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中国导航定位卫星发展

发布时间:2012-3-14 浏览量:
    世界主要航天大国和国家集团不惜巨资发展全球卫星导航系统。其中,美国和俄罗斯已经建成这种系统,欧洲也即将组建他们自己的系统。中国已建成区域卫星导航定位系统,解决了自主系统的有无问题,但它是一个投资很少的初级区域性卫星定位系统,尚不能满足今后中国对卫星导航系统的进一步要求。作为一个发展中的社会主义大国,为了迎接21世纪科学技术的挑战,中国还需要进一步发展新一代性能更高的卫星导航系统。

一、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。
  卫星导航定位技术目前已基本取代了无线电导航、天文测量、传统大地测量技术,并推动了全新的导航定位技术的发展,成为人类活动中普遍采用的导航定位技术,而且在精度、实时性、全天候等方面对这一领域产生了革命性的影响。
  1.卫星导航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,推动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以单一卫星导航取代已有的其他导航系统;陆上长、短途汽车正在以装备卫星导航接收机作为发展时尚。
  卫星导航在工业、精细农业、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、电离层测量等领域已得到大量应用,或已显示出巨大的应用潜力。
  卫星导航还用于飞船、空间站和低轨道卫星等航天飞行器的定位和导航,提高了飞行器定位精度,并简化了相应的测控设备,推动了航天技术的发展。
  卫星导航已经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,可以被嵌入到其他的通信、计算机、安全和消费类电子产品中,使其应用领域更加扩展。卫星导航用户接收机生产和增值服务本身也是一个蓬勃发展的产业,是重要的经济增长点之一。
  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。
  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、制导炸弹等各种精确打击武器制导,可使武器的命中率大为提高,武器威力显著增长。武器毁伤力大约与武器命中精度(指命中误差的倒数)的3/2次方成正比,与弹头TNT当量的l/2次方成正比。因此,命中精度提高2倍,相当于弹头TNT当量提高8倍。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。卫星导航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、计算机和情报监视系统构成多兵种协同作战指挥系统。
  卫星导航可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以及时间统一勤务的建立与保持。
  当今世界正面临一场新军事革命,电子战、信息战及远程作战成为新军事理论的主要内容。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、信息战的重要武器,并且敌我双方对控制导航作战权的斗争将发展成为导航战。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。


二、国外导航卫星系统发展概况

  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,1994年完成24颗中高度圆轨道(MEO)卫星组网,共历时16年、耗资120亿美元。至今,已先后发展了三代卫星,共发射了41颗。目前,在轨工作卫星有28颗,其中还发射成功2颗新型的 2R型卫星,还将发射19颗,总共耗资190亿美元。计划从2003年开始部署33颗2F型卫星。此外,现在又开始了全改进型GPS-3的概念研究,以适应2030年未来的系统级要求。GPS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,卫星高度20182千米,位于6个倾角为55度的轨道平面内,周期近12小时。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。它是一个军民两用系统,提供两个等级的服务。即为军事用户提供L1(频率1575.42MHz)、L2(频率1227.6MHz)双频P码测距、优于22米的水平精度、27.7米的垂直精度和100纳秒的授时精度(条件:5度仰角,PDOP=6,2σ或95%的精度,以下同)的精密定位服务(可加反欺骗(AS)Y密码),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100米,授时精度降低到340纳秒。为了提高导航精度、可用性和完整性,世界各地发展了各种差分系统。特别是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统(如美国民航局开发的WAAS,欧洲的EGNOS及日本的MSAS),可提供附加区域卫星导航测距信号、导航精度校正数据和在轨导航卫星的可用性信息,成为显著提高导航精度和可靠性的重要手段,并使SA干扰失去作用。
  美国政府为了加强其在全球导航市场的竞争力,已于2000年5月1日午夜撤销对GPS的SA干扰技术,标准定位服务定位精度双频工作时实际可提高到20米、授时精度提高到40纳秒,并承诺以后逐步增加两个民用频率,即L2增加C/A码和民航安全专用的L5(频率1176MHz),希望以此来抑制其他国家建立与其平行的另一个系统,并提倡以GPS和美国政府的增强系统作为国际使用的标准。美国为保持其独家利用卫星导航系统的军事优势,提出了导航战的战略方针。其内容在战时包括3个方面:对战区内抑制民用信号,如施放干扰和恢复SA手段,拒绝敌方使用其所有有用导航功能;确保本方使用,加强反干扰、反欺骗能力和抗摧毁能力,如加大P(Y)功率,在L1和L2上增加M码,并已开发出军码在民用码受干扰和关闭时的独立捕获的自我生存能力,增加星间链路和提高卫星原子钟频率长期稳定度以增加星座自主导航能力,导航接收机采用可控方向图天线,对多个干扰源方向形成天线方向图零点以降低干扰能量等;虽宣称要保留战区以外的民间应用,但波及的范围估计不可能太小。
  2.俄罗斯GLONASS全球导航卫星系统
  俄罗斯要用20年时间发射76颗GLONASS卫星。1995年完成24颗中高度圆轨道卫星加1颗备用卫星组网,耗资30多亿美元,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19130千米,位于3个倾角为64.8度的轨道平面内。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,其周期为11小时15分钟,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,以稳定星座内部的相对布局关系。系统工作基于单向伪码测距原理,不过它对各个卫星采用频分多址,而不是码分多址。它的码速率是GPS的一半。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GPS。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。前一时期由于经济困难无力补网,原来在轨卫星陆续退役,1998年12月和2000年10月各发射3颗星,目前在轨道上只有6颗星可用,不能独立组网,只能与GPS联合使用。其计划改进型卫星GLONASS-M平均寿命7年,民用频率将由1个增加到2个,正在对外寻求合作以弥补经费不足。
  3.欧洲伽利略导航卫星系统计划
  欧洲在经过几年的酝酿研究之后,1999年初正式推出伽利略导航卫星系统计划。该计划方案由21颗以上中高度圆轨道核心星座组成,公布的卫星高度为24000千米。经概算估计,回归轨道卫星高度应为24045千米,周期为52810.10秒(或0.6129恒星日),每31圈回归一次,回归周期为19个恒星日。卫星位于3个倾角为55度的轨道平面内,另加3颗覆盖欧洲的地球静止轨道卫星,辅以GPS和本地差分增强系统首先满足欧洲需求(估计全球增强需要9颗地球静止轨道卫星),位置精度达几米。这是一种具有区域加强的全球系统。系统计划几经挫折后,终于在2001年4月5日欧盟交通部长会议上获得批准;确定30颗卫星总投资为35亿欧元,主要投资将由欧洲联盟、欧空局提供,并从欧洲工业界和私人投资商集资。预计系统于2008年投入运行,运营费和维持费由私营企业组成的运营公司承担。伽利略系统独立于GPS,频段分开,但将与GPS系统兼容和相互操作,包括时间基准和测地坐标系统、信号结构以及两者的联合使用。根据欧委会的文件,伽利略虽是民间系统,但仍受控使用,采取反欺骗、反滥用和反干扰措施,在战时可以对敌方关闭。
  4.日本区域性导航卫星系统计划
  日本科学与技术厅于1996年提出建立一个区域性导航卫星系统,拟通过在通信卫星上搭载导航载荷来实现,其星座由1颗地球静止轨道卫星和3颗或8颗低轨道卫星组成。这一建议虽因美国的反对而搁浅,但日本并未彻底放弃原来的打算。日本科学与技术厅于1997年3月要求日本宇宙开发事业团用7年时间开发导航卫星的关键技术,如研制星载高精度氢原子钟和精密定轨技术、卫星轨道保持技术等。日本计划在1999年以后发射“多功能运输卫星”(MTSAT)。该卫星服务于国际民航组织提出的通信导航监视/空中交通管理系统,并建立基于MTSAT卫星的GPS增强系统,包括增发GPS格式的测距信号。


三、中国民间卫星导航应用的情况

  按照美国的经验,开展导航军事应用的同时开发民间应用,可广泛带动导航产品市场。美国政府部门在2000年5月宣称,其GPS设备全球范围有用户400万以上,有关GPS商品和服务的应用市场在今后3年内将翻一番,即由80亿上升至160亿美元以上。欧洲导航市场估计在2025年间用户设备收益为880亿欧元,服务收益为1120亿欧元,由伽利略引起的欧洲设备工业出口为700亿欧元,总和为2700亿欧元。其中新兴的最有希望的道路交通应用占77%,海运占1%,民航和铁路各占不到1%,其他如精细农业、海上勘探、大地测量和精密时间同步等占21%。伽利略计划投资为35亿欧元,预计2005~2025年间(相当于两代伽利略卫星)民用经济效益为900亿欧元,返回政府的直接与间接税收是450亿欧元,提供10万个高新技术就业机会。
  中国民用卫星导航市场广阔,潜在经济效益巨大,是今后可持续发展的重要因素。在本国自主卫星导航系统正式运行以前,中国民用卫星导航目前主要集中于对GPS的应用。
  1.交通运输
  卫星导航首先在远洋和近海实现了普及应用,尤其是已有10万条渔船装备了GPS接收机,占中国全部渔船的1/3。交通部为了向船舶提供差分修正信息,在中国沿海已相继建立了GPS差分信息短波发送站(每个台站覆盖半径近300千米),基本覆盖了沿海地区及部分大陆。交通部开发的电子海图可以提供对远洋运输船舶的监控与指挥。
  中国民航做过一些用GPS进行飞机导航和精密近场着陆的试验。但鉴于民航对飞机导航安全性要求很高,而用户为数不多、投资有限,实际投入使用相对迟缓。民航单一应用卫星的前景有待民用卫星导航精度、可用性和完好性的大幅度提高。
  在国外,陆上交通车辆是GPS应用最为广泛的领域,据全球统计,几乎占整个用户数的2/3,日本已达数百万台。中国也已经开始了这一领域的应用,目前市场逐步成熟,进入迅速发展的态势。一些大城市,如北京、上海已开始在公共汽车、出租车的监控、调度与管理中应用GPS导航设备。据估计,在未来1~2年内年装车量可达5~10万辆,相关产值可达7~8亿元。GPS车辆系统的功能一般可分为自我导航和中心对车辆定位并调度指挥(如出租汽车的调度,公安、银行、保险以及运输危险物品等部门对车辆的跟踪监控,失窃车辆的自动定位告警等)两类。前者往往需要在微机上自备电子地图和目的地路径引导软件,后者必须与移动通信、指挥调度中心相配套,甚至于全国联网。其移动通信早期常采用专用移动通信网,如集群电话或卫星通信,廉价的方法则是采用公用移动通信网,例如现在中国已经广阔覆盖了GMS移动通信系统,使用其短信息业务尤其经济。指挥控制中心一般通过数据网络与移动通信接口,配置相应容量的计算机系统和数据库,并有按任务需求的地理信息系统和众多远端车辆位置同时在电子地图上显示的能力。
  总的说来,交通运输与卫星导航相结合,社会效益显著,经济效益巨大。卫星导航用于城市交通管理,可防止交通拥挤和堵塞现象,用于公路管理可提高运输能力30%。
  2.测绘、资源勘探等静态定位
  这是国内开展GPS定位应用较早的另一个领域,现已建成连续运行的GPS观测站30多个,其中7个纳入国际GPS服务站(IGS)网,全国GPS二级网站布测534点,平均边长约160千米,从根本上解决了中国测量使用参考框架的问题,其绝对定位精度好于0.1米,相对定位精度好于10-7,比传统测量方法提高效率3倍以上,费用降低50%,精度大幅提高。同时,在过去人迹罕至的高原、沙漠、海洋获得了大量的定位成果,为国家制图、城乡建设开发、资源勘察等做出了贡献。与此相关的还有中国地壳运动观测网,网中包括25个基准站、56个基本站和1000个分布在主要地震带上的区域站,其数据处理结果为全国大地震活动趋势分析提供了新的依据。此外,还广泛、有效地应用于城市规划测量、厂矿工程测量、交通规划与施工测量、石油地质勘探测量以及地质灾害监测等领域,产生了良好的社会和经济效益。
  3.高精度授时
  这是卫星导航应用领域的另一个重要项目。中国长波台的授时精度为微秒级,GPS在取消SA以后有可能获得4纳秒精度,且装备简易,在国内已经普遍应用,如用于各级计量部门、通信网站和电力输送网等。当用卫星导航系统授时接收机做成电子手表成为商品时,更是未来非常巨大的应用市场。
  4.科学研究
  例如,利用GPS研究电离层延迟及电子浓度变化规律,建立中国区域的电离层网格模型,完成了全国分布式广域差分科学试验,为广域差分GPS技术应用推广做了有益有效的前期工作。地面GPS观测在气象学上的国内应用也逐步受到重视,它可提供几乎连续的、高精度的可降水汽量数据,有可能用于恶劣天气预报。
  5.卫星导航与信息化
  一些大中城市已在规划中将GPS信息综合应用服务体系纳入其城市信息化建设计划之中。数字地球、数字中国也离不开卫星导航,卫星导航与个人移动通信手机相结合可能是一个市场规模更大的领域。用手机报警、请求安全援助或医疗急救,对方非常需要手机的精确位置。当今在这方面技术上是成熟的,但只有GPS组件的成本不致显著增加手机价格时,经济效益才能成为现实。
  6.产业化问题
  GPS卫星导航的广泛深入应用为中国培育了卫星导航用户机的产品市场。但是,产业化需要有较大规模的商业经营运作和价廉物美的规模化产品。目前,这方面差距很大。我们所用的设备,尤其是基础性产品,几乎全部是进口的。因此,必须大力解决专用核心芯片和OEM板的生产问题,从而促进导航用户机的产业化发展。
四、中国自主研制的第一代
卫星导航定位系统
  2000年10月31日和12月21日中国相继成功发射第一颗和第二颗导航定位试验卫星。报道称中国将自行建立第一代卫星导航定位系统——北斗导航系统。
  1.北斗导航系统
  北斗导航系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。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登记的频段为卫星无线电定位业务频段,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东经80度、140度和110.5度(最后一个为备份星星位)。
  美国的静止卫星公司和欧洲的本地卫星公司曾从事RDSS系统的研制工作,但都失败和破产了。中国首先实现了RDSS系统这项卫星导航定位创新工程。工程投资是很少的,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。
  北斗系统由2颗经度上相距60度的地球静止卫星(GEO)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。它的定位原理是:以2颗卫星的已知坐标为圆心,各以测定的本星至用户机距离为半径,形成2个球面,用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置(参见图4)。
  2.北斗导航系统即将顺利投入运行
  它的研制成功解决了中国自主卫星导航定位系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初级起步系统。此外,该系统的建设并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反,在该系统的基础上,还将建立中国的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,可以更好地促进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该导航定位系统在国内及周边服务区的定位精度是很好的,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,例如交通运输、调度指挥、有关地理信息系统的实时查询等。其正式运行将进一步促进中国导航应用市场的快速发展,刺激大批量用户机的迫切需求。
  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,在体制上不能与国际上的GPS、GLONASS及将来的伽利略兼容。因此,中国还需要在第一代导航卫星系统成就的基础上发展第二代导航卫星系统,以满足今后国家对卫星导航应用和长远经济发展的需求。


五、发展中国第二代导航卫星系统的个人设想

  笔者对发展中国第二代导航卫星系统有如下设想。    
  1.第二代导航卫星系统的体制
  第二代导航卫星系统与第一代导航卫星系统在体制上的差别主要是:第二代用户机可免发上行信号,不再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息,而是直接接收卫星单程测距信号自己定位,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(见图5),从而使得星座所需卫星数量大大增多,系统投资将显著增加。建立高精度卫星轨道基准和卫星时间基准是新卫星导航系统技术的核心,需要开展深入的研究工作。为了获取对中国未来的导航频率的国际保护,需要加快向国际电联申请和协调。
  中国第二代导航卫星系统复杂,全系统的设计研制和运行管理尚缺少经验,但中国对卫星的测控技术已有一定基础。北斗导航系统和广域差分系统的研发直接为中国第二代导航系统的研制和运行锻炼了技术队伍和积累了经验,各地面台、站设施等可在第一代导航卫星系统已有设备基础上进行扩建,卫星平台、运载火箭、双向数据移动通信等均可以继承或采用成熟技术。国内GPS的广泛应用为中国未来的卫星导航提供了应用基础和广阔的市场。发展新一代导航卫星系统不仅是必要的,而且在技术、经济上也是可行的。
  2.第二代导航卫星系统发展途径
  (1)充分保证民用导航精度
  提供双频信号以消除电离层引起的误差,不实施SA干扰降低导航精度,C/A码公众自由使用并与国际格式兼容,不收费用;对授权用户提供双频和广域差分信息,以进一步提高导航精度和提供准实时完好性信息。GPS广泛开发民间应用,形成重要产业,其军民用之比已达1∶20。由于民用接收机的普及、批量生产和商业竞争,民用产品的数字化、小型化和性能大大提高,价格显著下降,反过来又促进了GPS的军事应用,更大程度地满足了需求。相反,俄罗斯没有开发民用市场,军用接收机只生产了2000部,价格昂贵,性能不高。因此,中国在建立第二代导航系统的同时,应发挥中国导航C/A码精度高、含有亚洲区域加强系统的优势,首先开发国内民用市场,开发出批量生产的廉价国产导航接收机,普及国内民间应用,逐步取代进口产品,形成产业,进而开发中外导航信号双模式兼容、并可接受区域加强的高精度高可用性接收机,进一步拓宽需高安全性的中外用户在亚洲的应用市场,逐步建立中国导航系统今后持续发展的物质基础,为将来发展全球性的国际市场做好准备。建议中国指定相应领导部门加强民用卫星导航的开发和应用工作的管理。
  (2)以建立全球导航系统为长远目标,分步实施
  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。当前为了首先确保在国内及附近海域的需求(少数国际民航飞机和航海船只除外),并力求减少初期一次性投资额度,在近期内仍以建成北半球约120度经度范围内的区域系统为宜。但从长远发展打算,中国经济和科学技术的发展离不开卫星导航,低轨飞行器的定轨也要求有全球导航系统支撑,要认真考虑中国区域系统今后顺利发展成为全球系统的可能性。这也有利于和俄罗斯、欧洲一起打破美国GPS独霸世界的局面,有利于民用方面今后开发导航产业的国际市场,满足国际航空、航海和航天器全球导航的需要。因此,从前瞻性考虑,建议以建立全球导航系统为长远目标,按技术经济条件采取先区域后全球的两步实施方针。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,今后可根据中国国力和实际需要,随着后续卫星的发射,以最小的代价平稳地发展成全球系统。这一技术途径的可行性在于寻找到合适的卫星星座,下面为可考虑的几种区域星座轨道类型。
  1地球静止轨道(GEO):卫星星座可一天24小时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。这就是北斗导航系统采用的星座,而且地球静止卫星也广泛应用于全球导航系统的区域增强系统。由于地球静止轨道卫星都处于赤道面内,受导航定位所需几何构形的限制,每个用户只能最多利用2颗相间隔30度以上经度的卫星。全区域究竟布设几颗地球静止轨道卫星则取决于导航服务区域大小,但单用地球静止轨道卫星是不够的,还必须有相对于地球移动的高纬度卫星参与导航星座。
  2大椭圆轨道卫星星座:最典型的是俄罗斯用于高纬度地区广播卫星的“闪电”12小时卫星轨道。这是一种大偏心率(通常取0.7左右)轨道,轨道倾角63.43度,其远地点在北半球本国高纬度上空,星下点轨迹移动缓慢,5日内可保持近10小时有效运行。一个轨道面内均匀分布3颗星,即可保持一个高纬度星位的连续存在。其近地点在南半球,停留时间很短,卫星高度很低,用户可见区域范围小,对用户的导航贡献小。另有一个远地点在地球背面,经度上远离服务区,本区域系统不能加以利用。另外,这种轨道的卫星高度变化剧烈,对信道设计很不利。因此,对大椭圆轨道不予考虑。
  3倾斜地球同步轨道(IGSO):卫星星座的轨道倾角为55~63.43度的24小时地球同步轨道,即所谓的大“8”字形轨道,中心位于赤道某设定的经度上,高度与地球静止轨道卫星相同,卫星星下点24小时轨迹在本服务区内南北来回运动,也是一种利用效率较高的区域星座,但只限于在本经度区域内使用。在立足于国内台站测控的条件下,中国采用9颗倾斜地球同步轨道卫星与4颗地球静止轨道卫星相结合可以建立区域导航系统,但接近服务区边缘处因卫星定轨精度下降导致导航精度明显恶化。欧洲曾对这种轨道星座方案作了多年研究,并企图在全球寻找几个区域系统联网成全球系统的合作伙伴未果,最终放弃了这种方案。如果中国采用这种轨道星座,将来发展成为全球系统是不可能的。
  4中高度圆轨道(MEO)卫星星座:这是一种周期为12小时,倾角为55~63.43度的轨道,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度的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度的轨道面通过地心相互正交,卫星在全球分布最均匀,明显优于GPS的6个轨道面)。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近进,则必须增加地球静止轨道卫星(GEO)进行区域加强,或大量增加MEO卫星。由于每一MEO卫星星下点轨迹历经全球,其优点是可立足于本国国土内测控所有卫星。中国服务区地处北纬55度以南(实际上南半球地区同样可以服务),东西经度范围很大,占全球1/3,平均每颗星约有2/3的时间可为本区域系统内的用户服务。采用其12颗星的子星座与4颗地球静止轨道卫星相结合(12MEO+4GEO),可满足区域系统的导航要求。如果后续布满24颗卫星,则发展成为高精度区域加强的全球系统,可达到民航精密近进导航要求。下表为各类轨道星座HDOP与VDOP值的比较,其中HDOP为水平几何放大因子,VDOP为垂直几何放大因子,它们和测距精度相乘可分别获得水平与垂直定位精度。比较数据表明所建议的轨道和GLONASS型轨道都可满足要求。前者,全球星座的精度更好;后者,所有中高度圆轨道卫星都历经同一星下点轨迹,有利于消除地球重力异常对星座内各卫星影响的差异,同一地面站可以分时监控到所有轨道面的卫星。


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