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北斗卫星的研究和发展

孙富平，刘帅，朱银辉，门宝宏

导航和航空航天工程学院,信息工程大学，郑州,450052，中国

接收于2012.10.15，发表于2012.11.16

摘要 本文简要回顾北斗卫星导航系统的发展历程和战略规划,介绍了其施工进度,强调了北斗卫星的一些关键技术的研究进展，包括导航星座设计、导航信号的结构和性能, 兼容性和互通性,精确的轨道计算，导航和精确定位。描述了北斗系统面临的主要问题和挑战。

关键词 北斗卫星导航系统，导航星座设计、导航信号的结构和性能，兼容性和互通性,精确的轨道计算，导航和精确定位

引用 孙富平，刘帅，朱银辉，门宝宏. 北斗卫星的研究和进展.

中国科学：信息科学（英文版）2012，55：2899-2907 数字对象唯一标识符：10.1007/s11432-012-4724-2

1 简介

　 卫星导航系统是带给人类巨大经济效益和社会效益的重要的空间基础设施。作为一个有广阔的领土和领海发展中国家,中国高度重视自己的独立的卫星导航系统的建设,并且努力探索和开发具有自主知识产权的卫星导航系统。早在1960年代末,中国开始在卫星导航系统进行研究。在1970年代末,中国开始探索一个适合自己情况的卫星导航系统。几个关于使用一个,两个或两个以上的卫星构成区域导航系统甚至全球系统的想法被提了出来。不幸的是,由于各种原因,这些想法并没有实现。在1990年代, 根据初步研究和测试,独立建设和发展的战北斗导航的战略初步形成,三步发展计划已经奏效。第一步是建立北斗卫星导航示范系统包括3卫星对地同步轨道(GEO),旨在完整的测试原理,积累技术经验, 培训人员,以及为特殊用户提供导航和定位服务。第二步是构建北斗区域卫星导航系统包括5个GEO卫星,5个卫星倾向，地球同步轨道卫星(IGSO)和4个中地球轨道(MEO)。北斗区域系统将在2012年底前在亚洲和太平洋地区提供定位、导航和定时(PNT)服务。第三步是到2020年底前构建北斗全球卫星导航系统包括35颗卫星(GEO 5日 3 IGSO 27 MEO)。北斗全球系统将提供两种服务:开放服务授权服务。前者是指自由定位的精度10m,计时的准确性20ns,速度精度0.2m/s供民用用，户使用。后者意味着安全PNT,为授权用户提供完整信息服务。

2 北斗施工进度

构建北斗系统的基本特征^[4、5]:(1)开放。北斗将为用户提供一个自由、开放的服务,欢迎世界各地的所有用户使用它。中国将与其他合作国家就卫星导航问题合作，促进GNSS卫星导航,相关技术产业的发展。(2)独立。中国将独立开发并运行“北斗”卫星导航系统。北斗能独立向全球用户提供基本的服务,特别是向亚太地区提供高性能服务。(3)兼容。中国将努力实现北斗与其他卫星导航系统兼容性和互通性,并确保用户得到满意的服务。为了保护现有用户和行业的利益,北斗将向后进行兼容的升级。(4) 进步。根据中国实际的技术和经济发展,北斗将遵循逐步建设和发展的原则，为用户提供长期、连续的服务并保持持续改进系统的性能。

　 按照三步走发展战略和“先区域后全球”的整体发展战略,北斗在卫星导航领域形成了一个成功的、独特的开发模式。北斗的施工进度分为三个步骤，详细描述如下：^[5、6]

步骤1 北斗卫星导航演示系统的建设(也称为Beidou-1) 开始于1994年。自2000年以来,中国已经成功发射了3颗卫星。第三颗GEO卫星于2003年5月的成功发射标志着这个系统的正式形成。这个系统的服务区域涵盖了70E-140E和5N-55N .定位精度高20m。单向计时精度为100ns,双向计时精度为20ns。Beidou-1可以提供一些基本的服务，如定位和测时,短消息通信,并发现了许多如测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全的使用领域。

步骤2 北斗区域卫星导航系统建设(也称为Beidu-2)，在2004年开始,将在2012年完成。目前,Beidu-2稳步进展。根据网络启动计划,Beidu-2迄今已成功发射了15颗卫星。地面部分已完成设备开发、安装和调试,可以正常使用。用户端已经完成测试终端的发展。系统集成测试已经执行。协调的空间段、地面段和用户段已得到验证。系统精度也被评估。系统已在2011年底完成了全面的测试，并在2011年,开始试运行并为中国的大部分地区提供服务。2012年4月,中国成功发射两颗北斗卫星进入太空。这是自2007年7月北斗-2程序的第一次发射后中国第一次用一个火箭发射两个导航卫星。2012年9月, 中国成功用一颗火箭为北斗网络发射了另外两颗北斗MEO卫星。这些卫星的成功发射将进一步提高北斗导航卫星的覆盖率精度和稳定性。北斗-2计划覆盖亚太地区,从55S到55N，从55E到180E。此外,北斗-2有3个导航信号频率,是世界上第一个实现3种导航频率的卫星导航系统。最新的北斗卫星发射状态(2012年9月) 如表1所示。

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步骤3 北斗全球卫星导航系统的建设将在2012年之后开始。当前计划在2020年前全面运作35颗星座卫星。北斗卫星导航系统将提供全球高精密、高可靠性的定位、导航、时机和短报文通信服务。目前,北斗卫星开发和推出计划已经提上议事日程的。

3 一些关键技术的研究进展

3.1 导航星座设计

导航星座是卫星导航系统的重要组成部分,因为它为用户导航和定位提供了空间基准。并且直接决定了系统性能的实现。导航星座设计涉及很多参数的最优组合。不同参数的星座组合在包覆性能和投资成本方面有很大不同。导航星座设计的目标是找到一组星座参数组合,这种星座参数组合不仅可以在指定覆盖区域获得最佳的性能,也节省系统建设成本和星座长期支持成本。^[7]导航星座可以根据不同的覆盖区域分为区域导航星座和全球导航星座。

基于北斗卫星导航系统的发展中“先区域后全球”的战略,在最初的阶段北斗卫星导航系统建设,只有3(2 1)GEO卫星作为Beidou-1系统的导航星座运行。徐^[8]讨论了地区卫星导航的星座设计中卫星轨道的选择。他专注于卫星轨道计算精度和卫星利用率的问题。,并比较他们的区域导航卫星系统的适用性。结果显示，GEO和IGSO适合区域卫星导航系统,因为他们的高利用率和低成本。帅等^[8]讨论了星座性能评价的指标, 星座可用性算法,定位精度可用性算法,以及导航星座参数详细设计因素。他们提出了一个区域星座半解析设计方法,给出了4个区域导航星座的设计方案,通过测试实验比较了他们的索引性能和定位精度的仿真实验。根据他们的研究结果,IGSO卫星高精度和卫星时钟误差外推法只需要短时间内时间和可以获得高精度。所以卫星时钟的稳定性要求可以适当降低,这是适合中国国情的。GEO卫星有高利用率和易于做卫星通信的优势。虽然他们的轨道计算精度是有一些低,但定位精度没有明显的影响。MEO卫星非常适用于全球卫星导航系统,但他们在卫星导航系统的定轨精度、卫星时钟误差精度和外推时间方面并没有显著的优势。因此,北斗- 2采用的星座设计方案是“5GEO 5IGSO 4MEO”。4 MEO卫星是用于扩展到全球体系。考虑到卫星通信和和与北斗-2系统连接时的易用性,北斗全球卫星导航系统采用星座设计方案“5GEO 3IGSO 27MEO”。

3.2 导航信号的结构和性能

　 跟GPS、GLONASS和伽利略一样,北斗导航信号广播不仅可以为各类用户提供稳定的,连续和高精度PNT服务^[9],也有很强的抗干扰能力和欺骗的能力,并且可以与其他导航信号兼容和互通。不像Beidou-1使用rds导航信号结构,北斗- 2采用rns导航信号，这与全球定位系统(GPS)和伽利略是一样的。信号的结构设计是一个重要组成部分，卫星导航系统的导航性能直接影响导航性能。^[10]谭等^{[11 12]}提出了一种适合中国的全球卫星导航系统的导航信号结构。他们建议中国的导航信号应该有一个大的信号带宽;这个开放的导航信号应该与GPS、GLONASS和伽利略导航信号可以彼此协作;经授权的导航信号能够在无线电频率中协调地共存。并且与GPS，格洛纳斯，伽利略在经授权的导航信号中独立工作。为了方便接收机采集、跟踪和改善测量精度,应设置控制信号;中国的导航信号也应该有抗干扰、抗欺骗能力。

2009年7月,中国卫星导航定位应用管理中心局(CNAGA)北斗导航信号结构协调小组会议上公开了北斗导航信号结构的最新机构,如表2所示,包括共有三家运营商和10个导航信号。^[13]

卫星导航信号的结构决定了其先天性的性能。因此,有必要对北斗导航信号的性能进行评估。对于GPS和伽利略导航信号的性能,美国和欧盟的有关机构已经做了大量的分析和评估工作。但公开文献只讨论其民用信号的性能，而且主要集中在精度,而多路径、兼容性、授权信号的性能,特别是授权信号抗干扰能力却很少被提及.^[14]此外,出于国家安全的考虑,GPS和伽利略提出了信号频谱授权分离的概念,但没有给出相应的评价方法。为此,唐等^[14]从四个方面提出了导航信号的性能评价方法,包括精度、抗干扰、抗多径和兼容性(包括安全)。他们也基于最新发表的信号系统参数比较分析了北斗,GPS和伽利略的民用信号及其授权信号。结果表明北斗在民用信号方面拥有最佳性能; 在授权信号方面,北斗卫星导航系统的精度和多通道能力与GPS、伽利略是一样的, 但其抗干扰能力不如GPS和伽利略好。此外,唐等^[15]为北斗二号导航提出了一个TD-AltBOC信号调制来实现更好的测距精度和抗多径干扰性能。

3.3 兼容性与互操作性

　兼容性和互操作性是混合卫星导航系统之间的资源利用和共享的重要内容。2007年在班加罗尔举行的第一个卫星导航供应商论坛会议提出了兼容性和互操作性初步概念和定义,并且在2008年于加州举行的第三个供应商论坛会议上更新了兼容性和互通性的定义[5]。近年来,国际会议逐渐达到一个统一的描述。兼容性意味着:当多个全球卫星导航系统和区域增强系统分别使用或集成时,他们不会引起其他每一个卫星导航系统及其服务不可接受的相互干扰和伤害^[5、16]。　互操作性的意思是:综合利用多个全球和区域卫星导航系统,或区域增大系统可以在用户级别比单个使用获得更好的PNT能力。^[5、16]

　卫星导航系统的兼容性的研究更多集中在导航信号方面。阮等^[17]研究了北斗、GPS和伽利略系统的兼容性,分析了北斗信号和北斗、GPS、伽利略之间的重叠信号的功率谱密度。考虑到星座和多普勒效应,他们不同光谱系数和分离等效载波噪声衰减比作为系统兼容性的评价标准, 模拟和分析了北斗、GPS和伽利略之间的相互干扰。结果表明, 不考虑北斗GEO卫星，北斗卫星对GPS和伽利略信号干扰类似于GPS和伽利略信号干扰北斗信号,GEO卫星是为什么北斗信号对GPS和伽利略的信号造成较大干扰的主要原因。

　 不同的卫星导航系统之间的互通性现在已成为一个热门的研究热点。作为一个重要的GNSS系统，北斗也在研究互通性的相关问题。全球卫星导航系统互通主要包括三个方面:信号的互操作性, 坐标系统的互操作性和时间系统互操作性。此外,韩等也研究了基于微分方程动力系统的新的互通性的评价算法。

　 通过分别调节中心频率为1575.42 MHz在 L1 / E1信号带的TMBOC，CBOC和两个调制信号，通过不同的调制方法去认识实现MBOC,GPS和伽利略实现之间的互操作性。陆等^[19]讨论了北斗与全球定位系统(GPS)和伽利略信号之间的互通性的目的,他们的研究表明,实现卫星导航系统的互通性应当在北斗、GPS、伽利略L1(E1)和L5(E5a)中选择。

　 坐标系统之间的互操作性是指实现正确GNSS坐标系统之间的转换。GPS的坐标系是WGS84(世界大地系统),WGS84和ITRF(国际地球参考框架)有一个同样的定义,并与ITRF2000在厘米水平一致。伽利略的坐标系统直接是ITRF2000。北斗的坐标系是中国2000大地坐标系(CGCS2000)(20、21)。CGCS2000的实现被称为CTRF2000。CTRF2000从ITRF97参考2000.0的时代。CTRF2000是由三级框架组成的。^[21]

　第一级有28个连续操作参考站形成CTRF2000的基本骨架,精度约为3毫米;第二个层次由2000个国家超过2500点的GPS大地控制网,精度约3厘米;约50000点的第三个层次是由全国天文大地网组成,纬度和经度的精度约为0.3m,大地高的准确性高于0.5米。第一和第二层次的CTRF2000和ITRF之间的对应关系约几厘米。因此,对于大多数用户的卫星导航,你不能考虑北斗,GPS和伽利略之间的坐标系统转换。尽管比较GPS和伽利略,北斗的坐标系统还应该改进。周等^[22]研究了CTRF2000追踪站的分布的影响,提出了一些改进建议。

3.4 精密定轨

　 与GPS、GLONASS和伽利略相比,北斗不仅有MEO卫星,也包含了GEO和IGSO卫星,这为北斗卫星轨道计算带

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