Green 版 (精华区)

发信人: ersy (Green Mouse), 信区: Green
标  题: 卫星导航系统在我国的应用与发展(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年02月13日22:14:44 星期五), 站内信件

【 以下文字转载自 Aero 讨论区 】
【 原文由 dxmxqe 所发表 】
 童 铠
 （中国空间技术研究院）

　　 1 卫星导航的重要作用

　　 □□卫星导航的基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度
和时间信息。

　　 目前，卫星导航定位技术已基本取代了无线电导航、天文测量和传统大地测量技术，
并推动了全新的导航定位领域，成为人类活动中普遍采用的导航定位技术，并在精度、实
时性和全天候等方面对这一领域产生了革命性的影响。

　　 1.1 为民用领域带来巨大的经济效益

　　 卫星导航广泛应用于海洋、陆地和空中交通运输的导航领域，使世界交通运输业发生
了革命性变化。例如，卫星导航接收机已成为海洋航行不可或缺的导航工具；国际民航组
织在力求完善卫星导航可靠性的基础上，推动了以单一卫星导航取代已有的其他导航系统
；在陆上，长、短途汽车装备卫星导航接收机产业正在蓬勃发展。

　　 卫星导航在工业、精确农业、林业、渔业、土建工程、矿山、物理勘探、资源调查、
陆地与海洋测绘、地理信息产业、海上石油作业、地震预测、气象预报、环保研究、电信
、旅游、娱乐、管理、社会治安、医疗急救、搜索救援以及时间传递、电离层测量等领域
正得到大量应用，或已显示出巨大应用潜力。

　　 它还用于飞船、空间站和低轨道卫星等航天器的定位和导航，提高了航天器定位精度
，并简化了相应的测控设备，推动了航天技术的发展。

　　 卫星导航正渗透到国民经济的许多部门。随着卫星导航接收机的集成微小型化，它可
以被嵌入到其他如通信、计算机、安全和消费类的电子产品中，使其应用领域更加扩展。

　　 在当今社会，卫星导航已成为经济发展的强大发动机，导航卫星系统已成为重要的基
础设施。

　　 1.2 军事应用历来是卫星导航的重要领域

　　 卫星导航可为各种军事运载体导航。例如，为弹道导弹、巡航导弹、空地导弹和制导
炸弹等各种精确打击武器制导，使武器的命中率大为提高。命中精度提高2倍，相当于弹头
TNT当量提高8倍，所以提高远程打击武器的制导精度，可使攻击武器的数量大为减少。它
已成为武装力量的支撑系统和武装力量的倍增器。

　　 卫星导航可与通信、计算机、情报监视系统构成多兵种协同作战指挥系统。

　　 它能完成各种需要精确定位与时间信息的战术操作，如布雷、扫雷、目标截获、全天
候空投、近空支援、协调轰炸、搜索与救援、无人驾驶机的控制与回收、火炮观察员的定
位、炮兵快速布阵以及军用地图快速测绘等。

　　 卫星导航可用于靶场高动态武器的跟踪和精确弹道测量、时间统一勤务建立与保持
。
　　 当今世界正面临一场新军事革命，导航卫星系统作为一个功能强大的军事传感器，
已经成为天战、远程作战、导弹战、电子战和信息战的重要武器。谁拥有先进的导航卫星系
统，谁就在很大程度上掌握未来战场的主动权。

2 全球三大卫星导航系统简介

　　 2.1 美国全球定位系统（GPS）

　　 GPS计划自1973年起步，1978年首次发射卫星，至1993年12月完成24颗中高度圆轨道
（MEO）卫星组网，历时15年、耗资120亿美元。至今，已前后发展了3代卫星。目前，在轨
工作卫星28颗，其中，还成功发射3颗新型的GPS－2R卫星，并还将发射169颗。计划从2003
年开始部署33颗GPS－2R卫星。此外，也已开始全改进型GPS－3的概念性研究，以适应2030
年未来的系统级要求。该系统由美国国防部运作。

　　 GPS是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。空间部分
由24颗卫星组成，运行高度20230km，它们位于6个倾角为55o的轨道平面内，周期近12h。
卫星用2个L波段频率发射单向测距信号，区别不同卫星采用码分多址。它是个军民两用系
统，提供两个等级的服务。即为军事用户提供L1（频率1575.42 MHz）、L2(频率1227.6 
MHz)双频P码测距以及优于22m水平精度、27.7m垂直精度和100ns的授时精度；为其他用户
提供L1单频C/A码测距加选择可用性（SA）人为干扰的标准定位服务（SPS），位置精度降
低到100m，授时精度降低到340ns。

　　 2.2 俄罗斯全球导航卫星系统（Glonass）

　　 俄罗斯用20年时间发射了Glonass的76颗卫星。1996年1月完成由24颗Glonass中高度
圆轨道卫星（MEO）加1颗备用卫星的组网，耗资30多亿美元，该系统由俄罗斯国防部控制
。Glonass空间部分也由24颗卫星组成，卫星高度19130km，位于3个倾角为64.8o的轨道平
面内。这一高度除避免和GPS同一高程以防止两个星座相互影响外，其周期11h15min，8天
内卫星运行17圈回归，3个轨道面内的所有卫星都在同一条多圈衔接的星下点轨迹上顺序运
行，这有利于消除地球重力异常对星座内各卫星的影响差异，以稳定星座内部相对布局关
系。系统工作基于单向伪码测距原理，它对各个卫星采用频分多址。它的码速率是GPS的50
%，Glonass未达到GPS的导航精度。它的主要好处是没有加SA干扰，民用精度优于加SA的GP
S。其应用普及情况则远不及GPS。Glonass卫星平均在轨道上的寿命较短，后期增长为5年
。目前，在轨道有11颗星可用（其中包括新型的Glonass－M），不能独立组网，只能与GPS
联合使用。

　　 2.3 欧洲“伽利略”（Galileo）系统计划

　　 欧洲在经过几年的酝酿研究之后，1999年初正式推出Galileo导航卫星系统计划，但
计划实施一再搁浅。该计划提出两种方案，一种是纯中地球轨道（MEO）方案，它由30颗ME
O卫星组成，卫星高度为24126km,卫星位于3个倾角为54°的轨道平面内。另一种为24颗MEO
+8颗地球静止轨道（GEO）卫星混合星座方案。MEO星座由24颗中高度圆轨道卫星组成,轨道
高度23222km, 卫星位于3个倾角为57°的轨道平面内。GEO为8颗覆盖全球范围的地球静止
轨道卫星。欧洲Galileo计划目标要求系统自身是具有全球范围加强的全球系统。位置精度
要求达到几米或更高，并要求提供多种附加值服务，以利于争夺全球导航市场。从这一目
标出发，再考虑到欧洲不少国家地处高纬度地区，用户对GEO卫星可见仰角偏低，欧洲更倾
向于采用纯MEO方案，要求部分MEO卫星取代原由GEO卫星完成的区域差分和加强任务。该计
划在2001年4月5日欧盟交通部长会议获得批准。预计该系统2008年建成，主要投资将由欧
盟、欧空局提供，并从欧洲工业界和私人投资商集资。Galileo系统独立于GPS，频段分开
，但将和GPS系统兼容和相互操作。

3 中国自主研制的第1代卫星导航定位系统

　　 2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日，中国相继成功发射3颗导航定位试验卫
星。中国已自行建立了第1代卫星导航定位系统——“北斗”导航系统。

　　 3.1 “北斗”导航系统

　　 “北斗”导航系统是全天侯、全天时提供卫星导航信息的区域系统，这个系统建成后
，主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航服务，对中国国民经济建设将起
到积极推动作用。

　　 “北斗”导航系统在国际电信联盟(ITU)登记的频段为卫星无线电定位业务（RDSS）
频段，上行为L频段（频率1610～1626.5MHz）,下行为S频段(频率2483.5～2500MHz)；登记
的卫星位置为赤道面80°E、140°E和110.5°E（最后一个为备份星星位）。中国首先实现
RDSS系统这项卫星导航定位创新工程。该工程投资少，它将导航定位、双向数据通信和精
密授时结合在一起，系统自身包含广域差分标校以提高定位精度。当用户提出申请或按预
定间隔时间进行定位时，不仅用户知道自己的测定位置，而且其调度指挥或其他有关单位
也可得知用户所在位置。

　　 系统只在中心站设一个时间基准，由中心站经2个经度上相距60°的GEO卫星对用户双
向测距、由1个配有电子高程图的地面中心站定位、另有几十个分布于全国的参考标校站和
大量用户机。

　　 3.2 “北斗”导航系统已顺利投入运行

　　 “北斗”的研制成功奠定了中国自主卫星导航定位系统的地位。它是一个成功的、实
用的、投资很少的初级起步系统。在该系统的基础上，还可建立中国的GPS广域差分系统，
可使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米量级修正至数米级，可以更好促进GPS
在民间的利用。目前，卫星运行一直正常，系统调试与试运行表明导航定位系统在国内及
周边服务区的定位精度很好，简短双向数据很正常，满足系统预定要求。“北斗”导航系
统尤其适合于同时需要导航与移动数据通信的场所。

　　 “北斗”导航系统需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，从而使系统
用户容量、导航定位维数、隐蔽性等方面受到限制，在信号体制上不能与国际上的GPS系统
、 Glonass系统及将来的Galileo系统兼容。因此，中国还需要在第1代导航卫星系统成功
的基础上发展第2代导航卫星系统，以满足今后国家对卫星导航应用和长远经济发展的需求
。

4 发展中国第2代导航卫星系统的几点建议

　　 4.1 采用单程测距体制

　　 这种本制能使用户机免发上行信号，自己定位，直接接收卫星发射的单程测距信号，
系统的用户容量不受限制，并可提高用户位置隐蔽性。其代价是：测距精度要由星载高稳
定度的原子钟来保证，所有用户机使用稳定度较低的石英钟，其时钟误差作为未知数和用
户的三维未知位置参数一起由4个以上的卫星测距方程来求解。这就要求用户在每一时刻至
少可见4颗以上几何位置合适的卫星进行测距。

　　 4.2 以建立全球导航系统为长远目标

　　 中国的卫星导航系统究竟应该是区域的、还是全球的，这是中国导航界专家广泛关注
的一个重要问题。从长远发展打算，中国经济和科学技术的发展离不开卫星导航，国际航
空、航海、低轨飞行器的定轨也要求有全球导航系统支撑。从前瞻性考虑，导航卫星星座
体制应以建立全球导航系统为长远目标，但在工程实施上，由于系统投资巨大，建设周期
长，需要按技术经济条件，采取先区域后全球这两步来实施。实现这一方针的可行性在于
当前区域系统必须和未来全球系统在体制上兼容，区域星座可以扩展为全球星座，今后可
根据国力和实际需要，随着后续卫星的发射，以最小的代价平稳地发展为全球系统。

　　 4.2.1 采用MEO卫星星座

　　 这是一种12h周期，倾角为55.0°～63.43°的轨道，是经过GPS和Glonass系统成功运
行证明性能优良的全球星座轨道。分析计算证明，24颗倾角为55.O°的MEO卫星分布在3个
轨道面内，可满足全球导航精度（3个倾角为54.74°的轨道面通过地心相互正交，卫星在
全球分布最均匀）。由于每一颗MEO卫星星下点轨迹历经全球，所以可达到全球导航的目的
，而且可立足于本国国土内测控所有卫星。这种单一由MEO卫星组成的星座必须布满全部24
颗卫星才能有效地投入运行，如要满足民航可用性要求和精密进近，则必须大量增加MEO卫
星。或增加GEO卫星，进行区域加强。

　　 4.2.2 GEO卫星是一项适合中国的成熟技术

　　 GEO卫星星座可一天24h静止在规定的赤道位置上空，提供本区域导航服务，卫星利用
率高，现已广泛应用于全球导航系统的区域增强系统。全区域需布设几颗GEO卫星则取决于
导航服务区域要求的大小。

　　 4.2.3 首步实现的规模

　　 该系统取决于当前国家目标、市场以及投资能力。当前国家的目标是在有限国力的条
件下尽快在国内及周边地区实现区域卫星导航，在争夺国际导航市场方面中国工业和科学
技术水平竞争力薄弱，只能逐步地以国内产品取代充斥市场的进口产品。因此在建设规模
上近期内以建成东部北半球中、低纬度区域导航系统为宜。

　　 4.3 导航频段宜采用国际导航系统通用的L频段

　　 为了中国第2代导航系统与国际导航系统在导航用户接收机兼容，测距伪随机码应自
我独立，但频段尽可能接近国际导航系统通用的L频段。

　　 4.4 建立空间高精度的卫星时间基准

　　 4.4.1 所有星载时钟需保持与系统时钟同步

　　 系统在中心控制站设有系统时间基准STS，一般由一组氢钟或铯钟担任，并与UTC校准
和保持同步，这有利于STS的长期稳定性和提供用户UTC时间。系统分布在各地的轨道测定
与时间同步站采用氢钟或铯钟，并严格与STS同步，这些站的任务是保证各个星载原子钟与
STS的同步。

　　 4.4.2 卫星环境条件与限制

　　 星载原子钟应用的环境条件与限制远比在地面应用恶劣，为了保证其寿命与卫星同步
并有很高的可靠性，每颗卫星至少需3台钟，2台互为热备份，1台冷备份，这对体积、质量
和电源功率提出严格要求，星载原子钟必须承受卫星发射过程中的恶劣震动条件。此外，
星钟还需要防护中高度圆轨道空间范艾伦辐射带的影响和温度的变化。

　　 4.4.3 星载时钟要求

　　 对星载原子钟，GPS卫星采用铷钟（质量5.44kg，功耗39W）和铯钟（质量13kg，功耗
30W，寿命＞3年），以铯钟为主。GPS－2A型卫星每天由地面监控系统更新星历和星钟修正
系数，用最新数据可以提供5.3m的总测距精度。GPS－2R型卫星采用新型的铷原子钟，频率
稳定性能比GPS－2A型高一个量级，并采用星间相互无线电链路定轨，卫星能够自主运行18
0天，总测距精度仍可达到7.4m，如果每隔30天由地面监控系统作210天数据集的星历和星
钟修正系数更新，总测距精度可达5.3m。俄罗斯的Glonass系统采用每颗星装3台铯钟,钟组
质量55kg，寿命3～5年)，每12h地面对星载钟校准1次。欧空局Galileo系统则计划采用铷
钟（质量1.3kg），氢钟作为备份。为了满足时钟与轨道误差的综合误差不超过0.65m的要
求，每30min地面对星载钟更新一次校准数据。

　　 此外，无论是采用何种时钟同步测量的方法，均要考虑广义相对论引力势变化对原子
钟的影响和狭义相对论卫星高速运动对原子钟的影响。

　　 4.4.4 发展我国星载原子钟面临的选择

　　 在确定星载原子钟的发展策略和技术途径上，应结合我国卫星导航系统的继承和发展
，在不同阶段发射的卫星可以使用不同类型的原子钟，在系统建设初期可以采用精度较低
但是相对成熟的原子钟，随着系统的不断建设和国内原子钟技术的发展，后续的卫星钟可
以采用精度更高的原子钟，但要以不对系统和卫星作大的改动为前提。

　　 从目前的研究情况来看，国内铷钟有较好的研究基础，但精度较差，尚需要进一步进
行攻关。

　　 在卫星导航系统和铷钟研制的同时，还应对氢钟或铯钟开展研究，从目前看，氢钟相
对铯钟在国内有较好的基础，但从体积和质量看，其上星还有一段很大的距离。■

收稿日期：2003-11-08

国际太空2004.1
http://www.cast.ac.cn/cbw/dzqk.htm#gjtk
--

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.226.28]
--
※ 转载:．哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn．[FROM: 202.118.228.120]