高纬度地区的多重覆盖，高仰角覆盖解决增强信号的“北坡遮挡”和“城市峡谷”问题。

播发双频民用增强信号，信号体制与国际民航组织ICAO标准兼容，精度、完好性满足我国国土及周边民航通航的需求。

播发广域精密定位信号，满足国土监测、精密测绘等行业对于厘米级定位精度的需求。

播发军用增强信号，提高授权服务性能。

图3　对我国多重高仰角覆盖的导航增强服务

3.提供搜索和救援服务

国际卫星搜救系统（COSPAS-SARSAT）自从投入运行以来发挥了重要的作用。国际卫星搜救系统以低轨卫星为主，随着系统的运行逐渐暴露了一些缺点：

1）示位标信号发现有一定时延，最大可达30min，延误险情告警；

2）遇险者定位精度差，定位精度约20km，延长救援人员寻找遇险者的时间；

3）部分信号使用权限未对中国开放，影响我国使用效果。

遇险者对卫星搜救系统响应速度和定位精度有着越来越高的需求，未来卫星搜索和救援系统的发展趋势为：

1）快速响应、高精度定位；

2）多轨道卫星搜救系统：高轨+中轨+低轨卫星；

3）主动定位与被动定位相结合：主动定位即信标机（求救用户）通过集成北斗、GPS接收机知悉自己位置并将自身位置信息内置于遇险报警信号中。被动定位即搜救系统根据信标机信号特性进行测距获得信标机位置；

4）增加反馈链路，告知遇险者信息已经得知，增大其获救概率。

而高轨卫星搜救载荷由双向链路组成，即正向链路和反馈链路。更为重要的是，由于高轨卫星搭载的双向链路均具有测距功能，通过获得信标机与不同卫星间的距离，利用多球定位原理，提供了被动式定位搜救方式。

高轨卫星SAR服务具有以下优点：

1）高轨卫星上搭载具有通信、测距功能的双向链路，具有定位精度高的特点；

2）高轨卫星连续可见，具有响应时间短的优点；

3）结合了主动定位式搜救和被动式搜救的优点，实现了双模式结合与备份。

4.成为星基PNT体系骨干节点

以北斗系统为核心构建的我国星基定位导航授时体系，将融合各种定位、导航、授时系统、技术于一体，为地面、太空等用户提供一体化定位、导航、授时服务，显著提升系统服务精度、完好性、可用性、连续性、安全性（抗干扰、防欺骗等）等性能。高轨卫星具有更强的平台能力，具备装配氢钟、汞离子钟等大体积原子钟的能力，可作为空基PNT体系的骨干节点，提供对其他卫星、用户的校时和授时服务，见图4。

典型应用场景1：形成基于低轨卫星的增强系统。由高轨卫星、低轨卫星、参考站和控制中心等组成。通过高轨卫星（GEO、IGSO）实现对低轨卫星的授时，达到整个系统信号发射源时间的统一；同时不断对低轨卫星实时校时，提高低轨卫星时频精度，保证整个系统高精度时频的维持。在降低系统建设成本的同时，实现了系统时频统一和高精度维持。

■ 低轨卫星增加测距源，改善系统的几何构型。

■ 低轨卫星轨道高度低，信号到达地面上的功率高20～30dB。

■ 低轨卫星作为中继可播发差分信息。

典型应用场景2：成为自主运行校时中心。在导航星座自主运行的场景下，可利用高轨卫星对MEO卫星的校时，从而提高MEO卫星原子钟的长期频率特性，进而提升自主运行时间和自主运行期间的导航性能。

图4　星基PNT体系骨干节点

5.星基新技术验证平台

随着美国陆军研究实验室提出星基量子定位系统的方案，基于量子度量的量子导航技术已经成为美国下一代导航系统的重点发展方向。

量子定位技术具有精度高（微米级以上）、高保密性、低功耗等特性。同时，单机体积小，质量轻。

量子定位技术不但可以构建导航定位新体制，还可以与现有无线定位体制相结合，提升现有系统性能。其从原理论证走向工程应用需要解决纠缠源、探测器和测距技术等难题，需要原理样机开发和在轨试验验证。

X射线脉冲星导航是在航天器上安装X射线探测器，探测脉冲星辐射的X射线光子，测量脉冲到达时间和提取脉冲星影像信息，经过相应的信号和数据处理，航天器自主确定轨道、时间和姿态等导航参数的过程。核心技术环节为脉冲星的巡天观测与数据处理技术、脉冲到达时间测量与误差修正技术、X射线探测器研制技术、导航定位时空基准的建立与维持技术。

脉冲星导航具有精度高、适用范围广、抗干扰和完全自主的优势。20世纪90年代开始，美俄等航天大国纷纷制定研究脉冲星导航发展战略，组织关键技术攻关和试验验证。目前国外脉冲星导航技术已通过空间实验验证阶段。

我国未来急需开展探测器搭载、空间实验验证直至工程应用的工作。高轨导航卫星贴近于脉冲星导航技术的实际应用场景，同时提供了很好的验证平台。

6.承担导航与大数据传输结合业务

现有空间信息网络的全域覆盖能力有限、网络扩展和协同应用能力弱，未来覆盖全球地区的导航星座参与数据传输，甚至导航与通信功能进行融合可能是我国航天发展的趋势。

卫星导航系统多为覆盖全球的星座系统，具有实时连续提供服务的特性，是作为天基信息传输分发系统的天然平台。高轨卫星作为天基数据传输的核心节点，具备高速星间和星地链路，实现各网络之间协同，适应未来战场作战范围广、作战对象多、作战信息实时化、指挥体系扁平化、战场环境复杂化的特性。

未来我国全球卫星导航系统是一个多重覆盖全球的星座系统，而且每颗导航卫星上将安装有高速V波段或激光星间链路，导航卫星之间采用固定连接关系建立星间高速实时数据传输通道。同时，每颗导航卫星还安装有星间链路以建立导航卫星与其他卫星之间数据传输链路，其他卫星将大容量数据实时通过星间链路传输给MEO导航卫星，MEO导航卫星通过星间链路传递给高轨导航卫星，高轨导航卫星通过高速星地链路直接下传到地面站。