全面解析全新北斗三號(hào)的那些技術(shù)方案

2017年11月5日19時(shí)45分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)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(hào)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(shí)代。

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

2017年下半年 中國計(jì)劃發(fā)射4顆北斗三號(hào)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(hào)、二號(hào)和三號(hào)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(cè)速原理，即利用測(cè)量導(dǎo)航信號(hào)的多普勒頻移來求出距離變化率進(jìn)行導(dǎo)航定位，但由于這種方式存在不能連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航等一些缺點(diǎn)，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(shí)間測(cè)距原理，即利用測(cè)量導(dǎo)航信號(hào)傳播時(shí)間來求出距離進(jìn)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?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又可分有源（主動(dòng)式）和無源（被動(dòng)式）兩種。我國北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用有源方式，即用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)要主動(dòng)向衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)，北斗二號(hào)和北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用無源和有源相結(jié)合的方式，進(jìn)行無源衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)，用戶只需接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。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(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座

根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)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(hào)、二號(hào)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(hào)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(hào)為地球靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星，而北斗二號(hào)和三號(hào)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(yùn)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(huì)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(huì)、經(jīng)濟(jì)、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(gè)階段實(shí)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(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星（后兩顆為備份），它們運(yùn)行在經(jīng)度相距60°的地球靜止軌道，從而建成了世界首個(gè)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(jìn)行雙向數(shù)字報(bào)文通信和精密授時(shí)，特別適用于需要導(dǎo)航與移動(dòng)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(shí)精度為100納秒；短信字?jǐn)?shù)每次為120個(gè)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(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星，最終建成了由14顆北斗二號(hào)（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(shí)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(cè)速精度為0.2米/秒；授時(shí)精度為50納秒；短信字?jǐn)?shù)每次為120個(gè)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(hào)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(cè)速精度為0.2米/秒；授時(shí)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(fèi)提供約10米精度的定位服務(wù)、0.2米/秒的測(cè)速服務(wù)，并且將為付費(fèi)用戶提供更高精度等級(jí)的服務(wù)。隨著“北斗”地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供初始服務(wù)，它還可提供米級(jí)、亞米級(jí)、分米級(jí)，甚至厘米級(jí)的服務(wù)，屆時(shí)，“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(fèi)提供約10米精度的定位服務(wù)。

具有高精度、高可靠、高保險(xiǎn)、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(diǎn)，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(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯；北斗三號(hào)可提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過多頻信號(hào)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(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。

北斗三號(hào)亮點(diǎn)多多

由于北斗三號(hào)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(hào)試驗(yàn)衛(wèi)星，驗(yàn)證了以高精度星載原子鐘、星座自主運(yùn)行等為代表的衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)，以輕量化、長(zhǎng)壽命、高可靠為典型特征的衛(wèi)星平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)，基于星地鏈路、星間鏈路、全新導(dǎo)航信號(hào)體制的導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)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(hào)（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(hào)相比，除了服務(wù)區(qū)域由區(qū)域覆蓋擴(kuò)大到全球覆蓋外，北斗三號(hào)在精度和可靠性上都有很大的提高。其單星設(shè)計(jì)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(jìn)。北斗三號(hào)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(tái)，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(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、授時(shí)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(diǎn)。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(hào)未來還將按照國際標(biāo)準(zhǔn)增加全球搜救、全球位置報(bào)告、星基增強(qiáng)等拓展服務(wù)。

北斗三號(hào)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(tái)，它能集成多種載荷，兼容實(shí)現(xiàn)天基增強(qiáng)、可動(dòng)點(diǎn)波束功率增強(qiáng)、短報(bào)文通信與位置報(bào)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(diǎn)。

北斗三號(hào)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(cè)量鏈路），解決了境外監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的難題，成為一大特色。這樣能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行在境外的衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)、注入功能，并可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向精密測(cè)距和通信，從而能夠進(jìn)行多星測(cè)量，自主計(jì)算并修正衛(wèi)星的軌道位置和時(shí)鐘系統(tǒng)，大大減少對(duì)地面站的依賴，提高整個(gè)系統(tǒng)的定位和服務(wù)精度。星間鏈路是“北斗”實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵，不僅實(shí)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(cè)距，自動(dòng)“保持隊(duì)形”，減輕地面管理維護(hù)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(shí)，地面用戶通過手機(jī)等終端接收導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，仍舊能進(jìn)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(duì)整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能有重要影響。北斗三號(hào)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(hào)衛(wèi)星采用的原子鐘相比，北斗三號(hào)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(dá)到國際領(lǐng)先水平。其上的氫原子鐘精度將比北斗二號(hào)的星載銣原子鐘提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。銣原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－14秒量級(jí)，氫原子鐘天穩(wěn)定度為每1萬秒誤差10－15秒量級(jí)。原子鐘技術(shù)的進(jìn)步，直接推動(dòng)了“北斗”系統(tǒng)的定位精度由10米量級(jí)向米級(jí)跨越，測(cè)速和授時(shí)精度同步提高一個(gè)量級(jí)。

北斗三號(hào)進(jìn)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(xiàng)新技術(shù)提高了衛(wèi)星的抗干擾能力，非計(jì)劃中斷指標(biāo)為每年0.4次，達(dá)到國際先進(jìn)水平。它采用了多重可靠性“加固”措施，可最大限度增強(qiáng)系統(tǒng)的保險(xiǎn)系數(shù)。比如，系統(tǒng)建成后運(yùn)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(tái)銣原子鐘，形成“雙保險(xiǎn)”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(xiàng)措施，可保證系統(tǒng)可靠性。

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

根據(jù)計(jì)劃，2018年前后完成18顆北斗三號(hào)衛(wèi)星發(fā)射，屆時(shí)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(hào)系統(tǒng)面向全球提供全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)?！氨倍贰卑l(fā)展藍(lán)圖是構(gòu)建國家綜合定位、導(dǎo)航和授時(shí)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(shí)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(hào)與第二代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗二號(hào)以及第三代導(dǎo)航衛(wèi)星北斗三號(hào)在工作原理上有明顯不同之處。

北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是通過采用衛(wèi)星無線電測(cè)定業(yè)務(wù)方式來確定用戶的位置。在平時(shí)，地面中心站經(jīng)2顆北斗一號(hào)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(hào)，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(shí)，用戶終端分別經(jīng)2顆北斗一號(hào)地球靜止軌道衛(wèi)星向中心站發(fā)送需要定位的申請(qǐng)信號(hào)。這時(shí)，地面中心站通過測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)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(gè)距離測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)一步推算出用戶位置。最后，地面中心站將該定位信號(hào)經(jīng)1顆衛(wèi)星傳給用戶終端。

采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)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(bào)文和精密授時(shí)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(hào)和北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國際首次實(shí)現(xiàn)了采用衛(wèi)星無線電測(cè)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(dòng)測(cè)量來自至少4顆在衛(wèi)星時(shí)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(hào)，并根據(jù)這些衛(wèi)星信號(hào)的不同傳輸時(shí)間，來測(cè)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(yùn)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(shí)時(shí)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(hào)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(jī)構(gòu)交換信息并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成衛(wèi)星從星箭分離、在軌運(yùn)行直至壽命末期各階段的姿態(tài)控制和軌道控制。同時(shí)該系統(tǒng)還賦予了衛(wèi)星一定的完全自主運(yùn)行能力，即使地面測(cè)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(duì)地面站的依賴，實(shí)現(xiàn)了“可視”范圍外的衛(wèi)星控制，也降低了系統(tǒng)的運(yùn)行管理成本。

此前衛(wèi)星的遙測(cè)、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(hào)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(gè)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(zhǎng)其壽命。

無論是姿態(tài)與軌道信息的計(jì)算，還是衛(wèi)星的智能自主運(yùn)行，都對(duì)控制系統(tǒng)的計(jì)算性能提出了極高要求。北斗三號(hào)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(shí)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(jìn)行位置保持時(shí)，可以進(jìn)行噴氣卸載，導(dǎo)航衛(wèi)星工作時(shí)卻不允許推進(jìn)器噴氣。為了保證北斗三號(hào)衛(wèi)星在60天自主運(yùn)行期間不會(huì)噴氣卸載，五院研制團(tuán)隊(duì)完善和改進(jìn)了控制系統(tǒng)的角動(dòng)量管理和磁力矩器卸載功能，達(dá)到了任務(wù)要求。

此外，該控制系統(tǒng)還具備單機(jī)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)故障安全設(shè)計(jì)，在星上資源有限的情況下，提高了北斗三號(hào)衛(wèi)星的自主故障實(shí)時(shí)診斷和處理能力。