导航卫星技术及其发展趋势范本尧院士.ppt

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1、导航卫星技术及其发展趋势,范本尧中国空间技术研究院二一年五月,导航卫星技术及其发展趋势,一、前言二、美国GPS导航卫星三、我国导航试验卫星四、我国区域导航卫星五、我国未来全球导航卫星设想六、结束语,卫星导航系统是一种天基无线电导航定位和时间传递系统，能提供高精度、全天时、全天候的位置、速度和时间信息。十多年来，已广泛应用于全球的各个行业，已成为一个重要的空间基础设施，是衡量一个国家综合国力的主要标志，以及国防安全的重要支撑。,一、前言,当前世界上已成功建成了三个卫星导航系统美国GPS全球定位系统俄罗斯GLONASS导航系统中国卫星导航试验系统 正在建设的有二个卫星导航系统中国全球卫星导航系统欧

2、洲GALILEO卫星导航系统 计划发展的有两个卫星导航系统日本QZSS准天顶增强系统印度IRNSS卫星区域导航系统,卫星导航系统由空间段，地面控制段和用户段三大部分组成。由导航卫星组成的星座构成了卫星导航系统的空间段。导航卫星配合地面控制段完成测距定轨，接收上行导航数据，向用户发送测距信号和导航电文。导航卫星由卫星平台和导航有效载荷两部分组成。本文着重介绍国外导航卫星和我国导航卫星技术发展状况。由于篇幅和时间关系，本文对国外导航卫星仅介绍当前广泛应用、技术较先进的GPS卫星。,GPS星座为Walker 24/6/1构型，由24颗卫星组成，分布在6个轨道面上。每个轨道4颗卫星，呈非均匀分布，轨道

3、面沿赤道以60间隔分布，倾角55，半长轴为26560公里的圆形轨道。1978年发射首颗GPS卫星，1993年组网运行，至今已研制了两代共六种型号卫星：GPS、GPS、GPSA、GPSR、GPSRM、GPSF。目前正在研发第三代GPS III导航系统，其卫星技术在不断改进提高。,二、美国GPS导航卫星,GPS 导航卫星星座,卫星为八面体长箱体构型（见图），设计寿命5年。两太阳翼各由二块弧形板并联而成。共有三个导航信号L1(1575.42MHz)：C/A、P(Y)两个信号L2(1227.60MHz)：P(Y)采用两台铯原子钟和两台铷原子钟。导航电文存储容量 3.5天。共生产了11颗卫星。,GPS试

4、验验证卫星,GPS I 卫星,GPS 第二代卫星,卫星结构构型和GPS相同。在GPS基础上改进：设计寿命增加至7.5年每个太阳翼各由4块平板并联构成（见图）导航电文存储容量增至14天在L1民用频率上采用了选择可用性（SA）措施和L2上反电子欺骗（AS）措施共生产了9颗卫星。,GPS A 卫星,卫星结构构型和太阳翼均与GPS相同导航电文存储容量扩展至180天星上电子设备采取防辐射加固措施增设激光反射器，用于星地测距，提高精度共生产了19颗卫星。,GPS II 卫星,GPS IIR卫星,卫星有较大改进：卫星采用4边形箱体构型（见图）每个太阳翼由两块板串联展开组成，可一次展开，提高了可靠性采用镍氢N

5、iH2蓄电池，提高了容量具有UHF频段星间链路，180天自主导航功能，URE 7m（1）采用新型高精度铷原子频标（3个）：610-4/天 装有展开式核爆探监测天线共生产了12颗卫星。,卫星结构构型和太阳翼和GPSR相同在 GPSR基础上改进：L1、L2频段上增加新的军用M码信号，提高安全性和保密性增加新的L2C民用码，使民用接收机可进行电离层误差修正，提高定位精度具有功率增加7dB功能设计寿命10年共生产8颗卫星。,GPS IIRM卫星,GPS IIR卫星,卫星结构为八面体长箱体构型（见图）减少结构板数量，增大天线安装面积布局优化，卫星背地板外单独建立4个蓄电池小舱每翼由三块板组成，采用三结砷

6、化镓太阳能电池，提高了功率增加新的民用频率L5（1176.45MHz）改进型天线，以宽带专用单元取代L波段阵元设计寿命12年已生产了16颗卫星,GPS IIRF卫星,GPS II 系列卫星频码图,GPS IIRF卫星 结构图,GPS IIRF卫星,美国正在研制第三代导航卫星GPS III，预期将有多项改进和提高。1、卫星设计寿命15年；2、仍采用自身变轨方案，采用一箭双星发射；3、定位精度：水平0.5m，高程1m；4、授时精度：2ns;5、增加L1C导航信号，MBOC（6，1，1/11）调制；6、为与Galileo兼容互操作L5调制方式改为A1tBOC(15,10);7、星间链路采用Ka频段；

7、8、点波束天线功率增强20dB;9、采用锂离子电池，提高卫星功率；10、自主导航180天，URE 3m；11、具有星星、星地通信能力，100Mbit/s;12、具有搜索及救援功能。,GPS III 卫星,GPS卫星总装生产线,GPS III 卫星,GPS卫星发展历程(1),GPS卫星发展历程(2),1 采用简便成熟的一箭一星发射方式，卫星自带固体燃料发动机，加速入轨，技术继承性好，可靠性高。2 卫星平台采用常规、成熟继承性好的方案：采用中心承力筒+板式结构方案。转移轨道采用自旋稳定方式，在轨运行采用三轴姿态稳定，单组元肼推进系统。3 太阳翼由二次展开并联式结构，改进为一次展开串联式结构，提高太

8、阳翼展开可靠性。4 由硅太阳能电池改用砷化镓太阳电池，增加太阳电池功率。5 不断提高蓄电池容量，由NiCd电池改进为NiH2电池，GPS准备采用锂离子电池。6 测控采用常规USB体制，可靠性高。测控下行遥测可选用两种速率：4000bps和400bps，当局部地区信号弱时，可采用低速率，增加信噪比，从而提高信号强度。7 测控和导航功能有机结合。导航上行注入采用测控上行遥控功能完成。卫星在轨运行阶段，测控停止转发测距信号，直接采用导航确定的轨道、位置信息，减少了导航的单独注入链路。,GPS卫星主要技术特点,8 增加测控覆盖区域，提高安全性。采用了立体收发共用的测控天线（对地、背地天线和双锥体天线）

9、，可以提供连续的覆盖区。9 增加导航频段和导航信号，提高民用定位精度和兼容互操作性。由2个导航频率、3个导航信号增加至3个导航频率、7个导航信号。增加新的军用M码，军民频谱彻底分离，提高安全性和抗干扰能力。10选用新的BOC信号调制体制。11不断提高星载原子钟的精度和稳定性，铷钟稳定度由最初的110-12/天提高至 510-14/天。12采用信号增强技术（增益7dB）。13采用星间链路和自主运行技术，提高测距精度和战时对抗能力（UHF频率）。14不断延长卫星寿命（从5年增至12年）。15不断提高系统定位精度（小于10m）。,16多功能融合，综合型发展。除导航功能外，兼有全球核爆监测功能、空间电

10、子探测和电子侦察功能。GPS还进一步考虑搜索与求援、通信等功能。17卫星逐步提升性能，星座平稳过渡、连续运行，不影响用户使用。目前星座运行的就有GPSA、GPSR、GPSRM、GPSF 等几种型号卫星。GPS卫星技术发展的特点，值得我们在研制导航卫星时思考和借鉴。,导航试验卫星由三颗地球同步静止轨道卫星组成（其中一颗在轨备份），分别定点于140E、80E和110.5E（备份星）。三星分别于2000年10月、12月和2003年5月成功发射、运行，至今仍在工作。,三、我国导航试验卫星,卫星的构型和总体布局采用分舱模块化设计。分为通信舱、推进舱、服务舱三个舱段，及天线模块、太阳电池翼模块。东面板上装

11、有一副S/L天线、一副通信C天线。西面板上装有490N发动机。南北面板各装有一副太阳电池翼。对地板装有C频段全向测控天线和地球敏感器。,导航试验卫星组成,卫星在轨工作示意图,卫星外形示意图,卫星由结构、电源、姿轨控、推进、测控、热控、导航载荷和天线共8个分系统组成。,卫星组成框图,导航试验卫星主要技术性能,1采用无线电测定体制（RDSS），具有定位、数字报文通信和双向授时三大功能。2定位精度：水平20m（无标校100m）高程10m。授时精度：单向100ns，双向20ns。报文通信：每次120个字，每小时54万次。3服务区域：我国及周边地区，沿海及太平洋部分海域（东经70145，北纬555）4卫

12、星重量：2320kg，其中有效载重168kg。5最大外形尺寸（在轨展开）X向:5.7m Y向:18.1m Z向:1.72m。6卫星功率：寿命初期：2049W 寿命末期：1688W7位置保持精度：东西0.1 南北0.18工作寿命 8年,卫星展开示意图,导航试验卫星主要技术特点,1 采用继承性好、技术成熟的一箭一星发射方式，卫星自身变轨和定点。,2 卫星采用DFH-3公用平台成熟技术，结构由碳纤维复合材料中心承力筒和24块蜂窝夹层板组成的四边形箱体。箱体尺寸：2.21.722.0m，结构比为7%左右。,卫星结构示意图,3 采用先进的全三轴轨姿态稳定控制方式，即变轨机动及在轨运行均采用三轴姿态稳定方

13、式。,控制系统原理框图,4 卫星采用了先进的双组元统一推进系统，自带490N双组元发动机，加速入轨、定点。变轨机动和在轨姿态控制均采用一甲基肼（MMH）和四氧化二氮（MON-1）推进剂,提高了推进剂使用效率。,推进分系统原理框图,5 电源系统由两条独立供电母线组成，每条母线由太阳翼和蓄电池组供电，两条电源母线间可通过开关并联，提高了供电可靠性。各母线采用顺序线性部分分流调节，光照期母线电压保持在42V0.5V范围。,电源分系统原理框图:,6 两个太阳翼，每翼由三块碳纤维蜂窝夹层板串连展开组成，采用效率12%的硅太阳能电池。7 蓄电池采用45Ah容量的镉镍电池（NiCd）,有效载荷转发器分系统原

14、理框图,8有效载荷采用接收放大转发工作模式，即用户经上行L波段申请信号，星上L/S天线接收后，经变频放大，用C波段天线发给地面中心，地面中心经计算处理后，通过C波段发向卫星，由C天线接收，变频放大后，用S波段经L/S天线发给用户、实现定位。,9 下行发射功率大，首次采用具有自动电平控制功能的120W高功率行放。掌握了真空微放电、无源互调和温度控制技术。10首次研制了大型（2.6m2.44m）L/S收发共用偏置反射面赋形波束天线，为适应卫星不同定点位置，具有大功率波束切换功能。,天线示意图：,区域导航卫星由5GEO+3IGSO+4MEO混合星座组成。,5颗地球静止轨道卫星（GEO）分别定点于东经

15、60、80、110.5、140、160。3颗倾斜同步轨道卫星（IGSO）分别在间隔120的三个轨道上，倾角55，星下点轨道重合，交叉点为东经118，相位差120。4颗中轨道卫星（MEO）为Walker 24/3/1 星座的第一轨道面第7、8相位，第二轨道面第3、4相位，轨道高21528公里，倾角55。,四、我国区域导航卫星,2007.4.14,2007年4月已成功发射了一颗MEO卫星，已完成了多项在轨技术试验，卫星至今运行正常。2010年1月成功发射了一颗GEO-1星，定点于东经144.5。目前已完成在轨测试，星上各系统工作正常。,区域导航卫星组成,GEO卫星采用DFH-3卫星的改进型平台（D

16、FH-3A），由8个分系统组成。,GEO卫星展开示意图,GEO卫星组成框图,IGSO、MEO卫星继承导航试验卫星平台技术，各由10个分系统组成。,MEO/IGSO卫星展开示意图,MEO/IGSO卫星组成框图,区域导航卫星主要技术性能,1、IGSO、MEO卫星采用无线电导航体制（RNSS），GEO卫星则同时具有无线电导航（RNSS）和无线电测定导航（RDSS）定位功能，RDSS技术性能同导航试验星。2、定位精度（RNSS）平面：10m，高程：10m（东经75135，北纬1055）平面：20m，高程：20m（东经55180，南北纬55）3、测速精度：0.2m/s4、授时精度：单向50ns，双向10

17、ns5、卫星重量 GEO：3050kg（其中有效载荷重：350kg）IGSO：2300kg（其中有效载荷重：247kg）MEO：2160kg（其中有效载荷重：249kg）6、外形尺寸（收拢状态）GEO：2.21.722.4m3 IGSO/MEO：2.21.722.0m37、卫星功率（EOL）GEO：2500W IGSO：2065W MEO：2005W,8、IGSO/MEO相位保持精度：59、工作寿命 GEO、IGSO、MEO卫星均为8年10、RNSS工作频率 B1：15xxxx MHz B2：12xxxx MHz B3：12xxxx MHz 上行L：13xxxxMHz11、导航信号及调制 共6

18、个导航信号 B1、B2、B3：UQPSK(I:Q=x：x，x：x)调制 上行 L：QPSK 调制12、码速率 B1 B2 B3 L I 支路 x Mcps x Mcps xx Mcps x Mcps Q支路 x Mcps xx Mcps xx Mcps x Mcps13、信息速率 B1I、B2I、B3I：xx bps，LI：xxx bps B1Q、B2Q、B3Q：xxx bps，LQ：x Kbps,14、EIRP(dBW),区域导航卫星主要技术特点,MEO卫星采用一箭双星发射，GEO、IGSO卫星仍沿用一箭一星发射，均采用490N双组元发动机自身变轨定点。IGSO、MEO卫星平台充分继承DFH

19、-3卫星平台的成功经验和成熟技术，并在此基础上进行了适应性改进，增设了天线舱；GEO卫星平台采用DFH-3A改进型卫星平台，卫星总高度（X向）增长400mm。,GEO卫星结构示意图,GEO卫星推进剂贮箱各增长200mm，增大了推进剂装载量。IGSO、MEO卫星采用三轴稳定加偏航控制方案，使太阳翼对日定向，增加电功率；并具有磁力距控制姿态能力，可减少喷气次数，降低轨道干扰。三类卫星均采用了USB测控和扩频测控体制。设置了一台USB应答机和二台扩频应答机，并增设了卫星背地面（-Z向）的测控天线，增加了系统冗余和可靠性。,测控原理框图,IGSO、MEO卫星增设了数管分系统，通过1553B总线对星上数

20、据统一管理，并对电源、热控实行星上自主管理。,数管原理框图,GEO卫星采用了砷化镓和硅太阳电池联合供电方式，增大了供电功率，并首次采用了60AH的氢镍（NiH2）蓄电池。IGSO，MEO卫星采用40AH氢镍蓄电池。三类卫星均采用RNSS体制，接收上行注入信号，经放大、解扩、解调，进行精密测距，完成注入信息处理，生成下行导航信息，并调制在B1、B2、B3频段上下发给地面，共有6个导航信号。,RNSS导航原理框图,GEO卫星除具有RNSS定位功能外，还保留了试验卫星RDSS的功能，使导航系统能连续平稳过渡。在三类卫星上首次使用了我国自主研制的高精度铷钟，满足频率精度要求，实现了高稳定的控温技术，保

21、证了铷钟稳定的工作环境。IGSO、MEO卫星增设了空间探测与激光测量分系统。具有空间环境实时监测，进行精密定轨和星地时间比对功能,五、我国全球导航卫星设想,全球卫星导航系统是一个面向全世界开放的卫星导航定位服务系统，在全球范围内提供基本的导航、定位和授时服务。全球导航卫星系统在区域导航基础上，增加MEO卫星，由24 MEO+3GEO+3IGSO混合星座组成。24颗MEO卫星为Walker 24/3/1星座，三个轨道面，各8颗卫星均匀分布。,全球导航卫星星座示意图,1、定位精度：重点地区 水平2.5m，高程4m 全球 水平10m，高程15m（与其他系统兼容使用：水平2.5m，高程4m）2、测速精

22、度：重点地区 0.1m/s，全球 0.2 m/s3、授时精度：重点地区 10ns，全球 20ns4、导航信号：a.与GPS L1C/Galileo E1频谱实现兼容互操作，增加B1C信号。调制方式为MBOC（6，1，1/11），码速率1.023Mcps b.与GPS L5/Galileo E5频谱实现兼容互操作，增加B2b信号。调制方式为Alt BOC（15，10），码速率10.23Mcps5、自主运行：60天，定位精度50m6、星间链路：UHF或Ka，测距精度0.3m7、系统完好性要求：满足民用航空一类精密进近要求（完好性风险110-7/h）8、GEO/IGSO具备报文通信功能，单次通信不少

23、于120个汉字，容量增加至500万次/小时9、MEO卫星增加搜索救援功能10、卫星寿命：GEO/IGSO卫星12年，MEO卫星10年,全球导航卫星主要技术性能,1、MEO卫星可以采用自身变轨和直接入轨两种方案。2、自身变轨卫星在继承区域导航MEO卫星技术基础上，改进提高，采用一箭双星发射，卫星重量小于2200Kg，功率3000W。,自身变轨MEO卫星示意图（收拢状态）,全球导航卫星方案设想MEO卫星,自身变轨MEO卫星示意图（展开状态）,3、直接入轨卫星需要研制MEO专用卫星平台，采用桁架+壁板式结构，可采用一箭双星或一箭4星发射，卫星重量小于1000Kg，功率3000W。4、MEO卫星平台由

24、结构、供配电、综合电子、测控、控制、推进、热控、自主运行8个分系统组成，有效载荷由RNSS导航、天线、搜索救援3个分系统组成，卫星共有11个分系统。,直接入轨MEO卫星示意图（收拢状态）,直接入轨MEO卫星示意图（展开状态）,5、为提高卫星自主管理能力，设立综合电子分系统，完成整星信息综合和功能综合，实现信息共享和资源共享。具有控制计算和逻辑处理，电源、热控的自主管理，遥测遥控和故障诊断与隔离等多项功能。,综合电子分系统功能框图,6、为提高供电效率，供配电采用S3R体制的42V全调节母线方案。采用三结砷化镓太阳能电池和锂离子蓄电池，提高卫星电源功率。,一次电源原理框图,7、自身变轨MEO卫星推

25、进分系统继承区域导航卫星推进分系统方案；直接入轨卫星改用常规单组元肼推进方案，系统更简化、安全。8、自主运行分系统是新增分系统，完成星间测距、数据传输、全球测控、自主导航和故障诊断，由星间链路天线、测距和数据收、发设备、自主导航算法软件等组成，星间链路可以考虑UHF或Ka两种方案。9、高稳定时频设备：采用高精度铷原子钟和高稳定度铯原子钟或氢钟。稳定度：310-12/s、510-14/d，漂移率：110-14/d。10、控制、推进、测控、热控等分系统以及有效载荷方案与区域导航卫星基本相同。,1、卫星均采用自身变轨方案，一箭一星发射。2、卫星均采用DFH-3B增强型平台，结构由碳纤维蜂窝结构中心承

26、力筒和蜂窝夹层结构板组成。GEO卫星重量小于4600Kg，功率6800KW。IGSO卫星重量小于4200Kg，功率6200KW。,全球导航卫星方案设想GEO/IGSO卫星,GEO卫星示意图（收拢状态）,IGSO卫星示意图（收拢状态）,3、IGSO卫星平台由结构、供配电、综合电子、测控、控制、推进、热控、自主运行8个分系统组成，有效载荷由RDSS导航、RNSS导航及天线3个分系统组成，卫星共有11个分系统。GEO卫星上还有用于站间时间同步、差分广播用的通信转发分系 统，共12个分系统组成。4、GEO/IGSO卫星中的综合电子、测控、控制、推进、热控、自主运行以及RNSS导航等分系统方案与MEO卫

27、星基本相同。5、GEO/IGSO卫星供配电采用S3R体制的100V全调节母线方案，可减少线路损耗。6、为了提高报文通信容量和降低用户机发射功率，GEO卫星RDSS天线口径增大至2.43.2m，IGSO卫星RDSS天线口径增大至4.2m。,六、结束语,我国已成功发射了3颗北斗导航卫星，建成了北斗导航试验系统，并已成功应用于国民经济各个领域、各个部门。近年来又成功发射了MEO和GEO区域导航卫星，具有RDSS和RNSS导航能力的区域卫星导航系统也正在建设之中，卫星导航事业取得了很大成绩。但是和国外的卫星导航系统、先进的导航卫星相比，技术上还存在很大差距，远不能满足广大用户需求。为了尽快建成我国的全

28、球卫星导航系统，我们还必须自主创新，及早开展导航卫星核心技术的攻关，迎头赶上世界先进水平。我们要尽快研制长寿命、高可靠的DFH-3B公用卫星平台，满足GEO/IGSO导航卫星要求；研制集成度高、重量轻的MEO直接入轨卫星专用平台；掌握一箭多星发射技术；我们要尽快突破星间链路、自主导航、高精度高稳定性原子钟以及大型展开式功率增强天线等项关键技术；要采用先进的导航信号生成和调制技术，满足系统间的兼容操作要求；大幅提升定位精度和导航系统的完好性、连续性和可用性；提高系统的安全性和抗干扰能力，并迅速实现关键部件和元器件的国产化。我们坚信具有我国自主知识产权、先进的、高精度的全球卫星导航系统（Compass）必将建成。,谢 谢！,