高軌導航衛星（GEO和IGSO）的發展構想

● 文 |中國空間技術研究院　 鄭晉軍　李祖洪

高軌導航衛星（GEO和IGSO）的發展構想

● 文 |中國空間技術研究院 鄭晉軍李祖洪

一、國外高軌導航衛星發展現狀

衛星導航系統由于其系統誤差，提供的服務無法滿足部分高精度、高完好性用戶的需求，采用高軌衛星的星基導航增強系統便應運而生，如圖1所示。

圖1　世界各國星基導航增強系統

星基增強系統向服務區域內用戶實時廣播導航電文的星歷、鐘差和電離層的改正數和完好性信息，用戶利用基本導航星座播發的偽距和電文信息，結合接收的改正參數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星在服務區內集中式實時廣播。

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

■ 日本準天頂衛星導航系統（QZSS）系統通過高橢圓軌道（HEO）衛星播發。印度區域導航衛星系統（IRNSS）空間段星座由7顆高軌導航衛星組成：3顆GEO衛星，和4顆IGSO衛星。

其中，由于日本和印度具有使用GPS系統的授權權限，兩個系統所使用的高軌衛星即組成了為自己國家服務的區域導航系統，同時也可視為全球衛星導航系統的一部分，與GPS系統MEO衛星共同提供導航服務。

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

二、我國高軌導航衛星發展歷程

1.北斗試驗導航衛星

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

導航星座由3顆GEO衛星組成，2顆衛星分別定點在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域的壟斷地位，填補了我國衛星導航定位領域的空白。

主要性能：服務區域70°E～145°E，5°N～55°N；定位精度平面位置精度一般為100m，設標校站之后為20m，高程控制精度10m。授時精度單向傳遞10ns，雙向傳遞20ns。雙向數據通信能力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.北斗二號區域系統

北斗二號區域系統于2012年12月27日正式投入運行，目前在軌工作衛星有5顆GEO衛星、5顆IGSO衛星和4顆MEO衛星。

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

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

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

主要性能：服務區域中國及周邊亞太大部分地區；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。

3.小結

我國高軌導航衛星發展構想發展高軌導航衛星體現了我國衛星導航系統建設的鮮明特色，有著特定歷史、政治、經濟背景，承擔了“好、快、省”建設我國衛星導航試驗、區域系統的重任，在系統穩定連續運行中發揮了至關重要的作用。

在全球衛星導航系統中，全球范圍內的基本導航服務主要由20余顆MEO實現，GEO+IGSO將繼續實現我國國土及周邊、重點區域基本導航性能提升。為提高全球導航系統的整體性能和綜合效益，高軌導航衛星還可進一步進行性能增強和功能擴展。

三、我國高軌導航衛星發展構想

1.衛星導航系統及技術的發展預測

針對未來衛星導航系統發展進行預測，如圖2所示。

1）性能提升：導航服務準確性、連續性、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，朝著可提供定位、測速、定時、搜救、導航與信息傳輸相結合的綜合型導航定位服務發展方向發展。

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

圖2　未來衛星導航系統發展

大量新技術將在空間得到應用：

■ 星載原子鐘技術：高穩定度、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，工程應用將成熟化；對于汞離子微波鐘，將實現星載應用。

■ 新型星間鏈路技術：具有更高的數據率、更高的測距精度，數據率達到1～10Gbit/s，測距精度達到厘米級。

■ 天基信息網絡技術：不同軌道上、不同種類的衛星形成天基信息網，通過星間、星地鏈路實現信息準確獲取、快速處理和高效傳輸。

■ 量子定位和脈沖星導航技術：實現在軌驗證或工程應用。

2.提供星基廣域增強和精密定位服務

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

GEO衛星可滿足低緯度地區的多重覆蓋性能，IGSO衛星滿足中高緯度地區的多重覆蓋，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。

播發廣域精密定位信號，滿足國土監測、精密測繪等行業對于厘米級定位精度的需求。

播發軍用增強信號，提高授權服務性能。

圖3　對我國多重高仰角覆蓋的導航增強服務

3.提供搜索和救援服務

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

1）示位標信號發現有一定時延，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）部分信號使用權限未對中國開放，影響我國使用效果。

遇險者對衛星搜救系統響應速度和定位精度有著越來越高的需求，未來衛星搜索和救援系統的發展趨勢為：

1）快速響應、高精度定位；

2）多軌道衛星搜救系統：高軌+中軌+低軌衛星；

3）主動定位與被動定位相結合：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置于遇險報警信號中。被動定位即搜救系統根據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得知，增大其獲救概率。

而高軌衛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。

高軌衛星SAR服務具有以下優點：

1）高軌衛星上搭載具有通信、測距功能的雙向鏈路，具有定位精度高的特點；

2）高軌衛星連續可見，具有響應時間短的優點；

3）結合了主動定位式搜救和被動式搜救的優點，實現了雙模式結合與備份。

4.成為星基PNT體系骨干節點

以北斗系統為核心構建的我國星基定位導航授時體系，將融合各種定位、導航、授時系統、技術于一體，為地面、太空等用戶提供一體化定位、導航、授時服務，顯著提升系統服務精度、完好性、可用性、連續性、安全性（抗干擾、防欺騙等）等性能。高軌衛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體系的骨干節點，提供對其他衛星、用戶的校時和授時服務，見圖4。

典型應用場景1：形成基于低軌衛星的增強系統。由高軌衛星、低軌衛星、參考站和控制中心等組成。通過高軌衛星（GEO、IGSO）實現對低軌衛星的授時，達到整個系統信號發射源時間的統一；同時不斷對低軌衛星實時校時，提高低軌衛星時頻精度，保證整個系統高精度時頻的維持。在降低系統建設成本的同時，實現了系統時頻統一和高精度維持。

■ 低軌衛星增加測距源，改善系統的幾何構型。

■ 低軌衛星軌道高度低，信號到達地面上的功率高20～30dB。

■ 低軌衛星作為中繼可播發差分信息。

典型應用場景2：成為自主運行校時中心。在導航星座自主運行的場景下，可利用高軌衛星對MEO衛星的校時，從而提高MEO衛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航性能。

圖4　 星基PNT體系骨干節點

5.星基新技術驗證平臺

隨著美國陸軍研究實驗室提出星基量子定位系統的方案，基于量子度量的量子導航技術已經成為美國下一代導航系統的重點發展方向。

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

量子定位技術不但可以構建導航定位新體制，還可以與現有無線定位體制相結合，提升現有系統性能。其從原理論證走向工程應用需要解決糾纏源、探測器和測距技術等難題，需要原理樣機開發和在軌試驗驗證。

X射線脈沖星導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，經過相應的信號和數據處理，航天器自主確定軌道、時間和姿態等導航參數的過程。核心技術環節為脈沖星的巡天觀測與數據處理技術、脈沖到達時間測量與誤差修正技術、X射線探測器研制技術、導航定位時空基準的建立與維持技術。

脈沖星導航具有精度高、適用范圍廣、抗干擾和完全自主的優勢。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航發展戰略，組織關鍵技術攻關和試驗驗證。目前國外脈沖星導航技術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用的工作。高軌導航衛星貼近于脈沖星導航技術的實際應用場景，同時提供了很好的驗證平臺。

6.承擔導航與大數據傳輸結合業務

現有空間信息網絡的全域覆蓋能力有限、網絡擴展和協同應用能力弱，未來覆蓋全球地區的導航星座參與數據傳輸，甚至導航與通信功能進行融合可能是我國航天發展的趨勢。

衛星導航系統多為覆蓋全球的星座系統，具有實時連續提供服務的特性，是作為天基信息傳輸分發系統的天然平臺。高軌衛星作為天基數據傳輸的核心節點，具備高速星間和星地鏈路，實現各網絡之間協同，適應未來戰場作戰范圍廣、作戰對象多、作戰信息實時化、指揮體系扁平化、戰場環境復雜化的特性。

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

四、結論

在各國衛星導航系統中，高軌導航衛星均發揮了重要作用。我國北斗一號、北斗二號區域系統中，GEO和IGSO高軌衛星發揮了重要作用，面向北斗全球系統和未來的服務需求，高軌衛星具有進一步提升作用的空間。

高軌衛星除提升基本導航服務的性能外，可集成星基增強服務、SAR服務等業務，同時作為星基PNT體系和數據傳輸分發網絡的骨干節點，實現了導航星座的功能擴展，提高了系統的綜合服務效益。高軌導航衛星仍是未來導航星座不可或缺的一部分。

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