范本尧院士－导航卫星技术及其发展趋势ppt课件

1、导航卫星技术及其开展趋势范本尧中国空间技术研讨院二一年五月导航卫星技术及其开展趋势一、前言二、美国GPS导航卫星三、我国导航实验卫星四、我国区域导航卫星五、我国未来全球导航卫星想象六、终了语 卫星导航系统是一种天基无线电导航定位和时间传送系统，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，已广泛运用于全球的各个行业，已成为一个重要的空间根底设备，是衡量一个国家综合国力的主要标志，以及国防平安的重要支撑。一、前言 当前世界上已胜利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实验系统 正在建立的有二个卫星导航系统中国全球卫星导航系统欧洲GA

2、LILEO卫星导航系统 方案开展的有两个卫星导航系统日本QZSS准天顶加强系统印度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，接纳上行导航数据，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。 本文着重引见国外导航卫星和我国导航卫星技术开展情况。 由于篇幅和时间关系，本文对国外导航卫星仅引见当前广泛运用、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，

3、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年组网运转，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良提高。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。共消费了11颗卫星。GPS实验验

4、证卫星GPS I 卫星 GPS 第二代卫星 卫星构造构型和GPS一样。在GPS根底上改良：设计寿命添加至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措施共消费了9颗卫星。GPS A 卫星 卫星构造构型和太阳翼均与GPS一样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，提高精度共消费了19颗卫星。GPS II 卫星 GPS IIR卫星 卫星有较大改良：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

5、有UHF频段星间链路，180天自主导航功能，URE 7m1 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消费了12颗卫星。卫星构造构型和太阳翼和GPSR一样在 GPSR根底上改良：L1、L2频段上添加新的军用M码信号，提高平安性和严密性添加新的L2C民用码，使民用接纳机可进展电离层误差修正，提高定位精度具有功率添加7dB功能设计寿命10年共消费8颗卫星。GPS IIRM卫星 GPS IIR卫星 卫星构造为八面体长箱体构型见图减少构造板数量，增大天线安装面积规划优化，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，提高了功率添加新的民用频

6、率L51176.45MHz改良型天线，以宽带公用单元取代L波段阵元设计寿命12年已消费了16颗卫星GPS IIRF卫星 GPS II 系列卫星频码图 GPS IIRF卫星 构造图GPS IIRF卫星 美国正在研制第三代导航卫星GPS III，预期将有多项改良和提高。1、卫星设计寿命15年；2、仍采用本身变轨方案，采用一箭双星发射；3、定位精度：程度0.5m，高程1m；4、授时精度：2ns;5、添加L1C导航信号，MBOC6，1，1/11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、点波束天线功率加强20dB;9、采用锂离子电池，

7、提高卫星功率；10、自主导航180天，URE 3m；11、具有星星、星地通讯才干，100Mbit/s;12、具有搜索及救援功能。GPS III 卫星 GPS卫星总装消费线GPS III 卫星GPS卫星开展历程 (1)卫星GPS IGPS IIGPS IIAGPS IIRGPS IIRMGPS IIFGPS III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1.931.521.91四面体箱型结构1.931.521.91八面体箱型结构2.441.971.97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

8、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: 100m 50cm/s 385nsP(Y): 10m 20cm/s 100ns同左同左C/A（无SA）: 50m, 100nsP(Y)：同左C/A(无SA): 20m 50nsP(Y): 10m 20nsM:

9、 6m 10ns同左0.5-1.0m 2ns设计寿命5年7.5年同左同左10年12年15年卫星GPS IGPS IIGPS IIAGPS IIRGPS IIRMGPS IIFGPS III导航信号L1：1575.42MHz C/A P(Y)L2:1227.60MHz P(Y) 共3个同左同左同左L1:1575.42MHz C/A P(Y) M L2:1227.60MHz P(Y) M L2C 共6个L1:1575.42MHz C/A P(Y) ML2:1227.60MHz P(Y) M L2CL5C:1176.45MHz P(Y) 共7个同左，增加L6 共8个信号增强无无无无7dB7dB20d

10、B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：1023 P:6187.104109Y:加密产生同左同左同左同左M:加密产生L2C:CM 10230 CL 767250同左L5C: I 10230 Q 10230同左 L1C:10230星钟2 台铷钟 110-12/天2台铯钟 1.510-13/天2 台铷钟 110-13/天2台

11、铯钟 110-13/天同左3台铷钟 610-14/天同左2台铷钟 510-14/天2台铯钟 110-13/天星间链路无无无UHF频段 TDMA BPSK-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URE 7m(1)同左同左180天URE 3mGPS卫星开展历程 (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5.115Mcps1 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

12、术承继性好，可靠性高。2 卫星平台采用常规、成熟承继性好的方案：采用中心承力筒+板式构造方案。 转移轨道采用自旋稳定方式，在轨运转采用三轴姿态稳定，单组元肼推进系统。3 太阳翼由二次展开并联式构造，改良为一次展开串联式构造，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，添加太阳电池功率。5 不断提高蓄电池容量，由NiCd电池改良为NiH2电池，GPS预备采用锂离子电池。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，当部分地域信号弱时，可采用低速率，添加信噪比，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

13、行遥控功能完成。 卫星在轨运转阶段，测控停顿转发测距信号，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 添加测控覆盖区域，提高平安性。 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，可以提供延续的覆盖区。9 添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个导航信号添加至3个导航频率、7个导航信号。 添加新的军用M码，军民频谱彻底分别，提高平安性和抗干扰才干。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采用信号加强技术增益7dB

14、。13采用星间链路和自主运转技术，提高测距精度和战时对抗才干UHF频率。14不断延伸卫星寿命从5年增至12年。15不断提高系统定位精度小于10m。16多功能交融，综合型开展。 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查功能。 GPS还进一步思索搜索与求援、通讯等功能。17卫星逐渐提升性能，星座平稳过渡、延续运转，不影响用户运用。 目前星座运转的就有GPSA、GPSR、GPSRM、GPSF 等几种型号卫星。 GPS卫星技术开展的特点，值得我们在研制导航卫星时思索和自创。 导航实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

15、星分别于2000年10月、12月和2003年5月胜利发射、运转，至今仍在任务。三、我国导航实验卫星卫星的构型和总体规划采用分舱模块化设计。分为通讯舱、推进舱、效力舱三个舱段，及天线模块、太阳电池翼模块。东面板上装有一副S/L天线、一副通讯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。导航实验卫星组成卫星在轨任务表示图卫星外形表示图卫星由构造、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。卫星组成框图导航实验卫星主要技术性能1采用无线电测定体制RDSS，具有定位、数字报文通讯和双向授时三大功能。2定位精度：程度20m

16、无标校100m高程10m。 授时精度：单向100ns，双向20ns。 报文通讯：每次120个字，每小时54万次。3效力区域：我国及周边地域，沿海及太平洋部分海域东经70145，北纬5554卫星分量：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位置坚持精度：东西0.1 南北0.18任务寿命 8年卫星展开表示图导航实验卫星主要技术特点1 采用承继性好、技术成熟的一箭一星发射方式，卫星本身变轨和定点。2 卫星采用DFH-3公用平台成熟技术，构造由碳纤维复合资料中心承力筒和24块

17、蜂窝夹层板组成的四边形箱体。箱体尺寸：2.21.722.0m，构造比为7%左右。卫星构造表示图 通讯舱推进舱效力舱太阳翼对背地板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转均采用三轴姿态稳定方式。 控制系统原理框图 4 卫星采用了先进的双组元一致推进系统，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,提高了推进剂运用效率。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，两条电源母线间可经过开关并联，提高了供电可靠性。各母线采用顺序线性部分分流调理，光照期母线电压坚持在42V

18、0.5V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理框图8有效载荷采用接纳放大转发任务方式，即用户经上行L波段恳求信号，星上L/S天线接纳后，经变频放大，用C波段天线发给地面中心，地面中心经计算处置后，经过C波段发向卫星，由C天线接纳，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，初次采器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初次研制了大型2.6m2.44mL/S收发共用偏置反射面赋

19、形波束天线，为顺应卫星不同定点位置，具有大功率波束切换功能。天线表示图：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月已胜利发射了一颗MEO卫星，已完成了多项在轨技术实验，卫星至今运转正常。 202

20、1年1月胜利发射了一颗GEO-1星，定点于东经144.5 。目前已完成在轨测试，星上各系统任务正常。区域导航卫星组成 GEO卫星采用DFH-3卫星的改良型平台DFH-3A，由8个分系统组成。GEO卫星展开表示图GEO卫星组成框图IGSO、MEO卫星承继导航实验卫星平台技术，各由10个分系统组成。 MEO/IGSO卫星展开表示图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卫星那么同时具有无线电导航RNSS和无线电测定导航RDSS定位功能，RDSS技术性能同导航实验星。2、定位精度RNSS 平面：10m，高程：10m东经75，北纬1

21、055 平面：20m，高程：20m东经55180，南北纬553、测速精度：0.2m/s4、授时精度：单向50ns，双向10ns5、卫星分量 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：249kg6、外形尺寸收拢形状 GEO：2.21.722.4m3 IGSO/MEO：2.21.722.0m37、卫星功率EOL GEO：2500W IGSO：2065W MEO：2005W8、IGSO/MEO相位坚持精度：59、任务寿命 GEO、IGSO、MEO卫星均为8年10、RNSS任务频率 B1：15xxxx MHz

22、B2：12xxxx MHz B3：12xxxx MHz 上行L：13xxxxMHz11、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 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 Kbps14、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

23、、IGSO卫星仍沿用一箭一星发射，均采用490N双组元发动机本身变轨定点。IGSO、MEO卫星平台充分承继DFH-3卫星平台的胜利阅历和成熟技术，并在此根底上进展了顺应性改良，增设了天线舱；GEO卫星平台采用DFH-3A改良型卫星平台，卫星总高度X向增长400mm。GEO卫星构造表示图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，添加电功率；并具有磁力距控制姿态才干，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应对机和二台扩频应对机，并增设了卫星背地面-Z向的测控天线，添加

24、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，经过1553B总线对星上数据一致管理，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结合供电方式，增大了供电功率，并初次采用了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，接纳上行注入信号，经放大、解扩、解调，进展精细测距，完成注入信息处置，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，还保管了实验卫星RDSS的功能，使导航系统能延续平稳过渡。在三类卫

25、星上初次运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，保证了铷钟稳定的任务环境。IGSO、MEO卫星增设了空间探测与激光丈量分系统。具有空间环境实时监测，进展精细定轨和星地时间比对功能 五、我国全球导航卫星想象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效力系统，在全球范围内提供根本的导航、定位和授时效力。全球导航卫星系统在区域导航根底上，添加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。全球导航卫星星座表示图1、定位精度： 重点地域 程度2.5m，高程4m 全球

26、 程度10m，高程15m与其他系统兼容运用：程度2.5m，高程4m2、测速精度：重点地域 0.1m/s，全球 0.2 m/s3、授时精度：重点地域 10ns，全球 20ns4、导航信号： a.与GPS L1C/Galileo E1频谱实现兼容互操作，添加B1C信号。 调制方式为MBOC6，1，1/11，码速率1.023Mcps b.与GPS L5/Galileo E5频谱实现兼容互操作，添加B2b信号。 调制方式为Alt BOC15，10，码速率10.23Mcps5、自主运转：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细进近要求完好

27、性风险110-7/h8、GEO/IGSO具备报文通讯功能，单次通讯不少于120个汉字，容量添加至500万次/小时9、MEO卫星添加搜索救援功能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卫星可以采用本身变轨和直接入轨两种方案。2、本身变轨卫星在承继区域导航MEO卫星技术根底上，改良提高，采用一箭双星发射，卫星分量小于2200Kg，功率3000W。本身变轨MEO卫星表示图收拢形状全球导航卫星方案想象MEO卫星本身变轨MEO卫星表示图展开形状3、直接入轨卫星需求研制MEO公用卫星平台，采用桁架+壁板式构造，可采用一箭双星或一箭4星发射，卫星分量小于

28、1000Kg，功率3000W。4、MEO卫星平台由构造、供配电、综合电子、测控、控制、推进、热控、自主运转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卫星表示图收拢形状直接入轨MEO卫星表示图展开形状5、为提高卫星自主管理才干，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置，电源、热控的自主管理，遥测遥控和缺点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全调理母线方案。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、本身变轨MEO卫星推进分系统承继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、平安。8、自主运转分系统是新增分系统，完成星间测距、数据传输、全球测控、自主导航和缺点诊断，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，星间链路可以思索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