全面解析全新北斗三號的那些技術(shù)方案

2017年11月5日19時45分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，以“一箭雙星”方式成功發(fā)射第二十四、二十五顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。這兩顆衛(wèi)星屬于中圓地球軌道衛(wèi)星，是我國北斗三號第一、二顆組網(wǎng)衛(wèi)星，開啟了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)的新時代。

那么，北斗三號與前兩代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星，即北斗一號、北斗二號有什么不同？它都采用了哪些新技術(shù)？

2017年下半年 中國計劃發(fā)射4顆北斗三號全球組網(wǎng)衛(wèi)星

幾種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

要搞清我國三代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星的異同，首先應(yīng)了解以下幾種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，看看北斗一號、二號和三號分別是屬于哪一種。

2017年9月16日，第三代北斗芯片發(fā)布

至今，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已先后發(fā)展了兩大類：一類衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是采用多普勒測速原理，即利用測量導(dǎo)航信號的多普勒頻移來求出距離變化率進行導(dǎo)航定位，但由于這種方式存在不能連續(xù)實時導(dǎo)航等一些缺點，所以采用這種原理的衛(wèi)星導(dǎo)航現(xiàn)已基本沒有了。另一類衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用時間測距原理，即利用測量導(dǎo)航信號傳播時間來求出距離進行導(dǎo)航定位，目前大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用這種方式，包括三代“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星，但即使這樣，它們?nèi)愿鞑幌嗤?/span>

因為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又可分有源（主動式）和無源（被動式）兩種。我國北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用有源方式，即用戶進行導(dǎo)航定位時要主動向衛(wèi)星發(fā)送信號，北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用無源和有源相結(jié)合的方式，進行無源衛(wèi)星導(dǎo)航時，用戶只需接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號。美國的“全球定位系統(tǒng)”、俄羅斯的“格洛納斯”、歐洲的“伽利略”等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用無源方式。

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座

根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的信號覆蓋范圍，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可分為區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國的北斗一號、二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本、印度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等屬于前者，美國、俄羅斯、歐洲和我國的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于后者。

另外，導(dǎo)航衛(wèi)星還可根據(jù)衛(wèi)星的軌道高度，分成近地軌道、地球中圓軌道、傾斜地球同步軌道和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星幾種。我國北斗一號為地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星，而北斗二號和三號導(dǎo)航星座都由地球中圓軌道導(dǎo)航衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星組成。目前，美國、俄羅斯和歐洲的導(dǎo)航衛(wèi)星都運行在地球中圓軌道，印度和日本的導(dǎo)航衛(wèi)星星座均由傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星和地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星組成。

有其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的性能

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航已成為當(dāng)今社會重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，其應(yīng)用只受想象力的限制，具有廣泛的社會、經(jīng)濟、科技和國防意義。因此，我國很重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，并分三個階段實施發(fā)射，即先建造有源區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，再建造無源與有源相結(jié)合的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，最終建造無源與有源相結(jié)合的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

2000年10月至12月為第一階段。我國先后發(fā)射了4顆北斗一號導(dǎo)航衛(wèi)星（后兩顆為備份），它們運行在經(jīng)度相距60°的地球靜止軌道，從而建成了世界首個有源區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可提供區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ唬€能進行雙向數(shù)字報文通信和精密授時，特別適用于需要導(dǎo)航與移動數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的用戶。其服務(wù)范圍為國內(nèi)；定位精度為20米；授時精度為100納秒；短信字?jǐn)?shù)每次為120個字。

2007年至2012年為第二階段。我國陸續(xù)發(fā)射了16顆北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星，最終建成了由14顆北斗二號（5顆靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星＋5顆傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星＋4顆中圓地球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星）組成的、采用無源與有源衛(wèi)星導(dǎo)航方式相結(jié)合的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。如果說GPS只能告訴用戶什么時間、在什么地方，“北斗”還可以將用戶的位置信息發(fā)送出去，讓其他人可以知道用戶的情況，較好地解決了何人、何事、何地的問題。其服務(wù)范圍為亞太地區(qū)；定位精度為10米；測速精度為0.2米/秒；授時精度為50納秒；短信字?jǐn)?shù)每次為120個字。

2017年至2020年為第三階段，我國將先后發(fā)射35顆北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星（5顆靜止軌道衛(wèi)星＋3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星＋27顆中圓軌道衛(wèi)星），建成采用無源與有源導(dǎo)航方式相結(jié)合的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其服務(wù)范圍為全球；定位精度為2.5至5米；測速精度為0.2米/秒；授時精度為20納秒；每次短信字?jǐn)?shù)也增加了。它將為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務(wù)、0.2米/秒的測速服務(wù)，并且將為付費用戶提供更高精度等級的服務(wù)。隨著“北斗”地基增強系統(tǒng)提供初始服務(wù)，它還可提供米級、亞米級、分米級，甚至厘米級的服務(wù)，屆時，“北斗”的定位精度將與美國GPS相媲美。

建成后的北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)將為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務(wù)。

具有高精度、高可靠、高保險、多功能的“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有一些美國、俄羅斯和歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的性能和特點，例如，其空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，且與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，因此抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區(qū)性能特點更為明顯；北斗三號可提供多個頻點的導(dǎo)航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務(wù)精度；該衛(wèi)星系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實時導(dǎo)航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能。

北斗三號亮點多多

由于北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星需采用許多新技術(shù)，為此，我國在2015年至2016年陸續(xù)發(fā)射了5顆北斗三號試驗衛(wèi)星，驗證了以高精度星載原子鐘、星座自主運行等為代表的衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)，以輕量化、長壽命、高可靠為典型特征的衛(wèi)星平臺關(guān)鍵技術(shù)，基于星地鏈路、星間鏈路、全新導(dǎo)航信號體制的導(dǎo)航衛(wèi)星運行控制關(guān)鍵技術(shù)，以及98%的國產(chǎn)化器件，關(guān)鍵器件均為“中國造”。

從2017年11月5日發(fā)射首批北斗三號（2顆）地球中圓軌道導(dǎo)航衛(wèi)星起，我國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。與北斗二號相比，除了服務(wù)區(qū)域由區(qū)域覆蓋擴大到全球覆蓋外，北斗三號在精度和可靠性上都有很大的提高。其單星設(shè)計壽命由以前的8年提高到10至12年，并首次提出“保證服務(wù)不間斷”指標(biāo)。

另外，還有以下重大技術(shù)創(chuàng)新或改進。北斗三號中圓地球軌道衛(wèi)星采用了新型的導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺，它具有功率密度大、載荷承載比重高、設(shè)備產(chǎn)品布局靈活、功能拓展適應(yīng)能力強等技術(shù)特點，可為系統(tǒng)后續(xù)功能和需求拓展提供更大的適應(yīng)能力，將實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、授時和導(dǎo)航的服務(wù)業(yè)務(wù)，兼容天基數(shù)據(jù)傳輸、新業(yè)務(wù)載荷的在軌應(yīng)用，能作為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的廣播節(jié)點。作為世界上唯一的由3種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗三號未來還將按照國際標(biāo)準(zhǔn)增加全球搜救、全球位置報告、星基增強等拓展服務(wù)。

北斗三號地球靜止軌道衛(wèi)星與傾斜地球同步軌道衛(wèi)星采用大型衛(wèi)星平臺，它能集成多種載荷，兼容實現(xiàn)天基增強、可動點波束功率增強、短報文通信與位置報告等系統(tǒng)；成為天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點。

北斗三號衛(wèi)星星座首次配備了相控陣星間鏈路（在衛(wèi)星之間搭建的通信測量鏈路），解決了境外監(jiān)測衛(wèi)星的難題，成為一大特色。這樣能實現(xiàn)對運行在境外的衛(wèi)星進行監(jiān)測、注入功能，并可實現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向精密測距和通信，從而能夠進行多星測量，自主計算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時鐘系統(tǒng)，大大減少對地面站的依賴，提高整個系統(tǒng)的定位和服務(wù)精度。星間鏈路是“北斗”實現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵，不僅實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星相互間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，還能相互測距，自動“保持隊形”，減輕地面管理維護壓力。所謂自主導(dǎo)航，就是指即使地面站全部失效，30多顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供精準(zhǔn)定位和授時，地面用戶通過手機等終端接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號，仍舊能進行定位及導(dǎo)航。

眾所周知，導(dǎo)航衛(wèi)星上的原子鐘性能對整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能有重要影響。北斗三號衛(wèi)星采用我國新型高精度銣原子鐘和氫原子鐘。與北斗二號衛(wèi)星采用的原子鐘相比，北斗三號上的原子鐘在產(chǎn)品體積、重量方面大幅降低，每天的頻率穩(wěn)定度提高了10倍，綜合指標(biāo)達到國際領(lǐng)先水平。其上的氫原子鐘精度將比北斗二號的星載銣原子鐘提高一個數(shù)量級。銣原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－14秒量級，氫原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－15秒量級。原子鐘技術(shù)的進步，直接推動了“北斗”系統(tǒng)的定位精度由10米量級向米級跨越，測速和授時精度同步提高一個量級。

北斗三號進一步提升了連續(xù)性、穩(wěn)定性和可用性的指標(biāo)，采用多項新技術(shù)提高了衛(wèi)星的抗干擾能力，非計劃中斷指標(biāo)為每年0.4次，達到國際先進水平。它采用了多重可靠性“加固”措施，可最大限度增強系統(tǒng)的保險系數(shù)。比如，系統(tǒng)建成后運行衛(wèi)星數(shù)量大于服務(wù)必需衛(wèi)星數(shù)，即衛(wèi)星有備份；配備了多臺銣原子鐘，形成“雙保險”一起提供服務(wù)；還采用了軟件冗余、故障自我診斷和故障自我修復(fù)等多項措施，可保證系統(tǒng)可靠性。

該衛(wèi)星還在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌自主完好性監(jiān)測功能，這一功能對民航、自動駕駛等生命安全領(lǐng)域用戶來說，具有極強的實用價值。它將增加性能更優(yōu)的互操作信號，即與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性更好的信號B1C和B2a信號。其全新的導(dǎo)航信號體制和強大的在軌重構(gòu)功能，也將極大地提升用戶體驗，因為通過兼容互操作技術(shù)，可為用戶能在終端上接收多個信號奠定基礎(chǔ)，給用戶提供多種選擇方案。

根據(jù)計劃，2018年前后完成18顆北斗三號衛(wèi)星發(fā)射，屆時將面向“一帶一路”國家和地區(qū)提供基本服務(wù)。到2020年前后，北斗三號系統(tǒng)面向全球提供全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)?！氨倍贰卑l(fā)展藍圖是構(gòu)建國家綜合定位、導(dǎo)航和授時體系建設(shè)，以“北斗”系統(tǒng)為核心，建成天地一體（包括太空、地面、水下、室內(nèi)）、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合定位、導(dǎo)航和授時體系。

北斗衛(wèi)星是怎么導(dǎo)航定位的

我國第一代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗一號與第二代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗二號以及第三代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗三號在工作原理上有明顯不同之處。

北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是通過采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)方式來確定用戶的位置。在平時，地面中心站經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星不斷向用戶詢問是否需要定位的信號，而用戶終端一般只處于光收聽不發(fā)信息的狀態(tài)。當(dāng)需要定位時，用戶終端分別經(jīng)2顆北斗一號地球靜止軌道衛(wèi)星向中心站發(fā)送需要定位的申請信號。這時，地面中心站通過測量信號的往返時間來算出用戶終端分別到每顆衛(wèi)星的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的，所以可以用這2個距離測量數(shù)據(jù)進一步推算出用戶位置。最后，地面中心站將該定位信號經(jīng)1顆衛(wèi)星傳給用戶終端。

采用這種方式的優(yōu)點所需衛(wèi)星少，只要2顆衛(wèi)星就行；具有導(dǎo)航定位、發(fā)短報文和精密授時等多種功能。但其定位精度不高，系統(tǒng)用戶容量有限。

北斗二號和北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際首次實現(xiàn)了采用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)相結(jié)合的集成體制方式來為用戶導(dǎo)航定位。所謂衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，就是用戶被動測量來自至少4顆在衛(wèi)星時鐘控制下的導(dǎo)航衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送的無線電導(dǎo)航信號，并根據(jù)這些衛(wèi)星信號的不同傳輸時間，來測定用戶到這些衛(wèi)星的不同距離，然后通過用戶終端的數(shù)學(xué)運算得到用戶的三維坐標(biāo)與速度。

北斗衛(wèi)星為何能“自律”？

控制系統(tǒng)是衛(wèi)星在天上保持正確軌道、正確姿態(tài)的總指揮。它能實時搜集衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)信息，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就指揮衛(wèi)星回到正常狀態(tài)。

北斗三號的控制系統(tǒng)，能通過綜合電子分系統(tǒng)與衛(wèi)星敏感器執(zhí)行機構(gòu)交換信息并控制執(zhí)行機構(gòu)動作，完成衛(wèi)星從星箭分離、在軌運行直至壽命末期各階段的姿態(tài)控制和軌道控制。同時該系統(tǒng)還賦予了衛(wèi)星一定的完全自主運行能力，即使地面測控站出現(xiàn)故障，它們也能在軌正常工作至少60天。這大大減少了衛(wèi)星對地面站的依賴，實現(xiàn)了“可視”范圍外的衛(wèi)星控制，也降低了系統(tǒng)的運行管理成本。

此前衛(wèi)星的遙測、遙控、姿軌控、電源、熱控、載荷和星務(wù)等管理，通常分散在不同的處理單元分別完成。北斗三號控制系統(tǒng)采用“綜合電子”體系架構(gòu)，以中心管理單元為核心，構(gòu)建了集散型分布式系統(tǒng)。其中，中心管理單元由五院自主研制，其管理職能幾乎涵蓋了衛(wèi)星各個方面。如此架構(gòu)帶來了更復(fù)雜的管理，但也能減輕衛(wèi)星重量、延長其壽命。

無論是姿態(tài)與軌道信息的計算，還是衛(wèi)星的智能自主運行，都對控制系統(tǒng)的計算性能提出了極高要求。北斗三號控制系統(tǒng)采用了基于星敏感器+紅外地球敏感器的自主導(dǎo)航算法，定時更新星上軌道數(shù)據(jù)，讓衛(wèi)星具備了自主獲取軌道數(shù)據(jù)的能力。

普通衛(wèi)星在進行位置保持時，可以進行噴氣卸載，導(dǎo)航衛(wèi)星工作時卻不允許推進器噴氣。為了保證北斗三號衛(wèi)星在60天自主運行期間不會噴氣卸載，五院研制團隊完善和改進了控制系統(tǒng)的角動量管理和磁力矩器卸載功能，達到了任務(wù)要求。

此外，該控制系統(tǒng)還具備單機級和系統(tǒng)級故障安全設(shè)計，在星上資源有限的情況下，提高了北斗三號衛(wèi)星的自主故障實時診斷和處理能力。