認識北斗 建設北斗

許其鳳

（信息工程大學導航與空天目標工程學院，鄭州450052）

認識北斗 建設北斗

許其鳳

（信息工程大學導航與空天目標工程學院，鄭州450052）

指出衛星導航系統的發展規劃應與國防戰略和裝備能力相適應，一個包括我國周邊及西太平洋的區域系統可以滿足近期的軍用、民用需求。分析了我國建設衛星導航系統的不利條件，并設計了規避不利條件的衛星星座。介紹了我國發展全球系統所必需的衛星對衛星觀測和數據傳輸的技術支撐。分析了區域增強的全球系統的競爭優勢。

衛星導航系統；衛星星座設計；區域系統；區域增強

1 發展我國衛星導航系統是國家安全的需要

1.1 國防安全的需要

縱觀近年的戰爭，科索沃（塞爾維亞）、伊拉克等地的戰事，無不是依托軍事基地從海上發起精確打擊為主要手段。對于既無遠程武器也無精確導航的國家而言，只能挨打，無有效還擊能力。在近代戰爭中衛星導航具有重要作用，此外它還用于許多軍事領域，如合同作戰、指揮、精確制導彈藥、后勤保障等。事實上，衛星導航系統就是因軍事需要而產生、發展的。早在1964年，美軍海軍的子午儀衛星導航系統就是為保障美國導彈核潛艇導航需要而發展的。

GPS由美國陸海空三軍聯合研制，稱為美國第二代衛星導航系統。目前美軍已普遍應用GPS衛星導航系統，成為提高戰斗力的重要因素。衛星導航系統的軍事屬性決定了它應是獨立自主的，不受控于他國。目前，除已有的GPS和蘇聯幾乎同時發展的GLONASS外，中國、歐洲、日本、印度等國家和地區都在計劃、發展自己的衛星導航系統。

應該指出，衛星導航系統并不是戰斗實體，它的作用是提升實體的戰斗力。因此，衛星導航系統的發展規劃應與國防戰略和裝備能力相適應。一個包括西太平洋在內的區域導航系統是當時（2000年）的急需，全球導航系統是進一步發展的必然趨勢。

1.2 國民經濟安全的需要

民用對衛星導航也有很大需求。衛星導航可以提供定位和準確的時間（精度可達0.1μs或更高）。近二十年，各國（包括中國）在民用領域廣泛采用GPS導航，其中包括交通、測繪、通信、電力、銀行等國民經濟中的重要領域。獨立自主的衛星導航系統是國民經濟安全運行的保障。

衛星導航系統的民用領域具有很大的產業發展潛力，我國民用用戶主要分布在國內及周邊，前述軍用需求的區域系統同時能滿足絕大部分民用的需求。

2 我國發展衛星導航系統的不利條件

學習、借鑒國外已有衛星導航系統的技術、經驗是重要的，但必須充分顧及我國具體條件的不同，尤其是不利的條件。

衛星導航的原理很簡單。測量用戶到某一衛星的距離，可寫出如下方程

式（1）中，ρj為到所測衛星的距離（衛星編號為j）；xj、yj、zj為該衛星的坐標；x、y、z為用戶坐標。如果衛星的位置已知，原理上講，只需測量3顆衛星的距離，解3個方程就可解算用戶的位置(x、y、z)。

衛星導航的過程可以簡要描述為：測量到衛星的距離；利用衛星的位置，解算用戶的位置。為取得較高精度的導航解就需要測量距離精確；衛星位置準確；衛星空間分布良好（較好的空間幾何分布，可以減少位置解算中的精度衰減）。可將以上稱為精確導航的三要點。

2.1 難于做到監測站的全球分布

為取得衛星位置，必須測定衛星的軌道，通常稱為定軌；而后按衛星軌道外推（計算）衛星位置；通常稱為預報。由于導航是實時定位，用戶解算所使用的衛星位置只能是外推的位置。故導航中衛星位置的精度受到定軌精度和外推精度的雙重影響。

衛星軌道測定是以眾多地面監測站不斷對衛星觀測（測距），經計算得到的。為取得高精度的軌道精度，除了要求這些觀測量的精度要高，還要求觀測分布在衛星軌道的全弧段。在同等觀測精度的條件下，觀測量分布的軌道弧段越長軌道測定的精度越高。而軌道外推的精度取決于軌道測定的精度和外推時段（弧段）的長短。外推弧段越長，衛星預報（外推）位置的精度衰減越嚴重。這些都要求地面監測站在全球分布。而我國的具體條件，難于在全球布設安全、可靠的地面監測站。例如，在我國境內分布的監測站只能檢測GPS衛星約1/3的弧段，外推弧段可達約2/3。圖1是引用了實際測軌與外推精度的比較[1]。三條曲線表示衛星坐標誤差的3個分量。

圖1 測軌段和外推段的衛星位置精度Fig.1 Satellite positioning accuracy of orbit measurement segment and extrapolation segment

綜合以上所述，為了保障精密導航所需要的精確衛星位置，需要盡量長的衛星運行弧段進行觀測，這就要求監測站全球分布。和美國擁有眾多海外軍事基地相比，我國難于作到監測站的全球分布。

2.2 星載原子鐘發展滯后

GPS（包括其他主要的衛星導航系統）采用測量電磁波傳播時間τ測定距離ρ

式（2）中，c為光速；t1和t2分別為衛星發播信號和用戶收到的時刻（實際上，為提高測量精度，采用偽隨機噪聲碼的最大自相關測量傳播時間）。式（2）成立的條件是衛星上的時鐘和用戶時鐘精密同步（同步也可以是測定鐘差，對鐘面時進行修正）。由于測距誤差為不同步誤差乘以光速，要求同步精度為10-9(十億分之一)秒。

導航定位時，用戶將同時測量多顆衛星，難于做到所測諸衛星都與用戶鐘同步。目前的做法是所有衛星鐘均與某一標準鐘同步，用戶鐘與標準鐘的同步差（用戶鐘差）作為一個未知數，參加導航解算。這樣導航解算的未知數將為4，即至少觀測4顆衛星以取得導航解（事實上，為提高精度和可靠性將觀測4顆以上的衛星）。通過監測站的觀測，可以解算諸衛星鐘的鐘差（快慢）使之同步。與衛星位置一樣，這樣的鐘差并不能為用戶所用，用戶所使用的是鐘差的外推值。除鐘差測定的精度外，外推鐘差的精度取決于外推時間的長短和星載鐘的穩定性。鑒于我國監測站可能的分布，以GPS衛星為例，外推時間可達十幾小時，為保障前述同步精度，要求星載原子鐘的穩定度達到10-14。我國原子鐘發展相對滯后，當時國產原子鐘達不到需要的技術指標，進口鐘又遭禁運。這將直接影響對衛星的測距精度。

綜上所述，我國發展衛星導航面臨兩個瓶頸問題，即監測站難于全球布設和星載原子鐘發展相對滯后。不解決這兩個瓶頸問題，就難于建設性能一流的衛星導航系統。

3 避短揚長的星座設計

導航系統的星座設計是為滿足所需要的覆蓋（服務）范圍和導航精度，需由多少顆衛星組成衛星星座、采用的軌道參數以及如何分布，使得覆蓋區域任何地點、任意時間衛星都有良好的分布。

衛星軌道的選擇。當時，國際上可供借鑒的美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和歐盟設計中的Galileo均采用均勻分布在3或6個軌道面的中軌衛星（MEO，軌道高度約2×104km）組成衛星星座[2]。事實上還有兩種軌道可供選擇，地球同步衛星軌道（GEO，高度約3.6×104km）和傾斜軌道的同步衛星軌道（IGSO），后者的高度與GEO相同，只是軌道面傾角不為0°（不在赤道面上）。圖2為從地球上觀察這三種衛星軌道的示意圖。如圖2所示，國際上導航系統所使用的MEO衛星自西向東繞地球旋轉的；GEO衛星從地球上看是幾乎不動；IGSO衛星是由南到北運動（東西變化不大）。

圖2 從地球觀察三種衛星軌道Fig.2 G round traces of three types of satellite orbit

如前所述，在國內布設監測站，MEO衛星的可觀測弧段約為1/3，而GEO和IGSO衛星可達80%～100%[3]，大大增加了觀測弧段，減少了外推弧段，解決了測軌和軌道外推（預報）的精度問題，同時大大減少了衛星鐘鐘差的外推時間（從十幾小時縮短為1～2 h），降低了對衛星鐘穩定性的技術要求（使用國產原子鐘即可保障衛星導航的高精度）。就我國的實際情況，即國內布設監測站，建設覆蓋亞太的區域衛星導航系統，選擇GEO和IGSO可在很大程度上避開前述瓶頸問題。

衛星星座設計。選定衛星軌道后，還需滿足導航定位的第三要點，即良好的衛星分布。由于地球的自轉和衛星按各自軌道繞地球的旋轉，使得不同時間、不同地域的用戶觀測的衛星分布不同。優選的原則應是以最少的衛星（最小的經費投入）滿足需求的覆蓋和任意時間、地點的導航精度。仿真結果表明，良好分布的5顆GEO和5顆IGSO，共10顆衛星組成的衛星星座可以滿足建設覆蓋亞太地區較高精度導航的要求。

圖3為不同地區導航精度的仿真統計。設定測距誤差為2 m，位置分辨率為1°×1°，時間分辨率為1 m in。同一地區不同時間的精度不同，圖中顯示為其最差（標準差最大）的定位精度。早期的設計為4顆GEO衛星和12顆MEO衛星共16顆衛星組成衛星星座。參考GPS，24顆均勻分布的MEO衛星可保障任何地區至少可見4顆衛星，12顆MEO衛星可保障至少可見2顆衛星，再輔以4顆GEO衛星至少可見2顆衛星，可達到導航要求。由于MEO衛星是繞地球運轉的，對于區域系統，它的利用率低，所需衛星數多。

為了比較，以同樣的條件進行仿真比較，北半球部分的比較見圖4。圖中褐色表示標準差為30～100m。

4 區域增強的全球系統

隨著國家經濟增長、綜合國力增強，國家安全的概念和范圍在擴展，勢必需要建設全球衛星導航系統。

星間測距技術。設全球系統需采用繞全球運動的中軌衛星。衛星對衛星測距與數據傳輸（也稱星間鏈路）可以很好地解決我國監測站布設受到限制帶來的監測弧段短，外推弧段長的問題。這一技術當初是為解決戰時GPS地面監測和注入設備不能正常向衛星提供導航信息時，可以使系統繼續運行一段時間（精度有所下降），通常稱為（衛星）自主定軌。盡管由于技術的發展，這一目的有所淡化，但它的全弧段監測能力和高精度的觀測量使定軌和預報精度大為提高。星間鏈路的采用和我國星載原子鐘性能的提高，是建設高性能全球導航系統的重要技術基礎。

目前世界具有多個衛星導航系統，在民用的產業和市場存在競爭。總體性能的提高是提高競爭力的重要方面。事實上，定位精度不是星座性能的唯一技術指標，例如用戶可視衛星數增多、高度較大的可視衛星數增多對提高系統性能有重要意義。前者可以提高可靠性并使用戶具備自檢測功能，后者可以減少建筑物和地形遮擋衛星的影響。

圖3 不同地點的導航精度（標準差）Fig.3 Navigation accuracy of different regions

圖4 兩種方案的比較Fig.4 Comparison between two schemes

可以舉幾個例子進行比較：a.類似GPS（初期），含24顆均勻分布的MEO衛星；b.類似Galileo，含30顆均勻分布的MEO衛星；c.區域增強系統，含24顆均勻分布的MEO衛星和3顆GEO衛星及3顆IGSO衛星（衛星總數為30）。除表示精度的衰減因子PDOP（位置精度衰減因子）外，還有高度角大于5o的衛星數和高度角大于35o的衛星數。

仿真結果見圖5～圖7。圖中僅顯示了我國境內的部分，事實上，在經度60o～160o，緯度±55o的區域內這種增強都很明顯（見圖8）。

圖5 高度角＞5°的衛星數(90%)Fig.5 The number of satellite whose elevation angle is more than 5°(90%)

圖6 高度角＞35°的衛星數(90%)Fig.6 The number of satellite whose elevation angle is more than 35°(90%)

圖7 高度角＞5°的PDOP(90%)Fig.7 The PDOP of every area when satellite’s elevation angle is more than 5°(90%)

綜合比較見表1。觀察圖5～圖8以及表1可見，不論民用（國內及周邊）還是軍用（含太平洋西部），區域增強的全球系統在我國最重要的區域都有明顯的優勢。

圖8 更大范圍高度角＞5°的衛星數(90%)Fig.8 The number of satellite whose elevation angle is m ore than 5°in larger areas(90%)

表1 區域增強效果Table1 Regional augmentation results

5 結語

我國發展衛星導航系統的特殊性可歸結為兩個瓶頸，即監測站難于全球布設和星載原子鐘發展相對滯后。這具體表現在對衛星的監測弧段短，外推弧段長，不利于精確測定和外推衛星軌道和衛星鐘鐘差，而國產星載原子鐘的穩定度較差更使測距誤差增大。選擇地球同步衛星和傾斜軌道的同步衛星可以近全弧段跟蹤，縮小外推弧段，可使用國產原子鐘建設較高精度的亞太地區衛星導航系統。

建設全球導航系統需采用MEO，采用衛星間測距和數據傳輸技術可以做到全弧段跟蹤，實現高精度全球導航。采用同步衛星（GEO、IGSO）增強的全球系統可在亞太地區的導航性能得到顯著增強，即在我國軍用、民用最重要的區域性可以超越其他衛星導航系統。

[1] 馬 欣，焦文海.IGS的IGU軌道及其精度分析[J].軍事測繪，2001(6)：36-40.

[2] 艾利奧D卡普蘭，克利斯朵夫JH.GPS原理與應用（第二版) [M].寇艷紅，譯.北京：電子工業出版社，2010.

[3] Xu Qifeng，Yang Li.Local-area satellite navigation system (LNS)[J].International Conference on Navigation，2001，10（10）：24-29.

Understand and construct Beidou Navigation System

Xu Qifeng
(Institute of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China)

This paper indicates that the development of satellite navigation system should correspond to defense strategy and equipment capacity，and a regional navigation system covering neighboring countries and the Western Pacific is able to meet the recent military and civilian demands.The adverse conditions of constructing satellite navigation system in our country are analyzed and satellite constellation of avoiding adverse conditions is designed.Technical supports of satellite observations and data transmission for satellites which are needed in global system development of our country are introduced.Competitive advantage of global navigation system with regional augmentation is analyzed.

satellite navigation system；satellite constellation design；regional navigation system；regional augmentation

P228

A

1009-1742（2014）08-0026-07

2014-05-19

許其鳳，1936年出生，男，天津市人，中國工程院院士，研究方向為衛星大地測量、衛星導航；E-mail：congdianwei@sina.com