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1、北斗导航卫星的技术发展及展望一、前 言我国于 2012 年完成了北斗卫星导航区域系统的建设，可为我国及周边地区提供服务，定位精度水平方向优于 10m，测速精度优于 0.2m/s，授时精度优于 50 纳秒，同时可为特定用户提供短报文通信业务服务，北斗卫星导航系统的应用越来越广。卫星导航系统作为高精度的空间位置和时间基准，能够直接为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务，是当今国民经济、社会发展和国防建设的重要空间信息基础设施。卫星导航系统一般由空间段卫星星座、地面运行与控制系统和用户终端组成。空间段卫星星座根据卫星导航系统要求提供的服务精度、可用性、完好性和
2、服务覆盖区域范围等指标，由多颗具有完整功能和性能指标、且工作在规定的空间轨道位置、符合规定的运行构型的导航卫星所组成。导航卫星是系统中最为关键和核心的部分，其技术的发展及变化影响着整个卫星导航系统的变革和更新换代。卫星系统是整个工程系统的“重中之重” 。二、卫星导航系统的工作原理“导航”原为航行之意，源于海洋船舶航行，其定义是指确定舰船、飞机、车辆等运动物体和人的位置，并引导这些运动体和人沿着选定的路线从一个地方航行到另一个地方的技术，初始形式是罗盘领航和天文导航。基于空间卫星而建立的导航系统称之为卫星导航系统。卫星导航系统是卫星作为已知位置和时间基准的导航台站，通过卫星发射的无线电信号，实现
3、确定用户的位置矢量（包括位置三维坐标、速度分量和对应坐标时的时间）的方法与系统。导航卫星作为系统中已知位置和时间坐标的标准，一般需要由多颗卫星组成星座，当星座构型设计合理时，可以保证用户全天时、全天候的连续使用。利用卫星，服务于用户位置确定的卫星无线电业务主要有两种方式：即 RNSS 和 RDSS。无线电导航卫星业务（ RNSS）：由用户根据接收到的卫星无线导航信号，自主完成位置定位和航速及航行参数计算，实现导航与定位的目的。无线电测定卫星业务（RDSS）：通过卫星，由用户以外的地面运行与控制系统完成用户定位所需的无线电导航参数的确定和位置计算，再通过卫星转发通知用户。三、北斗卫星导航系统的发
4、展北斗卫星导航系统坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则，按照“先区域、再全球，先有源、后无源”的发展思路分步实施。2000 年，我国建成了北斗卫星导航定位试验系统，采用 RDSS 原理实现了对我国及周边地区的有源导航定位及短报文通信业务服务。2012 年，完成了北斗卫星导航区域系统的建设，利用 RNSS 原理为我国及周边地区提供无源导航定位服务，并保持北斗试验系统所具备的有源导航定位及短报文通信业务服务。北斗卫星导航系统的发展目标是：按照“质量、安全、应用、效益”的总要求，建成“独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠”的覆盖全球、高性能、高可靠、高效益的北斗卫星导航系统，满足国民经济和社会
5、发展对卫星导航的需求，满足国家安全和国防建设对北斗卫星导航系统的要求，促进国家信息化建设发展。四、北斗导航卫星的任务及功能要求北斗卫星导航区域系统由空间段 5 颗 GEO 卫星、5 颗 IGSO 卫星和 4 颗 MEO 卫星组成。三种轨道的卫星按照“一次设计、组批生产、流水试验、密集发射、快速组网”的要求，开展产品设计，保证了三类卫星中大多数产品具有互换性。三种轨道卫星均基于“东三”平台完成设计。平台包括结构分系统、供配电分系统、热控分系统、测控分系统（IGSO 卫星、MEO 卫星设计有数管分系统） 、控制分系统、推进分系统。有效载荷包括导航分系统和天线分系统，其中 GEO 卫星载荷包括 RD
6、SS 业务、时间与位置数据转发、上行注入与精密测距、RNSS 业务等，IGSO 和 MEO 卫星包括上行注入与精密测距、RNSS 业务等。作为北斗区域导航卫星，其任务与功能主要包括：1选择成熟的卫星平台，保持北斗试验系统所具有的 RDSS、时间与位置数据转发业务和短报文通信功能，并与新增的 RNSS 业务功能任务相互兼容工作。2卫星与地面运行与控制系统需采用双向测距比对技术，卫星具有上行注入接收和精密测距功能，并将结果传回地面。3接收地面运行与控制系统注入的导航电文参数，并存储、处理生成下行导航电文，产生多个频点的导航信号，向地面运行与控制系统和各类用户发送。4接收、执行地面发送的遥控指令，并
7、将卫星状态（包括卫星完好性的主要标志信息）及时下传给地面。5在服务业务覆盖区内，保证卫星接收和发送信号的 G/T 值和 EIRP 值，保证信号的功率稳定性和时延稳定性。星座卫星工作时，各卫星发播的导航信号必须连续、稳定，其计划中断和非计划中断次数及时间符合系统要求。6适应三种轨道混合星座多星测控业务要求，采用 S 频段同频段扩频测控体制，同时保留 USB 测控体制，以确保测控通道的可靠性和安全性，实现星座运行管理。7卫星太阳电池阵输出功率：GEO 卫星2500W；IGSO 和 MEO 卫星2000W。8 GEO 卫星采用长征 3C 运载火箭一箭一星发射，IGSO 卫星采用长征 3A 运载火箭一
8、箭一星发射，MEO 卫星采用长征 3B 运载火箭一箭双星发射。9卫星在轨工作寿命大于 8 年。五、北斗导航卫星系统的技术特点梳理分析我国北斗卫星导航区域系统的技术，可以看出：卫星系统围绕工程系统的总目标，自始至终坚持继承与创新的统一协调，坚持用户需求与技术水平的统一协调。北斗导航卫星系统具有如下技术特点：1按照北斗卫星导航系统的发展原则及目标要求，系统设计由三种轨道的卫星（GEO、IGSO 和 MEO）构成混合星座，星座中卫星数量相比其它卫星导航系统的卫星数要少，对在轨卫星连续、可靠、完好运行的要求高，对卫星产品的质量要求高。2卫星系统的产品设计、生产、试验测试项目，必须按照工程进度要求，符合
9、“组批生产、密集发射、快速组网”的状态要求，明确了产品一致性要求。3针对 GEO、IGSO 和 MEO 三类轨道卫星组成的混合星座，实现服务区域性能优化与保持，完成发射窗口与备份策略等设计。4相对 GPS 系统、GLONASS 系统，北斗卫星导航系统具有提供多种导航信号的能力，同时具有 RDSS 业务、RNSS 业务以及短报文通信等服务功能，有利于用户不断开发北斗卫星导航系统在不同领域的应用。5北斗卫星导航区域系统除具有保持北斗试验系统的服务业务和提高扩展业务的能力外，同时可为未来北斗全球系统进行技术试验。6 MEO 轨道卫星实现一箭双星发射。六、北斗导航卫星的技术成果北斗导航卫星是基于“东三
10、”平台开发设计的，其卫星在供配电能力、热控能力指标、卫星姿态控制技术、采用 S 频段测控体制等方面，均比其他的“东三”平台卫星要求高，必须采取新的技术，通过关键技术攻关与验证，实现其任务要求和研制目标。梳理总结北斗导航卫星平台部分的技术特点及取得的成果，主要包括：1卫星的主结构采用中心承力筒和蜂窝夹层板组成的长方体箱形结构，星本体分为载荷舱、天线舱、推进舱和服务舱。相比其它“东三”卫星，在对地面增加了天线舱，通过新增的两块结构板与主结构的承力筒相连。中心承力筒是整星主承力结构，卫星产品主要安装在南北板上。2卫星系统供配电母线配置为双独立一次供电母线，必要时可以通过指令实现其并联。在“东三”平台
11、太阳翼结构不变的约束条件下，通过采用砷化钾与硅太阳电池组合使用，实现 GEO 卫星大于 2500W 的供电要求。3导航卫星姿态的控制设计要求为：在满足轨道与姿态精度要求的条件下，尽量减少对轨道的控制次数。GEO 卫星采用偏置动量的三轴轮控方式进行卫星的三轴姿态控制，以满足控制精度要求和反作用轮卸载间隔要求；IGSO/MEO 卫星选用磁力矩器作为卸载执行机构，正常情况下可以避免推力器工作。IGSO 和 MEO 轨道卫星首次采用偏航控制，保证太阳电池阵法线对日指向精度优于 5。4热控系统采用被动热控技术为主、主动热控技术为辅的方法，通过分舱设计，满足各舱段产品的温度要求；通过采用专门的铷钟小舱热控
12、设计，实现对星上高精度铷原子钟的温度保证，满足温度变化小于0.5的要求。5采用 S 波段扩频体制和 USB 测控体制，为我国其它航天器测控系统推广使用 S 波段扩频测控体制完成了试验验证。6针对 IGSO 和 MEO 卫星部分时段卫星在国内不可见的特点，在“东三”平台基础上，设计了对蓄电池和热控加热器等自主控制功能。7针对导航卫星要求的 RNSS 波束战时区域增强要求，实现了导航、控制、数管和天线四个分系统的信息数据融合处理，保证卫星星历、卫星姿态与天线波束指向的协调统一，实现了在轨波束增强和可控的要求。8加强了整星供电安全的设计，对供电设备、电缆网、负载设备供电接口及内部明确了安全性要求，对
13、备份冗余状态明确了安全性要求。北斗区域导航卫星有效载荷包括上行接收设备、精密测量设备、时频设备、导航信号生成设备、放大发射设备等部分。导航卫星有效载荷是实现卫星导航功能和确保服务性能参数的直接设备，其技术水平和质量可靠性直接影响着系统的服务精度水平。在北斗导航卫星系统研制过程中，有效载荷实现了星载铷原子钟国产化、高精度测量技术、复杂导航电文形成技术、星载器件抗空间环境影响技术、平面阵天线和多通道大功率抑制微放电及无源互调技术，实现了多种业务的有效集成。梳理总结北斗导航卫星有效载荷的技术特点及取得的成果，主要包括：1采用统一频率源技术，通过一组时频设备（频率综合技术）实现多个频率信号之间的相关性
14、；同时，对各频率信号进行兼容性仿真分析，确保 RDSS 业务、时间与位置数据转发业务、短报文通信业务、上行注入与精密测距业务、RNSS 业务等信号之间的电磁兼容性，实现了产品集成。2利用铷原子能级跃迁频率十分稳定的特点，实现星载铷原子钟的功能和性能。攻关解决了铷钟的寿命评估、力学试验、温度敏感性、真空下与常压下性能参数差异、长期稳定度测试考核等问题，保证了星载铷钟产品研制。在轨测试和应用结果表明：国产铷钟的性能指标均优于欧洲同类产品，满足系统要求。3卫星上实现高精度测距技术，实现了上行注入信号的抗干扰接收。4针对软件无线电所基于的 DSP 处理器、FPGA 和 SRAM 等器件存在的空间环境敏
15、感问题，在软件设计上，采用三模冗余、定时刷新和中断技术；在硬件平台上，采用大规模ASIC 芯片替代 FPGA 器件。5针对导航卫星发射大功率信号的特点，采用微波通道产品的微波电抑制技术、无源互调抑制技术，保证了多通道信号在大功率连续工作状态下的性能，保证了信号时延的稳定性。6为了减小天线的重量、降低 RDSS 业务天线的质心位置以及减少卫星太阳光压，设计采用网孔单层结构的轻型反射面天线；采用平面阵面天线技术，实现星载区域波束形成和区域波束增强能力。2012 年 10 月 25 日，第 16 颗北斗区域导航卫星成功发射；12 月 27 日，我国对外宣布：北斗卫星导航系统可为我国及周边地区提供服务
16、，定位精度水平方向优于 10m，测速精度优于 0.2m/s，授时精度优于 50ns；同时可为特定用户提供短报文通信业务服务，北斗卫星导航系统的应用越来越广。七、北斗导航卫星系统的发展展望目前，北斗全球卫星导航系统工作正在按计划开展，通过采用优化卫星星座、星间链路、自主运行管理、高精度测量、高精度原子钟等技术，北斗全球卫星导航系统将在提供的服务精度、可用性、完好性和服务覆盖范围等功能和性能指标上进一步提高。全球卫星导航系统基本星座由 24 颗 MEO 卫星组成，区域增强星座由 3 颗 GEO 和 3 颗IGSO 卫星组成，同时还配置有多颗卫星在轨备份。在北斗全球卫星导航系统设计和建设过程中，导航卫星需要关注和开展如下技术工作：1加强星座构型的分析和系统顶层设计，加强星座运行状态下卫星备份策略和补网策略的研究，保证工程大系统业务服务的连续性和稳定性，提高系统的可靠性。2降低卫星产品的重量、体积和功耗，实现卫星产品的小型化和集成。3提高卫星在轨的工作寿命，实现在轨卫星工作寿命大于 10 年
