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古有司南,今有北斗——北斗卫星导航系统的“成长史”(下)

文章来源:未知         发布时间:2021-07-13

作者:卢鋆

作者简介:通信与信息系统专业博士,北京跟踪与通信技术研究所高级工程师,北斗地面试验验证系统副总设计师、国际合作专家组副组长,长期从事北斗系统总体设计、北斗国际兼容互操作协调、系统试验验证等工作。

 

(接上文)

混合星座的四大特色

01

北斗星座三兄弟

北斗星座由GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星三种轨道卫星组成,北斗建设者们根据其名称英文首字母发音,把他们亲昵地称作吉星爱星萌星,他们是北斗三兄弟
  GEO卫星
  吉星,位于距地球约3.6万千米且倾角为0°的轨道上,定点于赤道上空。因其运动周期与地球自转相同,相对地面保持静止,所以称作地球静止轨道卫星。3颗GEO卫星始终随着地球自转而动,俯瞰祖国大地,对覆盖区域内用户的可见性达到100%,实现了24小时的连续覆盖,承担着北斗六大星基服务中的基本定位导航授时、区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等四大服务,可谓是一星多能。

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8  北斗三号3GEO卫星定点位置示意图,3颗卫星的星下点经度分别为东经80度、110.5度、140度。

 

  IGSO卫星
  爱星,与GEO卫星轨道高度相同,倾角不为0,运行周期与地球自转周期相同,所以称作地球同步轨道。IGSO总是覆盖地球上某一个区域,但对覆盖区域用户的可见性达80%,可与GEO卫星搭配,形成良好的几何构型,一定程度上克服GEO在高纬度地区仰角过低带来的影响,解决GEO卫星观测几何结构差等问题。IGSO单星区域覆盖性好,3颗卫星可覆盖亚太大部分地区,且每颗星的星下点轨迹始终聚焦亚太地区划着浪漫的“8”字步。
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图9 北斗三号3颗倾斜同步轨道卫星的星下点轨迹示意图。三颗IGSO卫星星下点轨迹基本重合,始终聚焦亚太划“8”字。

  MEO卫星
  
萌星,星如其名,小巧灵活,运行在高度2万公里左右的轨道上。作为卫星导航系统组网的主力队员,MEO像极了不知疲倦的小萌娃,在自己的跑道上绕着地球一圈又一圈地奔跑,让自己的星下点轨迹不停地画着波浪线,以便覆盖到全球更广阔的区域。北斗24颗MEO卫星为Walker24/3/1星座,每颗卫星在7天内可绕地球跑13圈。
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10  北斗三号24MEO卫星轨道布局示意图。图中P1 P2P3分别为三颗卫星的轨道面,每个轨道面分布8颗卫星。

 

02

混合星座蕴含中国智慧

美、俄、欧等其他卫星导航系统都是利用单一的MEO卫星进行组网,如美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲伽利略系统,它们标称星座分别为242430MEO卫星。我国北斗立足国情实施三步走发展,星座设计富有特色,在国际上首次创新性采用GEOIGSOMEO三种轨道的混合星座构型。通过在重点服务区上空布设GEOIGSO卫星,实现特定区域范围内良好的覆盖性能;同时,利用MEO卫星,实现全球覆盖的均匀性和对称性。

北斗混合星座的成功部署,丰富了世界卫星导航发展技术体系,也引起国外各系统的效仿。日、印在区域系统中采用IGSOGEO卫星的混合星座;俄罗斯拟将其星基增强系统(采用GEO卫星)纳入GLONASS体系,同时后续计划增加IGSO卫星,形成三型卫星混合星座体系;美国时隔40余年再启动的导航技术试验卫星NTS-3计划(GEO),意在基于本土试验新技术。

03

覆盖全球、突出重点

目前,北斗三号30颗卫星均已完成组网发射,北斗三号系统星座部署全面完成,北斗星座全球覆盖能力进一步完善,空间信号可用性指标均为全球一流水平。

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11  北斗导航卫星运行轨迹,蓝色为卫星的星下点轨迹,红色为卫星当前时刻位置。

根据中国卫星导航系统管理办公室测试评估中心发布的数据,全球至少可观测6颗北斗卫星,这意味着无论是白天还是黑夜,无论你在地球的哪个角落,都至少有6颗北斗卫星为你护航。而在亚太地区,由于高轨卫星的存在,区域可见卫星数目在7-15颗之间,平均可见数目为11颗左右。根据卫星导航系统工作原理,观测四颗卫星即可实现对三维位置和时间的解算,为此,用户可在可视卫星中优选几何构性最好的4颗星,获得优质服务。

“手拉手”的星间链路

全球卫星导航系统需要全球分布的地面监测站进行卫星的全弧段观测,以支持卫星轨道的精确测定。美欧等国外系统基本都采用全球或大范围建站的途径,来满足全球连续观测要求。我国北斗受限于难于海外建站,为解决境外卫星的测量和数据传输问题,在卫星之间搭建了星间链路,实现卫星与卫星、卫星与地面的连接互通。星间链路,就好比让北斗三兄弟手拉手,对我们看不见处在地球另一面的北斗卫星,通过星间链路,同样可以和它们取得联系,进行测量和通信。

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图12 北斗卫星星间链路示意图

 

展望

2000年至今,我国在西昌卫星发射中心,用长三系列火箭44次圆满的成功表现,将59颗北斗导航卫星发射升空,送入预定轨道,发射成功率为100%。北斗的高密度、高成功率组网发射以及独具特色的混合星座和多服务功能集成设计,赢得了世界的喝彩。

 

梦想不止于此。目前我国还在积极论证以北斗为核心的综合定位导航授时体系,计划2035年前建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。届时,室内导航、太空移居、深海旅行,将离我们不再遥远。