印度区域卫星导航系统的发展现状

杨 振

（四川中水成勘院测绘工程有限责任公司，成都 610000）

0 引言

2020年 7月 31日，北斗三号全球卫星导航系统即北斗三号（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）建成开通，正式向全世界提供定位、导航及授时（positioning, navigation and time,PNT）服务。自此，已经建成并向世界各国提供PNT服务的全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）达到了四个，除BDS-3外，还有美国的全球定位系统（global positioning system, GPS）；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）。除了这四个GNSS外，在我国的邻国日本和印度，也建有区域卫星导航系统，即日本的准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system,QZSS）及印度的区域卫星导航系统（Indian regional navigational satellite system,IRNSS）。

IRNSS是由印度空间研究机构（Indian Space Research Organisation,ISRO）开发的区域卫星导航系统：2013年 7月 2日开始发射第一颗导航卫星IRNSS-1A，2018年4月12日成功发射了第8颗导航卫星 IRNSS-1I，这期间一共发射了 9颗组网卫星[1]，其中2017年8月31日发射的IRNSS-1H导航卫星，由于整流罩未能分离，导致IRNSS-1H无法入轨，宣告该次发射失败[2]，目前在轨服务的导航卫星为8颗。

2016年4月29日，在印度成功地发射第7颗导航卫星后，印度总理纳伦德拉·莫迪（NarendraModi）宣布，将 IRNSS 更名为“纳维克（NavIC）”，NavIC在梵语中表示“领航者”或者“舵手”。ISRO又解释说，NavIC 为“Navigation with Indian Constellation（印度星座导航）”的缩写[3]。

本文介绍了印度区域卫星导航系统的发展历程，现状、星座特点及服务性能。

1 NavIC的发展历程

1999年，印度和巴基斯坦在卡吉尔（Kargil）地区发生军事冲突，当时巴基斯坦的军队及其支持者占据了 Kargil地区的冰雪峡谷。印度军队在采取军事行动前，想从美国得到巴基斯坦军队驻扎地的有关位置数据，但遭到美国的拒绝。该事件促使印度意识到建立拥有自我掌控的星基卫星导航系统的重要性[4]，2006年5月，印度政府批准了IRNSS项目，计划于2016年完成组网卫星的发射并为用户提供服务。表1为IRNSS发射的导航卫星状况。表1中：GEO（geostationary Earth orbit）为地球静止轨道，IGSO（inclined geosynchronous orbits）为倾斜地球同步轨道。

表1 IRNSS导航卫星状况[5]

IRNSS的所有星载原子钟都是从瑞士精密仪器制造商斯佩克特拉·泰姆（SpectraTime）公司购买的铷原子钟，在 IRNSS的每一颗卫星上，都安装了三台铷原子钟，其中一台原子钟为主钟，两台为备份钟。2017年1月18日，Galileo发生星载卫星原子钟大量失效的事故：18颗在轨导航卫星上的72台原子钟中，有10台原子钟发生故障，包括三台铷原子钟和7台氢原子钟，后来成功重启了一台氢原子钟。9台星载原子钟的失效，使Galileo的导航服务中断服务117 h。在Galileo星载原子钟大面积发生故障后的2017年1月30日，印度IRSNN-1A上的三台铷原子钟也全部失效。星载原子钟是卫星导航系统的核心，星载原子钟只有具备了“高精度、高稳定性、高可靠性”的特征，才能够为用户提供可靠的导航服务。据文献[6]报道，ISRO从SpectraTime公司一共采购45台铷原子钟，全部用都用到了IRSNN的导航卫星及其备份卫星上。

2 IRNSS的发展现状及计划

与其它卫星导航系统一样，IRNSS也是由空间段、地面段及应用终端组成[7]，图1为IRNSS各系统示意图。图1中：IRIMS（IRNSS range and integrity monitoring stations）为IRNSS测距与完好性监测站；TT&C（telemetry, tracing and control）为遥测、跟踪及控制；CDMA（code division multiple access）为码分多址；SCF（spacecraft control facility）为飞行器控制中心；INC（ISRO Navigation Center）为ISRO导航中心。

图1 IRNSS结构示意[7]

2.1 空间段

IRNSS的空间段由 7颗导航卫星组成，其中三颗为GEO卫星，四颗为IGSO卫星，三颗GEO轨道卫星分别定位于 34°E、83°E和 132°E处；四颗IGSO卫星部署在两个轨道面上，其轨道倾角均为 29°，升交点赤经分别为 135°E和310°E，卫星的地面轨迹在赤道两侧对称分布，这样在印度本土区域内，连续可见的IRNSS卫星数目为7颗，如图2所示[8]；另外一颗为星载原子钟失效的 IGSO卫星IRNSS-1A，现在用来发播短报文，因此，IRNSS的空间段现在拥有8颗卫星。

图2 IRNSS空间导航卫星分布[8]

IRNSS的卫星播发 L5频段和 S频段的导航信号，IRNSS L5频段导航信号的中心频率为1 176.450 MHz，带宽为24 MHz；S频段导航信号的中心频率为2 492.028 MHz，带宽为16.5 MHz[5]。由于 IRNSS L5频段的导航信号与美国的 GPS Block IIF卫星的 L5频段导航信号（中心频率为1 176.45 MHz，带宽为 12.5 MHz），欧盟 Galileo E5a频段的导航信号（中心频率为1 176.45 MHz，带宽为20.46 MHz），日本QZSS L5频段的导航信号（中心频率为1 176.45 MHz，带宽为12.5 MHz）的中心频率相同，可以实现信号兼容与互操作。

IRNSS为用户提供标准定位服务（standard positioning service, SPS）及授权服务（restricted service, RS），授权服务RS主要为印度政府部门服务，其中军方是最重要的用户，可视作IRNSS的军用加密信号。其中SPS的设计定位精度为优于20 m；RS的设计定位精度优于SPS的定位精度，具体的设计精度是多少，目前仍处于保密状态。

2.2 地面段

地面段负责 IRNSS星座的维护与运行，包括监测星座的运行状态、给出卫星轨道参数修正值，注入导航数据等，IRNSS的主要地面设施如图3所示，目前ISRO建有16个IRIMS，已经与印度尼西亚签署了合作协议，将在印度尼西亚建立一个IRIMS和一个TT&C站。图3中：IRNWT（IRNSS network timing centre）为IRNSS网络授时中心；IRCDR（IRNSS CDMA ranging stations）为IRNSS CDMA测距站，IRSCF（IRNSS spacecraft control facility）为 IRNSS飞行器控制中心。

2.3 用户端

IRNSS可以为印度本土及其毗邻印度1 500 km的区域提供标准及授权的导航定位服务，其服务区域如图4所示。

2.4 IRNSS发展计划

为了提高IRNSS服务的可靠性，印度计划再发射 5颗轨道倾斜角为 42°的 IGSO卫星，编号为IRNSS-1J、IRNSS-1K、IRNSS-1L、IRNSS-1M 及IRNSS-1N[9]；研发拥有自主知识产权的星载原子钟，以防止出现IRNSS-1A星载原子钟全部失效的情况[10]；从 IRNSS-1J卫星开始，将在导航卫星上增加一个民用频段 L1，并在 L1C信号上实现与其他GNSS之间的兼容与互操作[10]；通过双向卫星时间频率传递（two-way satellite time and frequency transfer, TWSTFT）方法，将IRNWT的时间溯源到新德里（New Delhi）的国家物理实验室（National Physical laboratory, IPL）保存的印度标准时（Indian Standard Time, IST）上[10]；ISRO将与其他部门合作设计新型芯片，以扩大IRNSS的应用范围。

3 IRNSS-1A的短报文服务

2017年1月30日，IRSNN-1A上的三台铷原子钟全部失效后，IRSNN-1A已经无法作为导航卫星使用了，目前ISRO将IRSNN-1A用来发送短报文，如图5所示。

用IRSNN-1A发送短报文的流程为：在发送短报文前，先要向 INC申请注册，注册用户通过互联网将需要发送的短报文发送到INC，INC通过导航软件对需要发送的短报文分配身份标识号（identity, ID），然后进行编码；INC将编码后的短报文发送到IRNSS-1A卫星上，IRNSS-1A卫星再用L5频率将短报文广播出去；持有专用短报文接收机的授权用户，可以接收到这些短报文，通过解码即可以阅读这些短报文。

目前 L5传送短报文的速率为 25 bit/s，短报文的数据长度为 220～2 220 bit；首帧传送短报文的长度不能够超过220 bit，如果短报文的长度超过220 bit，则需要对短报文进行分段并在后续帧中发送。持有短报文接收机的印度渔民，可以收到潜在渔区（potential fishing zones, PFZ）、飓风预警及海啸警报等短报文。ISRO将授权INRSS接收机生产厂家，研发能够同时接收导航数据及短报文的芯片，这样将来就能够在导航接收机上阅读这些短报文了。

4 IRNSS的定位精度

按照IRNSS的设计指标，IRNSS提供的定位精度优于20 m，授时精度优于50 ns[8]。在IRNSS导航卫星星座布设完成后，已有很多人对 IRNSS的实际定位精度进行了测试并与 GPS的实际定位精度进行了比对。由于IRNSS的7颗导航卫星都处于36 000 km左右的高轨位置，发射的导航信号可以全部覆盖印度国土，这样可以有效地避免高山、峡谷及城市高楼对卫星导航信号的影响，而GPS的导航卫星全部为中圆地球轨道（medium Earth orbit, MEO），轨道高度仅为20 200 km，而且一直绕地球旋转，用户接收到GPS卫星信号会随时间和地点变化，图6为印度境内山区用户接收IRNSS与GPS卫星信号的示意图。

图6 在山区的用户接收IRNSS卫星与GPS卫星导航信号示意[12]

文献[13]在印度班加罗尔（Bangalore）的一个观测站上进行了31天（2018年8月1—31日）的观测，接收数据包括GPS L1、IRNSS L5及IRNSS S三个频段的导航信号，用这些数据计算出、以均方根（root mean square, RMS）表示的点位精度，其结果见表2。

表2 不同卫星导航系统的点位定位精度[13]单位：m

从表 2的数据可以看出，IRNSS的定位精度优于其设计指标，也优于 GPS的定位精度。但限于实验条件，本文未能够对 IRNSS的实际定位精度进行过验证。

5 结束语

星基导航定位服务，是一个国家最为重要的基础上设施，IRNSS的建成并向印度及其周边地区提供导航定位授时服务，彰显了印度在航天领域的实力。但IRNSS的核心部件即星载原子钟全部来自国外，这在一定程度上制约了IRNSS的独立性和可靠性，给国家安全留下了隐患。IRNSS-1A星载原子钟的失效，也给我们敲响了警钟，在涉及国家安全等领域，必须拥有自主可控的技术，才能够彻底摆脱受制于人的被动局面。