超级军网关于我国导航卫星系统的初步设计－转－我们自己的思路
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/29 16:00:03
中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
1997年7月
关于我国导航卫星系统的初步设计
魏子卿
提 要：建立我国导航卫星系统意义重大，条件也日益成熟。我国导航卫星系统应是一个全天候、连续性、三维性、高精度、被动式和区域性的导航定位和定时系统，采用单向卫星测距工作体制，星座由地球静止卫星和倾斜全球同步轨道卫星组成，每个卫星用三个L频率发射导航信号。导航载荷包括伪随机测距码产生器，超稳定度频率标准和导航数据处理器等。系统具有向广大用户提供导航、精密定位和时间传递能力。本文尝试对我国导航卫星系统进行初步设计。首先提出我国未来导航卫星系统的技术要求和发展目标与工作体制；接着重点讨论星座选择，提出星座构筑方案；随后略述导航载荷、地面和用户部分；最后给出系统性能预测和可行性初步分析。
正文 要求与目标
在人类经济社会和军事活动中，导航占有很重要的地位。世界主要大国非常重视发展导航卫星系统。美国和俄罗斯近年相继建成它们的新一代导航卫星系统—全球定位系统（GPS）和全球导航卫星系统（GLONASS）。欧洲人与一些国际组织不愿冒依赖美俄军事导航系统的风险，正积极建立欧洲导航卫星系统（ENSS）与完全民用的全球导航卫星系统（GNSS）。我国是一个发展中的社会主义大国，社会发展与民族振兴，国家经济建设与国防建设，未来高科技局部战争与新世纪全球竞争的挑战，都迫切要求我国建立和完善自己的导航卫星系统。随着我国国力的增强和科学技术的发展，建立和完善我国导航卫星系统的条件也日臻成熟。在这世纪之交，研讨我国的卫星导航发展策略，无疑是适时的、必要的。
我国导航卫星系统的技术要求和发展目标应当是：* 三维定位和定时能力：系统应能提供用户的纬度、经度和高程，或三维直角坐标及速度。系统还应有定时能力。* 服务连续性：系统能够提供连续24小时服务，并具有高可用性。* 高精度：在自主方式（非差分方式）工作时，系统的三维定位精度应当优于10米（95％），定时精度优于20纳秒（95％）。用大地型接收机在差分方式工作时，系统支持厘米级的精度要求。* 区域性：系统至少覆盖我国及其周边地区，以满足不同用户组在我国领土、领空、领海以及远海进行各种作业及活动的需要。* 被动式：系统仅仅依靠接收卫星发射信号工作，用户数量不受限制。* 应用多样性：系统用户包括陆地、海洋和空中用户，提供导航、定位、定时服务，支持陆地交通管理、舰船航行和进港、飞机航路、非精密进近和精密进近（至I 类）以及大地测量精密定位等。* 可演进性以及可同其他系统的互操作性：系统可以是一个纯粹区域系统，也可以作为一个独立‘空间模块’逐步演变成全球GNSS之一部分。系统还应当与GPS/ GLONASS具有一定程度的互操作性或兼容性；* 军民共用性：系统设计照顾军民用户的需求。军事用户或民间用户的特别需求，采用特别设计（如对一部分信号加密）解决。系统军民共用。
概括来说，我国的导航卫星系统应是一个全天候、连续性、三维性、高精度、被动式和区域性的导航定位和定时系统，支持陆地、海洋和空中用户导航定位需要，同时与GPS/GLONASS/GNSS具有互操作能力。
建立导航卫星系统，技术复杂，涉及面广。下面作者仅就若干问题加以研讨，提出初步设计意见。工作体制
象GPS/GLONASS一样，系统采用伪随机码单向测距体制。用户同时观测至少至四个卫星的距离。距离测量这样完成，即将进入接收机的卫星信号与接收机产生的复制信号匹配（相关），测量相对本地钟的接收相位。测量距离包含钟偏差以及其他影响， 所以称为伪距。卫星除发射测距信号外，还广播它们的估计位置。用至少四个伪距测量，结合轨道位置、星钟改正和其他信息，可以解算四个未知数，它们通常是纬度、经度和高程和用户钟改正数。如果高度或时间已知，可以用少于四个卫星。
卫星的未来位置由利用地面监测站采集的距离测量估计。主控站用预测算法产生未来卫星位置的估值和未来卫星钟改正。然后将这些信息通过地面站注入到卫星存储器。 系统包括空间部分、地面监控部分和用户部分。系统星座
轨道选择
为满足区域覆盖的要求，最佳的轨道选择是地球同步轨道（GSO）。最佳星座应当由一组地球静止卫星（Geostationary satellite) 与一组倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit)卫星组成。 GEO的轨道面与地球赤道面重合，相对地面观测者，卫星好像在赤道上空静止不动，在24小时内都可以看见；IGSO的轨道面对地球赤道面倾斜一个角度，地面轨迹为限制在一定的经度带内的‘8’字（见后面图2），观测者一天可见时间长达15小时，如果轨道系有较大偏心率的椭圆，其远地点又在观测者所在半球，可见时间更长。但是，鉴于下述理由宜采用近园轨道而非大偏心率椭圆轨道：* 园轨道使用户接收机的多普勒和接收信号功率变化范围最小；* 园轨道简化卫星设计（卫星载荷，辐射效果）；* 园轨道有利于南北方向覆盖，便于在该方向扩展服务；* 园轨道使由卫星机动引起的不可用性减至最小。
用GEO增强GPS的观点已众所周知，而用IGSO导航的思想近年始见报道[1,2,3 ]。基于GSO的导航系统有其重要优点：（1）星座可以提供优良的几何性能。如文献[1]指出，由8个GEO和16个IGSO组成的24个GSO星座提供的全球几何性能优于24个卫星的GPS星座；（2）系统构成有很大的灵活性。几个GSO卫星可以构成一个‘空间模块’，一个模块即是一个区域系统；全球系统可以由模块拼接而成，而且在构成全球系统之前即可以先期得到区域能力。
欧洲正在建立的GNSS2包括24个IGSO，ENSS是它的一个子系统，包括12个IGSO[3]。
星座性能判据
星座结构指星座包括多少GEO和多少IGSO以及它们的轨道配置。确定星座的主要原则是使导航性能满足规定的要求。各类用户的导航性能要求差异很大。仅就导航精度而言，一般来说，海上用户主要关心平面位置，航空用户比较重视垂直位置，而多数陆地用户既要求平面位置，也重视垂直位置。星座设计应当尽可能满足更多用户界的要求，而不只局限某类特别用户的要求。然而实际表明，星座如果能提供航空用户I类精密进近要求的垂直精度，它也能提供较好的水平位置精度，从而可以满足大多数用户的要求。
导航精度取决于测距误差和星座几何。用UERE表示用户测距误差，PDOP表示星座几何，则用户三维位置误差可表示为：
PNSE(95%)=2UERE*PD式中PDOP称为三维位置精度扩散因子。类似地，还可写出水平位置误差、垂直位置误差和定时误差的表达式，它们分别涉及HDOP、VDOP和TDOP。这些DOP都属于称为精度几何扩散因子的GDOP的参数，它们实质上代表星座几何对导航误差的影响。各种DOP的数学定义参见附录。
DOP值的大小是研究星座结构的基础。最佳星座的DOP应当最小。当然，DOP值最小，导航误差未必最小，因为导航误差还与用户测距误差有关。但是，在讨论星座结构时，总是假设用户测距误差是一定的。那么这时导航误差便取决于DOP的大小。DOP值越小，星座几何越好。因此，DOP成为确定星座几何的基本参数。DOP值可以是瞬时值、24小时平均值或者在每一具体地点和任意一段时间操作（如I类精密进近）平均值等。在我们的研究中，我们不打算采取这些DOP值，而采用在我们预定服务区24小时的平均值。后面我们会给出我们模拟计算得到的各种DOP值，它们各有其应用场合，不过我们更为注意PDOP，VDOP和GDOP， 因为它们在实践中更为常用。星座选择
我们的星座包括GEO和IGSO。GEO当然位于唯一的赤道面，那么IGSO布置在多少倾斜轨道面上为好？从便于星座布置和替换的角度来说，采用一个轨道面有好处。多轨道面的好处是提供卫星飞过用户天顶的可能性，有利于改善星座相对用户的几何，特别是当服务区的经度跨度大时这种优点比较明显。我们的模拟结果表明，对于我国这样的经幅（在70°E和140°E之间），相对一个轨道面，用两个或三个轨道面，对服务区东西边沿地带的精度稍有改善，但是使服务区的整体精度却略有降低。因而采用多轨道面至少没有明显的优点。
图1所示的卫星对地球的几何有助于这一问题的直观理解。图中E代表最小高度角，α代表在卫星高度处地球的视界半角(view half-angle)，β叫做可见半角（visibility half-angle)。α和β为最小高度角E的函数。对于GSO，当E=5°时，α=8.62°,β=76.38°；当E=15°时，α=8.36°, β=66.64°。换句话说，当E=5°时，每个卫星覆盖星下点76.38°内的用户，当当E=15°时，覆盖星下点66.64°内的用户；我国区域系统服务范围大约为55×70 ，一个轨道面上的一组IGSO加2或3个GEO组成的星座，在其服务区内完全可能保证较好的卫星几何，更多的轨道面对改进卫星几何不会带来明显好处。因此如果仅考虑区域要求而不考虑向全球系统的演进，采用一个轨道面为好。如果考虑全球系统要求，最佳轨道几何可能要求IGSO至少两个甚至三个轨道面。
图1 卫星－地球几何
图2 IGSO卫星地面轨迹图
基于上述分析，我们假定星座这样选择：一个GEO在70°，一个在140°，若有第三个GEO，布置在105°E ；IGSO卫星在轨道上等间隔分布，轨道倾角为63.43°（临界角，在此角度，由地椭引起的近地点幅角的进动率等于0）,轨道在大约70°E 和140°E 的中间即105°E 处通过赤道，它们的地面轨迹如图2所示。星座结构如图3所示，其覆盖区大约70°N-70°S/50°E-160°E ，比我国及周边地区要大得多，当然这是高轨道的缘故。
图3 星座结构示意图
现在根据上述星座假设计算在预定服务区的DOP值。为此我们将区域70°N-70°S/50°E-160°E划分为3Χ3的网格，对每一格网点每10分钟计算一个DOP值，然后取其24小时的平均值。最后将服务区0-55°N/70°E-140°E 内所有有效网点的DOP值取平均，得24小时区域平均值。在计算中我们采用卫星截止高度角 ，以顾及卫星视线可能受到较高障碍物的遮挡。表1列出对不同的星座结构（即两个或三个GEO加上不同数目的IGSO）在区域0-55°N/70°E-140°E（包括我国及其周边地区）内24小时的各种DOP平均值。值得指出，表1不仅对
表1 在区域0-55°N/70°E-140°E 内24小时的平均DOP值位于北半球的服务区有效，对于南半球的对称地区同样有效，这是由于星座覆盖在南、北半球具有对称性。应当说明，在模拟计算中，相应于VDOP>99的各种DOP值未统计在24小时DOP均值内；在服务区取区域平均时，大于10的DOP值被认为不可用（outage），也未参与统计。表中DOP值下面的百分数表示在服务区内DOP<10的有效网点数与总网点数之比，不妨管它叫做平均区域可用性。小于100%指示部分网点的DOP值大于10。100%指示所有网点的DOP值均小于10，从表1看出，当IGSO数少于6时，在服务区内存在部分地点，其DOP值不可用。只有当IGSO数达到6之后，在服务区内全部DOP值都可用（表中百分数100%未注记）。从表1还看出，当IGSO数少于6时，位于105°E赤道上空的GEO对于改善星座性能具有明显的作用，当IGSO数多于6时，它对星座性能的改善作用逐渐不够明显。
显然由于各种因素，星座布置将来很可能是渐进式分步实施。我们建议，第一步布置3个GEO和3个IGSO作为最经济的初始星座；第二步布置2个GEO加上6个IGSO作为改进星座。这两种星座可满足陆地海洋部分应用需要，欲满足I类精密进近，还必须局部增强。第三步布置2个GEO加11个IGSO（见图3）或3个GEO加10个IGSO作为工作星座。第三步是我们星座建设的最终目标。这种星座基本覆盖和满足陆地海洋和空中的导航需要，特别是可能直接用于I类精密进近，因为当UERE小于1.2米（这一指标是可能达到的）时，这种星座能够提供小于6米的VNSE（95％）。
图4－图6分别给出这三种星座结构的PDOP分布。
图4 3GEO＋3IGSO星座的PDOP分布图
图5 2GEO＋6IGSO星座的PDOP分布图
图6 2GEO＋11IGSO星座的PDOP分布图导航载荷
下面参考[3]给出导航载荷基本设计。导航载荷产生并向用户发射导航信号。它包括：* 伪随机噪声产生器，产生测距码* 超稳定度频率标准* 频率综合器，形成导航信号频率* 上变频器、放大器和天线* 调制器* 导航数据处理器
导航载荷的方框图如图7所示。考虑到L波段频率的现有分配情况，建议选用L1=1634.89MHz，L1*＝1584.79MHz，L2＝1213.63MHz。选择3个频率的理由是为了电离层改正和便于模糊度分解，以便更好地提高导航定位精度。载荷的主要参数是：* 带宽：8～12Mchips/s* 测距码频：10.03MHz* 测距码重复周期：1ms* l数据速率：50bits/s* 载波调制： 相位调制。
天线的口径大约80cm，发射功率大约40W。用户的最小接收功率约-160dbW。
导航载荷的各个部件要有双备份甚至三备份。整个卫星的功耗在250W到300W之间。
图7 导航载荷主要方框图地面和用户部分
系统的控制假定完全在地面实现。地面部分包括主控站和监测站网，监测站测量至卫星的距离和相位，供计算卫星轨道用。监测站的地理分布的经纬差尽可能大。主控站利用监测站发来的数据计算卫星轨道并预测未来卫星位置和卫星钟改正。预测的卫星位置和钟差参数通过专用天线按一定间隔或根据用户距离误差的实际增长情况适时注入至卫星。
上述方案未考虑星间通信和星间测量（距离、时间传递等）与星上自主产生星历改正的情况，将来实际设计时，应当考虑包括这种选择的可能性，因为它不但减轻了地面部分的负担，而且也有助提高系统的精度。
用户接收机依应用需要有不同类型。主要类型有导航型和测地型，前者可以仅用伪距测量，供导航用，后者包括伪距和载波相位测量，供精密定位用。其他还可以有定时和电离层测量用接收机。系统预期性能卫星星座是：* 2或3个GEO，多至11个IGSO* IGSO在一个轨道面等间隔分布* 63.43°倾角* 24小时轨道覆盖区：70°N-70°S/50°E-160°E 服务区：0-55°N/70°E-140°E 用户测距误差预算如下：
误差源
空间部分和控制部分 1.0 m
用户* 电离层延迟 0.1* 对流层延迟 0.5* 接收机噪声 0.1* 多路径 0.3* 其他
总UERE(1σ) 1.17
假定UERE＝1.2m。那么，根据表1的DOP值，对于建议的分步部署的星座计划，我们得到系统的平均导航误差（2σx DOP），载于表2：
表2 平均导航误差预算水平(m)垂直(m)三维(m)定时(ns)3GEO+3IGSO7.6*9.4*11.1*28*2GEO+6IGSO5.38.9 10.3262GEO+11IGSO3.95.96.816
* 存在中断(outage)地区可行性初步分析
基于GSO的导航系统相对而言是经济的，非GSO轨道（如ICO，GPS和GLONASS）要得到与GSO轨道同样的星座几何性能大概需要一倍以上的卫星数目[1]。即使考虑到GSO的发射质量大于ICO的发射质量，GSO星座的总费用比ICO还是要低。
GSO的导航载荷重量预计不超过150kg，卫星净质量大约500kg。发射质量不超过1500kg。采用长征三号运载火箭发射是可行的。为了保证星座的最大可用性，尽可能降低轨道机动的频度是重要的。轨道机动频度的主要决定因素是避免与赤道上的卫星碰撞。如果轨道有点偏心率，碰撞问题就可以避免。其次的因素是由于作用于IGSO的摄动引起的DOP值的降低。最佳设计卫星轨道参数，可以使摄动影响减至最小。GEO和IGSO的动力学模型需要研究。GPS卫星轨道的研究为GSO轨道的研究提供一些参考，得到米级精度的轨道是有希望的。 导航载荷的基本方案是可行的。GPS/GLONASS已提供了成功的经验。比较不确定的因素可能是频率选择，考虑到L 波段的频率分配是一个复杂问题，频率的再研究和协调是很有必要的。
建成一个2GEO＋11IGSO星座的导航系统耗资大约20～30亿人民币。这笔投资是值得的，它的经济、军事和社会效益是难以估量的。单在经济效益方面，将来它完全可能形成一个支柱产业，GPS产业就是一个好例子。致谢 在本文撰写过程，作者与张瑞华高级工程师进行过有益讨论，宋小勇同志曾帮助精心绘制插图，在此对他们一并表示感谢。中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
1997年7月
关于我国导航卫星系统的初步设计
魏子卿
提 要：建立我国导航卫星系统意义重大，条件也日益成熟。我国导航卫星系统应是一个全天候、连续性、三维性、高精度、被动式和区域性的导航定位和定时系统，采用单向卫星测距工作体制，星座由地球静止卫星和倾斜全球同步轨道卫星组成，每个卫星用三个L频率发射导航信号。导航载荷包括伪随机测距码产生器，超稳定度频率标准和导航数据处理器等。系统具有向广大用户提供导航、精密定位和时间传递能力。本文尝试对我国导航卫星系统进行初步设计。首先提出我国未来导航卫星系统的技术要求和发展目标与工作体制；接着重点讨论星座选择，提出星座构筑方案；随后略述导航载荷、地面和用户部分；最后给出系统性能预测和可行性初步分析。
正文 要求与目标
在人类经济社会和军事活动中，导航占有很重要的地位。世界主要大国非常重视发展导航卫星系统。美国和俄罗斯近年相继建成它们的新一代导航卫星系统—全球定位系统（GPS）和全球导航卫星系统（GLONASS）。欧洲人与一些国际组织不愿冒依赖美俄军事导航系统的风险，正积极建立欧洲导航卫星系统（ENSS）与完全民用的全球导航卫星系统（GNSS）。我国是一个发展中的社会主义大国，社会发展与民族振兴，国家经济建设与国防建设，未来高科技局部战争与新世纪全球竞争的挑战，都迫切要求我国建立和完善自己的导航卫星系统。随着我国国力的增强和科学技术的发展，建立和完善我国导航卫星系统的条件也日臻成熟。在这世纪之交，研讨我国的卫星导航发展策略，无疑是适时的、必要的。
我国导航卫星系统的技术要求和发展目标应当是：* 三维定位和定时能力：系统应能提供用户的纬度、经度和高程，或三维直角坐标及速度。系统还应有定时能力。* 服务连续性：系统能够提供连续24小时服务，并具有高可用性。* 高精度：在自主方式（非差分方式）工作时，系统的三维定位精度应当优于10米（95％），定时精度优于20纳秒（95％）。用大地型接收机在差分方式工作时，系统支持厘米级的精度要求。* 区域性：系统至少覆盖我国及其周边地区，以满足不同用户组在我国领土、领空、领海以及远海进行各种作业及活动的需要。* 被动式：系统仅仅依靠接收卫星发射信号工作，用户数量不受限制。* 应用多样性：系统用户包括陆地、海洋和空中用户，提供导航、定位、定时服务，支持陆地交通管理、舰船航行和进港、飞机航路、非精密进近和精密进近（至I 类）以及大地测量精密定位等。* 可演进性以及可同其他系统的互操作性：系统可以是一个纯粹区域系统，也可以作为一个独立‘空间模块’逐步演变成全球GNSS之一部分。系统还应当与GPS/ GLONASS具有一定程度的互操作性或兼容性；* 军民共用性：系统设计照顾军民用户的需求。军事用户或民间用户的特别需求，采用特别设计（如对一部分信号加密）解决。系统军民共用。
概括来说，我国的导航卫星系统应是一个全天候、连续性、三维性、高精度、被动式和区域性的导航定位和定时系统，支持陆地、海洋和空中用户导航定位需要，同时与GPS/GLONASS/GNSS具有互操作能力。
建立导航卫星系统，技术复杂，涉及面广。下面作者仅就若干问题加以研讨，提出初步设计意见。工作体制
象GPS/GLONASS一样，系统采用伪随机码单向测距体制。用户同时观测至少至四个卫星的距离。距离测量这样完成，即将进入接收机的卫星信号与接收机产生的复制信号匹配（相关），测量相对本地钟的接收相位。测量距离包含钟偏差以及其他影响， 所以称为伪距。卫星除发射测距信号外，还广播它们的估计位置。用至少四个伪距测量，结合轨道位置、星钟改正和其他信息，可以解算四个未知数，它们通常是纬度、经度和高程和用户钟改正数。如果高度或时间已知，可以用少于四个卫星。
卫星的未来位置由利用地面监测站采集的距离测量估计。主控站用预测算法产生未来卫星位置的估值和未来卫星钟改正。然后将这些信息通过地面站注入到卫星存储器。 系统包括空间部分、地面监控部分和用户部分。系统星座
轨道选择
为满足区域覆盖的要求，最佳的轨道选择是地球同步轨道（GSO）。最佳星座应当由一组地球静止卫星（Geostationary satellite) 与一组倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit)卫星组成。 GEO的轨道面与地球赤道面重合，相对地面观测者，卫星好像在赤道上空静止不动，在24小时内都可以看见；IGSO的轨道面对地球赤道面倾斜一个角度，地面轨迹为限制在一定的经度带内的‘8’字（见后面图2），观测者一天可见时间长达15小时，如果轨道系有较大偏心率的椭圆，其远地点又在观测者所在半球，可见时间更长。但是，鉴于下述理由宜采用近园轨道而非大偏心率椭圆轨道：* 园轨道使用户接收机的多普勒和接收信号功率变化范围最小；* 园轨道简化卫星设计（卫星载荷，辐射效果）；* 园轨道有利于南北方向覆盖，便于在该方向扩展服务；* 园轨道使由卫星机动引起的不可用性减至最小。
用GEO增强GPS的观点已众所周知，而用IGSO导航的思想近年始见报道[1,2,3 ]。基于GSO的导航系统有其重要优点：（1）星座可以提供优良的几何性能。如文献[1]指出，由8个GEO和16个IGSO组成的24个GSO星座提供的全球几何性能优于24个卫星的GPS星座；（2）系统构成有很大的灵活性。几个GSO卫星可以构成一个‘空间模块’，一个模块即是一个区域系统；全球系统可以由模块拼接而成，而且在构成全球系统之前即可以先期得到区域能力。
欧洲正在建立的GNSS2包括24个IGSO，ENSS是它的一个子系统，包括12个IGSO[3]。
星座性能判据
星座结构指星座包括多少GEO和多少IGSO以及它们的轨道配置。确定星座的主要原则是使导航性能满足规定的要求。各类用户的导航性能要求差异很大。仅就导航精度而言，一般来说，海上用户主要关心平面位置，航空用户比较重视垂直位置，而多数陆地用户既要求平面位置，也重视垂直位置。星座设计应当尽可能满足更多用户界的要求，而不只局限某类特别用户的要求。然而实际表明，星座如果能提供航空用户I类精密进近要求的垂直精度，它也能提供较好的水平位置精度，从而可以满足大多数用户的要求。
导航精度取决于测距误差和星座几何。用UERE表示用户测距误差，PDOP表示星座几何，则用户三维位置误差可表示为：
PNSE(95%)=2UERE*PD式中PDOP称为三维位置精度扩散因子。类似地，还可写出水平位置误差、垂直位置误差和定时误差的表达式，它们分别涉及HDOP、VDOP和TDOP。这些DOP都属于称为精度几何扩散因子的GDOP的参数，它们实质上代表星座几何对导航误差的影响。各种DOP的数学定义参见附录。
DOP值的大小是研究星座结构的基础。最佳星座的DOP应当最小。当然，DOP值最小，导航误差未必最小，因为导航误差还与用户测距误差有关。但是，在讨论星座结构时，总是假设用户测距误差是一定的。那么这时导航误差便取决于DOP的大小。DOP值越小，星座几何越好。因此，DOP成为确定星座几何的基本参数。DOP值可以是瞬时值、24小时平均值或者在每一具体地点和任意一段时间操作（如I类精密进近）平均值等。在我们的研究中，我们不打算采取这些DOP值，而采用在我们预定服务区24小时的平均值。后面我们会给出我们模拟计算得到的各种DOP值，它们各有其应用场合，不过我们更为注意PDOP，VDOP和GDOP， 因为它们在实践中更为常用。星座选择
我们的星座包括GEO和IGSO。GEO当然位于唯一的赤道面，那么IGSO布置在多少倾斜轨道面上为好？从便于星座布置和替换的角度来说，采用一个轨道面有好处。多轨道面的好处是提供卫星飞过用户天顶的可能性，有利于改善星座相对用户的几何，特别是当服务区的经度跨度大时这种优点比较明显。我们的模拟结果表明，对于我国这样的经幅（在70°E和140°E之间），相对一个轨道面，用两个或三个轨道面，对服务区东西边沿地带的精度稍有改善，但是使服务区的整体精度却略有降低。因而采用多轨道面至少没有明显的优点。
图1所示的卫星对地球的几何有助于这一问题的直观理解。图中E代表最小高度角，α代表在卫星高度处地球的视界半角(view half-angle)，β叫做可见半角（visibility half-angle)。α和β为最小高度角E的函数。对于GSO，当E=5°时，α=8.62°,β=76.38°；当E=15°时，α=8.36°, β=66.64°。换句话说，当E=5°时，每个卫星覆盖星下点76.38°内的用户，当当E=15°时，覆盖星下点66.64°内的用户；我国区域系统服务范围大约为55×70 ，一个轨道面上的一组IGSO加2或3个GEO组成的星座，在其服务区内完全可能保证较好的卫星几何，更多的轨道面对改进卫星几何不会带来明显好处。因此如果仅考虑区域要求而不考虑向全球系统的演进，采用一个轨道面为好。如果考虑全球系统要求，最佳轨道几何可能要求IGSO至少两个甚至三个轨道面。
图1 卫星－地球几何
图2 IGSO卫星地面轨迹图
基于上述分析，我们假定星座这样选择：一个GEO在70°，一个在140°，若有第三个GEO，布置在105°E ；IGSO卫星在轨道上等间隔分布，轨道倾角为63.43°（临界角，在此角度，由地椭引起的近地点幅角的进动率等于0）,轨道在大约70°E 和140°E 的中间即105°E 处通过赤道，它们的地面轨迹如图2所示。星座结构如图3所示，其覆盖区大约70°N-70°S/50°E-160°E ，比我国及周边地区要大得多，当然这是高轨道的缘故。
图3 星座结构示意图
现在根据上述星座假设计算在预定服务区的DOP值。为此我们将区域70°N-70°S/50°E-160°E划分为3Χ3的网格，对每一格网点每10分钟计算一个DOP值，然后取其24小时的平均值。最后将服务区0-55°N/70°E-140°E 内所有有效网点的DOP值取平均，得24小时区域平均值。在计算中我们采用卫星截止高度角 ，以顾及卫星视线可能受到较高障碍物的遮挡。表1列出对不同的星座结构（即两个或三个GEO加上不同数目的IGSO）在区域0-55°N/70°E-140°E（包括我国及其周边地区）内24小时的各种DOP平均值。值得指出，表1不仅对
表1 在区域0-55°N/70°E-140°E 内24小时的平均DOP值位于北半球的服务区有效，对于南半球的对称地区同样有效，这是由于星座覆盖在南、北半球具有对称性。应当说明，在模拟计算中，相应于VDOP>99的各种DOP值未统计在24小时DOP均值内；在服务区取区域平均时，大于10的DOP值被认为不可用（outage），也未参与统计。表中DOP值下面的百分数表示在服务区内DOP<10的有效网点数与总网点数之比，不妨管它叫做平均区域可用性。小于100%指示部分网点的DOP值大于10。100%指示所有网点的DOP值均小于10，从表1看出，当IGSO数少于6时，在服务区内存在部分地点，其DOP值不可用。只有当IGSO数达到6之后，在服务区内全部DOP值都可用（表中百分数100%未注记）。从表1还看出，当IGSO数少于6时，位于105°E赤道上空的GEO对于改善星座性能具有明显的作用，当IGSO数多于6时，它对星座性能的改善作用逐渐不够明显。
显然由于各种因素，星座布置将来很可能是渐进式分步实施。我们建议，第一步布置3个GEO和3个IGSO作为最经济的初始星座；第二步布置2个GEO加上6个IGSO作为改进星座。这两种星座可满足陆地海洋部分应用需要，欲满足I类精密进近，还必须局部增强。第三步布置2个GEO加11个IGSO（见图3）或3个GEO加10个IGSO作为工作星座。第三步是我们星座建设的最终目标。这种星座基本覆盖和满足陆地海洋和空中的导航需要，特别是可能直接用于I类精密进近，因为当UERE小于1.2米（这一指标是可能达到的）时，这种星座能够提供小于6米的VNSE（95％）。
图4－图6分别给出这三种星座结构的PDOP分布。
图4 3GEO＋3IGSO星座的PDOP分布图
图5 2GEO＋6IGSO星座的PDOP分布图
图6 2GEO＋11IGSO星座的PDOP分布图导航载荷
下面参考[3]给出导航载荷基本设计。导航载荷产生并向用户发射导航信号。它包括：* 伪随机噪声产生器，产生测距码* 超稳定度频率标准* 频率综合器，形成导航信号频率* 上变频器、放大器和天线* 调制器* 导航数据处理器
导航载荷的方框图如图7所示。考虑到L波段频率的现有分配情况，建议选用L1=1634.89MHz，L1*＝1584.79MHz，L2＝1213.63MHz。选择3个频率的理由是为了电离层改正和便于模糊度分解，以便更好地提高导航定位精度。载荷的主要参数是：* 带宽：8～12Mchips/s* 测距码频：10.03MHz* 测距码重复周期：1ms* l数据速率：50bits/s* 载波调制： 相位调制。
天线的口径大约80cm，发射功率大约40W。用户的最小接收功率约-160dbW。
导航载荷的各个部件要有双备份甚至三备份。整个卫星的功耗在250W到300W之间。
图7 导航载荷主要方框图地面和用户部分
系统的控制假定完全在地面实现。地面部分包括主控站和监测站网，监测站测量至卫星的距离和相位，供计算卫星轨道用。监测站的地理分布的经纬差尽可能大。主控站利用监测站发来的数据计算卫星轨道并预测未来卫星位置和卫星钟改正。预测的卫星位置和钟差参数通过专用天线按一定间隔或根据用户距离误差的实际增长情况适时注入至卫星。
上述方案未考虑星间通信和星间测量（距离、时间传递等）与星上自主产生星历改正的情况，将来实际设计时，应当考虑包括这种选择的可能性，因为它不但减轻了地面部分的负担，而且也有助提高系统的精度。
用户接收机依应用需要有不同类型。主要类型有导航型和测地型，前者可以仅用伪距测量，供导航用，后者包括伪距和载波相位测量，供精密定位用。其他还可以有定时和电离层测量用接收机。系统预期性能卫星星座是：* 2或3个GEO，多至11个IGSO* IGSO在一个轨道面等间隔分布* 63.43°倾角* 24小时轨道覆盖区：70°N-70°S/50°E-160°E 服务区：0-55°N/70°E-140°E 用户测距误差预算如下：
误差源
空间部分和控制部分 1.0 m
用户* 电离层延迟 0.1* 对流层延迟 0.5* 接收机噪声 0.1* 多路径 0.3* 其他
总UERE(1σ) 1.17
假定UERE＝1.2m。那么，根据表1的DOP值，对于建议的分步部署的星座计划，我们得到系统的平均导航误差（2σx DOP），载于表2：
表2 平均导航误差预算水平(m)垂直(m)三维(m)定时(ns)3GEO+3IGSO7.6*9.4*11.1*28*2GEO+6IGSO5.38.9 10.3262GEO+11IGSO3.95.96.816
* 存在中断(outage)地区可行性初步分析
基于GSO的导航系统相对而言是经济的，非GSO轨道（如ICO，GPS和GLONASS）要得到与GSO轨道同样的星座几何性能大概需要一倍以上的卫星数目[1]。即使考虑到GSO的发射质量大于ICO的发射质量，GSO星座的总费用比ICO还是要低。
GSO的导航载荷重量预计不超过150kg，卫星净质量大约500kg。发射质量不超过1500kg。采用长征三号运载火箭发射是可行的。为了保证星座的最大可用性，尽可能降低轨道机动的频度是重要的。轨道机动频度的主要决定因素是避免与赤道上的卫星碰撞。如果轨道有点偏心率，碰撞问题就可以避免。其次的因素是由于作用于IGSO的摄动引起的DOP值的降低。最佳设计卫星轨道参数，可以使摄动影响减至最小。GEO和IGSO的动力学模型需要研究。GPS卫星轨道的研究为GSO轨道的研究提供一些参考，得到米级精度的轨道是有希望的。 导航载荷的基本方案是可行的。GPS/GLONASS已提供了成功的经验。比较不确定的因素可能是频率选择，考虑到L 波段的频率分配是一个复杂问题，频率的再研究和协调是很有必要的。
建成一个2GEO＋11IGSO星座的导航系统耗资大约20～30亿人民币。这笔投资是值得的，它的经济、军事和社会效益是难以估量的。单在经济效益方面，将来它完全可能形成一个支柱产业，GPS产业就是一个好例子。致谢 在本文撰写过程，作者与张瑞华高级工程师进行过有益讨论，宋小勇同志曾帮助精心绘制插图，在此对他们一并表示感谢。
1997年7月
关于我国导航卫星系统的初步设计
魏子卿
提 要：建立我国导航卫星系统意义重大，条件也日益成熟。我国导航卫星系统应是一个全天候、连续性、三维性、高精度、被动式和区域性的导航定位和定时系统，采用单向卫星测距工作体制，星座由地球静止卫星和倾斜全球同步轨道卫星组成，每个卫星用三个L频率发射导航信号。导航载荷包括伪随机测距码产生器，超稳定度频率标准和导航数据处理器等。系统具有向广大用户提供导航、精密定位和时间传递能力。本文尝试对我国导航卫星系统进行初步设计。首先提出我国未来导航卫星系统的技术要求和发展目标与工作体制；接着重点讨论星座选择，提出星座构筑方案；随后略述导航载荷、地面和用户部分；最后给出系统性能预测和可行性初步分析。
正文 要求与目标
在人类经济社会和军事活动中，导航占有很重要的地位。世界主要大国非常重视发展导航卫星系统。美国和俄罗斯近年相继建成它们的新一代导航卫星系统—全球定位系统（GPS）和全球导航卫星系统（GLONASS）。欧洲人与一些国际组织不愿冒依赖美俄军事导航系统的风险，正积极建立欧洲导航卫星系统（ENSS）与完全民用的全球导航卫星系统（GNSS）。我国是一个发展中的社会主义大国，社会发展与民族振兴，国家经济建设与国防建设，未来高科技局部战争与新世纪全球竞争的挑战，都迫切要求我国建立和完善自己的导航卫星系统。随着我国国力的增强和科学技术的发展，建立和完善我国导航卫星系统的条件也日臻成熟。在这世纪之交，研讨我国的卫星导航发展策略，无疑是适时的、必要的。
我国导航卫星系统的技术要求和发展目标应当是：* 三维定位和定时能力：系统应能提供用户的纬度、经度和高程，或三维直角坐标及速度。系统还应有定时能力。* 服务连续性：系统能够提供连续24小时服务，并具有高可用性。* 高精度：在自主方式（非差分方式）工作时，系统的三维定位精度应当优于10米（95％），定时精度优于20纳秒（95％）。用大地型接收机在差分方式工作时，系统支持厘米级的精度要求。* 区域性：系统至少覆盖我国及其周边地区，以满足不同用户组在我国领土、领空、领海以及远海进行各种作业及活动的需要。* 被动式：系统仅仅依靠接收卫星发射信号工作，用户数量不受限制。* 应用多样性：系统用户包括陆地、海洋和空中用户，提供导航、定位、定时服务，支持陆地交通管理、舰船航行和进港、飞机航路、非精密进近和精密进近（至I 类）以及大地测量精密定位等。* 可演进性以及可同其他系统的互操作性：系统可以是一个纯粹区域系统，也可以作为一个独立‘空间模块’逐步演变成全球GNSS之一部分。系统还应当与GPS/ GLONASS具有一定程度的互操作性或兼容性；* 军民共用性：系统设计照顾军民用户的需求。军事用户或民间用户的特别需求，采用特别设计（如对一部分信号加密）解决。系统军民共用。
概括来说，我国的导航卫星系统应是一个全天候、连续性、三维性、高精度、被动式和区域性的导航定位和定时系统，支持陆地、海洋和空中用户导航定位需要，同时与GPS/GLONASS/GNSS具有互操作能力。
建立导航卫星系统，技术复杂，涉及面广。下面作者仅就若干问题加以研讨，提出初步设计意见。工作体制
象GPS/GLONASS一样，系统采用伪随机码单向测距体制。用户同时观测至少至四个卫星的距离。距离测量这样完成，即将进入接收机的卫星信号与接收机产生的复制信号匹配（相关），测量相对本地钟的接收相位。测量距离包含钟偏差以及其他影响， 所以称为伪距。卫星除发射测距信号外，还广播它们的估计位置。用至少四个伪距测量，结合轨道位置、星钟改正和其他信息，可以解算四个未知数，它们通常是纬度、经度和高程和用户钟改正数。如果高度或时间已知，可以用少于四个卫星。
卫星的未来位置由利用地面监测站采集的距离测量估计。主控站用预测算法产生未来卫星位置的估值和未来卫星钟改正。然后将这些信息通过地面站注入到卫星存储器。 系统包括空间部分、地面监控部分和用户部分。系统星座
轨道选择
为满足区域覆盖的要求，最佳的轨道选择是地球同步轨道（GSO）。最佳星座应当由一组地球静止卫星（Geostationary satellite) 与一组倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit)卫星组成。 GEO的轨道面与地球赤道面重合，相对地面观测者，卫星好像在赤道上空静止不动，在24小时内都可以看见；IGSO的轨道面对地球赤道面倾斜一个角度，地面轨迹为限制在一定的经度带内的‘8’字（见后面图2），观测者一天可见时间长达15小时，如果轨道系有较大偏心率的椭圆，其远地点又在观测者所在半球，可见时间更长。但是，鉴于下述理由宜采用近园轨道而非大偏心率椭圆轨道：* 园轨道使用户接收机的多普勒和接收信号功率变化范围最小；* 园轨道简化卫星设计（卫星载荷，辐射效果）；* 园轨道有利于南北方向覆盖，便于在该方向扩展服务；* 园轨道使由卫星机动引起的不可用性减至最小。
用GEO增强GPS的观点已众所周知，而用IGSO导航的思想近年始见报道[1,2,3 ]。基于GSO的导航系统有其重要优点：（1）星座可以提供优良的几何性能。如文献[1]指出，由8个GEO和16个IGSO组成的24个GSO星座提供的全球几何性能优于24个卫星的GPS星座；（2）系统构成有很大的灵活性。几个GSO卫星可以构成一个‘空间模块’，一个模块即是一个区域系统；全球系统可以由模块拼接而成，而且在构成全球系统之前即可以先期得到区域能力。
欧洲正在建立的GNSS2包括24个IGSO，ENSS是它的一个子系统，包括12个IGSO[3]。
星座性能判据
星座结构指星座包括多少GEO和多少IGSO以及它们的轨道配置。确定星座的主要原则是使导航性能满足规定的要求。各类用户的导航性能要求差异很大。仅就导航精度而言，一般来说，海上用户主要关心平面位置，航空用户比较重视垂直位置，而多数陆地用户既要求平面位置，也重视垂直位置。星座设计应当尽可能满足更多用户界的要求，而不只局限某类特别用户的要求。然而实际表明，星座如果能提供航空用户I类精密进近要求的垂直精度，它也能提供较好的水平位置精度，从而可以满足大多数用户的要求。
导航精度取决于测距误差和星座几何。用UERE表示用户测距误差，PDOP表示星座几何，则用户三维位置误差可表示为：
PNSE(95%)=2UERE*PD式中PDOP称为三维位置精度扩散因子。类似地，还可写出水平位置误差、垂直位置误差和定时误差的表达式，它们分别涉及HDOP、VDOP和TDOP。这些DOP都属于称为精度几何扩散因子的GDOP的参数，它们实质上代表星座几何对导航误差的影响。各种DOP的数学定义参见附录。
DOP值的大小是研究星座结构的基础。最佳星座的DOP应当最小。当然，DOP值最小，导航误差未必最小，因为导航误差还与用户测距误差有关。但是，在讨论星座结构时，总是假设用户测距误差是一定的。那么这时导航误差便取决于DOP的大小。DOP值越小，星座几何越好。因此，DOP成为确定星座几何的基本参数。DOP值可以是瞬时值、24小时平均值或者在每一具体地点和任意一段时间操作（如I类精密进近）平均值等。在我们的研究中，我们不打算采取这些DOP值，而采用在我们预定服务区24小时的平均值。后面我们会给出我们模拟计算得到的各种DOP值，它们各有其应用场合，不过我们更为注意PDOP，VDOP和GDOP， 因为它们在实践中更为常用。星座选择
我们的星座包括GEO和IGSO。GEO当然位于唯一的赤道面，那么IGSO布置在多少倾斜轨道面上为好？从便于星座布置和替换的角度来说，采用一个轨道面有好处。多轨道面的好处是提供卫星飞过用户天顶的可能性，有利于改善星座相对用户的几何，特别是当服务区的经度跨度大时这种优点比较明显。我们的模拟结果表明，对于我国这样的经幅（在70°E和140°E之间），相对一个轨道面，用两个或三个轨道面，对服务区东西边沿地带的精度稍有改善，但是使服务区的整体精度却略有降低。因而采用多轨道面至少没有明显的优点。
图1所示的卫星对地球的几何有助于这一问题的直观理解。图中E代表最小高度角，α代表在卫星高度处地球的视界半角(view half-angle)，β叫做可见半角（visibility half-angle)。α和β为最小高度角E的函数。对于GSO，当E=5°时，α=8.62°,β=76.38°；当E=15°时，α=8.36°, β=66.64°。换句话说，当E=5°时，每个卫星覆盖星下点76.38°内的用户，当当E=15°时，覆盖星下点66.64°内的用户；我国区域系统服务范围大约为55×70 ，一个轨道面上的一组IGSO加2或3个GEO组成的星座，在其服务区内完全可能保证较好的卫星几何，更多的轨道面对改进卫星几何不会带来明显好处。因此如果仅考虑区域要求而不考虑向全球系统的演进，采用一个轨道面为好。如果考虑全球系统要求，最佳轨道几何可能要求IGSO至少两个甚至三个轨道面。
图1 卫星－地球几何
图2 IGSO卫星地面轨迹图
基于上述分析，我们假定星座这样选择：一个GEO在70°，一个在140°，若有第三个GEO，布置在105°E ；IGSO卫星在轨道上等间隔分布，轨道倾角为63.43°（临界角，在此角度，由地椭引起的近地点幅角的进动率等于0）,轨道在大约70°E 和140°E 的中间即105°E 处通过赤道，它们的地面轨迹如图2所示。星座结构如图3所示，其覆盖区大约70°N-70°S/50°E-160°E ，比我国及周边地区要大得多，当然这是高轨道的缘故。
图3 星座结构示意图
现在根据上述星座假设计算在预定服务区的DOP值。为此我们将区域70°N-70°S/50°E-160°E划分为3Χ3的网格，对每一格网点每10分钟计算一个DOP值，然后取其24小时的平均值。最后将服务区0-55°N/70°E-140°E 内所有有效网点的DOP值取平均，得24小时区域平均值。在计算中我们采用卫星截止高度角 ，以顾及卫星视线可能受到较高障碍物的遮挡。表1列出对不同的星座结构（即两个或三个GEO加上不同数目的IGSO）在区域0-55°N/70°E-140°E（包括我国及其周边地区）内24小时的各种DOP平均值。值得指出，表1不仅对
表1 在区域0-55°N/70°E-140°E 内24小时的平均DOP值位于北半球的服务区有效，对于南半球的对称地区同样有效，这是由于星座覆盖在南、北半球具有对称性。应当说明，在模拟计算中，相应于VDOP>99的各种DOP值未统计在24小时DOP均值内；在服务区取区域平均时，大于10的DOP值被认为不可用（outage），也未参与统计。表中DOP值下面的百分数表示在服务区内DOP<10的有效网点数与总网点数之比，不妨管它叫做平均区域可用性。小于100%指示部分网点的DOP值大于10。100%指示所有网点的DOP值均小于10，从表1看出，当IGSO数少于6时，在服务区内存在部分地点，其DOP值不可用。只有当IGSO数达到6之后，在服务区内全部DOP值都可用（表中百分数100%未注记）。从表1还看出，当IGSO数少于6时，位于105°E赤道上空的GEO对于改善星座性能具有明显的作用，当IGSO数多于6时，它对星座性能的改善作用逐渐不够明显。
显然由于各种因素，星座布置将来很可能是渐进式分步实施。我们建议，第一步布置3个GEO和3个IGSO作为最经济的初始星座；第二步布置2个GEO加上6个IGSO作为改进星座。这两种星座可满足陆地海洋部分应用需要，欲满足I类精密进近，还必须局部增强。第三步布置2个GEO加11个IGSO（见图3）或3个GEO加10个IGSO作为工作星座。第三步是我们星座建设的最终目标。这种星座基本覆盖和满足陆地海洋和空中的导航需要，特别是可能直接用于I类精密进近，因为当UERE小于1.2米（这一指标是可能达到的）时，这种星座能够提供小于6米的VNSE（95％）。
图4－图6分别给出这三种星座结构的PDOP分布。
图4 3GEO＋3IGSO星座的PDOP分布图
图5 2GEO＋6IGSO星座的PDOP分布图
图6 2GEO＋11IGSO星座的PDOP分布图导航载荷
下面参考[3]给出导航载荷基本设计。导航载荷产生并向用户发射导航信号。它包括：* 伪随机噪声产生器，产生测距码* 超稳定度频率标准* 频率综合器，形成导航信号频率* 上变频器、放大器和天线* 调制器* 导航数据处理器
导航载荷的方框图如图7所示。考虑到L波段频率的现有分配情况，建议选用L1=1634.89MHz，L1*＝1584.79MHz，L2＝1213.63MHz。选择3个频率的理由是为了电离层改正和便于模糊度分解，以便更好地提高导航定位精度。载荷的主要参数是：* 带宽：8～12Mchips/s* 测距码频：10.03MHz* 测距码重复周期：1ms* l数据速率：50bits/s* 载波调制： 相位调制。
天线的口径大约80cm，发射功率大约40W。用户的最小接收功率约-160dbW。
导航载荷的各个部件要有双备份甚至三备份。整个卫星的功耗在250W到300W之间。
图7 导航载荷主要方框图地面和用户部分
系统的控制假定完全在地面实现。地面部分包括主控站和监测站网，监测站测量至卫星的距离和相位，供计算卫星轨道用。监测站的地理分布的经纬差尽可能大。主控站利用监测站发来的数据计算卫星轨道并预测未来卫星位置和卫星钟改正。预测的卫星位置和钟差参数通过专用天线按一定间隔或根据用户距离误差的实际增长情况适时注入至卫星。
上述方案未考虑星间通信和星间测量（距离、时间传递等）与星上自主产生星历改正的情况，将来实际设计时，应当考虑包括这种选择的可能性，因为它不但减轻了地面部分的负担，而且也有助提高系统的精度。
用户接收机依应用需要有不同类型。主要类型有导航型和测地型，前者可以仅用伪距测量，供导航用，后者包括伪距和载波相位测量，供精密定位用。其他还可以有定时和电离层测量用接收机。系统预期性能卫星星座是：* 2或3个GEO，多至11个IGSO* IGSO在一个轨道面等间隔分布* 63.43°倾角* 24小时轨道覆盖区：70°N-70°S/50°E-160°E 服务区：0-55°N/70°E-140°E 用户测距误差预算如下：
误差源
空间部分和控制部分 1.0 m
用户* 电离层延迟 0.1* 对流层延迟 0.5* 接收机噪声 0.1* 多路径 0.3* 其他
总UERE(1σ) 1.17
假定UERE＝1.2m。那么，根据表1的DOP值，对于建议的分步部署的星座计划，我们得到系统的平均导航误差（2σx DOP），载于表2：
表2 平均导航误差预算水平(m)垂直(m)三维(m)定时(ns)3GEO+3IGSO7.6*9.4*11.1*28*2GEO+6IGSO5.38.9 10.3262GEO+11IGSO3.95.96.816
* 存在中断(outage)地区可行性初步分析
基于GSO的导航系统相对而言是经济的，非GSO轨道（如ICO，GPS和GLONASS）要得到与GSO轨道同样的星座几何性能大概需要一倍以上的卫星数目[1]。即使考虑到GSO的发射质量大于ICO的发射质量，GSO星座的总费用比ICO还是要低。
GSO的导航载荷重量预计不超过150kg，卫星净质量大约500kg。发射质量不超过1500kg。采用长征三号运载火箭发射是可行的。为了保证星座的最大可用性，尽可能降低轨道机动的频度是重要的。轨道机动频度的主要决定因素是避免与赤道上的卫星碰撞。如果轨道有点偏心率，碰撞问题就可以避免。其次的因素是由于作用于IGSO的摄动引起的DOP值的降低。最佳设计卫星轨道参数，可以使摄动影响减至最小。GEO和IGSO的动力学模型需要研究。GPS卫星轨道的研究为GSO轨道的研究提供一些参考，得到米级精度的轨道是有希望的。 导航载荷的基本方案是可行的。GPS/GLONASS已提供了成功的经验。比较不确定的因素可能是频率选择，考虑到L 波段的频率分配是一个复杂问题，频率的再研究和协调是很有必要的。
建成一个2GEO＋11IGSO星座的导航系统耗资大约20～30亿人民币。这笔投资是值得的，它的经济、军事和社会效益是难以估量的。单在经济效益方面，将来它完全可能形成一个支柱产业，GPS产业就是一个好例子。致谢 在本文撰写过程，作者与张瑞华高级工程师进行过有益讨论，宋小勇同志曾帮助精心绘制插图，在此对他们一并表示感谢。中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
1997年7月
关于我国导航卫星系统的初步设计
魏子卿
提 要：建立我国导航卫星系统意义重大，条件也日益成熟。我国导航卫星系统应是一个全天候、连续性、三维性、高精度、被动式和区域性的导航定位和定时系统，采用单向卫星测距工作体制，星座由地球静止卫星和倾斜全球同步轨道卫星组成，每个卫星用三个L频率发射导航信号。导航载荷包括伪随机测距码产生器，超稳定度频率标准和导航数据处理器等。系统具有向广大用户提供导航、精密定位和时间传递能力。本文尝试对我国导航卫星系统进行初步设计。首先提出我国未来导航卫星系统的技术要求和发展目标与工作体制；接着重点讨论星座选择，提出星座构筑方案；随后略述导航载荷、地面和用户部分；最后给出系统性能预测和可行性初步分析。
正文 要求与目标
在人类经济社会和军事活动中，导航占有很重要的地位。世界主要大国非常重视发展导航卫星系统。美国和俄罗斯近年相继建成它们的新一代导航卫星系统—全球定位系统（GPS）和全球导航卫星系统（GLONASS）。欧洲人与一些国际组织不愿冒依赖美俄军事导航系统的风险，正积极建立欧洲导航卫星系统（ENSS）与完全民用的全球导航卫星系统（GNSS）。我国是一个发展中的社会主义大国，社会发展与民族振兴，国家经济建设与国防建设，未来高科技局部战争与新世纪全球竞争的挑战，都迫切要求我国建立和完善自己的导航卫星系统。随着我国国力的增强和科学技术的发展，建立和完善我国导航卫星系统的条件也日臻成熟。在这世纪之交，研讨我国的卫星导航发展策略，无疑是适时的、必要的。
我国导航卫星系统的技术要求和发展目标应当是：* 三维定位和定时能力：系统应能提供用户的纬度、经度和高程，或三维直角坐标及速度。系统还应有定时能力。* 服务连续性：系统能够提供连续24小时服务，并具有高可用性。* 高精度：在自主方式（非差分方式）工作时，系统的三维定位精度应当优于10米（95％），定时精度优于20纳秒（95％）。用大地型接收机在差分方式工作时，系统支持厘米级的精度要求。* 区域性：系统至少覆盖我国及其周边地区，以满足不同用户组在我国领土、领空、领海以及远海进行各种作业及活动的需要。* 被动式：系统仅仅依靠接收卫星发射信号工作，用户数量不受限制。* 应用多样性：系统用户包括陆地、海洋和空中用户，提供导航、定位、定时服务，支持陆地交通管理、舰船航行和进港、飞机航路、非精密进近和精密进近（至I 类）以及大地测量精密定位等。* 可演进性以及可同其他系统的互操作性：系统可以是一个纯粹区域系统，也可以作为一个独立‘空间模块’逐步演变成全球GNSS之一部分。系统还应当与GPS/ GLONASS具有一定程度的互操作性或兼容性；* 军民共用性：系统设计照顾军民用户的需求。军事用户或民间用户的特别需求，采用特别设计（如对一部分信号加密）解决。系统军民共用。
概括来说，我国的导航卫星系统应是一个全天候、连续性、三维性、高精度、被动式和区域性的导航定位和定时系统，支持陆地、海洋和空中用户导航定位需要，同时与GPS/GLONASS/GNSS具有互操作能力。
建立导航卫星系统，技术复杂，涉及面广。下面作者仅就若干问题加以研讨，提出初步设计意见。工作体制
象GPS/GLONASS一样，系统采用伪随机码单向测距体制。用户同时观测至少至四个卫星的距离。距离测量这样完成，即将进入接收机的卫星信号与接收机产生的复制信号匹配（相关），测量相对本地钟的接收相位。测量距离包含钟偏差以及其他影响， 所以称为伪距。卫星除发射测距信号外，还广播它们的估计位置。用至少四个伪距测量，结合轨道位置、星钟改正和其他信息，可以解算四个未知数，它们通常是纬度、经度和高程和用户钟改正数。如果高度或时间已知，可以用少于四个卫星。
卫星的未来位置由利用地面监测站采集的距离测量估计。主控站用预测算法产生未来卫星位置的估值和未来卫星钟改正。然后将这些信息通过地面站注入到卫星存储器。 系统包括空间部分、地面监控部分和用户部分。系统星座
轨道选择
为满足区域覆盖的要求，最佳的轨道选择是地球同步轨道（GSO）。最佳星座应当由一组地球静止卫星（Geostationary satellite) 与一组倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit)卫星组成。 GEO的轨道面与地球赤道面重合，相对地面观测者，卫星好像在赤道上空静止不动，在24小时内都可以看见；IGSO的轨道面对地球赤道面倾斜一个角度，地面轨迹为限制在一定的经度带内的‘8’字（见后面图2），观测者一天可见时间长达15小时，如果轨道系有较大偏心率的椭圆，其远地点又在观测者所在半球，可见时间更长。但是，鉴于下述理由宜采用近园轨道而非大偏心率椭圆轨道：* 园轨道使用户接收机的多普勒和接收信号功率变化范围最小；* 园轨道简化卫星设计（卫星载荷，辐射效果）；* 园轨道有利于南北方向覆盖，便于在该方向扩展服务；* 园轨道使由卫星机动引起的不可用性减至最小。
用GEO增强GPS的观点已众所周知，而用IGSO导航的思想近年始见报道[1,2,3 ]。基于GSO的导航系统有其重要优点：（1）星座可以提供优良的几何性能。如文献[1]指出，由8个GEO和16个IGSO组成的24个GSO星座提供的全球几何性能优于24个卫星的GPS星座；（2）系统构成有很大的灵活性。几个GSO卫星可以构成一个‘空间模块’，一个模块即是一个区域系统；全球系统可以由模块拼接而成，而且在构成全球系统之前即可以先期得到区域能力。
欧洲正在建立的GNSS2包括24个IGSO，ENSS是它的一个子系统，包括12个IGSO[3]。
星座性能判据
星座结构指星座包括多少GEO和多少IGSO以及它们的轨道配置。确定星座的主要原则是使导航性能满足规定的要求。各类用户的导航性能要求差异很大。仅就导航精度而言，一般来说，海上用户主要关心平面位置，航空用户比较重视垂直位置，而多数陆地用户既要求平面位置，也重视垂直位置。星座设计应当尽可能满足更多用户界的要求，而不只局限某类特别用户的要求。然而实际表明，星座如果能提供航空用户I类精密进近要求的垂直精度，它也能提供较好的水平位置精度，从而可以满足大多数用户的要求。
导航精度取决于测距误差和星座几何。用UERE表示用户测距误差，PDOP表示星座几何，则用户三维位置误差可表示为：
PNSE(95%)=2UERE*PD式中PDOP称为三维位置精度扩散因子。类似地，还可写出水平位置误差、垂直位置误差和定时误差的表达式，它们分别涉及HDOP、VDOP和TDOP。这些DOP都属于称为精度几何扩散因子的GDOP的参数，它们实质上代表星座几何对导航误差的影响。各种DOP的数学定义参见附录。
DOP值的大小是研究星座结构的基础。最佳星座的DOP应当最小。当然，DOP值最小，导航误差未必最小，因为导航误差还与用户测距误差有关。但是，在讨论星座结构时，总是假设用户测距误差是一定的。那么这时导航误差便取决于DOP的大小。DOP值越小，星座几何越好。因此，DOP成为确定星座几何的基本参数。DOP值可以是瞬时值、24小时平均值或者在每一具体地点和任意一段时间操作（如I类精密进近）平均值等。在我们的研究中，我们不打算采取这些DOP值，而采用在我们预定服务区24小时的平均值。后面我们会给出我们模拟计算得到的各种DOP值，它们各有其应用场合，不过我们更为注意PDOP，VDOP和GDOP， 因为它们在实践中更为常用。星座选择
我们的星座包括GEO和IGSO。GEO当然位于唯一的赤道面，那么IGSO布置在多少倾斜轨道面上为好？从便于星座布置和替换的角度来说，采用一个轨道面有好处。多轨道面的好处是提供卫星飞过用户天顶的可能性，有利于改善星座相对用户的几何，特别是当服务区的经度跨度大时这种优点比较明显。我们的模拟结果表明，对于我国这样的经幅（在70°E和140°E之间），相对一个轨道面，用两个或三个轨道面，对服务区东西边沿地带的精度稍有改善，但是使服务区的整体精度却略有降低。因而采用多轨道面至少没有明显的优点。
图1所示的卫星对地球的几何有助于这一问题的直观理解。图中E代表最小高度角，α代表在卫星高度处地球的视界半角(view half-angle)，β叫做可见半角（visibility half-angle)。α和β为最小高度角E的函数。对于GSO，当E=5°时，α=8.62°,β=76.38°；当E=15°时，α=8.36°, β=66.64°。换句话说，当E=5°时，每个卫星覆盖星下点76.38°内的用户，当当E=15°时，覆盖星下点66.64°内的用户；我国区域系统服务范围大约为55×70 ，一个轨道面上的一组IGSO加2或3个GEO组成的星座，在其服务区内完全可能保证较好的卫星几何，更多的轨道面对改进卫星几何不会带来明显好处。因此如果仅考虑区域要求而不考虑向全球系统的演进，采用一个轨道面为好。如果考虑全球系统要求，最佳轨道几何可能要求IGSO至少两个甚至三个轨道面。
图1 卫星－地球几何
图2 IGSO卫星地面轨迹图
基于上述分析，我们假定星座这样选择：一个GEO在70°，一个在140°，若有第三个GEO，布置在105°E ；IGSO卫星在轨道上等间隔分布，轨道倾角为63.43°（临界角，在此角度，由地椭引起的近地点幅角的进动率等于0）,轨道在大约70°E 和140°E 的中间即105°E 处通过赤道，它们的地面轨迹如图2所示。星座结构如图3所示，其覆盖区大约70°N-70°S/50°E-160°E ，比我国及周边地区要大得多，当然这是高轨道的缘故。
图3 星座结构示意图
现在根据上述星座假设计算在预定服务区的DOP值。为此我们将区域70°N-70°S/50°E-160°E划分为3Χ3的网格，对每一格网点每10分钟计算一个DOP值，然后取其24小时的平均值。最后将服务区0-55°N/70°E-140°E 内所有有效网点的DOP值取平均，得24小时区域平均值。在计算中我们采用卫星截止高度角 ，以顾及卫星视线可能受到较高障碍物的遮挡。表1列出对不同的星座结构（即两个或三个GEO加上不同数目的IGSO）在区域0-55°N/70°E-140°E（包括我国及其周边地区）内24小时的各种DOP平均值。值得指出，表1不仅对
表1 在区域0-55°N/70°E-140°E 内24小时的平均DOP值位于北半球的服务区有效，对于南半球的对称地区同样有效，这是由于星座覆盖在南、北半球具有对称性。应当说明，在模拟计算中，相应于VDOP>99的各种DOP值未统计在24小时DOP均值内；在服务区取区域平均时，大于10的DOP值被认为不可用（outage），也未参与统计。表中DOP值下面的百分数表示在服务区内DOP<10的有效网点数与总网点数之比，不妨管它叫做平均区域可用性。小于100%指示部分网点的DOP值大于10。100%指示所有网点的DOP值均小于10，从表1看出，当IGSO数少于6时，在服务区内存在部分地点，其DOP值不可用。只有当IGSO数达到6之后，在服务区内全部DOP值都可用（表中百分数100%未注记）。从表1还看出，当IGSO数少于6时，位于105°E赤道上空的GEO对于改善星座性能具有明显的作用，当IGSO数多于6时，它对星座性能的改善作用逐渐不够明显。
显然由于各种因素，星座布置将来很可能是渐进式分步实施。我们建议，第一步布置3个GEO和3个IGSO作为最经济的初始星座；第二步布置2个GEO加上6个IGSO作为改进星座。这两种星座可满足陆地海洋部分应用需要，欲满足I类精密进近，还必须局部增强。第三步布置2个GEO加11个IGSO（见图3）或3个GEO加10个IGSO作为工作星座。第三步是我们星座建设的最终目标。这种星座基本覆盖和满足陆地海洋和空中的导航需要，特别是可能直接用于I类精密进近，因为当UERE小于1.2米（这一指标是可能达到的）时，这种星座能够提供小于6米的VNSE（95％）。
图4－图6分别给出这三种星座结构的PDOP分布。
图4 3GEO＋3IGSO星座的PDOP分布图
图5 2GEO＋6IGSO星座的PDOP分布图
图6 2GEO＋11IGSO星座的PDOP分布图导航载荷
下面参考[3]给出导航载荷基本设计。导航载荷产生并向用户发射导航信号。它包括：* 伪随机噪声产生器，产生测距码* 超稳定度频率标准* 频率综合器，形成导航信号频率* 上变频器、放大器和天线* 调制器* 导航数据处理器
导航载荷的方框图如图7所示。考虑到L波段频率的现有分配情况，建议选用L1=1634.89MHz，L1*＝1584.79MHz，L2＝1213.63MHz。选择3个频率的理由是为了电离层改正和便于模糊度分解，以便更好地提高导航定位精度。载荷的主要参数是：* 带宽：8～12Mchips/s* 测距码频：10.03MHz* 测距码重复周期：1ms* l数据速率：50bits/s* 载波调制： 相位调制。
天线的口径大约80cm，发射功率大约40W。用户的最小接收功率约-160dbW。
导航载荷的各个部件要有双备份甚至三备份。整个卫星的功耗在250W到300W之间。
图7 导航载荷主要方框图地面和用户部分
系统的控制假定完全在地面实现。地面部分包括主控站和监测站网，监测站测量至卫星的距离和相位，供计算卫星轨道用。监测站的地理分布的经纬差尽可能大。主控站利用监测站发来的数据计算卫星轨道并预测未来卫星位置和卫星钟改正。预测的卫星位置和钟差参数通过专用天线按一定间隔或根据用户距离误差的实际增长情况适时注入至卫星。
上述方案未考虑星间通信和星间测量（距离、时间传递等）与星上自主产生星历改正的情况，将来实际设计时，应当考虑包括这种选择的可能性，因为它不但减轻了地面部分的负担，而且也有助提高系统的精度。
用户接收机依应用需要有不同类型。主要类型有导航型和测地型，前者可以仅用伪距测量，供导航用，后者包括伪距和载波相位测量，供精密定位用。其他还可以有定时和电离层测量用接收机。系统预期性能卫星星座是：* 2或3个GEO，多至11个IGSO* IGSO在一个轨道面等间隔分布* 63.43°倾角* 24小时轨道覆盖区：70°N-70°S/50°E-160°E 服务区：0-55°N/70°E-140°E 用户测距误差预算如下：
误差源
空间部分和控制部分 1.0 m
用户* 电离层延迟 0.1* 对流层延迟 0.5* 接收机噪声 0.1* 多路径 0.3* 其他
总UERE(1σ) 1.17
假定UERE＝1.2m。那么，根据表1的DOP值，对于建议的分步部署的星座计划，我们得到系统的平均导航误差（2σx DOP），载于表2：
表2 平均导航误差预算水平(m)垂直(m)三维(m)定时(ns)3GEO+3IGSO7.6*9.4*11.1*28*2GEO+6IGSO5.38.9 10.3262GEO+11IGSO3.95.96.816
* 存在中断(outage)地区可行性初步分析
基于GSO的导航系统相对而言是经济的，非GSO轨道（如ICO，GPS和GLONASS）要得到与GSO轨道同样的星座几何性能大概需要一倍以上的卫星数目[1]。即使考虑到GSO的发射质量大于ICO的发射质量，GSO星座的总费用比ICO还是要低。
GSO的导航载荷重量预计不超过150kg，卫星净质量大约500kg。发射质量不超过1500kg。采用长征三号运载火箭发射是可行的。为了保证星座的最大可用性，尽可能降低轨道机动的频度是重要的。轨道机动频度的主要决定因素是避免与赤道上的卫星碰撞。如果轨道有点偏心率，碰撞问题就可以避免。其次的因素是由于作用于IGSO的摄动引起的DOP值的降低。最佳设计卫星轨道参数，可以使摄动影响减至最小。GEO和IGSO的动力学模型需要研究。GPS卫星轨道的研究为GSO轨道的研究提供一些参考，得到米级精度的轨道是有希望的。 导航载荷的基本方案是可行的。GPS/GLONASS已提供了成功的经验。比较不确定的因素可能是频率选择，考虑到L 波段的频率分配是一个复杂问题，频率的再研究和协调是很有必要的。
建成一个2GEO＋11IGSO星座的导航系统耗资大约20～30亿人民币。这笔投资是值得的，它的经济、军事和社会效益是难以估量的。单在经济效益方面，将来它完全可能形成一个支柱产业，GPS产业就是一个好例子。致谢 在本文撰写过程，作者与张瑞华高级工程师进行过有益讨论，宋小勇同志曾帮助精心绘制插图，在此对他们一并表示感谢。