全球衛星導航系統衛星編號分析與啟示

陳道偉，王 維，倪少杰，徐 博

（1.國防科技大學 電子科學與工程學院，長沙 410073；2.北京跟蹤通信技術研究所，北京 100094）

1 引言

目前，以美國全球定位系統（global positioning system，GPS）為代表的全球衛星導航系統，在人類的生產和生活中正發揮著越來越重要的作用，深刻地推動著社會的進步和科技的快速發展。世界各主要國家都在競相發展自己的衛星導航系統，包括俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system，GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system，Galileo）、中國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS），印度區域衛星導航系統（Indian regional navigational satellite system，IRNSS）及日本準天頂衛星系統（quasi－zenith satellite system，QZSS），可以預見未來各導航系統之間的競爭將會更加激烈。

全球衛星導航系統是一個復雜的星地一體化網絡系統，主要包括空間段、地面控制段和用戶段三大部分，其中空間段包括30多顆分布在不同軌道的衛星，地面控制段包含主控站、注入站、監測站、測控站等不同類型不同功能的站點，用戶段包含各類不同功能不同用途的接收處理終端，對于上述各物理站點的標識管理，特別是衛星節點的標識是一個重要而又關鍵的問題。

GPS自1973年開始建設到現在已歷經40a左右，建立了完整的衛星編號識別體系，實現了幾代不同功能實體的衛星混合組網，衛星之間存在星間鏈路并可在軌自主運行，同時偽隨機噪聲碼（pseudo random noise code，PRN）可在軌重構并平穩地向用戶提供服務。目前我國獨立研發的北斗衛星導航系統，正在向北斗二號全球衛星導航系統的建設目標邁進，根據計劃未來北斗衛星導航系統將建成包括5顆地球靜止軌道（geostationary Earth orbits，GEO）衛星、27顆中圓地球軌道（medium Earth orbits，MEO）衛星和3顆傾斜地球同步軌道（inclined geo－synchronous orbits，IGSO）衛星在內的共35顆全球導航系統衛星［1］。BDS建設涉及到不同類別、不同功能、不同狀態的衛星混合組網，對于衛星標識的設計和管理是系統成功建設的關鍵要素之一。未來BDS二代二期系統工程建設階段，將會出現區域系統、試驗星、全球系統衛星混合組網的情況，衛星之間可能會增加星間鏈路并且衛星擴頻碼可實現在軌重構，此時系統組網將更加復雜、運行管理也更加困難，需要建立完善的衛星編號識別體系，才能實現對整個星座的有效管理和控制，GPS建設的成功經驗值得借鑒。

2 GPS衛星編號體系

GPS為了實現對在軌衛星的標識區分和對衛星網絡的運行管理，建立了完備的衛星編號識別體系包括衛星代號、空間飛行器編號（space vehicle number，SVN）［2］、PRN編號、衛星號（satellite vehicle identification，SVID）［3］以及導航衛星編號（navigation star，NAVSTAR）在內的五類衛星識別標識。下面分別詳細介紹。

2.1 衛星代號

GPS衛星到目前為止已發展到了第三代衛星，計劃2015年5月份發射第1顆GPSⅢ衛星。在每一代衛星內GPS都會給不同批次（Block）的衛星分配相應的衛星代號，具體如下表所示。

第一代GPS衛星一共發射了11顆，衛星批次為Block I，衛星代號范圍為Block I－1～Block I－11，表示第一代衛星的第1顆到第11顆衛星。

在GPS的第二代衛星中，由于衛星性能的不斷更新完善出現了許多不同批次的衛星，代號命名分別為BlockⅡ、BlockⅡA、BlockⅡR、BlockⅡR－M、BlockⅡF。其中BlockⅡ型的衛星相比Block I型衛星增加了安全監測裝置（如核爆炸監測），BlockⅡ型衛星共發射了9顆。BlockⅡA中的A是先進（Advanced）的含義，它是對BlockⅡ衛星的改進型號，衛星上增加激光測距儀器，電文存儲能力從14d增加到180d，一共發射了19顆。BlockⅡR（其中 “R”為 “Replenlishment”，表示再填滿）衛星具有了更先進的時頻系統，具備重新編程和自主導航等功能，而BlockⅡR－M是對ⅡR衛星的現代化（其中 “M”為 “Modernization”，表示現代化），在這一批次的衛星中開始增發新的M碼信號，ⅡR和ⅡR－M衛星共建造了20顆。BlockⅡF指代的是第二代的后續（其中“F”為 “Follow－on”，表示后續）衛星，在這一批次的衛星上將會播發新的L5民用信號。

表 不同代次 衛星批次及代號

到了GPSⅢ階段，整個GPS的衛星段、地面控制段以及用戶段都會有重大的提升和改進。相比以前，衛星的功能將更加強大，特別是具有了點波束的導航戰功能。目前洛克希德馬丁公司正在生產GPS BlockⅢA的代號SV1～SV4這4顆衛星。

從上可以看出，GPS為了淺顯易懂地區別不同批次不同功能的各類衛星實體，它會給每一批次的衛星分配一個相應的衛星代號以示區別，并在該代號后面以阿拉伯字母的形式表示該衛星在該批次中的順序，具體編排規則為：系統代號＋衛星批次＋衛星在該批次中的序號，該編排方法可以直觀清晰地標記區分一顆衛星。

2.2 SVN編號

GPS的衛星代號主要是用來區分不同批次的衛星，而為了更好地區分太空中各個不同的衛星實體，GPS為每顆衛星都分配了一個相互不同的空間飛行器編號SVN，其中Block I衛星的SVN號為1～11BlcokⅡ衛星的SVN號為13～21 BlcokⅡA衛星的SVN號為22～40，而BlcokⅡR／ⅡR－M的SVN號為41～61，BlcokⅡF的SVN號為62～73，未來GPS BlcokⅢ衛星的SVN號為74～105。目前太空中運行著的GPS衛星SVN編號如表2所示［4］。

表2 2013－09－18全球定位系統星座狀態

從表2可以看出，GPS衛星的SVN號基本上是按順序編排的。但是有些SVN編號的衛星卻并沒有在上表中顯示，除了衛星退役外，主要原因有以下兩點：

1）衛星已發射，但是衛星信號異常，比如SVN－49衛星，為了不影響用戶使用，所以沒有對外公布；

2）衛星未發射，比如SVN－64衛星，根據資料最新一代的GPSⅡF－1衛星于2010年被正式發射，SVN號為62，后續的GPSⅡF－2、ⅡF－3、ⅡF－4衛星的 SVN 號分別為63、65、66，中間SVN－64號衛星卻沒有被命名發射。原因是GPS每一批次的衛星都會在地面被提前制造完成，并被命名為一個SVN號，SVN－65和SVN－66衛星測試順利、衛星狀態正常，所以被提前發射了。

另外，根據公布的衛星發射時間可知，SVN號并非按照發射時間順序排列的，而應該是按照生產順序排列的，其編排規則采用阿拉伯數字的形式來進行的，該方式可以簡單明了地標識衛星。

2.3 SVID編號

在衛星的實際運行過程中，地面控制管理設備不僅需要周期性地對衛星進行導航電文和鐘差信息的上行注入，也需要對衛星進行星上載荷與軌道調整控制指令的注入。在地面注入站、測控站上行注入的信息中，需要明確此注入信息是給哪一顆衛星使用的，即需要一個對衛星進行實際區分的管理控制的唯一編號。一般來說該編號在衛星的整個生命周期內都應該保持不變，以方便地面控制系統對衛星的持續管理控制，GPS采用的是SVID編號來對不同衛星進行實際管理和控制。

在GPS的信號接口控制（interface control document，ICD）《IS－GPS－200F》中規定了SVID編號和PRN編號以及碼相位選擇之間的初始關系，如表3所示。其中1～32編號分配給衛星作為衛星號，同時區別頁面播發的電文，0分配給偽衛星作為標識，33～50保留尚未分配，51～64被用作于區分衛星播發的歷書之外的數據。

表3 全球定位系統衛星號分配表

2.4 PRN編號

GPS采用碼分多址的方式區分每顆衛星向下播發的信號，即每顆衛星向下播發的導航信號中調制的偽隨機碼是唯一的，并且采用PRN編號的方式來對偽隨機碼進行標記區分。

目前在軌運行的GPS衛星向下播發偽隨機碼的PRN編號范圍為1～32，如表2所示。PRN編號是地面用戶進行信號捕獲、跟蹤的關鍵參數，必須保證編號的連續性和可用性。目前GPS已成功運行多年，衛星也更換了多代，但其PRN編號一直在1～32內循環使用，這保證了地面設備可以長期支持對GPS衛星信號的接收，而不管衛星實體性能和載荷發生多大的改變。未來GPSⅢ衛星將要播發新的偽隨機碼，其編號范圍為38～63，34～37保留用作其他用途（地面設備）。考慮到前向兼容的問題，即使未來GPSⅢ衛星開始服役，原有的1～32編號的偽隨機碼仍將會繼續向下播發，否則將會造成地面舊有的接收機不可用。

另外從表3中可以看出，SVID編號與PRN編號在32以下是對應相等的。這也說明用PRN編號也可區分一顆衛星，但是由于SVID編號33～64有其他用途，因此不能將SVID號與PRN編號合并，其兩者的編排規則都是采用阿拉伯數字的形式順序編排，此種編排方法可連貫地標識衛星。

2.5 NAVSTAR編號

為了對導航衛星的發射順序和發射時間進行標記區分，美國空軍對GPS衛星建立了一套衛星發射序列編號即NAVSTAR編號，它是按衛星發射時間順序編號的，并且可以與運載火箭型號、發射基地等信息相關聯。從發射首顆試驗衛星到現在，GPS所有衛星的發射情況如表4所示［5］。

從表4可以看出，NAVSTAR是嚴格按發射時間來編號的，而這與SVN編號不同，SVN是按衛星的批次來進行的。目前NAVSTAR的最高編號為68，而SVN最高編號為66，其中的原因是GPS導航衛星曾有兩次發射失敗。

由于衛星編號涉及到實際系統的運行管理，具有一定的保密性，根據公開的資料僅能查到以上五種GPS衛星識別標識編號。從上述五類衛星編號可以看出，GPS從不同側面、多個角度完整全面地對GPS衛星進行了區別標識，涵蓋了對衛星進行區分管理所需的各種信息，保證了GPS多代次、多批次、多類型的不同衛星混合組網的成功，為GPS的運行管理、有序發展和不斷更新奠定了基礎。

表4 全球定位系統導航星發射序號

3 其他衛星導航系統衛星編號

目前除了成熟的GPS，其他衛星導航系統也在抓緊建設中，并相繼公布了相關的衛星編號包括俄羅斯的GLONASS系統、歐洲的Galileo系統。而日本的QZSS系統和印度的IRNSS系統，正在規劃設計中，尚未公布相關的衛星編號。

3.1 Galileo系統

目前歐洲伽利略衛星導航系統還處于試驗驗證階段，計劃發射30顆衛星，截止到目前為止共有4顆試驗衛星在軌運行。根據Galileo系統公布的信息［6］，其編號體系包括SVID和Code No（對應GPS PRN號），目前其衛星編號與偽隨機碼以及與信號分量E5a－I、E5a－Q的關系規定如表5所示，其中E5b－I、E5b－Q信號分量未列出。

從表5可知，Galileo系統的SVID是從1開始順序遞增的，其Code No編號決定了擴頻碼的生成方式。由于Galileo系統仍處于試驗驗證過程，衛星數目較少，尚未出現衛星退役、更替等問題，目前其SVID與Code No編號是對應相等的，且相對來說較為簡單。

3.2 GLONASS系統

GLONASS系統衛星代號包括GLONASS、GLONASS－M和GLONASS－KM，目前一共有29顆衛星在軌，其中5顆衛星處于測試備份狀態。GLONASS衛星采用頻分多址（FDMA）體制，所有衛星使用完全相同的擴頻碼。衛星號與頻率通道之間的映射關系如表6所示［7］（由于頻譜資源的限制，在地球兩面的衛星使用相同的頻率播發信號）：

表6 2013－09－18GLONASS系統星座狀態

GLONASS系統采用的頻分多址的體制，與GPS、Galileo以及北斗系統采用的碼分多址體制有著不同的衛星區別方式，它不涉及到衛星偽隨機碼的在軌重構問題，也不涉及對PRN編號管理的問題，它對應的是需要對頻率通道和衛星號進行管理。

4 GPS衛星編號對北斗系統的參考和啟示

4.1 北斗系統衛星編號現狀

截止到目前（2013年11月），北斗二號區域系統在軌工作的衛星包括5顆GEO衛星、4顆MEO衛星和5顆IGSO衛星。公開發布的下行鏈路ICD文件中規定了相應的衛星編號和測距碼編號的對應關系，具體如表7所示［8］：

表7 北斗系統PRN號和衛星號分配表

由表7可見，衛星編號和測距碼編號是一致的，即可以用測距碼編號來表示衛星編號。另外目前北斗系統衛星代號的命名方式為系統＋軌道類型＋序號，例如BD－GEO－1，表示GEO軌道的第一顆衛星。

BDS一期系統設計的衛星編號，能夠滿足當前系統的運行需求，但是從系統長遠的建設管理來看，目前的編號設計顯然是不能支撐北斗全球系統建設的，需要設計新的衛星編號體系，對于編號的設計可以借鑒參考GPS的設計思路，而Galileo和GLONASS系統由于體制和建設進度的問題參考意義有限。

4.2 完整的編號體系設計

當前BDS僅完成了初步的區域衛星導航系統的建設，涉及到的衛星數目僅為14顆，衛星的代次包括退役的北斗一號也僅有兩代，相比于GPS全球系統68顆衛星的發射紀錄和多批次不同代的衛星，目前的BDS區域系統衛星編號相對來說較為簡單。未來BDS全球系統的建設必將經歷GPS相似的發展過程，包括建設35顆衛星在內的全球衛星網絡和復雜的地面控制網絡，以及不斷的演進和更新，設計完備的衛星編號是必要的。

另外由于當前北斗系統的信號體制設計較早，技術狀態較為簡單，為了能與全球其他衛星導航系統相競爭，設計新的信號體制也是重要的發展趨勢。未來在試驗星階段或者全球系統建設階段就有可能播發新的偽隨機碼，按計劃GPSⅢ將要開始播發新的偽隨機碼。因此現有的北斗測距碼編號應該進行相應的更新和完備設計，以保證前向兼容和后向過渡。當前北斗系統正在由區域系統向試驗星和全球系統的階段發展建設，設計完備的衛星編號體系是關鍵而又重要的一步。

對于衛星編號的設計不僅要牽涉到太空中幾十個衛星節點，還涉及到地面幾十個控制站點，包括主控站、測控站、監測站和注入站等，目前GPS的地面控制網絡是全球布站的，而BDS的地面站點現階段還是分布在國內，未來擴展地面站節點是不可避免的。對于衛星節點的編號應該與未來地面站節點的編號相統一，但又有所區分，以便于系統對星地一體化網絡的整體管控和運行維護。衛星之間的星間鏈路和衛星的在軌重構需求，也是衛星編號具體設計過程中應該考慮的。GPS成功的衛星編號設計和管理，給BDS帶來的重要啟示是衛星編號設計應該全面、統一、完備地進行設計和考慮，否則將會給后期系統的建設和管理帶來混亂和不必要的麻煩。

4.3 編號設計

借鑒GPS的編號設計，未來BDS的衛星編號設計至少應該包含以下幾類編號：

1）衛星代號，衛星代號是對衛星識別的一個直觀而又基本的名稱標識，目前GPS的衛星代號設計方式是系統名稱＋代次＋英語單詞首字母＋數量的方式來表示一顆衛星，BDS可以采用相似的方式。例如具體的代號可為：BDS2－GEO－1、BDS2－IGSO－1等。

2）衛星飛行器編號，即GPS的SVN號，SVN號是根據各代各批次衛星數量，連貫設計的編號，它不僅可以標識一顆衛星，也能顯示出目前建造的衛星數目和代次情況，相應的名稱可取為BDS－SID，可參考如下表8的編號進行設計。

表8 北斗系統衛星飛行器編號

3 偽隨機碼編號，即PRN編號，目前北斗系統的偽隨機碼編號是和衛星的編號相對等的，未來偽隨機碼的更新設計是不可避免的，它們兩者應該只有映射關系，不需要再對等。同時PRN編號的設計需要考慮到前向兼容，即保證用戶對衛星PRN編號使用的連續性，避免造成新設計的偽隨機碼使舊有用戶不能使用。

4）衛星實際管理運行的編號，即SVID編號，SVID號是參與實際運行管理的關鍵編號，需要考慮地面各個控制管理節點對衛星系統的支持情況，比如注入站、測控站、主控站等站點與衛星的接口連接關系。因此衛星SVID編號最好能與地面站節點編號統一設計。可參考如表9的編號進行相應設計，可采用8bit的數據長度來實現SVID編號，而最高位可通過0、1來區分衛星與地面站，因此衛星和地面站的總編號數目都為128個，基本可以滿足未來的需求。

表9 北斗系統管理編號分配

5）衛星發射序列編號，衛星導航系統涉及的衛星

數目較多，應該按照衛星的發射順序建立相應的發射序列編號并與運載火箭、發射基地、發射結果等信息關聯起來，以顯示出目前系統建設的進展和狀態情況。

對于衛星導航系統上述五類編號可以較為完備地表示和描述衛星的主要信息。但是各大衛星導航系統建設情況各不相同，比如GPS在建設過程中就沒有經歷區域系統和試驗星階段，而且GPS的衛星也沒有像北斗系統那樣分為三種不同的軌道衛星，并且同批次衛星的功能之間也有差距，因此對于BDS的衛星編號設計，除了要包含上述五類相似的衛星編號外，還應結合自身具體的實際情況來進行設計。

5 結論

衛星編號設計關聯著衛星的實際運行管理和維護，必須要嚴格周密設計，避免出現不必要的混亂與差錯。本文提供的研究結果，可為實際的北斗衛星編號設計提供參考。

［1］ 冉承其.北斗衛星導航系統正式提供區域服務新聞發布會［EB／OL］.（2012－12－27）［2014－01－15］.http：gov.cn／interact／show.html.

［2］ 謝鋼.GPS原理與接收機設計［M］.北京：電子工業出版社，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］ 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B1I（1.0版）［EB／OL］.［2014－01－15］.http：／／wenku.baidu.com／link？url＝ PzhulclXTbE61jIdz6YkAa1B6－IlQE17LTZbngeJRMGQXiaGXhPeFcWm DNbrWd6GaI2oxmYLQx6TZCxEWKO07Srj62N2i5EYbA2kVJmAFYm.