导航卫星技术与其发展趋势

导航卫星技术与其发展趋势第一页，共49页。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、结束语第二页，共49页。

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卫星区域导航系统第三页，共49页。

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。第四页，共49页。GPS星座为Walker24/6/1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：GPSⅠ、GPSⅡ、GPSⅡA、GPSⅡR、GPSⅡRM、GPSⅡF。目前正在研发第三代GPSIII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导航卫星星座第五页，共49页。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。GPSⅠ试验验证卫星GPSI卫星

第六页，共49页。GPSⅡ第二代卫星

卫星结构构型和GPSⅠ相同。在GPSⅠ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。GPSⅡA卫星

卫星结构构型和太阳翼均与GPSⅡ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。GPSII卫星

第七页，共49页。GPSIIR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NiH2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，URE7m（1σ）采用新型高精度铷原子频标（3个）：6×10-4/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GPSⅡR相同在GPSⅡR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。GPSIIRM卫星

GPSIIR卫星

第八页，共49页。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GPSIIRF卫星

GPSII系列卫星频码图

GPSIIRF卫星结构图GPSIIRF卫星第九页，共49页。美国正在研制第三代导航卫星GPSIII，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；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，URE3m；11、具有星—星、星—地通信能力，100Mbit/s;12、具有搜索及救援功能。GPSIII卫星

GPS卫星总装生产线GPSIII卫星第十页，共49页。GPS卫星发展历程(1)卫星GPSIGPSIIGPSIIAGPSIIRGPSIIRMGPSIIFGPSIII卫星构型（长×宽×高）八面体箱型结构同左同左四面体箱型结构1.93×1.52×1.91四面体箱型结构1.93×1.52×1.91八面体箱型结构2.44×1.97×1.97卫星重量（kg）16651816203220652170太阳翼共2翼每翼由2块弧形板并联构成共2翼每翼由2块平板并联构成共2翼每翼由4块平板并联构成共2翼每翼由2块平板串联构成同左共2翼，每翼由3块平板串联构成功率（W）1100W硅太阳电池同左1959W硅太阳电池同左2610W砷化镓太阳电池蓄电池NiCd镉镍电池同左同左NiH2氢镍电池同左同左锂离子电池射频功率EIRPL1：27dBWL2：20dBW同左同左同左L1：28dBWL2:22dBWL1:28dBWL2:22dBWL5:32dBW定位精度C/A:100m50cm/s385nsP(Y):10m20cm/s100ns同左同左C/A（无SA）:50m,100nsP(Y)：同左C/A(无SA):20m50nsP(Y):10m20nsM:6m10ns同左0.5-1.0m2ns设计寿命5年7.5年同左同左10年12年15年第十一页，共49页。卫星GPSIGPSIIGPSIIAGPSIIRGPSIIRMGPSIIFGPSIII导航信号L1：1575.42MHzC/AP(Y)L2:1227.60MHzP(Y)

共3个同左同左同左L1:1575.42MHzC/AP(Y)ML2:1227.60MHzP(Y)ML2C

共6个L1:1575.42MHzC/AP(Y)ML2:1227.60MHzP(Y)ML2CL5C:1176.45MHzP(Y)

共7个同左，增加L6

共8个信号增强无无无无7dB7dB20dB信号调制C/A：

BPSK-R(1)*P(Y):BPSK-R(10)*同左增加SA、AS措施同左同左C/A：

BPSK-R(1)P(Y):BPSK-R(10)M:BOC(10,5)*同左L5C：

BPSK-R(10)同左L1C：

MBOC(6,1，1/11)L5C：A1tBOC(15，10)扩频码位长C/A：1023P:6187.104×109Y:加密产生同左同左同左同左M:加密产生L2C:CM10230CL767250同左L5C:I10230Q10230同左L1C:10230星钟2台铷钟

1×10-12/天2台铯钟

1.5×10-13/天2台铷钟

1×10-13/天2台铯钟

1×10-13/天同左3台铷钟

6×10-14/天同左2台铷钟

5×10-14/天2台铯钟

1×10-13/天星间链路无无无UHF频段

TDMABPSK-R(5)*

测距精度2ns同左同左具有跳频功能Ka频段（23GHz）点对点传输自主运行无无无自主运行180天URE7m(1σ)同左同左180天URE3mGPS卫星发展历程(2)注R(1)*

码速率1.023Mcps，R(5)*

码速率5.115Mcps，R(10)*

码速率10.23McpsBOC(10,5)*

副载波频率10.23MHz，码速率5.115Mcps第十二页，共49页。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，GPSⅢ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卫星主要技术特点第十三页，共49页。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），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1×10-12/天提高至

5×10-14/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）。第十四页，共49页。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、空间电子探测和电子侦察功能。

GPSⅢ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GPSⅡA、GPSⅡR、GPSⅡRM、GPSⅡF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。第十五页，共49页。

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140°E、80°E和110.5°E（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第十六页，共49页。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。卫星组成框图第十七页，共49页。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70°~145°，北纬5°~55°）4．卫星重量：2320kg，其中有效载重168kg。5．最大外形尺寸（在轨展开）X向:5.7mY向:18.1mZ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±0.1°8．工作寿命8年卫星展开示意图第十八页，共49页。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：2.2×1.72×2.0m，结构比为7%左右。卫星结构示意图

通信舱推进舱服务舱太阳翼对背地板第十九页，共49页。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式。

控制系统原理框图

第二十页，共49页。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第二十一页，共49页。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42V±0.5V范围。

电源分系统原理框图:第二十二页，共49页。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）第二十三页，共49页。有效载荷——转发器分系统原理框图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。第二十四页，共49页。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（2.6m×2.44m）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：第二十五页，共49页。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Walker24/3/1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、我国区域导航卫星第二十六页，共49页。2007.4.142007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。第二十七页，共49页。区域导航卫星组成

GEO卫星采用DFH-3卫星的改进型平台（DFH-3A），由8个分系统组成。GEO卫星展开示意图GEO卫星组成框图第二十八页，共49页。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卫星组成框图第二十九页，共49页。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75°~135°，北纬10°~55°）平面：20m，高程：20m（东经55°~180°，南北纬±55°）3、测速精度：0.2m/s4、授时精度：单向50ns，双向10ns5、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：2.2×1.72×2.4m3IGSO/MEO：2.2×1.72×2.0m37、卫星功率（EOL）

GEO：2500WIGSO：2065WMEO：2005W第三十页，共49页。8、IGSO/MEO相位保持精度：±5°9、工作寿命

GEO、IGSO、MEO卫星均为8年10、RNSS工作频率

B1：15xx±xxMHzB2：12xx±xxMHzB3：12xx±xxMHz

上行L：13xx±xxMHz11、导航信号及调制共6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

B1B2B3LI支路xMcpsxMcpsxxMcpsxMcpsQ支路xMcpsxxMcpsxxMcpsxMcps13、信息速率

B1I、B2I、B3I：xxbps，LI：xxxbpsB1Q、B2Q、B3Q：xxxbps，LQ：xKbps第三十一页，共49页。14、EIRP(dBW)

第三十二页，共49页。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-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卫星结构示意图第三十三页，共49页。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。测控原理框图第三十四页，共49页。IGSO、MEO卫星增设了数管分系统，通过1553B总线对星上数据统一管理，并对电源、热控实行星上自主管理。数管原理框图第三十五页，共49页。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导航原理框图第三十六页，共49页。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第三十七页，共49页。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24MEO+3GEO+3IGSO混合星座组成。24颗MEO卫星为Walker24/3/1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第三十八页，共49页。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、测速精度：重点地区0.1m/s，全球0.2m/s3、授时精度：重点地区10ns，全球20ns4、导航信号：

a.与GPSL1C/GalileoE1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1.023Mcpsb.与GPSL5/GalileoE5频谱实现兼容互操作，增加B2b信号。调制方式为AltBOC（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1×10-7/h）8、GEO/IGSO具备报文通信功能，单次通信不少于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第三十九页，共49页。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）第四十页，共49页。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）第四十一页，共49页。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第四十二页，共49页。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。一次电源原理框图第四十三页，共49页。7、自身变轨MEO卫星推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