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解码北斗三号,它都采用了哪些新技术?

2017-11-10 [责任编辑:wenwei]
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【导读】日前,我国第三代导航卫星——北斗三号的首批组网卫星(2颗)以“一箭双星”的发射方式顺利升空,它标志着我国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。那么,北斗三号与前两代“北斗”导航卫星,即北斗一号、北斗二号有什么不同?它都采用了哪些新技术?
 
解码北斗三号,它都采用了哪些新技术?
2017年下半年 中国计划发射4颗北斗三号全球组网卫星
 
几种卫星导航系统
 
要搞清我国三代“北斗”导航卫星的异同,首先应了解以下几种卫星导航系统,看看北斗一号、二号和三号分别是属于哪一种。
 
解码北斗三号,它都采用了哪些新技术?
2017年9月16日,第三代北斗芯片发布
 
至今,卫星导航技术已先后发展了两大类:一类卫星导航系统是采用多普勒测速原理,即利用测量导航信号的多普勒频移来求出距离变化率进行导航定位,但由于这种方式存在不能连续实时导航等一些缺点,所以采用这种原理的卫星导航现已基本没有了。另一类卫星导航系统采用时间测距原理,即利用测量导航信号传播时间来求出距离进行导航定位,目前大多数卫星导航系统都采用这种方式,包括三代“北斗”导航卫星,但即使这样,它们仍各不相同。
 
因为卫星导航系统又可分有源(主动式)和无源(被动式)两种。我国北斗一号卫星导航系统采用有源方式,即用户进行导航定位时要主动向卫星发送信号,北斗二号和北斗三号卫星导航系统采用无源和有源相结合的方式,进行无源卫星导航时,用户只需接收导航卫星信号。美国的“全球定位系统”、俄罗斯的“格洛纳斯”、欧洲的“伽利略”等卫星导航系统都采用无源方式。
 
解码北斗三号,它都采用了哪些新技术?
北斗三号全球卫星导航星座
 
根据导航卫星的信号覆盖范围,卫星导航系统还可分为区域性卫星导航系统和全球性卫星导航系统,我国的北斗一号、二号卫星导航系统以及日本、印度的卫星导航系统等属于前者,美国、俄罗斯、欧洲和我国的北斗三号卫星导航系统属于后者。
 
另外,导航卫星还可根据卫星的轨道高度,分成近地轨道、地球中圆轨道、倾斜地球同步轨道和地球静止轨道导航卫星几种。我国北斗一号为地球静止轨道导航卫星,而北斗二号和三号导航星座都由地球中圆轨道导航卫星、倾斜地球同步轨道导航卫星和地球静止轨道导航卫星组成。目前,美国、俄罗斯和欧洲的导航卫星都运行在地球中圆轨道,印度和日本的导航卫星星座均由倾斜地球同步轨道导航卫星和地球静止轨道导航卫星组成。
 
有其他卫星导航系统不具备的性能
 
目前,卫星导航已成为当今社会重要的空间信息基础设施,其应用只受想象力的限制,具有广泛的社会、经济、科技和国防意义。因此,我国很重视卫星导航系统的建设,并分三个阶段实施发射,即先建造有源区域卫星导航系统,再建造无源与有源相结合的区域卫星导航系统,最终建造无源与有源相结合的全球卫星导航系统。
 
2000年10月至12月为第一阶段。我国先后发射了4颗北斗一号导航卫星(后两颗为备份),它们运行在经度相距60°的地球静止轨道,从而建成了世界首个有源区域卫星导航系统。该系统不仅可提供区域导航定位,还能进行双向数字报文通信和精密授时,特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户。其服务范围为国内;定位精度为20米;授时精度为100纳秒;短信字数每次为120个字。
 
2007年至2012年为第二阶段。我国陆续发射了16颗北斗二号导航卫星,最终建成了由14颗北斗二号(5颗静止轨道导航卫星+5颗倾斜地球同步轨道导航卫星+4颗中圆地球轨道导航卫星)组成的、采用无源与有源卫星导航方式相结合的区域卫星导航系统。如果说GPS只能告诉用户什么时间、在什么地方,“北斗”还可以将用户的位置信息发送出去,让其他人可以知道用户的情况,较好地解决了何人、何事、何地的问题。其服务范围为亚太地区;定位精度为10米;测速精度为0.2米/秒;授时精度为50纳秒;短信字数每次为120个字。
 
2017年至2020年为第三阶段,我国将先后发射35颗北斗三号导航卫星(5颗静止轨道卫星+3颗倾斜地球同步轨道卫星+27颗中圆轨道卫星),建成采用无源与有源导航方式相结合的全球卫星导航系统。其服务范围为全球;定位精度为2.5至5米;测速精度为0.2米/秒;授时精度为20纳秒;每次短信字数也增加了。它将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务、0.2米/秒的测速服务,并且将为付费用户提供更高精度等级的服务。随着“北斗”地基增强系统提供初始服务,它还可提供米级、亚米级、分米级,甚至厘米级的服务,届时,“北斗”的定位精度将与美国GPS相媲美。
 
建成后的北斗全球导航系统将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务。
 
具有高精度、高可靠、高保险、多功能的“北斗”全球卫星导航系统有一些美国、俄罗斯和欧洲全球卫星导航系统不具备的性能和特点,例如,其空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座,且与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,因此抗遮挡能力强,尤其在低纬度地区性能特点更为明显;北斗三号可提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度;该卫星系统创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。
 
北斗三号亮点多多
 
由于北斗三号导航卫星需采用许多新技术,为此,我国在2015年至2016年陆续发射了5颗北斗三号试验卫星,验证了以高精度星载原子钟、星座自主运行等为代表的卫星载荷关键技术,以轻量化、长寿命、高可靠为典型特征的卫星平台关键技术,基于星地链路、星间链路、全新导航信号体制的导航卫星运行控制关键技术,以及98%的国产化器件,关键器件均为“中国造”。
 
从2017年11月5日发射首批北斗三号(2颗)地球中圆轨道导航卫星起,我国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。与北斗二号相比,除了服务区域由区域覆盖扩大到全球覆盖外,北斗三号在精度和可靠性上都有很大的提高。其单星设计寿命由以前的8年提高到10至12年,并首次提出“保证服务不间断”指标。
 
另外,还有以下重大技术创新或改进。北斗三号中圆地球轨道卫星采用了新型的导航卫星专用平台,它具有功率密度大、载荷承载比重高、设备产品布局灵活、功能拓展适应能力强等技术特点,可为系统后续功能和需求拓展提供更大的适应能力,将实现卫星导航系统的定位、授时和导航的服务业务,兼容天基数据传输、新业务载荷的在轨应用,能作为天基数据传输网络的广播节点。作为世界上唯一的由3种轨道卫星构成的导航系统,北斗三号未来还将按照国际标准增加全球搜救、全球位置报告、星基增强等拓展服务。
 
北斗三号地球静止轨道卫星与倾斜地球同步轨道卫星采用大型卫星平台,它能集成多种载荷,兼容实现天基增强、可动点波束功率增强、短报文通信与位置报告等系统;成为天基数据传输网络的中心节点。
 
北斗三号卫星星座首次配备了相控阵星间链路(在卫星之间搭建的通信测量链路),解决了境外监测卫星的难题,成为一大特色。这样能实现对运行在境外的卫星进行监测、注入功能,并可实现卫星之间的双向精密测距和通信,从而能够进行多星测量,自主计算并修正卫星的轨道位置和时钟系统,大大减少对地面站的依赖,提高整个系统的定位和服务精度。星间链路是“北斗”实现自主导航的关键,不仅实现了北斗卫星相互间的通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,减轻地面管理维护压力。所谓自主导航,就是指即使地面站全部失效,30多颗“北斗”导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时,地面用户通过手机等终端接收导航卫星的信号,仍旧能进行定位及导航。
 
众所周知,导航卫星上的原子钟性能对整个卫星导航系统的性能有重要影响。北斗三号卫星采用我国新型高精度铷原子钟和氢原子钟。与北斗二号卫星采用的原子钟相比,北斗三号上的原子钟在产品体积、重量方面大幅降低,每天的频率稳定度提高了10倍,综合指标达到国际领先水平。其上的氢原子钟精度将比北斗二号的星载铷原子钟提高一个数量级。铷原子钟天稳定度为每1万秒误差10-14秒量级,氢原子钟天稳定度为每1万秒误差10-15秒量级。原子钟技术的进步,直接推动了“北斗”系统的定位精度由10米量级向米级跨越,测速和授时精度同步提高一个量级。
 
北斗三号进一步提升了连续性、稳定性和可用性的指标,采用多项新技术提高了卫星的抗干扰能力,非计划中断指标为每年0.4次,达到国际先进水平。它采用了多重可靠性“加固”措施,可最大限度增强系统的保险系数。比如,系统建成后运行卫星数量大于服务必需卫星数,即卫星有备份;配备了多台铷原子钟,形成“双保险”一起提供服务;还采用了软件冗余、故障自我诊断和故障自我修复等多项措施,可保证系统可靠性。
 
该卫星还在世界上首次实现了卫星的在轨自主完好性监测功能,这一功能对民航、自动驾驶等生命安全领域用户来说,具有极强的实用价值。它将增加性能更优的互操作信号,即与世界其他卫星导航系统兼容性更好的信号B1C和B2a信号。其全新的导航信号体制和强大的在轨重构功能,也将极大地提升用户体验,因为通过兼容互操作技术,可为用户能在终端上接收多个信号奠定基础,给用户提供多种选择方案。
 
根据计划,2018年前后完成18颗北斗三号卫星发射,届时将面向“一带一路”国家和地区提供基本服务。到2020年前后,北斗三号系统面向全球提供全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。“北斗”发展蓝图是构建国家综合定位、导航和授时体系建设,以“北斗”系统为核心,建成天地一体(包括太空、地面、水下、室内)、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合定位、导航和授时体系。
 
北斗卫星是怎么导航定位的
 
我国第一代导航卫星北斗一号与第二代导航卫星北斗二号以及第三代导航卫星北斗三号在工作原理上有明显不同之处。
 
北斗一号卫星导航系统是通过采用卫星无线电测定业务方式来确定用户的位置。在平时,地面中心站经2颗北斗一号地球静止轨道卫星不断向用户询问是否需要定位的信号,而用户终端一般只处于光收听不发信息的状态。当需要定位时,用户终端分别经2颗北斗一号地球静止轨道卫星向中心站发送需要定位的申请信号。这时,地面中心站通过测量信号的往返时间来算出用户终端分别到每颗卫星的距离。由于卫星的位置是已知的,所以可以用这2个距离测量数据进一步推算出用户位置。最后,地面中心站将该定位信号经1颗卫星传给用户终端。
 
采用这种方式的优点所需卫星少,只要2颗卫星就行;具有导航定位、发短报文和精密授时等多种功能。但其定位精度不高,系统用户容量有限。
 
北斗二号和北斗三号卫星导航系统在国际首次实现了采用卫星无线电测定业务和卫星无线电导航业务相结合的集成体制方式来为用户导航定位。所谓卫星无线电导航业务,就是用户被动测量来自至少4颗在卫星时钟控制下的导航卫星连续发送的无线电导航信号,并根据这些卫星信号的不同传输时间,来测定用户到这些卫星的不同距离,然后通过用户终端的数学运算得到用户的三维坐标与速度。
 
北斗卫星为何能“自律”?
 
控制系统是卫星在天上保持正确轨道、正确姿态的总指挥。它能实时搜集卫星的轨道和姿态信息,一旦发现异常,就指挥卫星回到正常状态。
 
北斗三号的控制系统,能通过综合电子分系统与卫星敏感器执行机构交换信息并控制执行机构动作,完成卫星从星箭分离、在轨运行直至寿命末期各阶段的姿态控制和轨道控制。同时该系统还赋予了卫星一定的完全自主运行能力,即使地面测控站出现故障,它们也能在轨正常工作至少60天。这大大减少了卫星对地面站的依赖,实现了“可视”范围外的卫星控制,也降低了系统的运行管理成本。
 
此前卫星的遥测、遥控、姿轨控、电源、热控、载荷和星务等管理,通常分散在不同的处理单元分别完成。北斗三号控制系统采用“综合电子”体系架构,以中心管理单元为核心,构建了集散型分布式系统。其中,中心管理单元由五院自主研制,其管理职能几乎涵盖了卫星各个方面。如此架构带来了更复杂的管理,但也能减轻卫星重量、延长其寿命。
 
无论是姿态与轨道信息的计算,还是卫星的智能自主运行,都对控制系统的计算性能提出了极高要求。北斗三号控制系统采用了基于星敏感器+红外地球敏感器的自主导航算法,定时更新星上轨道数据,让卫星具备了自主获取轨道数据的能力。
 
普通卫星在进行位置保持时,可以进行喷气卸载,导航卫星工作时却不允许推进器喷气。为了保证北斗三号卫星在60天自主运行期间不会喷气卸载,五院研制团队完善和改进了控制系统的角动量管理和磁力矩器卸载功能,达到了任务要求。
 
此外,该控制系统还具备单机级和系统级故障安全设计,在星上资源有限的情况下,提高了北斗三号卫星的自主故障实时诊断和处理能力。
 
本文转载自电子技术设计。
 
 
 
 
 
 
 
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关键字:产业前沿 RF/微波 无线技术 
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