印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

楊 振

（四川中水成勘院測(cè)繪工程有限責(zé)任公司，成都 610000）

0 引言

2020年 7月 31日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號(hào)（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）建成開通，正式向全世界提供定位、導(dǎo)航及授時(shí)（positioning, navigation and time,PNT）服務(wù)。自此，已經(jīng)建成并向世界各國(guó)提供PNT服務(wù)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）達(dá)到了四個(gè)，除BDS-3外，還有美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）；俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）；歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）。除了這四個(gè)GNSS外，在我國(guó)的鄰國(guó)日本和印度，也建有區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system,QZSS）及印度的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Indian regional navigational satellite system,IRNSS）。

IRNSS是由印度空間研究機(jī)構(gòu)（Indian Space Research Organisation,ISRO）開發(fā)的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：2013年 7月 2日開始發(fā)射第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星IRNSS-1A，2018年4月12日成功發(fā)射了第8顆導(dǎo)航衛(wèi)星 IRNSS-1I，這期間一共發(fā)射了 9顆組網(wǎng)衛(wèi)星[1]，其中2017年8月31日發(fā)射的IRNSS-1H導(dǎo)航衛(wèi)星，由于整流罩未能分離，導(dǎo)致IRNSS-1H無法入軌，宣告該次發(fā)射失敗[2]，目前在軌服務(wù)的導(dǎo)航衛(wèi)星為8顆。

2016年4月29日，在印度成功地發(fā)射第7顆導(dǎo)航衛(wèi)星后，印度總理納倫德拉·莫迪（NarendraModi）宣布，將 IRNSS 更名為“納維克（NavIC）”，NavIC在梵語中表示“領(lǐng)航者”或者“舵手”。ISRO又解釋說，NavIC 為“Navigation with Indian Constellation（印度星座導(dǎo)航）”的縮寫[3]。

本文介紹了印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程，現(xiàn)狀、星座特點(diǎn)及服務(wù)性能。

1 NavIC的發(fā)展歷程

1999年，印度和巴基斯坦在卡吉爾（Kargil）地區(qū)發(fā)生軍事沖突，當(dāng)時(shí)巴基斯坦的軍隊(duì)及其支持者占據(jù)了 Kargil地區(qū)的冰雪峽谷。印度軍隊(duì)在采取軍事行動(dòng)前，想從美國(guó)得到巴基斯坦軍隊(duì)駐扎地的有關(guān)位置數(shù)據(jù)，但遭到美國(guó)的拒絕。該事件促使印度意識(shí)到建立擁有自我掌控的星基衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性[4]，2006年5月，印度政府批準(zhǔn)了IRNSS項(xiàng)目，計(jì)劃于2016年完成組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射并為用戶提供服務(wù)。表1為IRNSS發(fā)射的導(dǎo)航衛(wèi)星狀況。表1中：GEO（geostationary Earth orbit）為地球靜止軌道，IGSO（inclined geosynchronous orbits）為傾斜地球同步軌道。

表1 IRNSS導(dǎo)航衛(wèi)星狀況[5]

IRNSS的所有星載原子鐘都是從瑞士精密儀器制造商斯佩克特拉·泰姆（SpectraTime）公司購(gòu)買的銣原子鐘，在 IRNSS的每一顆衛(wèi)星上，都安裝了三臺(tái)銣原子鐘，其中一臺(tái)原子鐘為主鐘，兩臺(tái)為備份鐘。2017年1月18日，Galileo發(fā)生星載衛(wèi)星原子鐘大量失效的事故：18顆在軌導(dǎo)航衛(wèi)星上的72臺(tái)原子鐘中，有10臺(tái)原子鐘發(fā)生故障，包括三臺(tái)銣原子鐘和7臺(tái)氫原子鐘，后來成功重啟了一臺(tái)氫原子鐘。9臺(tái)星載原子鐘的失效，使Galileo的導(dǎo)航服務(wù)中斷服務(wù)117 h。在Galileo星載原子鐘大面積發(fā)生故障后的2017年1月30日，印度IRSNN-1A上的三臺(tái)銣原子鐘也全部失效。星載原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，星載原子鐘只有具備了“高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性”的特征，才能夠?yàn)橛脩籼峁┛煽康膶?dǎo)航服務(wù)。據(jù)文獻(xiàn)[6]報(bào)道，ISRO從SpectraTime公司一共采購(gòu)45臺(tái)銣原子鐘，全部用都用到了IRSNN的導(dǎo)航衛(wèi)星及其備份衛(wèi)星上。

2 IRNSS的發(fā)展現(xiàn)狀及計(jì)劃

與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，IRNSS也是由空間段、地面段及應(yīng)用終端組成[7]，圖1為IRNSS各系統(tǒng)示意圖。圖1中：IRIMS（IRNSS range and integrity monitoring stations）為IRNSS測(cè)距與完好性監(jiān)測(cè)站；TT&C（telemetry, tracing and control）為遙測(cè)、跟蹤及控制；CDMA（code division multiple access）為碼分多址；SCF（spacecraft control facility）為飛行器控制中心；INC（ISRO Navigation Center）為ISRO導(dǎo)航中心。

圖1 IRNSS結(jié)構(gòu)示意[7]

2.1 空間段

IRNSS的空間段由 7顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成，其中三顆為GEO衛(wèi)星，四顆為IGSO衛(wèi)星，三顆GEO軌道衛(wèi)星分別定位于 34°E、83°E和 132°E處；四顆IGSO衛(wèi)星部署在兩個(gè)軌道面上，其軌道傾角均為 29°，升交點(diǎn)赤經(jīng)分別為 135°E和310°E，衛(wèi)星的地面軌跡在赤道兩側(cè)對(duì)稱分布，這樣在印度本土區(qū)域內(nèi)，連續(xù)可見的IRNSS衛(wèi)星數(shù)目為7顆，如圖2所示[8]；另外一顆為星載原子鐘失效的 IGSO衛(wèi)星IRNSS-1A，現(xiàn)在用來發(fā)播短報(bào)文，因此，IRNSS的空間段現(xiàn)在擁有8顆衛(wèi)星。

圖2 IRNSS空間導(dǎo)航衛(wèi)星分布[8]

IRNSS的衛(wèi)星播發(fā) L5頻段和 S頻段的導(dǎo)航信號(hào)，IRNSS L5頻段導(dǎo)航信號(hào)的中心頻率為1 176.450 MHz，帶寬為24 MHz；S頻段導(dǎo)航信號(hào)的中心頻率為2 492.028 MHz，帶寬為16.5 MHz[5]。由于 IRNSS L5頻段的導(dǎo)航信號(hào)與美國(guó)的 GPS Block IIF衛(wèi)星的 L5頻段導(dǎo)航信號(hào)（中心頻率為1 176.45 MHz，帶寬為 12.5 MHz），歐盟 Galileo E5a頻段的導(dǎo)航信號(hào)（中心頻率為1 176.45 MHz，帶寬為20.46 MHz），日本QZSS L5頻段的導(dǎo)航信號(hào)（中心頻率為1 176.45 MHz，帶寬為12.5 MHz）的中心頻率相同，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)兼容與互操作。

IRNSS為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（standard positioning service, SPS）及授權(quán)服務(wù)（restricted service, RS），授權(quán)服務(wù)RS主要為印度政府部門服務(wù)，其中軍方是最重要的用戶，可視作IRNSS的軍用加密信號(hào)。其中SPS的設(shè)計(jì)定位精度為優(yōu)于20 m；RS的設(shè)計(jì)定位精度優(yōu)于SPS的定位精度，具體的設(shè)計(jì)精度是多少，目前仍處于保密狀態(tài)。

2.2 地面段

地面段負(fù)責(zé) IRNSS星座的維護(hù)與運(yùn)行，包括監(jiān)測(cè)星座的運(yùn)行狀態(tài)、給出衛(wèi)星軌道參數(shù)修正值，注入導(dǎo)航數(shù)據(jù)等，IRNSS的主要地面設(shè)施如圖3所示，目前ISRO建有16個(gè)IRIMS，已經(jīng)與印度尼西亞簽署了合作協(xié)議，將在印度尼西亞建立一個(gè)IRIMS和一個(gè)TT&C站。圖3中：IRNWT（IRNSS network timing centre）為IRNSS網(wǎng)絡(luò)授時(shí)中心；IRCDR（IRNSS CDMA ranging stations）為IRNSS CDMA測(cè)距站，IRSCF（IRNSS spacecraft control facility）為 IRNSS飛行器控制中心。

2.3 用戶端

IRNSS可以為印度本土及其毗鄰印度1 500 km的區(qū)域提供標(biāo)準(zhǔn)及授權(quán)的導(dǎo)航定位服務(wù)，其服務(wù)區(qū)域如圖4所示。

2.4 IRNSS發(fā)展計(jì)劃

為了提高IRNSS服務(wù)的可靠性，印度計(jì)劃再發(fā)射 5顆軌道傾斜角為 42°的 IGSO衛(wèi)星，編號(hào)為IRNSS-1J、IRNSS-1K、IRNSS-1L、IRNSS-1M 及IRNSS-1N[9]；研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星載原子鐘，以防止出現(xiàn)IRNSS-1A星載原子鐘全部失效的情況[10]；從 IRNSS-1J衛(wèi)星開始，將在導(dǎo)航衛(wèi)星上增加一個(gè)民用頻段 L1，并在 L1C信號(hào)上實(shí)現(xiàn)與其他GNSS之間的兼容與互操作[10]；通過雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞（two-way satellite time and frequency transfer, TWSTFT）方法，將IRNWT的時(shí)間溯源到新德里（New Delhi）的國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（National Physical laboratory, IPL）保存的印度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)（Indian Standard Time, IST）上[10]；ISRO將與其他部門合作設(shè)計(jì)新型芯片，以擴(kuò)大IRNSS的應(yīng)用范圍。

3 IRNSS-1A的短報(bào)文服務(wù)

2017年1月30日，IRSNN-1A上的三臺(tái)銣原子鐘全部失效后，IRSNN-1A已經(jīng)無法作為導(dǎo)航衛(wèi)星使用了，目前ISRO將IRSNN-1A用來發(fā)送短報(bào)文，如圖5所示。

用IRSNN-1A發(fā)送短報(bào)文的流程為：在發(fā)送短報(bào)文前，先要向 INC申請(qǐng)注冊(cè)，注冊(cè)用戶通過互聯(lián)網(wǎng)將需要發(fā)送的短報(bào)文發(fā)送到INC，INC通過導(dǎo)航軟件對(duì)需要發(fā)送的短報(bào)文分配身份標(biāo)識(shí)號(hào)（identity, ID），然后進(jìn)行編碼；INC將編碼后的短報(bào)文發(fā)送到IRNSS-1A衛(wèi)星上，IRNSS-1A衛(wèi)星再用L5頻率將短報(bào)文廣播出去；持有專用短報(bào)文接收機(jī)的授權(quán)用戶，可以接收到這些短報(bào)文，通過解碼即可以閱讀這些短報(bào)文。

目前 L5傳送短報(bào)文的速率為 25 bit/s，短報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 220～2 220 bit；首幀傳送短報(bào)文的長(zhǎng)度不能夠超過220 bit，如果短報(bào)文的長(zhǎng)度超過220 bit，則需要對(duì)短報(bào)文進(jìn)行分段并在后續(xù)幀中發(fā)送。持有短報(bào)文接收機(jī)的印度漁民，可以收到潛在漁區(qū)（potential fishing zones, PFZ）、颶風(fēng)預(yù)警及海嘯警報(bào)等短報(bào)文。ISRO將授權(quán)INRSS接收機(jī)生產(chǎn)廠家，研發(fā)能夠同時(shí)接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)及短報(bào)文的芯片，這樣將來就能夠在導(dǎo)航接收機(jī)上閱讀這些短報(bào)文了。

4 IRNSS的定位精度

按照IRNSS的設(shè)計(jì)指標(biāo)，IRNSS提供的定位精度優(yōu)于20 m，授時(shí)精度優(yōu)于50 ns[8]。在IRNSS導(dǎo)航衛(wèi)星星座布設(shè)完成后，已有很多人對(duì) IRNSS的實(shí)際定位精度進(jìn)行了測(cè)試并與 GPS的實(shí)際定位精度進(jìn)行了比對(duì)。由于IRNSS的7顆導(dǎo)航衛(wèi)星都處于36 000 km左右的高軌位置，發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)可以全部覆蓋印度國(guó)土，這樣可以有效地避免高山、峽谷及城市高樓對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的影響，而GPS的導(dǎo)航衛(wèi)星全部為中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO），軌道高度僅為20 200 km，而且一直繞地球旋轉(zhuǎn)，用戶接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)變化，圖6為印度境內(nèi)山區(qū)用戶接收IRNSS與GPS衛(wèi)星信號(hào)的示意圖。

圖6 在山區(qū)的用戶接收IRNSS衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)示意[12]

文獻(xiàn)[13]在印度班加羅爾（Bangalore）的一個(gè)觀測(cè)站上進(jìn)行了31天（2018年8月1—31日）的觀測(cè)，接收數(shù)據(jù)包括GPS L1、IRNSS L5及IRNSS S三個(gè)頻段的導(dǎo)航信號(hào)，用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出、以均方根（root mean square, RMS）表示的點(diǎn)位精度，其結(jié)果見表2。

表2 不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的點(diǎn)位定位精度[13]單位：m

從表 2的數(shù)據(jù)可以看出，IRNSS的定位精度優(yōu)于其設(shè)計(jì)指標(biāo)，也優(yōu)于 GPS的定位精度。但限于實(shí)驗(yàn)條件，本文未能夠?qū)?IRNSS的實(shí)際定位精度進(jìn)行過驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

星基導(dǎo)航定位服務(wù)，是一個(gè)國(guó)家最為重要的基礎(chǔ)上設(shè)施，IRNSS的建成并向印度及其周邊地區(qū)提供導(dǎo)航定位授時(shí)服務(wù)，彰顯了印度在航天領(lǐng)域的實(shí)力。但I(xiàn)RNSS的核心部件即星載原子鐘全部來自國(guó)外，這在一定程度上制約了IRNSS的獨(dú)立性和可靠性，給國(guó)家安全留下了隱患。IRNSS-1A星載原子鐘的失效，也給我們敲響了警鐘，在涉及國(guó)家安全等領(lǐng)域，必須擁有自主可控的技術(shù)，才能夠徹底擺脫受制于人的被動(dòng)局面。