导航卫星技术及其发展趋势

中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)导航卫星技术及其发展趋势范本尧中国空间技术研究院二〇一〇年五月中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)导航卫星技术及其发展趋势一、前言二、美国GPS导航卫星三、我国导航试验卫星四、我国区域导航卫星五、我国未来全球导航卫星设想六、结束语中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)卫星导航系统是一种天基无线电导航定位和时间传递系统，能提供高精度、全天时、全天候的位置、速度和时间信息。十多年来，已广泛应用于全球的各个行业，已成为一个重要的空间基础设施，是衡量一个国家综合国力的主要标志，以及国防安全的重要支撑。一、前言当前世界上已成功建成了三个卫星导航系统美国GPS全球定位系统俄罗斯GLONASS导航系统中国卫星导航试验系统正在建设的有二个卫星导航系统中国全球卫星导航系统欧洲GALILEO卫星导航系统计划发展的有两个卫星导航系统日本QZSS准天顶增强系统印度IRNSS卫星区域导航系统中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)卫星导航系统由空间段，地面控制段和用户段三大部分组成。由导航卫星组成的星座构成了卫星导航系统的空间段。导航卫星配合地面控制段完成测距定轨，接收上行导航数据，向用户发送测距信号和导航电文。导航卫星由卫星平台和导航有效载荷两部分组成。本文着重介绍国外导航卫星和我国导航卫星技术发展状况。由于篇幅和时间关系，本文对国外导航卫星仅介绍当前广泛应用、技术较先进的GPS卫星。中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)GPS星座为Walker24/6/1构型，由24颗卫星组成，分布在6个轨道面上。每个轨道4颗卫星，呈非均匀分布，轨道面沿赤道以60°间隔分布，倾角55°，半长轴为26560公里的圆形轨道。1978年发射首颗GPS卫星，1993年组网运行，至今已研制了两代共六种型号卫星：GPSⅠ、GPSⅡ、GPSⅡA、GPSⅡR、GPSⅡRM、GPSⅡF。目前正在研发第三代GPSIII导航系统，其卫星技术在不断改进提高。二、美国GPS导航卫星GPS导航卫星星座中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)•卫星为八面体长箱体构型（见图），设计寿命5年。•两太阳翼各由二块弧形板并联而成。•共有三个导航信号L1(1575.42MHz)：C/A、P(Y)两个信号•L2(1227.60MHz)：P(Y)•采用两台铯原子钟和两台铷原子钟。•导航电文存储容量3.5天。•共生产了11颗卫星。GPSⅠ试验验证卫星GPSI卫星中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)GPSⅡ第二代卫星•卫星结构构型和GPSⅠ相同。•在GPSⅠ基础上改进：–设计寿命增加至7.5年–每个太阳翼各由4块平板并联构成（见图）–导航电文存储容量增至14天–在L1民用频率上采用了选择可用性（SA）措施和L2上反电子欺骗（AS）措施•共生产了9颗卫星。GPSⅡA卫星•卫星结构构型和太阳翼均与GPSⅡ相同•导航电文存储容量扩展至180天•星上电子设备采取防辐射加固措施•增设激光反射器，用于星地测距，提高精度•共生产了19颗卫星。GPSII卫星中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)GPSIIR卫星•卫星有较大改进：–卫星采用4边形箱体构型（见图）–每个太阳翼由两块板串联展开组成，可一次展开，提高了可靠性–采用镍氢NiH2蓄电池，提高了容量–具有UHF频段星间链路，180天自主导航功能，URE7m（1σ）–采用新型高精度铷原子频标（3个）：6×10-4/天–装有展开式核爆探监测天线•共生产了12颗卫星。•卫星结构构型和太阳翼和GPSⅡR相同•在GPSⅡR基础上改进：–L1、L2频段上增加新的军用M码信号，提高安全性和保密性–增加新的L2C民用码，使民用接收机可进行电离层误差修正，提高定位精度–具有功率增加7dB功能–设计寿命10年•共生产8颗卫星。GPSIIRM卫星GPSIIR卫星中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)•卫星结构为八面体长箱体构型（见图）–减少结构板数量，增大天线安装面积–布局优化，卫星背地板外单独建立4个蓄电池小舱–每翼由三块板组成，采用三结砷化镓太阳能电池，提高了功率–增加新的民用频率L5（1176.45MHz）–改进型天线，以宽带专用单元取代L波段阵元–设计寿命12年•已生产了16颗卫星GPSIIRF卫星P(Y)P(Y)P(Y)P(Y)C/AC/AC/AC/AModernizedSignalEvolutionModernizedSignalEvolutionC/AC/AP(Y)P(Y)C/AC/AP(Y)P(Y)P(Y)P(Y)P(Y)P(Y)P(Y)P(Y)P(Y)P(Y)MMMMC/AC/AC/AC/AMMMMPresentSignalPresentSignal(BlockII/IIA/IIR)(BlockII/IIA/IIR)22ndndCivil;MCivil;M--CodeCodeBlockIIRBlockIIR--MM(IOC:2008;FOC:2010)(IOC:2008;FOC:2010)33rdrdCivilCivilBlockIIFBlockIIF(IOC:2012;FOC2014)(IOC:2012;FOC2014)C/AC/AP(Y)P(Y)MMC/AC/AP(Y)P(Y)MMP(Y)P(Y)C/AC/AMMP(Y)P(Y)C/AC/AMM1176MHz1176MHz(L5)(L5)1227MHz1227MHz(L2)(L2)1575MHz1575MHz(L1)(L1)GPSII系列卫星频码图GPSIIRF卫星结构图GPSIIRF卫星中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)美国正在研制第三代导航卫星GPSIII，预期将有多项改进和提高。1、卫星设计寿命15年；2、仍采用自身变轨方案，采用一箭双星发射；3、定位精度：水平0.5m，高程1m；4、授时精度：2ns;5、增加L1C导航信号，MBOC（6，1，1/11）调制；6、为与Galileo兼容互操作L5调制方式改为A1tBOC(15,10);7、星间链路采用Ka频段；8、点波束天线功率增强20dB;9、采用锂离子电池，提高卫星功率；10、自主导航180天，URE3m；11、具有星—星、星—地通信能力，100Mbit/s;12、具有搜索及救援功能。GPSIII卫星GPS卫星总装生产线GPSIII卫星中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)GPS卫星发展历程(1)卫星GPSIGPSIIGPSIIAGPSIIRGPSIIRMGPSIIFGPSIII卫星构型（长×宽×高）八面体箱型结构同左同左四面体箱型结构1.93×1.52×1.91四面体箱型结构1.93×1.52×1.91八面体箱型结构2.44×1.97×1.97卫星重量（kg）16651816203220652170太阳翼共2翼每翼由2块弧形板并联构成共2翼每翼由2块平板并联构成共2翼每翼由4块平板并联构成共2翼每翼由2块平板串联构成同左共2翼，每翼由3块平板串联构成功率（W）1100W硅太阳电池同左1959W硅太阳电池同左2610W砷化镓太阳电池蓄电池NiCd镉镍电池同左同左NiH2氢镍电池同左同左锂离子电池射频功率EIRPL1：27dBWL2：20dBW同左同左同左L1：28dBWL2:22dBWL1:28dBWL2:22dBWL5:32dBW定位精度C/A:100m50cm/s385nsP(Y):10m20cm/s100ns同左同左C/A（无SA）:50m,100nsP(Y)：同左C/A(无SA):20m50nsP(Y):10m20nsM:6m10ns同左0.5-1.0m2ns设计寿命5年7.5年同左同左10年12年15年中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)卫星GPSIGPSIIGPSIIAGPSIIRGPSIIRMGPSIIFGPSIII导航信号L1：1575.42MHzC/AP(Y)L2:1227.60MHzP(Y)共3个同左同左同左L1:1575.42MHzC/AP(Y)ML2:1227.60MHzP(Y)ML2C共6个L1:1575.42MHzC/AP(Y)ML2:1227.60MHzP(Y)ML2CL5C:1176.45MHzP(Y)共7个同左，增加L6共8个信号增强无无无无7dB7dB20dB信号调制C/A：BPSK-R(1)*P(Y):BPSK-R(10)*同左增加SA、AS措施同左同左C/A：BPSK-R(1)P(Y):BPSK-R(10)M:BOC(10,5)*同左L5C：BPSK-R(10)同左L1C：MBOC(6,1，1/11)L5C：A1tBOC(15，10)扩频码位长C/A：1023P:6187.104×109Y:加密产生同左同左同左同左M:加密产生L2C:CM10230CL767250同左L5C:I10230Q10230同左L1C:10230星钟2台铷钟1×10-12/天2台铯钟1.5×10-13/天2台铷钟1×10-13/天2台铯钟1×10-13/天同左3台铷钟6×10-14/天同左2台铷钟5×10-14/天2台铯钟1×10-13/天星间链路无无无UHF频段TDMABPSK-R(5)*测距精度2ns同左同左具有跳频功能Ka频段（23GHz）点对点传输自主运行无无无自主运行180天URE7m(1σ)同左同左180天URE3mGPS卫星发展历程(2)注R(1)*码速率1.023Mcps，R(5)*码速率5.115Mcps，R(10)*码速率10.23McpsBOC(10,5)*副载波频率10.23MHz，码速率5.115Mcps中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)1．采用简便成熟的一箭一星发射方式，卫星自带固体燃料发动机，加速入轨，技术继承性好，可靠性高。2．卫星平台采用常规、成熟继承性好的方案：采用中心承力筒+板式结构方案。转移轨道采用自旋稳定方式，在轨运行采用三轴姿态稳定，单组元肼推进系统。3．太阳翼由二次展开并联式结构，改进为一次展开串联式结构，提高太阳翼展开可靠性。4．由硅太阳能电池改用砷化镓太阳电池，增加太阳电池功率。5．不断提高蓄电池容量，由NiCd电池改进为NiH2电池，GPSⅢ准备采用锂离子电池。6．测控采用常规USB体制，可靠性高。测控下行遥测可选用两种速率：4000bps和400bps，当局部地区信号弱时，可采用低速率，增加信噪比，从而提高信号强度。7．测控和导航功能有机结合。导航上行注入采用测控上行遥控功能完成。卫星在轨运行阶段，测控停止转发测距信号，直接采用导航确定的轨道、位置信息，减少了导航的单独注入链路。GPS卫星主要技术特点中国空间技术研究院ChinaAcademyofSpaceTechnology(CAST)8．增加测控覆盖区域，提高安全性。采用了立体收发共用的测控天线（对地、背地天线和双锥体天线），可以提供连续的覆盖区。9．增加导航频段和导航信号，提高民用定位精度和兼容互操作性。由2个导航频率、3个导航信号增加至3个导航频率、7个导航信号。增加新的军用M码，军民频谱彻底分离，提高安全性和抗干扰能力。10．选用新的BOC信号调制体制。11．不断提高星载原子钟的精度和稳定性，铷钟稳定度由最初的1×10-12/天提高至5×10-14/天。12．采用信号增强技术（增益7dB）。13．采用星间链路和自主运行技术，