高軌導(dǎo)航衛(wèi)星（GEO和IGSO）的發(fā)展構(gòu)想

● 文 |中國空間技術(shù)研究院　 鄭晉軍　李祖洪

高軌導(dǎo)航衛(wèi)星（GEO和IGSO）的發(fā)展構(gòu)想

● 文 |中國空間技術(shù)研究院 鄭晉軍李祖洪

一、國外高軌導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于其系統(tǒng)誤差，提供的服務(wù)無法滿足部分高精度、高完好性用戶的需求，采用高軌衛(wèi)星的星基導(dǎo)航增強系統(tǒng)便應(yīng)運而生，如圖1所示。

圖1　世界各國星基導(dǎo)航增強系統(tǒng)

星基增強系統(tǒng)向服務(wù)區(qū)域內(nèi)用戶實時廣播導(dǎo)航電文的星歷、鐘差和電離層的改正數(shù)和完好性信息，用戶利用基本導(dǎo)航星座播發(fā)的偽距和電文信息，結(jié)合接收的改正參數(shù)和完好性信息進行差分和完好性處理。

差分和完好性信息通過高軌衛(wèi)星在服務(wù)區(qū)內(nèi)集中式實時廣播。

■ 美國廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、歐洲地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)（EGNOS）、俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)（SDCM）等系統(tǒng)通過地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星播發(fā)。

■ 日本準天頂衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（QZSS）系統(tǒng)通過高橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星播發(fā)。印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）空間段星座由7顆高軌導(dǎo)航衛(wèi)星組成：3顆GEO衛(wèi)星，和4顆IGSO衛(wèi)星。

其中，由于日本和印度具有使用GPS系統(tǒng)的授權(quán)權(quán)限，兩個系統(tǒng)所使用的高軌衛(wèi)星即組成了為自己國家服務(wù)的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，同時也可視為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分，與GPS系統(tǒng)MEO衛(wèi)星共同提供導(dǎo)航服務(wù)。

高軌衛(wèi)星大大增加了基本導(dǎo)航服務(wù)的可用性，提高了用戶的定位精度。通過高軌衛(wèi)星提供廣域差分完好性和精密定位服務(wù)，進一步提高了導(dǎo)航服務(wù)的準確性、連續(xù)性、完好性和可用性。

二、我國高軌導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展歷程

1.北斗試驗導(dǎo)航衛(wèi)星

我國先后于2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月5日發(fā)射了3顆北斗試驗導(dǎo)航衛(wèi)星，組成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗（北斗一號）系統(tǒng)，具備在我國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時、報文功能。

導(dǎo)航星座由3顆GEO衛(wèi)星組成，2顆衛(wèi)星分別定點在80°E、140°E，第3顆備份星定點在110.5°E上空。

北斗一號系統(tǒng)的建立改變了我國長期缺少高精度、實時定位手段的局面，打破了美國和俄羅斯在這一領(lǐng)域的壟斷地位，填補了我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的空白。

主要性能：服務(wù)區(qū)域70°E～145°E，5°N～55°N；定位精度平面位置精度一般為100m，設(shè)標校站之后為20m，高程控制精度10m。授時精度單向傳遞10ns，雙向傳遞20ns。雙向數(shù)據(jù)通信能力36個漢字/次。在無遮擋條件下，一次性定位成功率不低于95%。

2.北斗二號區(qū)域系統(tǒng)

北斗二號區(qū)域系統(tǒng)于2012年12月27日正式投入運行，目前在軌工作衛(wèi)星有5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星。

GEO衛(wèi)星的軌道高度為35786km，分別定點于58.75°E、80°E、110.5°E、140°E和160°E。

IGSO衛(wèi)星的軌道高度為35786km，軌道傾角為55°，分布在3個軌道面內(nèi)，升交點赤經(jīng)分別相差120°，其中3顆衛(wèi)星的星下點軌跡重合，交叉點經(jīng)度為118°E，其余2顆衛(wèi)星星下點軌跡重合，交叉點經(jīng)度為95°E。

MEO衛(wèi)星軌道高度為21528km，軌道傾角為55°，回歸周期為7天13圈。

主要性能：服務(wù)區(qū)域中國及周邊亞太大部分地區(qū)；定位精度平面10m，高程10m，測速精度0.2m/s；授時精度單向50ns；可提供雙向高精度授時和短報文通信服務(wù)。

3.小結(jié)

我國高軌導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展構(gòu)想發(fā)展高軌導(dǎo)航衛(wèi)星體現(xiàn)了我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的鮮明特色，有著特定歷史、政治、經(jīng)濟背景，承擔了“好、快、省”建設(shè)我國衛(wèi)星導(dǎo)航試驗、區(qū)域系統(tǒng)的重任，在系統(tǒng)穩(wěn)定連續(xù)運行中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，全球范圍內(nèi)的基本導(dǎo)航服務(wù)主要由20余顆MEO實現(xiàn)，GEO+IGSO將繼續(xù)實現(xiàn)我國國土及周邊、重點區(qū)域基本導(dǎo)航性能提升。為提高全球?qū)Ш较到y(tǒng)的整體性能和綜合效益，高軌導(dǎo)航衛(wèi)星還可進一步進行性能增強和功能擴展。

三、我國高軌導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展構(gòu)想

1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及技術(shù)的發(fā)展預(yù)測

針對未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展進行預(yù)測，如圖2所示。

1）性能提升：導(dǎo)航服務(wù)準確性、連續(xù)性、完好性和可用性進一步提升。

2）功能擴展：從為用戶提供單一的定位、測速、定時服務(wù)，朝著可提供定位、測速、定時、搜救、導(dǎo)航與信息傳輸相結(jié)合的綜合型導(dǎo)航定位服務(wù)發(fā)展方向發(fā)展。

高軌衛(wèi)星具有連續(xù)可見（GEO）、對中高軌（HEO、IGSO）覆蓋好的特點，未來的導(dǎo)航星座將是多軌道混合的（GEOIGSOHEOMEOLEO）星座。

圖2　未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展

大量新技術(shù)將在空間得到應(yīng)用：

■ 星載原子鐘技術(shù)：高穩(wěn)定度、小體積、輕重量、長壽命。對于銣原子鐘，將進一步小型化；對于被動型氫鐘，工程應(yīng)用將成熟化；對于汞離子微波鐘，將實現(xiàn)星載應(yīng)用。

■ 新型星間鏈路技術(shù)：具有更高的數(shù)據(jù)率、更高的測距精度，數(shù)據(jù)率達到1～10Gbit/s，測距精度達到厘米級。

■ 天基信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：不同軌道上、不同種類的衛(wèi)星形成天基信息網(wǎng)，通過星間、星地鏈路實現(xiàn)信息準確獲取、快速處理和高效傳輸。

■ 量子定位和脈沖星導(dǎo)航技術(shù)：實現(xiàn)在軌驗證或工程應(yīng)用。

2.提供星基廣域增強和精密定位服務(wù)

GEO+IGSO兩種軌道的導(dǎo)航衛(wèi)星組合使用將實現(xiàn)對我國增強信號的高仰角、多重、多頻覆蓋。如圖3所示。

GEO衛(wèi)星可滿足低緯度地區(qū)的多重覆蓋性能，IGSO衛(wèi)星滿足中高緯度地區(qū)的多重覆蓋，高仰角覆蓋解決增強信號的“北坡遮擋”和“城市峽谷”問題。

播發(fā)雙頻民用增強信號，信號體制與國際民航組織ICAO標準兼容，精度、完好性滿足我國國土及周邊民航通航的需求。

播發(fā)廣域精密定位信號，滿足國土監(jiān)測、精密測繪等行業(yè)對于厘米級定位精度的需求。

播發(fā)軍用增強信號，提高授權(quán)服務(wù)性能。

圖3　對我國多重高仰角覆蓋的導(dǎo)航增強服務(wù)

3.提供搜索和救援服務(wù)

國際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）自從投入運行以來發(fā)揮了重要的作用。國際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)以低軌衛(wèi)星為主，隨著系統(tǒng)的運行逐漸暴露了一些缺點：

1）示位標信號發(fā)現(xiàn)有一定時延，最大可達30min，延誤險情告警；

2）遇險者定位精度差，定位精度約20km，延長救援人員尋找遇險者的時間；

3）部分信號使用權(quán)限未對中國開放，影響我國使用效果。

遇險者對衛(wèi)星搜救系統(tǒng)響應(yīng)速度和定位精度有著越來越高的需求，未來衛(wèi)星搜索和救援系統(tǒng)的發(fā)展趨勢為：

1）快速響應(yīng)、高精度定位；

2）多軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)：高軌+中軌+低軌衛(wèi)星；

3）主動定位與被動定位相結(jié)合：主動定位即信標機（求救用戶）通過集成北斗、GPS接收機知悉自己位置并將自身位置信息內(nèi)置于遇險報警信號中。被動定位即搜救系統(tǒng)根據(jù)信標機信號特性進行測距獲得信標機位置；

4）增加反饋鏈路，告知遇險者信息已經(jīng)得知，增大其獲救概率。

而高軌衛(wèi)星搜救載荷由雙向鏈路組成，即正向鏈路和反饋鏈路。更為重要的是，由于高軌衛(wèi)星搭載的雙向鏈路均具有測距功能，通過獲得信標機與不同衛(wèi)星間的距離，利用多球定位原理，提供了被動式定位搜救方式。

高軌衛(wèi)星SAR服務(wù)具有以下優(yōu)點：

1）高軌衛(wèi)星上搭載具有通信、測距功能的雙向鏈路，具有定位精度高的特點；

2）高軌衛(wèi)星連續(xù)可見，具有響應(yīng)時間短的優(yōu)點；

3）結(jié)合了主動定位式搜救和被動式搜救的優(yōu)點，實現(xiàn)了雙模式結(jié)合與備份。

4.成為星基PNT體系骨干節(jié)點

以北斗系統(tǒng)為核心構(gòu)建的我國星基定位導(dǎo)航授時體系，將融合各種定位、導(dǎo)航、授時系統(tǒng)、技術(shù)于一體，為地面、太空等用戶提供一體化定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，顯著提升系統(tǒng)服務(wù)精度、完好性、可用性、連續(xù)性、安全性（抗干擾、防欺騙等）等性能。高軌衛(wèi)星具有更強的平臺能力，具備裝配氫鐘、汞離子鐘等大體積原子鐘的能力，可作為空基PNT體系的骨干節(jié)點，提供對其他衛(wèi)星、用戶的校時和授時服務(wù)，見圖4。

典型應(yīng)用場景1：形成基于低軌衛(wèi)星的增強系統(tǒng)。由高軌衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星、參考站和控制中心等組成。通過高軌衛(wèi)星（GEO、IGSO）實現(xiàn)對低軌衛(wèi)星的授時，達到整個系統(tǒng)信號發(fā)射源時間的統(tǒng)一；同時不斷對低軌衛(wèi)星實時校時，提高低軌衛(wèi)星時頻精度，保證整個系統(tǒng)高精度時頻的維持。在降低系統(tǒng)建設(shè)成本的同時，實現(xiàn)了系統(tǒng)時頻統(tǒng)一和高精度維持。

■ 低軌衛(wèi)星增加測距源，改善系統(tǒng)的幾何構(gòu)型。

■ 低軌衛(wèi)星軌道高度低，信號到達地面上的功率高20～30dB。

■ 低軌衛(wèi)星作為中繼可播發(fā)差分信息。

典型應(yīng)用場景2：成為自主運行校時中心。在導(dǎo)航星座自主運行的場景下，可利用高軌衛(wèi)星對MEO衛(wèi)星的校時，從而提高MEO衛(wèi)星原子鐘的長期頻率特性，進而提升自主運行時間和自主運行期間的導(dǎo)航性能。

圖4　 星基PNT體系骨干節(jié)點

5.星基新技術(shù)驗證平臺

隨著美國陸軍研究實驗室提出星基量子定位系統(tǒng)的方案，基于量子度量的量子導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為美國下一代導(dǎo)航系統(tǒng)的重點發(fā)展方向。

量子定位技術(shù)具有精度高（微米級以上）、高保密性、低功耗等特性。同時，單機體積小，質(zhì)量輕。

量子定位技術(shù)不但可以構(gòu)建導(dǎo)航定位新體制，還可以與現(xiàn)有無線定位體制相結(jié)合，提升現(xiàn)有系統(tǒng)性能。其從原理論證走向工程應(yīng)用需要解決糾纏源、探測器和測距技術(shù)等難題，需要原理樣機開發(fā)和在軌試驗驗證。

X射線脈沖星導(dǎo)航是在航天器上安裝X射線探測器，探測脈沖星輻射的X射線光子，測量脈沖到達時間和提取脈沖星影像信息，經(jīng)過相應(yīng)的信號和數(shù)據(jù)處理，航天器自主確定軌道、時間和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)的過程。核心技術(shù)環(huán)節(jié)為脈沖星的巡天觀測與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、脈沖到達時間測量與誤差修正技術(shù)、X射線探測器研制技術(shù)、導(dǎo)航定位時空基準的建立與維持技術(shù)。

脈沖星導(dǎo)航具有精度高、適用范圍廣、抗干擾和完全自主的優(yōu)勢。20世紀90年代開始，美俄等航天大國紛紛制定研究脈沖星導(dǎo)航發(fā)展戰(zhàn)略，組織關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和試驗驗證。目前國外脈沖星導(dǎo)航技術(shù)已通過空間實驗驗證階段。

我國未來急需開展探測器搭載、空間實驗驗證直至工程應(yīng)用的工作。高軌導(dǎo)航衛(wèi)星貼近于脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的實際應(yīng)用場景，同時提供了很好的驗證平臺。

6.承擔導(dǎo)航與大數(shù)據(jù)傳輸結(jié)合業(yè)務(wù)

現(xiàn)有空間信息網(wǎng)絡(luò)的全域覆蓋能力有限、網(wǎng)絡(luò)擴展和協(xié)同應(yīng)用能力弱，未來覆蓋全球地區(qū)的導(dǎo)航星座參與數(shù)據(jù)傳輸，甚至導(dǎo)航與通信功能進行融合可能是我國航天發(fā)展的趨勢。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多為覆蓋全球的星座系統(tǒng)，具有實時連續(xù)提供服務(wù)的特性，是作為天基信息傳輸分發(fā)系統(tǒng)的天然平臺。高軌衛(wèi)星作為天基數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵墓?jié)點，具備高速星間和星地鏈路，實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)同，適應(yīng)未來戰(zhàn)場作戰(zhàn)范圍廣、作戰(zhàn)對象多、作戰(zhàn)信息實時化、指揮體系扁平化、戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜化的特性。

未來我國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個多重覆蓋全球的星座系統(tǒng)，而且每顆導(dǎo)航衛(wèi)星上將安裝有高速V波段或激光星間鏈路，導(dǎo)航衛(wèi)星之間采用固定連接關(guān)系建立星間高速實時數(shù)據(jù)傳輸通道。同時，每顆導(dǎo)航衛(wèi)星還安裝有星間鏈路以建立導(dǎo)航衛(wèi)星與其他衛(wèi)星之間數(shù)據(jù)傳輸鏈路，其他衛(wèi)星將大容量數(shù)據(jù)實時通過星間鏈路傳輸給MEO導(dǎo)航衛(wèi)星，MEO導(dǎo)航衛(wèi)星通過星間鏈路傳遞給高軌導(dǎo)航衛(wèi)星，高軌導(dǎo)航衛(wèi)星通過高速星地鏈路直接下傳到地面站。

四、結(jié)論

在各國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，高軌導(dǎo)航衛(wèi)星均發(fā)揮了重要作用。我國北斗一號、北斗二號區(qū)域系統(tǒng)中，GEO和IGSO高軌衛(wèi)星發(fā)揮了重要作用，面向北斗全球系統(tǒng)和未來的服務(wù)需求，高軌衛(wèi)星具有進一步提升作用的空間。

高軌衛(wèi)星除提升基本導(dǎo)航服務(wù)的性能外，可集成星基增強服務(wù)、SAR服務(wù)等業(yè)務(wù)，同時作為星基PNT體系和數(shù)據(jù)傳輸分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的骨干節(jié)點，實現(xiàn)了導(dǎo)航星座的功能擴展，提高了系統(tǒng)的綜合服務(wù)效益。高軌導(dǎo)航衛(wèi)星仍是未來導(dǎo)航星座不可或缺的一部分。

［1］ Walter Todd，Enge Per，Reddan Pat .Modernizing WASS［C］. Proceedings of the lnstitute of Navigations GNSS Meeting（lON GNSS 2004），2004.

［2］ FAA- E-2892B，Wide Area Augmentation System（WASS）［S］.

［3］ 趙爽 .國外衛(wèi)星導(dǎo)航星基增強系統(tǒng)發(fā)展概況［J］. 衛(wèi)星應(yīng)用，2013（5）：58-61.

［4］ 周城宏， 錢衛(wèi)平， 郭軍海， 趙華 .脈沖星導(dǎo)航發(fā)展概要［J］. 南京信息工程大學(xué)學(xué)報，2015（3）：241-246.

［5］ 夏巖，王慶華，宋錚，陳秋麗. 日本QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［J］. 衛(wèi)星應(yīng)用，2015（4）：40-43.

［6］ 李作虎，席歡. 日本衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展與思考［J］. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2013（10）：68-73.

［7］ 王森，朱小輝，曾欣等. 國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的最新發(fā)展與思考［J］. 全球定位系統(tǒng)，2015（4）：61-64.

［8］ 葉禮邦，閆京海，喬會東，耿宏峰. 印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀研究［J］. 現(xiàn)代導(dǎo)航，2015（3）：245-249.

［9］ Ganeshan A S. GAGAN：Statue and Update［J］. Coordinates，2012，Vlll（9）：1-5.

［10］ 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)［J］.測繪學(xué)報，2010（1）：3-7.

［11］ 劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展［J］. 遙測遙控，2013 34（3）：1-8.